Управление процессами структурообразования модифицированных цементных бетонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ

05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

САХИБГАРЕЕВ РИНАТ РАШИДОВИЧ

Уфа 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Ананенко Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Бабков Вадим Васильевич

- доктор технических наук, профессор Калашников Владимир Иванович

- доктор технических наук, профессор Попов Валерий Петрович

Ведущая организация - ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 30 июня 2010 года в 14⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.289.02 Уфимского государственного нефтяного технического университета по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. _____________ И.В. Недосеко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие технологии бетона, повышение эффективности разработки технических и проектных решений с использованием бетона и железобетона, вопросы оптимизации применения высокопрочных бетонов и конструкций на их основе реально зависят от исследований по выявлению использования потенциальных возможностей портландцемента и его разновидностей.

Прочность цементной связки - основного носителя прочности и основы цементного камня реализуется в большинстве практических случаев на уровне 10ч30% от теоретической. Разработка новых технических, технологических решений по повышению прочности и эксплуатационной надежности цементных композитов и бетонов на их основе базируется на установлении закономерностей и углублении представлений по связи структуры и свойств цементного камня, в том числе с применением структурного моделирования, с разработкой экспериментально-аналитических подходов.

Исследование процессов структурообразования, влияния на них организации поровой структуры цементного камня, способности к регуляции и саморегуляции цементной системы, а также управление структурой цементного камня применением материалов и технологий на нанометрическом уровне являются одними из основных возможностей влияния на формирование, закрепление и поддержание свойств цементных композитов и бетонов на их основе.

Применение органических и органоминеральных модификаторов, оптимизация областей их применения открывает широкие возможности по получению технологичных, высокоредуцированных бетонных смесей с улучшенными, высокими прочностными и эксплуатационными показателями бетона.

При этом актуализировались вопросы достижения, а также сохранения требуемого уровня прочностных и эксплуатационных показателей цементных композитов и бетонов на их основе, исследование процессов деструкции, их причин и последствий, а также оценка возможности цементных систем к самозалечиванию.

Модифицированные бетонные смеси и бетоны с высокими прочностными и эксплуатационными показателями широко и в большей степени применяются в монолитном строительстве. Чрезвычайно актуальными являются вопросы оптимизации и рационального применения модифицированных бетонов повышенной прочности во взаимосвязи с технологическими свойствами при изготовлении и проектировании, особенно в сочетании с высокопрочной арматурой.

Работа посвящена исследованию и развитию представлений о закономерностях связей между составом, структурой и свойствами цементных композитов, разработке и использованию эффективных структурно-технологических приемов и технологий при управлении процессами структурообразования для получения модифицированных бетонов заданного уровня свойств и определению их рациональной области применения.

Цель работы. Разработка научно-прикладных и технологических решений по управлению формированием цементных композитов заданной структуры при модифицировании бетонов, с сохранением требуемого уровня их свойств при рациональном применении.

Постановка и концепция научной проблемы. Рабочая гипотеза. Получение, применение цементных композитов и модифицированных бетонов на их основе, работающих в условиях неагрессивных сред, сопряжено с проблемой сохранения достигнутого и требуемого уровня прочностных и эксплуатационных свойств, которая может быть решена через управление процессами структурообразования, созданием условий для самозалечивания и направленным регулированием многоранговой пористостью.

Задачи исследований:

1 Систематизация направлений и механизмов управления структурой цементных композитов, оценка их эффективности по вкладу в направленное формирование прочности и долговечности модифицированных бетонов на их основе;

2 Изучение закономерностей и возможностей влияния физико-химических и механических факторов на стадиях гидратации, структурообразования и твердения для формирования заданного уровня прочностных и эксплуатационных свойств цементных композитов;

3 Исследование влияния пористости, её формирования и структуры на свойства цементных композитов, технологическими приемами, в т. ч. применением модификаторов;

4 Обоснование механизма деструкции и состояния твердеющего цементного камня, сопряженного с проблемой сохранения достигнутого уровня прочности и обеспечения долговечности цементных бетонов;

5 Аналитическая оценка возможности цементных систем к структурообразованию и самозалечиванию;

6 Оценка эффективности известных представлений и развитие направлений по управлению применением цементных композитов, модифицированных бетонов на их основе с улучшенными прочностными и эксплуатационными свойствами;

7 Изучение и установление закономерностей между прочностью и технологическими параметрами (водовяжущее отношение, подвижность) модифицированных водоредуцированных бетонов для их рационального применения;

8 Разработка составов, способов, приемов и технологических решений для направленного управления заданной структурой и получения бетонов с улучшенными прочностными и эксплуатационными свойствами;

9 Разработка методологического подхода к определению и назначению рациональных и оптимальных областей применения высокопрочных бетонов с учетом напряженно-деформированного состояния изделий и конструкции.

Объект исследования. Строительные материалы и изделия. Бетоны. Получение и применение.

Предмет исследования. Цементные композиты и бетоны на их основе. Структура и структурообразование цементных композитов. Модификаторы для бетонов и растворов. Модели цементной системы на стадиях гидратации, структурообразования и твердения. Прочность и пористость. Многоранговая модель. Структурно-технологические аспекты получения и рациональные области применения бетонов повышенной прочности и долговечности на цементном вяжущем. цементный композит бетон самозалечивание

Методологические, теоретические и методические основы исследований:

– обеспечение системно-структурного подхода при анализе направлений для управления структурой цементных композитов;

– использование при экспериментальных исследованиях методов структурного моделирования для оценки возможности цементных систем к самозалечиванию;

– комплексное применение методов идентификации структуры цементного камня для количественного описания взаимосвязи «прочность - локальная пористость - пористость», в том числе на основе классических представлений теории упругости;

– расчетно-аналитическая интерпретация экспериментальных результатов для формирования базы данных в задачах конструирования оптимизированных структур цементных композитов и бетонов, обеспечивающих эффективную реализацию их свойств путем оптимизации и направленного регулирования структуры пор цементных композитов.

