Нелинейная диффузия как основа прочности и пористости строительных изделий

В настоящей работе рассматривается явление нелинейной диффузии, происходящее в процессе структурообразования бетонных изделий на легких заполнителях. В результате теоретических и экспериментальных исследований, твердение бетонной смеси, представлено как система с нелинейной диффузией, динамика которой описывается с нелинейным дифференциальным уравнением в частных производных и их практического приложения.

Одним из систем, в которых имеет место нелинейная диффузия, это процесс твердения строительных изделий на легких заполнителях. По теоретическим и экспериментальным исследованиям установлено, что отпускная прочность и другие физико-механические показатели строительных изделий на легких заполнителях твердеющие в естественно – воздушных условиях, в основном определяются минералогическим составом цементных вяжущих, видом крупных и мелких заполнителей, водоцементного отношения (В/Ц), а также степени гидратации характеризующей начальную микротвердость [1]. Изменение водоцементного отношения В/Ц в процессе структурообразовании легкогобетона на пористых заполнителях, наблюдается за счет эффекта самовакуумирования; отсасывания влаги заполнителем в начале твердения и ее последующего возвращения из заполнителя по мере гидратации. В начале твердения большая часть воды уходит в поры заполнителя из-за большого стяжения капиллярных сил [2]. Сцепление вяжущего с пористым заполнителем возрастает вследствие химического взаимодействия контактирующих фаз. О качестве контактной зоны можно судить и по ее микротвердости. Исследование кинетики формирования поровой структуры в процессе твердения цементного камня, а также выяснение взаимосвязи между процессом гидратации цементного камня и кинетикой развития его поровой структуры представляет большой научно-практический интерес, так как поровая структура в значительной мере определяет прочностные фильтрационные и многие другие свойства бетонов на легких заполнителях. Образцы цементного камня одинаковой пористости, но содержащие разное количество гидратированной фазы, могут сильно различаться по прочности. Это обуславливается как различием пор в сравниваемых образцах по форме и размерам, так и разным характером заполнения их цементным гелем, влияющих на площадь контактирования отдельных кристалликов друг с другом характеризуемые видом диффузионных процессов, в результате чего зависимость прочности цементного камня от пористости является нелинейной [2,3]. В процессе гидратации общая пористость цементного камня уменьшается, однако капиллярная пористость снижается быстрее, так как в ней находится значительное количество материалов (метастабильные гидраты) имеющие слабые химические связи атомов примеси с решеткой. Обычно поровая влага насыщена гидратом окиси кальция, а так как большинство пористых заполнителей: керамзит, аглопорит и другие содержат аморфный SiO2, способный химически реагировать с Ca (OH)2, то на поверхности контакта заполнителя с цементным тестом, образуется нерастворимый в воде гидросиликат кальция CaO'SiOnHo и соединения состава 3CaO(FeO;> × SiO2 ×(6 - 2x0h2° упрочняющие контактный слой «пористое зерно-цементный камень» [2,3].

С физико-химической точки зрения следует отметить что, процесс образование водных алюмосиликатов с ярко выраженной слоистой структурой и трубчатые кристаллы гидросиликатов кальция образуют рыхлые участки оболочки, создающие условия перемещения примесных атомов по междоузлиям решетки кристалла (примесные атомы внедрения), через которых вода диффундирует интенсивнее, поэтому по мере химического связывания воды (в процессе гидратации) происходит выделение большого числа кристаллогидратов в толще цементной частицы под оболочкой (самодиффузия собственных атомов, вытесненных в междоузлия из узлов). Эти вторично образующиеся кристаллогидраты на определенной стадии разрушают первичную оболочку (которая

56

стенками, состоящими из малорастворимых эттрингитов и заполнений, содержащих перенасыщенные растворы различных солей (для примесных атомов - это диффузия в твердом растворе замещения). На второй стадии происходит частичное разрушение ячеистой структуры, распад метастабильных гидратов снижение концентрации ионов кальция в растворе (самодиффузия собственных атомов, вытесненных в междоузлие из узлов). Источником колебаний является свободная энергия экзотермической реакции с аналогичным по динамике и физике протекания процессами описанными в частности, в книге Э.Скотт [4]. Вместе с тем, интерпретация колебаний как образования и разрушения структур приводит к выводам хорошо согласующимися с экспериментами (Рис.2) [5]. Таким образом, для учета величину, обуславливающих колебательный характер, целесообразно ввести еще одну характеристику процесса - коэффициента диффузии, характеризующий коэффициент а структурообразования γ. Таким образом, после несложных преобразований уравнение реакции- диффузии (3) может быть переписано в следующем виде

(6)

где W..- установившееся содержание ХСВ, при котором процесс гидратации прекращается;

w = w (t) - содержание ХСВ в текущий момент времени (рис.2).

f(w) - функция, характеризующая зависимость скорости гидратации от отклонений концентрации условий равновесия (предполагаемый вид показан на рис.1).

γ - коэффициент характеризующий ускорения или замедления реакции и диффузии в зависимости от этапа структурообразования, (в первом приближении определяется значением реакционной поверхности в данный момент структурообразования). При γ>0 содержание ХСВ согласно уравнению (6) увеличивается, при γ<0 уменьшается, при γ=0 процесс гидратации прекращается. Поэтому явление возникновения и распада структур можно описать, задав единственной кривой (Рис.2). В типичных случаях γ имеет вид затухающих колебаний, полупериод которых примерно равен длительности первого выброса, а амплитуда быстро убывает (Рис.3).

57

Таким образом, математическая модель (6) применима к технологическим процессам, связанным с твердением бетонных изделий. Ее практическая ценность заключается в том, что она позволяет изучить особенности диффузионных процессов. происходящих в процессе структурообразования и установить зависимость коэффициента диффузии от концентрации примеси, обеспечивающей необходимые свойства твердых тел. Кроме того знание законов диффузии позволяет определить важные параметры вещества, а также осуществить коррекцию хода твердения.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Горчаков Т.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы. – Москва: Стройиздат,1986. - С.305.
  2. Белов В.М., Михайлов Н.В. Распределение влаги в бетоне по видам ее связи с твердой фазой. : Физика-химическая механика дисперсных структур, - Москва: Наука,1986. -С.12-87.
  3. Скотт. Э. Нелинейная наука: рождение и развитие когерентных структур, - Москва.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – С.500.
  4. Верещагин И.К, Кокин С.М, Никитенко В.А и др., Физика твердого тела: Учебное пособие для втузов. - С.М: Высшая школа, 2001. С.237.
  5. Кабылбекова У.М., Математическое моделирование кинетики твердения бетонов на легких заполнителях, «Архитектура и строительство Узбекистана», 2008. -15. - С. 5.
  6. Ашрабов А.А. Моделирование свойств и процессов разрушения легкого бетона. «Архитектура и строительство Узбекистана», 1988. - № 1. -С.7.
  7. Пуанкере А. Качественная теория дифференциальных уравнений. Москва: Физматгиз, 1987. - С.375.
Год: 2014
Город: Костанай