Материал: Поризованный бетон. структура и строительные-технические свойства. Славчева Г.С

Выполнение третьего условия достигается через изменение величины ак-

тивной площади поверхности; удельной поверхностной энергии; смачиваемости поверхности твердой фазы; размерно-геометрических характеристик и

энергонасыщенности объема пор.

Формирование необходимой для выполнения выдвинутых условий струк-

туры материала реализуется через следующие управляющие факторы: соотношение компонентов матрицы и включений, их химический, минералогический,

гранулометрический состав; параметры процессов структурообразования и твердения. К технологическим средствам регулирования следует отнести:

а) расход, вид и состав вяжущего (матричного материала); б) расход, вид и гранулометрию заполнителей и наполнителей (включений);

в) исходное содержание жидкости (воды затворения) в сырьевой смеси; г) дозировку химических добавок ПАВ.

При этом следует рассчитывать не на аддитивный, а скорее на синергетический эффект возможного совместного влияния управляющих рецептурно-

технологических факторов на характеристики твердой фазы и порового пространства и соответственно на влажностное состояние материала и реализацию его

свойств при эксплуатации.

Предлагаемая процедура конструирования поризованных бетонов опира-

ется на классическую методологию постановки оптимизационных задач, определяющую обоснование и выбор критериев оптимизации, ограничений, гра-

ничных условий 71-76 .

В связи с многокритериальностью задачи, когда нужно достигнуть зада-

ваемого уровня качества одновременно по ряду свойств, критерий оптимизации (целевая функция) будет представлять собой тот из показателей качества конкретного вида бетона, который является критическим для его долговечности и надежности работы конструкции в зависимости от условий ее эксплуата-

ции. Требования к остальным свойствам, не отраженным в целевой функции, формируются согласно условиям работы бетона в конструкции, соответствуют нормируемым значениям свойств для границ изменения влажностного состояния при эксплуатации, и учитываются в виде функциональных ограничений для их значений.

В качестве целевой функции и функциональных ограничений, исходя из системно-структурной концепции управления свойствами строительных материалов, используются экспериментально-статистические количественные зави-

симости типа «рецептурно-технологические факторы - состав, структура, со-

101

стояние - свойства материала». Основанием к этому являются достижения компьютерного материаловедения в решении прикладных задач материаловедения и технологии строительных композитов математическими методами.

Они базируются на подходах, позволяющих объединить экспериментальностатистические зависимости с концептуальными моделями структуры материа-

ла (работы Ю.М Баженова, Воробьева В.А. 77 , А.В. Вознесенского 78 , О.Л.

Дворкина 79 , В.И. Кондращенко 80 , Т.В. Ляшенко 81 , Е.М.Чернышова

82 , Е.С.Шинкевич 83 ).

При решении задачи конструирования поризованных бетонов использование экспериментально-статистических зависимостей также опирается на

концептуальные модельные представления о структуре поризованных бетонов

62 , которые позволяют определить предельно допустимые значения парамет-

ров факторного пространства управления (параметров состава и структуры ма-

териала), то есть обосновать граничные условия задачи. В этой связи укажем, что имеющая место трансформация структуры поризованного бетона по мере

изменения его средней плотности определяет возможность существования, по крайней, мере двух граничных типов (моделей) структуры (рисунок 24):

1)модель 1 – поры воздухововлечения относительно мелкие, их объем относительно невелик (до 0,4 м3/м3), поэтому более крупные, чем макропоры, вклю-

чения зерен песка диаметром Dз образуют пространственный каркас, который омоноличивается цементным камнем, наполненным включениями воздуховов-

леченных пор диаметром Dп < Dз ;

Рис. 24. Модели структуры поризованного бетона: а) средней плотности 1200 кг/м3; б) средней плотности 800 – 1000 кг/м3

102

2)модель 2 – поры воздухововлечения относительно крупные, их объемное содержание повышенное (0,5-0,8 м3/м3); диаметр зернистых включений меньше диаметра макропор, в этом случае макропоры окружены (омоноличены) мате-

риалом, состоящим из цементного камня, наполненного зернистыми включениями (Dп > Dз).

