Содержание к диссертации
Введение
1 Формирование структур современных высокопрочных трещиностойких бетонов как научно-инженерная проблема 18
1.1 Сопротивление разрушению, прочность и трещиностой-кость как конструкционный потенциал бетонов 19
1.2 Эволюция научно-инженерных подходов в проблеме формирования структуры высокопрочных бетонов. Парадигмы, принципы и технологические платформы формирования эффективных структур высокопрочных цементных бетонов 32
1.3 Структурные группы бетонов. Факторное пространство исследований 44
1.4 Цель, задачи, содержание исследований и разработок по развитию научно-инженерной проблемы формирования структур высокопрочных трещиностойких бетонов и их технологии 50
2 Сопротивление разрушению бетонов как функция их структуры 55
2.1 Идентификация структуры бетонов как объекта исследования и управления 55
2.2 Взаимосвязь диссипации, локализации и концентрации напряжений в бетоне с параметрами его структуры: общие модели 74
3 Основные положения методологии и методики экспериментальных исследований конструкционных свойств и структуры бетонов
3.1 Методика комплексной оценки параметров структуры высокопрочных цементных бетонов 93
3.1.1 Методика аналитической оценки структуры бетонов... 93
3.1.2 Методика экспериментальной оценки параметров структуры бетонов 97
Обоснование методов комплексной оценки показателей со противления разрушению высокопрочных цементных бетонов 101
3.2.1 Методика исследования процессов деформирования, разрушения и трещиностойкости бетонов 104
3.2.2 Методика выявления активных зон диссипации энергии при деформировании бетонов 116
Экспериментальные исследования закономерностей деформирования и разрушения бетонов различных структурных групп 122
4.1 Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов 1-й структурной группы (полные равновесные диаграммы деформирования; процесс накопления повреждений; вязкость разрушения и трещиностойкость; активные зоны диссипации энергии при деформировании; комплексная оценка сопротивления разрушению бетонов на момент начала эксплуатационного цикла и взаимосвязь показателей сопротивления разрушению и параметров структуры бетонов) 122
4.2 Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов П-й структурной группы 127
4.3 Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов Ш-й структурной группы 141
4.4 Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов IV-й структурной группы 148
4.5 Определяющие закономерности и противоречия сопротивления разрушению бетонов I-IV-й структурных групп: основные обобщения 162
Конструирование структур высокопрочных цементных бетонов и повышение трещиностойкости 176
5.1 Определяющие принципы конструирования структур и технологические условия получения цементных бетонов повышенной трещиностойкости 176
5.2 Модель многоуровневого трещинообразования в структуре бетонов и концепция многоуровневого дисперсного их армирования 183
5.3 Повышение трещиностойкости цементных бетонов при конструирование их структур
5.3.1 Сопротивление разрушению мелкозернистых бетонов 1-й структурной группы с многоуровневым дисперсным армированием (1+) 192
5.3.2 Характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов V-й (IV+) структурной группы 207
Интегральная сопоставительная оценка эффективности бетонов I-V-й структурных групп 222
6.1 Сопротивление разрушению бетонов на момент начала эксплуатационного цикла 222
6.2 Сопротивление разрушению и трещиностойкость бетонов в условиях температурного стимулирования развития структуры их цементной матрицы 233
6.3 Сопротивление разрушению и трещиностойкость бетонов при изменении влажностного состояния их структуры 246
7 Прикладные решения в технологии высокопрочных цементных бетонов 255
7.1 Прикладные разработки применительно к технологии бетонов V- й структурной группы 256
7.1.1 Технология производства панелей несъемной опалубки для строительства АЭС 256
7.2 Прикладные разработки применительно к технологии бетонов П-й структурной группы 267
7.2.1 Перспективы применения высокопрочных бетонов при строительстве АЭС нового поколения (ВВЭР -ТОП) 267
7.2.2 Общие подходы к разработке требований к бетонным смесям заданного качества для зданий и сооружений Балтийской АЭС, Ленинградской АЭС-2, Белорусской АЭС 274
7.3 Прикладные разработки применительно к технологии бетонов 1-й структурной группы 277
7.3.1 Ресурсоэффективные высокопрочные бетоны на сырьевых материалах рядового качества 277
Выводы к главе
Оценка эффективности разработанных решений... 287
Основные выводы 290
Список литературы
- Эволюция научно-инженерных подходов в проблеме формирования структуры высокопрочных бетонов. Парадигмы, принципы и технологические платформы формирования эффективных структур высокопрочных цементных бетонов
- Взаимосвязь диссипации, локализации и концентрации напряжений в бетоне с параметрами его структуры: общие модели
- Методика экспериментальной оценки параметров структуры бетонов
- Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов П-й структурной группы
Эволюция научно-инженерных подходов в проблеме формирования структуры высокопрочных бетонов. Парадигмы, принципы и технологические платформы формирования эффективных структур высокопрочных цементных бетонов
Сопротивление разрушению является определяющей функциональной характеристикой конструкционных строительных материалов. Технические показатели и экономическая эффективность изделий в значительной мере обусловливаются достигаемым уровнем сопротивления бетонов разрушению.
