Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей

Моргун Л. Моргун В. Влияние дисперсного армирования на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей // Строительные материалы. 2003 . №1. C. 33-35

Федеральный закон об энергосбережении стимулирует интерес ученых и строителей-практиков к закономерностям формирования оптимальных структур пенобетонов в зависимости от технологических и рецептурных особенностей.

Строительно-эксплуатационные свойства ячеистого бетона формируются в результате затвердевания ячеисто-бетонной смеси. В период между моментом приготовления смеси и переходом ее в состояние камня все компоненты могут перемещаться в пространстве под действием гравитационных сил и, таким образом, негативно влиять на стереорегулярность сформированной структуры. Поэтому чем выше агрегативная устойчивость пеноструктур в период от начала до конца схватывания в них цемента, тем лучше должны быть строительно-эксплуатационные свойства затвердевшего бетона.

Рассмотрим схему расположения в пространстве и взаимную связь частиц, составляющих пенобетонную смесь (рис. 1а). В такой смеси газообразная фаза находится внутри суспензии, состоящей из твердых частиц вяжущего и заполнителя, разобщенных прослойками воды толщиной (5? 15)-10-7 м. Капиллярные силы, обеспечивающие агрегативную устойчивость вышеперечисленных элементов макроструктуры, зависят от соотношения между капиллярным давлением и расклинивающим давлением пленочной воды в зоне капиллярных менисков, а также сил поверхностного натяжения [1].


Любая структура в условиях земного тяготения испытывает гравитационные нагрузки и остается устойчивой по отношению к ним до тех пор, пока напряжения, возникающие между отдельными ее элементами, меньше прочности сцепления этих элементов между собой.

Агрегативная устойчивость пеноструктур во времени зависит от толщины водной пленки на поверхности твердой фазы. Однако обеспечить постоянство размеров этой пленки или плавный переход воды из физически в химически связанное состояние практически невозможно. Изменение толщины водной пленки вокруг частиц твердой фазы связано с развитием гидратационных и седиментационных процессов, характерных для цементосодержащих трехфазных дисперсных систем [1].

В пенобетонных смесях под действием гравитационных сил, колебаний температуры и любых механических воздействий (ударов, толчков, вибрации и т. п.) изменение толщины водных пленок вокруг частиц твердой фазы в результате седиментации носит неравномерный характер и зависит от высоты расположения слоя. В верхних слоях межпоровых перегородок таких смесей всегда имеет место утончение водных пленок, обусловленное миграцией слабосвязанной воды сверху вниз. В нижних слоях межпоровых перегородок за счет поступившей сверху воды наблюдается утолщение водных пленок вокруг частиц твердой фазы.

Поскольку силы вандерваальсового взаимодействия между твердыми частицами убывают пропорционально расстоянию от их поверхности в седьмой степени |2], а капиллярное давление изменяется обратно пропорционально радиусам капиллярных менисков [3], любая пенобетонная смесь после укладки ее в опалубку находится в постоянно изменяющемся сложном напряженном состоянии. Таким образом, силы сцепления между твердыми частицами, зависящие от толщины водных пленок, убывают по направлению сверху вниз. В таком же направлении растут нормальные напряжения в смеси, обусловленные давлением верхних слоев на нижние. Поэтому накопление дефектов в макроструктуре начинается в тот момент, когда напряжения, вызванные воздействием внешних сил, окажутся способными превысить прочность сцепления между любыми двумя частицами твердой фазы. Утрата сцепления приведет к смещению частицы в пространстве и разрыву агрегатного образования, составляющего межпоровую перегородку в макроструктуре пенобетонной смеси. Разрывы между мелкими порами, сформировавшимися в начальный период, сразу после укладки смеси в опалубку сначала приведут к увеличению среднего радиуса пор. Далее за счет развития седиментационных процессов раздвижка частиц твердой фазы будет происходить с ускорением. Это приведет к осадке пеноструктуры.

При введении в структуру пенобетонной смеси дополнительных элементов твердой фазы (фибр), у которых длина существенно (в 100?2000 раз) больше размеров поперечного сечения, устойчивость макроструктуры по отношению к действующим на нее нагрузкам должна измениться (рис. 1б).

Фибровые частицы (волокна) в составе трехфазных дисперсных систем будем считать протяженными поверхностями раздела фаз. B.C. Фадеевой установлено [4], что при формировании структур строительных материалов в процессе турбулентного перемешивания мельчайшие частицы цемента первыми перемещаются к протяженным поверхностям раздела фаз, где стремительно гидратируют и образуют высокопрочные соединения цементного камня. Причиной сегрегации частиц твердой фазы в условиях турбулентного перемешивания бетонных смесей следует считать тот факт, что силы сцепления между любыми двумя частицами существенно зависят от их формы. Эти силы определяют по уравнению [5]:

F = -(A*r)/(m*Hn), (1)

где F ? сила притяжения между частицами; Н ? расстояние между частицами; А ? константа, характеризующая суммарное действие ориентационного и дисперсионного факторов; m, n ? коэффициенты (при взаимодействии шарообразных частиц m = 12, n = 2; при шарообразной и протяженной m = 6, n = 2).

Из уравнения (1) следует, что силы сцепления между шарообразной и протяженной частицами выше, чем между двумя шарообразными. Таким образом, можно ожидать, что для разрушения пенобетонной структуры, содержащей фибру, понадобится существенно большее усилие. Это усилие должно превысить сумму сил сцепления всех частиц, которые связаны с фиброй капиллярными и ориентационными силами.

