Содержание к диссертации
Введение
1 Научно-инженерная проблема обеспечения эффективной реализации строительно-технических свойств высокотехнологичных бетонов при эксплуатационных влажностных воздействиях 16
1.1 Характеристика движущих сил изменений в системе «среда-материал - конструкция» 17
1.2 Процессы изменения состояния материала при воздействии эксплуатационной среды и напряженно-деформированное состояние конструкций как функция этих процессов 24
1.3 Проявление свойств высокотехнологичных бетонов при эксплуатационных влажностных воздействиях: исходные концепции, обоснование структуры работы и содержания исследований 32
2 Управление строительно-техническими свойствами и качеством бетонов с учетом последствий влажностных воздействий среды: теоретические положения и разработки 37
2.1 Систематизация и развитие представлений о природе взаимо связи свойств бетонов с влажностным состоянием 37
2.1.1 Закономерности влияния параметров структуры бетона на баланс сил ее связи с водой 37
2.1.2 Механизм проявления строительно-технических свойств бетонов при изменении их влажностного состояния 44
2.2 Анализ и систематизация представлений о процессах влагооб-мена бетонов с эксплуатационной средой с позиций структурного материаловедения 71
2.3 Структурные факторы и способы управления свойствами и качеством высокотехнологичных бетонов с учетом последствий влажностных воздействий среды 86
Выводы к главе 2 97
3 Основные методологические и методические вопросы экспериментальных исследований 100
3.1 Методологические положения постановки исследований
3.2 Характеристика факторного пространства экспериментальных исследований 104
3.3 Методические условия реализации экспериментов
3.3.1 Методика оценки параметров структуры
3.3.2 Методика исследования процессов изменения влажностного состояния 111
3.3.3. Методика исследования влияния влажностного состояния на строительно-технические свойства 114
4 Экспериментальные исследования закономерностей процессов изменения влажностного состояния высокотехнологичных бетонов как функции их структуры 117
4.1 Идентификация структуры высокотехнологичных бетонов 118
4.2 Взаимодействие структур цементного и силикатного микробетона с водяным паром и водой
4.3 Взаимодействие высокопрочных модифицированных бетонов с водяным паром и водой
4.4 Взаимодействие макропористых цементных и силикатных бетонов с водяным паром и водой
Выводы к главе 4 182
5 Экспериментальные исследования закономерностей проявления свойств высокотехнологичных бетонов при изменении их влажностного состояния 186
5.1 Влияние влажностного состояния на прочность бетонов с учетом их структуры 186
5.1.1 Влияние влажностного состояния на прочность бетонов в изотермических условиях 188
5.1.2. Влияние влажностного состояния на прочность бетоновпри температурных воздействиях 203
5.2 Влияние параметров структуры на влажностные деформациибетонов 219
5.2.1 Закономерности развития влажностных деформаций микробетона 223
5.2.2 Закономерности развития влажностных деформаций высокопрочных модифицированных бетонов 240
5.2.3 Закономерности развития влажностных деформаций макропористых бетонов 247
5.3 Влияние влажностного состояния на теплопроводность цементных поризованных бетонов 253
5.4 Об условиях обеспечения морозостойкости высокотехнологичных бетонов 258
Выводы к главе 5 274
6 Прикладные вопросы обеспечения условий эффективной реализации свойств высокотехнологичных цементных и силикатных бетонов при влажностных эксплуатационных воздействиях 279
6.1 Прикладные разработки применительно к проблеме высокопрочных модифицированных бетонов 280
6.2 Прикладные разработки применительно к проблеме цементных поризованных бетонов 288
6.2.1 Постановка задачи конструирования структур цементных поризованных бетонов с задаваемыми свойствами 289
6.2.2 Алгоритмы конструирования структур цементных поризованных бетонов 298
6.2.3 Основные положения технологии цементных поризо- 314
ванных бетонов и аппаратурное оформление
6.3 Прикладные разработки применительно к проблеме силикат- 326
ных ячеистых бетонов
Выводы к главе 6 337
Основные выводы 341
- Характеристика движущих сил изменений в системе «среда-материал - конструкция»
- Закономерности влияния параметров структуры бетона на баланс сил ее связи с водой
- Характеристика факторного пространства экспериментальных исследований
- Идентификация структуры высокотехнологичных бетонов
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время строительная практика характеризуется появлением и расширяющимся применением высокотехнологичных бетонов нового поколения: на основе вяжущих низкой водопотребности, наполненных и тонкомолотых цементов, быстротвердеющих и особобыстротвердеющих цементов, а также бетонов супер- и гиперпластифицированных, гиперпрессованных, пори-зованных, дисперсно-армированных, органоминеральных, высокодисперсных (порошковых), получаемых с применением микро- и наноразмерных структурных составляющих [1-18]. Переход на новый уровень строительно-технических свойств и возможностей таких бетонов является следствием принципиального преобразования, модифицирования их составов и структуры по сравнению с традиционными видами бетонов прежних поколений. Специфическими признаками строения высокотехнологичных бетонов являются возрастающие на несколько порядков площади поверхности раздела фаз, число физических и физико-химических контактов в единице объема материала, повышенная плотность или пористость, отличающиеся размерно-геометрические и энергетические характеристики пор и др. К высокотехнологичным бетонам с подобными признаками строения и качественно новым уровнем свойств с полным основанием относятся плотные высокопрочные модифицированные бетоны, макропористые цементные и силикатные бетоны.
