Метод компьютерного моделирования капиллярной поровой структуры тяжелого бетона
На правах рукописи
ТОМРАЧЕВ СЕМЕН АЛЕКСАНДРОВИЧ
МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
КАПИЛЛЯРНОЙ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2005
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре «Технология строительного производства»
| Научный руководитель | кандидат технических наук, доцент Подласова Ирина Анатольевна |
| Научный консультант | доктор технических наук, профессор Гныря Алексей Игнатьевич |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Кудяков Александр Иванович кандидат технических наук, доцент Ильина Лилия Владимировна |
| Ведущая организация | ОАО Томская домостроительная компания, г. Томск |
Защита состоится «23» декабря 2005 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 634003 г. Томск. пл. Соляная, 2, корпус 5, ауд. 307.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «22» ноября 2005 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Н.К. Скрипникова
Актуальность темы. В прогнозировании стойкости, долговечности бетона поровая структура играет основную роль. Ее характеристики определяют процесс разрушения бетона конструкции. В теории расчета долговечности бетона конструкций наряду с другими факторами установлена взаимосвязь дифференциальной структуры пор и коэффициентов интенсивности напряжений, определяющими эксплуатационный ресурс конструкции. Однако определение этих характеристик, из-за отсутствия других способов, осуществляется экспериментально или на основании полуэмпирических зависимостей. Оценивая общую пористость, эти зависимости не дают ответы на вопросы, связанные с формой пор, количественным и вероятностным распределением пор по размеру.
Известно, что наиболее многочисленная и ответственная за свойства бетона доля пор – капилляры. Они проницаемы для воды, являются причиной проникания ее внутрь бетона конструкции, способствуют накоплению и развитию трещин. Основные свойства бетона зависят от характеристик капиллярной поровой структуры, формирование которой начинается на ранней стадии твердения цемента.
Проблемы экспериментального исследования характеристик пор капиллярного диапазона связаны со сложностями подготовки образцов, часто искажающей структуру. Несмотря на существование интегральных методов исследования поровой структуры бетона, методы исследования дифференциальной пористости требуют дальнейшего развития.
Для прогнозирования капиллярных пор перспективным является метод компьютерного моделирования, который в последнее время активно применяется для прогноза морозостойкости и долговечности бетона.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами научно-технических работ Томского ГАСУ, в частности по теме 2.1.6.1 «Формирование структуры цементного камня на раннем этапе твердения» в рамках отраслевой научно-технической Министерства образования РФ «Строительство и архитектура», 1997 г.
Объект исследования - цементный камень тяжелого бетона.
Предмет исследования – процесс формирования поровой структуры капиллярного диапазона.
Цель работы: разработка вероятностной математической модели формирования структуры капиллярных пор цементного камня, основанной на случайном характере распределения частиц цемента, для прогнозирования долговечности тяжелого бетона конструкций, работающих в условиях отсутствия динамических нагрузок и сильноагрессивных воздействий.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
- Разработать вероятностную физико-математическую модель структуры капиллярных пор цементного камня, учитывающую взаимодействие цементных частиц через водную прослойку, и алгоритм ее реализации.
- Разработать метод экспериментальной оценки структуры капиллярных пор цементного камня по сколу образца, позволяющий получать вероятностное и количественное распределения пор по размеру и форме.
- Установить применимость модели в расчете долговечности тяжелого бетона конструкций по результатам сравнения данных моделирования и экспериментальной оценки распределения капиллярных пор цементного камня по их размеру.
- Разработать алгоритм подбора гранулометрического состава цемента, водоцементного отношения и пластифицирующих добавок для тяжелого бетона конструкций требуемой долговечности при заданных условиях эксплуатации.
Методы исследования. В работе, кроме стандартных методик исследования, применялись методы компьютерного моделирования, теории вероятности, математической статистики, седиментационного анализа гранулометрического состава порошков, растровой электронной микроскопии.
Научная новизна работы:
- Установлено, что учет энергии взаимодействия цементных частиц через водную прослойку и их распределения по размеру позволяет разработать с достаточной для практических задач адекватностью физико-математическую модель структуры капиллярных пор цементного камня, позволяющую с большей надежностью прогнозировать долговечность тяжелого бетона несущих строительных конструкций.
- Установлено, что при экспериментальном исследовании капиллярной поровой структуры цементного камня эффект ее искажения устраняется изучением скола образца, полученного ударным воздействием сосредоточенной нагрузкой, что обеспечивает возможность адекватного анализа распределения пор по слоям структуры на основе изображений при использовании метода растровой электронной микроскопии.
