from 01.01.2011 until now
Pushkino, Moscow, Russian Federation
UDK 303.01 Теоретические аспекты
UDK 539.216.2 Пленки. Тонкие пленки
UDK 666.9-12 Материалы по структуре и т. д.
UDK 691.3 Искусственные камни. Бетоны. Искусственные строительные материалы различного состава
UDK 691.322 Заполнители бетона
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
OKSO 08.03.01 Строительство
OKSO 04.03.02 Химия, физика и механика материалов
BBK 383 Строительные материалы и изделия
TBK 50 Технические науки в целом
BISAC TEC TECHNOLOGY & ENGINEERING
Based on the models considered, it has been demonstrated that a lower density of hollow agreegate requires a smaller amount of it to achieve a given density of lightweight concrete. This provides greater variability in the development and design of the frame-forming part and creates the potential for achieving high mechanical properties. The proportion of adsorption water of a hollow aggregate does not depend on the total amount of water in the system, in contrast a porous aggregate. This allows predicting water consumption and managing the rheotechnological properties of mixtures based on them. The distribution of physically bound water in compositions on hollow aggregate is different from that in compositions on porous aggregate. The proportion of physical water on such an aggregate is greater than on a hollow one for compositions with a density of no more than 1500...1600 kg/m3. If the density is less than this range, then in hollow aggregate systems a higher content of such water is observed. It is shown that the distribution of water in systems on porous and hollow aggregate differs significantly. Considering the role of porous aggregate in forming the structure of lightweight concrete, it can be assumed that when developing lightweight concrete with a density of more than 1600 kg/m3, it is advisable to use porous aggregate. When developing lightweight concrete with a density of less than 1600 kg/m3, it is advisable to use hollow aggregate. This ensures rational distribution of water in the concrete mixture and, consequently, conditions for the formation of a strong structure of lightweight concrete.
lightweight concrete, hollow aggregate, porous aggregate, structure, model, water distribution, water adsorption
Введение. Заполнитель является важным компонентом как тяжелых, так и лёгких бетонов, оказывающим существенное влияние на параметры структуры и свойства материала [1]. Одним из способов получения лёгких бетонов и растворов является введение лёгких заполнителей, в качестве которых используются природные [2–4] и искусственные пористые заполнители [5–7].
Согласно [8] лёгкие заполнители по строению следует классифицировать на пористые и полые заполнители. Пористыми заполнителями называют [9] сыпучие зернистые материалы гравийной формой зёрен с неравномерной плотностью оболочки и центра или щебнеподобные зёрна неправильной угловатой формы и шероховатой ноздреватой поверхностью с насыпной плотностью до 1000 кг/м3. К полым заполнителям (наполнителям) относят мелкие порошки [10], зёрна которых имеют плотную внешнюю оболочку и газо-воздушное ядро.
Высокие физико-механические свойства лёгких бетонов характерны для составов на пористых заполнителях преимущественно искусственно вспученных, в основном, на керамзите. Одной из основных особенностей пористых заполнителей является их способность поглощать значительное количество воды [11]. Как правило, поглощающую способность лёгкого заполнителя относят к положительной особенности технологии, так как структурообразование бетона проходит полнее за счёт формирования резерва воды для гидратации портландцемента. При этом в технологии керамзитобетона существуют полярные представления о необходимости предварительного увлажнения заполнителя, которое может иметь как положительный, так и отрицательный эффект. Нежелательным и вредным в [11] называют предварительное увлажнение керамзитового гравия, что объясняется неуправляемыми процессами релаксации и напряжениями в гранулах, которые возникают при насыщении водой на начальной стадии и при увеличении водонасыщения, соответственно.
Однако отмечается [12], что насыщение керамзита водой не приводит к снижению его прочности (повышение прочности составляет порядка 15…17 %), что объясняется напряжённым состоянием гранул заполнителя, возникающим в процессе быстрого перехода от пиропластического состояния к твёрдому. Усадка и расширение искусственных пористых заполнителей при изменении их влажности колеблется в широких пределах. Изменение объёма составляет величину порядка усадки и расширения цементного камня и даже превосходит их (расширение
1,3…2,1 мм/м, усадка 0,7…1,2 мм/м). Отмечается, что остаточные напряжения значительно снижаются с уменьшением размера гранул пористого заполнителя и существенно увеличиваются при отклонении формы гранул от сферической формы и особенно – при наличии на ней трещин, выступов и изломов. В [11] «эффект предварительного обжатия пористого заполнителя, повышающего его растяжимость в лёгком бетоне», описывается первоначальным увеличением его объёма за счёт поглощения влаги из цементного раствора, последующей его деформацией сжатия в результате обратной миграции влаги в твердеющий цементный камень. Эти процессы происходят на фоне усадки цементного раствора. Через определённый период времени величина обжатия цементной оболочкой (за счёт усадки) протекает интенсивнее, чем сокращение размеров пористого заполнителя за счёт отдачи воды. Процесс обжатия лёгкого заполнителя продолжается до момента прекращения обменных процессов или до момента разрыва цементной оболочки.
