Учет особенностей структуры сырья в технологии пенобетонов

В пенобетонных смесях интенсивность и скорость межчастичных взаимодействий, проявляющихся в период после завершения перемешивания сырьевых компонентов, регулирует особенности их перехода из вязко-пластичного в упругое состояние. Чем быстрее в таких смесях вязкие связи заменяются упругими, тем выше качество получаемых бетонов.

Известно, что бетонные смеси, не содержащие поверхностно активных веществ (далее ПАВ), становятся агрегативно неустойчивыми дисперсными системами при средней толщине водных пленок в межзерновом пространстве примерно 107м. В пенобетонных смесях, где основная часть ПАВ находится на границах раздела “газ - жидкость”, средняя толщина водных пленок в 5….15 раз больше. Сохранение агрегативной устойчивости дисперсной системы при столь существенной разнице в водосодержании оказывается возможным только потому, что молекулы ПАВ в процессе перемешивания, обеспечивающего их перемещение на границу раздела «газ-жидкость», связывают значительное количество межчастичной воды в составе жидких кристаллов пенных пленок. Таким образом пенобетонные смеси можно отнести к дисперсиям с флуктуационным (неравномерным распределением) содержанием жидкой фазы.

Равновесие между компонентами пенобетонных смесей после завершения перемешивания нарушается довольно быстро, поскольку химическая и адсорбционная диспергация цемента способствует переводу межчастичной объемной воды в физически связанное состояние, обеспечивая, таким образом, понижение упругости пенных пленок. Понижение упругости пенных пленок не опасно до тех пор, пока ПАВ не достигнута критическая концентрация мицеллобразования (далее ККМ), приводящая к коалесценции, то есть разрыву жидких кристаллов и объединению мелких пор в крупные. Скачкообразная перестройка структуры бетонных смесей в период преобладания вязких связей между компонентами приводит к накоплению дефектов в структуре межпоровых перегородок и отрицательно влияет на механические свойства затвердевшего материала. Поэтому так важно сохранение агрегативной устойчивости пенобетонных смесей в период их перехода из вязкого состояния в упругое.

Сохранение агрегативной устойчивости смесей возможно до тех пор, пока силы связи между дисперсными частицами выше напряжений растяжения, возникающих в межпоровых перегородках под действием выталкивающей силы, развиваемой газовыми включениями. Следовательно, рецептура качественных пенобетонных смесей должна обеспечивать такую скорость набора прочности, при которой будет исключена возможность утраты ими газовой фазы и расслоения.

Анализ причин утраты агрегативной устойчивости дисперсными системами показывает, что скорость их расслоения (V) [5] прямо пропорциональна квадрату радиуса частиц дисперсной фазы (г) и разности плотностей частицы (р) и среды (р8), обратно пропорциональна вязкости среды ():

Уравнение (1) отражает влияние свойств компонентов смесей на процесс расслоения в том случае, когда дисперсная система характеризуется постоянством параметров дисперсионной среды и имеет один вид дисперсной фазы. Пенобетонные смеси - это суспензии композиционного типа, в которых содержится несколько видов дисперсных фаз, а дисперсионная среда имеет, в свою очередь, так же композиционный состав. Плотность дисперсных частиц твердой фазы - больше плотности дисперсионной среды, а плотность дисперсных частиц газовой фазы - меньше. Масштаб различий плотности фаз превышает 102. Оба вида дисперсных фаз способны изменять меру своей дисперсности в период, когда агрегативная устойчивость смеси предопределяется только величиной вязких сил сцепления между компонентами, которые по интенсивности взаимодействия относятся к слабым.

Способность дисперсных систем в период проявления слабых взаимодействий между частицами дисперсных фаз формировать фракталы (масштабные множества) и кластеры и, тем самым, способствовать уменьшению суммарной межфазной энергии дисперсной системы, свидетельствует об их потенциале в области самоорганизации при наличии термодинамического неравновесия.

Анализ наносвойств дисперсных частиц, составляющих пенобетонные смеси, применительно к наиболее вероятному направлению формирования их структуры в результате перемешивания компонентов (способа образования, формы и размеров кластеров), показывает, что эти частицы обладают следующими свойствами:

• некоторым энергетическим потенциалом поверхностной энергии (материалы в перечне расположены в порядке убывания энергии на единицу массы: зерна цемента, волокна фибры, зерна заполнителя);
• их геометрические размеры (как минимум 2 размера из 3-х) таковы, что на этапе начального структурообразования влиянием сил тяжести на траекторию их движения в объеме смеси можно пренебречь;
• фибра в 1000 и более раз длиннее самой крупной частицы цемента, поэтому в рассматриваемой дисперсной системе её следует позиционировать, как протяженную поверхность раздела фаз;
• размеры частиц заполнителя находятся внутри диапазона размеров фибры и вяжущего;
• гибкость фибры такова, что под действием капиллярных сил, развивающихся при увлажнении компонентов пенобетонной смеси, она может принимать любую конфигурацию.

При смешивании компонентов дисперсная система, состоящая из воды, ПАВ, цемента, заполнителя и фибры, подвергается деформационному воздействию со стороны смесительного агрегата. При деформации сдвига или сжатия с одновременным сдвигом перемещение частиц дисперсной фазы сопровождается ориентацией той их части, у которой хотя бы одно пространственное измерение отличается от двух других, в направлении действия максимальных направлений сдвига. Вследствие ориентации плоских и волокнистых частиц дисперсная система (на уровне межпоровой перегородки) приобретет анизотропную структуру, характеризующуюся волновым порядком упаковки твердых частиц в направлении их минимального размера. Волновой характер распространения механического воздействия в обводнённой дисперсно-зернистой системе формирует порядок чередования слоев (рис. 1). Чем полнее прошел процесс релаксации, тем определенней выражены эти слои. При формировании структур строительных материалов в процессе перемешивания именно мельчайшие частицы цемента первыми перемещаются к протяженным поверхностям раздела фаз. Поэтому траектории движения компонентов твёрдой фазы при агрегации в кластеры всегда будут направлены к поверхности фибры, а порядок упаковки - определяться геометрическими размерами зернистых частиц и конфигурацией дисперсной арматуры.

По мере роста связности дисперсной системы за счет дисперсного армирования, носителями важнейших свойств пенобетонной смеси, станут не зерна вяжущего с сольватными оболочками воды, а крупные агрегаты, состоящие из фибры и, закрепившихся на её поверхности, обводненных частиц вяжущего и заполнителя. Появление таких агрегатов свидетельствует о формировании кластерных структур и указывает на возможность управления агрегативной устойчивостью системы с помощью дисперсного армирования.