ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе
по дисциплине "Планирование и обработка результатов экспериментов в
научных исследованиях"
на тему: "Природа "скачкообразного" (по В.А. Кинду) твердения цементных систем"
Выполнила студентка группы 15-ЗСМ-СТ2
Глюза Лолита Викторовна
Допущен к защите_____________________________________________
Руководитель (нормоконтроль) проекта
Пшеничный Геннадий Никифорович
_____________________________________________________________
Защищен__________________ Оценка____________________
Члены комиссии______________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
Краснодар, 2017 г.
ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»
(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)
Факультет строительства и управления недвижимостью
Кафедра производства строительных изделий и конструкций
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой
____________________
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовой работы
студенту_______________________группы_________________
факультета_____________________________________________
направление__________________________________________
(код и наименование направления)
Тема работы___________________________________________
______________________________________________________
Содержание задания_____________________________________
______________________________________________________
Объем работы:
а) пояснительная записка_______________________________с.
б) иллюстративная часть___________________лист(ов) формата
Рекомендуемая литература________________________________
_______________________________________________________
_______________________________________________________
Срок выполнения: с «___»____________по «___»_____________
Срок защиты: «___»_________20__г.
Дата выдачи задания: «___»_________20__г.
Дата сдачи проекта на кафедру: «___»_________20__г.
Руководитель проекта __________________
(подпись)
Задание принял студент __________________
(подпись)
Реферат
Курсовая работа: __ с., __ табл., ___ рисунков, ___ источников, ___ приложений.
БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН, ГИДРАТАЦИЯ, СТАДИЙНОСТЬ ПРОЦЕССА, МИКРОБЕТОН, ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ЗОНЫ, СБРОСЫПРОЧНОСТИ, НАДЕЖНОСТЬ БЕТОНОВ
Текст реферата должен отражать:
- объект исследования или разработки;
- цель работы;
- метод или методологию проведения работы;
- результаты работы и их новизну;
- технологические или технико-экономические преимущества;
- степень внедрения;
- область применения;
- экономическая эффективность или значимость работы;
- прогнозные предположения о развитии объекта исследования.
Если отчет не содержит сведений по какой-либо из перечисленных структурных частей реферата, то в тексте реферата она опускается, при этом последовательность изложения сохраняется.
Содержание
Введение.........................................................................................................
Нормативные ссылки................................................
1. Механизм твердения портландцемента..............................
2. "Скачкообразный" характер твердения цементных систем.............
3. Электростатическая основа гидратации цемента...................
Заключение..................................................
Источники...............................................
Введение
В настоящее время в области бетоноведения решена масса вопросов, но некоторые из них по-прежнему остаются невыясненными. К одному из них относится "скачкообразный" характер твердения цементных систем (В.А. Кинд, В.Ф. Журавлев), косвенно подтверждаемый волнообразной (ступенчатой) динамикой многих сопровождающих отвердевание цементных систем свойств и явлений (И.Н. Ахвердов, Л.Н. Маргулис, А.Е. Шейкин и др.)
Особую теоретическую и практическую значимость представляет деструктивный фактор – периодичность сбросов прочности на всех этапах существования бетона. Рассматривать в качестве разрушительных причин перестройку кристаллогидратного сростка в стабильные модификации, срабатывание «цементных ядер», действие моно- или групп вредоносных кристаллов и тому подобных представлений малопродуктивно, и уж совершенно недопустимо относить деструкцию к «аномальному», свойственному неким некондиционным цементам явлению. Деструктивный аспект является такой же закономерной и неотъемлемой стороной отвердевания бетона, как и позитивный, структурообразующий процесс.
В то же время есть общий для вышеупомянутых классических гидратационных схем признак – момент контакта цементных зерен с водой затворения. Это дает основание предположить определяющую роль неизбежных, но малоучитываемых сил электрической природы, возникающих на границе раздела фаз цементной системы и нашедших прямое экспериментальное подтверждение в виде положительного, весьма динамичного (неоднократно увеличивающегося и понижающегося) заряда гидратирующихся цементных частиц (О.Л. Алексеев, Г.Р. Вагнер, А.Е. Шейкин и др.).
Нормативные ссылки
ГОСТ Р 8.000-2000 ГСИ. Основные положения
ГОСТ Р 21.1101-2013 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации
ГОСТ 2.316-2008 ЕСКД. Правила нанесения надписей, технических требований и таблиц на графических документах. Общие положения
ГОСТ 3.1127-93 ЕСТД. Общие правила выполнения текстовых технологических документов
ГОСТ 7.9-95 СИБИД. Реферат и аннотация. Общие требования
ГОСТ 7.32-2001 СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления
ГОСТ Р 54257-2010 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования
ГОСТ 310.3-76 Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема
ГОСТ 22690-88 Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля
ГОСТ 23732-2011 Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия
ГОСТ 8829-94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости
СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия
Механизм твердения портландцемента
Физическая сущность превращения пластичной вяжущей массы в камень занимала умы исследователей на всем протяжении строительной практики.
