Оценка влияния количества и дисперстности минеральных добавок на прочностные свойства цементного камня

А.В. Чикин, аспирант, Московский государственный машиностроительный университет: Индустриально-технологический институт

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА И ДИСПЕРСТНОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Свойства бетонов во многом зависят от структуры дисперсных систем, на основе которых они получены. Структурная прочность бетона, в том числе скорость разрушения и восстановления структуры его дисперсной системы, а также устойчивость и удобоукладываемость, тесно увязаны между собой. Приведены сведения по уплотнению бетонной структуры.

Ключевые слова: Структурная прочность бетона, улучшение реологии материала, процессы формирования, естественные заполнители, водопотребность смеси.

The properties of concrete in many respects depend on the structure of disperse systems on which they are received. The structural strength of concrete, including the rate of destruction and restoration of its structure of disperse systems, as well as stability and workability, are closely linked to each other. The data compaction of the concrete structure.

Keywords: structural strength of concrete, improve the rheology of the material, the processes of formation, natural aggregates, the water demand of the mixture.

Бетон является строительным конгломератным (композитным) материалом, матричной субстанцией которого, по масштабным уровням структуры, последовательно выступают:

- цементно-песчаный камень;

- цементный камень (микробетон);

- цементирующее вещество;

- новообразования цементирующего вещества;

- твердая фаза новообразований;

- субстанция единичного структурного элемента новообразования.

Перечисленная последовательность соответствует масштабному порядку от макро - до нано уровня структуры [8]. Упорядоченность структуры композита обусловлена соответствием его свойств на каждом масштабном уровне [6].

Достижение высокой прочности бетона реализуется выбором сочетаний следующих факторов:

- повышение плотности материала за счет оптимизации его зернового состава;

- уменьшение количества пор це- тельно обмазывает зерна заполните-ментного камня при снижении по- ля, занимает межзерновые пустоты требной величины водоцементного и равномерно раздвигает эти зерна.

отношения (ВЦ);

При дальнейшем увеличении объема

- максимальное заполнение пор клеющего вещества упаковка зерен между частицами цемента зернами становится менее плотной.

заполнителя;

- улучшение реологии материала

На макроуровне сырьевая смесь может быть представлена как по-

в результате смазки поверхностей лидисперсная система «заполни-упомянутых частиц и зерен цемент- тель - вяжущая часть», в которой

ным тестом.

Процессы формирования композиционных материалов в порядке

крупные зерна заполнителя образуют пространственный скелет, а промежутки между ними заполне-

уменьшения масштабных уровней от ны дисперсными частицами вяжу-макро до нано структурного выгля- щей части

дят следующим образом.

Макроструктура бетона представляет собой плотно упакованные

Упаковка крупных зерен формирует определенное поровое пространство, определяющее фактическое

туры цементное тесто последова-

зерна заполнителя, раздвинутые и количество частиц вяжущей части, склеенные цементным тестом [10]. В образующих в процессе твердения процессе формирования макрострук- контактную зону (связующую матрицу). Данная зона является самым слабым структурным элементом системы с точки зрения механической прочности.

Максимум насыпной плотности наблюдается при отсутствии раздвижки частиц зернистой части дисперсными зернами. При дальнейшем увеличении количества мелкодисперсной части, крупные частицы раздвигаются с разрыхле-

Рис. 1. Модель элементарной ячейки системы «заполнитель — вяжущая часть» А - недостаточность материала вяжущей части. Б - плотная (оптимальная) упаковка заполнителя при:

- максимальной насыпной плотности;

- увеличенном содержании грубодисперсной части полидисперсной системы;

- содержании мелкодисперсной части до 30% . В - избыточность материала вяжущей части.

нием структуры и уменьшением насыпной плотности системы.

Критерием оптимальности для грубодисперсных систем является максимум плотности упаковки зерен.

Кроме того, структурообразова-ние системы существенно зависит от агрегатного состояния исходных компонентов. Если частицы заполнителя не являются вяжущими, то между ними действуют преимущественно контактно отталкивающие силы, а форма системы определяется только внешними границами и гравитацией. Под действием статического трения плотность зернистых материалов может меняться только в результате внешних возмущений

Структурообразование дисперсных систем (кластерных структур), по мере увеличения содержания заполнителя, приводит к слиянию отдельных кластеров в большие (вторичные), с соответствующим уменьшением общего количества кластеров и увеличением числа частиц в каждом из вторичных образований. При этом система, состоящая из частиц, стремится к минимуму внутренней избыточной энергии, что достигается за счет агрегатирования, флокулирования и других процессов, ведущих к дальнейшей кластеризации структуры, затрагивая все масштабные уровни последней.

В определенный момент в системе образуется устойчивый объемный

скелет из частиц заполнителя, который воспринимает нагрузку . скрепляющая фаза передает усилия от одной части скелета к другой. Полученная объемная структура представляет собой «бесконечный кластер».