Практическая значимость:
- Разработана вероятностная физико-математическая модель структуры капиллярных пор цементного камня, алгоритм и компьютерная программа ее реализации для прогноза долговечности тяжелого бетона несущих строительных конструкций.
- Разработана методика определения характеристик структуры капиллярных пор цементного камня путем обработки изображений, полученных в поле отраженных электронов со скола образца, методом растровой электронной микроскопии.
- Разработан алгоритм подбора гранулометрического состава цемента, водоцементного отношения и пластифицирующих добавок для тяжелого бетона конструкций требуемой долговечности при заданных условиях эксплуатации.
- Разработан и защищен патентом на изобретение способ прогнозирования капиллярной поровой структуры цементного камня, позволяющий с большей надежностью прогнозировать долговечность тяжелого бетона строительных конструкций.
- Результаты исследования использованы:
- при строительстве монолитной железобетонной водопропускной трубы в г. Томске со средней толщиной стен 1,2 м;
- для чтения лекций по вопросам бетоноведения в курсах дисциплин «Технология строительных процессов», подготовке магистерских диссертаций и дипломных работ на строительном факультете ТГАСУ.
Достоверность содержащихся в работе результатов обеспечена корректностью применения апробированных методов строительного материаловедения, математического аппарата, необходимым объемом статистических данных, применением современных поверенных средств измерений требуемого диапазона, согласованностью результатов теоретических положений с данными, полученными автором экспериментальным путем и с данными других исследователей.
На защиту автор выносит:
- Вероятностную физико-математическую модель, имитирующую процесс формирования структуры капиллярных пор цементного камня и алгоритм ее реализации.
- Методику определения характеристик структуры капиллярных пор цементного камня путем обработки изображений скола образца, полученных методом растровой электронной микроскопии.
- Результаты исследования влияния гранулометрического состава цемента на дифференциальную капиллярную пористость цементного камня.
- Алгоритм подбора гранулометрического состава цемента, водоцементного отношения и пластифицирующих добавок для бетонных и железобетонных конструкций с заданным сроком эксплуатации в условиях отсутствия динамических и сильноагрессивных воздействий.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на III международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах. Структурно- энергетические превращения в конденсированных средах» Алтайский ГТУ, Барнаул, 1996, Международном конгрессе «Ресурсо- и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства» в г. Новосибирске, 1998 и 2000 г.; 10-й Сибирской (международной) конференции по железобетону в Новосибирске, 2005 г.; II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону. Бетон и железобетон - пути развития. Москва, 2005 г, на ежегодных научно-технических конференциях Томского ГАСУ в 1996-2005 гг.
Публикации. Материалы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и в описании патента «Способ прогнозирования капиллярной поровой структуры цементного камня» (№ 2242743, 2004 г.).
Личный вклад соискателя состоит в: научном обосновании способа прогнозирования капиллярной поровой структуры цементного камня; разработке вероятностной математической модели структуры капиллярных пор цементного камня; разработке метода экспериментальной оценки структуры капиллярных пор с применением растровой электронной микроскопии; обработке и анализе экспериментальных данных; в разработке алгоритма подбора компонентов цементно-водной составляющей тяжелого бетона конструкций требуемой долговечности для заданных условий эксплуатации; участии в реализации результатов работы.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав и имеет общий объем 132 страниц машинописного текста; основных выводов; списка используемой литературы из 128 наименований; 10 таблиц и 53 рисунка.
Диссертационная работа выполнялась в ТГАСУ. Эксперименты проводились в лабораториях ТГАСУ, ТГУ, ТПУ, Институте физики прочности СОРАН.
Соискатель выражает особую благодарность и признательность научному консультанту д.т.н., профессору А. И. Гныре, д.т.н., профессору Ю.С. Саркисову, к. ф-м. н., доценту Б. В. Дудке, к. ф.-м. н., доценту Д. В. Лычагину за оказанную помощь, ценные советы и консультации при выполнении работы. Автор благодарит сотрудников лаборатории ООО «Оргтехстрой» г. Томска, директора департамента градостроительства и перспективного развития администрации г. Томска В. Ю. Чернету за помощь в предоставлении оборудования для проведения экспериментов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы.
Первая глава содержит анализ влияния капиллярной поровой структуры бетона на долговечность бетонных и железобетонных конструкций, экспериментальных методик ее исследования и способов моделирования.
К капиллярному диапазону относят поры размером от 0,1 мкм, так как поры меньшего размера непроницаемы для воды. Согласно исследованиям, содержание пор цементного камня капиллярного размера составляет около 60%. В диссертации приведены классификации пор цементного камня.