Таким образом, важнейшую роль в структурообразовании лёгкого бетона выполняет лёгкий заполнитель. Однако исследованию особенностей формирования структуры бетонов на полом заполнителе уделено внимание в основном с эмпирической стороны [10, 13–15], поэтому анализ теоретических аспектов получения таких бетонов вызывает научный интерес. Целью настоящего исследования является теоретический анализ структурных параметров бетонных смесей на лёгких заполнителях и сравнительный анализ особенностей распределения воды в таких системах, для установления границ объёмного содержания пористого и полого заполнителя, обеспечивающих рациональные условия формирования прочной структуры материала.
Таким образом, показано, что распределение воды в системах на пористом и полом заполнителях существенно отличается. Учитывая роль пористого заполнителя в формировании структуры лёгких бетонов (описанную выше), можно предположить, что при разработке лёгких бетонов с плотностью более 1600 кг/м3 целесообразно использовать пористый заполнитель, а при разработке лёгкого бетона с плотностью менее
1600 кг/м3 – полый заполнитель. Это обеспечивает рациональное распределение воды в бетонной смеси, а, следовательно, условия для формирования прочной структуры лёгкого бетона.
Материалы и методы. В работе используются математические методы моделирования объекта исследования ‒ лёгкого бетона на пористом или полом заполнителе ‒ с привлечением общенаучных подходов научного исследования: метода абсолютных объёмов, закономерностей формирования структуры лёгкого бетона, изложенных в фундаментальных работах [11, 12, 16], взаимодействия на границе «твёрдое вещество ‒ вода» [9, 17] и др.
Основная часть. Рассмотрим модель цементных материалов на пористом (керамзит) и полом (керамические микросферы) лёгком заполнителе. В рассматриваемой системе
«цемент – вода – заполнитель» (рис. 1) каждая частица твёрдой фазы является «потребителем» воды, требующим её расхода для смачивания поверхности и на формирование приповерхностного слоя воды. При этом характер взаимодействия с водой цемента, пористого и полого заполнителя будет отличаться. Взаимодействие цемента с водой носит сложный кинетический характер, описываемый с учётом протекания физико-химических процессов гидратации, который в данной работе не рассматривается. Принимается, что при достаточном количестве воды вид заполнителя не оказывает влияния на гидратацию цемента.
Рис. 1. Общая схема цементной системы, наполненной лёгким заполнителем
Лёгкий полый заполнитель будет потреблять воду на смачивание и формирование её адсорбционного слоя на твёрдой поверхности оболочки, а лёгкий пористый заполнитель дополнительно будет поглощать воду вследствие наличия пористо-капиллярной структуры. При этом количество воды, затрачиваемой на эти процессы, будет зависеть от геометрических характеристик рассматриваемых видов заполнителя и параметров пористо-капиллярного пространства пористого заполнителя. В этой связи исследование распределения воды в материалах, содержащих пористый или полый заполнитель, а также оценка влияния на баланс воды структуры бетонной смеси вызывает научный интерес.
Соотношение компонентов в рассматриваемой системе представляется долями цементного теста и заполнителя, в зависимости от плотности которых достигается требуемая средняя плотность бетонной смеси.
, (1)
где 
– объёмная доля цементного теста, приготовленного с известным В/Ц-отношением
, (2)
где 
и 
– объёмное содержание и истинная плотность соответствующих компонентов смеси; индексами обозначены цемент (Ц), вода (В), заполнитель (З), бетонная смесь (БС) и цементное тесто (ЦТ).
Распределение воды на поверхности твердых частиц представляется долями адсорбированной и физически связанной (рис. 2).
