Как найти пористость цементного камня

1. Образец камня в
   сухом состоянии весит 77г, а после
   насыщения водой 79г. Вычислить среднюю
   плотность, пористость камня и
   водопоглощение по массе, если его
   истинная плотность – 2,67 г/см³,
   а объемное водопоглощение 4,28%.

Решение:

Водопоглощение
по массе:

Из
формулы водопоглощения по объему
выражаем объем материала:

Средняя
плотность:

Пористость
камня

1. Подобрать
   мощность гидравлического пресса,
   достаточную для испытания на изгиб
   бетонной балки квадратного сечения
   15х15 см и пролетом L=100
   см. Балка опирается на две опоры.
   Испытание производится сосредоточенным
   грузом N
   в середине пролета. Возможный максимальный
   предел прочности R_изг=80
   кгс/см².

Решение:

Из
формулы R_изг
сила

Для
испытания такой балки достаточно
применить 2-тонный гидравлический пресс.

1. Плотность
   древесины – сосны, с влажностью W=15%
   составляет 536 кг/м³.
   Определить коэффициент конструктивного
   качества данной древесины, если при
   испытании на сжатие образца размером
   2х2х3 см и влажностью 25% вдоль волокон
   разрушающая нагрузка была равна 1560
   кгс.

Решение:

Предел
прочности при сжатии образца влажностью
15% вдоль волокон:

Rсж;

Прочность
при стандартной влажности 12%:

;

Плотность
древесины при стандартной влажности
12%:

Относительная
плотность древесины:
;

Коэффициент
конструктивного качества древесины:

.

1. Какое
   количество обыкновенного красного
   кирпича можно приготовить из 5т глины.
   Влажность глины 10%, потери при прокаливании
   8% от веса сухой глины. Кирпич должен
   быть плотностью 1750 кг/м³.

Решение:

Вес
глины после обжига 5000:1,1:1,08=4209кг.
Объем 1000шт.
кирпича: 1000∙2,5∙1,2∙0,65=1950
дм³=1,95
м³

1000
шт кирпича плотностью 1750 кг/м³
весит 1750∙1,95=3412
кг.

Из
4209кг обожженной глины можно получить
кирпичей:

1. Изготовленная из
   литопона и натуральной олифы краска
   содержит 40% олифы. На укрывание стеклянной
   пластинки площадью 200 см²
   с двухцветным грунтом израсходовано
   5 г краски. Определить укрывистость.

Решение:

Укрывистость
для краски малярной консистенции
определяется по формуле:
=г/м²

где: а – количество состава малярной
консистенции, израсходованного на
укрывание стеклянной пластинки, г; F
– укрываемая площадь пластинки, см².

Укрывистость
литопона, считая на сухой пигмент:

г/м²

где b – процент
олифы в составе малярной консистенции.

1. Определить
   пористость цементного камня при
   водоцементном отношении В/Ц = 0,36, если
   химически связанная вода составляет
   17% от массы цемента, плотность вещества
   у которого 3,1 г/см³.

Решение:

Абсолютный объем
цементного теста из 1 кг цемента:

V=1/3,1+0,36=0,68
дм³

Абсолютный
объем цементного камня из 1 кг цемента:

V_a
= 1/3,1 +0,17 =0,49 дм³

Объем
пор в камне: V_пор
= 0,68-0,49 =
0,19 дм³

Следовательно,
пористость: P
= V_пор/V
= 0,19/0,68 = 0,28 или 28%

1. Подобрать
   состав тяжелого бетона марка бетона
   по прочности R_б=200
   c
   подвижность бетонной смеси ОК = 3 см.
   Характеристика исходных материалов:
   цемент ПЦ400 (активность R_ц
   = 400кгс/см²);
   ρ_ц =
   3000кг/м³;
   ρ_нц
   = 1300кг/м³;
   крупный заполнитель – щебень гранитный
   (наибольшая крупность Д_нб=40
   мм) ρ_щ=2,7
   г/см³=2700
   кг/м³;
   ρ_нщ=1450
   кг/м³;
   мелкий заполнитель – песок, мелкий ρ_п
   = 2,6 г/см³
   = 2600 кг/м³;
   ρ_нп
   = 1500 кг/м³.

Расчет
ориентировочного состава бетона:

1.
Определение Ц/В отношения из формулы
прочности [6.3, 6.4]

R_б=А∙R_ц[(Ц/В)-0,5]

Ц/В=( R_б/
А∙R_ц+0,5=(
200 /0,55 • 400 ) + 0,5 = 1,41

α – коэффициент,
учитывающий качество материалов (таблица
6.2)

2.
Определение расхода воды по таблице
6.1, учитывая подвижность бетонной смеси
(ОК=3см); вид крупного заполнителя
(щебень), наибольшую крупность щебня
(Д_нб=40мм).
В=175 л.

С учетом примечания
1 (таблицы 6.1) расход воды увеличивается
на 5 л:

В= 175+5= 180 л

3.
Определяем расход цемента

Ц = (Ц/В)∙В= 1,41∙180
=254 кг

абсолютный объем
цемента

V_ац
= 254 / 3 = 82 л

4.
Определяем расход щебня по формуле,
учитывая пустотность щебня

П_у=[1-(ρ_нщ/ρ_щ)]=[1-(1450/2700)]=1-0,537=0,46

Щ
= 1 /[(П_у∙К_раз
/ρ_нщ)+(1/ρ_зщ)]
= 1 /[(0,461,32
/1450) + (1 /2700 )] =

=
1 /(0,000419 +0,000370)= 1/0,000789= 1267кг

К_раз
– коэффициент раздвижки зерен определяем
по таблице 6.3 (методом интерполяции).

