Водопоглощение пористых заполнителей изменяет распределение воды в системе заполнитель-цементно-песчаный раствор. Воздушная фаза, содержащаяся в заполнителях, препятствует их максимальному заполнению водой. Вакуумирование заполнителей приводит к увеличению их водопоглощения. Повышение давления после смешивания заполнителей с водой затворения способствует интенсификации процесса водопоглощения.
Рассмотрение водомиграционных процессов в системе «пористый заполнитель - связующее» основано на введенных понятиях не занятых водой открытых пор заполнителей в конкретный момент времени, среднего эффективного радиуса, среднего радиуса пор в водосодержащей смеси, представленных в нижеуказанной смеси, представленных в нижеуказанной последовательности:
П(t)=[1-(Вотк/Потк)]100 , (4.1)
r3ср(t)= r3нач П(t) , (4.2)
rсср(t)=[Во- Взап(t)- Вхим(t) ]/Sc.уд , (4.3)
где Потк - объем открытых пор заполнителя, м;
Вотк - объем пор, заполненных водой за время t, м3;
r3нач - начальное (до контакта с водой) значение среднего радиуса пор, м;
Во - расход воды на приготовление материала, м3;
Bзап(t) - количество воды, адсорбированное и поглощенное заполнителями
за время t, м3;
Bхим(t) - количество воды, вступившее в химическую реакцию со связующим, м3;
Sc.уд. - удельная поверхность связующего, м2/г.
Миграция воды в пористый заполнитель и переход ее в структурные ячейки (поры) водосодержащей среды происходит в результате перепада давлений на основе зависимости
ΔPрез=кф(ΔP1- ΔР2+ ΔP3- ΔР4± ΔР5), (4.4)
где ΔP1, ΔР2, ΔP3, ΔР4, ΔР5 - перепады соответственно от действия капиллярного потенциала, защемленного в порах воздуха, снижения и повышения в них давления вокруг материала, МПа;
Кф - коэффициент фильтрации поверхности.
Изменение объема воздушной и жидкой фаз в заполнителях при тепловом воздействии и давлении определено с использованием подхода З.П.Лозовской применительно к объему воздушной фазы в бетонной смеси.
, (4.5)
где Ув(ж) - объем воздушной фазы (объем открытых пор заполнителя, не заполненных водой), жидкой фазы (объем воды, поглощенный заполнителями), м"1;
βв(ж) - температурный коэффициент объемного расширения воздуха и воды;
ΔР - перепад давлений вокруг и внутри заполнителей, МПа;
Δt - разность между температурой материала в процессе нагрева и исход-ной, С;
Р°п - парциальное давление пара в начале процесса разогрева, МПа; Рtп - парциальное давление пара при температуре t, МПа.
Для изучения влияния водопоглощения заполнителей на структуру бетона и определения оптимальных режимов данного процесса автором разработана методика моделирования этого процесса контактным вакуумированием образцов цементно-песчаного раствора. Изменения капиллярной контрактации пористых заполнителей, согласно данной методике, моделируются результирующим давлением в вакуум-щите. Потоки воды в процессе «самова-к)умирования» уносят наиболее мелкие частицы твердых компонентов из межзерновых пространств к пористым заполнителям. Поверхности гранул, действуя как фильтр, задерживают их. Расширение гранул заполнителей при водонасыщении приводит к уплотнению зон, расположенных вокруг них. Из межзерновых пространств вместе с жидкой фазой удаляются наиболее мелкие твердые компоненты. Оставшиеся твердые компоненты занимают прежний объем, то есть в этих зонах плотность снижается.
