Реологические свойства минеральных композиций и способы их регулирования

Российская академия архитектуры и строительных наук

Отделение строительных наук

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКИ

УДК 691.629.67

№ госрегистрации

Инв. №

ОДОБРЕНО

На заседании Ученого совета

Отделения строительных наук

 «____»_____________2010 г.

(протокол № _____________)

ОТЧЕТ

О научно-исследовательской РАБОТЕ

(окончательный)

за 2010 год

по теме: Исследование влияния ультразвуковой активации на свойства воды затворения и наноструктуру цементного камня бетонов

Директор института                                                            И.Л. Шубин

Председатель ЦРО РААСН                                                Е.М. Чернышов

Руководитель темы                                                           С.В. Федосов

Москва 2010
ИСПОЛНИТЕЛИ

Глава 2                                                                  профессор, д.т.н.

 Акулова Марина Владимировна

Глава 1                                                                                        Аспирант

                                                                      Тихомиров Илья Сергеевич

РЕФЕРАТ

Отчет – 1, страниц - 52, таблиц - 6, рисунков - 15, источников литературы - 22.

Бетон, технология, ультразвук, вода.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы РААСН в 2010 г.

    Объект исследования - строительные композиционные материалы на основе бетонов с ультразвуковой активацией компонентов бетонной смеси.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Целью данной работы является исследование влияния ультразвуковой активации на физические свойства цементного теста и физико-механические свойства цементного камня бетонов.

Задачи:

- исследование влияния ультразвуковой активации на структуру водных систем;

- исследование влияния ультразвуковой активации на структуру цементного камня бетона и пенобетона.

  Границей исследования является определение оптимальной ультразвуковой активации на воду затворения бетонов.

В процессе выполнения НИР:

- получено 2 патента,

- опубликовано:

1 монография;

6 статей в сборниках научных трудов, материалах Международных конференций;

- обучается 1 аспирант.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………….…..……5

Глава 1. Литературный обзор……………………………………………….……6

1.1. Основные сведения о бетоне…………………………….……………..…..6

1.2 Пенобетон…………………………………………………………...…………7

1.2.1. Реологические свойства минеральных композиций и способы их регулирования…………………………………………………………….………9

1.3. Формирование структуры бетона………………………………………….12

1.3.1. Модели гидратированного портландцементного геля: роль воды……13

1.3.2. Контракция объема системы «цемент+вода»……………………………..15

1.4. Направленное структурообразование бетона……………………………..17

1.5.Современные представление о структуре воды и её влияние на формирование свойств цементного камня и бетона…………………………..17

1.5.1.Cтруктура воды…………………………………………………………….17

1.5.2. Модели структуры воды………………………………………………….19

1.5.3 Физико-химические свойства воды………………………………………21

1.5.4. Влияние растворимых примесей…………………………………………22

1.6. Способы воздействия на водную систему………………………………...24

1.7. Обработка водных систем ультразвуковыми колебаниями……………..30

2. Глава 2. Экспериментальная часть…………………………………………….35

2.1. Исследование влияния ультразвуковой активации на структуру водных систем……………...……………………………………………………………..35

2.1.1. Влияние ультразвуковой активации на физические свойства водных систем…………………………………………………………………………….35

2.1.2. Исследование влияния ультразвуковой активации на структуру систем вода – цемент…………………………………………………………………….37

2.2. Исследование влияния ультразвуковой активации на структуру цементного камня бетона и пенобетона……………………………………….40

2.2.1. Исследование влияния ультразвуковой активации воды затворения на структуру цементного камня бетона…………………………………………..40

2.2.2. Исследование влияния ультразвуковой активации на структуру цементного камня пенобетона………………………………………………….44

Выводы……………..…………………………………….………………………46

Библиографический список……………………….……………………….…...49

Публикации 2010 года……………………………….………………………….51

ВВЕДЕНИЕ

Производство сборных железобетонных изделий и конструкций является наиболее материало-, энерго- и трудоемкой областью строительной индустрии. Одним из основных направлений совершенствования технологии бетона и реальных путей экономии цемента является модификация жидких компонентов бетонной смеси.

Среди многочисленных способов решения этой проблемы наибольшее распространение получило модифицирование свойств цементных систем электрохимическими, физическими, химическими, механическими и комбинированными воздействиями. Одной из наиболее доступных и технологических из них является ультразвуковая активация воды и водных растворов с последующим использованием их в качестве жидкости для затворения строительных смесей. Однако систематических исследований в этом направлении до настоящего времени не проводилось.

Целью данной работы является исследование влияния ультразвуковой активации на физические свойства цементного теста и физико-механические свойства цементного камня бетонов.

Существует большой класс бетонов. Модификация водных компонентов бетонной смеси по-разному могут влиять на свойства тяжелого или пенобетона.