В работах Ахвердова И.Н., Баженова Ю.М., Вербецкого Г.П., Горчакова Г.И., Иванова Ф.М., Капкина М.М., Москвина В.М, Скрамтаева Б.Г., Шейкина А.Е. и др. показано влияние капиллярной поровой структуры на свойства тяжелого бетона и выявлены факторы, ее определяющие. Однако данных о дифференциальных характеристиках пор капиллярного диапазона мало и этот вопрос требует дальнейшего изучения.
В основу теории прогнозирования долговечности, разработанной Гузеевым Е.А., Пирадовым К.А., Леоновичем С.Н. и др. положена гипотеза о капиллярно-поровых дефектах как трещинах, в вершинах которых создаются максимально высокие напряжения вследствие изменяющихся внешних воздействий. В теории использованы инвариантный энергетический и силовой параметры характеристик свойств структуры бетона. Коэффициенты интенсивности напряжений (КИН), меняющиеся от температурно-влажностного и коррозионного воздействия, зависят от состава бетона, характеристик его компонентов: объемного содержания цементного камня, гранулометрического состава и количества заполнителя. Преимуществом подхода является учет комплекса факторов, влияющих на рост трещин. Влияние каждого диапазона пор определяется расчетом соответствующего значения КИН при температурно-влажностном и силовом воздействии. Долговечность (эксплуатационный ресурс) конструкции определяется отношением разности критического значения и КИН от нагрузки, к разности значений этого параметра в зимнее и летнее время. Анализом данных работы установлено, что вклад капиллярных пор в суммарную величину КИН составляет около 70%. Для оценки дифференциальной пористости использован детерминированный, а не вероятностный подход, что приводит к дополнительной идеализации поровой структуры и неизбежно снижает точность расчета.
В главе выполнен анализ экспериментальных способов исследования структуры пор цементного камня и бетона. Условно их можно разделить на две группы: первая связана с оценкой параметров структуры при воздействии на образец жидкостей или газов, вторая - с анализом изображений структуры, полученных методами микроскопии.
Метод электронной микроскопии позволяет подробно изучить диапазон микропор, в том числе, и капиллярный, без нарушения структуры. Основной сложностью электронной микроскопии для бетона и цементного камня является отсутствие достаточно надежной методики подготовки образцов и получения количественных характеристик поровой структуры по полученным изображениям.
Моделирование структуры порового пространства цементного камня и бетона как капиллярно-пористого тела начиналось с систем из сферических и несферических частиц. В работах Ахвердова И. Н., Блещика Н. П., Бугрима С.Ф., Лагойды А.В., Кудякова А. И., Смирнова А. Г. и др. они использовалась для прогноза реологических свойств смеси, проницаемости бетона, межзернового пространства, пористости и прочности.
Более сложные упаковки с реальным распределением по размерам и случайным расположением частиц в пространстве, применялись в работах Воробьева В.А. и др. для минимизации межзернового пространства крупного заполнителя в бетоне. Полак А.Ф. использовал стохастическую модель для прогноза свойств вяжущих и материалов на их основе. Гусев Б.В., Parrott L. G., Guang Ye, K. Van Breugel применяли вероятностные модели для прогноза морозостойкости и проницаемости бетона и цементного камня. Подобные модели Young, J.F., Bentz D.P., Garboczi E.J. и др. использовали как средство исследования коррозионной стойкости и долговечности бетона. Однако в перечисленных работах не учитываются процессы формирования капиллярной структуры раннего возраста цементного камня и бетона, которые определяют их структуру в остальные периоды.
Для выявления факторов, оказывающих существенное влияние на микроструктуру бетона, в главе выполнен анализ периодов формирования структуры капиллярных пор цементного камня с точки зрения теории твердения вяжущих веществ.
Выводы, сделанные на основании представлений Ахвердова И.Н., Байкова А.А., Баженова Ю.М., Выродова И.П., Гранковского И.Г., Круглицкого Н.Н., Ле-Шателье и Михаэлиса, Ребиндера П.А., Сычева М.М. и др. сводятся к следующему. Процесс формирования капиллярных пор начинается на стадии формирования коагуляционной структуры в период, предшествующий схватыванию цемента.
Взаимодействие частиц, приводящее к образованию коагуляционной структуры системы «цемент-вода», определяется поверхностными силами. Эти силы являются дальнодействующими и связаны с полями электростатической и электромагнитной природы.
При теоретическом обосновании экспериментальных данных в исследованиях свойств вяжущих веществ широкое применение находят потенциальные кривые энергии взаимодействия частиц. Однако, несмотря на перспективность работ в этом направлении, по отношению к цементно-водным системам пока не разработано зависимостей влияния компонентов смеси и температуры на энергию взаимодействия цементных частиц через прослойку жидкости, определяющих характеристики поровой структуры цементного камня.