В настоящее время существует два направления использования вакуумного эффекта в процессе приготовления бетонных смесей на пористых заполнителях. Одни из исследователей используют вакуум-перемешивание для увеличения водопоглощения пористого заполнителя в этот период. При этом доказывается, что интенсивная миграция влаги внутри обезвоздушенного заполнителя в отформованном бетоне приводит к снижению его прочности из-за уменьшения плотности в межзерновом пространстве. Другие достигают повышения прочности наоборот за счет снижения водопоглощения пористого заполнителя в процессе вакуум-перемешивания, так как при этом уменьшается общее водосодержание бетонной смеси, необходимое для обеспечения требуемой удобоукладываемости. Автором ставилась в связи с этим задача определить, для каких составов целесообразно снижать, а для каких составов и до какой величины увеличивать водопоглощение заполнителя в процессе вакуум-перемешивания. Подбором режимов достигалось водопоглощение керамзитового заполнителя за 4,6,8 минут соответственно 36,50 и 65% от максимальной величины.
Экспериментальные исследования показали, что увеличение водопоглощения заполнителя до завершения уплотнения бетонной смеси в диапазоне от 32 до 50% и, следовательно, снижение его после формования бетона способствует значительному повышению микротвердости в контактной зоне. При этом увеличение микротвердости наблюдается и в зернах керамзита. Дальнейшее увеличение количества воды, поглощенной пористым заполнителем до уплотнения, приводит к снижению микротвердости в структурных составляющих. Поэтому можно сделать вывод, что оптимальная величина водопоглощения заполнителя до уплотнения конструктивных бетонов находится в диапазоне 50-55%.
Существующие противоречия о влиянии водомиграционных процессов и направлениях их применения объясняются различными областями составов, в которых они проводились.
Для снижения водопоглощения заполнителей применяют различные способы обработки их гидрофобизующими составами. В качестве ги-дрофобизующих составов используются эмульсии СДБ, СНВ, ГКЖ-10, ГКЖ-11, КЭ-30-04, КОЖ 136-141. Эффективны гидрофобизующие эмульсии, полученные на основе КОЖ 136-141. Как показали исследования, проведенные автором, величина и интенсивность водопоглощения заполнителей снижается при обработке их КОЖ 136-141 в 1,3-1,6 раза. В литературе ранее имелись противоречивые данные о влиянии гидрофобизации на степень гидратации и плотность в контактной зоне. Выводы трактовались следующим образом. Обработка поверхностей заполнителей гидрофобизующими составами вызывает снижение степени гидратации вяжущего и повышение микротвердости в контактной зоне и наоборот. Нами была поставлена задача определения влияния времени выдерживания смесей до формования, величины и кинетики водопоглощения пористых заполнителей, обработанных и необработанных гидрофобизующими составами, за этот период на плотность и степень гидратации вяжущего в структурных составляющих бетона, его результирующую прочность. Обработка заполнителей проводилась эмульсией КОЖ 136-141.
Было установлено, что существующие противоречия о влиянии гидрофобизации пористых заполнителей на количество химически связанной воды и микротвердость в контактной зоне объясняются сопоставлением данных у составов с различным начальным водосодержанием.
Введение углекислого газа в материалы на цементном связующем приводит, как известно, за счет его взаимодействия с содержащейся в жидкой фазе известью, к образованию карбоната кальция. Кристаллы карбоната кальция в начальной стадии являются зародышами кристаллизации, а затем образуют дополнительную связку, упрочняющую материал. Так как при выводе извести из жидкой фазы перенасыщение последней падает, то создаются условия для гидролиза новых порций цемента и процесс гидратации ускоряется. Исследованиями Б.В.Осина, С.А.Турия, Л.А.Нечитайло и других показано, что если обеспечить постоянный контакт углекислого газа с цементом, то гидратация всей массы связующего завершается за 1,5-2 часа. В реальных условиях удается закарбонизировать лишь 1-3% цемента и уже только это позволяет достигнуть в течение 5-10 минут прочности материала 2-4 МПа. Кратковременная и неполная карбонизация цементных материалов не препятствует течению их дальнейшей гидратации. Снижение прочности у материалов, прошедших в начальный период карбонизацию, перед материалами обычного твердения в последующие периоды не происходит. Карбонизация
материалов и изделий требует помещения их в герметичное пространство, в котором создается определенное давление углекислого газа, зависящее от проницаемости материала и требуемой полноты обработки. Большинство исследователей рекомендуют проводить карбонизацию в период формирования материала. В этот период быстрое изменение удобоукладываемости смесей вследствие их обработки контролируется и не должно приводить к браку. Однако осуществление данного способа требует наличия больших герметичных камер, накрывающих периодически посты формирования, что технологически трудно осуществимо.