Принципиальные достижения отечественной и зарубежной практики в уровне качества нового поколения плотных бетонов высоких (НРС) и ультравысоких (UHPC) технологий, обеспечение их повышенной прочности, водонепроницаемости, морозостойкости [19-29] базируется на следующих факторах: низком В/Ц (0,2-0,3), комплексном применении микро- и нанодисперсных составляющих и пластифицирующих добавок, что обеспечивает получение композитов с плотной (объем пор не выше 4-6%), микропористой (содержание пор с г < 20 нм до 30 % от общего объема пор), высоко дисперсной структурой [30,31]. Вместе с этим имеющая место трансформация структурных характеристик модифицированных бетонов предопределяет повышение энергетического потенциала поверхности твердой фазы и порового пространства. Это
может привести к интенсификации физико-химических процессов взаимодействия материала с эксплуатационной средой и соответствующему развитию дестуктивных процессов. Одновременно в связи с особенностями процессов гидратации, предельно малым свободным объемом порового пространства для развития процессов структурообразования может наблюдаться снижение эффективности работы «клинкерного фонда», из-за чего вклад конструктивных процессов в залечивание накопленных повреждений может быть ограниченным.
Для обеспечения повышенного уровня требований по параметрам материалоемкости конструкций, теплозащиты зданий, энергопотребления, микроклимата помещений сегодня получены и широко применяются разновидности макропористых силикатных и цементных бетонов с новым существенно более высоким уровнем качества. Достижение нового уровня качества, определяющее отнесение макропористых бетонов к новому поколению, обеспечивается применением современных технологических решений производства (по способу подготовки сырья, составу, приемам поризации с применением добавок супервоздуховолекающего действия, формования, организации процессов твердения и т.д. [32-43]). Эти технологические условия, обуславливая минералогический состав, морфологию и дисперсность частиц твердой фазы, параметры пористости, неизбежно влияют на энергетический потенциал и меру термодинамической стабильности макропористых бетонов при взаимодействия с эксплуатационной средой.
Есть все основания считать, что вследствие особенностей строения высокотехнологичные бетоны могут быть потенциально более неравновесными и более активными по отношению к воздействиям среды. Не исключается неоднозначность, противоречивость проявления свойств высокотехнологичных бетонов при эксплуатации, что может оказаться проблемой при их практическом применении.
Комплексных и достоверных знаний о поведении высокотехнологичных бетонов, изменении их состояния и свойств при эксплуатации в достаточной мере пока еще не получено. Поэтому высокопрочные модифицированные бетоны, макропористые цементные и силикатные бетоны в работе позиционируются в качестве объектов исследований. И в первую очередь это касается
проблемы влияния влажностного состояния бетонов на проявление и изменение их строительно-технических свойств. Особое место и актуальность именно данной проблемы обусловлены тем, что в составе всех физико-климатических воздействий среды влажностные являются постоянно действующими, и от влажностного состояния бетона зависит проявление практически всех основных свойств - прочности, деформативности, теплопроводности, морозостойкости. Подчеркнем, что зависящие от эксплуатационного влагосодержания деформативность и морозостойкость являются критериальными свойствами для долговечности бетонов. При этом интенсивность развития влагообмена бетонов со средой, определяя условия реализации их свойств при эксплуатации, обуславливает и закономерности формирования полей влажности в конструкции, что, естественно, непосредственно влияет на напряженно-деформированное состояние и функциональные характеристики конструкций из рассматриваемых высокотехнологичных бетонов.
Представления о природе взаимосвязи свойств бетонов с влажностным состоянием опираются на фундаментальные работы в области физико-химической механики, коллоидной химии, физической химии поверхностей (Р.К. Айлера, А.В. Думанского. Б.В. Дерягина, Ю.В. Горгонова, П.А. Ребинде-ра, Б.Д. Сумма, В.Ю. Траскина, Д.А. Фридрихсберга, Н.В. Чураева, Е.Д. Щукина и др.). Применительно к строительным материалам теоретические и прикладные проблемы изменения строительно-технических свойств при темпера-іурно-влажностньїх воздействиях раскрыты в работах С.В.Александровского, А.С. Аведикова, А.С. Беркмана, Ю.М. Баженова, А.А. Гвоздева, Г.И. Горчакова, Г.Д. Диброва, К.Г. Красильникова, Б.А. Крылова, П.Г. Комохова, В.М. Москвина, Н.А. Мощанского, Л.В. Никитиной, В.А.Ыевского, М.С. Острикова, И.Е.Прокоповича, А.У. Франчука, З.Н. Цилосани, Е.М. Чернышова, А.Е.Шейкина и др. Представления о механизмах процессов влагообмена бетонов со средой основываются на теориях адсорбции и поверхностных явлений, капиллярности, фильтрации. В результате прикладной реализации фундаментальных представлений в настоящее время разработаны физико-математические модели влагопереноса и основанные на них методы расчета влажностного режима конструкций, (работы А.Адамсона, В.Н.Богословского, Р.Е Бриллинга, В.Г. Гагарина, М.М. Дубинина, К.Г. Красильникова, И.Я. Киселева, АЛЗ.Лыкова,
А.Г.Перехоженцева, К. Пирса, А.И. Русанова, СП. Рудобашты, Н.Н.Скоблинской, Д.П. Тимофеева, А.У. Франчука, К.Ф.Фокина, СВ. Федосова, Р.Фельдмана, М.Р.Харриса, А.СЭпштейна и др). Однако, несмотря на большой объем накопленных данных, научная и прикладная информация отличается определенной фрагментарностью, незавершенностью; недостаточно полно раскрыты вопросы регулирования структуры материалов с целью управления интенсивностью процессов влагообмена бетонов со средой и проявления их свойств при эксплуатации. Поэтому очевидна необходимость систематизации существующих представлений и разработки общих теоретических подходов к вопросу управления свойствами бетонов при изменении их влажности с позиций современного структурного материаловедения, соответствующего развития экспериментальных исследований.
