Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование местного минерального сырья в производстве строительных материалов 8
1.1. Инженерно-геологическое районирование Республики Таджикистан 8
1.2. Минеральное сырье для производства строительных материалов в условиях Республики Таджикистан 13
1.3. Строительные свойства и распространение лёссовых грунтов в Таджикистане 18
1.4. Объекты исследования 25
Глава 2. Физико-химические свойства лёссовых грунтов республики таджикистан 28
2.1. Гранулометрический состав и структура лёссовых грунтов 28
2.1.1. Схема и способы гранулометрического анализа лёссовых грунтов 34
2.1.2. Влияние гранулометрического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов 40
2.1.3. Структура лёссовых грунтов 47
2.2. Минералогический состав лёссовых грунтов 54
2.2.1. Минералы песчано-пылеватой фракции 55
2.2.2. Глинистые минералы 58
2.2.3. Влияние минералогического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов 61
2.3. Химический состав лёссовых грунтов 65
2.3.1. Химический состав частиц различных гранулометрических фракций 68
2.3.2. Изменение химического состава лёссовых грунтов 70
2.4. Физико-химические свойства лёссовых грунтов 73
2.4.1. Реакция среды 73
2.4.2. Емкость обмена и состав обменных катионов 76
2.5. Фильтрационные свойства лёссовых грунтов 83
Глава 3. Физико-химические основы структурообразования и физико-технические свойства материалов из грунто-цементных смесей 88
3.1. Особенности образования зародышей твердеющих вяжущих материалов 88
3.2. Рентгеноструктурный анализ и ДТА компонентов грунто-цементных смесей 94
3.3. Кинетика процесса начального структурообразования цементного теста 97
3.4. Кинетика изменения прочности грунто-цементных смесей при воздействии агрессивной среды 108
3.5. Свойства грунто-цементных материалов на основе грунтового сырья различных месторождений 114
3.6. Разработка составов и технологии производства грунто-цементных материалов 118
3.7. Экономическая эффективность применения строительных материалов на основе лёссового грунта 124
Основные результаты и выводы 128
Литература 130
Приложения 142
- Минеральное сырье для производства строительных материалов в условиях Республики Таджикистан
- Влияние гранулометрического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов
- Влияние минералогического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов
- Кинетика процесса начального структурообразования цементного теста
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие экономического потенциалы страны тесно связано с необходимостью внедрения наиболее эффективных технологических решений во всех сферах жизнедеятельности. Существенное место в области строительных материалов и изделий занимают вопросы снижения расходов материальных, трудовых и денежных ресурсов. Один из способов снижения расходов - эффективное использование местного сырья. В связи с этим использование лёссового грунта при производстве строительных материалов является актуальным, так как в Республике Таджикистан лёссовые породы занимают более 70% общей площади осваиваемых территорий и преимущественно распространены на межгорных равнинах и низких предгорьях.
Исследованиями установлено, что строительные материалы и изделия из цементного бетона обладают большим собственным весом, хрупкостью, относительно невысокой стойкостью в минеральных грунтовых водах и др. Но в случае дефицита цемента, при необходимости можно их заменить на совмещенное вяжущее. При этом одним из перспективных материалов, позволяющих заменить бетон, являются грунто-цементные смеси.
В связи с этим, в диссертационной работе сделана попытка теоретически обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность получения и применения низкомарочных бетонов из грунто-цементных смесей, исследуя физико-химические свойства, как лёссового грунта, так и физико-химические основы их структурообразования и физико-технические свойства материалов на его основе.
Диссертационная работа выполнена: в соответствии с «Концепцией развития топливно-энергетического комплекса Республики Таджикистан на период 2003-2015 годы», утвержденной Постановлением Правительства Республики Таджикистан № 318 от 03 августа 2002 года; по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных наук Академии наук Республики Таджикистан.
