О новом подходе в математическом прогнозировании водонепроницаемости цементных композитов

В настоящее время в современном материаловедении не существует адекватных математических моделей прогнозирования водонепроницаемости цементных композитов, что сдерживает выработку обобщенных методов подбора составов цементных смесей с заданной водонепроницаемостью в различные сроки твердения.

По результатам ранее проведенных исследований были получены следующие результаты, яв ляющиеся основанием для моделирования водонепроницаемости бетона.

Система макрокапилляров цементных композитов непрерывна и является межкристаллитным образованием в структуре цементного камня. Фактическое строение макрокапилляров является неточным цилиндрическим, расчетное строение -цилиндрическое с приведенным гидравлическим радиусом (рис. 1).

Образование макрокапилляров обусловлено топологическими особенностями формирования гидратной структуры цементного камня:

-кристаллизацией гидратных новообразований вблизи поверхности цементного зерна с образованием микроскопических кластерных образований с упорядоченной структурой и неплотной упаковкой;

• — наличием свободной влаги, защемленной между кристаллитными образованиями, не участвующей в гидратации цемента и разуплотняющей упаковку макроскопических гидратных образований;

• - неплотностью гидратных микроскопических кластерных образований, которые являются субмикрокристаллической фазой, содержащей микро-капиллярную и гелевую пористость, способную адсорбировать или физико-химически связывать свободную влагу.

Макрокапилляры обладают одним размерным порядком с кластерными гидратными образованиями цементного камня. Формирование структуры цементного камня в виде кластерных образований связано с накоплением продуктов гидратации в виде значительных субмикрокристаллических образований размером более 10 мкм. Кристаллизация таких скоплений происходит на протяжении времени с поверхности вглубь с длительным сохранением определенного количества незакри-сталлизованной фазы. С этих позиций микропоры являются внутрикластерным образованием. Фактическое и расчетное строение субмикрокристаллических кластерных образований - сферолиты с приведенным радиусом. На этом основании предложена сферолитно-решеточная расчетная модель структуры цементного камня (см. рис. 1).

Снижение влагопереноса по макрокапиллярам под действием капиллярных сил или гидростатического давления при уплотнении гидратной структуры связано с возрастанием вязкости воды в пристеночных слоях при уменьшении гидравлического радиуса макрокапилляров и, как следствие, увеличением силы трения о стенки капилляров. С этих позиций аналитически получен и экспериментально апробирован новый показатель водонепроницаемости цементных композитов - удельное гидравлическое сопротивление (t), зависящее от гидравлического радиуса макрокапилляров (г), поверхностного натяжения проникающей жидкости (<т ) и угла смачивания проникающей жидкостью ( У ) стенок капилляров.

2

г/г,.

Критериями плотности структуры цементного камня являются: радиус макрокапилляров и геометрическая плотность. Радиус макрокапилляров -есть критериальная характеристика, объединяющая в себе несколько параметров структуры: объем макрокапиллярных пор, удельную поверхность и плотность кристаллитных кластерных образований. Геометрическая или структурная плотность -отношение радиуса макроскопических кластерных гидратных образований и порядка структурной решетки.

Определена математическая взаимосвязь между гидравлическим радиусом макрокапилляров цементных композитов и показателями высоты капиллярного поднятия влаги

^=0,0394-1012 г2. (2)

Таким образом, после подставления выражения высоты капиллярного поднятия и поверхностного натяжения воды получим

• г подставляется в мк.

Аналитически определена математическая зависимость между показателями макропористости и геометрической плотности цементных материалов, позволяющая оценивать размерный порядок гидратных кластерных образований в макроструктуре цементного камня.

• у = —— = cos^jp . (4) г+ г_г

Для математического моделирования водонепроницаемости была предложена физическая модель выделенного макрокапилляра, согласно которой водонепроницаемость цементного композита равна водонепроницаемости одного выделенного в структуре макрокапилляра.

Для марочной водонепроницаемости:

W = 15-1^ =1^X5-^, (5) где 0,15 - высота стандартного образца (м) при определении марки по водонепроницаемости.

^ = 36^3/о,15о, 04г2), (6)

г подставляется в мк.

Следовательно, основным показателем, определяющим водонепроницаемость цементных композитов, является гидравлический радиус макрокапиллярных пор.

Выразим радиус макрокапилляров г через показатель структурной плотности цементного камня по (4):

где г_г — средневзвешенный радиус гидратированных частиц цемента, примем данный радиус, равным радиусу исходных частиц цемента; Р - макропористость цементного камня, по [1]

В/Ц-0,42а

" 0,32 + В/Ц ’ р_ 0,58В/Ц-0,12

” 0,32 + В/Ц '

Результатом коррелирования зависимости (7)

с фактическими данными радиуса макрокапилляров, определенного по капиллярному поднятию влаги является зависимость

1 COS^fP

-1

Данная зависимость (рис. 2) демонстрирует очень хорошую сходимость (коэффициент корреляции 0,98).

Заполнитель в цементных композитах способствует проявлению синергетического эффекта композиционного самоуплотнения - образованию структуры цементного камня с переменной пористостью в направлении от центра матричной прослойки к поверхности заполнителя, что способствует увеличению геометрической плотности и непроницаемости композита в целом при соблюдении определенных условий. Наблюдаемый эффект связан с поверхностными адсорбционными силами запол

нителя, которые приводят к переменному распределению водосодержания по толщине матричной прослойки, поэтому механизм данного явления можно назвать гидравлическим самоуплотнением.

