Олимпиадная работа на тему Исследование влияния капилярных свойств цемента на его морозостойкость

15

Шестнадцатая областная научная конференция молодых исследователей

«Шаг в будущее»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТА НА ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

Российская Федерация, Костромская область, г.Шарья

Автор: Пигарев Виталий Андреевич

ОГБОУ СПО «Шарьинский политехнический техникум

Костромской области», 1 курс, группа 12/13

Научные руководители: Возненко Оксана Викторовна,

преподаватель общественных дисциплин;

Метелкина Елена Сергеевна,

преподаватель специальных дисциплин

ОГБОУ СПО «Шарьинский политехнический техникум

Костромской области»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТА НА ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

Автор: Пигарев Виталий Андреевич

Научные руководители: Возненко Оксана Викторовна,

преподаватель общественных дисциплин;

Метелкина Елена Сергеевна, преподаватель специальных дисциплин

ОГБОУ СПО «Шарьинский политехнический техникум Костромской области»

1 курс, 1 курс

АННОТАЦИЯ

Цель работы: подобрать состав и марку цемента, оптимальную для производства строительных работ в нашем регионе с учетом среднегодового перепада температур и влажности.

В данный момент я обучаюсь на первом Шарьинского политехнического техникума по профессии «Мастер отделочных строительных работ». Результаты данной работы могут быть использованы в учебном процессе и моей дальнейшей профессиональной деятельности.

Данный проект является актуальным в условиях реализации ОБЛАСТНОЙ ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЫ «Стимулирование развития жилищного строительства на территории Костромской области» в 2011-2015 годах, а также в освоении профессиональных общих компетенций по моей будущей профессии (Мастер отделочных строительных работ).

В своей работе я использовал следующие методы и приемы исследования: опрос специалистов различного уровня образования, эксперимент с последующим анализом результатов, анализ и структурирование материалов, полученных из различных источников. В ходе экспериментальной части исследования были выбраны образцы цементного камня, наиболее подходящего для погодных условий нашего региона, проанализированы причины проникновения влаги в строительные конструкции и уменьшение их морозоустойчивости.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТА НА ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

Автор: Пигарев Виталий Андреевич

Научные руководители: Возненко Оксана Викторовна,

преподаватель общественных дисциплин;

Метелкина Елена Сергеевна, преподаватель специальных дисциплин

ОГБОУ СПО «Шарьинский политехнический техникум Костромской области»

1 курс, 1 курс

ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Изучив литературу, выявить влияние изменения условий внешней среды на цементный камень.

2. Получить консультацию специалистов по определению оптимальной марки цемента, его расходов в цементной смеси и добавок, влияющих на его свойства.

3. Провести анализ статических данных среднемесячных перепадов температур и влажности.

4. Провести эксперименты по водопоглощению и замораживанию образцов, изготовленных из цемента различных марок с их последующим анализом.

5. Дать рекомендации по использованию определённых марок цемента дл производства строительных работ в условиях нашего региона.

6. Сделать вывод о практической значимости исследования.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СВОЙСТВ ЦЕМЕНТА НА ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТЬ

Автор: Пигарев Виталий Андреевич

Научные руководители: Возненко Оксана Викторовна,

преподаватель общественных дисциплин;

Метелкина Елена Сергеевна, преподаватель специальных дисциплин

ОГБОУ СПО «Шарьинский политехнический техникум Костромской области»

1 курс, 1 курс

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ

Раздел 1. Капиллярные явления в природе и технике.

Капиллярные явления в природе и тех­нике.

Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра - капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, не смачивающие - опускаются. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей F_н сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: F_т = F_н, где F_т = mg = ρhπr²g, F_н = σ2πr cos θ.

Отсюда следует:

Искривление поверхности жидкости в узких трубках приво­дит к кажущемуся нарушению закона сообщающихся сосудов.

Рис.1(а,б)

Из формулы видно, что высота h тем больше, чем меньше внут­ренний радиус трубки r. Подъем воды имеет значительную величину в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса (или еще меньше); поэтому такие трубки называют капил­лярами (от греческого «капиллярис» - волосной, тонкий). Смачивающая жидкость в капиллярах поднимается вверх (рис.1, а), а несмачивающая - опускается вниз (рис.1, б). Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающих жидкостей из капилляров, называют капиллярными явлениями.