Цель работы заключается в исследовании физико-химических механизмов структурообразования, а также обосновании и разработке технологических процессов получения строительных материалов из лёссовых грунтов месторождения г.Душанбе.
Поставленная цель исследований достигается решением следующих задач:
анализ состояния использования местного минерального сырья в производстве строительных материалов в Республике Таджикистан;
определение физико-химических, физико-технических и строительных свойств лёссовых грунтов месторождений Республики Таджикистан;
экспериментальные исследования физико-химических и физико-технических свойств строительных материалов на основе лёссового грунта;
проведение рентгенофазового анализа твердения композиционной грунто-цементной смеси на основе лёссового грунта;
- выяснение физико-химических механизмов структурообразования
строительных материалов на основе грунто-цементной смеси при воздейст
вии различных агрессивных сред;
- проведение технико-экономического анализа конструкций наружных
стен с использованием низкомарочных бетонов на основе грунто-цементной
смеси.
Научная новизна. На основе исследований физико-химических свойств процессов структурообразования разработаны и получены энерго- и ресурсосберегающие строительные материалы с использованием лёссового грунта:
- установлены основные закономерности и выяснены механизмы
структурообразования строительных материалов из грунто-цементных сме
сей на основе лёссового грунта с учетом особенностей их структурного
строения, а также гранулометрического и химического состава;
- на основе рентгеноструктурного анализа выявлена взаимосвязь струк
турной прочности лёссовых грунтов с коагуляционно-кристаллизационными
связями с учетом прямой пропорциональности содержания глинистых частиц
показателю агрегатности П^,;
- на основании химического анализа частиц различной крупности лёс
сового грунта определено, что по мере перехода от крупных частиц к мел
ким, содержание БЮг, CaO, MgO, К20, №гО, Р2О5 убывает, a AI2O3, Fe203,
МП3О4 и гумуса - возрастает. Изменения в химическом составе частиц раз
личной крупности являются причиной соответствующего изменения сред
него химического состава грунтов, различающихся по гранулометрическому
составу. По мере увеличения дисперсности относительное содержание полу
торных оксидов в лёссовых грунтах возрастает.
Практическая ценность работы:
разработана технологическая схема получения низкомарочных бетонов на основе грунто-цементной смеси, позволяющая прогнозировать физико-химические и физико-технические свойства нового материала при различных изменениях среды;
восполнен банк данных физико-химических и физико-технических свойств строительных материалов из грунто-цементных смесей на основе лёссовидного суглинка Душанбинского месторождения;
на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и технико-экономического анализа для условий Республики Таджикистан обоснована целесообразность замены однослойных керамзитобетонных пане-'> лей на конструкции наружных стен из грунто-цементных материалов; эконо-мический эффект на 1 м смеси составил 2,08 у.е.
Результаты исследований апробированы и внедрены:
в Таджикском НИИ проблем архитектуры и градостроительства - в инженерно-физических расчетах по проектированию ограждающих конструкций зданий;
в ООО «Самт-2» Республики Таджикистан - при разработке технологических процессов производства строительных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных материалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментальных исследований физико-химических и
физико-технических свойств лёссового грунта месторождений Республики
Таджикистан, а также строительных материалов на их основе;
результаты рентгенофазового анализа лёссовидного суглинка и процесса кристаллизации в воде в различные сроки гидратации и твердения;
технологическая схема производства строительных материалов с использованием грунто-цементных смесей;
технико-экономическое обоснование применения строительных материалов и изделий из низкомарочного бетона на основе грунто-цементных смесей в малоэтажном строительстве (для условий Республики Таджикистан).
