Учебное пособие 800523

Посредством периодического взвешивания и измерения в течение

60-100 суток следили за кинетикой изменения влажностного состояния материала и его объемными изменениями. Расчет показателей водонасыщения производился по приросту массы образцов при выдерживании их под водой в течение трех суток.

По результатам опытов оценивались гигрометрические характеристики, позволяющие количественно и комплексно оценить активность структуры в отношении водяного пара и воды:

1) адсорбционно-конденсационная емкость материала, характеризую-

щая количество водяного пара, которое материал способен поглотить по механизму адсорбции и капиллярной конденсации в средах с известными пар-

циальным давлением и температурой; 2) капиллярное насыщение, характеризующее количество поглощенной

влаги при контакте поверхности материала с водой; 3) водонасыщение по массе и объему, характеризующее предельное количе-

ство поглощаемой материалом влаги при контакте с водой.

По результатам оценки гигрометрических параметров взаимодействия поризованного бетона с гигросредой (см. табл. 8,9; рис. 8,9) можно сделать следующие выводы о закономерностях влияния состава и структуры мате-

риала на взаимодействие с водяным паром и водой.

Анализируя изотермы адсорбции плотного и поризованного бетона,

можно утверждать, что в интервале p/ро = 0,0-0,75 поглощение водяного пара для всех исследуемых серий образцов бетона происходит преимущественно по механизму моно- и полимолекулярной адсорбции. При p/ро 0,75 погло-

щение пара резко интенсифицируется за счет проявления действия механиз-

ма капиллярной конденсации. Для образцов мелкозернистого бетона характерны меньшие величины адсорбции во всем диапазоне p/ро по сравнению с микрозернистыми бетонами. Поглощение водяного пара мелкозернистым бетоном даже в среде с р/р0 = 0,98 не превышает 2,5 % по массе для плотных бетонов и 4,5 % - для поризованных, а показатель степени заполнения объема пор водой - (Vжф/Vпор) - 0,07 (см. табл. 8); в то же время для микрозернистых бетонов максимальная величина поглощения водяного пара достигает

12-20 % по массе, а Vжф/Vпор = 0,25-0,40 (табл. 9).

41

а)		10
массе		9					Поризованный бетона
		8	D800
							на немолотом песке;
по		7
%							- -"- на молотом песке;
		6
адсорбции,
		5
		4					- -"- на золе-уноса;
Величина		3
		2					- -"- на пыли уноса
		1
		0
		0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
			Парциальное давление
			водяного пара, р/р0
б)
		5
	массе	4,5					плотный мелкозернистый
		4
							бетон на портландцементе;
	по
		3,5
	%						поризованный бетон D1600;
		3
	адсорбции,
		2,5					- -"- D1200;
		2
	Величина	1,5					- -"- D800.
		1
		0,5
		0
		0	0,2	0,4	0,6	0,8	1
			Парциальное давление

водяного пара р/р0

Рис. 8. Изотермы адсорбции неавтоклавного микрозернистого (а) и мелкозернистого (б) цементного поризованного бетона

42

а)
Величина капиллярного		1
	2	0,8
	насыщения, г/см
		0,6
		0,4
		0,2					D 800
		0
		0	20	40	60	80	100	120
				Продолжительность насыщения, ч

на немолотом песке;

-"- на золе уноса;

-"- на молотом песке;

-"- на пыли уноса

	б)
		0,7						Поризованный бетон на
Величина капиллярного		0,6						немолотом песке D800;
	2	0,5						-"- D1200;
	насыщения, г/см
		0,4						-"- D1600
		0,3
		0,2
		0,1
		0
		0	20	40	60	80	100	120
				Продолжительность насыщения, ч

Рис. 9. Кинетика капиллярного насыщения неавтоклавного цементного поризованного бетона

микрозернистого (а) и мелкозернистого (б)

43

И это вполне объяснимо, так как немолотый песок характеризуется меньшей удельной площадью поверхности, а межпоровые перегородки обладают минимальной микропористостью вследствие низких значений В/Ц; в то же вре-

мя макропоры имеют наибольшее значение среднего эффективного радиуса. Установлено, что по скорости и предельной величине капиллярного на-

сыщения, водопоглощения наиболее активными также оказались образцы бетона с тонкодисперсными наполнителями (см. рис. 9, а). Их структурные параметры предопределяют наибольшую в пределах проводимых экспериментов величину капиллярного давления при поглощении жидкости. Вели-

чина капиллярного насыщения и водопоглощения при снижении удельной площади поверхности и удельной поверхностной энергии наполнителя мо-

жет быть уменьшена в 1,5 - 2 раза (см. табл. 9). При увеличении средней плотности капиллярное насыщение образцов поризованного бетона возраста-

ет, что обусловлено уменьшением радиуса пор и соответствующим увеличением капиллярного давления в них (см. рис. 9, б).