5.
Определяем количество песка по формуле:

П = [ 1 – [( 245 /3000 ) +
(180/1000) + ( 1267 / 2700 )] ] 2600 =

= [ 1 – ( 0,085 +0,18 +
0,469 ) ] 2600 = 692 кг

Таким образом,
1 м³
бетона состоит:

Ц= 254 кг; В= 180 л;
П= 692 кг; Щ= 1267 кг.

Плотность бетонной
смеси:

ρ_об
= (254+
692 + 1267 + 180) / 1 = 2393 кг/м³

Коэффициент
выхода бетонной смеси:

β= 1/(V_нц+V_нп+V_нщ)
= 1/(254/1300 + 692/1500 + 1267/1450) = 0,65

V_нц=Ц/ρ_нц;
V_нп=П/ρ_нп;
V_нщ=Щ/ρ_нщ

6.
Определяем производственный состав
бетона с учетом влаги, содержащейся в
песке и щебне:

W_п=5
%, W_щ=0,6
%

Ц_п=Ц_р=254;

П_п=П_р(1+W_п)=692(1+0,05)=726,6
кг

Щ_п=Щ_р(1+W_щ)
=1267 (1 + 0,006 ) = 1274,6 кг

В_п=В_р-(П_рW_п+Щ_рW_щ)=180-42,2=137,8
л

7.
Определяем расход материалов на замес
бетоносмесителя емкостью 1,5 м³.

Ц_з=(Ц_п∙V_бс∙β)
=(254∙1,5∙0,65)=247,65 кг

П_з=(П_п∙V_бс∙β)
=(726,6∙1,5∙0,65)=708 кг

Щ_з=(Щ_п∙V_бс∙β)
=(1274,6∙1,5∙0,65)=1243 кг

В_з=(В_п∙V_бс∙β)
=(137,8∙1,5∙0,65)=134 л

1. Определить экономию
   цемента, если прочность бетона в возрасте
   90 дней должна быть 55,0 МПа, применяется
   пластифицирующая добавка 0,2% от массы
   цемента, снижающая расход воды на 15%,
   цемента марки «400», щебень гранитный
   Д_нб=40мм
   . Подвижность бетонной смеси 3-4 см.

Определяем
прочность бетона в 28-дневном возрасте:

R₂₈
= R₉₀МПа

Определяем
водоцементные отношения бетона в
90-дневном и 28-дневном возрасте (6.3):

В/Ц₉₀=;
В/Ц₂₈=0,45

Определяем
расход воды по таблице 6.1 с учетом
экономии 15% за счет пластифицирующей
добавки:

В=170
л; В=170-(170х0,15)=145
л.

Расход
цемента: Ц=145׃0,31=470
кг/м³;
Ц=245׃0,45=325
кг/м³.

Экономия
цемента:
·100=31%.

1. Определить
   расход цемента и молотого песка для
   изготовления 1 м³
   автоклавного пенобетона, если плотность
   пенобетона 600 кг/м³.
   Химически связанной воды в пенобетоне
   – 18% от веса цемента и молотого песка.
   Отношение веса цемента к весу песка:
   1:1. Определить расход цемента м молотого
   песка. Истинная плотность цемента 3,1,
   молотого песка – 2,6.

Принимаем
сумму весов цемента и молотого песка
за Х, тогда, исходя из условия задачи,
вес воды будет равен
,
а сумма весов цемента и молотого песка;
Х=508 кг; вес воды В=600-508=92л. Определяем
весовое содержание цемента и молотого
песка. По условию задачи количество
цемента и количество молотого песка
относится как 1:1, тогда.
Вес цемента принимаем равнымY,
тогда

;

кг

Вес молотого
песка П=508-276=232 кг.

ПРИЛОЖЕНИЕ
А

Таблица
1 – Международная система единиц (СИ)

Величина	Единица измерения	Обозначение	Соотношение между единицами СИ и единицами других систем
Длина	метр	м	1м =102 см =103 мм
Масса	килограмм	кг	1кг =103 г
Время	секунда	с
Термодинамическая температура	градус Кельвина	0К	10К=t0С+273,15
Площадь	квадратный метр	м2	1м2 =104см2 = 10-4 га
Плотность	килограмм на кубический метр	кг/м3	1кг/м3 = 10-3 г/см3 = = 10-3 т/м3
Сила (вес)	Ньютон	Н	1Н = 10-1 кгс
Давление (механическое напряжение)	Ньютон на квадратный метр	Н/м2	1Н/м2 = 0,1 кгс/см2 1 МПа = 10 кгс/см2
Теплоемкость	Джоуль на градус	Дж/град	1 Дж/град = = 0,000238 ккал/град 1ккал/град=4187Дж/град
Удельная теплоемкость	Джоуль на килограмм градус	Дж/кг∙град
Теплопроводность	Ватт на метр градус	Вт/м∙град	1 ккал/м∙град = = 1,163 Вт/м∙град