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научной конференции молодых ученых (Душанбе, 1999 и 2004 гг.); Республиканской научно-практической конференции (НІЖ) "Градостроительные проблемы развития Хатлонской области" (Курган-тюбе, 2001 г.); Республиканской НПК «Чрезвычайная ситуация, предупреждение и ликвидация» (Душанбе, 2002 г.); Международной НПК «Перспективы развития науки и образования в XXI веке» (Душанбе, ТТУ, 2005 г.); Республиканской НПК «Прогрессивные методы производства», посвященной 35-летию кафедры «ТММСиИ» ТТУ им. акад. М.С. Осими (Душанбе, 2009 г.); Республиканской НПК «Современные проблемы химии, химической технологии и металлургии» (Душанбе, 2009 г.); Международной научной конференции «Координационные соединения и аспекты их применения», посвященной 50-летию химического факультета ТНУ (Душанбе, 2009).
Публикации. По исследуемой теме опубликовано 11 научных статей, 2 из которых напечатаны в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 129 наименований на русском и иностранных языках и 3 приложений. Общий объем диссертационной работы состоит из 150 страниц компьютерного набора. Основной текст диссертации изложен на 141 страницах, включая 24 рисунка и 25 таблиц.
Минеральное сырье для производства строительных материалов в условиях Республики Таджикистан
Минерально-сырьевой потенциал является важнейшим фактором размещения современного производства, во многом определяющим территориальную организацию производительных сил, масштабы концентрации производства и характер его специализации. Поэтому вопросы эффективности строительных материалов имеют неоспоримую актуальность. Однако нужно отметить и тот факт, что использование этого потенциала приводит к истощению природных ресурсов, что негативно влияет и на экологическое состояние окружающей среды. Развитие промышленности строительных материалов тесно связано с вовлечением в народнохозяйственный оборот наиболее эффективных природных ресурсов и с экономическим освоением природных богатств, что требует, прежде всего, учета и правильной оценки природных ресурсов, в частности минеральных. Проблема рационального использования минерально-сырьевых ресурсов относится к числу комплексных проблем экономического и социального характера. Поэтому разработка правильной методики количественного учета и рациональное использование минерально-сырьевых ресурсов позволит определить действительную величину эффекта, который можно получить от оптимизации их использования.
При определении потребности в стройматериалах за основу были взяты приведенные в таблицах объёмы капитальных вложений на строительно-монтажные работы по всем отраслям народного хозяйства. В расчётах по определению потребности были применены нормы расхода материалов на 1 млн. руб. (в ценах 1984 года) строительно-монтажных работ, предлагаемые НИИЭС и скорректированные нами для местных условий с учётом направления технического прогресса и перспективы. При расчётах потребности в строительных материалах также учитывалось изменение в их структуре в пользу более прогрессивных материалов. В конечном итоге на основе сопоставления вычисленной нами потребности в строительных материалах и возможного производства их на базе использования разведанных ресурсов определена степень обеспеченности минеральным сырьём предприятий промышленности строительных материалов и эффективность его использования для каждой зоны строительства на перспективу. Таджикистан располагает крупными запасами различных видов сырья для производства строительных материалов. В настоящее время учтено 123 месторождения строительных материалов, из них 119 - с утвержденными запасами [35, С.28]. Наибольшее распространение имеют месторождения сырья для производства цемента, извести, гипса, стеновых материалов, легких заполнителей, а также нерудных строительных материалов. Относительно реже встречается сырье для производства теплоизоляционных материалов, керамических плиток, силикатных изделий и др. Отличительной особенностью собственной базы сельского строительства от других баз производства является значительное использование местных строительных материалов. Глины и суглинки можно использовать как сырье для производства пористых заполнителей. Лабораторными керамико-технологическими испытаниями установлено, что для производства керамзита пригодно 11 месторождений глин, для аглопорита - 7 месторождений суглинков [35]. Оставшаяся часть, т.е. 29 месторождений глин и 14 месторождений суглинков, служит сырьем для производства кирпича-сырца, глинобита, глиносамана и других традиционных материалов.