Водонасыщение материала является результатом действия капиллярного и гидростатического давления жидкости. По величине влагосодержания, сте-

пени заполнения пор водой плотный и поризованный бетон на немолотом кварцевом песке характеризуются самыми низкими значениями оцениваемых гигрометрических показателей. Наиболее активными по отношению к воде оказались образцы поризованного бетона на основе пыли-уноса; промежу-

точными характеристиками обладает бетон на молотом песке (см. табл. 9).. Большая активность по отношению к воде поризованного бетона на пыли-

уноса по сравнению с бетоном на молотом песке может быть обусловлена лучшей смачиваемостью (более высоким показателем удельной теплоты сма-

чивания) карбонаткальцевого наполнителя по сравнению с кварцевым. Характерно, что при увеличении объема макропор для всех видов бетона

наблюдается снижение соотношения объемов жидкой фазы и общего объема порового пространства материала, несмотря на увеличение абсолютных по-

казателей его влагосодержания. При этом обращает на себя внимание то, что заполнение порового пространства поризованного бетона водой всегда меньше 1. Воздухововлеченные поры в обычных условиях испытания погружением образцов в воду не заполняются ею, так как этому препятствует на-

личие капиллярно-связанной воды в микропорах вследствие того, что капиллярное давление в микропорах межпоровых перегородок намного превыша-

ет гидростатическое.

44

По результатам исследований гигрометрических характеристик поризо-

ванного бетона правомерен, таким образом, вывод о том, что определяющее влияние на гигрометрические характеристики имеет состав матрицы бетона.

Наименьшей интенсивностью взаимодействия с водяным паром и водой, а следовательно и минимальной силой связи его структуры с водой, отличается материал, который при равной средней плотности и сопоставимом удельном содержании цементирующего вещества характеризуется пониженным зна-

чением удельной площади поверхности и удельной теплоты смачивания наполнителя, а поровое пространство образовано порами с большей (в пределах рассмотренного в опытах интервала) величиной среднего эффективного радиуса. Снижение средней плотности бетона приводит к увеличению значений оцениваемых гигрометрических характеристик на 20-30 %, что закономерно связано с повышением диффузной проницаемости материала при соответст-

вующем изменении объемной доли и среднего радиуса макропор. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о

том, что эффективность управляющего воздействия структурных факторов на показатели интенсивности взаимодействия цементного поризованного бе-

тона с водяным паром и водой заключается в возможности снижения адсорб- ционно-конденсационной емкости в 4 - 5 раз, величин капиллярного и водо-

насыщения в 1,5-2 раза, соотношения объемов жидкой и твердой фаз, жидкой фазы и порового пространства в водонасыщенном состоянии материала в 2 - 2,5 раза.

2.4. Влияние температурно-влажностного состояния

поризованного бетона на его прочностные характеристики

Эксперименты с цементным поризованным бетоном (табл. 10) прово-

дились на представителях конструкционно-теплоизоляционного материала средней плотности =800-1000 кг/м3, изготовленных на пыли-уноса, и конст-

рукционного материала =1400-1600 кг/м3 на кварцевом песке естественной гранулометрии. Выбор данных видов поризованного бетона для исследования влияния влажностного состояния на их прочностные характеристики обусловлен тем, что на основании результатов наших работ (см. раздел 2.3,

45-47 ) установлено, что эти разновидности поризованных бетонов

45

Таблица 10

Характеристика факторного пространства экспериментальных исследований цементного поризованного бетона

Вид бетона	Марка	Характеристика состава
	по средней
	плотности	Характеристика		В/Т(В/Ц)-	Соотношение
		наполнителя		отношение	Ц:Н по массе
Конструкционно-	D800	кварцевый песок		В/Т=0,3	1:1,75
теплоизоляционный	D1000	Sуд = 150 м2/кг;
		карбонатсодержащая
		пыль-унос		В/Ц = 1,0
		Sуд = 120 м2/кг
Конструкционный	D1400	кварцевый	песок	В/Ц = 0,4	1:1,75
	D1600	МК=1,2

квалифицированы как наиболее отличающиеся по интенсивности влагооб-

мена со средой. Состав и структура, условия изготовления принятых для исследований видов поризованного бетона соответствуют представленным в разд. 2.2 характеристикам соответствующих его серий (см. табл. 8, 9).