Таблица
2 – Основные физические свойства
строительных материалов

Материал или изделие	Истинная плотность, г/см3	Средняя плотность, кг/м3	Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, ккал/м∙ч∙град
Алюминий	2,6	2600	1,90
Асбестоцементные плиты	2,5	1700-2000	0,25-0,30
Асфальтобетон	2,6	2100-2200	0,7-0,8
Бетон: тяжелый легкий	2,6	2100-2200 1800-2000 800-1800	0,9-1,3 0,6-0,9 0,16-0,6
Войлок строительный	–	150	0,045
Гипс и гипсовые изделия	2,7	700-1300	0,2-0,38
Граниты	3,0	2500-3000	2,8-3,0
Древесина: дуб (поперек волокон) сосна (поперек волокон)	1,65 1,6	700-900 500-600	0,1-0,15 0,08-0,1
Древесноволокнистые плиты	1,5	500-700 800-1000	0,09-0,13 0,15-0,20
Железобетон: тяжелый легкий	–	2400-2500 1300-1900	0,95-1,4 0,40-0,70
Известняки тяжелые	2,6	1600-1900	0,45-0,86
Известняки-ракушечники	2,7	1100-1600	0,25-0,50
Камни пустотелые керамические	2,7	1250-1400	0,32-0,36
Камни шлакобетонные	2,6	130-1600	0,32-0,40
Кирпич глиняный: обыкновенный пустотелый пористый	2,7 2,7 2,7	1600-1900 1300-1450 700-1400	0,40-0,58 0,34-0,38 0,14-0,32
Кирпич: силикатный шлаковый трепельный	2,6 2,6 2,7	1800-2000 1200-1500 500-700 800-1300	0,57-0,80 0,28-0,36 0,10-0,15 0,20-0,30
Камышит	–	200-250	0,06-0,08

Таблица
2 (продолжение)

Материал или изделие	Истинная плотность, г/см3	Объемный вес, кг/м3	Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии, ккал/м∙ч∙град
Ксилолит	2,4	1000-1800	0,20-0,60
Минеральная вата	2,8	100-150	0,038-0,04
Минераловатные плиты жесткие	2,8	200-400	0,05-0,07
Минераловатные маты	2,8	100-200	0,04-0,05
Мипора	–	15-20	0,03-0,035
Опилки древесные	1,6	200-300	0,04-0,06
Пакля	–	150	0,035
Пенобетон и газобетон	2,8	400-1000	0,10-0,30
Пенопласт	1,4	70-190	0,04-0,045
Пеностекло	2,6	300-500	0,09-0,12
Перлит вспученный (песок)	–	100-250	0,045-0,06
Песчаник	2,6	1800-2400	0,70-1,40
Песок речной	2,6	1500-1700	0,40-0,50
Пробка натуральная	2,0	150-350	0,04-0,055
Растворы на кварцевом песке: известковые; известково-цементные; цементные	2,8 2,8 2,7	1500-1600 1600-1700 1700-1800	0,45-0,50 0,50-0,55 0,55-0,60
Растворы легкие	2,6	1000-1400	0,30-0,40
Сталь	7,85	7850	50
Стекло	2,6	2500	0,65
Стеклянная вата	2,7	100-200	0,035-0,04
Туфы	2,8	800-1400	0,18-0,30
Фанера	1,6	550-650	0,12-0,13
Фибролит: магнезиальный цементный	– –	250-550 300-600	0,08-0,15 0,09-0,16
Шлак: гранулированный топливный	3,3 2,7	700-900 800-1200	0,10-0,15 0,18-0,32
Шлакобетон	2,6	1400-1800	0,40-0,60

Таблица 3 –
Механические свойства стали обыкновенного
качества

Марка стали	Временное сопротивление, Н/мм2	Предел текучести, Н/мм2	Относительное удлинение не менее, %
Ст 0	не менее 32	―	18―22
Ст 1, Ст 1кп	32―40	―	28―33
Ст 2, Ст 2кп	34―42	19―22	26―31
Ст 3, Ст 3кп	38―47	21―24	21―27
Ст 4, Ст 4кп	42―52	24―26	19―25
Ст 5	50―62	26―28	15―19
Ст 6	60―72	30―31	11―16
Ст 7	70―74	―	9―10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Цель работы: определить структурные характеристики
цементного камня: истинную плотность, общую, открытую и закрытую пористость,
объемная масса, водопогощение.

Общие положения

Важнейшими
характеристиками при исследовании структуры цементного камня являются: истинная
плотность (удельная масса), объемная масса, пористость, водопоглощение и
кинетика водопоглощения. Эти характеристики позволяют предсказать поведение
изделий в процессе эксплуатации.

Истинная плотность (ρ, г/см³) – отношение массы материала к его объему в абсолютно
плотном состоянии, т.е. без учета пор, пустот и трещин. Определение истинной
плотности проводят по формуле:

где   m – масса материала, г;  V –  объём вещества материала, см3.

Таблица 17. Значения истинной плотности строительных
материалов

Материал	ρ, г/см3	Материал	ρ, г/см3
Портландцемент	2,9–3,1	Глина	2,6–2,7
Бетон тяжёлый	2,6–2,7	Песок кварцевый	2,6–2,7
Известняк	2,4–2,6	Стекло	2,5­–3,0

Объемная
масса – отношение массы материала к его естественному  объему, учитывающему объем пор, пустот и
трещин. У абсолютно плотных тел величина удельной и объемной массы совпадают.

Поры являются
компонентами структуры материала. С одной стороны пористость зависит от
происхождения материала, а также определяет свойства и назначение материала
(например, активированный уголь, цеолиты, пемзы, пеностекло). С другой стороны,
пористость можно рассматривать как дефект структуры (например, литые металлы,
сплавы, стекла). В зависимости от вида пор в материале различают следующие виды
пористости:

Общая
(истинная) пористость – отношение объема всех пор (закрытых
и открытых) к  объему образца, выраженное
в процентах.