Во второй главе приведены характеристики материалов, используемых в работе, и описание методик исследования.
Для изучения и оценки параметров и свойств цементно-водной системы, цементного камня использованы как стандартные методики, регламентируемые нормативными документами, так и нестандартные, используемые в строительном материаловедении.
В качестве исходных компонентов использованы портландцементы Топкинского цементного завода ПЦ М500 и ПЦ М400-Д20. Приведены химический и минералогический составы применяемых цементов.
Гранулометрический состав цементов определялся двумя методами – седиментационным и оптическим, с применением микроскопа. В первом случае использовался седиментометр ВС-3 с автоматизированным анализом. Сравнение полученных кривых распределений частиц показало хорошую сходимость результатов и соответствие имеющимся в литературных источниках данным.
Так как в энергии взаимодействия частиц цемента важную роль играет диэлектрическая проницаемость, эта величина измерялась экспериментально методом высокочастотной диэлькометрии.
По полученным данным определяли зависимость диэлектрической проницаемости от водоцементного отношения на момент начала схватывания цемента. Например, для исследуемых цементов эти зависимости имеют вид:
(1)
(2)
где в- диэлектрическая проницаемость воды, В/Ц – водоцементное отношение, t - температура.
(3)
Экспериментальное исследование поровой структуры цементного камня проводили на образцах размером 202020 мм. Количество параллельных образцов принималось не менее 6 шт. Для эксперимента применяли водоцементное отношение 0,25; 0,3; 0,4. Границы изменения фактора выбраны с позиции технологии изготовления образцов, применимости в бетонных смесях с пластифицирующими добавками и близкими значениями водоцементного отношения (с учетом водопоглощения заполнителя). Для определения влияния температурного фактора в период, предшествующий схватыванию, формы с образцами сразу после изготовления помещались в заранее прогретую до заданной температуры камеру. Температурное воздействие (20, 40, 60, 80 0С) производили в начальный период, предшествующий схватыванию. Для исключения испарения воды металлические формы тщательно укрывались полиэтиленовой пленкой. После 4-х часовой тепловой обработки образцы твердели в нормальных условиях 28 суток. Затем определялась прочность, общая и капиллярная пористость образцов. Степень гидратации цемента определялась по потерям при прокаливании.
Исследование поровой структуры капиллярного диапазона производилось с применением растровой электронной микроскопии (РЭМ). Подготовка образцов заключается в получении поверхности с оптимально ровным профилем излома заданного размера, полученного ударным воздействием сосредоточенной нагрузкой.
Изображения из микроскопа передавались в компьютер при помощи специального блока и программы, минуя операции, связанные с обычной фотографией объекта. Подбор увеличения выполнялся по признаку максимального количества пор изучаемого диапазона и оптимального соотношения информативной и остальной площади изображения. Путем пробных снимков и их обработки определено, что более технологичными для обработки являются увеличения в 2000 и в 1000 раз. Количественная обработка снимков производилась специально разработанной программой, определяющей поры и их площади. Идентификация пор происходила по отношению к уровню яркости изображения.
Анализ капиллярных пор производился по шести изображениям скола образцов площадью 10,8103 мкм2. Отделение информативной и остальной площади изображения производилось по критерию размеров измеряемых объектов: неровностями и дефектами считались объекты размером более 10 мкм и менее 0, 5 мкм с приведением результатов к единице площади по формуле:
(4)
где 
- количество пор на мкм2, Fm– площадь одного снимка, Fп – площадь пор радиусом более 10 мкм (неровности и дефекты поверхности).
Выходными параметрами анализа были количество пор и вероятность распределения пор по размерам, средний размер и форма пор.
В третьей главе рассмотрен порядок и принцип моделирования капиллярной поровой структуры цементного и анализ адекватности модели сравнением экспериментальных и расчетных характеристик.
Компьютерное моделирование выполнялось по следующим этапам:
- Формулировка стохастической модели структуры.
- Разработка алгоритма процесса моделирования структурообразования.
- Реализация стохастической модели и получение результата в виде матрицы обобщенных координат всех элементов упаковки данной структуры.
- Создание и реализация алгоритмов для исследования свойств полученных статистических математических моделей структуры.
- Проверка адекватности и корректировка модели.