В связи с этим развитие знаний, раскрытие механизма и закономерностей изменения свойств высокотехнологичных бетонов в зависимости от их влажностного состояния, разработка технических и технологических решений по управлению качеством бетонов с учетом последствий эксплуатационных влажностных воздействий является актуальной проблемой и принимается в данной работе в качестве предмета исследований. Развитие этого направления имеет важное практическое значение для обеспечения долговечности и надежности строительных конструкций и, соответственно, для совершенствования технологии бетонов.
Цель работы: разработка технологических решений по управлению формированием структуры бетонов и реализацией их свойств при влажностных эксплуатационных воздействиях на основе теоретических и экспериментальных исследований проблемы.
Ведущая научная концепция. Проявление строительно-технических свойств бетонов при эксплуатационных влажностных воздействиях определяется формирующимся балансом сил в их структуре при изменении, влагосо-держания. Величина этих сил обуславливается энергией связи видов воды со структурой материала, кинетикой содержания ее видов в материале при эксплуатации, что и зависит от параметров структуры материала. Формирование структуры является средством управления составляющими баланса сил ее связи с водой и, тем самым, средством влияния на реализацию строительно-
технических свойств материалов, их долговечность при влажностных эксплуатационных воздействиях на конструкции.
В соответствии с целью работы и на основании выдвинутой концепции определены следующие задачигисследований:
Предложить подходы к постановке и решению материаловедческих и технологических вопросов по проблеме обеспечения? эффективной реализации строительно-технических свойств бетонов при влажностных эксплуатационных воздействиях на основе анализа, систематизации и развития положений, физико-химической механики, механики деформирования и разрушения, теории тепло- и массопереноса в структурированных системах.
Обосновать систему структурных параметров бетонов, которая обеспечит возможности управления их влагообменом со средой;
Предложить принципы управления влажностным состоянием и условиями проявления строительно-технических свойств бетонов при эксплуатации посредством регулирования шх структуры.
. 4, Экспериментально исследовать, закономерности кинетики влажностного состояния; плотных и макропористых высокотехнологичных бетонов при взаимодействии их с водяным-паром и водой эксплуатационной среды как функции параметров строения материала и параметров.среды.
Экспериментально исследовать закономерности;; раскрывающие взаимосвязь меры изменения основных строительно-технических свойств плотных и макропористых бетонов в различном влажностном состоянии с параметрами их структуры. . " ' ',-
Рассмотреть прикладные инженерно-технологические: задачи управления реализацией строительно-технических, свойств-» высокопрочных модифицированных бетонов, макропористых цементных и силикатных бетонов с учетом последствий; влажностных эксплуатационных воздействий посредством регулирования их состава и конструирования-структуры.
Разработать предложения. по- технологии получения оптимизированных структур бетонов по» критерию эффективной реализации их свойств при влажностных эксплуатационных воздействиях.
Основные методологические и методические положения постановки исследований:
обеспечение системно-структурного подхода;
использование при осуществлении экспериментальных исследований типичных структур плотных и макропористых бетонов с широким диапазоном варьирования параметров их строения;
5> комплексное применение методов идентификации структуры для ее количественного описания;
> математическая интерпретация экспериментальных результатов для фор
мирования базы данных в задачах конструирования оптимизированных
структур бетонов, обеспечивающих эффективную реализацию их свойств
при изменении эксплуатационного влагосодержания.
Связь работы с научными программами. Исследования и разработки выполнялись в рамках гранта «Разработка и развитие теоретических и прикладных вопросов гигромеханики строительных материалов» шифр ТОО — 12.2 - 1663 (2002 - 2003 г.г.); Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (2002 - 2004 г.г.); планового задания Федерального агентства по образованию «Развитие теории системно-структурного материаловедения и высоких технологий строительных композитов нового поколения» (2003 - 2007 г.г.), «Развитие теории и основ конструирования структур наноструктурных композитов нового поколения (2008 - 2012 г.г.); по программе фундаментальных исследований РААСН по приоритетному направлению «Развитие строительного материаловедения, технологии и нанотехнологии. Новые высокопрочные, сверхпрочные, легкие, сверхлегкие и долговечные строительные композиционные материалы» (2002 - 2009 г.г.) и др.
Научная новизна работы. Обобщены и развиты теоретические представления о механизме и закономерной взаимосвязи строительно-технических свойств бетонов с их влаж-ностным состоянием.
С позиций системно-структурного материаловедения сформулированы принципы управления структурой и качеством бетонов с учетом последствий эксплуатационных влажностных воздействий.
Обоснована система структурных параметров управления интенсивностью взаимодействия бетонов с водяным паром и водой на основе анализа и систематизации фундаментальных представлений о процессах и закономерностях влагообмена дисперсных капиллярно-пористых гел со средой.
На основе обобщения комплексных экспериментальных данных раскрыты количественные взаимосвязи интенсивности процессов адсорбции, капиллярного насыщения, водопоглощения, обезвоживания с параметрами состава и структуры плотных и макропористых бетонов.
Получены количественные зависимости взаимосвязи меры изменения основных свойств бетонов в различном влажностном состоянии (прочности, величины деформаций, теплопроводности, морозостойкости) с характеристиками их твердой фазы и порового пространства.
Количественно оценена мера эффективности управления показателями строительно-технических свойств плотных и макропористых бетонов при влажностных эксплуатационных воздействиях посредством направленного регулирования их строения.
Предложены подходы к конструированию структур бе гонов по критериям и условиям эффективной реализации строительно-технических свойств при влажностных воздействиях эксплуатационной среды; систематизирована база данных, разработаны алгоритмы и решена задача конструирования структур цементных поризованных бетонов.