Открытая
(кажущуюся) пористость – отношение объема открытых пор к
общему объему тела, выраженное в процентах.

Закрытая
пористость – отношение объема закрытых пор к общему объему тела,
выраженное в процентах.

Классификация пористости:

По
сообщению с внешней поверхностью тела выделяют следующие виды
пор:

По
происхождению выделяют виды пористости:

По
форме и взаиморасположению поры и капилляры
цементного камня классифицируют на несколько групп:

В  цементном 
камне  обычно  присутствуют 
все виды пор, они, как правило, беспорядочно распределены и имеют различный
диаметр и конфигурацию. Поры могут соединятся друг с другом, образуя сложные
каналы в структуре материала, общая пористость цементного камня  может находиться в пределах 8–30 %.  

Классификация пор по их
эффективным радиусам, разработанная школами Лыкова А. В. и Дубинина М. М.
(табл. 18) является одной из наиболее важных в технологии вяжущих материалов.

По их представлениям, капиллярными называются поры, для которых
капиллярный потенциал значительно больше потенциала поля тяжести. В
капиллярных порах поверхность жидкости принимает форму, обусловленную силами
поверхностного натяжения, и мало искажается за счет силы тяжести.

Капилляры делят на
микрокапилляры и макрокапилляры. Основной критерий при этом делении – отношение
пор к явлению капиллярной конденсации. Микрокапилляры с радиусом менее 0,1 мкм
могут заполняться влагой за счет сорбции паров из окружающей среды и
образования пленок на стенках. Напротив, макракапилляры с радиусом более 0,1
мкм могут заполняться жидкостью только непосредственно при контакте с ней.
Кроме того, особенностью макрокапилляров является то, что они не сорбируют из
влажного воздуха влагу, а наоборот отдают в окружающую среду влагу,
находившуюся в них.

Таблица 18. Классификация пор в зависимости от размера

Наименование классификации

Размер, Å

108

107

106

105

104

103

102

10

1

Классификация пористости

Пористость углей (по А. В. Дубинину) Суммарная поверхность

Макропоры  1×10 –3 см

Переходные поры 1×10-6 см

Микропоры 1,5×10-7 см

Порядка десятых долей м2/г

Исчисляется м2/г

Порядка 350 – 850 м2/ г

Цементный камень (по Г. И. Горчакову)

———————————→ Капилляры (основной дефект строения бетона, способствует впитыванию воды и понижению морозостойкости)

До 1×10 – 4 см

———————→ Контракционные поры геля

40×10 –  8 см

1,5×10 – 8  см

Каменные материалы в т.ч. Бетоны (по       М.З. Симонову)

Мак-рока- пилля-рные

От 1 мм

Капиллярные

До 0,1 мкм

Контракцион-ные

До 50 Å

Г елевые

От 15 Å

Стеновые материалы (по    А. С. Беркману и          И. Г. Мельниковой)

Резервные

От 200 мкм

Опасные

Свыше 0,05  мкм

Безопасные

На пористость цементного
камня влияет ряд факторов, среди которых: отношение В/Ц, степень гидратации,
вид добавки, удельная поверхность и дисперсность используемых материалов и др.
В свою очередь, пористость оказывает влияние на такие свойства изделия, как
прочность, стойкость к коррозии, морозостойкость, теплопроводность,
термостойкость и т.п.

Существуют различные
экспериментальные  методы определения
пористости материалов, в общем случае их можно объединить в следующие группы:

В исследованиях структуры
цементного камня наибольшее распространение получили методы низкотемпературной
адсорбции азота и пикнометрический метод.

При исследовании
цементного камня важными характеристиками являются:  истинная плотность, общая, открытая, закрытая
пористости, водопоглощение и скорость капиллярного водопоглощения.

Водопоглощение
– отношение массы поглощенной образцом жидкости к его массе, выраженное в
процентах.    

Методика выполнения работы

Определение
истинной плотности. Определение истинной плотности цементного
камня выполняют пикнометрическим методом в двух–трех  параллельных опытах, с последующим расчетом
среднего значения.

Образец цементного камня
высушивают в сушильном шкафу при температуре 100–110 °С  до постоянной массы (среднее время 1,5–2 ч).
В случае испытания серии образцов, например, определения истинной плотности
цементного камня в период 7, 14, 21, 28 сут допускается цементный камень (2–4
балочки или обломки 2–4 балочек) дегидратировать ацетоном, высушить и
испытывать в один день.  Высушенный
цементный камень растирают в ступке в порошок и пропускают через сито № 008
до  полного прохождения.

Взвешивают на технических
весах чистый и высушенный пикнометр. Помещают с помощью воронки 4–5 г
полученного порошка в пикнометр (причем 
необходимо чтобы частицы материала не задерживались в горлышке
пикнометра и на его стенках). Взвешивают пикнометр с образцом на технических
весах.

Наливают в пикнометр
жидкость, не вступающую во взаимодействие с образцом (керосин), чтобы жидкость
покрывала порошок цементного камня и на ⅓ объема не доходила до горлышка
пикнометра. Подсоединяют его к струйному вакуум-насосу на 60–120 мин.

Отсоединяют пикнометр от
струйного вакуум-насоса, заполняют его жидкостью (керосином) до метки и
взвешивают на технических весах.

Удаляют содержимое
пикнометра, тщательно его промывают и высушивают. С целью сокращения времени
сушки, чистый пикнометр обрабатывают спиртом или ацетоном. Чистый пикнометр
заполняют жидкостью (керосином той же плотности) до метки и взвешивают на
технических весах.