Связь работы с научными программами. Исследования и разработки выполнялись в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Государственного комитета Республики Башкортостан по строительству, архитектуре и транспорту на 2004 год по госбюджетным темам: РБ-05-04 «Разработка рецептур и технологии получения высокоэффективных полифункциональных добавок (суперпластификаторов) на базе нефтехимического сырья предприятий РБ (в т.ч. отходов) для технологии бетонных работ в монолитном домостроении»; РБ-03-04 «Разработка технологии получения дорожных и ограждающих цементных панелей и плит с высокоэффективной цветной поверхностью».

Научная новизна работы.

1 Разработаны научно-прикладные основы и технологические решения для управления формированием структуры цементных композитов и модифицированных бетонов, обеспечивающие их высокие прочностные и эксплуатационные свойства.

2 Систематизированы и обобщены направления и механизмы управления структурой цементных композитов, обеспечивающие формирование их высоких прочностных и эксплуатационных свойств.

3 Предложена модель развивающихся цементных систем, позволяющая прогнозировать их способность к структурообразованию на зрелых и поздних стадиях твердения и устанавливающая связи между технологическими параметрами, свойствами цементных композитов и их способностью к самозалечиванию в условиях перекристаллизации гидратных фаз, действия усадки и других деструктурирующих факторов, связывающих резерв клинкерного фонда с обеспечением и поддержанием требуемого уровня прочности.

4 Обоснован механизм формирования состояния твердеющего цементного камня, сопряженный с проблемой сохранения достигнутого уровня прочности и обеспечения долговечности цементных бетонов.

5 Предложено применение метода лазерной гранулометрии при анализе гранулометрического состава и дисперсности вяжущих как важного фактора процессов структурообразования и способности цементных систем к самозалечиванию.

6 На основе модели многоранговой пористости цементного камня, исследована и обоснована роль поровой структуры цементного камня по вкладу в прочность отдельных рангов пор.

7 С позиций формирования всего комплекса физико-механических характеристик цементных бетонов выявлены три фундаментальных элемента структуры цементного камня нанометрического масштаба: кристаллиты гидросиликатной составляющей продуктов гидратации цементного камня с поперечными размерами 5-50 нм, обеспечивающие прочность структуры; гелевые поры гидросиликатного сростка диаметром до 10 нм, а также фазообразующие промежуточные и микрокапиллярные поры диаметром до 200 нм, предопределяющие непрерывность процессов структурообразования и самозалечивания твердеющей системы.

8 Предложены пути и способы управления структурой модифицированных бетонов на основе рационального применения суперпластификаторов и органоминеральных добавок с оценкой эффективности их применения по взаимосвязи показателей «прочность - подвижность - водовяжущее отношение (далее В/В)».

9 Предложен комплекс технологических решений (составы, способы, технологии) для управления структурой цементных бетонов, изделий и конструкций повышенной прочности, долговечности и эксплуатационной надежности), в т.ч.:

- установление областей рационального применения органических и органоминеральных модификаторов с целью получения технологичных бетонных смесей, высокопрочных и эксплуатационно надежных бетонов по взаимосвязи с водовяжущим отношением;

- способ получения фиброцементных композиций и изделий на их основе при реализации объемного эффекта преднапряжения для повышения прочностных и эксплуатационных свойств;

- способ поверхностного упрочнения и окрашивания изделий из модифицированных бетонов;

- исследованы особенности применения противоморозных добавок для бетонов с позиций длительного набора прочности.

10 Разработан расчетно-аналитический аппарат для оценки и определения рациональных областей применения бетонов высокой прочности в железобетонных элементах с учетом характера их нагружения.

Практическая значимость и реализация работы. Постановка и обоснование проблемы сохранения и снижения достигнутого уровня прочности, обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности высокопрочных цементных бетонов. Разработка технологических условий и практических решений для их получения (приемов, способов и режимов). Предложен и обоснован поранговый расчетный подход к экспериментальной оценке поровой структуры цементного камня. Разработан гравиметрический метод и методика определения степени гидратации цементных систем твердеющих в водных условиях, которая позволяет при минимальных затратах труда и времени, с высокой степенью точности определить этот параметр, без дополнительных химических реактивов. Определены по параметру В/В практические интервалы применения органических и органоминеральных модификаторов для получения водоредуцированных технологичных бетонных смесей, высокопрочных и эксплуатационно надежных бетонов на их основе. Разработан способ, технология поверхностного упрочнения и окрашивания цементных композиций. Разработан способ и технология получения высокопрочных фиброцементных композиций и изделий из них с эффектом объемного преднапряжения, выпущена опытно-промышленная партия водопропускных колец из фибробетона с модифицирующими добавками.

Разработан нормативный документ ТУ 5862-001-73763349-2009 «Трубы безнапорные раструбные сталефибробетонные круглые сборные» с выпуском опытно-промышленной партии из фибробетонов с различными модификаторами. Разработаны технические условия: ТУ 5855-002-73763349-2009 «Кольца колодцев сталефибробетонные круглые сборные».

Предложены основы и принципы определения уровня напряженно-деформированного состояния цементных композиций на их основе для контроля прочности, долговечности и надежности эксплуатируемых бетонных изделий и ж/б конструкций.