Практическая значимость работы определяется возможностями решения на основе научных ее результатов прикладных задач материаловедения и технологии высокотехнологичных бетонов, управления их качеством и долговечностью. Полученные количественные зависимости взаимосвязи меры изменения основных свойств, интенсивности процессов влагообмена цементных и силикатных бетонов с параметрами их структуры создают информационную базу: 1) для конструирования структур и обоснования требований к составам и параметрам технологии бетонов с комплексом задаваемых свойств; 2) для обоснования рекомендаций к определению расчетных характеристик бетонов при проектировании конструкций; 3) для обоснования требований к рациональным условиям применения материалов в конструкциях.
Результаты исследований позволили:
для высокопрочных модифицированных бетонов (с составами, применяемыми в современном строительстве) обосновать значения коэффициентов линейных влажностных деформаций и коэффициентов условий работы бетона с учетом его влажностного состояния;
для цементных поризованных бетонов обосновать требования к составам, структуре и получить бетоны средней плотностью от 800 до 1600 кг/м3 с пониженной эксплуатационной деформируемостью, разработать их технологию, ориентированную на использование региональных природных и техногенных сырьевых материалов и характеризуемую возможностью применения одних и тех же материалов и оборудования для получения поризованных бетонов различного строительного назначения;
для силикатных ячеистых бетонов нового поколения обосновать предложения по уточнению коэффициентов теплопроводности, а также определить требования к конструкции наружных стен зданий по условиям обеспечения нормируемого термического сопротивления стен в реальном диапазоне годичной динамики эксплуатационного влагосодержания материала.
Реализация работы. Результаты работы использованы:
для обоснования предложений к подготовке нормативно-инструктивных документов - «Рекомендаций по учету влажностного состояния высокопрочных модифицированных бетонов при определении их расчетных характеристик», ГОСТ 31359-2007 «Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия», «Рекомендаций по обеспечению теплоэффективности ограждающих конструкций с применением изделий из силикатного ячеистого бетона с учетом их влажностного режима»;
при разработке комплекта технологической документации, включающего «Технические условия на бетон поризованный», «Технологический регламент на производство конструкций из мелкозернистого плотного и поризо-ванного бетона для монолитного строительства», «Карту технологического процесса изготовления стеновых блоков из поризованного бетона», варианты комплектации мобильного технологического комплекса для условий монолитного строительства и заводских производства.
В период 1998 - 2008 гг. на ряде предприятий г. Воронежа и области осу-
ществлено опытно-промышленное возведение монолитных стен, устройство подготовок под полы из поризованного бетона; проведена опытно-техническая проверка его эксплутационных свойств.
В рамках реализации Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (2002 - 2004 г.г.) комплект технологической документации по пори-зованным бетонам предоставлен предприятиям Спецстроя РФ (ФГУП УССТ №2, г. Москва; ФГУП УССТ №3 г. Санкт-Петербург; ФГУП «Центральное проектное объединение», г.Воронеж).
Рекомендации по обеспечению теплоэффективности ограждающих конструкций используются в ЗАО «Коттеджиндустрия» (г. Россошь Воронежской обл.) при проектировании и возведении зданий с применением изделий из силикатного ячеистого бетона.
Предложения по подготовке стандарта «Бетоны поризованные конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные для малоэтажного жилищного строительства по монолитным технологиям» включены в план перспективных разработок РААСЫ в рамках реализации федеральных целевых программ «Жилище» и «Реформирование ЖКХ».
Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: использованы при подготовке спецкурса «Механика прочности и разрушения материалов и конструкций» для студентов специальности «Производство строительных изделий и конструкций», в курсовом и дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты работы доложены на V, VI, VIII, X академических чтениях РААСН (Воронеж, 1999 г.; Иваново, 2000 г.; Самара, 2004 г.; Казань, 2006 г.); на Международных академических чтениях РААСН «Новые научные направления строительного материаловедения» (Белгород, 2005 г.); Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2009 г.); трех Международных научно-практических конференциях «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2000, 2004, 2006 г.г.); трех научно-практических конференциях по результатам реализации Межотраслевой программы сотрудни-
чества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (Москва, 2002, 2003, 2004 г.г.); Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности стройматериалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003 г.); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008 г.); Международной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); ежегодных научно-практических конференциях ВГАСУ (1999....2008 г.г.).
Разработки по технологии поризованных бетонов представлялись на 18-й межрегиональной выставке «Строительство» (2004 г., г. Воронеж); межрегиональной выставке «Агробизнес - Черноземье» (2004 г., г. Воронеж); на 19-й межрегиональной выставке «Строительство» (2004 г., г. Воронеж) с получением диплома в конкурсе за лучшую разработку; на выставке «Воронежстрой-тех» (2004 г., г. Воронеж); на научно-практических конференциях-выставках Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ (2002, 2003, 2004 г.г., г. Москва).
Публикации. Основные результаты и положения диссертационных исследований представлены в 45 статьях и 1 монографии, в том числе 9 статей опубликовано в изданиях, входящих в рекомендованный ВАК перечень.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором, а также в рамках руководства исследованиями, в котором автору принадлежит определяющая роль в формулировке проблем, целей и задач исследований, в планировании и проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежат сформулированные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, их анализ и обобщение, раскрывающие научную новизну работы, а также прикладные разработки, подтверждающие ее практическую значимость.
Достоверность научных результатов обеспечивается методически обоснованным комплексом исследований на поверенном экспериментальном оборудовании; статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также их сравнением с результатами, получен-
ными другими авторами. Достоверность теоретических положений подтверждалась экспериментальными исследованиями.
Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, шесть глав, основные выводы, список использованной литературы из 377 наименований. Вся работа общим объемом 467 страниц включает 263 страницы машинописного текста, 102 рисунка, 72 таблицы, 11 приложений на 93 страницах.