В работе предлагается компьютерная модель коагуляционной структуры цементного камня на момент времени, предшествующий началу схватывания, состоящей из упакованных случайным образом шарообразных недеформируемых обводненных частиц цемента с заданным законом распределения их радиуса, определенным экспериментально. Затем, на основании расчета энергии взаимодействия между частицами, определялось такое их взаиморасположение, которое соответствует минимуму потенциальной энергии системы. Процесс гидратации имитировался ростом оболочек вокруг частиц до величины, ограниченной степенью гидратации цемента.
Расчет энергии взаимодействия частиц производился согласно зависимости:
, (5)
где Us, Ue, Um - соответственно структурная, электростатическая и молекулярная составляющие энергии взаимодействия частиц; 
- приближение Дерягина для перехода от плоского контакта к контакту двух сферических частиц разного радиуса R1 и R2.
, (6)
где Ks - характеризует величину силы при h 0, L - характеризует длину корреляции структурной упорядоченности.
, (7)
где 
- обратная толщина ионной атмосферы, которая характеризует расстояние от поверхности, на котором потенциал 0 снижается в e раз, C - концентрация ионов в растворе, - диэлектрическая проницаемость жидкой фазы, 0 - электрическая постоянная, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура.
, (8)
где 
- постоянная Планка; c – скорость света; 01 и 00 – статические диэлектрические проницаемости частиц и среды соответственно (01 = 6, 00 рассчитывалась по формулам (1, 2)); 
= 0,4 – функция, значения которой приняты из литературы.
На основе полученного потенциала взаимодействия частиц цемента через прослойку жидкости были построены потенциальные кривые, показывающие влияние водоцементного отношения и температуры на энергию взаимодействия в момент, предшествующий схватыванию цемента. Под схватыванием цемента понимается время, определяемое стандартной методикой по прибору Вика. Для примера показаны кривые цементно-водной смеси на портландцементе Топкинского завода ПЦ М500 и ПЦ М400-Д20. (рис. 1-2).
Рис. 1. Потенциальная кривая (ПЦ М500, В/Ц=0.3).
При В/Ц=0,3 на разных марках цемента температурные изменения потенциальной кривой различны: на ПЦ М500 наблюдается «классический» вид кривых на диапазоне температур 20-60 0С с двумя минимумами, кроме температуры 80 0С. У цемента ПЦ М400-Д20, помимо изменения величины энергии, меняется характер потенциальной кривой при повышении температуры: от почти экспоненциальной зависимости до кривой с двумя минимумами. Это связано с изменением диэлектрической проницаемости цементно-водной системы, различной для двух цементов.
Рис. 2. Потенциальная кривая (ПЦ М400-Д20, В/Ц=0.3).
Поиск взаиморасположения частиц цемента, соответствующего минимуму энергии системы производился с помощью компьютерной программы разработанной с применением метода Монте - Карло.
На основе полученной модели системы «цемент-вода» производилось моделирование изменения структуры капиллярных пор цементного камня в процессе гидратации. Это достигалось путем увеличения радиусов частиц до получения капиллярной пористости цементного камня, соответствующей степени гидратации цемента. Для оценки капиллярной пористости цементного камня в зависимости от степени гидратации цемента использовалась зависимость (9):
(9)
где ПК – капиллярная пористость цементного камня; В/Ц – водоцементное отношение по массе; Ц – плотность цемента; – степень гидратации цемента на данный момент времени (экспериментальная или расчетная).
Для построения одной модели использовалось от 4000 до 20000 частиц в зависимости от водоцементного отношения и гранулометрического состава цемента (см. рис.4). Размер одной модели 150150 мкм.
а) б)
Рис. 3. Модель капиллярных пор цементного камня а) после релаксации и б) через 28 суток твердения (В/Ц = 0.4, t = 20 0С, ПЦ М500).
Сравнение модельной и реальной структуры капиллярных пор цементного камня производили на основании обработки изображений, полученных методом РЭМ и в результате моделирования. Необходимые для расчета характеристики – гранулометрический состав и диэлектрическая проницаемость принимались по полученным выше зависимостям.
Сравниваемые модельные и экспериментальные характеристики были приведены к одной площади, равной 4,32104 мкм2. Критериями сравнения были две характеристики: количество пор, приведенное к одной площади и вероятность распределения пор по размерам.
Отличия модельной и экспериментальной дифференциальной кривой наблюдаются в диапазоне менее 2 мкм. Это связано с точностью определения реальной пористости. Остальной диапазон пор (радиусом 2-5 мкм) хорошо согласуется с моделью. Показатель вероятности распределения пор по размеру показал лучшую адекватность модели реальной структуре.
В работе приведено сравнение полученных результатов с данными, определенными методом ртутной порометрии. Анализ показал, что характер распределения пор капиллярного диапазона имеет схожий характер.
