Влияние структуры пор на морозостойкость кирпича

Строительный кирпич, как и подавляющее большинство других строительных материалов, имеет пористое строение количества и характера пор в материале зависят его физико-технические характеристики, в том числе морозостойкость.

Известно, что вода при переходе в лед увеличивается в объеме на 9%. Развивающееся при этом в материале давление, как установлено рядом исследований в зависимости от характера пор достигает 2 800 кг/см2. В системе капилляров, где возникающий лед может вытеснить избыточную влагу в свободные от не поры, такие большие напряжения исключаются. Если же свободных от воды объемов мало, то в капиллярах возможно давление, превышающее предел прочности материала и приводящее к его разрушению при замораживании.

Кирпич или другое подпетое изделие будет устойчивым к действию мороза только в том случае, когда строение его капилляров либо соглем исключает снижение температуры замерзания (объясняют действием твердой поверхности, переводящей свободную воду в связанное состояние. Степень переохлаждения тем больше, чем меньше диаметр капилляра. В исследованиях П. П. Будникова и Г. С. Блоха снижение температуры замерзания воды объясняется возникновением в капиллярах при льдообразовании давления, значительно превышающего атмосферное.

Крупные поры при погружении кирпича в воду быстро и нацело заполняются водой. Однако при извлечении кирпича вода вытекает из наиболее крупных пор вследствие малых капиллярных сил, а в менее крупных удерживается лишь частично. Такие поры, создающие свободный объем, в который может вытесняться вода из пор, где образуется лед, следует рассматривать как резервные. Они оказывают наиболее благоприятное влияние на морозостойкость материала.

Поры меньшего размера, чем резервные, успевают заполниться водой в процессе водонасьпцения и прочно удерживают ее при извлечении образца из воды. Вода в них замерзает при температуре испытания (—15—20°). Эти поры являются для кирпича опасными.

Таким образом, все поры, имеющиеся в кирпиче, по их влиянию на морозостойкость могут быть подразделены на: опасные, которые вода заполняет, удерживается в них и замерзает:

безопасные, которые вода не заполняет, а также те, которые вода заполняет, но не замерзает в них;

резервные, которые вода при насыщении заполняет, но не удерживается в них.

Разумеется, что эрозостойкость материала зависит от того, сколько в нем содержится тех или иных пор, иначе говоря, от соотношения объемов пор различных размеров.

В общем виде требование к структуре морозостойкого кирпича может быть сформулировано так: объем резервных пор должен быть достаточным, чтобы, компенсировать прирост объема замерзающей воды в опасных порах.

Методика определения объемов пор но их размерам, использованная в дайной работе, основана на вдавливании ртути в поры под разным давлением. Схема прибора, предназначенного для определении размеров пор в интервале диаметров 800—15 тк, показана па рис. 1. Основной частью поромера малых давлений является стеклянный дилатометр, состоящий из горизонтального капилляра 1 и головки 2.

Порядок проведения опыта следующий. Высушенные до постоянного веса образцы 4 закладывают в головку дилатометра и закрывают ее шлиф-пробкой 3. После этого из системы с помощью вакуумнасоса откачивают воздух при открытых кранах 5 н 6. По достижении вакуума, характеризуемого остаточным давлением около 10-2 мм рт. ст. и контролируемого манометром Мак-Леода,

Таким образом, морозостойкость пористых тел зависит от пористо-капилинной структуры, точнее от количественного соотношения пор, свободных от воды а целиком насыщенных водой, в / которых при отрицательных температуры образуется лед. Объем свободных- пир, которые в дальнейшем будем называть резервными, должен быть достаточным. чтобы компенсировать прирост объема замерзающей воды.

Это положение легло в основу проведенных авторами работ по повышению морозостойкости кирпича. В результате этих работ были предложены мероприятия, вполне оправдавшие себя. Вместе с тем некоторые вопросы оставались невыясненными. В частности, не была ясна причина неморозостойкостн кирпича с механической прочностью, что имеет место, и неожиданно хорошие показатели морозостойкости у кирпича. Не было найдено объяснения пониженной устойчивости к действию мороза кирпича полусухого прессования по сравнению с изделиями пластического формования.

Для решения этих вопросов возникла необходимость количественно охарактеризовать структуру пор н выяснить ее влияние на морозостойкость изделий.

В зависимости от размеров пор, возникновение в них льда при замерзании воды происходит при различных температурах. Заполнение мелких пор холодной водой идет медленно. Поэтому при погружении кирпича в воду на 48 час., как это обычно делают при испытаниях на морозостойкость, водопоглощение его редко превышает 90% от водопоглощения в кипящей воде, а чаще всего не достигает этой цифры. Чем меньше коэффициент насыщения (отношение водопоглощения в холодной воде к водопоглощению в кипящей воде), тем больше объем мелких пор, которые не заполнишь водой. Если допустить, что в эти г Дные поры может вытесняться нз- чная вода из смежных пор в них воды, то кирпич с мснь- П1М коэффициентом насыщения всегда может быть более морозостоек. Между К как показали работы ряда, такая зависимость не всегда выполняется. Это явилось причиной исключения из ГОСТа допускавшейся оценки морозостойкости продукции по коэффициенту насыщения (коэффициент морозостойкости).