Капиллярные явления играют большую роль в природе и тех­нике. Множество мельчайших капилляров имеется в растениях. В технике капиллярные явления имеют огромное значение, на­пример, в процессах сушки капиллярно-пористых тел и т. п. Боль­шое значение капиллярные явления имеют в строительном деле. Например, чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и стеной делают прокладку из вещества, в котором нет капил­ляров. Учитывают данное явление и при подборе строительных материалов.

Изучив литературу по данной теме, я обнаружил, что вода проникает в строительные конструкции несколькими путями.

1. Основным источником попадания воды в незащищенную конструкцию являются атмосферные осадки. Особый случай - это поверхности, непосредственно контактирующие с водой, например, стенки бассейнов, фундаменты домов и т.п. Эксплуатация гидротехнических сооружений без изоляции вообще невозможна.

2. При недостаточной изоляции между фундаментом и стеной неизбежен капиллярный подъем грунтовых вод. Его интенсивность определяется впитывающей способностью стройматериалов. Для простоты расчета в зависимости от радиуса капилляров можно принять, что капилляры имеют вид стеклянных трубок. Для воды при нормальных атмосферных условиях упрощенная формула выглядит следующим образом:

3. При температуре ниже точки росы в строительной конструкции происходит конденсация атмосферного водяного пара.

4. В очень тонких капиллярах (менее 50 нм) может происходить капиллярная конденсация, т.е. здесь создается повышенное давление водяного пара, и он превращается в жидкую воду, несмотря на то, что в окружающей атмосфере относительная влажность меньше 100 %.

Просачивание воды происходит через поры. Молекулу воды можно рассматривать примерно как шарик диаметром 0,3 нм. Пористость является неотъемлемым свойством любого цементного камня. Так, при ВЦ(содержание компонентов вода-цемент) = 0,50 объем пор размерами от 1 нм до 1 мм составляет 46 % объема цементного камня. Чем выше ВЦ, тем в большем количестве и большего объема образуются поры, различного размера и происхождения (гелевые поры: 1 - 10 нм, капиллярные поры: 10 нм - 100 мкм, воздушные поры: 1 мкм - 1 мм, поры, вызванные недостаточным уплотнением: более 1 мм.

Проводниками воды могут служить трещины в отвердевшем растворе. Их основными причинами служат внутренние напряжения, возникающие из-за усадки портландцемента, из-за неравномерной гидратации цемента по толщине слоя гидроизоляции, а также из-за неправильного подбора наполнителей. Такие внешние факторы, как нестабильность метеорологических условий при твердении цемента, деформация основы тоже повышают риск образования трещин в гидроизоляции.

Разумеется, цементы должны содержать минимум компонентов, которые при гидратации цемента и его твердении превратятся в водорастворимые соединения. Кроме свойств цемента, решающую роль для достижения герметичности играют инертные наполнители. Важен не только минералогический и фракционный состав, но и конфигурация частиц наполнителей, в том числе отсутствие в них капиллярных пор.

Раздел 2. Свойства цементного камня.

Цемент - это собирательное название группы гидравлических вяжущих веществ, главной составной частью которых являются силикаты и алюминаты кальция, образовавшиеся при высокотемпературной обработке сырьевых материалов, доведенных до частичного или полного плавления.

В группу цемента входят все виды портландцемента, пуццоланового портландцемента, шлакопортландцемента, глиноземистый цемент, расширяющиеся цементы, белый цемент и некоторые другие.

Цемент каждого вида может при твердении развивать различную прочность, характеризуемую маркой. Марки цемента регламентированы строительными нормами и правилами (СНиП) и ГОСТом. Выпускают цементы преимущественно марок 200, 300, 400, 500 и 600 (по показателям испытания в пластичных растворах).