Автор защищает.
Исходные теоретические представления и положения о закономерностях влияния параметров структуры бетонов на проявление строительно-технических свойств при влажностных эксплуатационных воздействиях.
Теоретические предпосылки, принципы и систему структурных факторов управления строительно-техническими свойствами и качеством бетонов с учетом последствий влажностных воздействий среды.
3. Результаты исследований закономерностей изменения влажностного со-
стояния в процессе адсорбции, капиллярного насыщения, водопоглощения, обезвоживания плотных и макропористых высокотехнологичных бетонов как функции их структуры.
Результаты исследований и обобщений по закономерностям влияния структуры плотных и макропористых бетонов на прочностные и деформативные характеристики, теплопроводность условия обеспечения морозостойкости при изменении их влажностного состояния.
Рекомендации к определению расчетных характеристик высокопрочных модифицированных бетонов с учетом возможных изменений свойств при влажностных воздействиях.
Принципы и алгоритмы конструирования структуры макропористых бетонов по критериям эффективной реализации задаваемых конструкционных свойств в условиях влажностных эксплуатационных воздействиий.
Разработки по технологии цементных поризованпых бетонов различного строительного назначения на основе типичных разновидностей природных и техногенных сырьевых материалов.
Предложения к постановке специальных разделов материаловедения в программах подготовки инженеров-строителей-технологов и магистров по направлению «Строительство».
Характеристика движущих сил изменений в системе «среда-материал - конструкция»
В рамках реализации Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (2002 - 2004 г.г.) комплект технологической документации по пори-зованным бетонам предоставлен предприятиям Спецстроя РФ (ФГУП УССТ №2, г. Москва; ФГУП УССТ №3 г. Санкт-Петербург; ФГУП «Центральное проектное объединение», г.Воронеж).
Рекомендации по обеспечению теплоэффективности ограждающих конструкций используются в ЗАО «Коттеджиндустрия» (г. Россошь Воронежской обл.) при проектировании и возведении зданий с применением изделий из силикатного ячеистого бетона.
Предложения по подготовке стандарта «Бетоны поризованные конструкционные и конструкционно-теплоизоляционные для малоэтажного жилищного строительства по монолитным технологиям» включены в план перспективных разработок РААСЫ в рамках реализации федеральных целевых программ «Жилище» и «Реформирование ЖКХ».
Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Воронежского государственного архитектурно-строительного университета: использованы при подготовке спецкурса «Механика прочности и разрушения материалов и конструкций» для студентов специальности «Производство строительных изделий и конструкций», в курсовом и дипломном проектировании, при подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Результаты работы доложены на V, VI, VIII, X академических чтениях РААСН (Воронеж, 1999 г.; Иваново, 2000 г.; Самара, 2004 г.; Казань, 2006 г.); на Международных академических чтениях РААСН «Новые научные направления строительного материаловедения» (Белгород, 2005 г.); Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, 2009 г.); трех Международных научно-практических конференциях «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» (Ростов-на-Дону, 2000, 2004, 2006 г.г.); трех научно-практических конференциях по результатам реализации Межотраслевой программы сотрудни чества Минобразования и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» (Москва, 2002, 2003, 2004 г.г.); Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности стройматериалов и стройиндустрии» (Белгород, 2003 г.); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» (Воронеж, 2008 г.); Международной конференции «Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.); ежегодных научно-практических конференциях ВГАСУ (1999....2008 г.г.).
Разработки по технологии поризованных бетонов представлялись на 18-й межрегиональной выставке «Строительство» (2004 г., г. Воронеж); межрегиональной выставке «Агробизнес - Черноземье» (2004 г., г. Воронеж); на 19-й межрегиональной выставке «Строительство» (2004 г., г. Воронеж) с получением диплома в конкурсе за лучшую разработку; на выставке «Воронежстрой-тех» (2004 г., г. Воронеж); на научно-практических конференциях-выставках Межотраслевой программы сотрудничества Минобразования и Спецстроя РФ (2002, 2003, 2004 г.г., г. Москва).
Публикации. Основные результаты и положения диссертационных исследований представлены в 45 статьях и 1 монографии, в том числе 9 статей опубликовано в изданиях, входящих в рекомендованный ВАК перечень.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты получены лично автором, а также в рамках руководства исследованиями, в котором автору принадлежит определяющая роль в формулировке проблем, целей и задач исследований, в планировании и проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, в равной степени принадлежат сформулированные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, их анализ и обобщение, раскрывающие научную новизну работы, а также прикладные разработки, подтверждающие ее практическую значимость.
Достоверность научных результатов обеспечивается методически обоснованным комплексом исследований на поверенном экспериментальном оборудовании; статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также их сравнением с результатами, получен ными другими авторами. Достоверность теоретических положений подтверждалась экспериментальными исследованиями.
Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, шесть глав, основные выводы, список использованной литературы из 377 наименований. Вся работа общим объемом 467 страниц включает 263 страницы машинописного текста, 102 рисунка, 72 таблицы, 11 приложений на 93 страницах. Автор защищает. 1. Исходные теоретические представления и положения о закономерностях влияния параметров структуры бетонов на проявление строительно-технических свойств при влажностных эксплуатационных воздействиях. 2. Теоретические предпосылки, принципы и систему структурных факторов управления строительно-техническими свойствами и качеством бетонов с учетом последствий влажностных воздействий среды. 3. Результаты исследований закономерностей изменения влажностного со стояния в процессе адсорбции, капиллярного насыщения, водопоглощения, обезвоживания плотных и макропористых высокотехнологичных бетонов как функции их структуры. 4. Результаты исследований и обобщений по закономерностям влияния структуры плотных и макропористых бетонов на прочностные и деформативные характеристики, теплопроводность условия обеспечения морозостойкости при изменении их влажностного состояния. 5. Рекомендации к определению расчетных характеристик высокопрочных модифицированных бетонов с учетом возможных изменений свойств при влажностных воздействиях. 6. Принципы и алгоритмы конструирования структуры макропористых бетонов по критериям эффективной реализации задаваемых конструкционных свойств в условиях влажностных эксплуатационных воздействиий. 7. Разработки по технологии цементных поризованпых бетонов различного строительного назначения на основе типичных разновидностей природных и техногенных сырьевых материалов.