Для изучения закономерностей изменения прочностных характеристик исследуемых систем в различном температурно-влажностном состоянии серии из шести сухих и шести водонасыщенных образцов цементного микро-

бетона (размером 40 40 160 мм), цементного бетона на мелком заполнителе

(размером 40 40 160 мм) и цементного бетона на крупном заполнителе

(размером 70 70 280 мм), цементного поризованного бетона (размером

40 40 160 мм) и силикатного ячеистого бетона (размером 40 40 160 мм)

выдерживались при t = -60; -40; -20; 0; 20; 40; 60 ºС. После стабилизации температурного состоянии в указанных условиях испытание на прочность при изгибе и сжатии образцов микробетона и мелкозернистого бетона производилось по ГОСТ 310.4-81, образцов цементного бетона на крупном заполнителе, цементного и силикатного ячеистых бетонов - по ГОСТ 10180 – 90.

Установлено, что более высокой водостойкостью, оцененной по коэффициенту размягчения Кр = Rw/Rс, характеризуются материалы, которые бы-

ли оценены как наименее активные по отношению к водяному пару и воде при реализации всей совокупности процессов взаимодействия с ними и соот-

ветственно во всем диапазоне изменения их влагосодержания.

По результатам оценки гигрометрических характеристик мелкозерни-

стый поризованный бетон на кварцевом песке естественной гранулометрии

46

по сравнению с микрозернистыми бетонами характеризовался самыми низ-

кими их значениями. Наиболее активными по отношению к воде оказались образцы поризованного бетона на основе пыли-уноса; промежуточными ха-

рактеристиками обладает бетон на молотом песке.

Соответственно более высокой водостойкостью, оцененной по коэф-

фициенту размягчения Кр = Rw/Rс в гигроскопическом и водонасыщенном состоянии, характеризуется мелкозернистый бетон, нежели микрозернистый

(табл. 11). При этом наиболее низкие показатели коэффициента размягчения характерны для микрозернистого поризованного бетона на карбонаткальце-

вой пыли-уносе.

Таблица 11 Связь водостойкости, оцениваемой по величине коэффициента размягчения, с гигрометрическими характеристиками цементного поризованного бетона

средней плотности 800 кг/м3

				Вид бетона
	Показатели водостойкости		на кварце-	на моло-
			вом песке	том	на карбонатсо-
			естествен-	кварце-	держащей пы-
			ной грану-	вом пес-	ли-уносе
			лометрии	ке
	Соотношение	В области гигроскопиче-
	прочности во	ского влажностного	0,93	0,88	0,81
	влажном и сухом	состояния
	состоянии,
		В водонасыщенном
	Кр = Rw/Rс		0,92	0,86	0,75
		состоянии

Рассмотренные закономерности реализации для поризованных бетонов эффекта Ребиндера могут иметь свои отличительные особенности при дополнительном действии температурного фактора. В области положительных температур, когда вода, содержащаяся в порах материала, находится в жидком агрегатном состоянии, мера снижения прочности будет зависеть от сте-

пени нагревания материала.

Действительно, при прочих равных условиях интенсификация процес-

сов разрушения при повышении температуры жидкой фазы обусловлена снижением ее вязкости, облегчением условий смачивания, это способствует быстрому проникновению жидкости к поверхности разрушения именно в момент ее образования.

47

При отрицательных температурах, когда вода начинает замерзать и происходит процесс льдообразования, в работу сопротивления помимо собственного материала включается и образовавшийся лед. В процессе разру-

шения трещина, движущаяся в материале, наталкивается на вязкоупругопластичные частички льда, соответственно удлиняется путь движения трещины.

В результате в структуре начинает действовать фактор упрочнения материала за счет торможения развития трещин вязко-пластичными включениями,

требующими дополнительных затрат энергии на преодоление границ раздела, на отрыв криофазы от твердой фазы, на деформирование криофазы и др.

Вследствие этого возрастают значения показателей сопротивления разрушению строительных композитов.

Для материала в сухом состоянии, в соответствии с термофлуктуационной концепцией механического поведения твердых тел, закономерности про-

цессов их разрушения зависят от активации термофлуктуационных актов разрыва межатомных связей при повышении температуры. В исследованном диа-

пазоне температур изменение энергии активации данного процесса для связей Ме-О и Si-O считается 48-49 незначительным. В наших экспериментах изме-

нение прочности цементного микробетона и бетона в сухом состоянии не превышает 10 % во всем температурном диапазоне от -60 0С до +60 0С.