Достаточно объективно о величине этих сил можно судить, определяя пластическую прочность пенобетонных смесей с помощью конического идентора [6]. В таблице приведены экспериментальные данные, полученные при оценке влияния водосодержания и количества дисперсной арматуры на пластическую прочность исследуемых смесей. Графическая интерпретация экспериментальных данных, приведенных в таблице, показывает, что оба варьируемых параметра весьма существенно влияют на вязкопластические свойства, а следовательно, и на агрегативную устойчивость пенобетонных смесей.

Смеси без дисперсной арматуры и при содержании ее до 0,6% от массы твердых составляющих имеют пластическую прочность 44-52 Па. При этом чем выше водосодержание смеси, тем меньше показатели пластической прочности.

Содержание фибры, %

Пластическая прочность смеси, Па

по массе

по объему

В/Т = 0,5

В/Т = 0,6

В/Т = 0,7

0

0

48,1

46,4

44,2

0,3

0,74

49,9

48,1

45,3

0,6

1,49

51,8

49,9

47,5

0,9

2,23

60,6

55,2

49,9

1,2

2,98

71,8

62,2

51,8

1,5

3,72

92,4

70,7

56,6

1,8

4,46

130,8

85,1

62,2

2,1

5,2

181,1

97,2

66,8

2,4

5,94

267

130,8

75,1

2,7

6,69

-

172,9

90,9

3

7,43

-

267

112,2

Заметное влияние дисперсной арматуры начинает просматриваться после насыщения смеси фиброй сверх 0,6% от массы минеральных компонентов. Причем интенсивность изменения (кинетика) пластической прочности смесей при насыщении их дисперсной арматурой существенно разнится в зависимости от В/Т (рис. 2).

Анализируя полученные результаты (см. таблицу, рис. 2), можно последовательно рассмотреть процесс формирования макроструктуры ячеистой смеси при насыщении ее волокнами дисперсной арматуры.




Вначале введение небольшого количества волокон, до 0,6%, рассредоточенных по объему суспензии, состоящей из цемента, заполнителя и воды, практически не влияет на вязкопластические свойства (агрегативную устойчивость) пенобетонных смесей. Частицы цемента и заполнителя по размерам соизмеримы с поперечным сечением фибры, но существенно (примерно в 1000 раз) меньше ее по длине. При перемешивании все компоненты свободно перемещаются турбулентными потоками и под действием сил поверхностного натяжения располагаются в межпоровых перегородках. На этом этапе насыщения фиброй ячеистых смесей величина их пластической прочности изменяется незначительно (3?4 Па) и регулируется только В/Т. Анализируя показатели значений пластической прочности таких смесей, можно утверждать, что фибра в их составе не имеет своей пространственной структуры и пока не может влиять на агрегативную устойчивость смесей.

Когда насыщение дисперсной арматурой приводит к созданию в смеси простейших агрегатных образований, свойства смеси должны измениться. Представим эти агрегатные образования в виде геометрической упаковки волокон в форме тетраэдра со стороной L, равной длине волокна (здесь делается допущение, что волокна в смеси сохраняют прямолинейность, а раздвижкой их можно пренебречь). Назовем такое распределение фибр первичной структурой, в которой между концами волокон имеются точечные подвижные контакты. Объем такого тетраэдра (VT ), образованного элементарными волокнами, равен:

VT = 0,12-L3(2)

Поскольку длина фибр существенно больше размеров их поперечного сечения, а также размеров других частиц твердой фазы, то можно утверждать, что ячейки такого каркаса достаточно велики, чтобы не стеснять перемещений компонентов при турбулентном перемешивании.

Образование первичной пространственной структуры фибры в составе межпоровой перегородки можно выразить через ее концентрацию в объеме композита, ограниченном размерами тетраэдра, и обозначить . Грани тетраэдра включают в себя шесть отрезков дисперсной арматуры, поэтому:

Va = 6-d2 -L/4 = 4,71d2.L(3)

В этом случае количество дисперсной арматуры ( ), выраженное в % от объема, образованного первичной волокнистой структурой, составит:

= (Va /VT)-100% = 4-103d2*L2, % (4)

Такая структура уже способна оказывать влияние на вязкопластические свойства ячеистых бетонов. Если в уравнение (4) подставить параметры использованной в эксперименте дисперсной арматуры, то по расчету окажется, что изменение пластической прочности должно наступать при насыщении пенобетонных смесей дисперсной арматурой сверх 0,64% от массы минеральных компонентов. Анализ графика на рис. 2 показывает, что уравнение (4) справедливо. Кроме того, из уравнения (4) следует, что с изменением геометрического параметра (отношения длины фибры к ее диаметру) образование первичной волокнистой структуры может происходить при разных количествах дисперсной арматуры.

В ячейках первичной волокнистой структуры возможно размещение дополнительного количества фибр. Это должно привести к увеличению пластической прочности пенобетонной смеси, что и наблюдалось при проведении экспериментов (см. таблицу и рис. 2). Из графика видно, что скорость изменения пластической прочности весьма существенно зависит от водосодержания смесей. Чем меньше В/Т, тем быстрее растут значения пластической прочности при насыщении пенобетонной смеси дисперсной арматурой. Экспериментально установлено, что это насыщение фиброй положительно влияет на эксплуатационные свойства пенобетонов до тех пор, пока она свободно располагается в межпоровых перегородках и не образует комковатых включений [6]. Отсутствие комковатых включений наблюдалось в смесях с пластической прочностью не более 80 Па. Предел интервала насыщения дисперсной арматурой от образования первичной структуры до порога однородности пенобетонных смесей назовем .

Экспериментально установлено, что &#