В работе представлены результаты исследования твердения цементного камня с использованием программно-управляемого исследовательского комплекса (ПУИК). Исследованы в лабораторных условиях эффекты контракции и твердения цементов при управляемом изменении давления в диапазоне 0,1-100 МПа и температуры в диапазоне 20-150°С. Время непрерывной работы до 30 суток. При этом могут быть получены численные характеристики сжимаемости, объёмной вязкости и др. Проведен ряд испытаний, позволивших оценить возможности комплекса на примере измерения сжимаемости воды, взятой в качестве эталона. Получены зависимости изменения относительного объёма воды от давления в образце. Исследовано разрушение образца строительного материала гидравлическим давлением во внутренней полости.
Ключевые слова: программно-управляемый исследовательский комплекс, цемент, твердение, образец, гидравлическое давление, разрушение, объемная вязкость
УДК 666.972.16 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ КОНТРАКЦИИ И
ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТОВ
1, профессор, д. т.н., кафедра СМиТ
1, к. т.н., кафедра СМиТ
2, к. т.н.
1, доцент, к. т.н., кафедра ИТБ
1Карагандинский государственный технический университет
2 -ЦЕНТР», Россия
Цементный камень можно рассматривать как сложную полиминеральную и поликристаллическую систему. Твердение цемента происходит в результате комплекса сложных химических и физико-химических процессов. К химическим процессам при твердении цемента можно отнести процессы гидратации, гидролиза и обменного взаимодействия, протекающие при затворении цемента водой. Несмотря на многочисленные исследования, к настоящему времени не разработана еще единая теория твердения цемента.
Для решения этих вопросов актуальной задачей является исследование структуры цементного камня на различных масштабных уровнях [1], позволяющих с большей достоверностью, например, установить различие в процессах гидратации и кристаллообразования камня с добавкой и без добавки.
В данной работе рассмотрим программно-управляемый исследовательский комплекс, далее ПУИК, используемый для исследований в лабораторных условиях эффектов контракции и твердения цементов при управляемом изменении давления в диапазоне 0,1 - 100 МПа и температуры в диапазоне 20-150°С. Время непрерывной работы до 30 суток.
Основной принцип исследований - непрерывное высокоточное измерение изменений объёмов проб исследуемых жидких и твёрдых сред при управляемом изменении давления в изотермическом режиме.
В одном эксперименте возможно изучать взаимодействие: двух жидких проб, жидкой пробы и твердой пробы, жидкой пробы и пробы, подверженной физико-химическому изменению состояния, например набуханию, твердению, фазовому переходу, химической реакции и др.
Возможно изучение и только одной пробы (жидкой, твердой или промежуточной консистенции). При этом могут быть получены численные характеристики сжимаемости, объёмной вязкости и др. При максимальном давлении объём любой пробы не должен превышать ~ 20 см3.
ПУИК содержит две независимые насосные системы, каждая из которых способна создавать гидравлическое давление и вытеснять из своих цилиндров управляемые и известные в каждый момент времени объёмы.
Одна из насосных систем создаёт внешнее давление на гидроизолированный образец (пробу). Другая насосная система осуществляет дозированную подачу жидкой пробы для соприкосновения с образцом и достижения равновесного состояния.
Возможно наложение динамической составляющей давления при поддержании его среднего уровня.
Конфигурация аппаратной части показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Конфигурация аппаратной части
В ходе испытаний опытного образца ПУИК выявились недостатки в работе программного обеспечения (ПО), проявившиеся в виде неустойчивой, сбойной работе части ПО, управляющей движениями приводов и регистрацией давления. В ходе испытаний выявились и другие недостатки ПО, не позволившие оценить возможности комплекса в целом.
В частности наблюдалось неоднократные зависания программы управления при наборе давления без выключения приводов.
Тем не менее, удалось провести ряд испытаний, позволивших, в частности, оценить возможности ПУИК на примере измерения сжимаемости воды, взятой в качестве эталона.
На рисунке 2 показаны эталонная кривая (ряд 2) зависимости изменения относительного объёма воды от давления из [2], в сравнении с кривой (ряд 1), полученной ПУИК при сжатии воды до давления 100,1 МПа при комнатной температуре.
Рисунок 2 - Зависимости изменения относительного объёма воды от давления
Как видно, измеренная сжимаемость воды несколько выше (на 1,3%) эталонной, что естественно, поскольку здесь добавилась упругая податливость конструкции. Эта погрешность носит систематический характер и может быть учтена в качестве поправки, хранимой в базе данных ПО. В настоящее время ПО не обеспечивает запоминание, хранение и компенсацию систематических погрешностей ПУИК.
Одним из возможных направлений применения ПУИК является область исследования механических характеристик образцов пород, строительных и низкомодульных конструкционных материалов.
На рисунке 3 показан образец строительного материала (смесь строительная марка н/у) до испытаний.
Рисунок 3 - Образец строительного материала
На рисунке 4 показана диаграмма разрушения образца (рис. 3) гидравлическим давлением во внутренней полости.
По вертикальной оси рисунка 4 отложены значения гидравлического давления, МПа во внутренней полости образца, Крестиком отмечено значения давления в момент разрушения.
На рисунке 5 показан вид образца после разрушения внутренним давлением. Образец в ходе и после разрушения остаётся сухим.
Рисунок 4 - Диаграмма разрушения образца
Рисунок 5- Образец после разрушения
По результатам испытаний были вычислены значения напряжений, соответствующих хрупкому разрушению образца строительной смеси.
Давление разрушения, МПа | Окружные напряжения растяжения, στ, МПа (кгс/мм2) | Радиальные напряжения сжатия, σг, МПа (кгс/мм2) |
11,57 | 14,6 (1,49) | 11,57 (1,18) |
Выводы:
1. Проведены исследования по измерению сжимаемости воды в образцах строительного материала.
2. Получены зависимости изменения относительного объёма воды от давления в образцах строительного материала.
3. Установлено, что одним из возможных направлений применения ПУИК является область исследования механических характеристик образцов пород, строительных и низкомодульных конструкционных материалов.
4. Исследовано разрушение образца строительного материала гидравлическим давлением во внутренней полости.
Список используемых источников
1. , Структурная организация цементного камня// Вестник Казанского технологического университета, Казань, 2014, Т.17, № 1. – С.53-58.
2. Marcus Y., Hefter G. T. The compressibility of liquids at ambient temperature and pressure // J. Mol. Liquids. – 1997. – No 73–74. – P. 61–74.