Предложен инновационный подход с разработанным прикладным методологическим аппаратом оценки рационального применения бетонов повышенной прочности для эффективного проектирования. Разработано технико-экономическое обоснование применения высокопрочных бетонов в технологии монолитного строительства для сжатых и изгибаемых элементов. Результаты исследований и предложенный подход реализованы при проектировании и строительстве ряда жилых домов из монолитного бетона в г. Уфа.

Экономический эффект на одном из объектов от внедрения: 10-ти этажный монолитный жилой дом №1 «Каскад» по ул. Российской г.Уфа выразился в сокращении расхода рабочей арматуры на 25%, общего расхода рабочей и конструктивной арматуры до 17%. Выполненный раздел КЖ проекта жилого дома с эффективным применением бетонов и конструкций монолитного каркаса прошел экспертизу в Управлении Главэкспертизы России по Республике Башкортостан.

Результаты диссертационного исследования используются при подготовке студентов специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: I-й Республиканской научно-практической конференции «Оптимизация технологии производства бетонов повышенной прочности и долговечности» (Уфа, 1983), Республиканской конференции «Использование отходов производства в строительстве» (Уфа, 1984), II-й Республиканской научно-практической конференции «Совершенствование технологии производства бетонов повышенной прочности и долговечности» (Уфа, 1985), V симпозиуме “Реология бетонных смесей и ее технологические задачи» (Рига, 1986), I-м Республиканском научно-практическом семинаре «Техническая диагностика в строительстве и возможности использования эффективных строительных материалов и конструкций» (Уфа, 1986), III Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Уфа, 1988), Республиканской научно-технической конференции «Проблемы комплексной застройки Южного берега Крыма» (Симферополь, 1988), VIII Ленинградской конференции по бетону и железобетону (Ленинград, 1988), X Всесоюзной конференции «Бетон и железобетон» (Казань, 1988), Областной научно-технической конференции «Использование отходов производства строительной индустрии» (Ростов-на-Дону, 1989), V, VII, VIII, IX, X, XI, XII Международной научно-технической конференции при Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство» (Уфа, 2001, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008), VIII Академических чтениях РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004), Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород, 2005), II Всероссийской (Международная) конференции «Бетон и железобетон, пути развития» (Москва, 2005), Региональной научно-технической конференции «Опыт и перспективы использования модифицированных бетонов с суперпластификаторами Компании «Полипласт» эффективность их применения в строительной практике» (Уфа, 2006), Научно-практической конференции «Об опыте внедрения прогрессивных технических решений в проектировании и строительстве юбилейных объектов в Республики Башкортостан» (Уфа, 2007), семинаре «Опыт применения пластифицирующих и противоморозных добавок в сборном и монолитном строительстве на объектах РБ» (Уфа, 2008), Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве». День докторанта. (Воронеж, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 80 работ, включая 14 статей в журналах по перечню ВАК, в том числе 3 монографии, из них 2 в соавторстве, получено 7 авторских свидетельств и патентов на изобретение, а также одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора и достоверность научно-экспериментальных результатов. Основные результаты диссертационной работы получены соискателем самостоятельно. Достоверность научных положений, разработанных автором, а также достоверность выводов и рекомендаций подтверждена результатами исследований с применением современных методов физико-химического анализа, лазерной гранулометрии и достаточно точной сходимостью экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях, при полупромышленном производстве и испытаниях, в том числе разрушающими и неразрушающими методами, с применением метрологически поверенного оборудования в испытательной аккредитованной лаборатории, в соответствии с областью аккредитации.

Объем работы. Диссертация изложена на 367 страницах, включает 48 таблиц, 89 рисунков и состоит из введения, шести глав, выводов, приложений и списка литературы из 312 наименований.

Основные результаты работы, полученные лично автором и выдвигаемые на защиту:

1 Систематизированы и классифицированы направления и механизмы управления структурой цементных композитов с выявлением эффективности по вкладу в направленное формирование прочности и долговечности модифицированных цементных бетонов.

2 Представлена и обоснована проблема сохранения и снижения достигнутого уровня прочности, обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности высокопрочных цементных бетонов в условиях длительного твердения.

3 Структурообразование цементных систем сопровождается процессами деструкции и самозалечивания. Обеспечение набора и сохранения требуемого комплекса эксплуатационных свойств цементных композитов и бетонов на их основе зависит от потенциала самозалечивания. Предложен расчетно-экспериментальный метод (подход) для определения потенциала самозалечивания цементных композитов.

4 Результаты исследований по установлению закономерностей влияния фракционного состава и дисперсности цементного вяжущего на формирование прочности и долговечности цементного камня с использованием метода лазерной гранулометрии. Механизм снижения достигнутого уровня прочности цементных систем определяется двумя возможными состояниями: - состояние, соответствующее глубокой гидратации цемента и практическому исчерпанию резерва клинкерного фонда; - состояние, соответствующее исчерпанию капиллярного пространства и глубокому уплотнению кристаллогидратной связки цементного камня.

5 Цементные системы должны сохранять резерв вяжущего и капиллярного пространства, при условии сохранения пассивирующей способности бетона по отношению к стальной арматуре. Связывание Са(ОН)₂ при введении микрокремнезема происходит с уменьшением макро- и увеличением микрокапиллярной пористости (радиусом до 100 нм) в межкапиллярном пространстве цементной матрицы и в контактной зоне с заполнителем, что снижает дефектность структуры с точки зрения объемных изменений при перекристаллизации и процессов усадки (седиментации).

