ВЛИЯНИЕ НЕКОНДИЦИОННЫХ ЧАСТИЦ НА МАТРИЦУ БЕТОННОЙ СИСТЕМЫ

УДК 666.9-127 DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-3-112-118

В.В. ШЕХОВЦОВ, Н.К. СКРИПНИКОВА, Г.Г. ВОЛОКИТИН,

О.Г. ВОЛОКИТИН, М.А. СЕМЕНОВЬХ, В.А. ВЛАСОВ,

Томский государственный архитектурно-строительный университет

ВЛИЯНИЕ НЕКОНДИЦИОННЫХ ЧАСТИЦ НА МАТРИЦУ БЕТОННОЙ СИСТЕМЫ*

В настоящей работе представлены результаты исследования о влиянии некондиционных частиц на матрицу бетонной системы. Установлено, что в бетонных дисперсных системах происходит возникновение и развитие пространственных структурных каркасов с различной степенью заполнения их некондиционными частицами. Введение некондиционных частиц в состав матрицы бетонной системы приводит к формированию прочных структурных связей за счет контактирования частиц через адсорбционные и диффузионные слои, образованные в процессе формирования субмикрокристаллического гелия, обтекаемого новообразованными дисперсными областями (C-S-H). Верификация становления структурных связей в матрице бетонной системы осуществлялась с использованием сканирующей электронной микроскопии.

Для цитирования: Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Волокитин Г.Г., Во-локитин О.Г., Семеновых М.А., Власов В.А. Влияние некондиционных частиц на матрицу бетонной системы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 3. С. 112-118. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-3-112-118

V.V. SHEKHOVTSOV, N.K. SKRIPNIKOVA, G.G. VOLOKITIN, O.G. VOLOKITIN, M.A. SEMENOVYKH, V.A. VLASOV, Tomsk State University of Architecture and Building

INFLUENCE OF NON-STANDARD PARTICLES ON THE CONCRETE SYSTEM MATRIX

This paper describes the influence of non-standard particles on the matrix of the concrete system. It is found that in the concrete dispersion systems, the formation and development of the spatial structures occurs with the different degree of their occupation with non-standard particles. The introduction of non-standard particles in the concrete matrix leads to the formation of strong structural bonds due to the particle interaction through the adsorption and diffusion layers. The latter appear during the formation of sub-microcrystalline helium surrounded by newly formed dispersion regions (C-S-H). The scanning electron microscopy is used to verify the formation of the structural bonds in the concrete system matrix.

For citation: Shekhovtsov V.V., Skripnikova N.K., Volokitin G.G., Volo-kitin O.G., Semenovykh M.A., Vlasov V.A. Vliyanie nekonditsionnykh chastits na matritsu betonnoi sistemy [Influence of non-standard particles on the concrete system

* Работа выполнена при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ FEMN-2020-0004.

© Шеховцов В.В., Скрипникова Н.К., Волокитин Г.Г., Волокитин О.Г., Семеновых М.А., Власов В.А., 2020

matrix]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel&nogo universiteta - Journal of Construction and Architecture. 2020. V. 22. No. 3. Pp. 112-118.

DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-3-112-118

Физическая природа структурообразования тел основывается на изменении энергии межмолекулярного взаимодействия частиц между собой, вследствие чего в дисперсной среде наблюдается развитие новообразованных связей исследуемой матрицы материала. Рассматривая процессы структурообразования матрицы на основе вяжущих веществ, необходимо выделить главную особенность, которая представлена термодинамическим эффектом, за счет которого понижается степень насыщения системы влагой, что приводит к изменению активности обводнения (образование гидросиликатов), тем самым отличается степень насыщения матрицы в типичных капиллярно-пористых телах [1, 2]. Одной из перспективных капиллярно-пористых систем, рассматриваемых на сегодняшний день, является матрица бетона [3-5]. В настоящее время активно проводятся исследования в области модификации матрицы бетонных систем [6, 7] путем ввода некондиционных частиц (НКЧ) различной морфологии для улучшения компактности заполняемых ячеек (кластеров) дисперсной фазы, внутренней структуры и устойчивости к физико-механическим нагрузкам. В качестве НКЧ в большей степени используют шламы, шлаки и зольные остатки тепловых и металлургических предприятий, которые являются продуктом техногенного характера [8]. Однако увеличение содержания НКЧ в матрице бетонной системы вызывает такие проблемы, как низкая прочность, интенсивная подвижность дисперсной системы на ранней стадии твердения [9, 10], вследствие чего снижается долговечность конечного продукта.

