Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршы - Вестник ЕНУ им.Л.Н. Гумилева, 2010, №6
У. М. Кабылбекова
Структурообразование легкого бетона как система с реакцией и диффузией
(Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г.Астана, Казахстан)
Настоящей работе исследуется диффузионные явления, происходящие в процессе структурообразования бетонных изделий на легких заполнителях. Установлены виды и условия возникновения диффузионных процессов влияющих на ход процесса гидратации. Кроме того, рассмотрены причины возникновения дислокации, и условия затрудняющие перемещения ее, так как наличие, которой составляет основу роста новой фазы.
Известно, что прочность легкого бетона определяется не столько прочностью цементного камня, сколько прочностью заполнителя. Кроме того, в процессе твердения пористые заполнители интенсивно влияют на процесс твердения цементного теста, поглощая и отдавая влагу [1]. Следует заметить что, процесс гидратации при твердении цементного камня сопровождаемый переходом воды из свободного состояния в связанное, характеризуется уменьшением влажности бетонной смеси, с уменьшением которой проводимость бетона имеет комплексный характер: одних случаях она четко выражена во времени, других на него накладывается процесс разрушения. Исследования, проведенные в работе [2] свидетельствует о том, что структурообразование легкого бетона происходит в несколько стадий. Первоначально происходит быстрое соединение с водой гидрофильных минералов цемента, C3A, C 2S, С 4 AF и гипса c образованием совокупностей ячеек со стенками, состоящими из малорастворимых эттрингитов и заполнений, содержащих пересыщенные растворы различных солей [3 ]. На второй стадии происходит частичное разрушение ячеистой структуры: распад метастабильных гидратов и снижение концентрации ионов кальция в растворе. Источником колебаний является свободная энергия экзотермической реакции с аналогичными по динамике и физике протекания процессами, описанными в частности, в книге И.Пригожина [4].
Таким образом, микро и макропористая структура цементного камня и состояния влаги в нем существенно влияет на процесс формирования структуры бетона на легких заполнителях, сцепление вяжущего с пористым заполнителем возрастает вследствие химического взаимодействия контактирующих фаз. О качестве контактной зоны можно судить по ее микротвердости приповерхностной области. Следуя современным теоретическим представлениям решающий роль в формировании свойств приповерхностной области играют уровни, возникающие при адсорбции на поверхности кристалла различных атомов и молекул. Если связь адсорбционного атома с кристаллической решеткой оказывается достаточно сильной, то этот атом ведет себя как примесь, внедренная в решетку.
Глубина залегания образующегося уровня зависит от природы адсорбционного атома, самого кристалла. Поверхностные состояния можно характеризовать временем перехода электронов из энергетических зон объемной части полупроводника на поверхностные уровни и обратно. Если равновесие между переходами достигается за время меньше или порядка с, то эти состояния называются быстрыми. Быстрые состояния возникают, как правило, на чистых поверхностях кристаллов, Если поверхность полупроводника покрыта пленкой окисла, то на внешней границе этой пленкой могут возникнуть локальные энергетические уровни, обусловленные адсорбцией чужеродных молекул и атомов. Электроны с таких уровней способны проникать сквозь пленку в полупроводник, однако, время установления равновесия между потоком этих электронов и электронов, движущихся из полупроводника к поверхности окисла, оказывается существенно большим, (от до нескольких суток) [5]. Соответствующие состояния, получили название медленных; эти состояния играют большую роль в кинетике процессов, протекающих в приповерхностной области реальных полупроводников, практически всегда покрытых слоем окисла. Следует заметить, что, большинство пористых заполнителей (керамзит, аглопорит, шлаки) содержит аморфный SiO2, способный химически реагировать с Ca(OH)2, то на поверхности контакта заполнителя с цементным тестом образуется нерастворимый в воде гидросиликат кальция CaO и соединения состава упрочняющие контактный слой
"пористое зерно цементный камень". Образование при этом водных алюмосиликатов с ярко выраженной слоистой структурой и трубчатых кристаллов гидросиликатов кальция,
204
У.М. Кабылбекова
образуют рыхлые участки оболочки, создавая условия перемещения примесных атомов по междоузлиям решетки кристалла, называемые "примесные атомы внедрения"через которых вода диффундирует интенсивнее. В дальнейшем, по мере уменьшения содержания свободной воды, рыхлые гидраты отдают воду клинкеру с образованием системы, C-S- H. Это приводит к открыванию пор заполнителей, при этом содержание ХСВ (химически связанная вода) из-за распада гидратов алюмината кальция уменьшается, а содержание свободной воды увеличивается за счет ее выхода из пор заполнителей[3]. Освободившаяся вода проникает внутрь непрореагировавших частиц клинкера и вызывает сравнительно медленные химические реакции, которые сопровождаются растрескиванием зерен за счет набухания, отчасти контракции, Эти вторично образующиеся кристаллогидраты на определенной стадии разрушают первичную оболочку (дислокация), представляющий самодиффузию собственных атомов, вытесненных в междоузлие из узлов. Обычно, ввиду более слабой химической связи атомов примеси с решеткой, процесс диффузии примесных атомов протекает быстрее, чем самодиффузия, представляющие медленные химические реакции, что обусловливает начало тканерастворимых микрокристаллов. Соответствующие состояния сопровождаемые самодиффузией получили название медленных; и играют большую роль в кинетике процессов, протекающих в зоне контактов цементной массы с легкими заполнителями практически всегда покрытых слоем окисел [5]. Эти обстоятельства свидетельствует о том, что в процессе твердения бетона на легких заполнителях, следует учитывать также перемещения примесных и собственных атомов по вакансиям: перемещение примесных атомов - это диффузия в твердом растворе замещения сопровождаемая образованием малорастворимых эттрингитов и заполнений, содержащие пресыщенные растворы различных солей а перемещения собственных атомов по вакансиям - это упругое смещение ионов относительно своего первоначального положения, которое происходит в кристаллических диэлектриках, имеющих ионную плотную структуру (водоалюмосиликаты) Таким образом, для кристаллов с плотной упаковкой атомов, как правило, более выражен процесс перемещения атомов ионов по вакансиям, а для кристаллов с рыхлой упаковкой - по междоузлиям.