Рис. 2. Модель распределения воды на частицах пористого (слева) и полого (справа) заполнителя
. (3)
При этом ключевым в распределении воды в системе и смещение баланса жидкости между цементом и заполнителем будет зависеть от адсорбционных свойств лёгкой фазы
. (4)
Для плотных частиц цемента (без учета процесса гидратации) доля адсорбционной воды составляет
, (5)
где 
= 30 нм [15], 
– удельная поверхность цемента.
Для заполнителей величина адсорбирующейся воды связана с водопоглощением 
частиц
. (6)
Открытая пористость заполнителя, определяющая его поглощающую способность, вносит ключевой вклад в перераспределение доли физически связанной воды. То есть доля этой воды, из условия равномерного ее распределения на покрытие частиц цемента и заполнителя, составляет
. (7)
На рис. 3 и 4 представлены модели изменения доли адсорбционной воды на частицах цемента и заполнителя, соответственно, в системе «цемент – вода – заполнитель» при варьировании В/Ц-отношения и плотности. Для моделирования приняты следующие начальные условия: площадь удельной поверхности и плотность цемента =250 м2/кг и 
=3100 кг/м3, соответственно; средний диаметр частиц и плотность пористого заполнителя 
=20 мм и 
=850 кг/м3, соответственно, а полого 
=70 мкм и 
=530 кг/м3, соответственно.
Рис. 3. Модель изменения доли адсорбционной воды на частицах цемента от средней плотности в системах
с пористым (пунктирные линии) и полым (сплошные линии) заполнителем при варьировании В/Ц
Видно, что графики изменения доли адсорбционной воды на частицах цемента для систем с пористым и полым заполнителем отличается интенсивностью. Снижение плотности, вызванное увеличением доли лёгкого заполнителя, приводит к более интенсивному снижению доли адсорбционной воды 
. При этом чем меньше плотность, тем существеннее отличие между системами на пористом и полом заполнителе, т.е. тем больше отличие в количестве адсорбционной воды (разница значений между графиками, обозначенными пунктирными и сплошными линиями на рис. 3). Это объясняется тем, что достижение одинаковой плотности композита достигается заменой вяжущего вещества бóльшим количеством заполнителя, так как плотность пористого заполнителя больше, чем у полого. В результате, в системе остается меньшее количество вяжущего вещества, на поверхности которого адсорбируется вода. При это отметим, что в этом случае ограничена возможность достижения минимальной плотности композита. Для рассматриваемой модели минимально достижимая средняя плотность для систем на пористом заполнителе составляет около 1000…950 кг/м3, а на полом заполнителе стремится к 700…650 кг/м3.
Рис. 4. Модель изменения доли адсорбционной воды на частицах заполнителя от средней плотности
для пористого (пунктирные линии) и полого (сплошные линии) заполнителя при варьировании В/Ц
Наибольший интерес представляет вклад заполнителя в распределение воды в рассматриваемой системе. Так, на рис. 4 показана зависимость количества адсорбционной воды на частицах заполнителя пористой и полой структуры, из которой видно, что в композициях на пористом заполнителе доля такой воды существенно выше, чем на полом. Закономерным объяснением этому является наличие пористо-капиллярной структуры заполнителя, которая участвует в накоплении воды в его зёрнах. При этом, представленные на рис. 6 графики для различного В/Ц-отношения демонстрируют растущую интенсивность изменения при увеличении содержания воды. Это связано тем, что поглощающая способность пористого заполнителя напрямую зависит от общего количества воды в системе [9]. Для плотной оболочки полого заполнителя доля адсорбционной воды изменяется по противоположному цементу направлению линейной зависимости, что связано с заменой вяжущего вещества лёгким заполнителем.
Исходя из того, что процесс адсорбции воды протекает в приоритетном порядке, то дальнейшее распределение воды в системе, как конкурентный процесс, протекает по остаточному принципу. В связи с этим особый интерес представляет изменение количества воды в системе с заполнителями разной структуры (рис. 5 и 6). При этом физически связанная вода в модельной системе будет распределяться пропорционально долям твердой фазы.
Рис. 5. Модель изменения доли физически связанной воды на частицах цемента от средней плотности
в системах с пористым (пунктирные линии) и полым (сплошные линии) заполнителем при варьировании В/Ц
Данные рис. 5 демонстрируют, что зависимости для модельных систем на полом заполнителе располагаются выше, чем графики для систем с пористым заполнителем. Это означает, что зависимость, согласно которой доля физически связанной воды на поверхности частиц вяжущего вещества (цемента) в лёгких бетонах на полом заполнителе больше, чем в бетонах на пористом заполнителе независимо от средней плотности. При этом важно отметить, что, не смотря на меньший размер частиц полого заполнителя (бóльшую удельную поверхность), их плотная стенка препятствует интенсивной адсорбции воды, оставляя большее её количество для распределения по поверхности твердых частиц, в том числе цемента. Вместе с этим количество физически связанной воды на частицах заполнителя в зависимости от плотности меняется по экстремальной зависимости (рис. 6).