В бетоне со структурой по модели 1 очевиден предел меры поризации, то есть возможности размещения объема генерируемых макропор Dп в объеме, за-

нимаемом межзерновыми прослойками толщиной . Поэтому данная модель отвечает структуре бетона с небольшой степенью поризации ( = 12001600 кг/м3) и характеризуется наличием пространственного каркаса из зерен песка, омоноличиваемых цементной матрицей с относительно невысокой степенью поризации. При увеличении содержания макропор структура бетона не-

избежно приближается к модели 2, для которой принципиально важным становится требование конгруэнтности размера зерен включений Dз толщине межпо-

ровой перегородки , так как для эффективного использования потенциала прочности межпоровых перегородок в конструкции структуры поризованного бетона необходимо выполнение условия квазиоднородности 63 структуры матричного материала, в соответствии с которым размер включения должен быть меньше величины как минимум в 4…5 раз. В расчетах величины , про-

веденных для бетонов задаваемой средней плотности от 800 кг/м3 до 1600 кг/м3, использовали зависимость между объемным содержанием включений VЭ.В, их средним эквивалентным диаметром DЭ.В и величиной :

При определении расчетной величины исходили из наиболее вероятной гек-

сагональной упаковки шаровидных макропор и учитывали, что применительно к реальным структурам эта упаковка характеризуется координационным чис-

лом не 12, а 9…10 и коэффициентом плотности упаковки = 0,7. Из получен-

ных расчетных данных величины (табл. 25), следует, что при увеличении объ-

емной доли воздухововлеченных пор толщина межпоровой перегородки закономерно уменьшается; одновременно уменьшается и допустимый диаметр зернистых включений.

103

Таблица 25 Зависимость допустимого расчетного размера зернистых включений от компонентного состава и средней плотности поризованного бетона

с учетом фактора обеспечения квазиоднородности структуры межпоровых перегородок ( /dэ 4…5)

Проведенные аналитические расчеты 62 и экспериментальные исследо-

вания структуры поризованных бетонов 29,30 для диапазона средней плотно-

сти = 800-1600 кг/м3 позволили определить требования к диапазону значений основных структурных характеристик конструкционного и конструкционнотеплоизоляционного поризованного бетона (табл. 26), ограничивающих фак-

торное пространство управления при конструировании их структур. При обосновании указанных требований по граничным значениям параметров структуры учитывалось также, что объем пор воздухововлечения (VВВП) И объем микробетона (Vмб) межпоровых перегородок определяется задаваемой средней плотно-

стью. Объем включений (Vвкл) в микробетоне определяется условиями пориза-

ции бетонной смеси 84 (верхняя граница) и допустимым по экономическим соображениям расходом цемента (нижняя граница). Диаметр включений (dвкл)

также определяется средней плотностью, так как от нее, как отмечалось выше, зависит толщина межпоровой перегородки. Принципиальной характеристикой для зерен включений является активность их поверхности по отношению к воде, интегральной оценкой которой является теплота смачивания водой (q), зависящая от химико-минералогического состава и дисперсности наполнителей.

От смачиваемости зерен включений зависит объем микропор в микробетоне, так как именно мерой смачиваемости определяется водопотребность бетонной смеси и соответствующие значения В/Ц-отношения.

104

Таблица 26. Характеристика диапазона регулирования параметров структуры

поризованного бетона (граничные условия)

При постановке задачи конструирования следует исходить из того, что для цементных поризованных бетонов нормального твердения определяющим, критическим свойством, можно сказать, камнем преткновения, выступает их трещиностойкость, определяемая эксплуатационной деформируемостью (усадкой, ползучестью), так как именно от нее зависит долговечность конструкций. Следовательно, функцией цели при нахождении оптимальных параметров состава и структуры твердой фазы и порового пространства следует считать минимум деформативности. Для конструкционно-теплоизоляционного бетона в соответствии с требованиями теплоэффективности зданий может быть выдвинута и иная функция цели: минимум значений эксплуатационного влагосодержания для обеспечения минимальных изменений теплопроводности материала при эксплуатации. При формулировке каждой конкретной задачи в зависимости от выбранного критерия оптимизации и в соответствии с нормативными требованиями (табл. 27, 28) выдвигаются ограничения по значениям плотности, прочности, диапазону эксплуатационного влагосодержания, морозостойкости и т.д.

Для сформулированных требований к граничным условиям по параметрам структуры и ограничениям по уровню свойств разработаны алгоритмы конструирования конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных поризованных бетонов по критериям минимизации деформативности и эксплуатационного влагосодержания.

105