Современное строительство, представляющее сложный комплексно-механизированный процесс монтажа зданий и сооружений, предъявляет к качеству строительных материалов очень высокие требования. Наращивание новых производственных мощностей будет осуществляться преимущественно за счёт реконструкции и расширения действующих предприятий. Многие отрасли промышленности стройматериалов республики располагают значительными внутренними резервами и возможностью повышения эффек ивности производства за счёт улучшения использования имеющегося оборудования. Это позволит увеличить выпуск продукции и снизить её себестоимость. Большинство предприятий стройматериалов и конструкций размещено в основном в Гиссарской и Северной зонах, где сосредоточено сельское строительство. Характерной особенностью размещения промышленности стройматериалов является высокая концентрация ее предприятий в центральной части республики. Это снижает эффективность строительства за счёт увеличения транспортных расходов и вызывает перебои в снабжении материалами отдельных районов строительства. В перспективе повышение качества цемента имеет большое значение, так как увеличение активности цемента на одну марку эквивалентно росту его производства примерно на 15-20% [35]. На улучшение состава и ассорти мента продукции особое влияние оказывает правильный выбор сырьевой базы цементного производства. Сырьевая база является важным фактором при определении размещения цементной промышленности, так как для производства 1 тонны клинкера расходуется около 1,6 тонны основного природного сырья. Поэтому цементные заводы обычно размещаются у источников сырья, что способствует повышению эффективности производства цемента.
Таджикистан обладает достаточно крупными запасами цементного сырья, отвечающего названным выше требованиям, и среди среднеазиатских республик занимает одно из первых мест по этому показателю. На территории республики для производства цемента разведано три месторождения. Наиболее крупным из них является Харангонское, расположенное в Гиссарской зоне строительства (с запасами по категории A+B+Ci -157,0 млн. т). Харангонское месторождение имеет не только крупные запасы и благоприятные горно-геологические условия разработки, но и весьма хороший физико-химический состав (СаО - 51,49% , MgO - 1,66% , БегОз -0,24% , SiC 2 - 0,59% , S03 - 0,14% и т.д.) что, безусловно, отвечает необходимым требованиям, предъявляемым промышленностью к качеству сырья. На
Влияние гранулометрического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов
Между гранулометрическим и минералогическим составом рыхлых грунтов существует тесная связь. Минералы группы монтмориллонита сосредоточены в наиболее тонкодисперсной ( 0,0005 мм) части грунтов [4], содержащейся в заметном количестве в лёссовидных тяжелых суглинках и глинах. Собственно лёсс по микроагрегатному составу соответствует тяжелым пылеватым супесям, легким и реже средним пылеватым суглинкам. Присутствие монтмориллонита не сказывается заметно на физико-механических свойствах лёсса из-за невысокого содержания в нем глинистых частиц и насыщенности поглощающего комплекса Са2+. Физико-механические свойства лёссовых грунтов, как и других глинистых грунтов, наиболее коррели-руются с микроагрегатным составом. Водоустойчивые и механически прочные микроагрегаты, как и обломочные зерна, являются структурными элементами грунта. О степени микроагрегатности грунтов возможно судить по сопряженным гранулометрическим анализам — по микроагредисперсной схемам. Изучение гранулометрического состава лёссовой толщи в вертикальном разрезе имеет значение для решения важного в гидромелиоративном отношении вопроса - прогноза подъема уровня грунтовых вод на так называемых относительных водоупорах.