Рис. 6. Модель изменения доли физически связанной воды на частицах заполнителя от средней плотности
для пористого (пунктирные линии) и полого (сплошные линии) заполнителя при варьировании В/Ц
Представленная модель распределения физически связанной воды на поверхности заполнителя демонстрирует, что эта зависимость от средней плотности бетона имеет экстремальный характер. Также важно отметить, что абсциссы точек пересечения этих зависимостей с осью «Средняя плотность» различны. Видно, что восходящий участок кривой, рассматриваемой на рис. 6, для композиций на пористом заполнителе заканчивается в диапазоне 1500…1600 кг/м3, а для составов с полым заполнителем – в диапазоне 1300…1450 кг/м3. Кроме того, видно, что на восходящей кривой модельных композиций на пористом заполнителе доля физически связанной воды меньше, чем у композиций на полом заполнителе при равной плотности. На нисходящей части кривой наблюдается обратная зависимость: доля физической воды на поверхности частиц полого заполнителя меньше, чем на зернах пористого заполнителя. Это свидетельствует о том, что в системах с одинаковым В/Ц-отношением доля воды, участвующей в формировании свойств смесей, будет больше в композициях с полым заполнителем при плотности до 1500…1600 кг/м3.
Обобщающие выводы о распределении адсорбционной и физически связанной воды на частицах цемента и заполнителя можно сделать с помощью рис. 7, предоставляющего относительную величину воды при В/Ц = 0,3.
Рис. 7. Сравнительное распределение воды для модели «цемент – вода – заполнитель»
в системе с полым заполнителем (Зпол) к системе на пористом заполнителе (Зпор) при В/Ц = 0,3
На рис. 7 видно, что доля адсорбционной и физически связанной воды становится сравнительно больше для модельных систем на полом заполнителе, чем на пористом, при плотности не более 1600 кг/м3. Отличие для этих систем нарастает экспоненциальное при снижении плотности и увеличении В/Ц-отношения.
Анализ рассматриваемых моделей позволяет сделать следующие обобщающие выводы:
- Меньшая плотность полого заполнителя требует меньшего его количества для достижения заданной плотности лёгких бетонов, что обеспечивает большую вариативность при разработке и проектировании каркасообразующей части и формирует потенциал для достижения высоких механических свойств.
- Доля адсорбционной воды полого заполнителя, в отличие от пористого заполнителя, не зависит от общего количества воды в системе, что позволяет прогнозировать расход воды, а значит, управлять реотехнологическими свойствами смесей на их основе.
- Распределение физически связанной воды в составах на полом заполнителе носит отличный характер от составов на пористом заполнителе. Доля физической связанной воды на таком заполнителе больше, чем на полом для составов с плотностью не более 1500…1600 кг/м3, менее этого диапазона – большее содержание такой воды наблюдается в системах на полом заполнителе.
Выводы. Таким образом, показано, что распределение воды в системах на пористом и полом заполнителях существенно отличается. Учитывая роль пористого заполнителя в формировании структуры лёгких бетонов (описанную выше), можно предположить, что при разработке лёгких бетонов с плотностью более 1600 кг/м3 целесообразно использовать пористый заполнитель, а при разработке лёгкого бетона с плотностью менее 1600 кг/м3 – полый заполнитель. Это обеспечивает рациональное распределение воды в бетонной смеси, а, следовательно, условия для формирования прочной структуры лёгкого бетона.
