Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




19.09.2018


18.09.2018


17.09.2018


17.09.2018


14.09.2018


11.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018


07.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

29.03.2016

Свойства бетона как поликомпонентного твердого тела определяются, главным образом, свойствами его составляющих и силой сцепления между ними. При разрушении бетонов определяющим фактором является наиболее слабое место в их структуре. В случае тяжелого бетона, где прочности отдельных компонентов достаточно высоки, таким местом служит зона контакта между ними.
Наиболее полно оценены соотношения значений структурных составляющих бетона А.Е. Десовым применительно к прочности тяжелого бетона выражением
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

где Rраск зап - прочность заполнителей на раскалывание; Rсц ср - прочность сцепления крупного заполнителя с раствором; Rр - прочность раствора на растяжение; Rстр - сила структурных напряжений.
Из формулы (1.1) следует, что влияние сцепления на прочность бетона почти на порядок выше, чем у отдельных его составляющих: заполнителя и раствора. Разнонаправленность знака при коэффициенте Rсц ср указывает на то, что в зоне контакта действуют различные явления, одни из которых способствуют повышению прочности бетона, а другие снижают ее.
По существующим представлениям формирование контактной зоны происходит в результате одновременного действия различных факторов и протекающих при этом процессов, что схематично дано на рис. 1.1. Прочность механического сцепления находится в прямой зависимости от степени шероховатости, и устранение механического зацепления за счет полировки заполнителей приводит к снижению прочности бетона на 29-30 %, что имеет место и при замене щебня на гравий, только в меньшей степени (10-20 %), и нашло свое отражение в различии коэффициентов (0,55-0,65) в известной формуле Боломея - Скрамтаева при расчете марки тяжелого бетона.
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Наиболее важным и сложным при изучении формирования контактной зоны является вопрос о взаимодействии продуктов гидратации цементного камня с минералами заполнителей.
При использовании кремнеземсодержащих заполнителей общепринятым считается, что их взаимодействие с цементным камнем осуществляется, главным образом, химическим путем в результате хемосорбции гидрата окиси кальция кремнеземом заполнителей.
При использовании карбонатных заполнителей механизм течения процессов их взаимодействия с цементным камнем и до настоящего времени является дискуссионным вопросом. Доминирующими являются две точки зрения. По одной из них более прочное сцепление известняков с цементным камнем связывается с химическим взаимодействием карбоната кальция этих заполнителей с алюминатными составляющими цемента и образованием в зоне контакта гидрокарбоалюминатов кальция. Согласно другой точке зрения высокая прочность сцепления цементного камня с известняками достигается в результате развития прочных эпитаксиальных контактов срастания. Отмечалось еще в 50-х гг. Ж. Фарраном, что между кальцитом карбонатных заполнителей и гидратом окиси кальция может происходить эпитаксиальное срастание благодаря близости парам решеток этих кристаллов. Позднее было также установлено (в исследованиях под руководством Ю.М. Бутта, В.В. Тимашева и др.), что кристаллизующийся на поверхности монокристаллов кальцита гидрат окиси кальция образует с ним закономерные сростки, обладающие прочными контактами срастания.
Наряду с отмеченными выше процессами формования контактной зоны в бетонах большее значение в последнее время уделяется процессам адгезии, т. к. на ранних стадиях твердения взаимодействие цементного теста с заполнителями осуществляется за счет адгезионных явлений смачивания и прилипания. Устранение адгезии при покрытии поверхности щебня органическим лаком приводит к полному нарушению его сцепления с цементным камнем и снижению прочности бетона более чем в 2 раза. Под термином «адгезия» понимается поверхностное взаимодействие приведенных в состояние контакта разнородных тел, обеспечивающих их склеивание. При этом клеящее вещество - адгезив, а склеиваемое - субстрат, или подложка. В системе бетонов субстратом является заполнитель, а адгезивом - цементное тесто, которое по своей природе можно отнести к жидким неорганическим клеям.
В процессе адгезии происходит прилипание клеящего вещества к поверхности твердого тела. Это осуществляется в результате удерживания молекул адгезива поверхностью субстрата (заполнителя) за счет развития между ними различных сил связи. Характер этих сил определяется природой контактируемых тел.
