В статье анализируется влияние пористости на механические свойства, например на растяжение при изгибе. Показано, что в теле материала поры являются источником механических напряжений; и для пор различной формы уровень напряжений различен, поэтому концентрация напряжений варьируется от 2 до 20 раз соответственно формам пор. Полученные данные подтверждают предположение о том, что зольсодержащие добавки влияют на формирование более прочной и более плотной структуры бетона за счет образования повышенного количества гидратных новообразований, а также за счет блокирования пор соответствующего размера твердыми дисперсиями добавки.

УДК 693

А.М. ШЕВЧУК, канд. техн. наук, доцент, Д.В. СУРИН, доктор техн. наук, профессор, Д.С. СТАРЧУКОВ, докторант, Г.П. ФЕДОТОВА, канд. хим. наук, С.М. ЧУГУНОВ, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург

Ключевые слова: оценка пористости, высокопрочные бетоны, зольсодержащие добавки, сырьевая смесь, гидратация, поровая макроструктура
Keywords: assessment of porosity, high strength concrete, sol containing additives, the raw material mixture, hydration, pore macrostructure

Одной из наиболее важных проблем является проблема получения высококачественного бетона, отличающегося улучшенными показателями при использовании традиционных компонентов сырьевой смеси.

При отсутствии массового производства высокомарочного цемента и заполнителей повышенного качества такой бетон может быть получен при использовании химических добавок, которые будут способствовать увеличению гидратационной активности вяжущего. Например, добавок, представленных золями, содержащими дисперсии коллоидного размера (1-100 нм).

Перспектива использования золя в материаловедении была указана в 1980-х гг. профессором Ленинградского технологического института им. Ленсовета М.М. Сычевым. Добавки на основе золя ортокремниевой кислоты были использованы в различных работах кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС (Л.Б. Сватовская, В.Я. Соловьева, И.В. Степанова, Д.В. Герчин, Ю.Н. Темников) [1].

Основная идея создания добавок такого типа базируется на особенностях химической природы и строении золя:

• коллоидные частицы, имеющие высокую степень дисперсности (размер частиц 1-100 нм), обладают избытком свободной поверхностной энергии, что обусловливает интенсификацию процессов, связанных с поверхностными явлениями, в том числе с процессами гидратации;

• наличие в частицах золя d-элементов (например, Fe3+), характеризуемых высокой энергией электронных конфигураций, что способствует повышению энергии активации процесса взаимодействия портландцемента с водой;

• в коллоидных системах, особенно с водной дисперсионной средой, на границе раздела фаз возникает адсорбционная ориентация полярных молекул воды (структурирование) и, соответственно, увеличение подвижности протона H+ при передаче его по системе водородных связей, что способствует усилению гидратации цемента;

• вводимый в твердеющую систему структурный элемент, представленный золем с частицами наноразмера, будет способствовать сокращению пор и вследствие этого повышению прочности и долговечности бетона, при этом происходит заполнение пор частицами золя, а также образующимися в повышенном количестве новообразованиями.

В данном испытании в качестве добавки был использован золь ортокремниевой кислоты в количестве 0,25% от массы цемента. Далее была произведена оценка пористости как одного из основных показателей качества бетона.

Свойства бетона зависят от многих факторов [2], основными из которых являются свойства и структура отдельных фаз, а также их взаимное расположение в объеме. Свойства и микроструктура бетонного изделия зависят от использованных методов производства, вида сырья и кинетики фазовых превращений. Показатели пористости имеют высокое значение, т.к. они дают представление о многих свойствах бетона и влиянии технологических факторов на образование самой микроструктуры. Пористость как основной критерий качества бетона обеспечивает возможность сравнения вариантов видов или составов бетона и выбора среди них наиболее соответствующего конкретным условиям строительства.

Для управления пористостью бетонов необходимо ее количественно оценивать, что дает возможность оценивать эффективность управления качеством бетона, а также позволяет уточнить зависимость между свойствами и структурой отдельных его фаз, их взаимным расположением в объеме материала [3]. Кроме того, количественная оценка непосредственно определяет фактическую пористость, позволяет сделать выводы о прочности бетона, ударной вязкости и других свойствах.

Анализ поровой макроструктуры дает, например, возможность оценить такие характеристики, как: уровень механических напряжений; деформативность; демпфируемость (ударная вязкость); энергопоглощение и другие характеристики состояния твердого тела.

При изучении микроструктуры бетона определяют следующие характеристики: число и природу присутствующих фаз, включая пористость; относительное количество каждой фазы и их количественные характеристики, такие как: размер, форма и преимущественная ориентация зерен отдельных фаз.

Тонкие детали внутреннего строения кристаллов могут быть установлены при увеличении 10-20 тыс. раз, что возможно лишь при использовании электронных туннельных микроскопов.

Влияние пористости на механические свойства, например на растяжение при изгибе, описывается во многих источниках [3]. Для изделий с пористостью от 10 до 20% при ее увеличении на 10% прочность снижается на 50%. В теле материала поры являются источником механических напряжений. Для пор различной формы уровень напряжений различен, и поэтому концентрация напряжений варьируется от 2 до 20 раз соответственно формам пор. Круглая пора увеличивает концентрацию напряжений в 2 раза, растянутая плоская микропора – от 5 до 10 раз, и сочетание из 2 круглых пор и капилляра – в 20 раз [3].

Следует отметить, что поры размером несколько микрометров могут останавливать распространение хрупкой трещины и, следовательно, увеличивать прочность и ударную вязкость материала. Поэтому необходимо определять не только общее значение пористости, но и количественные показатели формы и размеров пор.