Область применения основных марок цемента:

- цемент М 400 Д0 используется в основном для производства бетона и строительных растворов, характеризуется быстрым затвердеванием и морозостойкостью;
- цемент М 400 Д20 применяется для изготовления изделий из железобетона: плит перекрытия, балок, фундаментных плит и т.д. Отличается морозостойкостью и хорошей водостойкостью;
- цемент М500 Д0 применяют в промышленном строительстве, где предъявляются повышенные требования к прочности конструкций. Благодаря быстрому затвердеванию на начальном этапе цемент 500, цена которого довольно высока, используется при проведении ремонтно-восстановительных работ;

- цемент М500 Д20 используется при приготовлении растворов в жилищном и промышленном строительстве.

характеристики цемента.

Портландцемент применяется в зависимости от марки в следующих областях строительства.
Цемент марки 400:

а) для железобетонных монолитных конструкций; для изготовления сборного железобетона.
Цемент марки 400 и 500:

а) для изготовления сборных железобетонных конструкций;

б) для гидротехнических сооружений (при службе в пресной воде), для наружных частей монолитного бетона массивных сооружении, для производства длит оболочек, находящихся в зоне переменного уровня воды; г) при производстве бетонных работ с быстрой распалубкой;

д) для производства асбестоцементных изделий;

е) для дорожного строительства.

В настоящее время в строительстве используют множество различных материалов, как созданных новейшими технологиями, так и давно известных. Все они, в том числе и цемент, различны по составу и физико-техническим характеристикам.
В зависимости от стойкости к нагрузкам, добавок различного состава и их доли в единице массы цемента, данный строительный материал может быть промаркирован при помощи нескольких параметров.

Первый параметр обозначают цифрой и стоящими перед ней буквами М либо ПЦ. Цифра здесь обозначает стойкость к нагрузкам. В качестве примера, запись «цемент М400» говорит о том, что нагрузка в 400 кг/см не наносит данному виду цемента повреждений. Таким образом, чем больше число, используемое при маркировке, тем выше прочность цемента. Достаточно популярны маркировки цемент М400, цемент М500.

Вторым параметром являются добавки при маркировке, которые обозначаются буквой Д. Например, 20% добавок будет содержать цемент М500 Д20. В данном случае такая характеристика имеет большое значение при выборе покупателя, так процент добавок оказывает непосредственное влияние на такие характеристики, как прочность и пластичность. Все дополнительные свойства, присущие цементу непременно указываются при помощи специальных обозначений:

• Цемент М 400 Д20 (в данном случае независимо от предшествующих букв М или ПЦ) обладает повышенной стойкостью к понижению температуры и очень хорошей водостойкостью. Такой цемент используют в промышленной, жилищном строительстве, а так же для изготовления стеновых перекрытий, при отливке фундамента и производстве сборного железобетона. Похожие свойства присущи марке цемента 500 Д20, его также применяют, в строительстве, он подходит для ремонтно-строительных работ (штукатурных, кладочных и других), а так же для приготовления строительных растворов.

• Цемент М500 Д0 придает составу бетона, повышенную водо- и морозостойкость, долговечность. Он особенно незаменим при восстановительных и аварийных работах. Работа по производству бетонных конструкций при помощи технологий термовлажностной обработки, по строительству объектов, подверженных постоянным активным воздействием воды (пресной, минерализованной), требует применения цемента марки ПЦ (М) 400 Д0.

Виды пористости цементного камня, их влияние на морозостойкость цементного камня

Пористость - степень заполнения объема материала порами. Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала.

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт)

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала. Строительный материал тем слабее сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные показывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

Величина прочности также зависит от размеров пор. Она возрастает с их уменьшением. Прочность мелкопористых материалов, а также материалов с закрытой пористостью выше, чем прочность крупнопористых и с открытой пористостью.

Капиллярные поры имеют значительный эффективный диаметр и доступны для воды при обычных условиях насыщения. При значительном объеме капиллярных пор, пронизывающих цементный камень, бетон имеет низкую морозостойкость и большую проницаемость, плохо сопротивляется химической коррозии и не защищает надежно стальную арматуру.

Пористость цементного камня П_общ слагается из гелевой, капиллярной и воздушной пористости:

П_общ=П_г+П_кап+П_возд

Прочность цементного камня определяется активностью цемента и пористостью, которая, в свою очередь, зависит от В/Ц (вода-цемент) и степени гидратации цемента. Следовательно, зависимость прочности цементного камня от В/Ц выражает в сущности связь прочности со структурой, характеризуемой пористостью. По экспериментальным данным зависимость пористость - прочность линейная.