Чаще всего между молекулами жидкого адгезива и твердого тела развиваются так называемые силы Ван-дер-Ваальса. Среди них выделяются полярные и неполярные. К полярному типу относятся ориентационные и индукционные виды связей. Первые возникают тогда, когда полярные молекулы субстрата и адгезива притягиваются разноименными полюсами. Индукционные силы могут развиваться на контакте полярных и неполярных тел, когда молекулы последних, поляризуясь, образуют индуцированные диполи, взаимодействующие с молекулами полярных тел. Среди неполярных видов связей можно указать на донорно-акцепторные и дисперсионные, возникающие независимо от полярности молекул, когда их орбитали сближаются и перекрывают друг друга.
Важная роль при взаимодействии молекул жидкого адгезива и субстрата принадлежит водородным связям. Они развиваются при проявлении атомом водорода второй (дополнительной) валентности. Однако такое проявление у водорода добавочной валентности возможно тогда, когда его основная валентность связана с атомом, обладающим весьма значительным отрицательным зарядом, например с кислородом в молекуле воды. Водородный тип связей имеет одно из первостепенных значений при адгезии цементных вяжущих, у которых жидкостью затворения служит вода.
При наиболее активном химическом взаимодействии контактируемых тел имеется возможность образования прочных химических связей ионного и ковалентного типа.
Рассмотренные выше типы связей по степени уменьшения их энергии располагаются в такой последовательности. Самыми слабыми являются межмолекулярные вандерваальсовы силы (0,5-2 ккал/моль), а наиболее сильными - химические, их энергия составляет от нескольких десятков до сотен ккал/моль. Водородная связь занимает промежуточное положение меду силами Ван-дер-Ваальса и химическими, ее энергия обычно оценивается в 4-7 ккал/моль, но может достигать 10-30 ккал/моль. Энергия донорно-акцепторных связей колеблется в широких пределах от 2-3 ккал/моль в слабых комплексах и до 50 ккал/моль, что сопоставимо с энергией химических связей. Ясно, чем выше будет энергия молекулярных связей, развивающихся на контакте склеиваемых тел, тем с большей силой адгезив будет удерживаться поверхностью субстрата и тем прочнее будет сцепление между ними.
Следует отметить, что процесс склеивания цементными клеями во многом определяется строением контактного слоя. Прочность склеивания цементным тестом твердых тел (по данным В.Г. Мигульского и Л.А. Игониной) повышается с уменьшением толщины клеевой прослойки, при этом увеличивается (по данным Т. Хеу) сопротивление отрыву на контакте заполнитель - цементный камень. Регулирование строения контактного слоя является предметом широкого круга исследователей при проектировании бетонов. При проектировании удобоукладываемости бетонной смеси и прочности бетона с учетом толщины и обмазки цементным тестом поверхности крупного заполнителя минимальная толщина клеевой прослойки очерчивается до границ ее сплошности на поверхности заполнителя в течение процессов твердения в структурированных зонах адгезива (по данным А.Г. Смирнова).
Разнообразие и сложность вопросов, связанных с процессами адгезии, привело к появлению различных теорий, которые носят в основном гипотетический характер. Среди них наиболее существенными являются две:
- адсорбционная теория, разработанная Н. Дебройном и Р. Гувинкой;
- электрическая концепция, предложенная Б.В. Дерягиным и Н.А. Кротовой.
Согласно первой в основе механизма адгезии лежат явления адсорбции молекул адгезива поверхностью субстрата (заполнителя) и их взаимодействия между собой за счет развития полярных связей.
По второй теории адгезия обусловлена электростатическим притяжением зарядов двойного электрического слоя, развивающегося на контакте двух сред, и величина силы адгезии прямо пропорциональна максимальной энергии двойного электрического слоя.
В настоящее время делаются попытки создания единых теорий адгезии, объединяющих различные взгляды на них и в большинстве своем считающих, что адгезионное склеивание происходит, главным образом, в результате адсорбции молекул жидкого адгезива поверхностью субстрата и действия между ними различных видов молекулярных сил, начиная от вандерваальсовых и кончая сильными химическими связями. При этом особое значение придается водородному типу связей как наиболее вероятному в системе клеев. Так, по мнению М.М. Сычева, природные минералы-заполнители, обладающие ионной решеткой, способны хорошо смачиваться полярными жидкостями, в частности жидкой фазой цементного теста.
Термодинамические условия смачивания характеризуются определенным энергетическим балансом, который по существующим представлениям для системы твердое тело - жидкость -воздух выражается равенством
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

