Структурообразующие процессы в цементных композициях с использованием ВСМ
На современном этапе развития бетоноведения проблема повышения качества и долговечности цементобетонов может быть успешно решена путем создания новых технологий модифицированных бетонов. В этой связи научно-практический интерес представляют технологии, в которых используются высокоэффективные технические приемы, в частности, применение дисперсных синтетических волокон-наполнителей, несущих на поверхности волокна ненасыщенный гидроксилированный покров и являющихся источником свободной (избыточной) энергии.
Высокая морозостойкость цементного камня и бетонов — важнейшее свойство, в большой мере определяющее долговечность гидротехнических и дорожных сооружений. Изначально сформировалось суждение, что обеспечить высокую морозостойкость конструкций можно только с помощью введения структурирующих воздухововлекающих добавок.
Признавая эффект повышения морозостойкости бетона благодаря воздухововлечению, следует обратить внимание на то, что для дорожных и аэродромных покрытий повышенное содержание эмульгированного воздуха приводит к увеличению истираемости бетона, т. к. при вибрации бетонной смеси воздушные пузырьки (наиболее легкий компонент) стремятся к открытой поверхности, что приводит к неравномерному их расположению в теле конструкции. Этот фактор зависит от условий перевозки смеси, укладки, уплотнения и т. д., но неизменность условий не всегда обеспечивается.
Кроме того, вовлеченный воздух в бетоне является своего рода платой за обеспечение его морозостойкости, ведь пузырьки вовлеченного воздуха ослабляют сечение бетона в конструкции и снижают его прочность. Как подтверждено исследованиями, увеличение объема вовлеченного воздуха на 1% приводит к снижению прочности бетона на растяжение при изгибе на 2,5% и при сжатии до 6%.
Таким образом, для обеспечения нормированного ГОСТ 26633 воздухововлечения на 5% в бетонной смеси (бетона для дорожных покрытий) прочность бетона при сжатии уменьшится на 30% по сравнению с бетоном без вовлеченного воздуха, что необходимо учитывать при подборе состава дорожного бетона.
Известно, что свойства морозостойкости бетона зависят от плотности цементного камня, т. е. от дифференциальной пористости и фазового состава цементного камня. В развитии технологии бетона решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования бетонов добавками-модификаторами цементных систем.
Полное представление о теории и практике модифицирования бетонов дает вышедшая в России монография В. Г. Батракова. А известный ученый С. С. Гордон в своих трудах подчеркивает: «Анализ данных показывает, что для повышения морозостойкости бетона совершенно не обязательно использовать рекомендуемые научной литературой и нормативными документами только воздухововлекаюшие добавки…».
Заданные показатели морозостойкости могут быть обеспечены другими методами. На этом предположении основано другое важное достижение науки о бетоне, которое можно сформулировать как разработку научных основ первичной защиты бетона и железобетона от коррозии и повышения его морозостойкости. Плотность фазовых контактов и, соответственно, структуры, по Тэйлору, во многом зависит от условий формирования кристаллогидратов при гидратации основного минерала цемента. Преобладание в структуре цементного камня более дисперсных и устойчивых гидросиликатов является фактором повышения прочности и плотности фаз кристаллизационной структуры и определяет связь морозостойкости с другими фазовыми и поровыми параметрами структуры цементного камня. Чем меньше объединенная пористость, тем выше морозостойкость цементного камня. И закономерное стремление специалистов-бетоноведов — добиться условий, во время которых капиллярные поры заполняются гидратными новообразованиями.
Систематические исследования на стыке фундаментальных наук позволили сформулировать основные требования к будущему типу дисперсно-армирующих волокон, обладающих особенностями химических интенсификаторов твердения, для комплексного воздействия на свойства цементных композитов.
Исходя из данных предпосылок, предложен метод модификации цементных систем полифункциональным ВСМ, обладающим синергетическим действием и объединяющим регулирование твердения клинкерного цемента и компонента, обеспечивающего армирование цементной матрицы.
При использовании модифицирующих волокон значительную роль в процессах структурообразования играет энергетическое состояние их поверхности, определяющее контактную зону в системе «вяжущее — волокно». С целью усиления адгезии волокон и вяжущего, а также для повышения их структурообразующего значения были разработаны (на основе анализа механизмов контактных взаимодействий в композиционных строительных материалах) различные методы модификации поверхности волокна, главными из которых является композитное и химическое модифицирование путем введения в расплав оболочки активных составляющих.
