СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Список литературы

СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Список литературы: • Дворкин Л. И. , Дворкин О. Л. Основы бетоноведения. – СПб. ООО «Строй-Бетон» , 2006. – 692 с. • Баженов Ю. М. Технология бетонов. Учебник. - М. : Изд-во АСВ, 2007. - 528 c. • Киреева Ю. И. Современные строительные материалы и изделия. – М. : Феникс. 2010. – 245 с. ; ил.

1. Физико-химические основы модификации структуры и свойств цементных композиционных материалов 1. 1 Факторы, определяющие эксплуатационные свойства цементных композиционных материалов и основные направления их регулирования 1. 1. 1 Понятие о структуре бетона

Под структурой цементного бетона понимаем сумму параметров, характеризующих в пространстве расположение элементов каркаса цементного камня и частиц заполнителей, вид и свойства контактов кристаллов и коллоидных частиц в составе каркаса; а также данные о форме, размере и количестве пор или промежутков между частицами твердой фазы. Т. е. , бетон представляет собой систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз.

Структура образца цементного бетона Твердая фаза в тяжелых бетонах составляет 9498% от объема. Остальной объем занимают поры и пустоты, заполненные в реальных условиях эксплуатации водой или воздухом.

а) Твердая фаза бетона • Продукты гидратации клинкерных составляющих цемента • Непрореагировавшие частицы цемента • Частицы заполнителей

Гидросиликаты кальция (CSH) в форме частиц-чешуек или лепестков, составляющие цементный гель

Модель коллоидной структуры C-S-H Тенниса-Дженнингса Схематическое изображение наноструктуры C-S-H

Кристаллогидраты внешних продуктов гидратации

Формирование кристаллов портландита идет параллельно с фазой С-S-H при гидратации С 2 S и С 3 S с наибольшей активностью при высокой пересыщенности цементно-водной суспензии ионами Са++. Алюминатная фаза С 3 А и С 4 AF имеет разную растворимость в воде, поэтому продукты гидратации С 3 А должны концентрироваться ближе к поверхности зерна цемента, а С 4 AF – внутри зерен, ближе к центру кластера. В результате гидратации формируются гидроалюминаты кальция С 4 АН 19 и С 2 АН 8, С 3 АН 6, совместно с этим идет образование кристаллов эттрингита.

При высокой концентрации в растворе ионов Са++ в начальный период гидратации наиболее активно формируется С 4 АН 19 (или С 2 АН 13), который кристаллизуется в виде мелких гексагональных пластинок с высокой стойкостью. Его формирование зависит от влажности, он стабилен при температуре 25 0 С и относительной влажности 20%, при влажности 10 -12% он теряет воду и переходит в С 2 АН 13, а при влажности 11% – в С 4 АН 11, при повышении температуры до 120 0 С образует А 6 СН 7 -8.

По мере снижения влажности цементного камня происходит частичный переход С 4 АН 19 в С 4 АН 13 (или С 4 АН 7 -8) с выделением излишней воды в виде тонких прослоек на границе сцепления кристалла и прочих структурных элементов. Этим объясняется увеличение плотности при вибрировании или пропарке по сравнению с нормальными условиями твердения, так как активнее идет процесс удаления излишней влаги и разрушения экранирующей пленки. По мере прохождения процесса гидратации и снижения количества ионов Са++ идет формирование С 2 АН 8 и затем, после завершения начальной стадии гидратации, образуется С 3 АН 6.

Размеры гидратных составляющих цементного камня Составляющая Гидросиликаты калция CSH(I), CSH(II) Портландит Ca(OH)2 Эттрингит 3 Ca. O Al 2 O 3 3 Ca. SO 4 32 H 2 O Толщина Ширина 2 -3 нм около 1 мкм Длина Удельная поверхность 40 -50 нм 200 -400 м 2/г 0. 1 -0. 3 мкм (пластинки могут объединятся в кристаллы размером до 6 мкм) - 0. 1 -0. 2 мкм 1 -2 мкм ~ 20 м 2/г ~5 м 2/г

Кристаллы и кристаллические сростки различных фаз гидроалюминатов, гидроферритов и гидроалюмоферритов кальция, а также целый ряд комплексных соединений на их основе весьма различны, однако в процессах формирования прочностной структуры цементного камня принимают участие кристаллы и кристаллические сростки практически двух структурных типов: гексагональные (их подавляющее большинство) и кубические. Кубический тип представляют кристаллы C 3 AH 6 и C 3 FH 6, а также гидрогранатов. Остальные относятся к гексагональному типу.

С возрастом, кристаллогидратная фаза цементного камня пополняется кристаллами и кристаллитами карбоната кальция (Ca. CO 3), а количество Ca(OH)2 несколько снижается.

Таким образом, твердая фаза цементного камня состоит из нескольких десятков различного рода новообразований, представляющих собой частицы от 5 нм до 6 мкм и более пяти основных типов: - призматические и игольчатые кристаллы; - гексагональные пластинки; - кристаллы, образующие гранулы; - деформированные пластинки, таблетки и чешуйки; - аморфные массы (70 -80% объема цементного камня).

В результате сложного физико-химического процесса гидратации образуется блочноритмичная микроструктура твердого каркаса цементного камня, представляющая собой гелевидную массу, пронизанную относительно крупными кристаллами гидрата окиси кальция, алюминатов и эттрингита. Каркас пронизан также межкристаллической пористостью (микрокапиллярами).