где Wа - сила (работа) адгезии или смачивания; σт-в, σж-в, σт-ж - поверхностные энергии на границах раздела фаз: твердое тело -воздух; жидкость - воздух; твердое тело - жидкость.
В свою очередь, величина поверхностной энергии на границе раздела твердое тело - воздух равна
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

где I - краевой угол, т. е. угол смачивания твердого тела жидкостью. Подставив формулу (1.3) в формулу (1.2), имеем известное равенство Юнга
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Так как поверхностная энергия жидкости (σж-в) при одних и тех же температурных условиях является величиной постоянной, то мерой смачивания служит величина краевого угла:
при I=0° достигается полное смачивание;
I=90° - смачивание носит частичный характер;
I>90° - жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела.
Для условий полного смачивания имеет место следующее соотношение поверхностных энергий:
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Следовательно, любое твердое тело, и в частности заполнитель в бетонах, будет смачиваться жидким клеящим веществом в том случае, если его поверхностная энергия превышает поверхностное натяжение жидкости: σт-в > σж-в. При этом сила адгезии у одного и того же адгезива будет тем выше, чем больше величина поверхностной энергии твердого тела.
Мерой энергетического состояния поверхности заполнителя является величина свободной энергии, которая заключена в этой поверхности. В термодинамическом смысле эту энергию, как следует из изложенного выше, можно определить количественно путем измерения угла смачиваемости, а в смысле электродинамическом - путем измерения электрокинетического потенциала.
В общем случае, кинетика процесса твердения бетона -переход бетонной массы из жидкой фазы в твердую - осуществляется, главным образом, за счет адсорбции и диффузии частиц связующего вещества (цемента) на поверхности заполнителя. Перенос реагентов в зону протекания реакции осуществляется в основном благодаря диффузионному перемещению бетонной массы. В то же время физико-химические процессы в зоне протекания реакции обусловлены в большей степени процессами адсорбции реагентов в пограничном слое, что достаточно широко охвачено уравнением адсорбции по Гиббсу. Скорость процессов адсорбции более высока, чем скорость диффузии, и это приводит к тому, что кинетика процессов твердения бетона определяется процессами диффузии. Количественно диффузия определяется током диффузии, который зависит от концентрации отдельных компонентов, давления, температуры, поверхностного натяжения, парам электрического поля на границе раздела фаз.
Процессы твердения бетонной смеси, как отмечалось выше, связаны с величиной развернутой поверхности заполнителя, мерой которой является удельная поверхность.
Следует особо обратить внимание на необходимость различия двух типов поверхностей заполнителей:
- поверхность кинетическая (внешняя);
- поверхность статическая (внутренняя).
Кинетическая поверхность представляет собой внешнюю поверхность зерна без учета поверхности пор, или, иными словами, поверхность зерна, рассматриваемого как сплошное непористое тело. Можно полагать, что эта поверхность омывается потоком газа, и на этом основании Б.В. Дерягин дал ей название кинетической, которая является лишь мерой раздробленности заполнителя.
Поверхность статическая, в отличие от кинетической, представляет собой общую поверхность зерна вместе с порами, доступными с наружной стороны для адсорбции вещества, размер частичек которого меньше размера пор. Эта поверхность является адсорбционной и служит сравнительной мерой поверхностной активности заполнителя: химической, адсорбционной либо электростатической. С ростом пористости материала увеличивается удельная статическая поверхность (рис. 1.2).
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Анализ электрических явлений, происходящих на границах раздела твердой и жидкой фаз, показывает существование разности электрических потенциалов, обусловленной различными значениями электрических потенциалов каждой из фаз либо адсорбцией потенциалообразующих ионов.
В соответствии с существующими представлениями (например, с теорией Стерна) о строении двухфазного слоя заряд поверхности твердой фазы уравновешивается зарядом адсорбционного слоя (q1) и зарядом диффузионного слоя (q2)
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

В результате наличия электрического заряда на поверхности твердой фазы (заполнитель, связующее вещество) она обладает электрическим потенциалом φ0. Этот потенциал оказывает весьма существенное влияние на свойства поверхности твердой фазы, и поэтому весьма важно знать его. Однако для большинства систем измерение потенциала φ0 является весьма трудным и проблематичным. Значительно легче осуществляются измерения величины энергетического потенциала на таком расстоянии от поверхности, где начинается перемещение жидкости относительно твердой фазы. Измеренная величина будет представлять собой так называемый электрокинетический потенциал.
Результаты оценки электрокинетического потенциала для двух типичных материалов, отличающихся существенно статической поверхностью, приведены на рис. 1.3. При измерении использовалось явление электрофореза, которое заключается в перемещении частиц твердой фазы в жидкости, причем это происходит в результате смещения одного электрически заряженного слоя относительно другого.
Оправданным, по мнению автора настоящего учебного пособия, является освещение процесса взаимодействия поверхности частиц цемента с водой исключительно на основании положений академика Ю.М. Баженова. Подобные процессы имеют место также при формировании битумной пленки на минеральных компонентах асфальтобетонов.
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