Сопротивление материала разрушению представляет собой интегральное понятие и раскрывается в оценке его показателей деформативности, прочности, тре-щиностойкости и многих других свойств, отражающих особенности процесса развития напряжений и деформаций в нем при механическом нагружении и при других видах нагрузки. Сопротивление разрушению по своей сути, общему механизму едино для любых видов воздействий. Результатом всех видов воздействий является формирование и изменение напряженно-деформированного состояния композита как структурированной системы.
Процесс деформирования и разрушения важно характеризовать именно с учетом определяющей роли структуры материала и оценивая показатели сопротивления материала разрушению, необходимо четко понимать структурно-физическую природу этого сложного кинетического процесса и использовать это для управления свойствами материала [82, 303-305, 354-355, 359].
Цементные бетоны как строительные композиты, впрочем, как и любые другие реальные материальные объекты, рассматриваются в работе как открытые неравновесные термодинамические системы, непрерывно обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, что и является движущей силой происходящих в таких системах процессов. При восприятии потока внешней энергии эти процессы регламентируются стремлением системы к уменьшению накапливаемой внутренней энергии путем различных механизмов ее диссипации таким образом, чтобы скорость такого уменьшения была максимальной.
С этих позиций деформирование и разрушение бетонов представляют собой процессы последовательного преобразования, трансформации энергии внешнего воздействия (механической нагрузки, нагревания, охлаждения, увлажнения, обезвоживания и т.п.) в работу упругого и пластического деформирования системы структурных связей материала, энергию тепловых флуктуации элементарных частиц (атомов или молекул), поверхностную энергию хрупких трещин. Такой трансформатор обладает определенной энергоемкостью - суммарным потенциалом энергии структурных связей, который формирует теоретическую прочность материала. В реальности затраты энергии на разрушение строительных композитов оказываются значительно ниже величины этой энергоемкости, свидетельством и результатом чего является наблюдаемое несоответствие между значениями теоретической и технической прочности материала [87-89]. Величина этого "разрыва", как раз, и определяется условиями и механизмом трансформации, диссипации энергии внешнего нагружения структурой строительных композитов.
С учетом этого, разрушение бетонов представляет собой кинетический процесс, состоящий из нескольких стадий: диссипации энергии внешнего силового воздействия по структурным связям и формирования неоднородного по параметрам концентрации и локализации поля внутренних деформаций, термофлуктуаци-онного разрыва структурных физико-химических связей в перенапряженных областях, трещинообразования, накопления повреждений и их прорастания в макротрещину и последующий ее рост.
В физике диссипация энергии трактуется как переход части энергии упорядоченных процессов (например, кинетической энергии) в энергию неупорядоченных процессов в системах. Если иметь в виду энергию упорядоченного процесса силового воздействия на строительную конструкцию, образованную композитом с определенной структурой, то такой переход будет определяться рассеянием энергии внешнего воздействия по связям структурных элементов композита [354, 358]. Композит с его структурой будет выполнять роль трансформатора [357], то есть преобразователя упорядоченного потока энергии в рассеянный (фрактальный по типу) поток. И в этом смысле композит можно безусловно квалифицировать как диссипативную систему (рисунок 1.1).