Определение истинной
плотности цементного камня проводят по формуле:

где  m₁ – масса пустого
пикнометра, г; m₂ – масса пикнометра с навеской, г; m₃ – масса пикнометра с
навеской и жидкостью, г; m₄ – масса пикнометра с жидкостью, г; ρ_к
– плотность керосина, г/см³; ͞ρ – средняя плотность, г/см³.

Плотность керосина определяют ареометром или по формуле (49).

Определение
объемной массы цементного камня, пористости и водопоглощения. Исследование
проводят на двух–трех образцах-балочках, конечный результат рассчитывают как
среднее арифметическое между значениями данных опытов. Определение объемной
массы цементного камня, пористости и водопоглощения осуществляют методом
гидростатического взвешивания.

Образец цементного камня
высушивают в сушильном шкафу при температуре 100–110 °С до постоянной массы
(среднее время 1,5–2 ч), взвешивают на технических весах (m). Измеряют штангенциркулем
геометрические размеры образца (l,
b,
h).
В случае испытания серии образцов, например, в период 7, 14, 21, 28 сут
допускается цементные балочки дегидратировать ацетоном, высушить и испытывать в
один день. 

Сухой образец помещают
малым основанием в емкость с жидкостью, не взаимодействующий с образцом
(керосином) таким образом, чтобы образец был покрыт слоем жидкости на половину
и помещают в емкость, подсоединенную к струйному вакуум-насосу на 30 мин. Через
30 мин добавляют керосин таким образом, чтобы его слой покрывал образец на 1–2
см. Насыщенный керосином образец взвешивают на технических весах (m₁) и помещают
обратно в жидкость.

Насыщенный образец
помещают в корзиночку гидростатических весов таким образом, чтобы весь образец
находился в жидкости, и измеряют массу (m₂).

Объемную массу (ρ₀)
определяют по формулам:

Общую пористость (П_общ,
%) (истинную) рассчитывают по формуле:

Открытую пористость (П_откр,
%) (кажущуюся) находят по формуле:

Закрытую пористость (П_закр,
%) определяют по формуле:

Водопоглощение (W, %)
рассчитывают формуле:

Значения ρ и  ρ₀ определяют с точностью до
0,001. Значения П_общ, П_откр, П_закр, W
определяют с точностью до целых.

Материалы и оборудование

Образец цементного камня
массой 10–20 г; цементные балочки – 2–3 шт; жидкость инертная по отношению к
цементному камню (керосин); спирт или ацетон; ступка с пестиком; пикнометр
объемом 50 мл; воронка; сито № 008; весы технические, точность взвешивания 0,005 г; сушильный шкаф;
струйный вакуум-насос.

Форма записи результатов

Вид исследуемого цемента –

Вид и концентрация  добавки–

Нормальная густота –

Дата формования –

Результаты определения истинной плотности
цементного камня записывают в табл. 19, результаты определения структурных
характеристик цементного камня – в табл. 20.

Таблица 19. Определение
истинной плотности цементного камня

№ опыта	m1, г	m2, г	m3, г	m4, г	ρк, г/см3	͞ρ, г/см3

Таблица 20. Определение
структурных характеристик цементного камня

№ образца	1	2	Среднеарифметическое
m, г
m1, г
m2, г
l∙b∙h, см3
ρк, г/см3
ρ, г/см3
ρ0, г/см3
Побщ, %
Поткр, %
Пзакр, %
W, %

Сводные результаты:

По итогам определения
структурных характеристик студенты сводят все данные в единую таблицу по форме
в соответствии с табл. 9 в порядке увеличения концентрации каждой из добавок
(табл. 21). Студенты делают вывод о влиянии вида и концентрации добавки на
структурные характеристики цементного камня.

Таблица 21. Сводные результаты определения структурных характеристик цементного камня

№

ФИО

Вид добавки

НГ, %

Сроки схва-тывания, мин

Структурные характеристики

ρ, г/см3

ρ0, г/см3

Побщ, %

Поткр, %

Пзакр, %

W, %

нач.

кон.

1

Без добав.

2

С-3 (0,5)

3

С-3 (1)

…

Выводы:

_____________________________________________________________________

Использование: в области исследования микроструктуры цементного камня с целью прогнозирования прочности, трещиностойкости, долговечности бетонных и железобетонных конструкций в условиях эксплуатации. Сущность: для исходного сыпучего материала определяют гранулометрический состав с помощью сит. Измеряют диэлектрическую проницаемость смеси исходного материала с водой в требуемом соотношении до периода схватывания. Спустя заданное время твердения прокаливанием определяют степень гидратации исходного материала. На основе этих исходных данных формируют компьютерное изображение упаковки гранул, методом Монте-Карло определяют положение гранул на начальном этапе схватывания, после чего работают с этой откорректированной моделью упаковки гранул, увеличивая радиусы частиц до получения пористости, соответствующей степени гидратации исходного материала. По полученному изображению микроструктуры цементного камня прогнозируют его однородность, возможность образования трещин и т.д. на основании анализа изображения этой микроструктуры. Технический результат изобретения заключается в возможности быстро и точно предсказать поровую структуру цементного камня. 2 табл., 12 ил.

Изобретение относится к области исследования микроструктуры строительных материалов, а более конкретно – к области исследования поровой структуры цементного камня, и может быть использовано в научных целях и строительстве для прогнозирования прочности, трещиностойкости, долговечности цементного камня бетонных и железобетонных конструкций применительно к условиям их эксплуатации.