Поэтому необходимо решить задачи исследования влияния ультразвуковой активации на структуру водных систем; исследования влияния ультразвуковой активации на структуру цементного камня бетона и пенобетона.

Глава 1. Литературный обзор

Основные сведения о бетоне

Бетон - самый сложный из всех искусственных материалов. В сравнении с другими конструкционными материалами он обладает рядом преимуществ, в том числе низкой стоимостью и незначительной энергоемкостью доступной сырьевой базой и может быть применен в различных эксплуатационных условиях, поэтому бетон останется основным конструкционным материалом и в обозримом будущем [9].

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона;в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Для регулирования свойств бетона в бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердения бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона [22].

Структура бетонной смеси формируется из раствора и сохраняется при затвердевании. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры [1]. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т. е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства [1].

Свойства цементного камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктуры цементного камня.

Существует много способов влияния на структуру и свойства бетона. Одним из таких способов является механоактивация компонентов бетонной смеси [2-5]. Другим прогрессивным способом влияния на структуру и свойства бетона является ультразвуковая активация воды затворения бетона [6]. В данной работе исследовалось влияние ультразвуковой активации на физические свойства цементного теста и физико-механические свойства цементного камня бетонов.

Пенобетон

Пенообразование – способ, применяемый для увеличения пористости за счет введения в формовочную массу заранее приготовленной мены в виде замкнутых мельчайших пленочных сферических оболочек, которые наполнены воздухом. Ячеистая структура закрепляется в процессе отвердения. Пену получают с помощью пенообразователей. В основе лежит способность поверхностно-активных веществ сорбироваться на поверхности раздела жидкость-воздух и резко снижать поверхностное натяжение на границе раздела. При растворении в воде ПАВ вследствие полярности молекул ориентированно адсорбируются на поверхности раздела фаз, повышая вязкость и механическую прочность поверхностных слоев и пленок. Такие пены относятся к двухфазным и называются пустыми или «чистыми». Их смешивают со строительными растворами, в результате чего и получают пеноматериал [21]. С увеличением воздушных пор утолщаются перегородки. В результате снижается их устойчивость: происходит истечение жидкости из разделяющей пузырьки пленки – синерезис пены. Развитие этого процесса приводит к разрушению пены. Для замедления или ликвидации синерезиса в пены вводят различные стабилизаторы.

Пенообразователи, применяемые в производстве теплоизоляционных материалов должны обладать рядом специфических свойств: ПАВ – должно при небольших концентрациях резко снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз вода-воздух; сохранять пеностойкость в водных вытяжках вяжущего и в условиях активной минерализации; не вызывать заметного удлинения сроков твердения или полимеризации, а также снижения прочности минеральных и полимерных изделий [21].

Кроме того, пенообразователь должен характеризоваться постоянством состава и свойств и не изменяться при транспортировании и хранении, должен быть недефицитным и дешевым, не иметь неприятного запаха и не быть токсичным. В качестве пенообразователя используют больше синтетические поверхностно-активные вещества – продукты нефтепереработки и нефтехимического синтеза. Как правило, это вещества анионактивного класса, применяемые в производстве моющих средств. К ним относятся: сульфанолы, вещество «Прогресс», пенообразователь ПО-1 и др. модификации. Пенообразующая способность катионовых и неионогенных ПАВ, как правило, ниже, чем у анионактивных.

Получаемая способом пенообразования ячеистая структура характеризуется высокой замкнутостью пор, плотной и гладкой их внутренней поверхностью, равномерной пористостью по объему материала, примерно одинаковой по сечению толщиной межпоровых перегородок.

Традиционный способ пенообразования в производстве теплоизоляционных материалов – трехстадийный – и включает следующие этапы: приготовление из водных растворов ПАВ устойчивых технических пен («чистых» пен); приготовление жидкотекучих минеральных композиций, образующих твердую фазу (остов) теплоизоляционного материала; смешивание пены и композиции до получения пеномассы заданной пористости. Из готовой пеномассы формуют изделия.

Получать пены, как и другие дисперсные системы, можно двумя способами: диспергационным и конденсационным. При диспергационном способе пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воздуха. Технологически это осуществляется при прохождении струи газа через слой жидкости; при действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду; при эжектировании воздуха движущейся струей раствора (в пеногенераторах).

Конденсационный способ образования пен основан на изменении параметров физического состояния системы, приводящих к пересыщению раствора газом. К этому же способу относится образование пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, сопровождающихся выделением газообразных продуктов. Это происходит при создании пониженного давления в аппаратах с раствором, при повышении температуры раствора (при выпаривании, дистилляции), при введении в раствор веществ уменьшающих растворимость газов. Этот способ используют при получении пены для приготовления вспененных масс.