Введение крупного и мелкого заполнителей в цементное тесто приводит к дополнительному увеличению разнообразия размеров частиц в твердой фазе. Инертные, в большинстве случаев, заполнители не оказывают влияния на химический состав новообразований, но играют определенную роль в формировании структуры бетона. При введении заполнителей цементный камень может уплотняться в контактной зоне, происходит пересечение капилляров, возможно образование новых полостей.

Заполнитель может создавать жесткий каркас, упрочняющий структуру на первой стадии ее формирования. Заполнитель оказывает следующее влияние: - повышает водоудерживающую способность цементного теста - ограничивает усадочные деформации - способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня - влияет на изменение температуры и влажности в твердеющем цементном камне

б) Поровое пространство бетона По форме, характеру расположения поры и капилляры цементного камня и бетона подразделяются на несколько групп: - по форме поперечного сечения: ровные, трубчатые, бутылкообразные, клиновидные, замкнутые, щелевые и их комбинации; - по протяженности: прямые, извилистые, петлеобразные; - по непрерывности: открытые (каналообразующие), тупиковые (открытые с одной стороны), условно закрытые (капилляры не выявленные данным методом определения параметров поровой структуры)

Закрытые поры Открытые поры Тупиковые поры

Важной характеристикой капилляров является отношение пор к явлению капиллярной конденсации. В результате адсорбции паров воды из воздуха стенки капилляров покрываются слоем влаги толщиной около 0. 1 мкм. Если радиус капилляров меньше этой величины, то капилляр может полностью заполнен жидкостью.

При радиусе более 0. 1 мкм мениски не смыкаются и капиллярная конденсация может происходить только в несквозных капиллярах. Макрокапилляры, с радиусом более 0. 1 мкм, могут быть заполнены жидкостью только при непосредственном контакте с нею. Особенностью макрокапилляров является способность не только сорбировать влагу их влажного воздуха, но и отдавать первоначально находившуюся в них влагу в атмосферу.

Размеры пор, нм Группы пор Авторы классификации Метод определения размеров пор Бранауэр Водонасыщение Михаэлис То же Кондо Адсорбция воды Межслоевые Фельдман То же и всасывание гелия Микропоры Бранауэр Эл. Микроскопия Поры геля Адсорбционные Пауэрс Фельдман Большие внутренние Михаэлис То же Адсорбция метанола и азота То же Менее 0. 6 Ултрамикропоры Небольшие внутренние Межкристаллические 6 -1. 5 Внутрикристаллические 1. 5 -10 Мезопоры Поры между частицами геля Более 100 Маропоры Кондо Бранауэр Ртутная порометрия Пауэрс Бранауэр, Пауэрс, Кондо и др. Ртутная порометрия

По происхождению поры и неплотности бетона подразделяются (по Н. А. Мощанскому): - Крупные каверны и пустоты, образовавшиеся при недостаточно тщательной укладке малопластичных и жестких смесей; - Небольшие поры, образовавшиеся при перемешивании и укладке или при искусственном вовлечении воздуха с помощью специальных добавок; - Мелкие поры и капилляры, возникающие в межзерновом пространстве цементного камня после испарения слабо связанной воды;

- Щели и рыхлые места в верхней части горизонтальных швов при укладке массивов, возникающие вследствие внешнего расслаивания бетонной смеси; - Неплотности под зернами, относительно крупных частиц заполнителя, возникающие в результате внетреннего расслоения раствора; - Щели и микрощели усадочного характера, возникающие в бетоне при значительном температурном и влажностном градиенте; - Тончайшие микропоры гидратированных оболочек цементных зерен (поры геля), возникающие вследствие контракционных явлений при гидратации.

Характеристики неплотностей бетона Вид неплотностей Каверны Воздушные поры а) естественные б) пенобетона в) газобетона г) вовлеченного воздуха Воздушно-водяные поры Поры и щели горизонтальных швов То же под зернами крупного заполнителя Щели разрыва: а) температурные б) усадочные в) поры геля Причины образования Размеры Характер Плохая укладка 1 -50 см Открытые Вовлечение воздуха при перемешивании и укладке Искусственно введенная пена Искусственно введенный газ Воздух, искусственно введенный с добавками Испарение слабосвязанной воды Послойное расслоение 0. 1 -5 мм Как правило замкнутые То же 0. 01 -1 мм 5 -25 мкм То же 1 -50 мкм Как правило открытые То же 0. 1 -1 мм Межзерновое расслаивание 0. 01 -0. 1 мм Резкий перепад температуры Перепад влажности Контракция 1 -20 мм 1 -5 мм 5 -20 мкм То же Открытые То же Замкнутые

По влиянию, оказываемому на свойства цементного камня выделяют: • Поры геля (менее 100 нм) • Капиллярные поры (от 100 нм до 10 мкм) • Воздушные поры и пустоты (от 50 мкм до 2 мм)

Вода в порах геля имеет адсорбционную связь с твердой фазой. Т. к. адсорбционный слой воды имеет толщину до 0. 15 мкм, то вода геля не замерзает при низкой температуре (по некоторым данным до -190 С). Следовательно поры геля не оказывают влияние на морозостойкость цементного камня и бетона. Наибольшее влияние на свойства бетона оказывают капиллярные поры. Для характеристики объема порового пространства используют интегральные характеристики: истинную (полную), открытую (кажущуюся), условнозамкнутую пористость

Истинная пористость – суммарный объем порового пространства материала, высушенного при температуре 25 С в ваккууме при остаточном давлении 0. 5 мм ртутного столба. Открытая пористость – суммарный объем всех пор материала, соединяющихся между собой и с поверхностью материала и доступных определению данным методом испытания. Условно-замкнутая пористость – разность между истинной и открытой пористостью.