С целью совершенствования данного технологического направления под руководством автора в Санкт-Петербургском ЗНИИЭП был разработан способ предварительного насыщения пористых заполнителей углекислым газом, предусматривающий выход его в период формирования при нагревании материала [15]. Способ осуществляется следующим образом. В вакуум-камеру или герметичный смеситель загружают отдозированное количество пористого заполнителя и создают разрежение в 0,01-0,02 МПа. Вакуумируют заполнитель в течение 1 минуты, затем подают охлажденный углекислый газ при температуре 0-10 °С в течение 1-2 минут при давлении 0,1 МПа. При этом происходит насыщение пор заполнителя углекислым газом. Затем пористый заполнитель может перемешиваться в смесителях с другими компонентами материалов. Заполнение пор грубозернистых компонентов газом с температурой ниже температуры цемента, воды и мелкого заполнителя создает в противовес градиенту влаги под действием капиллярных сил градиент температур, препятствующий миграции. Приготовленную смесь подают в предварительно разогретую до ПО °С форму и подогревают в течение 5-10 минут в зависимости от массивности изделий с помощью термоактивного пригруза до 70-85 °С.
При таком форсированном разогреве материала происходит интенсивное выделение из заполнителей углекислого газа и поризация цементно-песчаного раствора. После этого производят кратковременное (в течение 30-40 с) и малоинтенсивное виброуплотнение (амплитуда 0,2 мм, частота 3000 кол/мин), которое приводит к образованию в цементно-песчаном растворе замкнутых пор и уплотнению материала.
Прочность материала после карбонизации достаточная для приведения частичной, а при отсутствии необходимости бесконвейерного перемещения изделий и полной распалубки.
С целью снижения водопоглощения пористых заполнителей в процессе приготовления, транспортирования и формования под руководством автора в Средневолжском филиале ЦНИИОМТП был разработан способ, использования для данной цели газообразователей[15]. В соответствии с разработанным способом заполнитель в смесительном барабане предварительно покрывают
смесью алюминиевой пудры и извести-пушонки. Они брались в соотношении 1:4 в количестве, рассчитанном из условия полного химического взаимодействия в присутствии воды. Подготовленный таким образом заполнитель вместе с другими компонентами подавался в смеситель.
С момента начала перемешивания твердых компонентов с водой затворения на поверхности заполнителей начинается процесс газообразования. Пузырьки газа, создавая градиент давления, затрудняют доступ воды к поверхности заполнителя. В результате за счет снижения водопоглощения заполнителей удается уменьшить расчетное водоцементное отношение для обеспечения заданной удобоукладываемости.
Необходимо отметить, что сушка заполнителя перед его обработкой необязательна, так как сцепление частиц газообразователя с пористой поверхностью заполнителя происходит по известным физическим законам.
Количество наносимого на поверхность пористого заполнителя газообразователя следует определять как произведение удельной поверхности заполнителей (0,4-0,8 м2/л), толщины слоя газообразователя (0,05-0,09 мм) и средней насыпной плотности газообразователя (0,85-0,93 г/см3). Поскольку гидроокись кальция вводится в виде гашеной извести, то содержание кальция колеблется. Количество извести следует назначать с учетом примесей в ее составе.
Разработанный технологический прием позволяет снизить требуемое количество воды затворения для обеспечения заданной удобоукладываемости и за счет этого повысить до 35-40% прочность материала. В исследованиях установлено, что перенос газообразователя из раствора на поверхность заполнителя не приводит к увеличению средней плотности материала. Очевидно это объясняется равномерным распределением газообразователя по объему и увеличением длительности его действия.
Поскольку данная технология сопровождается поризацией контактной зоны пористых заполнителей, то область ее применения ограничивается теплоизоляционными бетонами.