6 Выполнены расчеты по оценке параметров поровой структуры цементного камня во взаимосвязи: прочность - пористость. Установлены критерии к многоранговой структуре цементного камня по пористости, а также вклад рангов пор в формирование и сохранение достигнутого уровня прочности цементного камня в условиях его перекристаллизации с изменением объемов гидратирующих фаз и длительного твердения.

7 Предложена методология по оценке кинетики пористости при твердении цементных композитов, модели твердеющей цементной системы с возможностью количественной оценки параметров структурообразования, пористости и возможности к самозалечиванию.

8 Разработан и апробирован гравиметрический метод определения степени гидратации цементных систем, твердеющих в водных условиях.

9 Систематизированы и определены рациональные и оптимальные области применения модифицированных бетонов во взаимосвязи: прочность-подвижность-водовяжущее отношение.

10 Установлены закономерности направленного структурообразования цементного камня и бетона во взаимосвязи с физико-химическими характеристиками органических и органоминеральных модификаторов. Разработаны составы, способы и технологические приемы для получения высокопрочных, долговечных и эксплуатационно-надежных цементных композитов, бетонов и изделий на их основе (А.с. № 1300014, № 1414830, № 1573011, № 1514733, № 14812119).

11 Способ и технология поверхностного упрочнения, окрашивания и повышения качества поверхности цементных композиций, составы для его применения (патент на изобретение № 2243890).

12 Способ и технология получения высокопрочных фиброцементных композиций с объемным упрочнением (патент на изобретение № 2303022.).

13 Основы, принципы, способы определения и регулирования уровня напряженно-деформированного состояния цементных композитов, бетонных изделий и конструкций на их основе для контроля эксплуатационной надежности, прочности, долговечности и остаточного ресурса.

14 Технико-экономическое обоснование рационального применения высокопрочных бетонов в технологии монолитного строительства.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Систематизация и развитие направлений управления формированием структурой цементных композитов и бетонов на их основе.

Получение модифицированных бетонов с гарантированными прочностными и эксплуатационными показателями обеспечивается соблюдением оптимальных решений на стадиях от подбора состава бетонных смесей, выбора и применения технологии изготовления, ухода за бетоном, с доведением качества бетонных изделий и железобетонных конструкций до требуемого уровня технического состояния на стадии эксплуатации, обеспечением и поддержанием их нормированного уровня.

Формирование структуры и условий для достижения и поддержания требуемого проектного уровня прочностных и эксплуатационных свойств бетонных и железобетонных конструкций закладываются на стадии подбора материалов и проектирования состава бетонов.

В цепочке взаимосвязи от состава до свойств структура материала, ее формирование и возможности управления структурой занимают одну из ключевых позиций (рис.1).

Рисунок 1 Взаимосвязь состава, технологии, структуры и свойств материала

На стадиях жизненного цикла от материала до конструкции требования по управлению структурой сводятся к решению множества технологических, технических и других задач, выявлению влияния ключевых параметров и их совокупности на процессы формирования и направленного регулирования структурообразованием цементных систем и бетонов на их основе (рис.2).

Рисунок 2 Взаимосвязь стадий жизненного цикла от материала до конструкции и требования по управлению структурой на этих стадиях

Наиболее значимые вехи эволюции исследований о роли структуры цементных композитов и бетонов на их основе с выявлением ключевых параметров управления: разработка и создание коллоидно-кристаллизационной теории структурообразования, теория образования и роста кристаллов (П.А. Ребиндер с сотр.); теория структурной прочности контактов срастания (Е.Д. Щукин, Р.К.Юсупов); образование и рост кристаллов (Д.В.В.Гиббс, М.Фольмер, А.Ф.Полак); теория самопроизвольного процесса формирования структуры клинкера, образования и роста кристаллов внутреннего и наружного ритма цементного камня (Л.Г. Шпынова с сотр.); влияние водовяжущего отношения (М.Боломей, Н.М.Беляев, Б.Г.Скрамтаев); завершенность структурообразования (Е.М. Чернышов); относительная объемная концентрация продуктов гидратации в пространстве, роль дифференциальной и многоранговой пористости (В.В. Бабков); демпфирование структуры введением демпферов - компонентов пониженной жесткости (П.Г. Комохов); пропитка структуры (Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов); химические добавки и суперпластификаторы (В.Б. Ратинов, Ф.М. Иванов, Т.И. Розенберг, В.Г. Батраков); эффективный радиус воздухововлечения (Г.И. Горчаков, В.Б. Ратинов); фактор расстояния (Т.С. Пауэрс, О.В. Кунцевич); влияние физической структуры на прочность (В.В. Тимашев); создание эффекта преднапряжения и эффекта самонапряжения; пористость, распределение пор и постоянство объема гелевых пор (Т.С. Пауэрс); введение активных минеральных компонентов и органо-минеральных компонентов (В.Г. Батраков, С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд); вяжущие низкой водопотребности; определение и регулирование объемных превращений при кристаллизации и перекристаллизации (З.М. Ларионова, Л.Г. Шпынова, Е.С. Силаенко); тепловлажностные условия твердения и капиллярное давление (Л.А. Малинина); коэффициент структуры (И.М. Грушко); эффективная или «сквозная» пористость (Ф.М. Иванов); независимость объема микропор от водоцементного отношения В/Ц (Г.И. Горчаков, М.Г. Элбакидзе, Гаген-Торн); прочность сухого и водонасыщенного бетона от продолжительности нагружения (Ю.М. Баженов); полиструктурная теория композиционных материалов (В.И.Соломатов с сотр.); управление структурообразованием через влажностный фактор определением количественных связей (Е.И. Шмитько) и др.

Управление структурой бетонов осуществляется на всех уровнях: вяжущее - цементный камень - заполнители - добавки - вода, а также на границе раздела фаз, компонентов и в контактной зоне.