Преобразование потока в структуре композита как дисипативной системе не может считаться неупорядоченным, поскольку его рассеяние (фрактализация) будет детерминировано структурой с соответствующими ее силовыми связями, которые будут «усваивать» диссипативную энергию, претерпевая нарастание напряжений или, напротив, ослабление в них напряжений и соответствующее деформирование до предельных или не достигающих предела состояний.
Локализация и концентрация напряжений как следствие процессов диссипации энергии внешних воздействий в структуре бетона.
Диссипация энергии внешнего силового воздействия в структуре композита является средством адаптации состояния (в данном случае напряженно-деформированного состояния) материала к условиям эксплуатационной среды [354].
Следствием внешнего силового воздействия и соответствующего развития диссипации энергии в структуре композита может стать установление равновесного (точнее квазиравновесного) напряженно-деформированного его состояния с определенными локализацией и концентрации напряжений в структурных связях. Внешним выражением этого на макроуровне окажется формоизменение тела композита; выражением же этого на микроуровне структуры композита будет взаимное смещение элементов структуры, начиная с движения дислокаций в кристаллах, относительного сдвига в контактах дисперсных частиц и кончая образованием (в зависимости от величины внешнего силового воздействия) микро-, мезо- и макротрещин.
При изменении, например, повышении внешнего силового воздействия до нового уровня установившееся до того равновесие напряженно-деформированного состояния уже не будет когерентным, поэтому и конструкция и композит должны будут перейти в другое состояние. Такой переход будет заключаться в новом этапе диссипации энергии, локализации и концентрации напряжений, макро-, мезо- и микродеформирования, соответствующего этому дефектообразования. Внешние и внутренние смещения, деформации, в итоге, оказываются по определению критериальными для оценки потенциала силового сопротивления композита как структурированной диссипативной системы [354].
Взаимосвязь диссипации, локализации и концентрации напряжений в бетоне с параметрами его структуры: общие модели
Увеличение степени дисперсности включений до определенной количественной величины приводит к качественному изменению типа распространения трещин и разрушения. Тип 1 характерен для тяжелых бетонов макрозернистой структуры, когда из-за высокой концентрации напряжений накопление повреждений фиксируется прежде всего в контактной зоне. При этом сеть микротрещин контактной зоны способствует траектории продвижения магистральной трещины по поверхности контакта матрицы и включения. Тип 2 характерен для высокопрочных бетонов мелко- и микрозернистой структуры. Более однородное поле диссипации энергии внешнего воздействия, низкая величина концентрации напряжений способствуют накоплению повреждений как в объеме матричного материала, так и в объеме включений. Такая ситуация приводит к траектории макротрещины не по границе раздела фаз, а по кратчайшему пути, поскольку это является более выгодным с энергетической точки зрения.
Величина удельной поверхностной энергии также во многом определяется степенью дисперсности включений, при этом важным фактором является их субстанция. Удельная поверхностная энергия микронаполнителя, ультра-, и нанодис-персных частиц является ключевой характеристикой в процессах гидролиза и гидратации клинкерных минералов портландцемента, синтеза новообразований цементирующих веществ.
Частицы крупного и мелкого заполнителя, а также в определенной мере микронаполнителя имеют большие габариты, относительно малые удельные площади поверхности и поверхностной энергии, их поведение можно описывать законами механики. Преобладающими силами являются силы трения. Частицы микронаполнителя при определенных условиях могут принимать участие в физико-химических превращениях. Частицы микрокремнезема - химически активные частицы, поэтому их структурная роль определяется главным образом не законами механики, а законами термодинамики, физической и коллоидной химии. Принципиальное отличие наноразмерных частиц от ультрамикроразмерных состоит в возможности участия в физико-химических превращениях по топохимическому механизму. Структуру бетона можно рассматривать как совокупность объемов твердой фазы и порового пространства. Интегральной характеристикой соотношения объемов твердой фазы и порового пространства является величина средней плотности бетона (рб) или средней плотности цементного камня (рцк). Поровое пространство характеризуется объемом пор (Vn) и функцией распределения пор по размерам (F(dn3 І)). Поскольку поры как газофазовые включения различного масштаба являются концентраторами напряжений, для повышения прочности бетона необходимо снижать величину объема пор, при этом добиваясь преобладания микро- и нанопор.