Римский архитектор и инженер Витрувий в своем трактате «Десять книг об архитектуре» описывает процесс отвердевания известкового вяжущего, исходя из основополагающих первичных элементов (начала начал всего сущего): земли, воды, огня и воздуха. В результате обжига куски известняка, имея отверстия, образовавшиеся от ноздреватости и разрежения пор, поглощают в себя песочную замесь и, приходя таким образом в соединение со щебнем, вяжут его собой в процессе своего высыхания и создают этим прочность. Подобное объяснение оставалось популярным вплоть до середины XVIII века.
Вторую половину XVIII столетия можно считать периодом прорыва тысячелетия накапливающейся критической интеллектуальной и творческой «массы» человечества. Поразительные успехи в естествознании, химии, физике, технике и технологии, развитие методов исследования, совершенствование экспериментального оснащения позволили на сознательной, научно осмысленной основе подойти к проблеме трактовки сущности отвердевания минеральных вяжущих веществ. При этом наметились две полярные точки зрения, основные позиции которых до сих пор являются дисуссионными.
Первую точку зрения сформировал Анри Луи Ле-Шателье, создав сквозьрастворную (кристаллизационную) схему отвердевания вяжущего вещества (1887 г.). По его мнению, безводные минералы при смешивании с водой растворяются до ионно-молекулярного состояния и взаимодействуют с водой с появлением гидратированных продуктов. По мере развития процесса наступает пересыщение жидкой среды и выпадение новообразований в виде кристаллов, которые переплетаясь и соединяясь, образуют сросток, превращающийся со временем в искусственный камень. При этом не исключается возможность твердофазовых преобразований. В процессе «гидратации клинкерных минералов, так или иначе, допускается внедрение воды в решетку первоначального минерала, что является…маловероятным, независимо от того, как интерпретируется это внедрение и каким термином оно обозначается».
Вторая точка зрения пошла от немецкого ученого-силикатчика В.Михаэлиса. Согласно его теории, процесс отвердевания сводится к появлению на поверхности цементных зерен коллоидальных студней (гелей) путем проникновения молекул воды в кристаллическую решетку и их прямого присоединения к минералам клинкера. Гидросиликатный гель приобретает все более высокую плотность и цементирующую способность по мере вовлечения в процесс гидратации новых порций исходного материала. Твердение системы происходит в результате образования коагуляционной структуры и ее последующего самоуплотнения за счет обезвоживания гидрогелей. И хотя решающее значение в процессе гидратационного твердения портландцемента Михаэлис придавал сморщивающемуся со временем гелю, но наряду с этим он отвел в своей теории известное место и кристаллическим образованиям, играющим, по мнению автора, вспомогательную и сопутствующую роль.
Однако, ни теория Ле-Шателье, ни теория Михаэлиса, в отдельности взятые, не могут квалифицироваться как общее объяснение процесса твердения всех вяжущих веществ, твердеющих с присоединением воды.
Таким общим объяснением является теоретическое построение А.А. Байкова. Он представлял твердение цемента и материалов на его основе комплексом коллоидно-кристаллизационныхпроцессов, рассматривал коллоидальное состояние промежуточной стадией, с последующим появлением кристаллогидратов. При соприкосновении цемента с водой на поверхности зерен вяжущего топохимическим путем образуются продукты реакции. Дальнейший процесс пояснялся последовательностью следующих трех периодов: подготовительного (растворения), коллоидации (схватывания) и перекристаллизации (твердения). В подготовительный период растворимые продукты (преимущественно, известь и гироалюминаты кальция) переходят в жидкую фазу, обнажая негидратированные слои вяжущего, инициируя тем самым взаимодействие компонентов. Гидросиликаты кальция, практически нерастворимые в воде, выделяются в виде мельчайших твердых частичек и образуют с водой коллоидную систему. Второй период характеризуется тем, что в насыщенной жидкой среде продукты реакции (известь, гидроалюминаты и гидросиликаты кальция) выделяются в виде геля. В третьем периоде растворимые продукты начинают перекристаллизовываться, образуя кристаллические контакты и сростки. Процесс протекает в результате растворения мельчайших частиц и выделения из пересыщенного раствора более стойких крупных кристаллов. Гель гидросиликата со временем уплотняется, что предопределяет увеличение прочности и прочих свойств цементного камня и бетонов.
