УДК 666.972.16

 

М. Г. Габидуллин,  А. Ф. Хузин,  Р. З. Рахимов, 

А. Н. Габидуллина,  О. В. Стоянов

СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ  ЦЕМЕНТНОГО  КАМНЯ скачать.pdf

Ключевые слова: цементный камень (ЦК), многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), поры, трещины, новообразования, мезо- и макроструктура.

 

В работе представлены результаты исследования структуры цементного камня суточного возраста с использованием электронного микроскопа и ПК «Структура» на макро- и мезоструктурных уровнях. Установлены параметры дифференциальной пористости, градация пор по размерам и характеристики усадочных трещин. 

 

Keywords: cement stone (CC), multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), pores, cracks, neoplasms, meso-and macrostructure.

 

The results of studies of the structure of cement stone age daily using an electron microscope and a PC “Structure” at the macro and mesostructural levels. The parameters of differential porosity, pore size gradation characteristics and

 

shrinkage cracks.

 

Введение

 

Цементный камень можно рассматривать как сложную полиминеральную и поликристаллическую систему. В связи с этим, несмотря на то, что многие известные зарубежные и российские ученые занимались изучением процессов твердения вяжущих материалов и формированием прочностной структуры ЦК (далее ЦК), остается еще целый ряд нерешенных вопросов. Мало работ, в которых исследовано влияние дифференциальной пористости, в особенности гелевидной фазы, на свойства ЦК в раннем возрасте. До настоящего времени нет однозначного ответа на динамику формирования кристаллогидратов в разные периоды твердения ЦК и их роли при формировании структуры, на процессы срастания кристаллогидратов и заполнения межкристаллитного пространства гелевыми новообразованиями, на влияние дифференциальной пористости гелевой фазы на процессы усадки, трещинообразования, морозостойкости, водонепроницаемости и долговечности цементного камня. Несмотря на многочисленные исследования, к настоящему времени не разработана еще единая теория твердения цемента. 

Для решения этих вопросов актуальной задачей является исследование структуры цементного камня на различных масштабных уровнях [1-3], позволяющих с большей достоверностью, например, установить различие в процессах гидратации и кристаллообразования камня с добавкой и без добавки. Это позволяет более корректно формулировать механизмы улучшения тех или иных свойств цементного камня при ее модификации добавками в сравнении с контрольными бездобавочными образцами. Для изучения структуры цементного камня сегодня разными авторами [4-8] используются различные программные комплексы, позволяющие моделировать структуру камня, а также с достаточной точностью считывать параметры структуры, которые сложно поддаются «ручной» обработке. Таким образом, можно считать, что многоуровневое исследование структуры цементного камня  с использованием программных комплексов является актуальной задачей.

Микроструктура ЦК в бетоне состоит из непрореагировавших зерен цемента, микропор различных размеров, кристаллических и гелевых новообразований. С увеличением возраста бетона его микроструктура в результате продолжающейся гидратации цемента изменяется, так как при этом увеличивается объем кристаллических новообразований ЦК, уменьшается его пористость, изменяется дифференциальная пористость и градация пор по размерам.

Сегодня можно достичь высокой эффективности за счет регулирования структуры ЦК высокопрочных бетонов (далее ВПБ)  путем использования новых комплексных добавок, в том числе наномодифицированных. 

Целью исследований является изучение на четырех масштабных уровнях (макро, мезо, микро, нано) структуры ЦК, являющегося составной частью ВПБ. 

Обоснование выбора материалов

 

Проведены комплексные сравнительные исследования структуры ЦК контрольного состава без добавки и модифицированного многослойными углеродными нанотрубками (далее МУНТ) «Grafistrenh» (Франция), которые вводились в количестве 0,05 и 0,0005мас.% от расхода Вольского портландцемента марки «500». Диспергация МУНТ и равномерное распределение их  микродоз в объеме ЦК осуществлялось предварительным 2-х этапным приготовлением порошкообразного премикса «пластификатор+МУНТ» под ультразвуковым воздействием [9,10,11]. В данной работе приводятся только результаты исследования структуры ЦК контрольного состава в раннем возрасте (1 сутки) на макро- и мезоструктурном уровне. Выбор раннего возраста обоснован необходимостью достижения ранней распалубочной прочности для ж/бетонных блоков, в связи с необходимостью обеспечения более ускоренной оборачиваемости форм и повышения производительности производства на ЖБИ «Казметрострой» [12-14]. 

В последние годы, благодаря внедрению компьютерных технологий, достигнуты значительные успехи в изучении структуры ЦК, которые позволяют в различных вариациях моделировать процессы гидратации, кинетику формирования новообразований, пористость и т.д. В данной работе для исследования структуры и пористости ЦК применяли ПК «Структура», ранее использованный для исследования дифференциальной пористости эффективных стеновых керамических материалов [15-17].

С помощью электронного микроскопа исследовали характер поверхности скола образцов ЦК, изготовленного из цементного теста нормальной густоты на четырех уровнях/

Макроуровень предполагал небольшое увеличение (х100-400) поверхности образцов цементного камня, позволяющее считать структуру бетона в общем однородным и сплошным, а также позволял измерить некоторые видимые крупные непрореагировавшие частицы цемента, макро- и капиллярные поры, общее взаиморасположение крупных составляющих структуры ЦК, определить дифференциальную макропористость.

Мезоуровень исследовался при увеличении (х700-2000), позволяющем крупным планом рассмотреть и измерить поры, зерна цемента, измерить параметры усадочных трещин и  определить дифференциальную пористость.

Микроуровень (х10000-15000) позволяет установить морфологию и размеры новообразований, увидеть новообразования на поверхности зерен и в межзерновом пространстве, определить дифференциальную пористость. Микроуровень, определенный нами интервалом 100-500 нм, позволяет проводить измерения на уровне коллоидных частиц, а также его выбор обоснован тем, что основная доля частиц гидратных новообразований твердеющего ЦК формируется именно на этом структурном уровне. Отличительной особенностью этого уровня, является возможность наблюдения роста новообразований, причем с диффузионным контролем за процессом. На этом же уровне располагаются капиллярные поры, отвечающие за газо- и водопроницаемость, которые в свою очередь решающим образом влияют на морозостойкость, водонепроницаемость и долговечность цементных композитов. Кроме того, по мнению авторов работы [2], среднее статистическое расстояние между дислокациями и другими дефектами также соответствуют этому уровню. 

Наноуровень (х20000-50000) позволяет более точно установить вид и морфологию гидратных новообразований, измерить его размеры, установить дифференциальную пористость геля ЦК. Наноуровень нами определен размерами частиц и пор менее 100 нм, которые и относят сегодня к наночастицам. 

Особый интерес представляют результаты исследований на наноуровне, т.к. формирование первичного каркаса будущей структуры ЦК начинается еще в объеме свежеприготовленного цементного теста на этом уровне дисперсности.  При этом, хотя уже и образуются отдельные контакты между вновь образованными кристаллическими новообразованиями, на пока еще непрерывный структурный кристаллический каркас не сформировался. Наноуровень характерен возникновением первых зародышей (или ядер) новой фазы, причем эти процессы протекают в кинетической области в отличие от микроуровня, где в основном идет рост новообразований, причем с диффузионным контролем за процессом [2].

ФАЙЛ – СТРУКТУРНАЯ  ОРГАНИЗАЦИЯ  ЦЕМЕНТНОГО  КАМНЯ.PDF