Влияние на прочностные характеристики температуры оказывается принципиально значимым для материала во влажном состоянии. Именно из-

менения фазового состояния и особенностей взаимодействия воды со структурой в зависимости от температуры определяют механизмы и закономерно-

сти процессов разрушения. Возможность и реальность упрочнения при льдообразовании доказывается экспериментально полученными нами данными,

из которых следует, что такое упрочнение может быть многократным. Степень упрочнения при льдообразовании зависит от параметров соста-

ва и структуры материала, которые определяют температуру замерзания воды в нем. Определяющим при этом является фактор температуры перехода жидкой фазы в криофазу (температуры замерзания воды в материале), которая зависит от силы связи воды со структурой материала, предопределяемой адсорбционной активностью поверхности твердой фазы (характеризуется теплотой смачивания qтв.ф), сродством жидкой фазы к твердой фазе (характе-

ризуется краевым углом смачивания ), распределением объема порового пространства по радиусу пор drпор/dVпор (характеризуется средним эквивалентным радиусом пор rэ). В зависимости от структуры материала значение

48

температуры замерзания воды в нем может находиться в интервале

0 0С - 70 0С (см. табл. 7).

С появлением льда в замораживаемом увлажненном макропористом ма-

териале фактически происходит формирование «нового» композита с импрегнированной (наполненной) льдом структурой. В поровом пространстве,

которое занимает значительную долю объема макропористые бетонов, жидкая фаза, превращаясь в криофазу, становится источником образования ново-

го импрегнирующего структурного элемента с присущими ему свойствами упруговязкопластичности, адгезивности со стенками пор. Вследствие этого,

для поризованного бетона прочность при сжатии (рис. 10) при t = -40 0С намного выше значений при t = +20 0С. При этом эффект упрочнения усилива-

ется при снижении средней плотности бетона, так как при этом происходит увеличение радиуса пор и соответствующее повышение доли свободной во-

ды в структуре. Так для водонасыщенного цементного поризованного бетона ρ = 800-1000 кг/м3 прочность при сжатии в замороженном состоянии возрас-

тает в 3 - 4 раза по сравнению с ее значениями при t = +20 0С, а для бетона ρ = 1400-1600 кг/м3 – в 1,5 - 2 раза. Одновременно для разновидностей пори-

зованного бетона со средним эквивалентным радиусом пор rэ = 300-400 мкм (для бетона на пыли уноса ρ = 800 кг/м3 и на немолотом песке ρ = 1400 кг/м3)

повышение прочности водонасыщенных образцов по сравнению с сухими наблюдается уже при t = 0 0С, а для разновидностей данного материала с rэ = 100-200 мкм (для бетона на пыли уноса ρ = 1000 кг/м3 и на немолотом песке ρ = 1600 кг/м3) – только при t = -20 0С.

Таким образом, изменение прочностных характеристик цементного поризованного бетона в различном температурно-влажностном состоянии определяется энергией взаимодействия их структуры с водой. Наиболее сильное снижение прочности увлажненного материала в диапазоне положительных температур и,

напротив, наименьший эффект повышения прочности при замораживании характерен для поризованных бетонов с максимальной энергией взаимодействия струк-

туры с водой, которая возрастает при повышении удельной поверхности и поверхностной энергии твердой фазы и уменьшении среднего эффективного радиу-

са пор. В практическом отношении с целью снижения энергии взаимодействия структуры с водой для материалов заданной средней плотности (пористости) эф-

фективным приемом может считаться введение инертных по отношению к воде наполнителейпониженнойдисперсности, а также регулирование В/Т-отношения.

49

50

а)

МПа	24
	22					D1000
сжатии,	20
	18
	16
при	14
	12
Прочность
	10
	8
	6
	4
	-80	-60	-40	-20	0	20	40
			температура, 0С
МПа	12
сжатии,	10					D800
	8
при
	6
Прочность
	0
	4
	2
	-80	-60	-40	-20	0	20	40
			температура, 0С

- в сухом состоянии;

- в водонасыщенном состоянии

б)

24

МПа	22						D1600
	20
сжатии,	18
	16
при	14
	12
Прочность
	10
		8
		6
		4
		-80	-60	-40	-20	0	20	40
				температура, 0С
	МПа	16				D1400
		14
	сжатии,	12
	при	10
	Прочность
		8
		6
		4
		-80	-60	-40	-20	0	20	40

температура, 0С

- в сухом состоянии

- в водонасыщенном состоянии

Рис. 10. Изменение прочности при сжатии при замораживании50 цементного поризованного бетона на пыли-уносе (а) и на немолотом кварцевом песке (б) в водонасыщенном и высушенном до постоянной массы состоянии