Структура цементного камня - это конструкция, строение композиционного материала в виде полидисперсной, гетерогенной матрицы из недогидратированных частиц вяжущего, кристаллогидратов, контактов между ними, системы различного ранга пор, во взаимосвязи их свойств.

Обобщающая классификация, систематизация направлений и механизмов управления структурой для формирования требуемых высоких прочностных и эксплуатационных свойств цементных композитов и бетонов на их основе приведена на рис. 3.

Следует выделить наиболее эффективные пути управления структурой, такие как регулирование пористости и плотности, преднапряжение, демпфирование, объемное и поверхностное упрочнение, обеспечение потенциала самозалечивания и др.

В последнее десятилетие широкое освещение получили вопросы исследования структуры и свойств цементных композитов с помощью компьютерного материаловедения.

В развитие известных представлений нами сделана попытка смоделировать процессы структурообразования, установить зависимости между пористостью - локальной пористостью - прочностью цементного камня, в том числе с использованием идеальных моделей теории упругости. При этом предлагаются решения по 2-м известным направлениям: моделирование и исследование свойств композитов, а также расчет и проектирование композитов с оптимизацией по их свойствам, в соответствии с основными задачами компьютерного материаловедения строительных композитов (А.В. Воробьев, Ю.М. Баженов, В.А. Илюхин и др.).

Рисунок 3 Направления и механизмы управления структурой цементных композитов

Обобщенные и систематизированные физико-химические и механические факторы (параметры) формирования прочности и долговечности цементного камня на стадиях гидратации, структурообразования и твердения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-химические и механические факторы (параметры) формирования прочности и долговечности цементного камня на стадиях:
ГИДРАТАЦИИ · Активность вяжущего: - минералогия - дисперсность · Поверхность: - общая поверхность исходного вяжущего - распределение частиц по размеру · Поверхностный заряд · Скорость гидратации · Степень гидратации · В/Ц, вид и количество связанной и несвязанной воды · СаО, содержание, связывание, виды и формы ДОБАВКИ · Водоредуцирование · Избирательная адсорбция, поверхность гидратирующей фазы и кристаллогидратов · Механизм действия, ГЛБ, диспергирование, влияние на количество кристаллогидратов · Поверхностное натяжение, физико-химические свойства, химическое взаимодействие и др. · Наличие минерального компонента, влияние на В/В, связывание с СН	СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ · Фазовые превращения: - состав гидратных фаз, размеры, содержание, объёмные изменения · Изменение рН: · Содержание, вид и формы СН · С/S · Скорость и степень гидратации · Направленность формирования пористости (гелевая, капиллярная, макро); по сквозьрастворному или по диффузионному механизму · Условия твердения · Уход (внутренний) ДОБАВКИ · Регулирование пористости, уровень микро и макропористости · Связывание с СН, ГСК, ГА и ГСАК · Для ОМД - взаимодействие с СН, гидратными фазами, вклад в формирование матрицы по дисперсности и регуляции В/В · Уход внутренний (регулирование водного баланса: водоудерживание, водоотдача)	ТВЕРДЕНИЯ · Ранние сроки, поздние сроки · Структурная неоднород-ность цементного камня, размеры кристаллитов и дисперсность · Объём кристаллогидратной связки, особенно CSH · Прочность монокристаллов и контактов между ними · Пористость: - формирование и распре-деление пористости - объем фазообразующих пор - зависимость прочности от ранга, диаметра и распределения пор · Фазовые объёмные изменения, распор, степень заполнения пор · Морфология и объем кристаллогидратов, C/S · Количество, вид CН и форма CН (твёрдый, жидкий) · Степень гидратации · Потенциал самозалечивания: - количество, распределение, дисперсность, флуктуация, возможность к доставке · Условия твердения · Уход (внутренний и внешний)

Обозначено: СН - гидроокись кальция, ГСК и ГСАК - гидросиликаты и гидросульфоалюминаты кальция соответственно, ГА - гидроалюминаты, CSH - гидросиликаты кальция, CaO - окись кальция, C/S - основность гидросиликатов кальция, ГЛБ - гидрофильно-лиофильный баланс, В/Ц и В/В - водоцементное и водовяжущее отношения, ОМД - органо-минеральные добавки.

Закономерности связи прочности и пористости цементного камня.

Направленное формирование требуемого уровня прочности и долговечности цементных композитов и бетонов на их основе доминирующим образом связано с формированием, организацией структуры порового пространства, распределением пор. Имеющиеся многочисленные результаты исследований по взаимосвязи: прочность-пористость по-разному классифицируют ранги пор. Для оценки вклада отдельных рангов пор в формирование свойств цементного камня принята классификация, предложенная В.С. Данюшевским и К.А. Джабаровым, с дополнением по А.В. Лыкову и М.М. Дубинину - делением ранга капиллярных пор на микрокапиллярные радиусом до 100нм (0,1мкм) и макрокапиллярные с радиусом > 100нм (таблица 2).

Таблица 2

Распределение и классификация пор в цементном камне и характерные диаметры пор

Вид пор в ЦК	Интервал по диаметру, нм	Характерные диаметры, нм	Природа образования
Гелевые	до 20	4	между ГСК (CSH)
Промежуточные	20ч50	30-40	между крупно-кристаллич. продуктами
Капиллярные:	50ч2000		не заполненные поризованными продуктами гидратации
- микро	50ч200	60-80
- макро	200ч2000	300, 1400
Макропоры	(100ч1000)103		вовлеченный воздух

Такое распределение пор обосновывается, как известно, природой их образования, наличием характерных преобладающих пиков по диаметрам и, наконец, состоянием пор по содержанию в них внутрипоровой жидкости. Поры с радиусом до 100 нм при нормальных условиях эксплуатации практически всегда заполнены жидкостью.