Закономерности влияния параметров структуры бетона на баланс сил ее связи с водой
Анализ составляющих баланса сил связи структуры бетона с водой позволяет утверждать, что на соответствующих масштабных уровнях (см. табл. 2.1) проявляет свое действие капиллярные силы, силы поверхностного натяжения воды, расклинивающее давление адсорбционных пленок, силы межмолекулярного взаимодействия поверхности твердой фазы с водой, силы межмолекулярного взаимодействия плоскостей кристаллов с молекулами воды; силы ионной связи ОН"- групп в кристаллической решетке. Важно подчеркнуть, что энергия связи видов воды со структурой изменяется в диапазоне от 0,05 до 800 кДж/моль и возрастает на 4-5 порядков от макро- к наноструктурному уровню, отсюда следует и приоритетный вклад структурных составляющих микро-и наноструктурных уровней в процесс трансформации свойств бетонов при изменении влажностного состояния. Для бетонов плотной- и макропористой структуры это совокупность структурных элементов микробетона, новообразований цементирующего вещества с присущими им порами.
В эксплуатационном диапазоне влагосодержания на проявление свойств материалов в первую очередь оказывает влияние адсорбционная и капиллярно-связанная вода и, соответственно, проявляют свое1 действие силы межмолекулярного взаимодействия поверхности твердой фазы с водой, силы расклинивающего давления адсорбционных пленок, силы поверхностного натяжения воды, капиллярные силы.
Влияние адсорбционной воды на изменение свойств материала свойств определяется (по Б.В. Дерягину, Е.Д. Щукину [87,88]) искажением и перестройкой структуры связанной воды вблизи поверхности, изменением и искривлением сетки межмолекулярных водородных связей в ее структуре под влиянием поля поверхностных сил. Активные центры поверхности нарушают сетку водородных связей в воде, так как энергия взаимодействия молекул воды с активными центрами поверхности минералов, а также с находящимися в поровом растворе ионами больше, чем энергия взаимодействия молекул воды между собой. У поверхности материалов происходит также переориентация к ней диполей воды под действием электростатического притяжения., величина и направленность которых определяет смачиваемость поверхности.
Для бетонов, как и для других силикатных систем (по данным для сили катов А.В. Думанского, Ф.Д. Овчаренко, Ю.И. Тарасевича [81,84]), характер но наличие высокой энергии связи воды с адсорбционными центрами. По ; следнее объясняется, структурным соответствием между узором поверхност ных атомов и гидроксильных групп силикатов и кремнеземов, с одной стороны, и элементами структуры воды— с другой. Доминирующими центрами адсорбции воды в. силикатах являются поверхностные атомы кислорода и об-менные катионы— компенсаторы отрицательного заряда,-а сама адсорбция воды рассматривается как образование аква.коыия&ксов,[Ме(Н20)п/0 , гдеМе+ - обменные катионы, О - поверхностные атомы кислорода. Следовательно, с увеличением количества обменных катионов, то есть при. повышении основности твердошфазы возрастает ее адсорбционная активность и,энергия- связи Структурные, изменения адсорбционной воды; обусловливают и измене !.-. ние ее температуропроводности,:оказывающее весьма.существенное влияние на теплопроводность бетонов при. изменении их влажности. Отклонения тем пературопроводности связанной воды в сторону снижения от значений, харак терных для-свободной воды, начинают проявляться в водных пленках и про- слойках толщиной менее 1 мкм. Чем тоньше слой связанной воды, тем вболь шей мере понижена ее температуропроводность. В; прослойках толщиной все го 0 03 мкм температуропроводность пониженаї примерно на 30% по-сравне-\ нию со; свободной водой; Этот эффект был объяснен [83] усилением энер гиимежмолекулярных: связей в граничных слоях водьг. : Обнаруживаемые изменения структуры водьъ в адсорбционных слоях1 вызывают также, изменение расклинивающего давления в тонкой прослойке: По Б.Ві Дерягину, ША. Ребиндеру [79і,84]і этот эффект.возникает при перекры \ . тии граничных слоев с измененной структурой в достаточно тонких прослойках. I Структурные изменения прослойки, происходящие при перекрытии, ведут к. прослойки h. Термодинамическим следствием этого является появление структурной составляющей расклинивающего давления П8 = — (dFs/dh)m, величина и знак которой зависят от характера происходящей при перекрытии структурной перестройки. В прослойках воды между гидрофильными поверхностями структурные силы вызывают отталкивание поверхностей, и структурная составляющая расклинивающего давления здесь положительна {П$ = Р—Р0 0). Резкое возрастание структурных сил отталкивания при утончении водных прослоек обеспечивает устойчивость тонких пленок воды на гидрофильных поверхностях. Вблизи гидрофобных поверхностей расклинивающее давление IIS отрицательно (77А 0), что ведет к тому, что гидрофобные поверхности испытывают в воде силы структурного притяжения. Это является следствием того, что контакт воды с несмачиваемой ею поверхностью термодинамически невыгоден: вода самопроизвольно под действием сил структурного притяжения выдавливается из гидрофобной прослойки. Принципиальное значение для реализации действия капиллярных сил Рк согласно классическому уравнению Лапласа
Характеристика факторного пространства экспериментальных исследований
Адсорбция и капиллярная конденсация водяного пара образцами исследовалась в условиях квазистатическоого режима испытания при значениях парциального давления р/р0 — 0,17-0,99. Такие его значения получали с помощью гигростатов. Для этого в герметичных емкостях в изотермических условиях при 20±5С имели насыщенные растворы солей бромистого кальция, хлорида магния, нитрата магния, хлористого натрия, в среде над которыми устанавливается парциальное давление водяного пара соответственно 0,19; 0,32; 0,54; 0,75. Парциальное давление 0,99 обеспечивалось в закрытой емкости над водой. Образцы после высушивания при t = 100-105С и охлаждения в эксикаторах над безводным хлористым кальцием взвешивали с точностью до 0,01 г, а затем помещали в эксикаторы с указанным парциальным давлением и выдерживали до стабилизации массы образцов. При исследовании процесса десорб-ции водо насыщенные образцы также помещались в среды с аналогичным парциальным давлением. Посредством периодического взвешивания в течение 150-200 суток следили за кинетикой изменения влажностного состояния материала. По предельным значениям установившейся при соответствующем парциальном давлении влажности материала строились изотермы адсорбции - десорбции. В опытах использовались образцы-призмы размером 10x40x160 мм; толщина образцов не более 10 мм позволяет свести до минимума влияния диффузионного сопротивления на процесс влагообмена материала со средой.