Представление А.А. Байкова о подготовительном (растворительном) периоде и образовании коллоидных цементных растворов было уточнено П.А. Ребиндером. Он считал, что начальная стадия взаимодействия цемента с водой представляет собой процесс самопроизвольного диспергирования первоначально грубодисперсных частиц твердой фазы под влиянием адсорбционного взаимодействия с окружающей жидкой средой – водой. Адсорбция молекул воды и различных ионов в микротрещинах и прочих поверхностных дефектных участках клинкерных зерен приводит к ослаблению сил сцепления между элементами структуры твердого тела и его диспергации. Развитие процесса определяет образование коллоидной фракции вяжущего вещества, частицы которого с поверхности покрыты пленкой гидратных новообразований [2], что приводит в итоге к пересыщению водной среды, появлению центров кристаллизации, формированию вначале рыхлой, затем все более уплотняющейся и упрочняющейся кристаллизационной структуры цементного камня.
По мнению профессора Г.И. Горчакова, сразу же после добавления к цементу воды начинаются химические реакции, и образуется пересыщенный раствор гидроокиси кальция, которая выделяется главным образом при гидролизе алита. Двуводный гипс при помоле клинкера частично (иногда и полностью) дегидратируется, поэтому в готовом цементе находится полугидрат и растворимый ангидрит. Сульфат кальция и содержащиеся в клинкере щелочные сульфаты быстро растворяются, поэтому в воде цементного теста присутствуют помимо ионов кальция и ОН-ионов также сульфат-ионы и небольшое количество кремнезема, глинозема и окиси железа. Высокая концентрация ионов кальция и сульфат-ионов наблюдается вначале после затворения: через несколько минут уже образуются первые гидратные фазы - эттрингит и гидроокись кальция, осаждающиеся из раствора. Одновременно С3S гидратируется, переходя в С3SHx, образующий на пограничной поверхности слой толщиной в несколько молекул. Последний непроницаем для воды примерно в течение двух-шести часов, и эту вторую стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым периодом» гидратации цемента. Вследствие разложения С3SHx, вызванного кристаллизацией Са(ОН)2, возобновляется поступление воды к исходному веществу, при этом возрастает количество выделяемого тепла. Начало третьей стадии процесса гидратации цемента связывается с началом кристаллизации гидроокиси кальция из раствора. Кристаллы гидроокиси кальция упрочняют систему цемент-вода; кроме того, эттрингит и гидросиликат кальция могут расти в виде длинных волокон, соединяющих первичные частицы и разделяющих поры на более мелкие. Происходит формирование «основной структуры» цементного теста. В последующем поры постепенно заполняются продуктами гидратации цемента, структура затвердевшего цементного теста уплотняется и упрочняется, превращаясь в камень.
Представленная схема в общих чертах согласуется с экспериментальными данными о нарастании начальной прочности твердеющего цементного теста, которая имеет два характерных участка (рис. 1). В начальный период (до точки А), называемый обычно периодом формирования структуры, происходит медленное упрочнение свежеуложенной бетонной смеси, обусловленное выделением новообразований из пересыщенного раствора в виде геля. Поэтому первоначально в свежеуложенной бетонной смеси формируется преимущественно коагуляционная структура в виде рыхлого каркаса из дисперсных частиц продуктов гидратации, их цепочек и агрегатов, связанных ван-дер-ваальсовыми силами. Сцеплению способствует переплетение гидратных оболочек частиц, образованных адсорбированной водой. Однако связи между элементами структуры остаются все же слабыми, непрочными; ее плотность зависит от концентрации зерен цемента в водной среде (т.е. от В/Ц цементного теста в бетоне), а также от времени, прошедшего после затворения. К концу периода формирования структуры количество новообразований возрастает, частицы продуктов реакций сближаются и создаются условия, вызывающие резкое возрастание прочности (после точки А). Таким образом, в точке «А» бетонная смесь превращается в бетон, совершается переход от пластической прочности бетонной смеси к хрупкой прочности отвердевающего бетона.
Рисунок 1- Нарастание структурной прочности бетонной смеси
Изложенная теоретическая позиция используется и в настоящее время профессором Ю.М. Баженовым для описания гидратационного и структурообразующего процессов взаимодействующих цементных систем с некоторым отличием причины перехода от периода формирования к упрочнению бетонов. Если в предыдущем варианте начало резкого упрочнения пояснялось началом кристаллизации гидроокиси кальция, эттрингита и гидросиликата кальция, то в современном – осмотическими силами. В индукционном (скрытом) периоде гидратации вяжущего происходит постепенное поглощение поверхностными оболочками цементных зерен воды, толщина водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелевых оболочках появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелевых оболочек, облегчается доступ воды вглубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента и твердения бетона.
