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

сорбции и с меньшей энергией связи (≈40 кДж/моль) - вода полимолекуляр-

ной адсорбции; 3) капиллярно-конденсированной (Есв = 0,5-40 кДж/моль) и капиллярно-

насыщенной (Есв = 0,05-0,5 кДж/моль), удерживаемой в строительных материалах капиллярными силами водных менисков;

4) макропоровой свободной; в строительных материалах она делится на два вида: воду условно-замкнутую в крупных порах (она не участвует в про-

цессах фильтрации) и фильтрационную свободную воду.

Таким образом, энергия связи видов воды со структурой изменяется в диапазоне от 0,05 до 800 кДж/моль в зависимости от вещественного состава и других характеристик структурных составляющих материала, ответствен-

ных за реализацию той или иной формы их взаимодействия с водой. Модифицирование структуры твердой фазы и порового пространства материала является прямым средством регулирования сил его взаимодействия с водой. Происходящее при эксплуатации изменение содержания различных видов воды в структуре материала закономерно приводит к нарушению баланса сил и, как следствие, к непрерывной трансформации конструкционных ха-

рактеристик и свойств, мера чего, в свою очередь, определяется характеристиками структуры материала. Физико-химическая природа влияния влаж-

ностного состояния на свойства строительных материалов - показатели сопротивления разрушению, объемные деформации набухания-усадки, тепло-

проводность, морозостойкость и др. - должна поэтому раскрываться с учетом меняющегося и складывающегося баланса сил связи видов воды со структу-

рой материала.

Влияние влажностного состояния на показатели сопротивления

материала разрушению рассматривается в рамках действия эффекта Ребиндера, в соответствии с которым понижение прочности увлажненных твердых тел термодинамически обусловлено уменьшением работы образования новой поверхности при их деформации и разрушении вследствие понижения запаса свободной поверхностной энергии твёрдого тела в процессе адсорбции жидкой фазы. Молекулярная природа эффекта состоит в облегчении раз-

рыва и перестройки межмолекулярных (межатомных, ионных) связей в твёрдом теле в присутствии адсорбционно-активных инородных молекул (ато-

мов, ионов).

Адсорбционное понижение прочности определяется тремя группами факторов 33,34 :

26

1)химическим сродством газовой и жидкой фазы среды и материала;

2)неоднородностью (дефектностью) структуры материала;

3)условиями деформирования и разрушения материала.

Факторы первой и второй группы соотносятся с механизмом зарождения трещины, а факторы третьей группы - с зависимостью скорости ее роста в присутствии адсорбционно-активной среды от вида, скорости приложения механических нагрузок и механизма распространения жидкой фазы в струк-

туре твердого тела.

Факторы первой группы определяют характер взаимодействий между молекулами (атомами) жидкой и твердой фазы в поверхности раздела этих фаз. Как было отмечено Ребиндером, наибольшее понижение прочности твердого тела имеет место при его контакте с жидкой средой, близкой деформируемому телу по характеру межатомных взаимодействий. Это обу-

словлено тем, что процессы, лимитирующие адсорбционное понижение прочности, локализованы не в объеме жидкой фазы, а вблизи фронта расту-

щей трещины. Роль же жидкой фазы как адсорбционно-активного компонента подобных систем определяется гидролитической стимуляцией тер-

мофлуктуцонных актов (по Журкову) разрыва межатомных связей, активируемого приложенными напряжениями.

Это условие, по-видимому, выполняются для большинства неорганических строительных материалов при их взаимодействии с водой. При всем разнообразии их состава и структур они всегда образованы полярными веществами, содержащими в основном связи Si—О и связи Ме-О, которые в той или иной степени подвержены гидролитическому расщеплению. Эти связи играют различную по их вкладу роль при разрушении в связи с тем, что гид-

ролиз кремнекислородных связей более затруднен по сравнению с гидролизом полярных связей катион — кислород.

Роль факторов второй группы определяется такими особенностями структуры материала, как неоднородность, дефектность, мера которых зави-

сит от количественных и качественных характеристик зернистых включений, пор, наличия и размера зародышевых микротрещин и т. п. Следует под-

черкнуть, что адсорбционно-активная среда сама по себе не создает дефектов в теле, она лишь облегчает их развитие. В строительных материалах дефек-

ты, зародышевые микротрещины с «длиной Гриффитса» l Е/P2 , как правило, находятся изначально. Кроме того, роль дефектов выполняют поры, ослабленные границы между частицами разных фаз, а также другие микро- и

27

макронеоднородности. Влияние структурных элементов твердого тела на ин-

тенсивность адсорбционного действия среды заключается в том, что они обладают избыточной свободной энергией, проявляющейся в виде энергии кон-

тактной зоны, энергии порового пространства. Наличие такого связанного с дефектами и неоднородностью структуры запаса энергии в деформируемом твердом теле приводит к тому, что в присутствии адсорбционно-активной среды трещинам разрушения оказывается термодинамически более выгод-

ным развиваться вдоль границ контактов и по разделу фаз.

По Гриффитсу, подрастание имеющейся в материале зародышевой трещины (дефекта) оказывается возможным лишь в том случае, когда энергия внешних сил, затрачиваемая на ее продвижение, будет по крайней мере равной соответствующему приращению поверхностной энергии тела за счет образования поверхности разрушения:

где Р0 – разрушающее напряжение; - удельная поверхностная энер-

гия; Е – модуль упругости; l - длина зародышевой трещины.