Кинетика и величина капиллярного насыщения характеризовалась количеством воды, поглощаемой материалом в течение 72-120 часов через единицу поверхности торца призмы размером 40x40x160 мм, погруженной на глубину 2 см в воду.
Расчет показателей водонасыщения и степени заполнения пор водой производился по приросту массы образцов размером 100x100x100 мм при выдерживании их под водой в течение трех суток.
Для обеспечения статистической достоверности результатов исследований показателей влажностного состояния количество образцов в сериях составляло от 9 до 12. Параметрами оценок являлись выборочная средняя, дисперсия, среднее квадратическое отклонение, коэффициент изменчивости и доверительный интервал, которые устанавливались с вероятностью 0,95. Внут-рисерийный коэффициент изменчивости результатов составлял v= 10-12 %.
Исследование влияния влажностного состояния на прочностные характеристики проводилось в изотермических условиях и в диапазоне температур t = - 60 - + 60 С. В изотермических условиях эксперименты процодились на примере цементного микробетона, высокопрочного мелкозернистого бетона и цементного поризованного бетона. Образцы-призмы размером 40x40x160 мм цементного микробетона нормального 28-суточного твердения высушивали при t = 100-105С и охлаж дали в эксикаторах над безводным хлористым кальцием. Для/достижения рав новесной гигроскопической влажности серии из 6 образцов-призм помещали в гигростаты с парциальным давлением водяного пара р/р0 — 0,2;0,32; 0,55; 0,75; 0,99, в которых, соответственно, находились насыщенные растворы со лей КС2Н3О2, СаС12-6Н20, Ca(N03)-4H20, NaN03 и вода. Водонасыщение вы сушенных образцов производилось по стандартной меігодике. После стабили зации влажностного состояния в указанных условиях испытание на прочность при изгибе и сжатии производилось по стандартной методике (согласно ГОСТ 310.4-81 «Цементы. Методы определения предела прочности при сжатии и из гибе», ГОСТ 10180 - 90 «Бетоны. Методы определения прочности по кон трольным образцам»). Для изучения закономерностей изменения прочностных характеристик исследуемых систем в различном температурно-влажностном состоянии серии из шести сухих и шести водонасыщенных образцов цементного микробетона (размером 40x40x160 мм), цементного бетона на мелком заполнителе (размером 40x40x160 мм) и цементного бетона на крупном заполнителе (размером 70x70x280 мм), цементного поризованного бетона (размером 40x40x160 мм) выдерживались при t = -60; -40; -20; 0; +20; +40; +60 иС. После стабилизации температурного состоянии в указанных условиях испытание на прочность при изгибе и сжатии образцов микробетона и мелкозернистого бе-тона производилось по ГОСТ 310.4-81, образцов цементного бетона на крупном заполнителе, цементного поризованного бетонов по ГОСТ 10180 - 90. При изучении процессов деформирования моделировались влажностные режимы, в которых может оказаться бетон в конструкции при эксплуатации. С этой целью в гигростатах в изотермических условиях (20 ± 5) С создавали "модельные" среды с относительным парциальным давлением водяного пара р/ро=0,32; 0,5; 0,75; 1,0 (см. раздел 3.3.2). Деформации усадки-набухания и влажность материала определялись после обезвоживания (десорбции) водо-насыщенных образцов в указанных средах, а іакже после адсорбционного насыщения предварительно высушенных образцов до равновесного гигроско-пического состояния при соответствующем парциальном давлении. В поставленных экспериментах влажностные деформации изучались при высыхании образцов в квазистатическом режиме, когда вследствие малой толщины образцов (не более 10 мм) градиент по влагосодержанию внутренних и поверхностных слоев материала остается в течение процесса высыхания минимальным. Усадка при квазистатическом высыхании квалифицируется [111] как максимально возможная или полная при принятых условиях высыхания. Образцы-пластины 10x40x160 мм получали: для плотного высокопрочного модифицированного бетона распиливанием массива 80x80x160 мм, для цементного поризованного бетона 100x100x400 мм. Для определения величины деформаций набухания-усадки в торцах образцов малоусадочным клеем прикреплялись реперы в виде металлических шаров d = 5 мм и параллельно со взвешиванием производились измерения длины образцов в компараторе с индикатором часового типа.