При инфильтрации оросительных вод через лёссовую толщу на сравнительно более глинистых и плотных и, следовательно, менее водопроницаемых грунтах, являющихся относительными во-доупорами, отмечается образование временных водоносных горизонтов типа верховодки. Различие по объемной массе между лёссом и лёссовидными тяжелыми суглинками и глинами вполне заметно. Например, если объемная масса пер-выхсоставляет 1,34-1,78 г/см , то вторых- 1,70-2,09 г/см . Высокая пористость (38-50%, иногда более) лёсса вызывается в значительной мере однородностью его гранулометрического состава. Проведенные исследования указывают, что преобладание в лёссах крупнопылеватой фракции (0,05-0,01 мм) способствует увеличению пористости (рис. 2.1.4). Однако связь между содержанием крупнопылеватой фракции и пористостью относительно слабая, коэффициент корреляции между ними составляет только 0,28-0,30 [58, 60]. Лёссовидные тяжелые суглинки и глины по сравнению с лёссом -грунты менее однородные и более глинистые. В северных районах Республики Таджикистан, например, пористость лёсса равна 43-53%, а лёссовидных тяжелых суглинков - 35-43%. В разрезах ритмично сложенной лёссовой толщи юга Республики Таджикистан пики, указывающие на низкую пористость, совпадают с горизонтами тяжелых лёссовидных суглинков. Обычно отмечаемое уменьшение пористости в нижней части лёссовой толщи объясняется главным образом преобладанием в ней тяжелых лёссовидных суглинков. С гранулометрическим составом хорошо коррелируются водно-физические свойства лёссовых грунтов. Гигроскопичность лёсса равна 1,45-3,05%, максимальная гигроскопичность - 2,55-4,60%, максимальная молекулярная влагоемкость - 12-16%, между тем как для лёссовидных тяжелых суглинков и глин эти показатели составляют соответственно 2,9-7,0%; 3,0-10,0% и 14-21%. Существенно также влияние гранулометрического состава на водопроницаемость. Коэффициент фильтрации в верхнем 2-3 - метровом слое лёссовидных легких (частью средних) суглинков Республики
Таджикистан по данным полевых опытов составляет 0,3-1,0 м/сутки, а нижезалегающих лёссовидных средних и тяжелых суглинков - 0,050,3 м/сутки. На водоразделе Пяндж - Амударья коэффициент фильтрации верхнечетвертичного лёсса колеблется от 0,04 до 3,32 м/сутки, а нижнечетвертичных лёссовидных тяжелых (частично средних) суглинков - от 0,01 до 0,76 м/сутки. Благодаря мик-роагрегатности и макропористости водопроницаемость лёссовых грунтов выше, чем рыхлых грунтов иного генезиса, но аналогичного элементарного состава. В лёссовых грунтах, применяемых как строительный материал для земляных сооружений, естественная структура нарушается. В этом случае гранулометрический состав оказывает более существенное влияние на водопроницаемость, чем в лёссовых грунтах естественного сложения, характеризующихся присутствием ходов землеройных организмов, макропор и трещин. Влияние гранулометрического состава на свойства лёссовых грунтов проявляется при взаимодействии их с водой. Максимальное прилипание лёссовидных суглинков составляет 0,05-0,10 Па, лёссовидных супесей — 0,16-0,20 Па, влажность при максимальном прилипании равна в первом случае 20-25, во втором - 29-33%. Время распада образцов лёсса при размокании не превышает 1 мин. Лёссовые грунты характеризуются заметной структурной прочностью, вызванной смешанными коагуляционно-кристаллизационными связями. Коа-гуляционные связи создаются глинистым и частицами (глинистый цемент), кристаллизационные - водорастворимыми солями (солевой цемент). Коэффициент структурной прочности лёссовых грунтов при различной влажности, как правило, превышает единицу, т.е. прочность их при естественной структуре больше, чем при нарушенной. Соотношение между солевым и глинистым цементом может быть различным. В лёссах главное значение имеет солевой цемент, так как глинистых частиц в них мало. Преобладают пылеватые частицы, связи между которыми механически непрочны и водо-неустойчивы. В лёссовидных тяжелых суглинках значение глинистого цемента возрастает.