В четвертой главе рассмотрены вопросы влияния факторов, определяющих структуру капиллярных пор цементного камня и прогнозирования долговечности конструкций с использованием разработанной модели.
Для анализа влияния факторов, определяющих структуру капиллярных пор, выделены водоцементное отношение, температура, гранулометрический состав и пластифицирующая добавка.
Из перечисленных большее значение, как и предполагалось, оказывают водоцементное отношение и гранулометрический состав, присутствие пластификатора. Температура начального периода твердения, оказала влияние на характер распределения пор только на структуру цементного камня из ПЦ М400-Д20 (рис. 4). Это хорошо согласуется с потенциальной кривой, показанной на рис. 2. Структура пор камня на цементе ПЦ М500 от температуры существенно не изменилась.
Снижение водоцементного отношения сдвигает кривую распределения в область мелких пор. Например, диапазон размеров и максимальная доля пор уменьшаются на 50 % при уменьшении водоцементного отношения на 33 %. Применение цемента с более мелкой фракцией также смещает кривую распределения в область мелких пор (рис. 5). Диапазон пор уменьшается в рассмотренных вариантах от 4 до 1,35 мкм.
Рис. 4. Влияние температуры начального периода на дифференциальную капиллярную пористость цементного камня. Данные приведены для цемента ПЦ М400-Д20, В/Ц=0,3. Площадь 21,9 103 мкм 2.
Рис. 5. Дифференциальная пористость цементного камня из портландцемента марки: 1 – ПЦ М400-Д20, 2 – ПЦ М500, 3 – 5 –гранулометрические составы, показанные на рис. 6.
Рис. 6. Гранулометрические составы цементов: 1 – ПЦ М400-Д20, 2 – ПЦ М500, 3 - 5 – проектируемые составы, Р – вероятность (P = Ni/Ni), где Ni – количество зерен цемента i-того диапазона.
Подобный эффект происходит с введением в смесь пластификатора. В качестве такового использовался суперпластификатор (МСФ). Его влияние учитывалось изменением - потенциала цемента. В результате потенциальная кривая взаимодействия цементных частиц в смеси «цемент- вода» имеет другой вид (рис. 7), из которого видно, что в системе преобладают силы отталкивания. В конечном итоге это способствует формированию структуры капиллярных пор с лучшими показателями (рис. 8).
Рис. 7. Потенциальная кривая взаимодействия цементных частиц в смеси «цемент- вода» с добавкой суперпластификатора меламинсульфонафт (МСФ).
Рис. 8. Вероятностное распределение пор в цементном камне с добавкой суперпластификатора меламинсульфонафт (МСФ) и без него.
Результаты исследования влияния факторов, определяющих структуру капиллярных пор, на прочность, модуль упругости, общую пористость цементного камня показывают, что перечисленные свойства связаны со структурой капиллярных пор косвенно. Эти особенности проявляются при действии комплекса факторов – силовой нагрузки, температурно-влажностного воздействия, что в полной мере воспроизвести в лабораторных условиях сложно. Такую возможность дает теория расчета долговечности, учитывающая перечисленный спектр воздействий.
Возможность применения модели в расчете стойкости тяжелого бетона несущих конструкций оценивали по результатам сравнения данных моделирования и экспериментального распределения капиллярных пор цементного камня по размеру. Для этого выполнен расчет срока безремонтной эксплуатации забивной железобетонной сваи, бетон которой разрушился в зоне промерзания через 13 лет эксплуатации при требуемой долговечности 50 лет в температурно-влажностных условиях Первомайского месторождения Томской области. Данные по обследованию 876 свайных фундаментов – опор линий электропередач, 33 % которых требовали усиления, получены из научно-технического отчета кафедры «Строительные конструкции» ТГАСУ. Исходными параметрами для расчета являлись: температура и влажность зимнего и летнего периодов, прочность, количество и модуль крупности заполнителя, общая пористость, доля цементного камня в бетоне, силовая нагрузка на сваю. Необходимые данные, связанные с составом и пористостью бетона, были получены из фрагмента подобной сваи, не испытавшей силовых нагрузок и тепловлажностных воздействий.
Для условий работы конструкции был спроектирован гранулометрический состав цемента, обеспечивающий требуемый срок эксплуатации.
При постоянных остальных параметрах переменным принимали распределение капиллярных пор. Расчет производили по 3 вариантам. Вариант 1: данные, полученные на основании формул типа (9). Вариант 2: данные капиллярной пористости, полученные методом РЭМ по описанной выше методике из фрагмента бетона сваи. Вариант 3: модельная структура, полученная по предлагаемой методике. Вариант 4: проектируемый гранулометрический состав цемента, который при прочих неизменяемых факторах обеспечит требуемый срок эксплуатации конструкции.
