книги / Термодинамика влажностного состояния и твердения строительных материалов

■Лгё и /г„ — скорости перекрестных эффектов. С учетом (7.22) — (7.25) система (6.26), (6.37) может быть представлена в виде

эффектов снижают скорости процессов гидратообразования /$ и структурообразования /л. Собственные скорости этих процессов

и (6.37) [268] мы пришли к весьма важному выводу о том, что перекрестные эффекты взаимно снижают скорости гидратообразо­ вания и структурообразования. Этот вывод поразителен уже сам по себе, так как ранее считалось, что только на определенных ста­ диях процесса твердения гидратообразованйе может тормозить процесс структурообразования [8, 53, 243, 245]. Еще более порази­ тельны результаты экспериментальной оценки /лл, /Л£, 1ц и /*л [66,

345].

Как было показано, для определения /Л£ и / £Л помимо /л и необходимо знать /лл или 1ц. Собственную скорость структурообра­ зования /лл в процессе твердения вяжущих систем с химическими реакциями путем прямого эксперимента определить невозможно. Собственную же скорость гидратообразования 1ц можно устано­ вить по относительному содержанию химически связанной воды иц, полученному при гидратации вяжущего в суспензии с В/Т>20, когда Z= 0 и структурообразование исключено. Из рис. 69 видим, что количество химически связанной воды в структурообразующей

Из рис. 70 видим, что собственные скорости гидратообразова­ ния 1ц почти в два раза выше скоростей 1\ в структурообразую­ щей системе, а последние по абсолютной величине почти равны скорости (отрицательной) гидратообразования /^л, обусловленной

На рис. 71 и 72 приведены скорости структурообразования /л, /щ, полученные для магнитогорского шлакопортландцемента.

Как видно, собственная скорость структурообразования и пере­ крестная скорость Лгё одного порядка. Общая (суммарная) ско­ рость структурообразования /л становится положительной только после точки А; до точки В она имеет тот же характер изменения, что и 7^. Скорость 7Лна порядок ниже собственной скорости струк­ турообразования /цл* Собственная же скорость структурообразова­ ния /пп в окрестностях точки А меньше скорости структурообразо­ вания /т£, обусловленной гидратообразованием. Следовательно, в периоде предкапиллярно-пористой структуры (период формирова­ ния основной структуры цементного камня) на скорость твердения вяжущих систем с химическими реакциями превалирующее влия­ ние оказывает гидратообразование. Ясен и физический смысл этого процесса, поскольку гидратные новообразования, образую­ щиеся во всем объеме системы, разрушают создающиеся дискрет­ ные структурные пространственные сетки, и только после появле­ ния экранирующих пленок, препятствующих дальнейшей гидрата­ ции [214, 295], процесс структурообразования набирает силу,

Рис. 71. Зависимость /лл, 1Ц\ и /л от т для магнитогорского шлакопортландце­ мента при 293 К и В/Ц=0,285 (1) и 0,35 (2).

Рис. 72. Зависимость /лл, /Л£ и /л от т для магнитогорского шлакопортландце­ мента при 353 К и В/Ц = 0,285.

пористых телах [164, 168], базируется на особенностях соответст­ вующих стадий структуры твердеющих вяжущих веществ и в оп­ ределенной мере согласуется с существующими представлениями об эволюции дисперсных систем в процессе твердения вяжущих: веществ. Приводимые технологические режимные параметры яв­ ляются результатом анализа накопленного в бетоноведении огром­ ного экспериментального материала и сделанных на его основе обобщений [18, 142, 143, 171, 178, 179, 183], а также эксперимен­ тальной проверки соответствия известных технологических воздей­

установленных стадий развития структуры цементного камня могутбыть обоснованы следующим образом. В течение периода пред- капиллярно-пористой структуры и формирования коагуляционной, структуры преобладающими являются химические процессы, дос­ тигающие максимальной скорости в конце периода (в точке Л). Рассматриваемый период имеет две фиксируемые структурные стадии: слабоструктурированную (до точки А') и первичную коа­ гуляционную (до точки А).

На первой стадии твердая фаза дискретна; образуются диск­ ретные пространственные сетчатые структурные комплексы. На

формах

вибрационному уплотнению, что способствует увеличению плот­ ности и возникновению первичных контактов отдельных частиц. Предварительный разогрев, а также разогрев после формования холодной бетонной смеси существенно интенсифицируют химиче­ ские реакции и, следовательно, рост новообразований, из которых формируются первичные рыхлые пространственные сетчатые струк­ турные комплексы.

