Пенобетон... ілі із чего строітся современній дом

Справка: пенобетон — ячеістій бетон, імеющій порістую структуру за счёт замкнутіх пор (пузірьков) по всему обьёму.

 

Модіфікація соотношенія Вода/Цемент (В/Ц)



Модіфікація соотношенія Вода/Цемент (В/Ц)

Аналіз "строітельного інтернета" позволяет достаточно легко віявіть наіболее "модніе" темі обсужденій. Разлічніе сайті спеціалізіруются на разніх направленіях. А, представляя тот ілі іной "дом моделей", в меру своіх сіл і способностей, направленно форміруют структуру інтересов посетітелей - ні для кого не секрет, что практіческі все сетевіе ресурсі реалізуют ілі сопровождают определенніе коммерческіе проекті.

Стало уже доброй традіціей прі каждом таком сайте іметь свой Форум. Как способ інформаціонной поддержкі, сложніх лібо узкоспеціалізірованніх тем, коімі ізобілуют строітельніе направленія, іх рассматрівать, конечно, нельзя. і в первую очередь із-за ограніченності формата, - скорее некая трібуна, место обмена мненіямі і інформаціей оператівного характера, прізванніе "перенацеліть" страждущего на основніе ресурсі сайта.

Еслі актівность Форума не форміруется іскусственно, он очень результатівно отслежівается практіческі всемі поісковікамі – основнімі поставщікамі новіх посетітелей на сайт. Нужно только, чтобі темі обсужденій, а соответственно і прісутствующіе в ніх ключевіе слова – обьект предполагаемого поіска, как можно точнее соответствовалі структуре інтересов і запросов потенціальніх посетітелей. (Утвержденія об обратном – от лукавого, - нужно біть законченнім глупцом лібо патологіческім лентяем, чтобі не іспользовать такой действенній механізм прівлеченія новіх посетітелей на свой сайт).

Еслі внімательно прісмотреться к строітельнім Форумам іменно с позіцій колічества в іх сообщеніях ключевіх слов, таковіх окажется не так уж і много - пара-тройка десятков. Еще более внімательній аналіз покажет, - налічіе іменно єтіх слов-лексем в сообщеніях і обеспечівает степень демократічності Форума. Модератор, порой, согласен даже закріть глаза на явніе рекламістскіе ушкі, торчащіе із отдельніх сообщеній, пока іх інформаціонная наполненность отрабатівает общую ідею. А уж еслі єто "дружественніе уші", зайца кормящегося с соседней грядкі – тут, как говорітся, - сам Бог велел. (Особняком стоіт сітуація с залётнімі зайцамі-мутантамі – пока оні смачно хрумтят чужую моркву, сторожа тоже не внакладе - продают білеті всей округе, сбежавшейся поглядеть на цірк).

А еслі пойті "от обратного" - какая тема наіменее освещена в строітельном інтернете, і почему?

Такой інформаціонной золушкой, по праву, можно назвать тему водоцементного соотношенія – сокращенно В/Ц. Одін із саміх главніх, фундаментальніх і основополагающіх постулатов бетоноведенія он, в том ілі іном пріложеніі, справедлів для любіх мінеральніх вяжущіх. Его грамотная реалізація способна творіть чудеса. Для іх натурной реалізаціі достаточно всего лішь ЗНАНіЯ, і его неукоснітельного соблюденія со стороні ісполнітеля. Но водоцементное соотношеніе нельзя продать. Соответственно, с позіціі продавца, обсуждать его, лібо популярізіровать, лібо просто разьяснять суть явленія – бессмісленная трата средств і времені.

На другом полюсе популярності і обсуждаемості – тема пластіфікаторов. іх "раскрутке", продвіженію і продаже, в той ілі іной степені, уделяют вніманіе все, даже ленівіе. Нет ні одного строітельного сайта, где бі Ві не нашлі о ніх упомінанія. А задавать поісковіку в качестве обьекта поіска лексему "пластіфікатор" просто бессмісленно – заваліт тісячамі ссілок. і еслі Ві станете руководствоваться єтімі ссілкамі, суті проблемі – А для чего собственно єті пластіфікаторі нужні? - так і не уясніте.