НЦ - негидратированные цементные частицы; ГЦК - объем цементного камня без пор; Пг - объем гелевых пор; Пп - объем промежуточных пор, Пк - объем капиллярных пор; Пм - объем макропор.

Рисунок 4 Многоранговая структура цементного камня по типу пор

Известна многоранговая модель цементного камня с разработанным математическим аппаратом для расчета параметров, в том числе прочности, для таких структур.



Рисунок 5 Экспериментальные И рассчитанные значения гелевой (а), промежуточной (б) и капиллярной (в) пористости по отношению прогидратирован-ной части цементного камня

Установлено что повышение прочности пористого материала возможно одним из трех путей или их сочетанием: снижением общей пористости; снижением числа пор

(с выравниванием их размеров); выравниванием локальных относительных плотностей. В развитие такого подхода нами предложено: для оценки изменения пористости и определения ее влияния на структурообразование и прочность цементного камня (далее ЦК) экспериментальные результаты по пористости пересчитывать с учетом многоранговой структуры ЦК; оценивать вклад каждого ранга пор по методу «суперпозиций» с использованием предложенной и разработанной модели относительно к непоризованной матрице цементного камня и далее, ослабленной соответствующим рангом пор от гелевой до макро (рис.4).

Рассчитанные значения пористости разного ранга пор по отношению к объему прогидратированной части цементного камня в соответствии с многоранговой структурой цементного камня по типу пор (рис. 4) определяются по формулам:

(1, 2)

(3)

(4)

где e_г - гелевая пористость по отношению к объёму прогидратированной части цементного камня с гелевыми порами; e_n - промежуточная пористость по отношению к объёму прогидратированной части цементного камня с гелевыми и промежуточными порами; e_k - капиллярная пористость по отношению к объёму прогидратированной части цементного камня с гелевыми, промежуточными и капиллярными порами; e_o'_,e_o - общая, общая (гелевая, промежуточная, капиллярная) пористость по отношению к объёму прогидратированной части цементного камня; e_k+n - капиллярная и промежуточная пористость по отношению к объёму прогидратированной части цементного камня с гелевыми, промежуточными и капиллярными порами.

Проведенные перерасчеты значений экспериментальной пористости различного ранга пор в многоранговых структурах цементного камня (рис. 4) по предложенному подходу показали, что:

– промежуточная и микрокапиллярная пористости убывают по мере твердения ввиду того, что в них содержится фазообразующая жидкость и будет происходить образование вторичных, их рост и рост первичных кристаллитов с перекристаллизацией, что подтверждается расчетами по предложенной методике;

– макрокапиллярная пористость практически будет уменьшаться только за счет роста кристаллогидратов в порах микрокапиллярного и промежуточного ранга;

– гелевая пористость, рассчитанная по отношению к объему гидратированного камня по мере твердения - убывает, а доля экспериментальной гелевой в общем объеме пор - увеличивается;

– промежуточная рассчитанная пористость уменьшается в связи с ростом и кристаллизацией новых и первичных фаз в межпоровом пространстве, а экспериментальная - растет, тогда как по мере твердения абсолютный объем промежуточной и микрокапиллярной пористости должны убывать в связи с их уплотнением за счет роста в них первичных, а также образования и роста вторичных кристаллогидратов (рис.5).

Предложенный метод расчета пористости на основе экспериментальных данных по дифференциальной пористости дает более глубокую и реальную оценку вклада рангов пор в формирование структуры и прочности ЦК.

Рассчитана, интерпретирована и использована зависимость между пористостью и локальной пористостью для идеальной объемной модели с плотной упаковкой сферических пор с привязкой к модели цементной матрицы (рис.6).

С использованием предложенной модели, по взаимосвязи: «пористость-локальная пористость-концентрации напряжений», рассчитаны интервалы влияния отдельного ранга пор на формирование структуры и прочности цементного камня.

Рисунок 6 Рассчитанная взаимосвязь пористости и локальной пористости для объемной модели с нормальным распределением сферических пор	Рисунок 7 Результирующие значения коэффициента концентрации напряжения K (К') около отверстия для изотропной модели матрицы в упруго-пластической стадии работы ослабленной рядом одинаковых круговых отверстий

В качестве модели для оценки взаимосвязи «локальная пористость - концентрации напряжений» принята классическая модель и полученные на ее основе решения А.С. Космодамианского по оценке напряженного состояния.

Определены результирующие максимально возможные значения концентраций напряжений (К) от локальной пористости для идеальной модели (рис.7).

По результатам обсчета, на примере экспериментальных данных В.С. Данюшевского по пористости (рис.5), для цементного камня получены интервалы изменения значений локальной пористости (рис.8) и коэффициента концентрации напряжений для разного ранга пор (рис.9).

Объективнее оценивать коэффициенты концентрации напряжений для моделей различного ранга пор относительно к минимальному коэффициенту концентрации равного 3,0, который постоянно присутствует при наличии пор (рис.7, 9).

Рисунок 8 Диапазон изменения величины относительного расстояния между порами (локальная пористость) от рассчитанной пористости различного ранга пор (Пп - промежуточная, Пк -капиллярная) модели пористого тела цементного камня нормального твердения с В/Ц=0,4 (а) и В/Ц=0,6 (б)

Установлено, что интервалы локальной пористости, а соответственно концентрации напряжений, для каждого интервала пор - различны, что указывает на их разное качественное и количественное влияние на формирование прочности ЦК (рис.9).