Твердая фаза цементирующих веществ представляется морфологической разностью кристаллической (V4eK) и аморфной (скрытокристаллической) (V4ea) фаз. Кристаллическая фаза рассматривается как совокупность объемов кристаллических сростков пластинчато-призматической (Уцекп) и волокнисто-игольчатой (Уцекв) морфологии. С точки зрения повышенных значений прочности, вообще говоря, преимущество имеет нано- и микрозернистая структура с заметным преобладанием кристаллической фазы. Однако в этом случае более существенным оказывается проявление противоречия, связанного с изменением типа разрушения бетона, выражающегося в том, что достигаемый рост прочности бетона не сопровождается аналогичным ростом предельной его растяжимости и трещиностойкости. Бетоны с преобладанием кристаллической фазы новообразований оказываются относительно более хрупкими и менее трещиностойкими. Повышение трещиностойкости бетона связывается с обеспечением роста в твердеющей системе цементного камня значительного объема волокнисто-игольчатых кристаллических сростков с преобладанием контактов срастания и прорастания кристаллов (по Е.М. Чернышеву [357]). По сути это является самоармированием (по Тимашеву В.В. [336-337]) структуры бетона. В процессе самоармирования твердеющего цемента посредством синтеза нитевидных новообразований формируется микрокомпозиционный материал, армированный весьма совершенными, стойкими в среде цементного камня и высокопрочными длинномерными кристаллами.
Обобщенно потенциал сопротивления цементных бетонов разрушению можно представить в виде функции определяющих структурных факторов. Общая модель раскрывается частными эмпирическими моделями, раскрывающими закономерные связи сопротивления разрушения бетона с его составом, структурой и состоянием. Именно раскрытие указанных взаимосвязей дает основу синтеза и конструирования высокоэффективных структур бетонов. Такой подход может позволить перейти от более общих подходов к конструированию структуры бетонов, представленных в таблице 1.1 (глава 1) к конкретным решениям каждой из рассматриваемых пяти структурных групп. Для такого перехода произведем анализ закономерных связей показателей сопротивления бетонов разрушению и определяющих параметров его структуры (рис. 2.8-2.12).
Рост средней плотности бетона обеспечивает рост его предела прочности при сжатии. Однако наибольшая динамика роста прочности находится в диапазоне плотностей бетона 2300 - 2400 кг/м3. В этом же диапазоне плотностей наблюдается рост вязкости разрушения бетона. С увеличением средней плотности бетона до величин более 2400 кг/м3 и переходом от крупноконгломератной структуры (бетоны I-III структурных групп) к мелко и микроконгломератной (бетоны IV-й структурной группы) темп роста прочности при сжатии замедляется, а для вязкости разрушения может наблюдаться даже некоторое снижение показателя (см. рис. 2.7). В диапазон плотностей 2350 - 2400 кг/м3 отмечается интенсивный рост полной работы разрушения. При плотности бетона более 2400 кг/м3 наблюдается заметный рост предела трещинообразования при практически постоянной величине работы разрушения. Это свидетельствует о том, что перераспределяются энергетические составляющие работы разрушения. Растет доля работы упругого деформирования и снижается доля работы микротрещинообразования. Столь заметные изменения показателей сопротивления разрушению бетонов в диапазоне плотностей 2350 -2400 кг/м3 говорит о смене типа разрушения: переход от разрушения по типу 1 (сеть сформированных микротрещин контактной зоны способствует траектории продвижения магистральной трещины по поверхности контакта матрицы и включения) к разрушению по типу 2 (траектория макротрещины не по границе раздела фаз, а по кратчайшему пути).
Методика экспериментальной оценки параметров структуры бетонов
Полная диаграмма деформирования для бетонов Ш-й группы (рис. 4.17-4.18) на начальной стадии характеризуется ростом жесткости образца (по сравнению с бетоном П-й группы) до 9,5 МН/м: предел пропорциональности Ret возрастает до 490 Н при деформации 48 мкм; угол а составляет 84.
