Прогнозирование трещиностойкости бетона на основе метода конечных элементов (стр. 15 )

Поскольку при твердении гипсовых вяжущих процессы гидрато - и структурообразования протекают синхронно [1], то неустойчивость данной системы может быть обусловлена совокупным развитием указанных процессов. Как следует из рисунка 1, величина избыточного производства энтропии dxP> 0 на всём протяжении процесса твердения, следовательно, в гипсовой дисперсии отсутствуют термодинамические предпосылки для возникновения неустойчивости.

Рисунок 1. Производство избыточной энтропии при твердении

гипсовых вяжущих:

1 – α-гипс; 2 – β-гипс.

Как показано в работе [1], при твердении гипсовых вяжущих отсутствуют и кинетические условия для возникновения неустойчивости. Анализ изменения влажностных и термодинамических параметров при твердении гипсовых вяжущих показал [2], что для образующегося гипсового камня характерно формирование псевдоконденсационной структуры с точечными контактами, т. е. структурные превращения при твердении гипсовых вяжущих протекают в пределах коагуляционной структуры. В соответствии с предложенными в работе [1] модельными квазиреакциями образования межчастичных контактов, эти превращения не могут нарушить устойчивости вяжущей системы, что и находится в полном согласии с экспериментальными данными (рисунок 1).

Кроме того, одним из критериев неpавновесности является морфологическая гетерогенность вяжущей системы, однако при твердении гипсового вяжущего образуются гидраты только одного морфологического типа. Следовательно, в системе «гипс – вода» отсутствуют как кинетические, так и термодинамические предпосылки для развития неpавновесности и превращения точечных контактов в конденсационно-кристаллизационные.

Это не означает, что при твердении гипсовых вяжущих нет структурных превращений, однако они не сопровождаются и не связаны с развитием в вяжущей системе нелинейных явлений и возникновением диссипативной структуры. Структурные превращения в твердеющих гипсовых вяжущих, согласно [1], могут сопровождаться изменением их термодинамической устойчивости, хотя и не нарушают устойчивости вяжущей системы в целом. Критерием устойчивости отдельных структурных состояний является знак избыточного производства энтропии, обусловленного процессом структурообразования dxPh. На рисунке 2 приведено изменение этой величины при твердении гипсовых вяжущих. Участок на приведенных кривых, соответствующий отрицательным значениям dxPh, указывает на термодинамическую неустойчивость структурного состояния вяжущей системы, существующего в данный период твердения.

Рисунок 2. Избыточное производство энтропии, обусловленное

процессом структурообразования гипсовых вяжущих:

1 – α-гипс; 2 – β-гипс.

Из представленных данных следует, что превращение первичной коагуляционной структуры, где контактирование частиц осуществляется через прослойки жидкой фазы, в псевдоконденсационную структуру с точечными контактами происходит через формирование термодинамически неустойчивой коагуляционной структуры.

Образование структуры гипсового камня связано с фиксацией частиц твердой фазы на расстояниях ближней и дальней коагуляции. Однако контакты ближней коагуляции (точечные контакты) образуются за счет вырождения контактов дальней коагуляции, что возможно только при преодолении энергетического барьера. Для его преодоления частицы гипсовой дисперсии должны обладать избытком энергии, что и приводит к нарушению устойчивости существующего структурного состояния. Подвод энергии, необходимой для преодоления энергетического барьера обеспечивается развитием экзотермических процессов гидрато - и структурообразования, причем нарушению устойчивости рассматриваемого структурного состояния предшествует достижение экстремальных значений скоростей указанных процессов. Таким образом, существование термодинамически неустойчивой переходной коагуляционной структуры соответствует состоянию, когда в гипсовой дисперсии действуют силы как дальней, так и ближней коагуляции.

Следует отметить, что структурные превращения в гипсовой дисперсии на основе вяжущего a-формы происходят при меньших энергетических затратах, чем в системе на основе вяжущего b - модификации. Это предопределяет и более высокую прочность гипсового камня на основе вяжущего a-формы. Кроме того, длительность существования термодинамически неустой-чивого переходного структурного состояния практически не зависит от величины водогипсового отношения.

Наличие в гипсовом камне точечных контактов даёт возможность объяснить низкую водостойкость гипсовых изделий. При увлажнении происходит сорбция влаги на точечных контактах, имеющих высокую свободную поверхностную энергию, в результате чего в соответствии с известным положением Гpиффитса происходит ее снижение и, следовательно, уменьшение прочности. При вторичном высушивании эти контакты восстанавливаются, однако прочность уже не достигает первоначального значения из-за накопления напряжений и явлений перекристаллизации, возможных при достаточно высокой степени увлажнения.

