На протяжении нескольких лет специалисты научно-исследовательской части Брестского государственного технического университета ведут исследования свойств и структуры бетонов на основе расширяющихся цементов.
Причём делают они свои выводы не только при помощи лабораторных исследований образцов, изготовленных из композиционных строительных смесей. В БрГТУ для изучения и прогнозирования свойств цементных систем используют компьютерное моделирование, позволяющее делать первые шаги в освоении нанотехнологий.
О последних достижениях брестских учёных в области бетоноведения рассказала старший научный сотрудник НИЧ БрГТУ, кандидат технических наук Наталья Викторовна Филимонова.
-Наталья Викторовна, что послужило предпосылкой появлению компьютерного метода исследования свойств цемента?
– Всерьёз о молекулярном моделировании в бетоноведении заговорили, когда возникла необходимость в решении ряда проблем, связанных с применением расширяющихся цементов. Их первичное предназначение заключалось в компенсации усадки бетонов при твердении. С развитием новой технологии стало возможным получение цементов, которые увеличивались в объёме настолько, что не только устраняли деформацию усадки, но и создавали напряжение обжатия бетона в армированных конструкциях. А это значит, что за счёт применения напрягающих цементов появилась возможность облегчить сложный процесс создания предварительного напряжения. Однако тут оказалось не всё так просто. И если расширяющиеся добавки, компенсирующие усадку бетона, нашли своё применение, то напрягающие бетоны все еще находятся в стадии изучения.
Виною тому их нестабильность. Она проявляется в непредсказуемой реакции на воздействие внешних факторов – температуры, влажности, количества воды в бетоне. И в зависимости от того, как случайным образом сложатся эти условия на стройплощадке, расширение может произойти, а может – нет. В ряде случаев цемент давал такую деформацию, что начиналось саморазрушение бетона. И вот, чтобы детально изучить структуру и свойства таких расширяющихся композиций, мы прибегли к методу компьютерного моделирования, который, безусловно, неразрывно связан с практической лабораторной проверкой результатов, получаемых на моделях.
Суть большинства применяемых в настоящее время методов исследования бетона состоит, в основном, в анализе результатов, получаемых в испытательных лабораториях. Однако бетон – это сложная, длительно развивающаяся физико-химическая система. И выявить закономерности её работы, изучая реакцию материала на различные воздействия исключительно по внешним признакам, практически невозможно. Не сомневаюсь, что это утверждение особенно горячо поддержат те, кому доводилось иметь дело с расширяющимися и напрягающими цементами.
Стремительное развитие современных компьютерных технологий во всех отраслях науки открыло широкие возможности в рассмотрении, и что особенно важно, – в применении классических принципов и понятий на качественно новом уровне. Во всём мире связующим звеном между теорией и практикой служат компьютерные технологии. Синтез прочности цементного камня, оценка его проницаемости, оптимизация гранулометрического состава цемента и заполнителей, исследование работы бетона под нагрузкой – все эти операции сегодня осуществимы за пределами строительных лабораторий с куда более высокой скоростью, количеством вариаций и точностью прогнозирования. Разумеется, компьютерное моделирование не исключает работу с реальными материалами, но облегчает её в значительной степени.
Компьютерным моделированием структуры расширяющихся цементных систем в Брестском техническом университете занимаются уже около 7 лет. Использовать этот метод в Беларуси предложил проректор университета по научной работе, профессор Виктор Владимирович Тур. В одной из своих монографий, посвящённой напрягающим бетонам, он сформулировал основные подходы к решению задач, связанных с прогнозированием свойств этих материалов, и именно эти подходы стали основой разрабатываемых нами сегодня компьютерных моделей структуры цементного камня и бетона.
Вообще моделирование структуры и свойств бетонов имеет в нашей стране давние традиции. Их основоположником по праву можно считать профессора Иосифа Николаевича Ахвердова – основателя белорусской школы бетона. Ряд своих работ он посвятил одному из разделов моделирования – разработке структурно-механических моделей бетона. Позднее это направление успешно развивалось в известных работах наших соотечественников профессора Николая Павловича Блещика и Николая Александровича Рака.
Что же касается комплексного моделирования, затрагивающего не только вопросы прочности и механических взаимодействий в структуре бетона, но и проблемы, охватывающие спектр явлений, начиная с химических взаимодействий на наноуровне и заканчивая упомянутым структурно-механическим моделированием, этим направлением одним из первых в Беларуси начал заниматься Виктор Владимирович Тур. Собственно, с его лёгкой руки и возникла белорусская школа изучения свойств цементных систем на наноуровне.
Здесь хотелось бы отметить, что в нашем случае под термином «нанотехнологии» следует понимать управление и манипулирование атомами и молекулами не реального материала, как это предполагает классическая формулировка, а виртуальной структуры. Мы работаем над получением возможности целенаправленно вмешиваться в процессы химических взаимодействий, наблюдать за распределением частиц цемента в воде, учимся управлять параметрами поровой структуры цементного камня, не используя при этом дорогостоящее оборудование, необходимое для манипулирования атомами и молекулами реальных веществ.
В нашем распоряжении имеются специально разработанные программы-симуляторы, которые на базе произвольно задаваемых исходных параметров создают виртуальную структуру цементного камня – наглядную и информационно насыщенную. Работы по созданию таких программ, позволяющих, кстати, решать и многие другие прикладные задачи в материаловедении, в нашем университете ведутся под руководством заведующего кафедрой электронно-вычислительных машин и систем Станислава Станиславовича Дереченника.