Переменность структуры матричного компонента приводит к интегральному эффекту повышения прочности и непроницаемости композита. Получена математическая зависимость прироста

прочности и водонепроницаемости структуры от

степени неравномерности распределения водосодержания по толщине матричной прослойки -функции поверхностного влияния заполнителя.

^гс

£пс (В/Ц-0,2)3 (НГ-0,2)3 ’

где коэффициент плотного слоя составляет

Апс = 1-cos 1,57

НГ-0,2 "I

В/Ц-0,2 J

(Ю)

Гидравлическое самоуплотнение наиболее эффективно проявляется при В/Ц-отношениях менее

критического значения, соответствующего водоудерживающей способности композиционной сме

си. Предложена математическая зависимость критического В/Ц от показателей водопотребности компонентов композитной смеси.

Повышение гидрофильности заполнителя и снижение водопотребности вяжущего при прочих равных условиях приводит к уплотнению структуры, т. е. повышению водонепроницаемости и прочности, что свидетельствует о положительном влиянии переменности матричного компонента на свойства композита.

Поэтому при расчете водонепроницаемости цементных композитов следует учитывать эффект гидравлического самоуплотнения.

^ = £„^^(0,15-0,04г²), (11) где k_rc - коэффициент гидравлического самоуплотнения, определяемый по выражению (9)

Проверка точности при определении водонепроницаемости бетонов (табл. 1) показала коэффициент корреляции 0,85, в 95 % случаях обеспечивается точность в пределах марки по водонепроницаемости. Зависимость водонепроницаемости бетона от В/Ц на Коркинском цементе представлена на рис. 3.

Таким образом, гидравлический механизм самоуплотнения может быть усилен путем введения поверхностно-активных веществ: при обработке поверхности заполнителя регуляторами смачивания и введении пластифицирующих добавок без снижения В/Ц бетонной смеси. Повышение гидрофильности зерен заполнителя улучшает прочностные показатели на 10... 15 % и водонепроницаемость композита на 40...50 % при прочих равных условиях Основным условием самоуплотнения при введении пластифицирующих добавок является сохранение подвижности бетонной смеси. В этом случае дополнительное синергетическое уплотнение позволяет повысить прочность на 10... 15 % и водонепроницаемость в 2 и более раз.

Уровень прироста водонепроницаемости при введении пластификаторов определяется по (12)

Рис. 2. Зависимость радиуса макрокапилляров цементного камня от В/Ц

Таблица 1

(НГ-0,2)3

((1-^д)нГ-0,2)3

1-COS 1,57

(l-^Hr-O^ В/Ц-0,2

НГ-0,2

В/Ц-0,2

где А^д - водоредуцирование при введении пла

стификатора.

Проверка точности расчетного определения прироста водонепроницаемости бетонов при введении водоредуцирующих добавок ЛСТ и С-3. Коэффициент корреляции имеет невысокое значение 0,73, однако предложенная зависимость позволяет более чем в 80 % случаев прогнозировать водонепроницаемость пластифицированных бетонов с точностью до марки.

Для учета прироста водонепроницаемости при введении микродобавок применим зависимость (4)

Рис. 3. Математическая модель водонепроницаемости (W, ат) бетона для ПЦ 400-Д20 Коркинского завода

г

1 COSy/P

-1

с учетом повышения дисперсности гидратной структуры средневзвешенный радиус гидратного образования снижается по зависимости

_ ти_вг_в + м_дг_д _ (1-ШдХ + т_Дг_Д Ку —           —

где тв и тй - массовые доли вяжущего и добав ки; гв и гд - средневзвешенные радиусы частиц вяжущего и добавки. Тогда г = кД—L=-ll            (14)

V COSy/P )

Прирост водонепроницаемости составит kw-Д                  (15)

Ку

Например, для микродобавки с размером частиц 5 мкм и дозировкой 10 % от массы цемента ( 2 5^

к =1-0,1 1—— = 0,94;

Ч 7;

к№=-Д = 1,2.

0,943

Для проверки зависимости был проведен эксперимент по введению в бетонную смесь с Ц/В = 2 на Коркинском ПЦ 400 Д-20 добавок с различными дозировками.

Результаты (табл. 2) показывают очень высокую сходимость фактических и расчетных приростов водонепроницаемости.

Таблица 2

Выводы

• 1.    Разработан математический закон водонепроницаемости, учитывающий в качестве основных факторов: гидравлический радиус макрокапилляров и эффект гидравлического самоуплотнения гидратной структуры. Также учитывается дисперсность вяжущего, поверхностное натяжение проникающей жидкости и угол смачивания стенок капилляров проникающей жидкостью. Полученная зависимость позволяет на основе характеристик материалов и состава цементного композита точно рассчитывать марку по водонепроницаемости.

• 2.    Предложены математические основы прогнозирования уплотняющего действия микро- и нанодобавок, изменяющих активность вяжущего, учитываемую при определении прироста прочности, и дисперсность гидратной структуры, учитываемую при определении прироста водонепроницаемости.

• 3.    Разработанные математические модели позволяют регулировать свойства цементных композитов, исходя из заданных условий эксплуатации, а также использовать потенциал заполнителя и добавок в целях повышения эксплуатационных свойств. За счет управления адсорбционной способностью заполнителей, вяжущего и добавок возможно обеспечение прироста водонепроницаемости в 4...5 раз.