Таким образом, имеющиеся экспериментальные данные наряду с проведенным теоретическим анализом, позволяют заключить, что при твердении гипсовых вяжущих образуется псевдоконденсационная структура с точечными контактами. Образование этой структуры осуществляется на основе переходной термодинамически неустойчивой коагуляционной структуры.

СПИСОК литературЫ

1. Гаркави анализ структурных превращений в вяжущих системах. – Магнитогорск: МГТУ, 2005. -243 с.

2. Шленкина технологии с использованием термодинамического анализа процесса формирования гипсовых материалов: Автореф. дис….канд. техн. наук. Екатеринбург:УГТУ, 2005. – 21 с.

УДК 691.32

, д-р техн. наук, профессор, , канд. техн. наук, доцент,

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ PEMOHTHО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Выполнение больших объемов ремонтно-восстановительных работ ставит перед бетоноведами задачу обеспечения строителей бетонами (растворами), функциональные возможности которых выше по сравнению с обычными. Это связано с тем, что ремонтно-восстановительные работы обычно проводятся на конструкциях, значительно изношенных, как правило, при неблагоприятных погодных условиях. Это предъявляет к бетону ряд дополнительных требований: такие бетонные смеси не должны изменять реологические характеристики в течения требуемого времени; они должны легко наносится на ремонтируемую поверхность к иметь к ней высокую адгезию; по качественным характеристикам «новые» слои бетона не должны уступать материалу восстанавливаемой конструкции. Такие требования могут быть выполнены при следующих условиях:

-  необходимая удобоукладываемость бетонных смесей должна быть обеспечена при низких В/Ц-отношениях, обычно не превышающих 0,3 (с целью снижения водопотребности, как правило, должны применяться добавки — разжижители бетонных смесей;

-  структура бетона должна быть максимально плотной, что обеспечивается оптимизацией гранулометрического состава заполнителей, оптимальным расходом цемента, применением ультрадисперсных микронаполнителей;

-  низкие усадочные деформации для предотвращения отторжения нового, «молодого» бетона (обеспечивается небольшими значениями В/Ц-отношений, преимущественным использованием цемента
ПЦ-500 ДО, а в ряде случаев - применением расширяющихся добавок и микроармирования цементного камня фибрами различного состава);

— высокая адгезия, которая обеспечивается обычно введением полимерных добавок (особенно эффективно проявили себя так называемые дисперсионные порошки на основе акрилатов - ДПП);

- для наружных конструкций бетоны должны иметь повышенные показатели по морозостойкости (достигается обеспечением их высокой плотности, а в ряде случаев - применением малых доз воздухововлекающих добавок-модификаторов структуры бетона).

Необходимо отметить, что бетоны, отвечающие указанным выше требованиям, будут иметь достаточно высокую стоимость, обусловленную, прежде всего, применением полимерных добавок, В связи с этим необходимы пути удешевления таких составов. Один из путей ориентирован на использование промежуточного слоя между новым и старым бетоном восстанавливаемой строительной конструкции. Б таком варианте всем указанным ранее требованиям должен отвечать толькопромежуточный слой, толщина которого обычно составляет всего лишь 3-5 см.

Прочное сцепление такого слоя с основным покрытием не вызывает никаких сомнений, так как и тот, и другой слой бетона наносится при восстановлении конструкции практически одновременно.

Для создания промежуточного слоя, обеспечивающего качественное сцепление «старого» бетона восстанавливаемой конструкции с новыми наносимыми слоями, целесообразно применять мелкозернистый бетон, изготовленный на основе высококачественных песков, желательно с шероховатой поверхностью. Таким образом, бетонные смеси и бетоны для ремонтно-восстановительных работ должны обладать целым рядом специфических свойств, в том числе и таких, которые в действующих нормативах не оговорены, но которые необходимы в силу особых условий и специфики выполнения ремонтных работ и службы наносимых слоев бетона. К последним относится преимущественное нанесение бетона (раствора) на вертикальные и потолочные поверхности, когда возможно сползание и отрыв слоев свеженанесенного бетона. Известно также, что отвердевание относительно тонкого (промежуточного) слоя бетона протекает неудовлетворительно из-за недостатка воды вследствии ее впитывания основанием и интенсивного испарения на открытом воздухе, В связи с этим в разрабатываемых составах бетона необходимо значительно усилить свойство водоудерживания. В качестве же конечного результата должны выступать высокие показатели прочности омоноличенного участка конструкции и, прежде всего, прочности на отрыв.

Высококачественный бетон для ремонтно-восстановительных работ был получен в результате последовательной оптимизации зернового состава компонентов бетонной смеси, включая цемент и микронаполнитель, а также путем модифицирования структуры бетона добавками полимерных веществ: водорастворимых эфиров целлюлозы (ЭЦ) трех видов и полимерного порошка [1, 2].