Удельная энергия упругого деформирования повышается почти троекратно (по сравнению с бетоном П-й группы) и достигает значения 44,6 Дж/м2. При этом доля удельной работы упругого деформирования сопоставима с аналогичными показателями для бетонов 1-й и П-й групп.
Стадия макротрещинообразования (нисходящая ветвь диаграммы) характеризуется высоким сопротивлением материала распространению в нем трещин: удельная работа макротрещинообразования, Wpt, является максимальной для всех рассматриваемых групп бетонов и достигает 211 Дж/м2.
Для бетонов Ш-й группы с уровнем прочности при сжатии 80 МПа (таблица 4.4) момент образования первой трещины также приходится на уровень напряжений o/Rравный 0,55...0,65.
Характерные интерферограммы поверхности образца Ш-й группы для различного уровня относительных напряжений (а), б), в). Формирование магистральной трещины происходит в зоне наибольших деформаций, ширина раскрытия начальной трещины не превышает 1 мкм. Зона псев 146 допластических деформаций к моменту разрушения составляет до половины образца по его высоте и порядка 10-15 мм в ширину, что соизмеримо с наибольшей крупностью зерен заполнителя.
Однако для бетонов Ш-й с уровнем прочности порядка 100 МПа процесс дальнейшего разрушения носит более сложный характер. Так, для таких бетонов имеет место возникновение не одной трещины по месту наибольших деформаций, а нескольких трещин вблизи локализованной области предразрушения, которые затем способны закрываться (рис. 4.20 а) и б)).
С ростом прочности крупнозернистого бетона до уровня порядка 100 МПа локализованная область предразрушения заметно увеличивается и может достигать размера 50 мм в ширину в случае испытания на изгиб (рисунок 4.21). Показатели и параметры процесса деформирования и разру шения бетонов Ш-й группы на основе анализа интерферограмм
Поле поверхностных деформаций при этом является более разнородным по масштабу перемещений точек поверхности образца относительно друг друга (рис. 4.20 в)). Наибольшие деформации в этот момент характерны для фронта продвигающейся трещины, которая раскрывается как по типу нормального отрыва, так и по типу относительного сдвига (рис. 4.21).
Высокая прочность цементного камня, минимальная его пористость, совершенство контактной зоны позволяют реализовать тип разрушения, при котором происходит как разрыв матричного материала, так и крупного заполнителя (гранитного щебня), а также мелкого заполнителя (кварцевого песка) на всем пути движения трещины.
Для бетонов Ш-й группы (табл. 4.4) характерно заметное увеличение протяженности зоны псевдопластических деформаций и соответственно рост удельного объема области псевдопластических деформаций, который достигает величины 0,125 м3/м3, то есть в процесс хрупкого разрушения вовлекается восьмая часть объема материала. Искусственно инициированная трещина понижает порог начала процесса трещинообразования с a/RU3i =0,6...0,7 до уровня a/RU3i =0,5...0,6 и приводит к сокращению удельного объема области псевдопластических деформаций -с 0,125 до 0,031 м3/м3. В целом переход от структур бетонов 1-й группы к структурам бетонов П-й и Ш-й группы общую картину, феноменологию диссипации и деформирования принципиально не меняет. Крупноконгломератная структура этих групп бетонов с ростом их прочности при сжатии обеспечивает также и рост их трещиностойкости, что как раз и объясняется заметным увеличением удельного объема зон активной диссипации энергии. Так, переход от 1-й к III -й группе структур бетонов сопровождается увеличением вовлеченных в работу хрупкого разрушения силовых связей материала более чем в 2,5 раза.
Для бетонов 1-й группы (таблица 6.1) момент образования первой трещины приходится на уровень напряжений o/R равный 0,5...0,6. Формирование магистральной трещины происходит в зоне наибольших деформаций, ширина раскрытия начальной трещины не превышает 1 мкм. Зона псевдопластических деформаций к моменту разрушения занимает до половины высоты образца; она имеет ширину примерно 10-15 мм и это соизмеримо с наибольшей крупностью зерен заполнителя.
Для бетонов П-й группы момент образования первой трещины также приходится на уровень напряжений o/R равный 0,5...0,6. Характер разрушения во многом аналогичен таковому для бетонов 1-й группы.