Рисунок 9 Диапазон изменения коэффициента концентрации напряжений в модели матрицы цементного камня нормального твердения с В/Ц=0,4 (а) и В/Ц=0,6 (б) для разного ранга пор (Пп - промежуточная, Пк - капиллярная) во взаимосвязи с локальной пористостью во времени

Известные представления и зависимости связи прочности поризованной матрицы от концентрации напряжений оценивают прочность цементных структур с разным рангом в виде:

,

где прочность непоризованной ЦК структуры I,прочность ЦК с гелевой пористостью,прочность ЦК с промежуточной, капиллярной и макрокапиллярной пористостью соответственно (структуры II, III, IV), прочность ЦК, коэффициенты концентрации напряжений в зависимости от локальной пористости для цементной матрицы с гелевой, промежуточной, капиллярной и макрокапиллярной пористостью соответственно.

Наиболее чувствительным по вкладу является изменение концентрации напряжений от кинетики капиллярной пористости (табл. 3), варьирующейся в широком диапазоне, особенно макрокапиллярной, с радиусом пор более 100 нм.

Интервалы изменения гелевой и промежуточной пористости практически не будут оказывать влияния на изменение прочностных показателей, т.к. матрицы структуры I и II (рис. 4) недоиспользуют свой прочностной потенциал в предельной стадии (табл. 3).

Таблица 3

Ранг пор в ЦК, твердение в нормальных условиях	d/b (В/Ц)	K'
- гелевые	0,81-0,66	2,0-1,3
- промежуточные, в возрасте 2 и 90 суток соответственно	0,6-0,47 (В/Ц=0,4) 0,65-0,63 (В/Ц=0,6)	2,3-1,6 2,6-2,8
- капиллярные, в возрасте 2 и 90 суток соответственно	? 0,8-0,4 (В/Ц=0,4) ? 0,8-0,45 (В/Ц=0,6)	> 3,5-1,4 > 3,5-1,5

Полученные результаты подтвердили известные экспериментальные данные и показали, что при повышении В/Ц значения локальной пористости и склонность к развитию дефектности цементной матрицы в процессе твердения существенно увеличивается. При этом вклад отдельных рангов пор на локальную пористость, а следовательно и на возможность ослабления структуры цементного камня различен.

Определены диапазоны изменения коэффициента концентрации напряжений от локальной пористости различного ранга пор в модели матрицы для ЦК нормальных условий твердения и после тепловлажностной обработки (табл. 3).

Обобщением полученных данных по оценке вклада отдельных рангов пор в формирование структуры и прочности цементного камня, с использованием предложенного подхода, выявлено, что по отношению к поризованной матрице, с постоянно присутствующим минимальным коэффициентом концентрации напряжений К=3, значения К для разного ранга пор варьируются в разных пределах в зависимости от В/Ц, сроков и условий твердения.

На примере рассчитанных и обработанных результатов известных экспериментальных данных по пористости, получены следующие интервалы изменения приведенного коэффициента концентрации напряжений (К') в многоранговой модели ЦК (табл. 3):

- для промежуточной пористости от 2,5 до 1,5 (во II-ой структуре по рис. 4);

- для капиллярной пористости от 3,5 до 1,2 (в III-й структуре по рис. 4),

изменяющиеся по мере структурообразования от 2 суток до 90 суток твердения соответственно.

Для плотного цементного камня с объемом макропор 1-2% (IV структура по рис.4) влияние последних на развитие дефектности, формирование и поддержание уровня прочности структуры ЦК незначительно.

Иллюстрацией достаточной сходимости экспериментальных и расчетных данных является сравнение данных в обработке Ф.В. Лохером ряда исследований по связи прочности ЦК на сжатие с его капиллярной и общей пористостью (рис. 10).

Эти данные показывают потенциал прочности цементного камня, а также чувствительность прочности от изменения капиллярной пористости в диапазоне ее объема от 0,02 до 0,20. Экспериментальные данные по отношению прочностей ЦК в пределах 2,2-3,6 при равенстве объема общей пористости объему капиллярных пор хорошо согласуются с результатами, полученными при расчетах для предложенной ранее модели во взаимосвязи «прочность-пористость», что подтверждает ее достоверность и возможность применения для оценки влияния ранга пор на прочность цементного камня (табл. 4).



Рисунок 10 Взаимосвязь прочности цементного камня на сжатие с его капиллярной (1) и общей (2,3) пористостью

o Д ? - данные Р.Ф.Фельдмана и Д.Д.Бодуэна, Г.И.Вербека и Р.Х.Хельмута, М.Юденфройнда, Г.Вишерса соответственно по твердению в нормальных условиях;

? - данные Р.Ф.Фельдмана и Д.Д.Бодуэна по термовлажностной обработке;

- данные Д.М.Рой и Г.Р.Гоуды по горячемупрессованию

Таблица 4

Соотношение прочности цементного камня на сжатие при равенстве: объема общей пористости объему капиллярных пор

Пористость ( )	Прочность Rcc, Мпа	Отношение прочностей
	цементного камня ()	цементного камня ()
0,02	670-470	215-150	3,1-3,1
0,05	460-375	190-135	2,4-2,7
0,07	390-350	170-115	2,3-3,0
0,10	350-280	150-100	2,3-2,8
0,15	300-230	110-75	2,7-3,1
0,20	200-180	90-50	2,2-3,6
0,30	100-70	70-30	1,4-2,3
0,40	50-30	40-25	1,3-1,2

Рисунок 11 Применение модели и результатов расчета В.И.Блоха для определения распределения напряжений в окрестностях жесткого ядра-включения в случае равномерного растяжения или сжатия тела с малым жестким шаровым включением

К фактору, ослабляющему структуру и снижающему прочность, добавляется и накладывается негативное влияние жестких неоднородных включений в цементной матрице с максимальной величиной концентрации напряжений до 2,0 в зависимости от плотности их размещения (рис. 11).