Влияние минералогического состава на физико-механические свойства лёссовых грунтов
Некоторые различия в составе минералов песчано-пылеватой фракции не оказывают заметного влияния на физико-механические свойства лёссовых грунтов. Вместе с тем следует указать, что повышенное содержание полевых шпатов благоприятствует процессам химического выветривания и образованию тонкодисперсных продуктов выветривания. Присутствие в значительном количестве слюдистых минералов понижает прочностные показатели грунтов. Это обстоятельство имеет важное значение в случае применения грунтов в телах земляных гидротехнических сооружений, подвергающихся сдвиговым напряжениям. Чем выше содержание минералов тяжелой фракции, тем больше плотность грунтов. В условиях расчлененного рельефа, например в Юго-Западном регионе Таджикистана, плотность лёссовых грунтов увеличивается от подножия адыров к их вершинам, от периферии к тыловой части предгорного шлейфа, от низких террас к высоким [58]. Эти факты являются следствием механической дифференциации при делювиальном или любом ином переносе. Частицы тяжелых минералов выпадают в осадок в первую очередь, между тем как минералы легкой фракции переносятся на более значительное расстояние. По сравнению с обломочными минералами несравненно большее инженерно-геологическое значение имеют глинистые минералы. Исследования частиц различной крупности, выделенных из лёссовых грунтов, показывают, что резкое изменение их свойств происходит при граничном диаметре примерно 0,002-0,001 мм.
Как известно, частицы меньшего диаметра состоят преимущественно из глинистых минералов, большего — из обломочных. До недавнего времени можно было получить только качественные данные о составе глинистых минералов. Между тем для инженерно-геологической оценки грунтов необходимо знание их количественного состава. В последнее время в этом отношении был достигнут существенный прогресс. Благодаря специфическим свойствам монтмориллонитовых минералов (высокая дисперсность, сильное набухание и др.) стало возможным центрифугированием отделять их от глинистой фракции и определять количественно [58]. Однако указанный метод несовершенен, так как в эту фракцию может частично попадать высокодисперсная гидрослюда. Существуют и другие методы количественного определения состава глинистых минералов [58, 60]. Исследования в этом направлении проводятся. Следует ожидать, что в ближайшие годы будет разработана и внедрена в практику достаточно удовлетворительная методика. Минералогический состав влияет на окраску лёссовых грунтов. Оксиды и гидрооксиды железа (гематит, гидрогематит, гётит, гидрогетит и др.) придают им желтую, бурую и красноватую окраску. Палевая (с оттенками) окраска обусловливается главным образом карбонатами кальция, полевыми шпатами, некоторыми глинистыми минералами. Органические вещества сообщают породе, например в горизонтах ископаемых почв, серую или буровато-коричневую окраску. Зеленый оттенок в некоторых лёссовых грунтах связан с присутствием минералов, в которых находятся закись железа (глауконит, лептохлорит и др.), или некоторых кластических минералов (амфиболы, актинолит и др.). Интенсивную красновато- и коричневато-бурую окраску имеют тяжелые лёссовидные суглинки и глины, палевую (с оттенками) — лёссы. Минералогический и гранулометрический составы глинистой части грунтов взаимосвязаны. Монтмориллонитовые минералы концентрируются в наиболее высокодисперсной части грунтов (главным образом 0,0005 мм); каолинитовые минералы приурочены к фракции 0,004-0,001 мм. Гидро слюды, сосредоточенные главным образом во фракции 0,0005-0,001 мм, занимают промежуточное положение по степени дисперсности и водно-физическим свойствам. Однако, как указывалось, гидрослюды могут находиться и в высокодисперсной фракции. С минералогическим составом связан характер структуры лёссовых грунтов.