С уменьшением размера частиц, их кластеры характеризуются все более упорядоченной структурой. Образованное при этом поровое пространство представляет собой системное единство с твердой фазой бетона, являясь сложением элементов системы и делится, как и твердая фаза, на дискретные структурные составляющие - поры, отличающиеся происхождением, размерами и формами. Совокупность пор создает непрерывную структуру в объеме тела бетона, влияющую на его свойства.

Для снижения пористости (водо-потребности) сырьевой смеси, требуется значительное количество мелких частиц для заполнения пустот системы.

В бетоне, изготовленном из смеси с неоптимальным составом, в том числе неоптимальными размерами и количеством частиц, вода из межчастичного пространства может быть вытеснена при появлении нагрузки, что сопровождается расслоением и выпадением осадка.

Естественные заполнители обладают большей впитываемостью и требуют большего количества частиц, чем заполнители с грануломе-

трической кривой, близкой к нормальному закону распределения.

Для цементов общестроительного назначения предпочтительное количество частиц в диапазоне 3-32 мкм составляет 60-70% [3].

Принцип формирования структуры на микроуровне отличается тем, что наряду с гравитационной упаковкой частиц, процесс стуктурообразо-вания зависит также и от сил поверхностного взаимодействия частиц.

С уменьшением масштабного уровня, процессы структурообразо-вания бетона приобретают химико-физический характер, что выражается в образовании новых структурных элементов и их физическом взаимо-дей-ствии, в том числе:

- взаимодействие гидроминералов;

- их сближение друг с другом на расстояние атомарного взаимодействия.

С уменьшением размеров частиц от нескольких десятков миллиметров (крупный наполнитель) до нескольких мкм (цемент, микронаполнитель), существует минимальный (критический) размер зерна, ниже которого происходит изменение баланса поверхностных и гравитационных сил. Этот размер частиц является критерием агрегати-рованности (возможности налипания мелких частиц на крупные с образованием агрегатов - глобул).

В результате экспериментальных исследований процессов структуроо-

бразования тонкодисперсных систем установлено:

- для наиболее плотной упаковки с максимальной степенью уплотнения необходимо 70% грубодисперс-ной и 30% тонкодисперсной части;

- критический размер тонкодисперсной части можно определять по насыпной плотности отдельных фракций бетона;

- при размере минеральных частиц меньше критического, принципиально невозможна плотная упаковка частиц вследствие образования арочных и мостиковых структур;

- насыпная плотность кварцевого песка резко меняется при среднем размере зерен « 0,15 мм.

Непосредственно на микроуровне происходит контакт и синтез зерен, которые непрерывно разрушаются, диспергируют и создают новые частицы. Одновременно с образованием границы раздела растворной части и заполнителя, происходит формирование и протекание технологических деформаций, действующих в течение всего периода структурообразования и твердения. В результате протекающих физико-химических процессов уменьшается объем матричного материала, что способствует возникновению усадочных деформаций и формоизменению границ раздела системы.

В процессе структурообразования бетона протекает ряд процессов, раз-

вивающихся в объемах, сопостави- соотношениями компонентов (Рис.2) .

мых с размерами атомов и молекул. К таковым относятся: - межфазные взаимодействия;

Критерием оптимальности в тонкодисперсных системах выступает число контактов частиц - эффек-

- адсорбционные и ионообменные тивных центров кристаллизации.

процессы при гидратации вяжущего. Пространственно-структурная то-

Между молекулами и веще- пология определяет координацию

ством кристаллической или аморф- ближайшего окружения частиц в 3х

ной структуры в некоторых случаях мерном пространстве координацион-

присутствуют молекулярные кла- ным числом и плотностью их упаков-

стеры или кластерные образования, ки в системе. Координационное чис-

представляющие собой упорядочен- ло определяется количеством частиц

ную пространственную структуру, вокруг центрального зерна, соприка-

связанную силами молекулярного сающихся с ним.

взаимодействия. Такая структура Зерновая структура смеси на тон-

состоит из атомов одного химическо- кодисперсном уровне представляет

го элемента и имеет размеры поряд- собой подобие структуры заполни-

ка несколько нанометров [5]. теля, что, в свою очередь, ставит за-

С учетом поверхностного взаимо- дачу оптимизации состава вяжущей

действия частиц, структуру вяжу- части на микроуровне. Данная задача

щей части сырьевой смеси можно решается при нахождении оптималь-

представить с точки зрения пространственно-структурной тополо-

ных соотношений размеров зерен и их количества в системе. Оптимальное

гии [7], разделив ее на три типа, обу- содержание добавки к строительной словленных различными объемными бетонной смеси определяется исходя

из максимальной плотности упаковки зерен. Для связывания зерен наполнителя необходимо обеспечить количество цемента, покрывающее всю поверхность наполнителя и заполнение его межзеренно-го пространства.

