Книги, научные публикации
УДК 666.973.6 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА В.А. Мартыненко, к.т.н., доц., зав. лаб. ячеистых бетонов Уникальность теплотехнических свойств ячеистых материалов, прежде
всего, связана с их пористостью. Образование макропористой ячеистой структуры характеризуется рядом общих закономерностей вне зависимости от природы матрицы материала: стекла, керамики, силикатных композиций, полимеров или других композитов. Данный тип дисперсии (Г/Т) строительных материалов относится к ярко выраженным дисперсионным системам, в кото рых дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой - твердое вещество. В общем случае, параметры ячеистой структуры определяют свойства газонаполненных систем, кото рые, в первую очередь, зависят от объемного соотношения газовой и твердых фаз, т.е. газо вой пористости материала. Это соотношение определяет основные свойства ячеистого мате риала и взаимосвязано с характеристиками ячеистой структуры:
- формой и диаметром газовых пор;
- размером межпоровых перегородок, соотношением их с диаметром ячеистых пор.
Прочностные свойства ячеистых систем связаны не только с характеристиками межпо рового материала, т.е. прочностью матрицы структуры, но и с геометрическими параметрами межпоровых перегородок, их конфигурацией, толщиной, поверхностью внутренних стенок ячеек и т.п. На свойства ячеистого бетона немаловажное влияние оказывают следующие ха рактеристики газовой макроструктуры:
- общий объем макропористости и равномерность распределения макропор в объеме мат рицы бетона;
- диаметр пор и их распределение по размерам, характер их укладки и дислокация в упа ковке;
- форма ячеистых пор и ее отступление от сферического размера, расстояние между ячеистыми порами.
При этом физико-технические показатели ячеистого бетона связаны с комплексом свойств межпоровых перегородок (мембран):
- вида и прочности матрицы бетона;
- толщины перегородки;
- отклонения толщины перегородки от среднего ее размера;
- наличия дефектов в структуре перегородки (трещин, капилляров, межзерновой порис тости и т.п.).
В литературных источниках отсутствуют сведения о детальном изучении зависимости размеров диаметров пор многомодальных ячеистых структур и их взаимосвязи с физико техническими свойствами ячеистого бетона. Распределение ячеистых пор по размерам опи сывают их количественным соотношением. Только полимерные газонаполненные системы детально изучены и имеются некоторые сведения по этому вопросу. Оценку о распределении пор по размерам в технологии ячеистых бетонов дают по двум параметрам:
- среднему диаметру пор (Dпор);
- среднеквадратическому отклонению от среднего значения диаметра пор ({Dпор}).
Последний показатель характеризует полидисперсность ячеистых по, т.е., количествен ное распределение их по размерам. Анализ этих показателей ячеистых макроструктур бето нов показывает, что чем ниже плотность бетона, тем больше полидисперсное распределение пор в нем по размерам, что и снижает физико-технические свойства ячеистого бетона.
Для изучения газовой пористости бетонов в научно-исследовательских работах лабора тории ячеистых бетонов ПГАСА использовалась специальная методика определения харак теристик порового пространства затвердевшего бетона и цементного камня с помощью оп тической микроскопии и компьютерного анализа изображений. При составлении методики использованы основные подходы к исследованию системы сферических и других видов воз душных пустот в бетоне или в цементном камне, заложенные в международных стандартах ASTM C457-90 и DIN EN 480-11. Эта методика устанавливает приемы и методы определения некоторых параметров бетона пористой структуры и характеристик его компонентов, имею щих линейные размеры более 1 мкм, с помощью компьютерного анализа микроскопических изображений поверхности аншлифа или среза ячеистого бетона. В этой методике использо ваны следующие технические термины и параметры.
Ячеистые поры - приближающиеся по виду к сферической форме, образованные пу зырьками вовлеченного или защемленного воздуха при формовании изделий. Ячеистая по ристость характеризует собой долю воздуха в объеме бетонной матрицы. Ячеистые поры обычно имеют правильную геометрическую форму и характеризуются величиной их диа метра. Большая часть ячеистых и капиллярных пор в межпоровых перегородках не имеющая, выхода на поверхность изделий, характеризует закрытую пористость затвердевшего бетона.
В процессе эксплуатации ячеистобетонных изделий, их напряженного состояния и возмож ного развития трещин происходит увеличение или сокращение открытой пористости бетона за счет структурообразующих процессов твердения вяжущего матрицы бетона.
Принято классифицировать газовые поры в ячеистом бетоне на следующие виды пор по размерам:
- ячеистые, 0,2Е10-4 см;
- капиллярные, 10-4Е10-5 см;
- гелевые, менее 10-6см.
В соответствии с этим газовая пористость ячеистого бетона складывается из суммы объ емов этих пор:
ЯБ П = П + П + П, (1) пор яч кап гел Газовая пористость - это долевая часть объема ячеистого бетона, занимаемая воздуш ными порами различных видов (1) и выражается в долях или в процентах по отношению к общему объему материала, которая характеризует пористость ячеистого бетона.
Содержание матрицы в ячеистой структуре - доля объема бетона, которая представля ет собой плотный бетонный камень. Для расчета его содержания используют данные количе ства вяжущих веществ, кремнеземистых компонентов и др. материалов использованных для приготовления бетона.
Межпоровый параметр - расчетный параметр, показывающий максимальное расстояние между окружностями воздушных пустот в ячеистом бетоне. Расчет междупорового фактора основан на допущении, что все имеющиеся в ячеистом бетоне воздушные пустоты обладают близкими размерами и распределены равномерно по объему. Эта идеализированная модель бетона не существует в реальности, но полученные показатели этого параметра дают верх нюю границу максимального расстояния между воздушными порами в бетоне.