Из соотношения Гриффитса следует, что сопротивление разрушению может изменяться, в частности, когда изменяется величина удельной поверх-

ностной энергии твердой фазы . А это становится возможным при адсорб-

ционном взаимодействии твердой фазы с газовой и жидкой фазой эксплуата-

ционной среды. Понижение величины поверхностной энергии твердого тела происходит не только при адсорбции паров. В такой же или еще в большей мере оно наблюдается и при капиллярной конденсации с непрерывным переходом к контакту твердого тела с объемной жидкой фазой.

Итак, эффекты снижения прочности твердых тел в результате понижения их поверхностной энергии при контакте с жидкой фазой также включа-

ются в обобщенный механизм адсорбционного понижения сопротивления разрушению.

Влияние факторов третьей группы (условий деформирования и разрушения твердого тела) на проявление эффекта Ребиндера связано с законо-

мерностями процессов распространения жидкой фазы от основания трещины к ее вершине. Именно эти процессы обеспечивают проникновение ато-

мов (или молекул) жидкой фазы к новой поверхности, возникающей в твер-

28

дом теле при его деформации и разрушении, адсорбцию этих атомов (или молекул) на новой поверхности непосредственно в момент ее образования.

Распространение жидкости осуществляется по механизмам 29 : капилляр-

ного течения жидкости внутри трещины, растекания жидкости по поверхности трещины, поверхностной диффузии монослоев в непосредственной бли-

зости от вершины трещины, нерегулярной диффузии по различным дефектам структуры в зоне предразрушения. Анализ данных механизмов показывает,

что трещина может расти лишь по мере распространения жидкой фазы вдоль ее стенок к вершине, так как разрушение материала происходит по мере про-

никновения жидкости в зону предразрушения. При этом если материал находится под действием напряжений, достаточных для роста трещины в присут-

ствии жидкой среды, то остановка развития трещины и прекращение ее роста могут произойти только из-за прекращения подачи жидкости в вершину трещины. Внешние воздействия среды (температура, скорость нагружения, характер приложенных напряжений) способствуют усилению эффектов по-

нижения прочности в том случае, если они вызывают ускорение распространения жидкой фазы в структуре материала. Интенсивность распространения жидкости определяется следующими параметрами среды и материала: вязкостью жидкой фазы, которая зависит от температуры и энергии связи с твердой поверхностью; количеством жидкости и условиями смачивания поверхности, микрорельефом поверхности, от которых зависят капиллярное те-

чение жидкости в трещине и растекание фазовой пленки по ее стенкам. Эффект понижения прочности должен усиливаться при повышении температу-

ры и влажности материала, так как при прочих равных условиях нагревание обеспечивает снижение вязкости жидкой фазы, облегчение условий смачива-

ния, а повышение влагосодержания способствует быстрому заполнению всей полости образующейся трещины и проникновению жидкости к поверхности разрушения именно в момент ее образования. Наряду с этим более опасным можно считать действие статической нагрузки по сравнению с динамиче-

ской, так как при высокой скорости нагружения скорость роста трещины значительно превышает скорость распространения жидкости по поверхности твердой фазы и в объеме трещины.

Из всего сказанного следует вывод, что вода выступает в качестве активного участника процессов разрушения строительных материалов во всем диапазоне их влажностных состояний – от малоувлажненного до водонасыщенного. Управляющее воздействие на эффект снижения показателей сопро-

29

тивления разрушению материалов во влажном состоянии может достигаться посредством модифицирования следующих структурных их характеристик:

объема, площади поверхности и удельной поверхностной энергии твердой фазы (определяется химико-минералогическим составом; морфологией и дисперсностью структурных элементов);

объемной доли пор и распределения их по размерам, краевого угла смачивания жидкостью поверхности твердой фазы.

Механизм влажностных деформаций набухания-усадки может рас-

сматриваться в рамках представлений о том, что их проявление предопределяется изменением напряженного состояния материала, изменением его объема вследствие высвобождения сил, участвующих в связи твердой фазы и порового пространства с жидкой фазой. При увлажнении-обезвоживании материала проявляется действие:

а) капиллярных сил и сил поверхностного натяжения, если изменяется содержание капиллярно- и адсорбционно связанной воды;

б) сил когезионного и адгезионного взаимодействия в контактах дисперсных частиц, сил внутренних связей в кристаллогидратах, если изменяется содержание межслоевой, гидратной и межкристаллической воды;

в) сил упругого противодействия твердой фазы ее деформированию силами поверхностного натяжения при полном обезвоживании на фоне одновременно протекающих релаксационных процессов в ней. В итоге величина влажностных деформаций на различных стадиях увлажнения-обезвоживания оказывается функцией (рис. 3) равнодействующей этих сил.

Мера этих сил в материале принимается и считается зависящей от его состава и структуры, чем собственно и обусловливается возможное содержание в материале видов воды и баланс сил ее связи со структурой. Проявление же действия этих сил зависит от степени увлажнения-обезвоживания и соответственно вида удаляемой или поглощаемой воды. В отношении влажностной усадки данное положение может иллюстрироваться типовой кривой (по А.Е. Шейкину 37 ) деформаций цементного камня в условиях квазистатического его обезвоживания (рис. 4). Характер такой кривой принципиально изменяется в зависимости от параметров структуры строительных материалов (рис. 5). Регулирование баланса сил и управление величиной возможной влажностной усадки материала может достигаться посредством изменения количественных и качественных характеристик состава и структуры, влияющих на усадку, согласно общей зависимости

30