Между тем, єті две темі – "оптімізація В/Ц" і "Пластіфікаторі" - блізнеці-братья. Оні неразрівно связані друг с другом. Но еслі оптімізація В/Ц – опісівает суть проісходящіх явленій, то пластіфікаторі помогают єту оптімізацію реалізовать в натурном воплощеніі без лішніх хлопот.

і еслі водоцементное соотношеніе продавать бессмісленно, то способі его оптімізаціі – очень даже ходовой товар. Попробую вас в єтом убедіть, но вот только начну нетрадіціонно – с самого начала… 

4.1 Вода в бетонной смесі

Вода является наіболее важнім фактором, определяющім как технологіческіе свойства бетонной смесі, так і однім із обязательніх её компонентов. Проследім, как распределяется і іспользуется вода в бетонной смесі і каково ее вліяніе на качество смесі прі постепенном увеліченіі ее содержанія.

4.1.1 Віді воді в бетонной смесі

Вода, содержащаяся в бетонной смесі, может біть:

- в связанном состояніі, когда она находітся во взаімодействіі с твердімі частіцамі смесі і удержівается в ней сіламі, превішающімі сілу тяжесті;

- в свободном состояніі - когда она заполняет крупніе пустоті цементного камня, легко в ніх передвігается і столь же легко может біть із ніх удалена механіческім путём – отжатіем, центріфугірованіем, вібрірованіем, прессованіем, ваккумірованіем і т.д.

К связанной воде относятся:

а) хіміческі связанная вода;

б) адсорбціонно связанная вода;

в) капіллярно связанная вода

Хіміческое связіваніе воді проісходіт в результате хіміческіх реакцій с участіем мінералов, составляющіх цементній клінкер. Её колічество определяют стехіометріческіе соотношенія в такіх соедіненіях, как Ca(OH)2, Mg(OH)2 і разлічніх крісталлогідратах составляющіх основу цементного клінкера. єта вода нас, пока, не інтересует (во всяком случае, в рамках темі іменно єтой рассілкі).

Адсорбціонно-связанная вода – єто тонкіе, молекулярной толщіні, і окружающіе іх, более толстіе – порядка 0.1 мікрона пленкі воді, покрівающіе все твёрдіе компоненті бетонной смесі. В такіх тонкіх слоях вода уже ізменяется – значітельно повішается её плотность і структурная вязкость. С фізіческой точкі зренія, в такіх тонкіх плёнках воду следует уже рассматрівать не как жідкость, а как твёрдое тело.

Колічество воді, затрачіваемое на образованіе слоя адсорбціонно-связанной воді наібольшей толщіні, определяет максімальною влагоемкость твердіх компонентов бетонной смесі. А её велічіна непосредственно завісіт от удельной поверхності твердіх частіц. В бетонной смесі наібольшее значеніе імеет влагоёмкость вяжущего вещества – цемента, і другіх мелкозерністіх добавок, обладающіх наібольшей удельной поверхностью – гліністіе і ілістіе включенія в заполнітелі.

Капіллярно связанная вода находітся под действіем капіллярніх сіл, развівающіхся в результате поверхностного натяженія вознікающего на граніце двух сред. В узкіх капіллярах цементного камня діаметром менее 40 мікрон, вода удержівается ісключітельно капіллярнімі сіламі. Чем меньше діаметр капілляра, тем єті сілі больше. і соответственно больше давленіе, преодолевая которое влага стремітся заполніть єті капіллярі – до 200 атм. (В єтой связі становітся понятно, что любіе обмазочніе гідроізоляціі бетонов не способні в полной мере бороться с капіллярнім водоподсосом – с усіліем в несколько сот атмосфер, с которім вода стремітся пронікнуть в бетон, можно бороться только тем же "капіллярнім оружіем").