Удельная поверхность воздушных пустот - отношение площади суммарной поверхно сти воздушных пустот к занимаемому ими объему.
Частота воздушных пустот - расчетный параметр, показывающий среднее количество воздушных пор, лежащих на единице длины линии, пересекающей исследуемую поверх ность образца бетона. Частота воздушных пустот не связана с соотношением бетонный ка мень / воздух, поскольку данный параметр относится к количеству воздушных пустот на ли нии, пересекающей всю исследуемую поверхность бетона.
Средняя длина хорды - расчетный параметр, показывающий средний размер круглого се чения ячеистых пор, выходящих на поверхность среза изучаемого образца бетона и выража ется в единицах длины.
Оборудование для исследования пористой структуры бетона. Для изучения пористой структуры ячеистого бетона использовалась специальная установка, позволяющая изучать поверхности срезов и проводить морфологический анализ наблюдаемых структур матрицы бетона (рис. 1). Установка обеспечивает двухкоординатное измеряемое перемещение иссле дуемой поверхности без изменения величины увеличения. В состав установки входят:
Х двухкоординатный подвижный столик для крепления образца;
Х оптическая система;
Х осветительная система;
Х телевизионная камера с монитором для получения визуального изображения структу ры поверхности исследуемого материала;
Х компьютер со специализированным интерфейсом сопряжения с телекамерой;
Х пакет программ для приема, обработки и анализа сигналов изображения шлифа.
Подвижная оптическая система выполняет роль трансфокатора при использовании раз личных объективов и позволяет плавно менять фокусное расстояние объектива в пределах 5Е25%. Система регистрации изучаемого изображения поверхности образца состоит из мо нитора высокого разрешения и компьютера, подключаемого через специализированную кар ту видеоизображения. Достоинством установки является большое фокусное расстояние реги стрирующей системы, возможность плавных регулировок увеличений (до 550 раз), высокая светочувствительность в широком диапазоне длин волн отраженного и проходящего света, а также возбужденной люминесценции.
Рис. 1. Общий вид оптической установки для изучения параметров макро- и микропористости образцов ячеистого бетона Программное обеспечение, поставляемое вместе с картой видеозахвата, позволяет вво дить в компьютер изображение с телевизионной камеры, обеспечивает его сохранение на диске и дальнейшую математическую обработку (например, структура пенобетона и газоси ликата, рис. 2).
а) б) Рис. 2. Изображения, полученные с помощью установки для исследования параметров структуры неавтоклавного теплоизоляционного пенобетона (а) и конструкционно-теплоизоляционного автоклавного газосиликата (б) Программный пакет математической обработки изображений позволяет производить:
а) ввод изображения с фотоприемника или диска в формате PCX или IMG, б) коррекцию изображения: устранение геометрических искажений практически всех ви дов;
в) предварительную обработку, при которой используются все известные в настоящее время методы фильтрации, сглаживания обработка границ, устранение дефектов неоднород ности освещения и решаются многие другие задачи выделения области анализа на фоне слу чайных возмущений;
г) анализ геометрических и морфологических параметров исследуемого образца;
д) двумерное Фурье-преобразование изображения поверхности образца;
г) анализ преимущественных ориентировок выделенных фрагментов с выводом на экран векторной диаграммы ориентировок.
В результате обработки измерений формируется файл отчета, содержащий следующую информацию:
- координаты центров объектов, выделенных как аналитические;
- минимальные, максимальные и средние диаметры пор (рис. 3);
- периметры площади пор (рис. 4);
- максимальные и минимальные протяженности по осям координат;
- главный и центральный моменты инерции;
- угол наклона силуэта в плоскости изображения;
- эквивалентный диаметр поры, равной по площади окружности и др характеристики ячеистой структуры и капиллярной пористости.
120% Nшт 250 100% 200 80% Гистограмма распределения пор 150 60% по размерам Dmax (Pb-1) 100 40% 50 20% 7 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0% Dпор, мм Рис. 3. Гистограмма распределения пор по максимальным размерам диаметров пор исследуемой структуры образца пенобетона (Pb-1) 600 120% ш т 500 100% 400 80% Гис тог рамма распределения пор 300 60% по площ ади ( P b -1 ) 200 40% 100 20% 5 3 3 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0% D, мм пор Рис. 4. Гистограмма распределения пор по диаметрам и суммарной площади этих диаметров исследуемого образца пенобетона (Pb-1), 2,,,,,, 0, 0, 0, 1, 1, 2,,,,,,,, 0, 0, 0, 0, 1, 1, Таким образом, на снятом изображении проводится окончательное выделение требуемых объектов пористой структуры, а именно: ячеистых пор, капиллярных пор, с присвоением значения диаметра пор. Так, первичный анализ полученного изображения производится в используемом программном обеспечении с выдачей следующих параметров структуры шли фа:
Х х - y координат центров ячеистых и капиллярных пор;
Х площади пор;
Х периметр пор;
Х диаметр эквивалентных ячеистых пор;
Х параметры округлости;
Х максимальное и минимальное сечения пор в плоскости изображения;
Х угловое распределение векторов максимальных и минимальных сечений пор.
В особо сложных исследованиях порового пространства ячеистого бетона может быть применен более широкий спектр математических преобразований изображения с целью идентификации различных типов пор, дефектов структуры бетона и морфологии межпоро вых перегородок сложной конфигурации в специальные косвенные параметры. Кроме того, методом математической обработки изображения могут быть ликвидированы дефекты про екционной оптики и значительно уменьшены погрешности оценки линейных размеров.
Данная методика может широко использоваться для исследования структуры ячеистого бетона, обработки и хранения результатов исследований различных ячеистых и других структур.