Реологические свойства минеральных композиций и способы их регулирования

Минеральные композиции в технологии теплоизоляционных материалов представляют собой водные коллоидные растворы или водные суспензии. Эти двух- и многокомпонентные смеси можно рассматривать как трехфазную систему, содержащую твердые частицы с адсорбированной пленочной водой, «жидкую» воду и воздух. Механические свойства смесей в основном зависят от объемного соотношения фаз, практически решающее значение имеет количество воды затворения. Значение предельного напряжения сдвига при переходе от разбавленных к высококонцентрированным суспензиям может измениться от нуля до значительных величин. Объясняется это особыми свойствами воды.

Пластичность дисперсных систем типа концентрированных суспензий обуславливается наличием на твердых частицах дисперсной среды тонких адсорбционных пленок воды. Чем больше избыток воды, тем меньшим предельным напряжением сдвига и значением структурной вязкости будет характеризоваться раствор. Это хорошо иллюстрируется механической моделью – аналогией пластично-вязкого тела. Избыток воды служит с одной стороны смазкой между грузом и столом, понижая тем самым предел текучести, с другой – уменьшает вязкость жидкости (например, глицерина), в которой двигается поршень, а тем самым и вязкое сопротивление сдвигу. Избыток воды в растворе не обеспечивает оптимальных соотношений между двумя основными физическими постоянными, характеризующими такую систему, не говоря уже о том, что избыток воды ухудшает многие технологические свойства масс, экономические и строительно-эксплуатационные показатели теплоизоляционных изделий. Резкое снижение предельного напряжения сдвига при незначительном изменении вязкости может быть достигнуто разрушением структуры тонкодисперсной суспензии, содержащей незначительное количество воды, внешними динамическими воздействиями. Хорошо известным и наиболее распространенным приемом разрушения структурных связей является вибрирование дисперсных систем.

Если действие вибрации иллюстрировать механической моделью – аналогией пластично-вязкого тела, то можно проследить следующее. При приложении вибрации к столу установленный на нем груз при ускорении, обеспечивающим преодоление его массы, будет отбрасываться вверх. Отделяясь на короткие промежутки времени от поверхности стола, груз получает в эти мгновения возможность свободно двигаться в горизонтальной плоскости. Таким образом, резко уменьшаются значения предельного напряжения сдвига. При этом возможная скорость перемещения груза в каких-то конечных пределах определяется ускорением, приложенным к столу. Вместе с тем сопротивление, которое оказывает жидкость движению поршня при приложении вибрации, остается почти без изменений, т.е. вязкость системы понижается незначительно [21].

Таким образом, вибрирование концентрированных суспензий дает возможность направленно изменять их реологические характеристики. Большое влияние при этом оказывают интенсивность вибрационных воздействий и их характер: амплитуда, частота и направленность вибрации, место приложения вибровоздействий к массе, длительность вибрации.

Эффективно регулирование реологических свойств композиции с помощью поверхностно-активных веществ. Влияет на реологические свойств композиций и температура. С одной стороны, повышение температуры приводит к уменьшению поверхности натяжения и вязкости воды, что должно снижать предельное напряжение сдвига и пластическую вязкость композиций; с другой стороны с ростом температуры резко ускоряется гидролиз и гидратация минеральных вяжущих, увеличивается скорость коллоидации различных тонкодисперсных систем, что приводит к значительному возрастанию реологических показателей.

Специфика пористой структуры предопределяет анизотропию основных свойств ячеистого бетона. Прочность ячеистых бетонов в значительной мере зависит от содержания в них влаги. В зависимости от применяемой технологии (литьевой или комплексной вибрационной) влажность ячеистого бетона после автоклавной обработки колеблется в пределах 15-35% по массе.

Влажность ячеистого бетона существенно влияет на его теплопроводность. Величина прироста теплопроводности ячеистого бетона на каждый процент влажности равна в среднем 7-8.5%. Решающим фактором снижения теплопроводности ячеистого бетона является повышение общей пористости. Так снижение средней плотности на 100 кг/м³ приводит к уменьшению теплопроводности на 20%. Морозостойкость ячеистых бетонов, как правило, превышает 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Существенное влияние на морозостойкость ячеистых бетонов оказывает структура силикатного камня и вид применяемого вяжущего.

В эксплуатационных условиях при снижении влажности окружающей среды наблюдается уменьшение линейных размеров изделий – влажностная усадка [21]. Деформации влажности усадки ячеистого бетона обусловлена главным образом действием капиллярных сил и испарением межкристаллической воды силикатного камня. Эти бетоны обладают также высокими акустическими свойствами: звукопоглощающей звукоизолирующей способностью, а также высокой огнестойкостью. Огнестойкость ячеистых бетонов превышает огнестойкость тяжелых цементных бетонов.