Особливості структуроутворення модифікованої цементної системи на ранніх стадіях тверднення бетону

Abstract

UK: Постановка проблеми. Визначення типів зв'язків, що утворюються у модифікованій цементній матриці бетону, і оцінка якості цих зв'язків у неоднорідному матеріалі для з’ясування геометричних і фізичних співвідношень між структурою модифікаторів і цементної матриці на ранній стадії структуроутворення. Методика. Дослідження процесів гідратації і структуроутворення звичайних і модифікованих цементних систем проводилися з використанням рентгенофазового, диференційно-термічного та мікроскопічного аналізів, інфрачервоної спектроскопії. Аналіз структурних параметрів цементної матриці бетону проводився методом ртутної порометрії, а також за адсорбцією пар води та азоту. результати. Система складання з відповідною структурою формується при компонуванні і контактуванні мінеральних компонентів цементної системи і зерен заповнювачів у процесі змішування з водою, перемішування і укладання бетонної суміші. Зміна кількісних характеристик структури модифікованого бетону спостерігалася за зміни інтенсивності модифікування. Спостережувані зміни морфологічної структури цементної матриці не можуть бути випадковими, тому що вони підтверджені повторними дослідами за відтворюваності від 82 до 96 %. У той же час така зміна морфології новоутворень не спостерігалася у звичайному бетоні. З наведених даних очевидне значне збільшення пластинчасто-призматичної складової в цементній матриці модифікованого бетону. Зі збільшенням часу витримки кількість сформованих кристалічних новоутворень збільшується. Це можна пояснити системним підходом: морфологія структури цементної матриці ‑ результат взаємодії систем складання і зростання. При цьому система зростання (перекристалізації і розвитку структури в часі) може ефективно розвиватися без досить повного розвитку системи складання (накопичення первинних продуктів гідратації). Наукова новизна. Вперше встановлено особливості структуроутворення модифікованої цементної системи, які полягають у тому, що кристали гідрату хлороксиду магнію швидко ростуть у просторі між гідратними новоутвореннями клінкерних мінералів, а механічне зчеплення, що виникає в результаті цього, зумовлює розвиток початкової міцності і жорсткості. Оскільки вільному росту кристалів перешкоджає брак простору, кристали взаємно проростають, утворюючи щільну структуру, яка зумовлює зростання міцності; вперше встановлено, що у модифікованій цементній системі, що гідратується, в результаті взаємодії різних макроіонів розвивається структуротвірний процес із переважанням активних частин, які значно перевищують його дисипативну частину порівнянно з нормальними умовами тверднення. Результати, отримані під час моделювання поведінки модифікованої цементної системи, що гідратується, показують, що в системі спостерігаються коливання концентрації проміжних продуктів гідратації, ототожнені з виникненням просторово-часової структури. Практична значимість. Фізико-хімічне модифікування цементної системи забезпечує зміну морфотропії кристалогідратних новоутворень, що сприятиме формуванню проектних властивостей бетону.

RU: Постановка проблемы. Определение типов связей, возникающих в модифицированной цементной матрице бетона, и оценка качества этих связей в неоднородном материале для определения геометрических и физических соотношений между структурой модификаторов и цементной матрицы на ранней стадии структурообразования. Методика. Исследования процессов гидратации и структурообразования обычных и модифицированных цементных систем проводились с использованием рентгенофазового, дифференциально-термического и микроскопического анализов, инфракрасной спектроскопии. Анализ структурных параметров цементной матрицы бетона проводился методом ртутной порометрии, а также по адсорбции паров воды и азота. Результаты. Система сложения с соответствующей структурой формируется при компоновке и контактировании минеральных компонентов цементной системы и зерен заполнителей в процессе смешивания с водой, перемешивания и укладки бетонной смеси. Изменение количественных характеристик структуры модифицированного бетона наблюдалось при изменении интенсивности модифицирования. Наблюдаемые изменения морфологической структуры цементной матрицы не могут быть случайными, так как они подтверждены повторными опытами при воспроизводимости от 82 до 96 %. В то же время, такое изменение морфологии новообразований не отмечено в обычном бетоне. Из приведенных данных очевидно значительное увеличение пластинчато-призматической составляющей в цементной матрице модифицированного бетона. С увеличением времени выдержки количество сформированных кристаллических новообразований увеличивается. Это можно объяснить системным подходом: морфология структуры цементной матрицы является результатом взаимодействия систем сложения и роста. При этом система роста (перекристаллизация и развитие структуры во времени) может эффективно развиваться без достаточно полного развития системы сложения (накопления первичных продуктов гидратации). Научная новизна. Впервые установлены особенности структурообразования модифицированной цементной системы, заключающиеся в том, что кристаллы гидрата хлороксида магния быстро растут в пространстве между гидратными новообразованиями клинкерных минералов, а механическое сцепление, возникающее в результате этого, обусловливает развитие начальной прочности и жесткости. Так как свободному росту кристаллов препятствует недостаток пространства, кристаллы взаимно прорастают, образуя плотную структуру, которая обусловливает рост прочности; впервые установлено, что в гидратирующейся модифицированной цементной системе в результате взаимодействия различных макроионов развивается структурообразующий процесс с преобладанием активных частей, которые значительно превышают его диссипативную часть по сравнению с нормальными условиями твердения. Результаты, полученные при моделировании поведения гидратирующейся модифицированной цементной системы, показывают, что в системе наблюдаются колебания концентрации промежуточных продуктов гидратации, отождествляющиеся с возникновением пространственно-временной структуры. Практическая значимость. Физико-химическое модифицирование цементной системы обеспечивает изменение морфотропии кристаллогидратных новообразований, что способствует формированию проектных свойств бетона.

EN: Purpose. Determination of the types of bonds formed in the modified concrete cement matrix and the evaluation of the quality of these bonds in a inhomogeneous material for the determination of geometric and physical relationships between the structure of modifiers and the cement matrix at the early stage of structure formation. Method. Investigation of the processes of hydration and structure formation of conventional and modified cement systems was carried out using X-ray diffraction, differential-thermal and microscopic analyses, and infrared spectroscopy. The analysis of the structural parameters of the cement matrix of concrete was carried out by the method of mercury porosimetry, as well as the adsorption of water and nitrogen vapor. Results. The system of assembling with the corresponding structure is formed during the layout and contact of the mineral components of the cement system and aggregate grains in the process of mixing with water, stirring and placing of concrete mixture. The change in the quantitative characteristics of the structure of modified concrete was observed at the change in the intensity of modification. Observed changes in the morphological structure of the cement matrix cannot be random, as they are confirmed by repeated experiments at reproducibility from 82 to 96 %. At the same time, such a change in the morphology of new formations was not observed in normal concrete. From the given data, a significant increase in the lamellar-prismatic component in the cement matrix of modified concrete is obvious. The number of formed crystalline new formations increases with the increase of curing time. This can be explained by the system approach: the morphology of the structure of the cement matrix − the result of the interaction of systems of assembly and growth. At the same time, the growth system (recrystallization and development of the structure in time) can effectively develop without a sufficiently complete development of the system of assembly (accumulation of primary products of hydration). Scientific novelty. For the first time, the peculiarities of the structured formation of the modified cement system have been established, they consist in the fact that magnesium chloride hydrate crystals grow rapidly in the space between the hydrated new formations of clinker minerals, and as the result, the mechanical bond is responsible for the development of initial strength and stiffness. Since the free growth of crystals is hindered by the lack of space, the crystals mutually germinate, forming a dense structure that causes the growth of strength; it was first established that in a modified hydrated cement system, as a result of the interaction of different macroions, a structure-forming process develops with a predominance of active parts that significantly exceed its dissipative part in comparison with normal cure conditions. The results obtained in modeling the behavior of the modified cement system, which is hydrated, show that the system has fluctuations in the concentration of intermediate products of hydration, identified with the appearance of the spatial-temporal structure. Practical relevance. Physico-chemical modification of the cement system provides a change in the morphotropy of new crystalhydrate formations, which will contribute to the formation of the design properties of concrete.