Для оценки процессов структурообразования матрицы бетонной системы с учетом взаимодействия НКЧ необходимо отталкиваться от их физической природы образования. Большинство таких масс формируются за счет тепловых нагрузок на исходные сырьевые материалы, используемые на тепловых и металлургических предприятиях, вследствие чего выделяется побочный продукт (отходы), представленный мелкодисперсной скоагулированной массой [11-13]. В работах [14-16] отмечено, что применение таких масс приводит к агломерации и образованию пустот между границами раздела фаз за счет многостороннего взаимодействия частиц.

В настоящей статье представлены результаты исследований взаимодействия НКЧ с матрицей бетонной системы и их влияния на физическую природу структурообразования конечного продукта.

На основе проведенных ранее исследований [17-19] сформулированы тезисы о влиянии концентрации НКЧ на структурообразование матрицы бетонной системы:

- концентрация частиц в диапазоне 0 < k > 0,1 приводит к точечной поляризации капиллярных эффектов на этапе выстраивания гидратных соединений. НКЧ выступают в качестве частичных барьеров (препятствующих центров) на стадии диффузионно-кинетического периода;

- при концентрации 0,1 < k > 0,3 развиваются прочные структурные связи C-S-H с дополнительными центрами активации вяжущего компонента, вследствие

чего формируется стабильно-прочная структура матрицы. Частицы являются мостами образования алюмосиликатных матричных структур;

- при концентрации к > 0,3 введенные частицы выступают в качестве исходных флокуляционых компонентов, развивающих дестабилизацию на начальном этапе формирования структурных связей гидратных соединений за счет ослабления энергии молекулярного притяжения между частицами (гидросиликатов), несмотря на формирование плотной матрицы бетонной системы. При этом стоит отметить, что высокая концентрация НКЧ приводит к формированию флокул-центров, сдерживающих в себе значительное количество Н2О, которая не участвует в обеспечении подвижности бетонной матрицы.

Подтверждение образования прочных структурных связей (С-8-И) с введением НКЧ в диапазоне концентрации 0,1 < к > 0,3 находим на электронных снимках (рис. 1), где изображен шлиф поверхности модельных образцов матрицы бетонной системы.

коагуляционная ^ область

I/ \\ & Г1 \\ I

■ —— VV I 4___&

некондиционных 10 мкм частиц

некондиционные частицы

Рис. 1. Электронный снимок матрицы бетонной системы при к = 0 (а) и к = 0,3 (б): 1 - увеличение в 100 раз; 2 - 8000 раз; 3 - 40000 раз

Для оценки морфологии связнодисперсной системы, представленной матрицей бетона, произведен шлиф поверхности модельных образцов на глубину 3 мм. Первый оценочный объект представлен содержанием НКЧ к = 0. Как и в большинстве современных матричных бетонных систем, рассматриваемый объект имеет развитую микрокапиллярную структуру, при этом диаметр пор, как показано (рис. 1, а, снимок 1), может достигать 0,5 мм. Одной из причин, существенно влияющих на прочностную характеристику конечного продукта, является присутствие в матрице негидратированной дисперсной фазы и непрореаги-ровавших пуццолановых частиц (рис. 1, а, снимок 3). При взаимодействии