На стадии первичной коагуляционной структуры дискретные пространственные структурные комплексы заполняют весь объем системы, переводя твердую фазу в непрерывное состояние. Эти комплексы образуют между собой контакты, давят друг на друга, разрушая первичную рыхлую пространственную сетку и уплотняя ее. Именно тогда, когда скорость разрушения первичной структуры максимальна (Лр-нтип), что соответствует середине интервала между точками А' и Л, т. е. середине интервала данной структур­ ной стадии, внешние механические воздействия на бетонную смесь приводят к наиболее полному разрушению первичной рыхлой про­ странственной сетки, к максимальному уплотнению цементного теста и созданию наиболее однородной его коагуляционной прост­ ранственной структуры. Поэтому середина данного интервала яв­ ляется оптимальной для повторного вибрирования бетона [2, 3, 225] и приложения других механических воздействий (вибропрес­ сования, ударного уплотнения и т. п.). Так как в конце этой стадии достигается максимальная скорость гидратообразования, то к этому времени должен быть завершен наиболее интенсивный на­ грев бетона.

Поскольку скорость нагрева бетона лимитируется однородно­ стью развития температурного поля, то в зависимости от способа нагрева, толщины изделия и вида формы задается различная ско­ рость нагрева [171, 178, 179]. Неоднородность температурного поля может привести к существенной неравномерности структуро-

О К О Н Ч А Н И Е Т А Б Л И Ц Ы 1?

кая кристаллизацион­ ная структура

коллоидной структуры; *** формирование типичной капиллярно-пористой-'

образования по сечению изделия, что ведет, в свою очередь, к различному периоду релаксации напряжений по слоям [94, 171] и далее к развитию неоднородного напряженного состояния, в ре­ зультате чего получаются изделия пониженной прочности. Приме­ нение жестких закрытых форм позволяет вести наиболее интен­ сивный прогрев изделий, который при соблюдении однородности температурного поля может достигать 30 град/ч [62]. Коллоидная коагуляционная структура для некоторых вяжущих быстро сме­ няется переходной коагуляционной структурой, и интервал междуточками Л и В' становится весьма коротким. Поскольку скорость гидратообразования в этом интервале достигает максимума и повышение температуры ведет к уменьшению химического сродства Л, целесообразно снизить скорость подъема температуры или перейти на изотермическую площадку [251] для полного вы­ равнивания температурного поля и достижения, таким образомг наибольшей однородности по скорости структурообразования в различных слоях изделий при образовании кристаллизационных контактов. Здесь существенную роль играют толщина прогревае­ мого изделия и вид цемента. Для малоактивных цементов (напри­ мер, магнитогорский шлакопортландцемент М-300) структурообразование может существенно отставать от гидратообразования,

рообразование может быть приторможено изотермической выдерж­ кой, что замедляет падение химического сродства Л и рост струк­ турного сродства Z.

На стадии переходной коллоидной коагуляционной структуры необходима интенсификация процесса структурообразования за счет подъема температуры после точки В' до максимально воз­ можного значения для данного вида цемента и конкретных

.условий тепловой обработки изделий при соблюдении максимально возможной равномерности структурообразования по сечению изде­ лий [62, 251]. Если температура в процессе повышения достигает точки В и цементный камень переходит в коллоидную капиллярно­ пористую первичную структуру, то от подъема температуры изде­ лия необходимо перейти к охлаждению, т. е. получаем пиковый температурный режим прогрева. Если же достигнута максималь­ ная температура для данных условий твердения бетона и первич­ ная коллоидная капиллярно-пористая структура цементного камня ^еще не получена, то до точки В необходимо проводить изотерми­ ческую выдержку. В точке В при переходе системы в первичную коллоидную капиллярно-пористую структуру достигается макси­ мальная скорость структурообразования, производства энтропии структурообразования diS^/dx и роста прочности dRcm/dx, после чего дальнейший прогрев изделий усиливает деструктивные явле­ ния, поэтому ускорение роста прочности прекращается [62, 70, 71, 171, 179, 183, 194, 251, 264, 284]. Интенсификация структурообра­ зования на стадии первичной коллоидной капиллярно-пористой структуры (интервал ВС') может быть достигнута за счет увели­ чения структурного сродства Z путем высушивания изделия.