Расчет производили согласно теории долговечности бетона с изменением ее в части расчета капиллярной пористости.
Результаты расчета приведены в табл.1. Как видно, использование данных, полученных в результате моделирования капиллярных пор цементного камня, не только приводит к более точному прогнозу срока эксплуатации конструкции, но и позволяет подбирать такой гранулометрический состав цемента, В/Ц, добавку, которые при остальных равных условиях обеспечивают требуемую долговечность.
Таблица 1.
Варианты расчета долговечности
железобетонной сваи с реальным сроком эксплуатации 13 лет.
| Вар-т | Описание варианта | t, лет |
| 1 | Расчет пористости по формулам типа (9) | 25,6 |
| 2 | Поровая структура реальной конструкции (РЭМ) | 14,9 |
| 3 | Модельная структура, соответствующая варианту 3 | 14,2 |
| 4 | Модельная структура на цементе проектируемого гранулометрического состава | 52,3 |
В работе рекомендовано выполнять подбор компонентов цементно-водной составляющей тяжелого бетона на стадии проектирования конструкций. Алгоритм подбора гранулометрического состава цемента, водоцементного отношения и пластифицирующих добавок для тяжелого бетона конструкций требуемой долговечности при заданных условиях эксплуатации состоит в следующем:
- определение параметров тепловлажностных условий работы конструкции, силовых нагрузок;
- подбор состава бетонной смеси под требуемую прочность и морозостойкость на стандартном цементе;
- расчет долговечности бетона конструкции от характеристик компонентов принятого состава и условий эксплуатации c расчетом дифференциальной капиллярной пористости;
- сравнение расчетного срока эксплуатации с требуемым;
- при несоответствии расчетного срока эксплуатации требуемому корректировка состава цементно-водной композиции: изменение гранулометрического состава повышением доли мелкой фракции, добавление пластификатора, изменение водоцементного отношения;
- определение активности цемента проектируемого гранулометрического состава, корректировка состава бетонной смеси;
- повторный расчет долговечности бетона конструкции от характеристик компонентов скорректированного состава и условий эксплуатации.
В условиях производства получение цементов заданного гранулометрического состава достигается рассевом или дополнительным измельчением стандартного цемента.
Определены пути дальнейшего развития работы: разработка трехмерной модели поровой структуры и совершенствование этапа моделирования изменения капиллярной пористости с возрастом бетона.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
- Для разработки модели формирования капиллярных пор цементного камня необходимо учитывать взаимодействие цементных частиц через водную прослойку, их распределение по размеру, случайность их взаиморасположения в цементно-водной системе и степень гидратации цемента. Адекватность физико-математической модели, разработанной на указанных принципах, подтверждена экспериментально.
- Энергия взаимодействия между цементными частицами и вид потенциальной кривой в начальный период твердения влияет на процесс образования флокул, впоследствии оказывающего влияние на размер и распределение пор цементного камня.
- По сравнению с другими методами, метод растровой электронной микроскопии позволяет достаточно объективно оценивать характеристики капиллярной поровой структуры цементного камня и получать количественные характеристики капиллярных пор оперативно и без искажения поровой структуры. Это достигается путем обработки изоповерхности скола образца цементного камня.
4. Дифференциальные характеристики капиллярной поровой структуры цементного камня в различной степени зависят от водоцементного отношения, температуры раннего периода, гранулометрического состава цемента и пластифицирующей добавки. Например, диапазон размеров и максимальная доля пор уменьшаются на 60 % при уменьшении среднего зерна цемента на 38 %, уменьшение водоцементного отношения и присутствие пластифицирующей добавки на 33 % уменьшает показатели на 50%, увеличение температуры смеси с водоцементным отношением 0,4 от 20 до 80 0С увеличило показатели на 16 %. По степени влияния их можно расположить в следующей последовательности: гранулометрический состав, водоцементное отношение и пластифицирующая добавка, температура раннего периода.
- Модель применима в расчете долговечности бетонных и железобетонных конструкций в части расчета дифференциальной пористости капиллярного диапазона. Сравнительный анализ результатов расчета для забивной железобетонной сваи с реальным сроком эксплуатации показал, что предлагаемый способ количественной оценки пор капиллярного диапазона развивает теорию расчета долговечности бетонных и железобетонных конструкций.
- Разработан алгоритм подбора гранулометрического состава цемента, водоцементного отношения и пластифицирующих добавок для тяжелого бетона конструкций требуемой долговечности при заданных условиях эксплуатации в условиях отсутствия динамических нагрузок и сильноагрессивных воздействий.