углекислого газа, находящегося в воздухе, с жидкой фазой матрицы образуется углекислота, которая реагирует с фазой, представленной гидрооксидом кальция (Са(ОН)2), вследствие чего образуется CaCOз. Характерными местами зарождения CaCOз являются линии трещин в структурной матрице (рис. 1, а, снимок 2). Прочностную характеристику матрице бетонной системы придают сформированные гидросиликаты кальция типа С8Н(Б) (обозначение по Р. Боггу), а также гексагональные зерна гидроалюминатов кальция. Приведенные соединения имеют слоистую кристаллическую решетку, способны отдавать и принимать определенное количество воды, заключенной между элементарными слоями решетки, без ее нарушения. Формирование слоистой структуры протекает на начальном этапе гидратации за счет новообразованных субкристаллических центров (С8Н)Б. В дальнейшем, с увеличением степени гидратации, контракция (С8Н)Б возрастает, но объем затвердевших ячеек не уменьшается. Вследствие этого результатом контракции является увеличение пористости вокруг сформированных центров. Величина пористости в этом случае зависит по большей части от исходного водоцементного фактора. Повышенная величина контракции может способствовать уменьшению деформации в твердеющей системе из-за более свободного размещения гелевидных новообразований в порах.

Переходя к рассмотрению модельного образца с k = 0,3 НКЧ, стоит отметить равномерное распределение сростков поликристаллических частиц с разделенными субмикропористыми разветвлениями, представленными коагулированными мелкодисперсными НКЧ (рис. 1, б, снимок 2). Это связано с развитием межмолекулярных сил между НКЧ за счет достижения системой столь тесного межчастичного взаимодействия, при котором становится возможным проявление межмолекулярных сил, приводящих к образованию твердения матрицы бетонной системы. При протекании химических реакций вследствие термодинамического эффекта включается работа НКЧ в качестве сцепляемых поликристаллических частиц (янусов), находящихся в межзерновых кластерах. В этом случае НКЧ выступают в роли центров и связанных цепочек новообразований (С8Н)Б при превращении гелеобразного вещества в поликристаллическую пористую матрицу бетонной системы. Как видно (рис. 1, б, снимок 3), гексагональные зерна (С8Н)Б имеют по своему периметру суб- и микронные включения, приближенные к форме гидросиликатов, и могут являться центрами активации появления дисперсной фазы в межпористой области на границах раздела фаз, включенных в матрицу бетонной системы.

Проведенные исследования позволили сформировать и объяснить процессы структурообразования матриц бетонных систем, модифицированных некондиционными частицами. Установлены граничные условия влияния НКЧ на физико-механические характеристики матрицы бетонной системы. Максимальная прочность модельных образцов достигалась при вводе НКЧ концентрацией k = 0,3. Увеличение концентрации НКЧ вплоть до k = 0,5 формирует структурированный каркас с высокой плотностью, но при этом пониженной прочностью. Это связано с перенасыщением системы НКЧ, частицы выступают в качестве исходных флокуляци-оных компонентов, развивающих дестабилизацию на начальном этапе формирования структурных связей гидратных соединений за счет ослабления энергии молекулярного притяжения между частицами (гидросиликатов).

Библиографический список

References

Сведения об авторах

Шеховцов Валентин Валерьевич, ст. преподаватель, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, shehov-cov2010@yandex.ru

Скрипникова Нелли Карповна, докт. техн. наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, nks2003@mail.ru

Волокитин Геннадий Георгиевич, докт. техн. наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, vgg-tomsk@mail.ru

Волокитин Олег Геннадьевич, докт. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, volo-kitin_oleg@mail.ru

Семеновых Марк Андреевич, аспирант, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, markik90@gmail.com

Власов Виктор Алексеевич, докт. физ.-мат. наук, профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, rec-tor@tsuab.ru

Authors Details

Valentin V. Shekhovtsov, Senior Lecturer, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, shehovcov2010@yandex.ru

Nelli K. Skripnikova, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, nks2003@mail.ru

Gennady G. Volokitin, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, vgg-tomsk@mail.ru

Oleg G. Volokitin, DSc, A/Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, volokitin_oleg@mail.ru

Mark A. Semenovykh, Research Assistant, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, markik90@gmail.com

Viktor A. Vlasov, DSc, Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia, rector@tsuab.ru