Существует традиционный способ анализа структуры строительных материалов – это способ микроскопического анализа и количественной оценки структуры. Согласно этому способу (ГОСТ 22023-76) готовят шлиф в плоскости среза исследуемого материала, визуальным просмотром под микроскопом выбирают наиболее характерную структуру и производят замеры размеров сечений частиц (гранул) и пор. Замеры производят до получения не менее 300 результатов. После этого обрабатывают полученную информацию и вычисляют параметры структуры. Этот способ длительный и трудоемкий. Чтобы исследовать структуру, имея исходный сыпучий материал, необходимы предварительные 28 суток для получения цементного камня. Исследования при различных условиях и режимах твердения еще более усложняют такой метод исследования. Для исследования структуры эксплуатируемых материалов для получения шлифов необходимо выбурить достаточное количество кернов, требующих специального оборудования. Подготовка шлифа также связана с применением специальных оттеняющих или клеящих составов, достаточно большими трудозатратами для их изготовления.

Известны также ускоренные способы исследования, которые основаны на прогнозировании структуры цементного камня – это способы математического моделирования, например способ моделирования процесса гидратации Паррота [X. Тейлор. Химия цемента, пер. с англ. – М.: Мир, 1996, с.288-289]. Согласно этому способу расчет степени гидратации цемента производят для заданного интервала времени. Уравнения скорости гидратации, учитывающие температуру, водоцементное отношение и относительную влажность, подбирают соответственно условиям твердения. При расчете также учитывается влияние распределения частиц по размерам. Полученную величину степени гидратации исходного материала используют для расчета пористости цементного камня по формулам:

где П_к, П_г – капиллярная и гелевая пористость соответственно;

В/Ц – начальное отношение вода/цемент;

– степень гидратации исходного материала;

В/Ц^* – критическое значение водоцементного отношения, ниже которого полная гидратация произойти не может;

D_в – плотность порового раствора в цементном тесте;

V_ц – удельный объем цемента;

m_г – масса гелевой воды на единицу массы цемента.

Наиболее близкий предлагаемому – способ моделирования формирования микроструктуры материала в процессе гидратации [X. Тейлор. Химия цемента, пер. с англ.. – М.: Мир, 1996, с.288-289]. Согласно этому способу исходные зерна (гранулы) рассматривают как сферы с реальным распределением по размерам и случайным расположением в пространстве. Предполагают, что они реагируют с образованием слоев внутренних и внешних гидратов совместно с кристаллами, растущими в межзерновом пространстве, заполненном водой, которое считается также сферическим. Эти процессы описывают соответствующими уравнениями. И исходя из заданных исходных параметров рассчитывают параметры будущей структуры материала, такие как пористость цементного камня. Качество математического моделирования зависит от:

– точности выбора описываемых процессов, определяющих искомые характеристики;

– количества и интервала варьирования физических и технологических параметров, определяющих эти процессы.

В описанном выше способе расчет поровых характеристик производится только с учетом процесса гидратации цемента. Влияние других процессов в нем можно рассматривать только косвенно, что существенно снижает точность расчета.

Задача изобретения состоит в том, чтобы просто, быстро и наиболее точно предсказать поровую структуру цементного камня для исходного материала при заданных условиях его твердения.

Задача решена следующим образом.

В способе прогнозирования поровой структуры цементного камня путем моделирования процесса формирования его микроструктуры во время гидратации, при котором гранулы исходного сыпучего материала для цементного камня рассматривают как сферы с реальным распределением по размерам и случайным расположением в пространстве, согласно заявляемому способу предварительно, например, с помощью сит определяют гранулометрический состав исходного материала, измеряют диэлектрическую проницаемость смеси этого материала с водой в требуемой пропорции, степень гидратации исходного материала, после этого моделируют на компьютере изображение упаковки гранул согласно определенному гранулометрическому составу и заданному водоцементному отношению, затем определяют положение гранул на начальном этапе схватывания цемента на основании расчета минимума свободной энергии системы методом Монте-Карло по известной формуле [Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М.: Химия, 1990. – 272 с.]:

где U_s, U_e, U_m – структурная, электростатическая и молекулярная составляющие энергии взаимодействия гранул;

– приближение Дерягина для перехода от плоского контакта к контакту двух сферических гранул разного радиуса R₁ и R ₂;

=3,14.

После этого корректируют компьютерное изображение в соответствии с определенным положением гранул на начальном этапе схватывания цемента и далее работают с этим изображением, меняя его, перенося на него процесс формирования микроструктуры во время гидратации, увеличивая радиусы гранул до получения пористости, соответствующей степени гидратации исходного материала для заданного времени твердения, используя формулу (1).

где П_г – капиллярная пористость цементного камня;

В/Ц- начальное отношение вода/цемент, мас.%;

_ц – плотность цемента, кг/м³;

– степень гидратации исходного материала.

В результате получают компьютерную модель микроструктуры цементного камня, по которой и осуществляют прогноз поровой микроструктуры цементного камня из исходного сыпучего материала.

Таким образом, заявляемый способ отличается от прототипа тем, что:

– предварительно определяют гранулометрический состав исходного сыпучего материала (цемента);

– измеряют диэлектрическую проницаемость смеси исходного материала с водой в требуемом соотношении;

– определяют степень гидратации исходного материала;

– согласно гранулометрическому составу исходного материала и заданному водоцементному отношению моделируют на компьютере изображение упаковки гранул;

– определяют положение гранул на начальном этапе схватывания цемента методом Монте-Карло исходя из энергии их взаимодействия, соответствующей минимуму свободной энергии системы;

– корректируют компьютерное изображение соответственно этому положению гранул на начальном этапе схватывания материала;

– на откорректированное изображение переносят процесс формирования микроструктуры во время гидратации, увеличивая радиусы гранул до получения пористости, соответствующей степени гидратации исходного материала, определяемой по формуле (4);

– прогноз поровой структуры цементного камня осуществляют по полученной компьютерной модели микроструктуры цементного камня.