По современным представлениям вступающие во взаимодействие с водой поверхности твердых тел, обладающие некомпенсированными молекулярными силами, способны притягивать молекулы воды, которые, обладая значительным дипольным моментом, в зоне действия силовых полей твердого тела ориентируются и уплотняются. Создается изменение концентрации вблизи поверхности твердого тела - адсорбция. Электрическая ориентировка и громадные давления, возникающие в зоне действия молекулярных сил, приводят к тому, что вода в адсорбированных пленках становится неподвижной и приобретает некоторые свойства твердого тела - упругость, прочность на сжатие, пониженную точку замерзания. По данным Б.В. Дерягина, вода при толщине слоя в 0,09 мкм обладает модулем сдвига в 1,9*10в-1 Па.
С удалением от твердой поверхности воздействие молекулярных сил уменьшается, но вследствие полярности молекул воды образуются ориентированные цепочки в несколько десятков или сотен молекул, уходящие в глубь жидкой фазы. Длина таких цепочек зависит от свойств поверхности твердого тела и процессов, протекающих при гидратации. Толщина слоя такой ориентированной воды, во многих отношениях потерявшей свойства обычной жидкости, может составлять сотые или даже десятые доли микрометра (обычно менее 0,15 мкм). Силы связывания и изменение свойств воды в диффузионном слое резко падают при переходе от мономолекулярного к полимолекулярным слоям воды. Если в первом слое вода приближается по свойствам к твердому телу и ее плотность повышается, то в последующих слоях действие поля твердой фазы проявляется незначительно и вода по структуре и плотности остается близкой к обычной воде, хотя подвижность ее несколько ограниченна, вплоть до слоя, когда действие молекулярных сил перестает сказываться.
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

На границе раздела возникает s-потенциал (рис. 1.4), который носит название термодинамического, или полного. В границах более подвижной части двойного диффузного слоя (внешней оболочки) возникает электрокинетический ξ-потенциал, оказывающий большое влияние на устойчивость коллоидных систем. Значение ξ-потенциала зависит от природы твердого материала и свойств жидкости.
Зерна цемента в воде адсорбируют ионы Са++, и их поверхность приобретает положительный ξ-потенциал. Если количество воды достаточное, частицы отталкиваются друг от друга (рис. 1.5). Влияние отталкивающих сил тем больше, чем меньше частицы или выше плотность заряда. Под их влиянием смесь приобретает большую подвижность, однако высокая удельная поверхность твердых частиц требует большого расхода воды. При меньшем количестве воды частицы через сольватные оболочки или непосредственно в местах контакта соприкасаются и притягиваются друг к другу (рис. 1.6). Возможно образование флокул с неподвижно защемленной водой. Масса вместо жидкой становится гелеобразной. Если частицы в смеси имеют противоположные заряды, происходит коагуляция (или флокуляция), которая ведет к снижению подвижности. Флокуляция может быть уменьшена при увеличении толщины сольватной оболочки или частичной нейтрализации поверхностного заряда (например, за счет увеличения содержания жидкости или применения специальных добавок).
Течение процессов формирования контактной зоны в бетонах

Образующиеся на поверхности коллоидных частиц полутвердые водные оболочки выполняют двойную функцию. С одной стороны, оболочки придают цементной суспензии связанность и известную устойчивость, т. е. способность в определенной мере сопротивляться деформациям, возникающим под действием внешних сил, не нарушая своей сплошности и не утрачивая формы. С другой стороны, эти оболочки обладают как бы смазочными свойствами, облегчая скольжение твердых частиц одна по другой за счет действия отталкивающих сил и образования ориентированными молекулами воды плоскостей скольжения по местам более слабых водородных связей.
Бетонная смесь содержит частицы различных размеров, и поэтому в ней проявляются все отмеченные выше силы. Однако на их эффективность влияют характер структуры бетонной смеси и взаимодействие между частицами разного размера.