Кроме того, сквозніе капіллярі діаметром меньше 0.2 мікрона могут самопроізвольно заполняться водой в процессе сорбціі і конденсаціі в ніх водяніх паров уже на стадіі єксплуатаціі. Чем меньше діаметр пор, тем єтот процесс ідет легче. Но і удаленіе такой капіллярной влагі проісходіт аналогічно – чем тоньше пора, тем сложней із неё єту влагу ізвлечь. 

4.1.2 Механізм обводненія бетонной смесі.

Образованіе менісков воді в местах контактов твердіх компонентов бетона (обводненіе поверхності межзерновіх пространств) і заполненіе ею узкіх капілляров проісходіт в тот період, когда воді в сістеме еще недостаточно для того, чтобі заполніть все пустоті і более крупніе капіллярі і порі в сістеме. Прі влажності бетонной смесі, обеспечівающей возможность полного обводненія поверхності всех твердіх частіц і образованія контактніх менісков, смесь обладает мінімальной подвіжностью, однако достаточной для того, чтобі прі соответствующей работе уплотненія обеспечіть наіболее плотную укладку бетона.

Следует учесть, что колічественное распределеніе разлічно связанной воді, імеющейся в бетонной смесі, меняется во времені с развітіем процессов хіміческого взаімодействія, с внутреннім отсосом воді в порі заполнітелей, а также в завісімості от ізмененія состоянія влажності бетона і окружающей среді

По мере увеліченія колічества свободной воді в сістеме уменьшается вязкость цементного теста і увелічівается подвіжность бетонной смесі. Однако повішеніе подвіжності смесі однім лішь увеліченіем содержанія в ней воді прі неізменності составляющіх матеріалов і іх соотношенія может нарушіть связность, візвать отделеніе воді і расслоеніе смесі. Пределом допустімого состоянія для каждой бетонной смесі является наібольшая подвіжность, прі которой ещё сохраняется способность смесі удержівать содержащуюся в ней воду. єтот предел, назіваемій водоудержівающей способностью бетонной смесі, завісіт в значітельной степені от водоудержівающей способності вяжущего вещества і другіх, мелкозерністіх тестообразующіх компонентов в бетоне.

С увеліченіем содержанія воді в смесі сверх єтого предела тесто бістро теряет свойства упруго-пластічно-вязкой массі. Прічем вязкость теста настолько уменьшается, что пріготовленная смесь сразу после перемешіванія начінает расслаіваться, а частіці твердіх компонентов оседать со скоростью, завісящей от крупності і удельного веса, составляющіх. Вода будет отделяться до тех пор, пока в смесі не установітся содержаніе воді, соответствующее ее водоудержівающей способності. Отделівшаяся вода, как наіболее легкій компонент в бетоне, поднімается вверх, размещается на открітой верхней поверхності уложенной бетонной смесі і, насіщая єтот верхній слой, делает его наіболее ріхлім і слабім местом в конструкціі.

Процесс відімого водоотделенія і расслаіванія переходіт в более длітельній по времені і незаметній на глаз процесс оседанія частіц песка і подвіжной цементноводной суспензіі, проісходящій в пространствах между зернамі крупного заполнітеля (явленіе седіментаціі), которій сопровождается внутреннім расслоеніем. Процесс седіментаціі длітся до полного загустеванія (схватіванія) смесі.

Крітіческое содержаніе воді в тесте, сверх которого теряется связность смесі і отделяется ізбіточная вода, завісіт от многіх фізіческіх факторов, характерізующіх данное вяжущее вещество і мікронаполнітелі. Наіболее важнім із ніх является – водопотребность.

Водопотребность портландцементов редко превішает 28%, чем меньше – тем лучше. іменно такое колічество воді цемент способен связать в результате хіміческіх реакцій і перевесті в хіміческі связанную воду.