Отличия говорят о новизне заявляемого способа.

Непосредственное определение реальных размеров гранул исходного сыпучего материала для цементного камня, измерение диэлектрической проницаемости смеси его с водой, степени гидратации позволяют с высокой точностью смоделировать компьютерную модель упаковки гранул. Взаиморасположение гранул уточняется благодаря моделированию процесса их взаимодействия на раннем этапе твердения. Поэтому, используя формулу (4), характеризующую конечную пористость, с помощью компьютера можно получить достоверную картину поровой структуры цементного камня для заданного момента времени. Следовательно, имея исходный материал, можно заранее, просто и оперативно предсказать его поровую структуру.

Достоверность результатов подтверждена экспериментами. Был произведен анализ поровой структуры цементного камня по заявляемому способу и полученному в результате твердения исходной цементно-водной смеси в течение 28 суток при одних и тех же заданных параметрах.

Заявляемый способ включает действие над материальными объектами (материальным объектом является исходный сыпучий материал для цементного камня) с помощью материальных средств. Гранулометрический состав определяется с помощью сит, для чего его обрабатывают, наносят на стекло и производят подсчет гранул. Измерение диэлектрической проницаемости смеси исходного материала с водой производится при помощи прибора, предназначенного для этой цели. Степень гидратации определяется прокаливанием исходного материала в муфельной печи.

Последующие операции (составление компьютерной модели упаковки гранул и работа с этой моделью) производятся на основе этих данных для конкретного исходного материала. В целом способ направлен на решение конкретной технической задачи, не является ни чисто математическим методом, ни просто программой для электронно-вычислительных машин, не заключается только в представлении информации. Вышесказанное позволяет отнести заявляемый способ к патентоспособным объектам.

Моделирование процесса формирования микроструктуры цементного камня в процессе гидратации подобно заявляемому способу заявителем не выявлено из уровня техники, что позволило судить о наличии “изобретательского уровня”.

На фиг.1 – сформированная согласно гранулометрическому составу компьютерная модель упаковки гранул при температуре 20°С для водоцементного отношения В/Ц=0,25;

на фиг.2 – компьютерная модель упаковки гранул для того же гранулометрического состава при 20°С для В/Ц=0,4;

на фиг.3, 4 – те же модели, откорректированные соответственно положению гранул на начальном этапе схватывания;

на фиг.5 – компьютерная модель микроструктуры цементного камня для В/Ц=0,25, соответствующей 28 суткам твердения; черный цвет соответствует структуре цементного камня, серый цвет – порам;

на фиг.6 – то же, для В/Ц=0,4;

на фиг.7 – микроструктура цементного камня (фото), полученного путем твердения исходного сыпучего материала в течение 28 суток для В/Ц=0,25 при 20°С; темные пятна на снимке – капиллярные поры;

на фиг.8 – то же, для В/Ц=0,4;

на фиг.9, 10 – компьютерное изображение моделей фиг.7, 8, обработанное в редакторе Photo-Paint;

на фиг.11 – диаграммы, полученные путем обработки изображения модели структуры фиг.5 и 6;

на фиг.12 – диаграммы, полученные путем обработки фотоснимков фиг.7, 8. Ось абсцисс – диаметр пор, ось ординат – вероятность их обнаружения.

Реализация способа показана на примере портландцемента М500 Д20 Топкинского завода. Гранулометрический состав цементов определялся автоматизированным анализом на весовом седиментометре ВС-3. Данные гранулометрического состава приведены в таблице 1.

Для сравнения результатов прогнозирования поровой микроструктуры цементного камня с реальной изготавливали из исходного материала образцы размером 20×20×20 мм, которые после изготовления твердели в нормальных условиях 28 суток. Для эксперимента применяли водоцементное отношение 0,25; 0,4.

В соответствии с заявляемым способом степень связанной воды и гидратации цемента за весь период твердения оценивали потерями при прокаливании (таблица 2).

После этого формировалась модель упаковки гранул согласно гранулометрическому составу, заданной температуре и водоцементному отношению (фиг.1, 2) – модельные изображения системы цемент-вода с В/Ц=0,25 и 0,4 при 20°С.

Затем определяют положение гранул в результате их взаимодействия в период, предшествующий схватыванию. Систему цемент-вода рассматривают как коллоидно-дисперсную, положение частиц которой на начало схватывания определяется минимумом свободной энергии. Минимум свободной энергии системы определяется методом математической статистики Монте-Карло, так как решение данного типа задач другими численными методами оптимизации может привести к локальному, а не к абсолютному минимуму. В методе Монте-Карло используются принципы статистической механики, а макроскопические свойства получают усреднением по ансамблю микросостояний системы.

Суть метода заключается в следующем:

1) на основе парного взаимодействия частиц по формулам подсчитывается общая энергия системы. При этом учитывается энергия взаимодействия лишь тех частиц, при котором абсолютное значение энергии минимально (асимптотически приближается к нулю);

2) затем частицы поочередно перемещаются:

– с вероятностью Р=1, если свободная энергия системы уменьшается;

– с вероятностью , если свободная энергии системы увеличивается. Здесь U – изменение энергии системы при перемещении частицы, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура;

3) если после перебора всех частиц изменение энергии меньше заданной погрешности (1%), то считается, что система находится в равновесии.