Проницаемость цементного камня определяется его пористостью и наличием трещин. Проницаемость зависит от капиллярных пор, пронизывающих цементный камень. Коэффициент проницаемости цементного камня с объемом капиллярных пор не более 15%. Однако усадочные трещины, появляющиеся во время твердения цементного камня, а также при действии нагрузки, атмосферных факторов (замораживание и оттаивание, попеременное увлажнение и высыхание), могут сильно увеличить проницаемость.

Морозостойкость цементного камня определяется капиллярной пористостью. Гиперболическая кривая, изображающая зависимость показателя морозостойкости от капиллярной пористости, характеризует возможность значительного повышения морозостойкости путем уменьшения объема капиллярных пор.

Все бетонные сооружения в атмосферных условиях подвергаются воздействию низких температур, что приводит к возникновению в бетоне деформаций. Многократные теплосмены постепенно разрыхляют структуру цементного камня и бетона, снижают прочность, что может привести к их разрушению. Долговечность бетонов в условиях низких температур, попеременного замораживания и оттаивания определяется таким свойством, как морозостойкость. Во время эксплуатации бетон может подвергаться неоднократному переменному замораживанию и оттаиванию. При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9 %. Сначала при температуре немного ниже 0 ⁰С замерзает вода, находящаяся в пустотах и макропорах цементного камня, так называемая свободная. Потом замерзает вода в капиллярах, в наиболее тонких из них при - 25 ⁰С. Под давлением льда на стенки пор и капилляров цементный камень значительно увеличивается в объеме. Максимальное увеличение объема наблюдается в области температур от -5 до -20 ⁰С и достигает примерно 1-2 мм/м. При оттаивании объем уменьшается, однако не достигает первоначального значения. При попеременном замораживании и оттаивании в цементном камне возникают необратимые линейные деформации. Напряжения, которые создаются в структуре цементного камня в результате давления замерзающей воды на стенки пор и микротрещин, являются главной причиной разрушения бетонных конструкций. При замерзании возникает гидростатическое давление защемленной замерзающей воды, не имеющей контакта с воздухом. Повторяемость циклов замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и его разрушению. Сначала начинают разрушаться выступающие грани, затем поверхностные слои, постепенно разрушение распространяется вглубь цементного камня.

Долговечность цементного камня - способность цементного камня сохранять необходимый уровень строительно-технических свойств при длительной эксплуатации. Исходя из термодинамической устойчивости продуктов твердения цемента, можно было бы сделать предположение о высокой (сотни и тысячи лет) долговечности цементного камня. Однако прямых подтверждений такой стабильности цементного камня нет, поскольку портландцемент был изобретён лишь в 1824 г., а лабораторный прогноз долговечности ненадёжен.

Раздел 3. Результаты консультации специалистов по определению оптимальной марки цемента, его расходов в цементной смеси и добавок, влияющих на его свойства.

Опрос специалистов показал, что для производства строительных работ в нашей местности чаще всего рекомендуются следующие марки цементов: М 400 Д0 и М 500 Д20, М 350, а также специальные добавки для повышения морозоустойчивости Мороз - «Альмира», формиат натрия. Опрашивались специалисты с профильным средним и высшим профессиональным образованием возрастной категории от 25 до 48 лет, занятые в строительном производстве, обучении строительным работам и продавцы-консультанты .

Раздел 4. Результаты анализа статических данных среднемесячных перепадов температур и влажности

В течение декабря 2012года мною были проведены ежедневные замеры температуры окружающего воздуха и влажности. Результаты, полученные в ходе наблюдения, приведены в Приложениях 1,2.

Проанализировав диаграммы и проконсультировавшись со специалистами, я сделал вывод, что среднемесячной температурой декабря в наших климатических условиях можно считать (- 18^o С) - дневная; (- 25^o С) - ночная. Влажность - 82%.

Радел 5. Эксперименты по водопоглощению и замораживанию образцов, изготовленных из цемента различных, анализ полученных данных.

5.1. Изготовление опытных образцов.

В соответствии с технологией были изготовлены шесть стандартных образцов цементного камня с использованием цемента разных марок - М 350, М 400 Д0, М 500 Д20. Образцы были пронумерованы и осмотрены на предмет дефектов.