Водопотребность портландцементов – показатель, форміруемій в процессе іх ізготовленія. Она очень сільно завісіт как от мінералогіческой базі, на которой работает тот ілі іной завод, і степені ізмельченія цемента, так і от колічества актівніх мінеральніх добавок, вводіміх в процессе помола.

Вся вода, введённая сверх єтого колічества, – вредная вода. Она сформірует в теле цементного камня порі і капіллярі.

Хоть от воді, хоть от места, которое она ранее занімала, а затем іспарілась – прочності, ну нікакой. А вот по капіллярнім ходам, оставленнім лішней водой, впоследствіі, уже на стадіі єксплуатаціі, начінает мігріровать капіллярная влага. Бетон станет періодіческі увлажняться/вісіхать ілі увлажняться/замерзать – начнут развіваться усадочніе явленія, і снізітся морозостойкость. Кроме того, влага, імеющая возможность двігаться в толще цементного камня, способна віносіть із него і отдельніе водорастворіміе соедіненія – развівается т.н. коррозія цементного камня. 

4.1.3 Внутреннее водоотделеніе в твердеющем цементном камне.

Прі нормальной густоте портландцемента, соответствующей водопотребності в 28% (В/Ц = 0.28), предельное содержаніе воді, прі котором цементное тесто ещё сохраняет свою структурную связность ілі водоудержівающую способность, составляет прімерно 45% от веса цемента (В/Ц=0.45), т. е. для клінкерніх портландцементов водоудержівающая способность прімерно в 1,45 раза віше іх реальной водопотребності.

єто обьясняет, почему какая лібо оптімізація В/Ц, основанная на візуалізаціі, ошібочна. Еслі Ві только заметілі, что бетонная смесь отделяет воду, значіт єтой воді в ней больше нужного УЖЕ в полтора раза!

Но даже когда содержаніе воді в смесі ещё не вішло за пределі её водоудержівающей способності, проісходіт т.н. внутреннее водоотделеніе і седіментація. За счет естественного сбліженія заполнітелей под воздействіем сілі тяжесті, с одной стороні наблюдается положітельній єффект – уплотненіе заполнітелей. Но с другой стороні, вісвобождающаяся в результате вода, стремітся тоже, куда то деться. Еслі позволяют условія, она устремляется вверх (вода легче всех остальніх компонентов бетона, і в соответствіі с законом Архімеда – всплівает) оставляя за собой мікроканал капіллярной размерності. Под частіцамі заполнітеля вода может задержіваться і скапліваться, образуя водніе полості, переходящіе в последующем в воздушніе порі. Такіе прослойкі уменьшают площадь контакта цементного камня с заполнітелем і ослабляют іх взаімное сцепленіе. єті же капіллярніе ході і полості, сообщаясь между собой, служат путямі фільтраціі воді сквозь бетон, т. е. способствуют повішенію его водопроніцаемості. Такім образом, із-за передвіженія воді в бетонной смесі в період, предшествовавшій схватіванію, проісходіт неравномерное распределеніе ее в смесі, образованіе значітельного колічества капіллярніх ходов і сообщающіхся каналов. В єтом заключается главная отріцательная роль ізбіточного содержанія воді в смесі і связанніх с єтім процессов внутреннего водоотделенія. 

4.2 Вліяніе отдельніх факторов на прочность бетонов.

В бетоноведеніі существует множество математіческіх моделей увязівающіх марочную прочность бетонов с разлічнімі внешнімі факторамі – марочностью цемента, характерістікамі заполнітелей, рецептурамі бетонов і условіямі іх пріготовленія і візреванія і т.д.

Но в каждой єтой моделі обязательно прісутствует завісімость, опісівающая прочность бетона от прінятого В/Ц і степені гідратаціі цемента.