Данное требование может быть выполнено

Рис. 2. Пространственно-структурная топология бинарной дисперсной системы. А - законтактная структура. Б - контактная структура. В - порфировая структура

за счет следующих технологических приемов:

- для получения системы «песок-цемент-добавка» с максимально плотной упаковкой использовать смесь: около 30 % масс. - цемент, около 60% масс. - наполнитель, около 10% масс. - добавка [2];

- повышение плотности минерального скелета мелкозернистого бетона за счет включения в приготавливаемую смесь каждой последующей фракции в соотношении 7:3 при диаметре частиц мелкой фракции в 8-10 раз меньше, чем крупной.

Согласно гипотезе [9] о максимальном заполнении пустот, количество тонко молотых фракций песка определяется объемом пустот предыдущей фракции. Использование микронаполнителей 3х фракционного состава: 6-7 мкм, 0,6-0,7 мкм и 5090 нм, позволило получить бетон по прочности на сжатие около 130 МПа. Тонкомолотая (до 100нм) составляющая песка (до 2-3% массы цемента) начинает проявлять активность, образуя «мосты», связывающие ее с цементной матрицей, выполняя функции дискретного армирования.

Количественное соотношение более крупных частиц вяжущего (Ыц) к менее крупным частицам наполнителя Ш) [1]:

где:

- Ми М; d и d ; р и р - соот-

ц н ц н' 1 ц 1 н

ветственно массовые доли, диаметры и истинные плотности частиц вяжущего и дисперсного наполнителя.

В топологическом размещении мелких и крупных частиц возможность контактирования частиц вяжущего между собой исключается не полностью вследствие того, что мелкие частицы дисперсного наполнителя будут преимущественно располагаться во вмещающих пустотах крупных цементных частиц между собой. При этом вероятность образования локальных агрегатов из Ыц является высокой.

Увеличение количества наполнителя выше оптимального приводит к разбавлению цементного камня наполнителем, что нарушает непосредственные контакты между гранулами клинкера и уменьшает прочность камня.

Оптимальное количество минерального наполнителя в бетоне позволяет достичь:

- максимально плотной упаковки частиц в тесте, если » ;

- максимального насыщения цемента наполнителем без образования контактов его частиц между собой,

если А ^ (I , что согласуется с топо-и н '

логическими моделями бетонов.

Улучшение микрогранулометрии происходит также в том случае, если снижается водопотребность смеси (вода вытесняется из пустот, ее оболочки вокруг зерен утолщаются).

При использовании вяжущих низ-

кой водопотребности прочностные показатели бетонов увеличиваются на 10-15% [4].

Литература:

1. Баженов Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны /Ю.М.Баженов,

B.С.Демьянова, В.И.Калашников // научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных ВУЗов. 2006. - 368 с.

2. Белов, В.В. Формирование оптимальной микроструктуры строительной смеси /В.В. Белов, М.А.Смирнов// Строительные материалы.2009. №9. С. 88-90.

3. Крутиков Д.М. Анализ гранулометрического состава цемента в реальном времени / Д.М.Крутиков // Цемент и его применение. 2009.№4. С.53-56.

4. Лхасаранов, С.А. Бетоны повышенной плотности на композиционных вяжущих /С.А. Лхасаранов, Л. А. Урханова,

C.Л.Буянтуев и др.// Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика: Материалы международной научно-практической конференции.-Улан-Удэ: Издательмтво ВС ГУТУ.2012. С.225-228.

5. Лызлова Р.П. Современные проблемы применения наноматериалов в производстве композита для строительства /Р.П.Лызлова// Промышленное и гражданское строительство в современных условиях. Материалы международной научно-технической конференции студентов.-М.: МГСУ.-2011.-504с.(С.-297-301).

6. Макеев А.И. Концепция гармонии в проблеме управления однородностью /неоднородностью конгломератных структур строительных композитов /А.И.Макеев// Материалы международного конгресса «Наука и инновации в строительстве SIB - 2008» Том 1. Современные проблемы строительного материаловедения и технологии. Книга 1(А-Н).-Воронеж: 2008. 358с. (С.311-320).

7. Рахимов Р.З. Топологические модели структуры и структурных элементов строительных композиционных материалов / Р.З.Рахимов, Н.Р. Рахимова / / Цемент и его применение. 2011.№6. С.62-65.

8. Чернышов Е.М. Структурная неоднородность строительных композитов: вопросы материаловедческого обобщения и развития теории (42)/ Е.М. Чернышов// Российская академия архитектуры и строительных наук. Вестник отделения строительных наук. Научное издание. Вып.15.-Москва-Орел-Курск: 2011.-328с. (С.223-239).

9. Baranau,V. Pore-Size entropy of random hard-sphere packings /V. Baranau, D. Glushkou, S. Khirevich, U. Tallarek // Soft Matter, 2013, 9, p.p. 3361-3372/

10. Laurent P. Granger/ Effect of Cjmposition on Basic Creep of Concrete and Cement Paste / Laurent P.Granger, Zdenek P.Bazant, Fellow, ASCE. // Journal of Engineering Mechanics. November 1995. p.p. 1261-1270.