Известно, что одной из особенностей диффузии эта, зависимость ее от концентрации примеси [5,7]. Увеличение концентрации примеси приводит к увеличению коэффициента диффузии за счет изменения механизма диффузии (например, диффузия по вакансиям заменяется диффузией по междоузлиям). В данном случае, это гелеподобные вещества (водоалюмосиликаты) в перенасыщенном ионном растворе которые чрез некоторое время превращается в кристалл, окаймляя частицы непрогидратированного до конца цемента.
При этом из-за возможного появления взаимодействия между диффундирующими атомами уменьшается энергия активации диффузии [5], сопровождаемые появлением дефектов. C другой стороны наличие дефектов решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации, границы зерен и т.д ) способствует ускорению диффузии, так как вблизи них появляются искажения кристаллической решетки, что уменьшает закрепления в ней атомов. Однако часто внедрение инородных атомов приводит к образованию новой фазы (нового химического соединения) что, наоборот, замедляет процесс диффузии, так как диффундирующие атомы могут объединяться с внедренными атомами и принимать участие в дальнейшем росте новой фазы.
Последовательность подобных событий образует "фазовую последовательность процесс твердения. Каждая фаза характеризуется предшествующим фазовым состоянием возникающее
205
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршы - Вестник ЕНУ им.Л.Н. Гумилева, 2010, №6
из нелинейных динамических свойств отдельных новообразований. Центральное содействие от одной из этих активностей к следующей является свободная энергия экзотермической реакции.
Таким образом, структурообразования твердения можно представить как формообразующей динамической иерархии [ 7 ].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горчаков Т.И. Строительные материалы. / Т.И. Горчаков, Ю.М. Баженов -М.:Наука,1986.- 300с.
2. Белов В.М., Михайлов Н.В., Распределение влаги в бетоне по видам ее связи с твердой фазой. : Физика-химическая механика дисперсных структур, - Москва: Наука,1986.-C.12-87.
3. Кабылбекова У.М. Исследование процесса гидратации бетона на пористых заполнителях.
Сборник КазХТИ. Т.З.-Чимкент:1993,-12с.
4. Скотт Э. Нелинейная наука рождение и развитие когерентных структур-Скотт Э.- Москва:
Физматлит, 2007.-400с.
5. Верещагин И.К. Физика твердого тела. / И.К. Верещагин, С.М. Кокин Учебное пособие для ВТУЗов. - М.:Мир, - 2001.-220с.
6. Пригожин И.Г. , Никелис. Самоорганизация в неравномерных системах. - М.:Мир,1979.- 200с.
7. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. / К.С. Петров - Санкт- Петербург. - 2004.-400с.
Кабылбекова О.
Жеңiл бетонның қатаю құрылымының реакциялық және диффузиялық жүиесi
Бұл мақалада жеңiл бетонның қатаю құрылымындағы болатын диффузиялық құбылыстардың түрлерi және пайда болу себептерi анықталып олардың қатаю процессiне тигiзетiн әсерлерi қарастырылған. Сонымен қатар қатаю кезеңiнде кездесетiн кристалл құрылымының қисаю (дислокация) құбылыстарының пайдасы және оның тарқалу заңдылықтары көрсетiлген.
Kabylbekova U.
The Structurization of the light concrete as system with reaction and diffusion
Persisting work is researched diffusion phenomenas occurring in process of the structurization concrete product on light fills. The Installed types and condition of the origin diffusion processes influencing upon move of the process hydrates. Besides, is considered reasons of the origin dislocation, and condition obstructing displacement her(it), since presence which forms the base of the growing of the new phase.
Поступила в редакцию 09.09.10 Рекомендована к печати 30.10.10
206