При зернисто-пленчатои структуре глинистые частицы имеют кварц-каолинит-гидрослюдистый состав, при агрегативной — преимущественно гидрослюдисто-монтмориллонитовый. Вместе с тем обнаружилось, что при одном и том же числе пластичности содержание монтмориллонита в различных лёссовых грунтах неодинаково. Отсюда следует, что пластичность лёссовых грунтов зависит не только от глинистых минералов, но и от других факторов: содержания и дисперсности глинистой и пылеватой фракций, количества и формы присутствия карбоната кальция, минерализации порового раствора и т.д. Многими исследователями отмечается возрастание числа пластичности лёссовых грунтов с глубиной, что объясняется большей продолжительностью выветривания и, следовательно, повышенной дисперсностью пород, залегающих в нижней части лёссовой толщи, а также их значительной обводненностью, способствующей распаду агрегатов [89, 90]. Водопроницаемость лёссовых грунтов колеблется в широких пределах (от десятитысячных долей до нескольких метров в сутки) и зависит от многих факторов. Изучение влияния каждого из факторов в методическом отношении затруднительно, ибо они взаимосвязаны. Состав глинистых минералов также, несомненно, влияет на водопроницаемость лёссовых грунтов и ее анизотропию. Монтмориллонит-гидрослюдистые лёссовые грунты менее водопроницаемы, чем каолинит-кварц-гидрослюдистые. Присутствие монтмориллонита понижает значение коэффициента фильтрации по крайней мере на 20-30%. При насыщении поглощающего комплекса Na+ лёссовидные тяжелые суглинки и глины, в которых много монтмориллонита, становятся полностью водонепроницаемыми. Чем выше степень дисперсности и содержание монтмориллонита, тем менее заметна анизотропия. Этим обстоя
Кинетика процесса начального структурообразования цементного теста
Для получения материалов с заданными свойствами важно иметь четкое представление о процессах формирования структуры и возникающих новообразований, что изучается на макро- и молекулярно-ионном уровне. Объектами исследования являются обычные цементы марки М400, выпускаемые на Душанбинском заводе. Рассматривая влияние влажностного фактора на формирование структуры и свойств цементного камня, многие специалисты, как правило, ограничиваются формальной трактовкой закона водоцементного отношения и связывают расход воды лишь с объемом создаваемых ею пор. Между тем влияние влажностного фактора проявляется более многогранно. Об этом свидетельствуют и наши исследования согласно которым изменение содержания воды в цементно-водной дисперсии, в том числе и в цементном тесте, отражается прежде всего на балансе внутренних сил, что в свою очередь приводит к изменению основных свойств цементного теста: подвижности, плотности, устойчивости во времени, склонности к явлениям водоотделения и седиментации, схватывания и отвердевания. В конечном итоге все это находит свое отражение в структуре цементного камня. Научная концепция по рассматриваемому вопросу исходит из современных представлений о поведении влажных дисперсных систем, представлений о структурности воды вблизи поверхности твердой фазы, о межчастичных гравитационных и электрических взаимодействиях, о поверхностных и капиллярных силах [33, 98, 107, 108]. В зависимости от уровня влажности поведение дисперсных систем обусловливается превалирующим действием тех или иных внутренних сил. Это утверждение наглядно иллюстрируется кривой плотности, полученной для цементноводной дисперсии (рис. 3.3.1). Значения плотности на рис. 3.3.1 представлены как функция влажности дисперсии, при этом нижний предел влажности соответствует сухому порошку цемента, а верхний — сильно разбавленной цементной суспензии, т.е. охвачен весь диапазон возможных влажностных состояний цементно-водной дисперсии в реальных строительных композициях на основе цемента.