Для бетонов Ш-й группы с уровнем прочности при сжатии 80 МПа момент образования первой трещины также приходится на уровень напряжений o/R равный 0,55...0,65. Однако для бетонов Ш-й с уровнем прочности порядка 100 МПа процесс дальнейшего разрушения носит более сложный характер. Так, для таких бетонов имеет место возникновение не одной трещины по месту наибольших деформаций, а нескольких трещин вблизи локализованной области предразрушения, которые затем способны закрываться. С ростом прочности крупнозернистого бетона до уровня порядка 100 МПа локализованная область предразрушения заметно увеличивается и может достигать размера 50 мм в ширину в случае испытания на изгиб (таблица 6.2).
Поле поверхностных деформаций при этом является более разнородным по масштабу перемещений точек поверхности образца относительно друг друга. Переход к мелко- и микроконгломератной структуре сверхвысокопрочных бетонов IV-й группы предопределяет совершенно иной механизм их разрушения. Так до уровня напряжений o/R, достигающих значений порядка 0,9 (таблицы 6.1 и 6.2) трещин в образце не фиксируется (погрешность метода лазерной голографической интероферометрии на описанном оборудовании не превышает 300 нм, кроме того, для получения более полной картины фиксировались поля перемещений не только фронтальной, но нижней поверхности образца). Разрушение таких бетонов носит ярко выраженный катастрофический характер (таблица 6.3).
Высокотрещиностойкие бетоны V-й группы с многоуровневым дисперсным армированием структуры [183, 191] имеют принципиально отличный механизм разрушения. Наблюдается многократное перераспределение напряжений с матрицы на армирующие волокна посредством контактной зоны как на стадии микротрещиноообразования, так и на стадии макротрещинообразования. Формируется не одна магистральная трещина, а сеть микротрещин, начало ее образования приходится на уровень напряжений o/R = 0,40...0,43. Область предразрушения не ограничивается узкой локализованной зоной в месте наибольших деформаций, а распространяется на весь деформируемый объем материала между опор. Достижение предела прочности не является моментом разрушения материала, совокупность армирующих элементов надежно связывает материал в единое целое. При дальнейшем деформировании происходит расширение уже образовавшихся трещин, на что затрачивается дополнительная работа. Применительно к таким высокотрещиностойким бетонам можно говорить о принципиально ином типе разрушения и о переходе от хрупкого типа разрушения к псевдопластическому (рис. 6.1).
Исследование и характеристика процессов деформирования и разрушения бетонов П-й структурной группы
Многоуровневое армирование по нашему мнению должно исходить из принципов: 1) конгруэнтности (соразмерности) армирующих элементов параметрам «блокируемых» трещин; 2) соответствия объемной доли армирующих элементов «концентрации» дефектов (трещин) определенного уровня структуры - сростка кристаллов, цементирующего вещества (новообразований), цементного микробетона, мелкозернистого бетона; 3) субстанционального соответствия материала армирующих элементов характеристикам матричного материала [180-181, 185-186, 367].
Опираясь на вышеописанные принципы, в бетоне, работающем в конструкции, обоснованно выделяем следующие иерархические уровни трещинообразова-ния и армирования (рисунок 5.2):
1) уровень крупнозернистого бетона, в котором матрицей является мелкозернистый бетон, а в качестве блокирующих макротрещины армирующих элементов используется традиционная рабочая арматура, размещаемая в соответствующих зонах строительной конструкции;
2) уровень мелкозернистого бетона, в котором в качестве матрицы выступает цементный микробетон. Дисперсное армирование материала на этом структурном уровне с учетом присущих ему трещин размером 0,4...0,9 мм обеспечивается введением армирующих элементов длиной 1 ..5 см и диаметром 0,1 ..0,8 мм, для чего могут быть применены стальные, минеральные, углеродные и другие виды волокон соответствующей геометрии [294-300];
3) уровень цементного микробетона. Матрицей в нем является цементирующее вещество из системы частиц новообразований, остаточных зерен цемента, зерен микронаполнителя, пор. Армирование на уровне цементного микробетона с учетом присущих ему микротрещин размером 40...400 мкм возможно осуществлять волокнами длиной 1..5 мм и диаметром 10..50 мкм. В данном случае могут быть пригодны различные виды стекловолокна, асбестовые и другие минеральные волокна [269-272];4) уровень цементирующего вещества, структура которого представлена скрытокристаллической и кристаллической морфологическими разностями ново образований и микропорами. Трещины и поры могут перекрываться наноразмер ными удлиненными по форме кристаллогидратами новообразований с поперечни ком 50...200 нм и длиной до 5-Ю3 нм.