5.2. Определение водопоглощения и морозостойкости образцов.

Три образца цементного камня были оставлены в качестве контрольных. Три оставшихся образца были насыщены водой путём выдерживания их в течение 48 часов в воде при комнатной температуре при этом образец был окружен со все сторон слоем воды не менее 20 мм, после чего была замерена высота подъёма уровня воды по капиллярам. Далее образцы подвергались серии замораживаний путём помещения их в морозильную камеру при температуре - 18^оС на 6 часов. После выгрузки из морозильной камеры образцы оттаивались в ванной при температуре 15-18 ºС в течение 3 часов. Далее проводился контрольный осмотр образцов и прекращение испытаний для тех из них на которых обнаруживались видимые разрушения (расслоения, сквозные трещины и выкрашивания). Затем образцы подвергали механическому воздействию сдавливания их с помощью струбцины. После чего образцы цементного камня снова осматривались, и выявлялась площадь повреждений. На каждом этапе опыта проводилась оценка потери массы образца путём взвешивания.

Ход эксперимента представлен в виде фотоотчета и расчетной таблицы (Приложение 3-5)

5.3. Анализ полученных результатов.

Данные, полученные в ходе эксперимента, показали, что из предложенных для испытания образцов. Заявленным требованиям наиболее соответствует только один - цемент М 500 Д20, обладающий наименьшим водопоглощением, а, следовательно, наибольшей морозостойкостью. Более того, было замечено, что увеличение водопоглощения ведёт к уменьшению сопротивления материала.

Установленные условия испытания являлись более суровыми, чем реальные условия эксплуатации материала, особенно в части интенсивности замораживания и оттаивания, что в значительной мере связано со сроками проведения этих испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 1. (Приложение 5). Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

- водопоглощение является основным фактором, влияющим на морозостойкость любого вида пористых каменных материалов;

- с увеличением водопоглощения морозостойкость материалов уменьшается;

- мера влияния водопоглощения на морозостойкость зависит от вида материала и особенностей его структуры:

Заключение

В ходе проведенного исследования был подобран состав и марка цемента, оптимальная для производства строительных работ в нашем регионе с учетом среднемесячного перепада температур и влажности. Результаты эксперимента были подтверждены также и данными опроса специалистов.

Работая над темой проекта, я установил взаимосвязь между физикой и спецпредметами - материаловедение, технология строительных работ.

Результаты исследования могут быть использованы при изучении спецдисциплин строительного профиля, на учебной и производственной практике, в быту и строительных работах.

На основании результатов данного исследования практически доказана взаимосвязь водопоглощения и морозостойкости цементного камня, а также дано теоретическое обоснование наблюдаемого явления.

Использование полученных результатов в практической деятельности позволит повысить качество строительных работ, проводимых в условиях нашей местности.

Список литературы

1. Перельман Я.И. Занимательная физика: Книга 1. - М.: Наука, 2010

2. Тарасов Л.В. Физика в природе-М.:Мир

3. ИНТЕРНЕТ ресурсы.

4. Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов "Строительные материалы". Москва, Стройиздат 2006год.

5. К.Н. Попов, М.Б. Каддо "Строительные материалы и изделия". Высшая школа 2009 год.

6. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин "Материаловедение". Учебник для ВУЗов. Издательство МГТУ им. Э.Н. Баумана, 2010.

7. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Основы геологии, минералогии и петрографии. Высшая школа 2005.

8. Волженский А.В. Минеральные вяжущие вещества. Стройиздат. 2008г

Приложение 1

Приложение 2

Среднегодовые климатические данные для города Шарья

Приложение 3

Подготовка образцов

Определение уровня подъема жидкости по капиллярам

Приложение 4

Опыт по замораживанию-размораживанию образцов

Опыт по механическому воздействию на образцы

Приложение 5

Видимые дефекты образцов после испытаний

Таблица 1. Морозостойкость цементного камня в зависимости от водопоглощения

Материал

Водопоглощение, %

Плот­ность,

г/см³

Морозостой-кость, циклы

М 350

50

1,2

8

М 500 Д20

6

2,5

15

М 400 Д0

12

1,8

12