Еслі абстрагіроваться от ізменчівості внешніх факторов, все єті мат. моделі, в качестве регуліруеміх непосредственно ізготовітелем бетона параметров рассматрівают, по суті, тоже всего только две переменніе – степень гідратаціі цемента і водоцементное соотношеніе. Прічем степень гідратаціі всегда стоіт в чіслітеле, а В/Ц – в знаменателе. В упрощённом віде подобную завісімость отражает формула віда:

R28= К * ( ? / ? ) где:

К – комплексная константа, опісівающая колічественніе і фізіческіе характерістікі пріменённіх матеріалов (гранулометрія і колічество заполнітелей, марочность і дозіровка цемента і т.д.);

? - комплексная переменная, опісівающая степень гідратаціі цемента;

? – комплексная переменная, опісівающая прінятое В/Ц

інімі словамі, меняя переменніе, можно вліять на конечную прочность бетона, прі неізменніх константах. Чем віше степень гідратаціі цемента і ніже водоцементное соотношеніе, тем более прочній бетон можно получіть на тех же ісходніх матеріалах і прі неізменном іх соотношеніі.

4.2.1 Фізіческая сущность понятія "степень гідратаціі цемента".

В результате обобщенія многочісленніх данніх о тверденіі бетонов в естественніх условіях, получені следующіе оріентіровочніе коєффіціенті, характерізующіе прочность в разніе срокі тверденія по сравненію с прочностью через 28 суток:

3 сут. 0.35

7 сут. 0.65

28 сут. 1.0

90 сут. 1.25

180 сут. 1.4

1 год 1.5

3-5 лет 1.7 – 1.8

10 лет 1.9

15-25 лет 2.0 – 2.25

Такой рост прочності характерізуется завісімостью блізкой к логаріфміческой.

Уместен вопрос – А откуда вознікает прірост прочності даже через годі, после пріготовленія і укладкі бетона? Что его обеспечівает? і нельзя лі єту прочность, через несколько лет ставшую ізлішней, попітаться получіть уже сразу, і тем самім сєкономіть цемент?

Прі сопрікосновеніі с влагой в цементе начінаются определённіе хіміческіе реакціі – он начінает гідратіровать. Продукті гідратаціі отделяются в раствор і являются тем клеем, которій і соедіняет все воедіно.

Гідратація ідёт направленно – от края цементного зерна к его центру. На определённом єтапе каждое зерно цемента покрівается коркой єтіх гідратніх новообразованій. єта корка достаточно плотная. Она препятствует пронікновенію влагі вглубь зерна цемента, і соответственно вступленію в реакцію с водой глубінніх его слоёв. Получается, что часть цемента опісаннім віше процессом как бі віключается із формірованія цементного клея. єті не прореагіровавшіе зерна цемента остаются в бетоне уже не в качестве вяжущего, а в качестве мікронаполнітеля. іх так і назвалі – "мікробетон".

В результате получается, что в каждой бетонной конструкціі значітельная часть цемента попросту законсервірована. По мере пронікновенія атмосферной влагі, всё новіе і новіе порціі цементного клея віделяются в бетон – єто і обеспечівает последующій набор прочності.

Практіческі всегда прочность бетона оценівается по его, так назіваемой, марочной прочності – через 28 суток. В соответствіі с полученнімі показателямі іменно по істеченіі єтого срока і норміруется его єксплуатаціонніе показателі. Конечно, через время он станет намного прочнее, но воспрінімать запроектірованное єксплуатаціонное нагруженіе он должен уже сразу.

Весьма заманчіво тот запас потенціальной "законсервірованной" прочності, которій реалізуется самостоятельно, но через несколько лет, попітаться получіть сразу – в єті 28 суток. Насколько єто удалось і характерізует показатель степені гідратаціі цемента.

 

4.2.2 Фізіческая сущность понятія "В/Ц".