Изложенное даст основание считать это мелкие поры, незаполняемые при насыщении кирпича водой, нельзя рассматривать как резервные. Вместе с тем, такие поры, поскольку они не содержат воды, можно относить к категории безопасных.

В кирпиче имеются и такие поры, которые хотя и заполняются водой, но также являются безопасными потому, что температура замерзания воды в них лежит значительно ниже нуля. Если ориентироваться на температуры, принятые при стандартных испытаниях кирпича на морозостойкость, то к таким безопасным порам надо отнести те, в которых вода замерзает при температуре ниже —15—20°.


Далее, при работающем вакуумнасосе через кран 5 при закрытом кране припускают воздух и в этой части системы, отключенной от собственно поромера (дилатометра), устанавливается заданное давление, контролируемое чашечным манометром. После этого при открытии крана Б в дилатометр сообщают то же давление.

Ртуть, заполняющая капилляр дилатометра, уходя в поры образца, изменяет свое положение сдвигом столба вправо (в сторону головки). Это фиксируется оптическим прибором. Зная сечение капилляра, определяют объем ушедшей в поры ртути. Благодаря положению капилляра давление ртути во время опыта остается неизменным.

Последовательное увеличение давления в паромере, вплоть до атмосферного, сопровождается соответствующими отсчетами изменения положения ртути. Порядок исследований аналогичен изложенному:

а) постоянства сечения капилляра на всем оно протяжении;

б) постоянства температуры опыта,

в) точности отсчета приложенного давления,

г) точности отсчета изменения положении ртути в капилляре.

Поры размером 0,02—10 мк исследовании на поромере высокого давлении, который используется главным образом в сорбционной технике. Воспроизводимость результатов на нем определено ошибкой опыта в 2%. Количественное соотношение объемов резервные п опасных пор, которое мы называем структурной характеристикой материала. определяется исходя из распределения объемов пор по их размерам опасных и резервных пор устанавливаются по количеству льда, которое образуется в насыщенном водою образце при его замораживании. Количество льда определяем методом температурного скачка.

В основе этого метода лежит зависимость между скоростью изменения при таянии льда и его массой. Определения производят следующим обралом Навеску кирпича насыщают водой при кипячении после чего ее опускают в стеклянный дилатометр, имеющнй форму колбы и заполненный тулуолом лат см дилатометр с тулуолом и образцом помещают в морозильный известных количеств воды (рис. 3), находят массу образовавшегося льда. В данном случае масса льда оказалась равной 5 г.




Объектом изучения в данной работе были обыкновенный глиняный кирпич— массовая продукция заводов, расположенных в разных районах страны. Исследовался также силикатный кирпич некоторых заводов.

Границы резервных и опасных пор были определены путем сопоставления результатов прямых испытаний на морозостойкость со структурными кривыми и величиной льдообразования Установлено, что поры диаметром более 200 мк являются резервными. Поры, менее 200 лис, — опасны. Их нижняя граница несколько изменяется в зависимости от вида кирпича и степени обжига. Так, опасными порами для глиняного кирпича являются поры в интервале от 200 до 1—0,1 лис. При этом для кирпича полусухого прессования нижняя граница в подавляющем большинстве случаев составляет 0,1—0,2 лис, а у кирпичей пластического формования она близка к 1 мк. У силикатного кирпича вследствие особенностей его структуры нижняя граница опасных пор смещается в сторону наиболее мелких и измеряется сотыми долями микрона.

Рассмотрим несколько интегральных кривых На рис 4 показаны кривые для кирпича плоского и пластического формования.

Подвергнутый исследованию кирпич пластического формования — морозостоек, он выдержал 15 циклов попеременного замораживания оттаивания без следов разрушения. Кирпич полусухого формования разрушился при втором цикле. Характер кривых различен. Кирпич пластического формования (морозостойкий) имеет большое количество крупных резервных пор. Границы опасных пор в нем определяются порами диаметром 0,7 мк (вертикальная пунктирная линия на кривой).

Для нахождения границ опасных пор. т. е. пор, в которых замерзает вода, было произведено определение массы льда, образовавшегося в насыщенных водою образцах различных видов кирпича Масса замерзшей воды численно равна объему опасных пор. Зная этот объем, мы откладываем его на интегральней кривой правее 200 мк. При этом на кривой получаем точку, абсцисса которой дает нижнюю границу опасных пор


Найденная величина соотношения у морозостойкого материала согласуется с теоретическими примерами.

При анализе влияния меха прочности на морозостойкость было установлено, что связи между этими нет. Она наблюдается резкого различия:




Кирпич полусухого прессовании имеет значительно меньшее количество крупных пор, а интервал опасных пор простирается у него до 1 мк.

На рис. 5 показаны интегральные структурные кривые кирпича пластического формования различной степени большое количество резервных пор, граница опасных пор лежит в области 0,7 мк. Неморозостойкий недожженный кирпич имеет меньшее количество резервных пор, а интервал опасных пор -ограничивается диаметром 0,2 ж/cJ С помощью интегральных кривых можно оценивать количественное соотношение резервных и опасных пор, которое является структурной характеристикой материала.