Интенсификацию разогрева материалов предлагается осуществлять путем создания в них электрических цепочек. Под руководством автора в Сред-неволжском филиале ЦНИИОМТП был разработан способ создания электропроводной поверхности у гранул заполнителей путем нанесения (напыления) на них углеродосодержащего (или иного электропроводного) порошка [15]. Нами предлагается наносить токопроводящий материал на поверхность заполнителей как в процессе их изготовления - перед обжигом, так и непосредственно перед приготовлением смесей в сушильном барабане после кратковременной сушки в течение 1-3 минут напылением слоя толщиной 0,1-0,15 мм. Такая толщина покрытия, как показали исследования, обеспечивает соз-
дание надежных электрических цепочек, состоящих из зерен заполнителей с электропроводным покрытием.
Температура разогрева заполнителя должна составлять 90-120 °С. В отдельных случаях для сокращения технологического цикла разогрева она может быть повышена до 150-180 °С.
Разогрев смесей с использованием, например, электродного прогрева, как показали исследования, требует по сравнению с разработанным способом увеличения продолжительности данного цикла в 2,5-3 раза. Это объясняется значительной величиной электрических цепочек, расположенных по поверхности контактирующих заполнителей. Другим преимуществом разработанного способа является снижение воды затворения для обеспечения требуемой удобоукладываемости. Данное явление наблюдается как вследствие сокращения периода разогрева материала, так и в результате уменьшения водопо-глощения заполнителей из-за создаваемого градиента температур, направленного от их поверхности в растворную составляющую.
Автором совместно с А.Н.Челокиди и А.В.Долбичкиным предложен способ насыщения пористых заполнителей разлагающимися составами [15]. В последующий период продукты разложения выводятся в растворную составляющую. В качестве примера рассмотрим насыщение заполнителей перед перемешиванием с остальными компонентами смеси водным раствором гидропирита. Технологические способы, основанные на применении эффекта разложения гидропирита на воду и кислород (2Н2О = 2Н2О + О2), предусматривают разогрев материала с насыщенными заполнителями в моменты, когда необходимо создать или увеличить водосодержание в окружающем пространстве. Выделяющийся кислород создает градиент давления из гранул в окружающее пространство и выталкивает из них свободную воду.
Для наибольшего насыщения заполнителей разлагающимися составами их эффективно вакуумировать при давлении 0,01-0,02 МПа.
Например, для гидропирита установлена оптимальная концентрация в 1-1,5% водного раствора. При концентрации менее 1% не достаточно выделяется кислорода для вытеснения воды из пор заполнителя, а при концентрации больше 1,5% газовыделение увеличивается сверх оптимального и приводит к снижению прочности.
Прочность образцов, полученных из данных составов с обычно введенной водой затворения?при перемешивании без насыщения заполнителей гидропиритом на 30-35% ниже, чем по предложенной технологии изготовления.
Вокруг заполнителей, обработанных газообразователями, углеродосо-держащими материалами, подвергнутых вакуумированию и насыщению углекислым газом, водным раствором гидропирита, создаются градиенты давления, влажности и температуры, которые снижают их водопоглощение. Это
позволяет за счет уменьшения водосодержания смесей, необходимого для обеспечения заданной удобоукладываемости, повышать прочность материала. Важным является то обстоятельство, что повышение прочности не сопровождается увеличением средней плотности.
В табл. 4.3 приведена краткая сравнительная классификация новых способов обработки пористых заполнителей.
Таблица 4.3
Изменение водопоглощения заполнителей ΔW относительно обычного при применении технологических приемов, время их действия Т
Технологические приемы
Насыщение углекислым газом
Покрытие газообра-зователем
Электроприводное покрытие
Насыщение раствором гидропирита
ΔW, %
Т, мин
ΔW, %
Т, мин
ΔW, %
Т, мин
ΔW, %
Т, мин
5-10
60-80
7-10
8-12
60-80
6-10
Дополнительные эффекты
Поризация
Ускоренное твердение
Поризация
Данные табл. 4.3 показывают, что по эффективности воздействия на во-допоглощение заполнителей рассмотренные способы примерно равны. Удо-боукладываемость смеси будет оставаться в допустимых пределах.