Кинетика пластической прочности

Для исследования процесса структурообразования вяжущих материалов можно использовать любой конусный пластометр, отвечающий следующим требованиям:

1) достаточная точность замеров пластической прочности в интервале от 0, 01 до 1, 0 МПа (погрешность не более 10%);

2) равномерность приложения нагрузки и погружения конуса в исследуемый материал;

3) точная фиксация заданной глубины погружения конуса;

4) оперативность замера единичного показателя (не более 60с).

Для проведения исследовательских работ автором разработано два типа конических пружинных пластометров, принцип работы которых очевиден из их общих видов (рис.2.17). Первый пластометр может быть использован в полевых и построечных условиях; пластометр второго типа эксплуатируется в комплекте с гидравлическим прессом (ПСУ-10), нижняя плита которого служит в качестве подъемного столика [295]. В обоих типах приборов глубина погружения конуса регистрируется электрическими контактами; во втором пластометре предусмотрен блок автоматики (на рис.2.17, 2 слева), отключающий электродвигатель гидравлического насоса пресса при достижении конусом заданной глубины погружения (8…10 мм) и срабатывании контактного реле.

Рис.2.17. Конические пружинные пластометры с ручным (1) и

автоматическим (2) подъемом рабочего столика и формы

с исследуемым материалом

Работы следует проводить на цементном тесте или растворной смеси с нескольким значением В/Ц. Период замеров пластической прочности при обычных температурных условиях твердения – не более 10 мин, при повышенных температурах – 5 мин (при большем интервале замеров теряется смысл испытаний – нивелируются протекающие в вяжущей системе структурные преобразования, получаются, в итоге, «лекальные» пластограммы, не обладающие необходимой информацией). Расстояние между точками погружения конуса должно быть не менее 25…30 мм, тем более, на поздних стадиях испытаний, когда исследуемое цементное тесто или растворная смесь теряют пластические свойства, приобретают хрупкость, что приводит к разрушению перегородок между конусными отпечатками, искажению результатов. Размер формы в плане должен предусматривать снятие всей пластометрической кривой.

Пересчет нагрузки на конус в величину пластической прочности производится по формуле П.А.Ребиндера:

Р_m=К_α ·Р/h², МПа,

где: К_α =1/π ·Cos² α /2·Ctg α /2 – константа пластометра, зависящая от угла (α) конуса при вершине (при α =30° К_α ~1); Р – нагрузка на конус, Н; h – глубина погружения, м.

По полученным данным в координатах «время в мин – прочность в МПа» строится пластограмма и анализируется характер изменения пластической прочности. Общая тенденция прочности к возрастанию и это естественно, поскольку идет последовательное упрочнение структуры материала (рис.2.3). В то же время, очевиден ступенчатый характер этого процесса – кривая имеет характерные переломные участки, вызванные резким упрочнением твердеющего материала. Если сопоставить пластограммы цементного теста и растворных смесей с различным В/Ц, то можно сделать несколько обобщений:

1) в тесте и смесях с повышенным водосодержанием начало замеров отодвигается во времени (пластограмма, как бы, сдвигается в область более поздних сроков);

2) время наступления переломных моментов не зависит от водоцементного фактора и наличия заполнителей;

3) в исследуемом временном интервале переломные моменты наблюдаются через равный интервал времени (циклически);

4) достаточно часто резкому упрочнению цементной системы предшествует снижение, спад пластической прочности.

Относительно представленных обобщений необходимы некоторые пояснения. Смещение пластограмм твердеющих цементных составов с повышенным В/Ц в область более поздних сроков, нередко, трактуется как замедление, так называемых, «сроков схватывания». Данная сторона вопроса более детально будет освещена в третьей главе. Здесь же отметим следующее. Любой прибор, в том числе и пластометр, имеет определенный рабочий диапазон испытаний. При пластической прочности менее 0, 01 МПа определить прочность данным пластометром не представляется возможным, поскольку величина структурных изменений находится вне чувствительности прибора. Однако это вовсе не означает, что в низкоконцентрированной цементной системе в данном временном интервале ничего не происходит. На границе раздела фаз «поверхность цементного зерна – вода» синхронно протекают одни и те же процессы, вне зависимости от количества введенной воды затворения (вида и количества заполнителя). Образно говоря, на поверхности цементной частицы, помещенной в ведро воды, протекают синхронно те же процессы, что и на смоченной частице при попадании капли воды в ведро с цементом.

Определенный скептицизм и недоверие у оппонентов вызывает циклический (стадийный) характер твердения цементных систем. Высказывается мнение, что не всегда это явление обнаруживается. И это, действительно, так. В противном случае, данный аспект был бы давно установленным и неоспоримым фактом. Все дело в том, что определяемая коническим пластометром структурная прочность – усредненный показатель свойств и явлений, имеющих «противоположный вектор действия». С одной стороны, формирование на границе раздела фаз полимолекулярного ДЭС с постоянно увеличивающемся ξ -потенциалом приводит к пластифицирующему эффекту, раздвижке одноименно заряженных клинкерных зерен, снижению пластической прочности системы. Пластификации цементной системы способствует также насыщение поровой жидкости известью, образующейся в результате гашения свободной СаО, а также выделяющейся при гидролизе силикатов кальция. В то же время, последовательная адсорбция активными центрами диполей, способствует развитию вакуума в межзерновых пустотах клинкерных зерен, стягивающего, организующего последние, повышающего структурную прочность материала. И неизвестно, последствия какого из отмеченных явлений преобладают в момент проведения испытания. Однозначный вывод об отмеченной особенности твердения цементных составов может быть сделан лишь на основании многочисленных пластометрических исследований и статистической обработки данных.

Несколько слов о спадах, «сбросах» пластической прочности. Если в процессе испытаний после стабильно возрастающих показателей очередной замер показал предыдущую или даже более низкую величину, то этот аспект не следует игнорировать (даже если при повторении опыта спад прочности будет зафиксирован в иное время или не обнаружен вовсе). Это – существующая объективная реальность. В начальный период твердения спады прочности вызываются выше отмеченным пластифицирующим эффектом поляризующимися поверхностями цементных частиц. На более поздних этапах, когда зерна вяжущего имеют более или менее прочные связи посредством гидросиликатных прослоек, спады прочности вызываются временным нарушением структурных связей вновь образующимся гидратом. В любом случае, «выпадающие» точки должны быть нанесены на кинетическую кривую для объективного описания структурообразующего процесса при конкретных условиях эксперимента.

Пластическая прочность – один из показателей, ярко и непосредственно отражающих начальный процесс твердения цементных систем. Изучая кинетику пластической прочности, фиксируя время характерных переломов полученных кинетических кривых, можно сравнивать между собой различные цементы, оценивать действие тех или иных условий твердения, химических добавок, назначать определенные технологические воздействия и т.п. Данное свойство – неотъемлемый атрибут организации осмысленного (направленного) технологического процесса, в связи с чем в каждой строительной (тем более, исследовательской) лаборатории должен быть подобный прибор для решения конкретных производственных задач.