2. "Скачкообразный" характер твердения цементных систем
В настоящее время в области бетоноведения решена масса вопросов, но некоторые из них по-прежнему остаются невыясненными. К одному из таких вопросов относится "скачкообразный" характер твердения цементных систем.
На данный вопрос ещё в 30-е годы обращали внимание В.А. Кинд и В.Ф. Журавлев: «Обычно принято считать, что портландцемент в виде теста или в виде раствора твердеет до определенного срока, причем нарастание прочности происходит плавно, без каких-либо скачков. В действительности же мы имеем дело с процессами, протекающими как раз скачкообразно, а не плавно».
Скачкообразность процесса экспериментально подтверждается волнообразным изменением щелочности жидкой среды и скорости тепловыделения (рис. 2).
Рисунок 2- Скорость тепловыделения гидратирующих цементов
клинкера Воскресенского завода
Профессор Иосиф Николаевич Ахвердов обнаружил такой же характер кривых электрического сопротивления цементного геля различного водосодержания (рис. 3), а профессор Юрий Сергеевич Малинин с сотрудниками – аналогичную картину при изучении кинетики пластической прочности и концентрации различных ионов в жидкой фазе гидратирующегося цемента (рис. 4). Таким образом, несмотря на неоспоримость немонотонного характера формирования и развития физико-механических свойств при твердении минеральных вяжущих, бетонов и тому подобных систем, данная структурообразующая закономерность нередко игнорируется, относится к аномалиям неких некондиционных цементов.
Рисунок 3- Кинетика электрического сопротивления цементного геля в процессе схватывания портландцемента М-500 с различным значением В/Ц
Рисунок 4- Кривые комплексного исследования образца C3S+C3A+гипс
В начальном периоде (по всей векроятности, до максимума тепловыделения) при конкретной температуре твердения моменты внезапного самоупрочнения цементной системы наблюдаются через близкий интервал времени – циклически (стадийно). Данная структурообразующая особенность обычно вызывает недоумение и недоверие, хотя ничего нет проще, чем лично убедиться в этом. Для этой цели необходимо коническим пластометром исследовать кинетику структурной прочности цементного теста и растворных смесей различных консистенций при обычных условиях твердения (с интервалом испытаний не более 10 мин с момента затворения цемента водой) и проанализировать полученные пластограммы.
Водоцементный фактор и присутствие заполнителей (крупного, мелкого, плотного, пористого) не оказывают влияния на качественную сторону структурообразующего процесса – время наступления характерных моментов, свидетельствующих о качественно новом этапе твердения. Этот аспект выражается в том, что при изучении изменения во времени ряда сопровождающих процесс свойств (пластических, прочностных, термохимических, электрофизических, акустических и др.) ярко выраженные переломные точки соответствующих кинетических кривых при конкретном температурном режиме твердения наблюдаются в одно и то время, вне зависимости от количества воды затворения и наличия заполнителей. Независимость качественной стороны твердения цементных составов от их вида и консистенции также не «вписывается» в устоявшееся представление о влиянии упомянутых факторов на сроки схватывания портландцемента и смесей на его основе.
Немонотонность процесса справедлива не только для начальной (пластичной) стадии, но и для более поздних этапов твердения. На это обстоятельство указывает продолжение ранее приведенного В.А.Киндом и В.Ф. Журавлевым сведения: «цемент, достигнув какой-то определенной прочности, дает затем заметное понижение последней с тем, чтобы вслед за этим вновь показать дальнейший рост временного сопротивления механическим усилиям и это становится особенно ясным при рассмотрении результатов долгосрочных испытаний». Позже это явление профессор Лариса Алексеевна Малинина проиллюстрировала «пилообразным» изменением прочности пропариваемого бетона (рис. 5) – как видно, при общей тенденции к повышению в определенные закономерно увеличивающиеся периоды наблюдаются ее «сбросы».
Рисунок 5- Нарастание просности бетона с В/Ц=0,47 на Белгородском п/ц М400
Сбросы прочности имеют место не только в стадии интенсивного отвердевания, но и спустя многие годы и даже десятилетия. Малообъяснимый деструктивный аспект имеет чрезвычайную практическую значимость, тем более в условиях наметившейся в последние годы тенденции строительства высотных и большепролетных железобетонных объектов.