На кривой плотности выделяются три характерные участка влажности, первый из которых соответствует разуплотнению порошка цемента (участок АВ), второй - самоуплотнению влажной смеси (участок BD) и третий - разу плотнению цементного теста в результате разбавления его водой (участок D). Границы участков совпадают с минимумом (точка В) и максимумом (точка D) плотности. Понижение плотности дисперсии в пределах первого участка кривой мы связываем с образованием и постепенным утолщением на зернах цемента оболочек из пленочной воды, обладающей в сравнении с объемной водой выраженной структурностью, упругостью, упругостью, способностью воспринимать механические нагрузки. Утолщающиеся пленки воды раздвигают зерна цемента за счет действия расклинивающего давления, в результате чего плотность упаковки последних снижается (см. нижнюю кривую на рис. 3.3.1). Наши расчеты показали, что в точке перегиба В вероятная толщина пленок воды достигает 200 нм. Постепенный загиб кривой на подходе к этой точке может быть обусловлен непропорциональностью между приростами в содержании воды и в толщине пленок, меньшей упругостью более толстых пленок воды и другими. Главное же значение мы придаем тому, что, начиная с некоторого влажностного состояния в дисперсии, наряду с пленочной, существует объемная жидкость: сначала в виде разобщенных манжетов, а затем по мере повышения влажности в виде сообщающейся капиллярности. Образуются мениски жидкости, которые вызывают соответственно сначала локальное, а затем и глобальное стяжение системы. Отрицательное капиллярное давление, возникающее под вогнутыми менисками жидкости, обеспечивает не только стяжение зерен цемента и как результат деформирование пленок воды на их поверхности, но и частичный переток воды из пленок в объем капилляров, что также способствует сближению частиц цемента.
В конкурирующем взаимодействии пленочного и капиллярного давлений капиллярное давление становится доминирующим, начиная с точки перегиба В. Дальнейшее добавление воды усиливает капиллярный потенциал, ведет к самоуплотнению системы. Причем в достаточно узком интервале влажности (участок CD) уплотнение системы происходит как бы спонтанно. Можно принять, что в отмеченном интервале влажности наряду с капиллярными силами существенную роль играют гравитационные силы межчастичного взаимодействия, которые, согласно физической теории Лифшица, проявляют себя при сближении дисперсных частиц до 200 мм и менее. Сближение частиц цемента может быть связано и со сменой знака (плюс на минус) пленочного расклинивающего давления в интервале толщин пленок от 100 до 20 нм, о чем указывается в [33]. В точке D суммарный стягивающий эффект достиг максимума, благодаря чему отмечены наибольшая плотность, и наибольшая агрегативная связность системы. По данным И.Н. Ахвердова [8], отмеченному влажност ному состоянию цементного теста (с В/Ц = 0,876 Кнг, где Кнг - коэффициент нормальной густоты теста) присущи экстремальные значения коэффициента внутреннего трения, электро- и звукопроводных характеристик. Точку D можно рассматривать как предел существования трехфазной дисперсной системы, поведение которой предопределяется в основном соотношениями межфазных поверхностных энергий на границах "твердая фаза — жидкость", "твердая фаза - газ", "жидкость - газ".
На участке DE происходит постепенное оводнение системы так, что в точке Е, соответствующей цементному тесту нормальной густоты, поведение дисперсной системы зависит уже только от энергетических взаимодействий между дисперсными частицами и жидкой фазой. В соответствии с действительной крупностью цементных частиц поведение цементного теста можно оценивать с позиций теории микрогетерогенных систем, для которых справедливы многие положения коллоидной химии. Руководствуясь этими положениями, можно принять, что в цементном тесте нормальной густоты вся вода распределена в виде сольватных оболочек на зернах цемента, а гравитационные силы межчастичного притяжения превосходят силы электростатического отталкивания, благодаря чему система обладает свойством кинетической устойчивости. По мере разбавления системы водой сольватные оболочки утолщаются, а плотность и устойчивость системы снижаются. Согласно нашим расчетам, точке F (В/Ц = 1,65 Кнг) соответствует толщина сольватных оболочек в 100 нм и поэтому дальнейшее добавление воды ведет к потере системой кинетической устойчивости. Таким образом, экспериментальная кривая плотности цементно-водной дисперсии демонстрирует уникальную возможность управления структурой и свойствами многих строительных материалов и изделий через фактор влажности. В ранее опубликованной работе [106] нами уже рассмотрена реализация такой возможности для интервала низких влажностеи дисперсных систем на примере цементно-песчаной черепицы. Теперь предстоит более детально рассмотреть ту же задачу применительно к цементному тесту, т.е. для