При термообработке в закрытых формах в сухой среде (элект­ ропрогрев, инфракрасный прогрев) высушивание изделия происхо­ дит за счет термовлагопроводности, поэтому в процессе охлажде­ ния изделия следует раскрыть форму [68, 70]. На стадии пере­ ходной коллоидной капиллярно-пористой кристаллизационной структуры (интервал С'С) изделия, как правило, достигают распалубочной прочности (/?сж= (0 ,5 —0,7)/?СЖ28). В этом случае их необходимо распалубить и поместить в сухую воздушную среду (при положительной температуре) [68, 251]. Высыхание изделий в процессе охлаждения приводит к дальнейшему развитию про­ цесса структурообразования и приближению структуры цементного камня к типичной капиллярно-пористой.

Как уже было отмечено, рекомендуемые внешние воздействия в указанной последовательности относятся только к изделиям, изготавливаемым в закрытых формах, т. е. условия изготовления которых соответствуют проведенному экспериментальному иссле­ дованию. Они прошли заводские испытания и применяются в те­ чение ряда лет на предприятиях по производству сборного желе­ зобетона. Рекомендуемая сушка изделий относится в первую очередь к ограждающим конструкциям из легкого бетона, для кото­ рых она проверена в заводских условиях [68, 70], а также к же­ лезобетонным тонкостенным облицовочным плитам, для которых на многих производственных предприятиях она введена в техноло­ гический регламент. Сушка конструктивных железобетонных из­ делий, несмотря на перспективность с точки зрения повышения прочности изделий и экономии цемента, в заводских условиях пока не нашла практического применения.

При тепловлажностной обработке железобетонных изделий в

открытых формах применение рекомендаций, предназначенных для закрытых форм, требует детального обоснования, ибо наряду с твердением в этом случае необходимо учитывать и процессы пе­ реноса. Одновременное протекание этих процессов обусловливает особенности сушки строительных изделий. Детальные эксперимен­ тальные исследования процессов переноса в строительных изде­ лиях на базе вяжущих веществ требуют разработки специального аналитического аппарата (см. гл. 8).

7.2. Открытые вяжущие системы высыхания

7.2.1. Основны е исследованные системы

В качестве вяжущей системы высыхания рассмотрим грубую строительную керамику, твердеющую после формования вследствие стока влаги в окружаю­ щую среду. При анализе изменения активности оводнения использованы об­ разцы из свежеотформованных:

кирпича Брянского кирпично-известкового комбината, Калнциемского КСМ, Рязанского кирпичного завода, Афонинского кирпичного завода, Щебекинского кирпичного завода, Челябинского кирпичного завода N® 1, Новокузнецкого кир­ пичного завода;

дренажных труб завода «Лоде», Фокинского завода керамических дренаж­ ных труб, Новгородского КСМ. Эти изделия изготовлены из глины различных месторождений. Наиболее полные исследования термодинамических и струк­ турно-механических свойств проведены на дренажных трубах завода «Лоде» и Фокинского завода керамических дренажных труб, а также кирпича Калнцием­ ского КСМ и Челябинского кирпичного завода № 1, для которых УралНИИстромпроектом совместно с СПКО «Оргтехстром» МПСМ ЛатвССР разрабо­ тана технология импульсно-вакуумной сушки и интенсификации конвективной сушки. Химический состав глин, используемых для производства указанных из­ делий, приведен в табл. 13. Все исследования проведены на свежеотформо­ ванных изделиях и образцах, вырезанных из них.

специфических особенностей, которые будут рассмотрены ниже.

7.2.2. Равновесные и неравновесны е изотерм ы влаж ностного состояния

Для первого этапа исследования из свежеотформованных дре­ нажных труб завода «Лоде» диаметром 50 мм были нарезаны пластинки размером 15ХЮХ2 мм. Пластинки высушивали до по­ стоянной массы при температуре 378 К. Затем тензиметрическим методом определяли их равновесное и неравновесное влагосодержание при 293 К и следующих значениях относительного давле­ ния водяного пара ф: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 0,95;

* Глины пылевато-песчанистые; ** глины ленточные.

0,97; 0,99; 1,0. По полученным данным строили равновесные и не­ равновесные изохронные изотермы влажностного состояния. На рис. 73 приведены три из них, наиболее характерные. Изотерма / получена через 3 ч, изотерма 2 — через 6 ч, изотерма 3 — через 10 сут после начала эксперимента (последняя соответствует уста­ новившемуся равновесию глины с водяным паром). На рис. 74 приведены зависимости In а от ф, соответствующие указанным изотермам. Активность оводнения вычисляли из (2.37). Анализ этих зависимостей показывает, что изотерма 3 характеризует ка­ пиллярно-пористое коллоидное, состояние, 2 — соответствует со­ стоянию с типичной капиллярно-пористой структурой, 1 — состоя­ нию, когда влагосодержание еще не достигло значений, соответ-