Расчет парного взаимодействия частиц.

Энергия взаимодействия в рассматриваемой системе обусловлена поверхностными силами. Их действие связано с полями электростатической и электромагнитной природы [Чураев Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах. М.: Химия, 1990. – 272 с.]. Суммарная энергия взаимодействия определялась молекулярной, электростатической и структурной составляющей:

где U_s, U_e, U_m – структурная, электростатическая и молекулярная составляющие энергии взаимодействия частиц;

– приближение Дерягина для перехода от плоского контакта к контакту двух сферических частиц разного радиуса R₁ и R ₂.

Первые две влияют на отталкивание частиц, молекулярная – на их притяжение.

Равновесные расстояния между частицами в пористом теле отвечают минимуму свободной энергии системы.

где U_m – молекулярная составляющая энергии взаимодействия частиц;

В – константа полностью запаздывающих дисперсионных сил, определяется по формуле:

где с – скорость света;

₀₁, ₀₂, ₀₃ – частотные зависимости диэлектрической проницаемости частиц и жидкой среды соответственно;

– постоянная Планка;

h – расстояние между поверхностями частиц.

где U_e – электростатическая составляющая энергии взаимодействия частиц;

– обратная толщина ионной атмосферы, которая характеризует расстояние от поверхности, на котором потенциал ₀ снижается в е раз;

С – концентрация ионов в растворе;

– диэлектрическая проницаемость жидкой фазы;

₀ – электрическая постоянная;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.

где K_s – постоянная, характеризующая величину силы при h0,

L – характеризует длину корреляции структурной упорядоченности.

Константы для расчета потенциала принимаются на основе литературных источников [Берлин Л.Е., Бутт Ю.М., Колбасов В.М. К вопросу о кинетике формирования структурной пористости цементного камня. Труды МХТИ им. Менделеева. – Вып. 60. – М., 1967. – С.117-127; Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников B.C. Минеральные вяжущие вещества. – М.: Стройиздат, 1966. – 230; Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. – М.: Стройиздат, 1979. – 343 c.; Лагойда А.В. Теоретические основы технологии бетона с противоморозными добавками. Дисс. д.т.н. – М., 1987].

Результатом расчета являются координаты частиц, соответствующие минимуму свободной энергии системы цемент-вода. На фиг.3, 4 – изображения отрелаксированной модели, на которых видно образование кластеров из отдельных гранул.

Затем на откорректированную таким образом математическую модель переносят процесс гидратации цемента, увеличивая радиусы частиц до получения общей капиллярной пористости, рассчитываемой в зависимости от В/Ц отношения и температуры твердения по формуле (4).

В результате получили компьютерную модель микроструктуры цементного камня (см. фиг.5-6, В/Ц=0,25 и 0,4 соответственно), по которой анализируют характеристики поровой структуры: дифференциальную пористость, средний размер пор, однородность, места возможного образования трещин и т.д.

Анализ капиллярных пор производился по шести изображениям скола образцов общей площадью 10,8·10 ³ мкм², полученным на растровом электронном микроскопе Tesla BS-301 при увеличении в 2000 раз. Изображения из микроскопа передавались в компьютер при помощи специального блока и программы, минуя операции, связанные с обычной фотографией объекта. Качество снимков можно оценить по фиг.7-8. Изображения обрабатывались в редакторе Photo-Paint (фиг.9-10), затем специально разработанной программой, определяющей поры и их площади. Идентификация пор происходила по отношению к среднему уровню яркости изображения. Результат обработки модельного изображения показан на фиг.11, фотоснимка – на фиг.12. Ось Х в обеих гистограммах – вероятность обнаружения поры размера, отложенного по Y. Как видно, качественно гистограммы пор модельного изображения и фотоснимка следуют одной логике: с увеличением В/Ц количество пор с большим диаметром увеличивается.

Отличия модельной и реальной поровой структуры связаны с качеством снимков структуры, методикой их получения и обработки.

Формула изобретения

Способ прогнозирования поровой структуры цементного камня путем моделирования формирования его микроструктуры в процессе гидратации, при котором гранулы исходного сыпучего материала для цементного камня рассматривают как сферы с реальным распределением по размерам и случайным расположением их в пространстве, отличающийся тем, что предварительно определяют, например, с помощью сит гранулометрический состав исходного материала, измеряют диэлектрическую проницаемость смеси этого материала с водой в требуемой пропорции и степень гидратации исходного материала, а моделирование осуществляют с помощью компьютера, для чего формируют компьютерное изображение упаковки гранул согласно определенному гранулометрическому составу и заданному водоцементному отношению, методом Монте-Карло определяют положение гранул на начальном этапе схватывания цемента, исходя из энергии их взаимодействия, соответствующей минимуму свободной энергии, и корректируют компьютерное изображение соответственно этому положению гранул на начальном этапе схватывания цемента, затем на откорректированное изображение переносят процесс формирования микроструктуры во время гидратации, увеличивая радиусы гранул до получения пористости, соответствующей степени гидратации исходного материала для заданного времени твердения, определяемой по формуле

где П_к – капиллярная пористость цементного камня;

В/Ц – начальное отношение вода/цемент, мас.;

_Ц – плотность цемента, кг/м³;

– степень гидратации исходного материала,

затем получают компьютерную модель микроструктуры цементного камня, по которой осуществляют прогноз поровой структуры цементного камня, получаемого из исходного сыпучего материала.

РИСУНКИ