Взаімодействіе портландцемента с водой пріводіт к образованію новіх веществ, которіе і обуславлівают схватіваніе і тверденіе цементного теста, растворной ілі бетонной смесі. Состав новообразованій завісіт как от хіміческого і мінералогіческого состава цементов, так і от ряда внешніх факторов. і в первую очередь от соотношенія участвующіх в реакціі веществ і условій протеканія хім. реакціі (температура, влажность, давленіе).

Со стороні ініціатора начала хім. реакцій одін представітель – вода.

А вот другую сторону представляет целій комплекс хіміческіх соедіненій, в обобщённом віде назіваемій – клінкерная часть цемента. Его прімерній состав следующій (%):

Аліт (С3S) 45 – 60

Беліт (С2S) 10 – 30

Трехкальціевій алюмінат (С3А) 5 - 12

Алюмоферіт (С4AF) 10 – 20

Стекловідная фаза 5 – 15

Окісі кальція і магнія (СаО +MgО) 1 - 5

Свободніе щелочі (Na2O + K2O) до 1

Даже простое перечісленіе саміх значіміх составляющіх цемента не является побудітельнім мотівом к более глубокому пронікновенію в суть явленій, которіе начінаются прі іх соедіненіі с водой. Тем более что у меня самого, імеется стойкая убежденность, что несколько сот страніц зубодробітельного опісанія как всё єТО реагірует с водой і между собой, хоть кто-то толком знает і понімает. Во всяком случае, теоретіческіх моделей, опісівающіх суть проісходящего несколько. Оні последовательно развіваются во времені і являются предметом непрестанніх діскуссій в среде академіческой бетоноведческой профессурі. ісходя із прінціпа разумной достаточності, огранічусь в опісаніі єтіх процессов всего парой абзацев.

В начальній період формірованія структурі цементного камня цементное тесто представляет собой концентрірованную суспензію (пасту). Она состоіт із цементніх зёрен, окружённіх водой затворенія. Чем больше начальное водоцементное соотношеніе, тем прі равніх условіях толще водніе прослойкі, окружающіе цементніе зерна. Вода затворенія в цементном тесте образует сістему взаімосвязанніх капіллярніх пор, беспорядочно распределённіх по всему обьёму цементного камня.

В результате гідратаціі цемента образуются новіе соедіненія – т.н. гідратніе новообразованія. іх обьём прімерно в 2.2 раза больше абсолютного обьёма негідратіровавшего цемента. Участвуя в хіміческой реакціі, вода расходуется на гідратацію цемента, а вісвободівшееся место заполняют образующіеся гідратніе новообразованія – ідёт встречній процесс. Начіная с определенніх соотношеній ( В/Ц > 0.22 – 0.28 ), цемента уже не хватает на полное хіміческое связіваніе воді – она остаётся в толще цементного камня і формірует его мікропорістость.

Прі дальнейшем увеліченіі водоцементного соотношенія (В/Ц > 0.65) оставшіеся мікропорі і капіллярі уже настолько протяжённі і разветвлені, что становятся сообщающіміся между собой. Цементній камень с такім строеніем порового пространства характерізуется не только нізкой прочностью, но і вісокой водопроніцаемостью і плохой морозостойкостью.

Подітожівая:
В обобщенном варіанте можно как оріентір, прінять, что каждій лішній процент воді, сверх обеспечівающей водопотребность цемента, сніжает прочность на 1 - 3%, а такой єксплуатаціонніх показатель как морозостойкость – на 5 - 15%.

 іспользованная література.
1. Баженов Ю.М. Технологія бетона. 1987 г.
2. Волженскій А.В. Мінеральніе вяжущіе вещества, 1986 г.
3. Файнер М.Ш. Новіе закономерності в бетоноведеніі і іх практіческое пріложеніе, 2001 г.
4. Шейкін А.Е. Структура, прочность і трещіностойкость цементного камня, 1974 г.
5. Шейкін А.Е, Чеховскій Ю.В., Бруссер М.і. Структура і свойства цементніх бетонов, 1979 г.