Наличие таких жестких включений, например, в виде недогидратированных зерен вяжущего, наполнителей, кристалл-литов, а также их сростков наиболее вероятно в межкапиллярном пространстве на уровне макрокапиллярной пористости, что также определяет ее доминирующее влияние на возможность ослабления структуры цементной матрицы.

Одним из перспективных направлений предложенного подхода является возможность оценки и регулирования уровня напряженно-деформированного состояния цементных композитов и бетонов на их основе в процессе нагружения и/или эксплуатации в зависимости от организации поровой структуры. Такое решение возможно путем введения наполнителей на разном уровне структуры с различной формой, жесткостью и размерами, в том числе маложестких включений (демпферов по П.Г.Комохову) или наполнителей-индикаторов, например, в виде полых или наполненных сферолитов с определенной жесткостью, в количестве и требуемых размеров, необходимых для регулирования и получения оптимальной относительной локальной пористости, в зависимости от задачи по управлению структурой или определению уровня напряженно-деформированного состояния цементных композитов и бетонов на их основе (рис. 6, 7).

Введение в цементные композиты гранул - сферолитов с определенными размерами и содержанием (наполнением) в требуемом количестве и объеме может обеспечить возможности самозалечивания дефектов и нивелирования деструктивных процессов на соответствующем уровне: микро-, мезо- и макроструктурах.

С использованием разработанного подхода по оценке вклада составляющих структуры цементного композита расширяются возможности управления структурой цементного камня и бетонов на его основе для получения заданных, требуемых прочностных и эксплуатационных свойств.

Сохранение достигнутого уровня прочностных и эксплуатационных характеристик цементных композитов и бетонов на их основе во времени.

Набор и поддержание достигнутого уровня прочности обеспечивается формированием и развитием такой структуры цементного камня, когда позитивное структурообразование нейтрализует деструктивные процессы и превалирует над ними. Наличие процессов деструкции в процессе твердения цементных композитов, их значение признается многими исследователями, но не имеется единого объяснения механизма деструкции и ее роли в формировании и развитии структуры.

По известному определению, деструкция - нарушение или разрушение нормальной структуры материала под действием температур, кислорода, влаги, углекислого газа, внутренних напряжений. В результате деструкции изменяются технологические свойства материала и он становится непригодным для практического применения. Существующие основные теории и объяснения процессов деструкции цементного камня основываются на физической, механической, химической природе происходящих процессов или их сочетании: теория структурной недолговечности (П.А.Ребиндер с сотр.); механизм деформации бетона, как материала со свойствами неравномерного поля внутренних напряжений и дискретностью (А.А. Гвоздев); снижение прочности водонасыщенного бетона вследствие облегчения микротрещинообразования при адсорбции твердым телом полярной жидкости (Г.П. Вербецкий); теория дислокаций; различная сила капиллярного подсоса и обжатия при водонасыщении и насыщении полярной жидкостью (З.Н. Цилосани, А.М. Подвальный); необходимость ограничения пористости структуры цементного камня в условиях водонапорной эксплуатации (И.Н. Ахвердов); теория структурно-механической неоднородности и внутриструктурных напряжений разнообразной природы (В.В. Бабков); теория внутрипорового давления (А.В. Волженский, и др.); расчет кристаллизационного давления и давления срастания (В.Я. Хаимов-Мальков, А.Ф. Полак, В.В. Бабков и др.); оценка возможности прорастания и роста кристаллогидратов в зависимости от размера пор и степени пересыщения жидкой фазы (А.Е. Шейкин, Ю.В. Чеховский, М.И. Бруссер); использование низких водоцементных отношений (А.В. Волженский с сотр.); теория неполноценности по долговечности цементных систем с высокой дисперсностью, низким В/Ц (В.В. Бабков, А.Ф. Полак, П.Г. Комохов); возможность снижения прочности модифицированных бетонов (В.Г. Батраков); твердение и деструкция гипсоцементных материалов (Ф.Ф. Алкснис); теория нестабильности гидроалюминатных и гидросуль фоалюминатных фаз (Г.И. Овчаренко с сотр.); значение и исследование пути образования благоприятного по морфологии термодинамически устойчивого соединения; образование альфа-гидрата С₂S с низкими структурообразующими свойствами (В.С. Данюшевский); теория адаптационной эволюции цементного камня (В.Л. Чернявский); теория саморазрушения бетона (Г.Н. Пшеничный); растрескивание гидратной оболочки в результате послойно накапливающихся новообразований (Ю.С. Малинин с сотр.); отрицательное влияние повышенной температуры (А.А. Стригоцкий, Е.К. Мачинский); объемная контракция, увеличение пористости и развитие вакуума цементного камня после образования структуры (Б.Г. Скрамтаев с сотр); слишком тонкий помол цементов, неправильная термообработка бетонных изделий, несоответствующее применение добавок к бетону (И. Штарк, Б. Вихт); термодинамическая нестабильность минералов цементного камня (О.П. Мчедлов-Петросян, В.И. Бабушкин); потери после искусственной сушки на открытом воздухе (Н.А. Мощанский); деградация прочности - бетоны на известково-пуццолановых цементах (В.Н. Юнг); характерное замедление и прекращение роста прочности после температурной обработки (С.А. Миронов) и др.

...