Модифицированная поверхность оболочки волокна определяет функциональное действие для направленной кристаллизации цементного камня. Привитые органические соединения содержат активные одну или несколько полярных групп типа гидро-, гисульфо-, амино- и карбоксигрупп (-ОН, -СООН, -NH2 –Si0H, -OSO3H и т. д.), способных реагировать с цементными минералами и продуктами их гидратации (в соответствии с теорией взаимодействия адсорбционных активных центров Льюиса и Бренстеда). Располагаясь на поверхности волокна в инициативном состоянии, функциональные концевые группы и неорганические модификаторы направленно воздействуют на процесс гидратации, формируя кристаллизированные сростки кристаллогидратов вдоль протяжения волокна, фазовый состав которого отличается от состава основной матричной части.
Установлено, что ВСМ катализируют реакции образования гидросиликатов кальция группы CSH(II). Эти межфазные системы составляют основу образующихся плотных контактных зон и всей матричной части бетона. Повышенная концентрация кристаллогидратов вблизи поверхности раздела фаз (волокно — цементный камень) обеспечивает прочное сцепления волокна в цементных системах и упрочнение цементной матрицы.
Интегральная прочность цементного композита при наличии ВСМ определяется рядом факторов, где существенное значение приобретают величина взаимодействия матрицы и поверхности волокна и величина когезии межфазового слоя новообразований. При достаточно высокой концентрации и удельной поверхности волокон, а также при соответствующей толщине и минералогическом составе слоя начинает играть роль третья фазовая составляющая со своей зависимостью напряженно-деформационных характеристик.
Теория межфазовых явлений в этой системе может рассматриваться как совокупность трех основных частей: адсорбции продуктов гидратации на поверхностях волокна, адгезии новообразований к этим поверхностям и минералогического состава и свойств полимеризованного межфазного слоя на границе раздела цементная матрица — ВСМ.
Так как волокна, являющиеся носителями активных центров, имеют протяженную структуру и распределены в объеме бетона равномерно, то при оптимальной дозировке обеспечивают многоуровневую компоновку структуры, запуская механизм самоармирования.
Это явление оказывает непосредственное влияние на прочность цементного камня, а от этого существенно зависят такие характеристики бетона, как прочность, модуль упругости, повышенное содержание гелевых пор и сокращение объема капиллярных пор. Исследования этого процесса и управление им являются важным звеном в формировании свойств цементного композиционного материала.
Определены особенности структурообразования при твердении вяжущих с применением ВСМ:
- возрастание роли первичной коагуляционной структуры, на основе которой развивается плотная и прочная конечная структура камня;
- снижение деформации усадки и внутренних напряжений.
Практическое использование результатов исследований и разработок модифицирующих ВСМ на десятках предприятий свидетельствует об их большой научно-практической ценности. Был, в частности, проведен подбор составов бетонов с применением ВСМ и оценивалось действие волокна на изменение свойств морозостойкости. Бетонные смеси изготавливались с подвижностью от П2 до П4. Испытания проводились в лабораторных и производственных условиях без применения воздухововлекающих добавок. Однако показатели качества бетонов с волокном по трещиностойкости, морозостойкости и водонепроницаемости превысили заданные проектом.
Достоинством модифицирующей добавки ВСМ с функцией армирования цементного камня является представленное в ней комплексное решение прикладных задач, связанных с созданием строительных композитов с высокими эксплуатационными свойствами:
- упрочнение бетонов достигается перераспределением дифференциальной пористости цементного камня в сторону меньших по размеру гелевых пор, что обусловливает формирование цементного камня с меньшим количеством капиллярных пор;
- ускорение начальной стадии химического твердения цементных систем с активизированными волокнами, где привитые функциональные молекулярные кластеры служат центрами кристаллизации;
- образование гидросиликатных кластеров «вяжущее — волокно» за счет высокой поверхностной энергии активных молекул на поверхности волокон и упрочнение контактной межфазовой зоны между цементным камнем и поверхностью волокна.
С благодарностью примем все ваши замечания, сомнения и пожелания, как по содержанию материала, так и по форме его подачи.
| Автор: А. А. Савельев, А. Ю. Тарасова Дата: 12.09.2011 Журнал Стройпрофиль 6-11 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |