Особенности структуры внутреннего слоя.

Макроструктура внутреннего слоя строительного материала достаточно хорошо просматривается на срезе невооруженным глазом или через обычную лупу. В состав структуры входят отдельные твердые тела (зерна) различной крупности, поры и матрица, объединяющая зерна в единый монолит. В качестве матрицы могут быть затвердевший цементный камень, алюмосиликатное или полимерное стекло, затвердевшая глина и пр.

Еще раз подчеркнем, что деление структуры строительных материалов на макро- микроструктуру является весьма условным. Такое деление имеет чисто методологическое значение; оно позволяет упростить реологические модели деформирования систем, характеризующихся разным размером компонентов, и, следовательно, применить для описания процессов более простые математические модели.

Единая и монолитная структура строительного материала может быть оптимальной и не оптимальной.

Оптимальная структура характеризуется равномерным распределением компонентов системы (заполнителей, пор, элементов матрицы и пр.) по строительному материалу; отсутствием или минимальным количеством дефектов; наличием непрерывной пространственной сетки – матрицы; наибольшей плотностью упаковки зерен твердой дискретной составляющей как на микро-, так и на макро-уровне.

Не оптимальными являются структуры, в которых не соблюдается хотя бы одно из перечисленных условий.

Основные характеристики макроструктуры

Мы рассмотрим те характеристики материалов, которые не вошли в действующие стандарты. Поэтому к ним не сформулированы требования, и они, как бы, не являются свойствами строительных материалов. Но эти характеристики имеют существенное значение для общей оценки качества того или иного материала. Они также помогают повысить объективность тех или иных показателей качества, регламентированных стандартами.

Пористость

Пористость – степень заполнения объема материала порами.Обычно выражают в %:

П = [(V_ест – Vп)/V_ест]^.100;

Где V_ест – объем твердого тела вместе с порами;

Vп – объем твердой фазы тела.

Чаще пористость рассчитывают, исходя из кажущейся ρ_m и истинной ρ плотности материала:

П = (1 – ρ_m / ρ)100.

Пористость строительных материалов колеблется от 0 до 90-98%. Для сравнения в табл. 3.3. приведены величины пористости некоторых материалов.

Помимо объема пор на свойства материалов большое влияние оказывают геометрическая и структурная характеристики пор. К геометрической характеристике относят размер пор, их общую удельную поверхность, общий объем пор. К структурной характеристике относят форму пор (ячеистая, замкнутая, волокнистая) и характер пор (открытые, замкнутые, сообщающиеся).

Таблица 3.3. Значения пористости некоторых материалов

Наиболее стройной и общей для различных видов материалов является классификация по размеру пор:

- макропоры > 10мкм (по Дубинину); > 0,5мкм (по Ф.М. Иванову);

- капиллярные поры > 1мкм (по Г.И Горчакову);

- контракционные – 1-10^-2 мкм (по Горчакову);

- поры геля – 10^-2-10^-4мкм (по Горчакову).

Макропоры и капиллярные поры относятся к элементам макроструктуры. Более мелкие поры – к элементам микроструктуры.

Капиллярами принято называть канальные поры, которые способны впитывать жидкость. Впитывание жидкости происходит, если так называемый капиллярный потенциал в каждой точке соприкосновения жидкости с внутренней поверхностью превышает потенциал поля тяжести.

Капиллярный потенциал зависит от величины поверхностного натяжения, радиуса капилляра, плотности жидкости, краевого угла смачивания жидкости при взаимодействии с данным материалом. Впитывание жидкости происходит, если так называемый капиллярный потенциал φ_к.п в каждой точке соприкосновения жидкости с внутренней поверхностью капилляра превышает потенциал поля тяжести φ_к.п.т Эффект впитывания тем выше, чем больше разность потенциалов, т.е. φ_к.п - φ_к.п.т → ∞.

Под капиллярным потенциалом понимают потенциальную энергию поля капиллярных сил, отнесенную к единице массы жидкости (плотности).

Для цилиндрического капилляра, один конец которого находится в воде, капиллярный потенциал в Н^.м/кг определяют по формуле:

φ_к.п =(2σ_п.н./ρ_ж).(1/r)

где: σ_п.н - коэффициент поверхностно натяжения, Н/м;

ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;

г - радиус кривизны мениска, м.

Потенциал поля тяжести:

φ_к.п.т = gh

где: g - ускорение свободного падения, м/с;

h - высота капилляра, м.

При поднятии уровня жидкости в капилляре разность потенциалов уменьшается и при φ_к.п.т = φ_к.п. высота капилляра h — достигает максимума. С учетом краевого угла смачивания максимальная высота капиллярного подъема жидкости в пористом материале может быть вычислена по формуле Жюрена:

h = 2 σ_п.н соs/ ρ_ж г g,

где г — условный радиус капилляра, м.

Средний радиус капилляра, т.е. поры, в которой имеет место капиллярный подсос, для различных материалов неодинаков, так как основные параметры этого процесса значительно различаются.

В стеновых материалах, где основными взаимодействующими фазами являются вода и цементный камень, верхний критический размер пор, впитывающих воду, не превышает 20 мкм, тогда как в огнеупорных материалах, работающих в среде расплавленных шлаков, этот критерий составляет - 25 мкм. В последнем случае химическое взаимодействие жидкой и твердой фаз уменьшает потенциал капиллярного подсоса.

В стеновых материалах с учетом изменения фазового состояния воды макропоры (по А.С. Беркману и И.Г. Мельниковой — свыше 200 мкм) являются резервными, а микропоры (<0,05 мкм) - безопасными. Но, по В.М. Москвину и Г.И. Горчакову, опасный интервал размера пор несколько уже, так как при уменьшении радиуса капилляра вода в нем замерзает при более низкой температуре.

Интересно отметить, что значения нижних критических радиусов капилляров при заполнении водой и силикатными расплавами практически одинаковы и равны примерно 0,1 мкм. Это указывает на близкие значения длин свободного пробега молекулы воды при тем температуре 20°С и силикатных расплавов при 1500°С.

Однако, практически, в поры размером ниже 5 мкм шлаки не проникают. По-видимому, это объясняется увеличением вязкости в тонких капиллярах как в результате изменения состава шлаков (коррозия), так и под влиянием пристеночного эффекта.

Таким образом, для огнеупорных материалов опасный интервал, связанный с прониканием шлаков в капилляры, находится в пределах 5.. .25 мкм (по данным К.К. Стрелова).

Исходя из вышесказанного, можно констатировать, что основная проблема оптимизации пористой структуры материалов, в частности повышения морозостойкости для гидратационных и эксплуатационной стойкости обжиговых систем, связана с уменьшением интервала между верхним и нижним критическими радиусами капилляров. А как это осуществить? Есть два возможных варианта:

- исключение из структуры опасного интервала капиллярных пор путем создания преимущественно крупнопористой или мелко пористой структуры;

- уменьшение капиллярного потенциала системы при неизменных пористости и размерах радиусах капилляров.

Рассмотрим первый вариант. Крупнопористая структура (макропоры) без учета некоторых факторов может отвечать требованиям к акустическим, теплоизоляционным и некоторым видам стеновых материалов, а мелкопористая (микропоры) — материалам для несущих, гидротехнических и других конструкций. Однако есть некоторые нюансы. Создание крупнопористой, а значит, высокопористой структуры влечет за собой резкое снижение прочностных характеристик изделий. Получение же плотной структуры с пористостью ниже 10% представляет в настоящее время серьезную проблему, особенно для гидратационных материалов.

Второй вариант. Уменьшение капиллярного потенциала системы теоретически возможно лишь за счет снижения сил поверхностного натяжения, т.е. снижения поверхностной энергии твердой фазы, и увеличения краевого угла смачивания контакта “жидкость — твердая фаза”, т.е. снижения эффекта смачиваемости.

Следует заметить, что оба эти фактора взаимозависимы, и поэтому для снижения капиллярного потенциала φ_к.п гидратационных систем ограничиваются снижением смачиваемости за счет применения гидрофобных добавок, а для обжиговых материалов, в частности огнеупоров, используют так называемые “спеки”, или специальные покрытия поверхности твердой фазы тонким твердым высокоогнеупорным слоем с низким значением поверхностной энергии, так как снизить смачиваемость самих шлаков практически невозможно Кроме того, для снижения φ_к.п в технологии огнеупоров используют различного рода “присадки”, вызывающие адсорбционный эффект.

Гигроскопичность

Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что при уменьшении радиуса пор ниже критического значения (< 0,5 мкм) исчезает капиллярный подсос, однако жидкость все же заполняет даже мельчайшие поры за счет конденсации паров на их стенки с последующим переходом пленок в столбик жидкости. Такое свойство заполнения пор жидкостью называют гигроскопичностью структуры.

Согласно эмпирическому уравнению Фрейндлиха можно рассчитать количество адсорбированного газа или водяного пара (α):

α = Kp^l/n,

где: p^l/n — давление газа;

К и п — эмпирические параметры, постоянные для адсорбента и газа при определенной температуре.

Такие высокопористые материалы, как силикагель, древесина керамзитовый гравий и др., могут быть использованы в качестве регуляторов влажности в замкнутых объемах. Ограждающие конструкции из древесины и керамического кирпича благодаря гигроскопичности структуры и в зависимости от климатических условий регулируют влажностный режим помещения, т.е. они как бы дышат.

П.А. Ребиндер дает следующую классификацию пор по насыщению их жидкостью (табл. 3.4).

Пористость как основная характеристика структуры во многом определяет такие ее свойства, как теплопроводность, прочность и др.

Таблица 3.4. Классификация пор по насыщению их жидкостью

Газопроницаемость

Газопроницаемость - свойство пористой структуры пропускать газ при перепаде давлений. Газопроницаемость зависит от размеров и вида пор, поэтому этот показатель часто используют при оценке равномерности структуры.

Наибольшее значение газопроницаемости соответствует размеру пор порядка 20... 100 мкм. Однако проницаемость газов через бетоны может происходить и при более низких значениях размера пор (0,1 мкм и ниже), например, в тонких трещинах.

Газопроницаемость весьма чувствительна к изменению структуры изделий. Так, если при некотором изменении структуры открытая пористость изменилась в 2 раза, то газопроницаемость меняется более чем в 100 раз.

Поскольку материал, как правило, имеет макро- и микропоры, перенос газа может происходить одновременно вязкостным и молекулярным потоками, которые подчиняются соответственно законам Пуазейля и Кнудсена.

Таблица 3.5. Сопротивление воздухопроницанию некоторых материалов и конструкций.

Для вывода уравнения газопроницаемости пористость материала условно представляют в виде цилиндрических каналов одинакового сечения, идущих параллельно направлению движения газа.

Уравнение Пуазейля хорошо отражает процесс газопроницаемости, но очень сложно для практических расчетов. Поэтому часто для расчета газопроницаемости строительных изделий и конструкций используют упрощенную формулу Дарси, хотя она описывает лишь перенос газа через стенку:

V = K_r.А. τ.Δр/δ,

где V — объемный или массовый поток газа в единицу времени, м³/c или кг/с;

K_r — коэффициент газопроницаемости. Для объемной газопроницаемости — м²/Па^.с; для массовой — кг/м^.Па^.с;

А — площадь сечения потока, м²;

τ — время протекания процесса, с;

δ — глубина проникания газа, м.

Δр – Разность давлений газа на входе и выходе из поры, Па^.с.

Коэффициент газопроницаемости фактически является той физической константой для каждой пористой структуры, которая оценивает ее способность, при определенных условиях, пропускать газ.

При расчете строительных конструкций учитывают газопроницаемость структуры материалов через сопротивление воздухопроницанию.

Паропроницаемость

Паропроницаемость является разновидностью газопроницаемости с той лишь особенностью, что пар способен в зависимости от условий изменять свое агрегатное состояние, т.е. конденсироваться, вытесняя газовую фазу, и значительно изменять свойство структуры. В табл. 3.6. приведены данные о сопротивлении паропроницаемости некоторых материалов.

Паропроницаемость, как характеристику структуры рассматривают в двух аспектах:

- материаловедческом — защита структуры и конструкции в целом от разрушительного действия конденсата;

- теплофизическом — решение проблемы создания надлежащего телловлажностного режима помещения.

Таблица. 3.6. Сопротивление паропроницанию некоторых строительных материалов

В обоих случаях устраивают так называемую пароизоляцию с внутренней стороны ограждающих конструкций, в частности наружных стен и покрытий здания, из газопаронепроницаемых материалов. Качество таких материалов характеризуется сопротивлением паропроницанию R_n в м^2.ч^.Па^.с/мг.

Водопроницаемость

Водопроницаемость - способность пористой структуры про­пускать воду (жидкие среды) под давлением. Как характеристика структуры водопроницаемость аналогична газопроницаемости и подчиняется тем же законам течения жидкости под давлением.

Методы определения водопроницаемости позволяют полнее су­дить о характере пористой структуры.

Определение водопроницаемости сухих и предварительно на­сыщенных образцов дает близкие по значению конечные результа­ты. Однако в первом случае по кинетике проницания воды, характе­ризуемой изменением электропроводности, можно судить об анизо­тропии пор, для чего водопроницаемость измеряют в трех взаимно перпендикулярных направлениях, тогда как во втором - такой вывод сделать невозможно.

Фактор анизотропии выражается среднеквадратичным отклоне­нием а выборочной дисперсии коэффициентов водопроницаемости

в трех направлениях (к_ь к₂, к₃), отнесенных к его среднему значениюКс_Р:

К_аниз = σ/ Кс_Р

Чем ниже значение этого фактора, тем меньше степень анизо­тропии структуры. Для изотропной структуры он равен нулю.

Значение водопроницаемости одной и той же структуры значи­тельно ниже, чем газопроницаемости. Это можно объяснить рядом причин:

- значительным различием величин вязкости жидкостей и газа;

- возможным образованием застойных зон жидкости вследствие
отрыва вязкой жидкости в процессе обтекания твердого тела;

- уменьшением фильтрации жидкости, связанным с действием
электростатических сил между жидкостью и твердой фазой.

Свойство, обратное водопроницаемости, - водонепроницае­мость. Характеризует структуру плотных материалов, работающих в условиях непосредственного контакта с водой (например, гидро­технический бетон). Такие материалы подразделяются на классы по водонепроницаемости (W2, W4, W6, W8, W12). Цифра показывает величину давления воды в кгс/см², при котором образец - цилиндр высотой 15 см не пропускает воду.