1. Bazhenov Yu.M. Concrete technology [Tekhnologiya betona]. Moscow: ASV, 2011. 524 p. (rus)
2. Yakubovich M.A. Lightweight reinforced concrete road bridges [Avtodorozhnye mosty iz lyogkogo zhelezobetona]. Moscow: Autotransiz-dat, 1956. 68 p. (rus)
3. Yudin I.V., Yarmakovsky V.N. Innova-tive technologies in industrial housing construc-tion using structural lightweight concrete [Inno-vacionnye tekhnologii v industrial'nom do-mostroenii s ispol'zovaniem konstrukcionnyh legkih betonov]. Building materials. 2010. No. 1. Pp. 15–17. (rus)
4. Lam T.V., Vu D.T., Dien V.K., Bulgakov B.I., Korol E.A. Properties and thermal insulation performance of light-weight concrete. Magazine of Civil Engineering. 2018. Vol. 84. No. 8. Pp. 173–191. DOI:https://doi.org/10.18720/MCE.84.17
5. Solovieva L.N., Khodykin E.I., Mospan A.V. Prospects for the use of silica-containing raw materials for the production of granulated aggregate for lightweight concrete [Perspektivy ispol'zovaniya kremnezemsoderzhashchego syr'ya dlya polucheniya granulirovannogo zapolnitelya legkih betonov]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2008. No. 1. Pp. 9–11. (rus)
6. Davidyuk A.N., Davidyuk A.A. Strength properties of lightweight concretes on glassy ag-gregates for multilayer enclosing structures [Prochnostnye svojstva legkih betonov na steklovidnyh zapolnitelyah dlya mnogoslojnyh ograzhdayushchih konstrukcij]. Concrete and reinforced concrete. 2008. No. 6. Pp. 9–13. (rus)
7. Lukutsova N.P., Pykin A.A., Soboleva G.N., Zolotukhina N.V., Obydennaia A.A. Com-posite filler for lightweight concrete using chrys-otile cement and ash waste [Kompozicionnyj zapolnitel' dlya legkih betonov s ispol'zovaniem hrizotilcementnyh i zoloshlakovyh othodov]. Building materials. 2021. No. 8. Pp. 53–59. (rus)
8. Inozemtcev A.S., Korolev E.V. Lightweight concretes on hollow and porous aggregates [Lyogkie betony na polyh i poristyh zapolnitelyah]. Building materials. 2024. No. 7. Pp. 41–47. (rus)
9. Makridin N.I., Maksimova I.N. Artificial porous aggregates and lightweight concretes [Iskusstvennye poristye zapolniteli i lyogkie betony]. Penza: PGUAS, 2013. 324 p. (rus)
10. Inozemtcev A.S., Korolev E.V. High-strength lightweight concrete [Vysokoprochnye lyogkie betony]. Saint-Petersburg: SPbGASU, 2022. 192 p. (rus)
11. Maksimova I.N., Makridin N.I. Construction materials science of structural lightweight concrete [Stroitel'noe materialovedenie konstrukcionnyh lyogkih betonov]. Penza: PGUAS, 2014. 204 p. (rus)
12. Petrov V.P., Makridin N.I., Yarmakovsky V.N. Porous aggregates and lightweight concrete. Materials science. Production technology [Poristye zapolniteli i lyogkie betony. Materialovedenie. Tekhnologiya proizvodstva]. Samara: SGASU, ASV, 2009. 436 p. (rus)
13. Klochkov A.V., Pavlenko N.V., Strokova V.V., Belentsov Yu.A. On the issue of using glass hollow microspheres for thermal insulation and structural masonry mortars [K voprosu ob ispol'zovanii steklyannyh polyh mikrosfer dlya teploizolyacionno-konstrukcionnyh kladochnyh rastvorov]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2012. No. 3. Pp. 64–66. (rus)
14. Shekhovtsov V.V., Volokitin O.G., Otmakhov V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. Study of hollow microspheres obtained from ash and slag waste of thermal power plants of the Kemerovo region in a thermal plasma flow [Issledovanie polyh mikrosfer, poluchennyh na osnove zoloshlakovyh othodov TES kemerovskoj oblasti v potoke termicheskoj plazmy]. Glass and ceramics. 2018. No. 1. Pp. 36–39. (rus)
15. Semenov V.S., Rozovskaya T.A. Dry masonry mixes with hollow ceramic microspheres [Suhie kladochnye smesi s polymi keramicheskimi mikrosferami]. Scientific Review. 2013. No. 9. Pp. 195–199. (rus)
16. Ivanov I.A. Lightweight concretes on artificial porous aggregates [Legkie betony na iskusstvennyh poristyh zapolnitelyah]. Moscow: Stroyizdat, 1993. 182 p. (rus)
17. Karnakov V.A., Ezhova Ya.V., Marchuk S.D., Donskoj V.I., Shcherbachenk L.A. Anomalous properties of adsorbed water films in layered minerals [Anomal'nye svojstva adsorbirovannyh plenok vody v sloistyh mineralah]. Solid State Physics. 2006. Vol. 48. No. 11. Pp. 1946–1948. (rus)