С целью сопоставления величин влажностных деформаций бетонов, полученных по данной методике с их значениями, оцениваемыми по стандартным методикам, усадка для высокопрочного модифицированного бетона парллельно оценивалась согласно ГОСТ 24544-81+ «Бетоны. Методы определения усадки и ползучести», для цементного поризованного бетона согласно ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия» (приложение 2).
Идентификация структуры высокотехнологичных бетонов
Вопрос влияния влажностного состояния на прочность бетонов в настоящее время является недостаточно изученным, так как исследования по данной проблеме осуществлялись довольно фрагментарно, на основе существенно отличающихся подходов к данной проблеме. Из грех групп факторов, которые согласно классическим представлениям определяют адсорбционное понижение прочности (химическое сродство адсорбционно-активнои среды и материала, неоднородность структуры и условия деформирования и разрушения материала), выполненные применительно к бетонам исследования в основном были посвящены раскрытию действия факторов третьей группы.
Впервые взаимосвязь между влажностным состоянием, видом и условиями приложения нагрузки и прочностными характеристиками бетона была рассмотрена в исследованиях Ю.М. Баженова [216,217], в которых показано, что при увеличении скорости приложения нагрузки влияние влажности на прочность снижается, так как скорость поступления воды в вершину трещины меньше скорости ее роста. В работах М.Г. Булгаковой, Т.С. Каранфилова, В.Н. Морщихина, И.Е. Прокоповича [218-221] произведена оценка изменения прочности, деформативности, границ микротрещипообразовапия при водона-сыщении отдельных видов бетона в условиях действия постоянной и циклической нагрузки сжатия и растяжения без анализа механизма выявленных эффектов. Наиболее комплексный подход к рассмотрению влияния влажностного состояния на прочность бетона реализован в работах Р.Л. Серых [222-224]: показаны закономерности изменения прочности и модуля упругости бетона в зависимости от продолжительности увлажнения как результата действия двух факторов - влияние адсорбционного понижения прочности и развития процессов гидратации цемента. При этом подчеркивается, что прочность бе гона изменяется не только под действием непосредственно адсорбционно-активной воды, но и вследствие напряжений от деформаций усадки и набухания, развития явлений ползучести. В работах К.А.Пирадова, В Л. Попова [225-227] применены методы механики разрушения к прогнозированию развития микротрещин от действия воды на разных уровнях структуры, произведена оценка изменения значений напряжений в устье трещины, энергии трещинообразова-ния при водонасыщении бетона. Однако во всех рассмотренных исследовани-ях недостаточно внимания уделялось изучению закономерностей влияния структуры материалов на адсорбционное понижение их прочности при действии воды, то есть практически не рассматривалась роль факторов 1 и 2 группы, влияющих на проявление эффекта Ребиндера.
В нашей работе главный акцент делается именно на рассмотрение данных факторов, поэтому выполненные экспериментальные исследования главным образом посвящены изучению влияния параметров структуры бетонов на закономерности изменения прочности в различном температурно-влажностном состоянии.
Эксперименты осуществлялись для цементного высокопрочного модифицированного бетона на мелком и крупном заполнителе, а также для цементного и силикатного макропористых бетонов. В рамках исследований для цементного высокопрочного модифицированного бе гона предусмотрено поэтапное проведение экспериментальных исследований на цементном микробе-тоне и бетоне на мелком и крупном заполнителе, для которых составы и условия изготовления охарактеризованы в разделе 3.2 (см. табл. 3.1, 3.3), параметры структуры - в разделе 4 (см. табл. 4.2, 4.9, 4.10). Эксперименты с цементным поризованным бетоном (таблица 5.2) проводились на представителях конструкционно-теплоизоляционного материала средней плотности р=800-1000 кг/м , изготовленных на золе-уноса и пыли-уносе, и конструкционного материала р= 1400-1600 кг/м на кварцевом песке естественной грануломет-рии. Выбор данных видов поризованного бетона для исследования влияния влажностного состояния на их прочностные характеристики обусловлен тем, что на основании предыдущих исследований (см. раздел 4.3) эти разновидности поризованных бетонов квалифицированы как наиболее отличающиеся по интенсивности взаимодействия с водяным паром и водой. Структура принятых для исследований видов поризованного бетона соответствуют представленным в разделе 4.3 (см. табл. 4.13, 4.14) характеристикам соответствующих его серий.
Представления о развитии процесса разрушения бетонов при изменении их влажностного состояния основываются на интегрированное подходе, объединяющем положения термофлуктуационной теории разрыва структурных связей Журкова и энергетической теории распространения ірещин Гриффитса. Термо-флуктуационный механизм зарождения трещины рассматривает роль жидкой фазы в активизации термофлуктуцонных актов (по Журкову) расщепления межатомных связей. Хрупкий механизм разрушения реально может проявлять себя при развитии трещин в материале в присутствии адсорбционно-активной среды в его структуре [102].
Принимается, что реализация потенциала сопротивления бетона разрушению при увлажнении оказывается результатом действия: 1) кристаллических сил связей в твердой фазе Ркс, мера изменения которых АРкс в присутствии молекул адсорбционно-активной среды (воды) зависит от ее количества {W{) и энергии взаимодействия с поверхностью твердой фазы (удельной поверхностной энергии qme.,p), 2)сил капиллярного стяжения Ркд, проявление которых определяется наличи-ем в объеме порового пространства водных менисков, а величина зависит от радиуса пор и степени заполнения пор водой (отношения объема жидкой фазы к объему пор V3iaj/Vltop)
Проявление действия этих сил зависит от влагосодержания материала и, соответственно, формы связи воды со структурой, что при увлажнении бетона от исходного сухого до водонасыщенного состояния неоднозначно влияет на его прочность.
