РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕНОБЕТОНОВ НА
СТАДИИ изготовления
2.1 Совершенствование процесса гомогенизации пенобетонной смеси
Многочисленные исследования, анализ которых проведен в разд. 1, позволяют
сделать вывод о том, что затвердевший пенобетон представляет собой
полидисперсную структуру (рис. 2.1), состоящую из системы пузырьков воздуха,
разделенных межпоровыми перегородками . Межпоровые перегородки состоят из
молекул ПАВ, абсорбированных на поверхности раздела фаз “газ – твердое тело“,
мелкого заполнителя, молекул ПАВ, абсорбированных на поверхности раздела фаз
твердых компонентов, продуктов гидратации цемента.
Кроме указанных элементов, в рассматриваемую структуру входят микропоры
цементного камня и др.
Взаимодействие между элементами межпоровых перегородок определяет прочностные и
деформативные свойства пенобетона, размер, форма и характер распределения
пузырьков вовлеченного воздуха – определяет теплофизические и другие свойства
материала.
Для определения влияния размера пузырьков вовлеченного воздуха на прочность
пенобетона, используем расчетную схему образца пенобетона, находящегося на
жестком основании и нагруженного равномерно распределенной нагрузкой q (рис.
2.1).
Рис. 2.1. Расчетная схема математической модели пенобетона
В случае значительного воздухововлечения, что имеет место в пенобетоне,
отдельную ячейку вовлеченного воздуха можно представить как сферу с минимальной
толщиной стенки, равной половине толщины межпоровой перегородки.
Согласно теории расчета сферических оболочек [68], установлена зависимость
нормальных меридиональных (уц) и окружных напряжений (уи) от радиуса пузырька
(R) и толщины его стенки (h) (рис. 2.2). Воздействие нагрузки q приводит к
появлению на поверхности пузырька распределенной нагрузки p, направленной в
каждой точке по нормали к сферической поверхности.
Рис. 2.2. Схема нагрузок действующих на элементарную ячейку
Для сферической поверхности можно записать уравнение Лапласа [68]:
, (2.1),
где R - радиус пузырька вовлеченного воздуха.
Согласно [68], для заданного характера распределения нагрузок напряжения уц ,уи
можно записать в виде:
(2.2),
(2.3).
Анализом формул (2.1, 2.2, 2.3) установлено, что величина напряжений в
межпоровых перегородках пропорциональна радиусу пузырьков вовлеченного воздуха.
Нормальные меридиональные напряжения (уц) всегда сжимающие. Нормальные окружные
напряжения (уи) сжимающие при ц, при - эти напряжения приравниваются к нулю и
далее переходят в растягивающие (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Эпюры нормальных напряжений
Значительная разница в размерах поперечных сечений межпоровых перегородках и
каналах Плато приводит к появлению в пенобетоне концентраторов напряжений, в
которых прочность цементного камня уменьшается на 40 – 60 % [69], по сравнению
с монолитным цементным камнем.
Таким образом, под действием внешних нагрузок в пенобетоне возникает сложное
напряженное состояние, обусловленное неоднородностью его структуры,
определяемой по известной формуле для определения прочности бетона [70].
Снижение прочности пенобетона под действием указанного напряженного состояния
требует введения в формулу (2.4) соответствующих понижающих коэффициентов:
, (2.4)
где ум, уз - прочность на сжатие цементной матрицы и заполнителя
соответственно;
Fм , Fз – площадь поверхности контакта матрицы и заполнителя.
Формулы (2.3, 2.4) позволяют установить требования, которым должна
удовлетворять структура пенобетона с повышенной прочностью:
а) получение пенобетона с высокопрочными межпоровыми перегородками;
б) наличие в пенобетоне пузырьков вовлеченного воздуха с минимально возможным
радиусом кривизны.
Первое требование может быть реализовано интенсивным силовым воздействием на
гомогенизируемую смесь, что приведет к росту скорости химических реакций в
пенобетонной смеси и увеличению концентрации дефектов твердых компонентов
смеси.
Реализация второго требования возможна путем направленного диспергирования
компонентов пенобетонной смеси в процессе перемешивания и выбора
технологического процесса, обеспечивающего создание мелкопористой структуры
(рис. 2.4).
Рис. 2.4. Способы формирования структуры пенобетона
Интенсификация химических реакций достигается внешними воздействиями на систему
взаимодействующих веществ [84, 85, 86], которые можно подразделить на:
а) механические (в результате действия внешних сил);
б) кристаллизационные (в процессе кристаллизации веществ или перевода веществ
из кристаллического в аморфное состояние);
в) физические (с использованием высоких энергий: путем воздействия на
активируемое тело давлением, лазерным излучением и др.);
г) химические (с использованием веществ – катализаторов, а также переводом
вещества в активную форму при его осаждении из концентрированных растворов при
снижении температуры, выщелачивании компонентов, термическое разложение, т.е
немеханическая обработка, позволяющая получить компоненты в мелкодисперсном
состоянии).
Один из наиболее распространенных методов интенсификации химических реакций с
участием твердых тел - механический. Он заключается в интенсивном динамическом
воздействии на реагирующую систему. Практически это воздействие может быть
реализовано путем изменения площади и активной поверхности твердых тел или их
интенсивном взаимном перемещении при осуществлении реакции. Согласно
положениям, установленным в науке – трибофизике, результатом взаимодействия
трущихся и соударяющихся частиц является: во-первых, увеличение свободной
поверхности частиц, во-вторых, рост числа дефектов кристаллической структуры,
в-третьих, во
- Київ+380960830922