Поры классифицируют по различным признакам и могут занимать от 0 до 90% объема материала. Общая пористость материала состоит из открытой и закрытой пористости. Если материал состоит из двух или более фаз (компонентов), то даже в отсутствие химического взаимодействия определить теоретическую плотность очень сложно. Кажущуюся плотность, меньшую, чем теоретическая, также непросто определить.

По определению из общего курса физики плотность есть отношение массы тела к его объему. Определить массу образца несложно, а точно определить объем можно только методом гидростатического взвешивания. В этом случае открытые поры, заполняемые водой при насыщении образца, выпадают из расчета и в определении кажущейся плотности учитываются только закрытые поры.

Закрытую пористость вычисляют по формуле:

Пзак = Побщ – Поткр, (1)

где Пзак – закрытая пористость; Побщ – общая пористость; Поткр – открытая или кажущаяся пористость, определяемая насыщением образца водой (кипячением или под вакуумом) и другими методами.

Невысокая точность вышеназванного метода связана с трудностью удаления адсорбированного воздуха и влаги со стенок пор. Комбинацией различных способов определения пористости можно получить лишь приблизительные данные по величине различного вида пор, газопроницаемости, распределению пор по размерам. Эти методы не позволяют определить форму и локализацию пор, при этом из анализа практически выпадают закрытые поры. Намного эффективнее оказалось использование сканирования микроструктуры световым или электронным лучом. При этом методе фиксируются моменты изменения импульсов при переходах сканирующего луча с площади одной фазы на другую, отличающуюся от нее яркостью окраски. При этом на определенном отрезке пути сканирующего луча регистрируют число импульсов и их интенсивность. Это позволяет определять все важные параметры пространственного строения: структурный (фазовый) состав материала, удельную поверхность раздела фаз (дисперсность структуры), количество микрочастиц в объеме и их распределение по размерам.

Развитие ЭВМ привело к появлению нового направления в анализе и оценке структур – систем анализа изображений с цифровым режимом обработки. Система анализа изображения (САИ) переводит видеоизображение плоского шлифа в изображение на дисплее компьютера, оцифровывая аналоговый сигнал видеокамеры. С помощью программного обеспечения изученное видеокамерой изображение оцифровывается и выводится на дисплей ЭВМ, после этого обрабатывается и преобразуется в виде графиков и таблиц на дисплее, результаты расчета можно распечатать на принтере, т.е. получить бинарное (черно-белое) изображение микроструктуры. Обычная схема САИ представлена на рис. 1 [3].

В нашей стране в конце 1980-х под руководством В.Г. Пантелеева была создана отечественная установка САИ под названием «ВидеоТест». На основании измерения яркости, площади и периметра элемента, имеющего замкнутый контур, «ВидеоТест» позволяет проводить морфологический, стереологический и статистический анализ.

В нашем случае микроскопическое исследование произведено с помощью микроскопа МИМ-10 при 10-кратном увеличении. Результаты исследования макроструктуры представлены на рис. 2. По полученным данным общая пористость бетона, активированного зольсодержащими добавками, снижается на 12,54%, при этом размер пор уменьшается и преобладают преимущественно поры размером 0,03 мм, что подтверждает формирование более плотной структуры активированного камня.

Количественные характеристики пористости образца № 1

Количественные характеристики пористости образца № 2

Определение фактора формы пор показало, что для состава 1 фактор формы круга превышает значение 0,8. Для оценки достоверности выборки используется фактор стабилизации коэффициента вариации. Определение количественных характеристик пористости производилось по двум кадрам, выбранным произвольно. Представительность выборки при этом достигается уже при первом кадре (рис. 2, состав 1). Общая пористость образца 1 составила 29,58%.

Для состава 2 фактор формы круга также превышает значение 0,8. Для оценки достоверности выборки используется фактор стабилизации коэффициента вариации. Определение количественных характеристик пористости производилось по 2 кадрам, выбранным из двух образцов. Представительность выборки при этом также достигается уже при первом кадре (рис. 2, состав 2). Общая пористость образца 2 составила 17,04%.

Выводы:

1. Установлено, что общая пористость разработанного высокопрочного бетона уменьшается на 12,54% и составляет значение Побщ=17,04%, при этом размер всех пор уменьшается и преобладают преимущественно поры размером 0,03 мм, что подтверждает формирование более плотной структуры активированного бетона (см. рис. 2), следствием чего будет являться повышение водонепроницаемости, морозостойкости и уменьшение водопоглощения.

2. Полученные данные по оценке пористости бетона подтверждают предположение о том, что в присутствии разработанной зольсодержащей добавки формируется более прочная и более плотная структура бетона за счет образования повышенного количества гидратных новообразований и за счет блокирования пор соответствующего размера твердыми дисперсиями добавки. Все показатели пористости разработанного высокопрочного бетона превышают соответствующие значения бетона без добавки.

Библиографический список

1. Сватовская Л.Б. Фундаментальные основы свойств материалов на цементной матрице. – СПб.: ПГУПС, 2006, – 44 с.

2. Старчуков Д.С. Математическое планирование эксперимента и подбор состава бетона с зольсодержащими добавками / Д.С. Старчуков [и др.] // Бетон и железобетон, № 4, 2014, с. 16-18.

3. Пантелеев И.Б., Орданьян С.С. Количественный анализ пористости керамических материалов с применением автоматического анализатора изображений «ВидеоТест»: Учебное пособие. – СПб.: Технологический институт, 1997, – 70 с.