- Опытно-промышленное апробирование результатов работы подтверждает ее целесообразность.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Дудка Б. В., Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Терентьева И. А., Петрухин А.В. Имитация структурообразования пористых материалов. Тез. докладов III международная школа-семинар «Эволюция дефектных структур в металлах и сплавах. Структурно- энергетические превращения в конденсированных средах» 1996. Алт. ГТУ, Барнаул, с. 53.
- Дудка Б. В., Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Петрухин А.В. Моделирование структуры пористых тел // Заводская лаборатория. – 1997. - №7. – с. 11-17.
- Дудка Б. В., Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Терентьева И. А., Петрухин А.В. Математическое моделирование структуры пористых материалов// Деп. в ВИНИТИ № 202-В98, 23.01.98, 41 с.
- Дудка Б. В., Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Петрухин А.В. Определение структурных характеристик пористых тел методом математического моделирования // Тез. докл. XV межрегиональной научно-технической конференции. Расчеты и конструирование сооружений, автомобильных дорог, технологии и материалы, экологические проблемы региона.-Красноярск.- 1997. – с. 24.
- Гныря А.И., Дудка Б.В., Томрачев С.А., Подласова И.А. Модель для определения методов повышения качества специальных бетонов при реконструкции зданий и сооружений.// Тезисы докладов международного конгресса «Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства» - Новосибирск: Изд-во НГАСУ.- 1998. – с. 9.
- Подласова И.А., Томрачев С.А., Дудка Б. В.. Совершенствование технологии электротермообработки бетона на основе имитационной модели структуры цементной пасты // Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТГАСУ. - 1999.- с. 46.
- Подласова И.А., Томрачев С.А., Дудка Б. В. Расчет энергосберегающих режимов выдерживания бетона // Нетрадиционные технологии в строительстве. Тезисы докладов научно-технической конференции. - Томск: изд-во ТГАСУ.- 1999. – с. 37.
- Томрачев С.А., Подласова И.А., Петрухин А.В. Ресурсосберегающий метод разработки технологий изготовления подземных бетонных и железобетонных конструкций. // Тезисы докладов II международного конгресса «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве». - Новосибирск: Изд-во НГАСУ.- 1999. – с. 26.
- Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Дудка Б. В. Оптимизация режимов тепловой обработки бетона с целью повышения долговечности бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений // Тезисы докладов III международного конгресса «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве». Новосибирск: Изд-во НГАСУ. - 2000. с. 62.
- Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Дудка Б. В. Моделирование структуры порового пространства цементного камня // Вестник ТГАСУ. - № 1. – 2000. – с. 32-41.
- Подласова И.А., Гныря А. И., Томрачев С.А., Дудка Б. В. Исследование энергосберегающих технологий в монолитном домостроении // Научно-технический отчет. - Исх. № 044584 от 4.08.2000.
- Томрачев С. А., Подласова И. А., Лычагин Д. В. Исследование структуры капиллярных пор цементного камня методом растровой электронной микроскопии// Вестник ТГАСУ. - №1. - 2001. – С. 120-136.
- Подласова И. А., Томрачев С. А., Гусаков А. М. Анализ структуры капиллярных пор цементного камня по его изображениям, полученным методом растровой микроскопии // Вестник ТГАСУ. - №1. - 2004. – С. 98-106.
- Подласова И.А., Томрачев С.А., Гусаков А.М. Неизотермический массоперенос в бетонных конструкциях на ранней стадии выдерживания // Научные труды общества железобетонщиков Сибири и Урала. - Новосибирск. - 2005 г. – с. 137-140.
- Подласова И.А., Томрачев С.А., Гусаков А.М. Внутренний массоперенос в бетоне конструкций, возводимых в зимних условиях // Материалы II Всероссийской (Международной) конференции по бетону и железобетону. Бетон и железобетон - пути развития. Москва, 5-9 сентября 2005 г. – С. 363-371.
- Подласова И.А., Томрачев С.А., Гусаков А.М. Внутренний массоперенос в бетоне конструкций, возводимых в зимних условиях// Бетон и железобетон. - № 4. – 2005. – С. 22-26.
- Пат. 2242743 C1 Российская Федерация, МПК G 01 15/08. Способ прогнозирования поровой структуры цементного камня/ Подласова И.А., Томрачев С.А., Дудка Б.В.; заявитель и патентообладатель Томский государственный архитектурно-строительный университет - № 2003124089/28; заявл. 31.07.2003; опубл. 20. 12. 2004. БИ№ 35.