Наиболее эффективными для армирования материала на уровне цементирующего вещества могут являться предварительно выращенные игольчатые кристаллы гипса (CaS04 2H20), эттрингита (ЗСаОАЬОз ЗСаС 4 З2Н2О), гидросиликатов кальция (ксонотлит, фошагит, гидрат трехкальциевого силиката и др.), которые имеют нитевидный габитус, высокие значения прочности на разрыв, а также максимальное сцепление с матрицей и высокую коррозионную стойкость в среде цементного камня.
Однако значительным недостатком армирования путем введения в исходные смеси указанных «длинномерных» кристаллов является относительная сложность их получения, а также возможность механического повреждения армирующего компонента в процессе приготовления формовочной смеси. Поэтому на уровне цементирующего сростка или системы частиц новообразований армирование целесообразно осуществлять игольчато-волокнистыми кристаллами эттрингита, выращиваемыми непосредственно при гидратации цемента, в результате чего реализуется явление самоармирования [335-337]; 5) уровень кристаллических сростков с учетом присущих ему дефектов структуры стоит армировать наноразмерными волокнами углерода, хризотила, имеющими размер в поперечнике 5...20 нм и длину до 500...700 нм.Практическая реализация приема многоуровневого дисперсного армирования связывается с оп тимизацией объемного содержания всех видов микроарматуры по критерию тре щиностойкости, характеризуемой величиной критического коэффициента интен сивности напряжений при нормальном отрыве Kic.
В постановке общей задачи многоуровневого дисперсного армирования особые технологические трудности связаны с армированием структуры бетона на масштабном уровнем цементирующего вещества - наноармирования. Существуют две принципиально возможные схемы реализации наноармиро-вания структуры бетона.
В первом случае специально предварительно выращенные игольчато-волокнистые кристаллы, имеющие кристаллохимическое сродство с новообразованиями цементного камня (кристаллы гипса CaSO rbO, эттрингита ЗСаОАЬОз ЗСаС 4 З2Н2О, ксонотлита, фошагита, гидрата трехкальциевого силиката и др.) могут вводится в бетонную смесь при ее перемешивании; во втором - игольчато-волокнистые наноармирующие элементы образуются непосредственно в ходе физико-химических процессов твердения вяжущего. Это явление названо самоармированием структуры [336-337]. В процессе самоармирования твердеющего цемента посредством синтеза нитевидных новообразований формируется микрокомпозиционный материал, армированный весьма совершенными, стойкими в среде цементного камня и высокопрочными длинномерными кристаллами [336]. Размеры образующихся в цементном камне, кристаллов гидросиликатов, гидроалюминатов, гидро-сульфоалюминатов кальция и др., не превышают нескольких десятков, реже сотен нанометров в поперечнике [212]. Эти кристаллы с полным основанием могут быть отнесены к классу наноструктурых составляющих (рисунок 5.3).
Значительным недостатком первого способа наноармирования является относительная технологическая сложность выращивания игольчато-волокнистых кристаллов, трудность однородного размещения по объему смеси, а также возможность механического повреждения армирующего компонента в процессе приготовления формовочной смеси.
Поэтому армирование на уровне цементирующего сростка или системы частиц новообразований целесообразно осуществлять игольчато-волокнистыми кристаллами, выращиваемыми непосредственно при гидратации цемента, в результате чего реализуется явление самоармирования. Однако в этом случае приходится иметь дело с противоречивой ситуацией, когда кристаллизация длинномерных гидратов сопровождается нарастанием кристаллизационного давления, в результате чего на положительные эффекты наноармирования цементного камня накладываются отрицательные эффекты его возможного саморазрушения от действия такого давления [265]. Поиск компромиссов, определяемых существом такой противоречивой ситуации, и диктует содержание и методику исследований.