Получаемые сегодня результаты компьютерного моделирования воодушевляют. С другой стороны, разработанные модели требуют доработки по многим показателям. Перспективы их дальнейшего развития напрямую зависят от возможностей имеющейся у нас компьютерной техники, которые на сегодняшний день, к сожалению, ограничены.
– Какие из фундаментальных наук и почему потребовалось привлечь к созданию компьютерной модели структуры цемента?
– В основу обобщённой модели цементной системы легли знания из области химии, геометрии, механики.
Химия объясняет суть любого вяжущего вещества. По определению к вяжущим относятся материалы, образующие прочный камень в результате химического взаимодействия с водой либо другим веществом. Своим существованием структура цементного камня обязана химическим реакциям, поэтому ни одно из её свойств невозможно адекватно смоделировать, не положив в основу анализ химической стороны процесса структурообразования.
Геометрия позволяет моделировать пространственное строение материала. Дисперсность частиц, параметры пористости оказывают влияние на самые разнообразные по природе стороны процесса твердения: кинетику реакций, величину деформаций усадки и расширения, прочность структуры.
В свою очередь, величина достигаемых деформаций, остаточная прочность и прочие характеристики окончательно сформировавшейся структуры зависят от уровня внутренних напряжений, возникающих при взаимодействии различных кристаллических новообразований в цементном камне. Так что механическая сторона процесса расширения также требует подробного анализа.
Объединив затем химическую, геометрическую и структурно-механическую модели, мы получаем единую систему, способную функционировать аналогично реальной структуре и позволяющую прогнозировать собственные деформации расширяющейся цементной системы. Входными параметрами обобщённой модели служат минералогический состав цемента, тонкость помола, водоцементное отношение и условия твердения. Выходными характеристиками являются деформации расширения и усадки.
-Итак, чтобы построить адекватную модель расширяющейся цементной системы, следует совместно рассмотреть химическую, геометрическую и механическую стороны процесса твердения. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих этапах.
-Моделирование химических реакций позволяет наблюдать за фазовыми переходами в твердеющей цементной системе. Главными задачами химического моделирования являются определение возможности и вероятности реакции, анализ кинетики реакций, расчёт вещественного состава системы до и после реакции.
В основе гидратационного развития структуры лежит определённый набор реакций, схемы которых характерны для основных клинкерных минералов и добавок. Вероятности и скорости реакций рассчитываются по известным методам химической кинетики. Модель позволяет рассчитать продолжительность реакций, скорость которых лимитирована процессами растворения, кристаллизации и диффузии на соответствующих этапах твердения.
При построении геометрической модели цементной системы традиционно принимаются допущения, касающиеся формы, гранулометрии и способа упаковки цементных частиц. Наиболее часто встречаются модели, в которых цемент рассматривается как совокупность моноразмерных частиц сферической формы, расположенных на равном расстоянии друг от друга согласно правилам кубической упаковки. Более совершенным способом построения геометрической модели является создание программных комплексов, позволяющих генерировать случайные упаковки полифракционных смесей сферических частиц с учётом гранулометрического состава цемента. Особая ценность подобных моделей состоит в возможности их дальнейшего имитационного химического развития. Каждая частица может быть наделена свойствами определённого вещества – минерала, способного растворятся или взаимодействовать с продуктами растворения других частиц.
С точки зрения механических взаимодействий структура расширяющейся цементной системы рассматривается нами как двухкомпонентный механизм. Один из компонентов (активный) увеличивается в объёме, другой (пассивный) оказывает сопротивление. В качестве активного компонента рассматриваются кристаллы сульфоалюминатной фазы цемента, пассивный компонент имитирует силикатную фазу. Внутренние напряжения, возникающие при взаимодействии этих фаз, а также деформации цементного камня рассчитываются на основании реологических моделей. Параметры этих моделей определяются по результатам химического моделирования с применением некоторых положений механики композитных материалов. Так, модули упругости сульфоалюминатной и силикатной фаз рассчитываются как усредненные характеристики свойств всех составляющих: частиц клинкера, геля C-S-H, кристаллов эттрингита и пр., с учётом их объёмного содержания в структуре.
– Так какова же главная ценность разработанного вами метода изучения свойств расширяющихся цементов на наноуровне?
– Расширяющиеся цементы с высокой степенью активности весьма привлекательны с точки зрения создания преднапряжения арматуры. Ведь их применение значительно бы облегчило задачу при возведении мостовых конструкций, уникальных монолитных зданий и сооружений. Пока же внедрение расширяющихся цементов в строительство ведётся очень осторожно. Потому что мы пока не научились управлять их свойствами. Сделать это в лабораторных условиях крайне сложно: причину того или иного поведения опытных образцов определить почти невозможно, слишком уж много факторов влияет на развитие структуры напрягающего бетона.
Другое дело – виртуальная компьютерная модель. Она полностью нами контролируема. Мы можем задать любые параметры температуры, влажности, соотношения воды, химического состава смеси и наблюдать за реакцией структуры на молекулярном уровне. Получив определённые результаты с помощью компьютера, мы затем проверяем их в лаборатории практическим путём. А лабораторные наблюдения закладываем в виртуальную модель. Таким образом, мы можем направленно регулировать составы расширяющихся сульфоалюминатных композиций, а также прогнозирования собственных деформаций с учётом внешних и внутренних факторов структурообразования.
