Структурообразование матрицы пенобетона с позиции теории фрактальной перколяции на моделях RLA, DLA, DLCA

Введение. Пенобетон представляет собой сложную высокопористую систему, процесс структурообразования которой (переход из золя в гель) определяет его физико-механические и эксплуатационные характеристики. Современным инструментом для описания и моделирования формирования фрактальной поровой структуры и цементной матрицы является теория фрактальной перколяции.
Цель. Анализ фазового перехода матрицы пенобетона из коллоидного раствора в твердое тело с позиций теории фрактальной перколяции на компьютерных моделях агрегации (RLA, DLA, DLCA), а также экспериментальное исследование влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) на сроки схватывания.
Материалы и методы. В экспериментальной части использованы портландцемент ЦЕМ I 42,5Н, техническая вода и синтетический силиконовый пенообразователь «Пента Пав 430А». Приготавливалось цементное тесто (В/Ц=0,24) в контрольном замесе и с добавкой ПАВ. Сроки схватывания определялись по ГОСТ 30744–2001 с помощью прибора Вика. Теоретическая часть базировалась на анализе моделей диффузионно-ограниченной (DLA) и лимитированной реакцией (RLA, DLCA) агрегации.
Результаты. Установлено, что введение синтетического пенообразователя в диапазоне 0,3–3 % увеличивает сроки схватывания цементного теста в среднем на 30 минут. Показано, что перколяционный переход (начало схватывания) наступает при достижении концентрации химически связанных частиц от 22 до 30 %. Присутствие ПАВ смещает точку начала схватывания, однако критическое соотношение свободных и связанных частиц остается практически неизменным.
Выводы. Сделан вывод о том, что для предотвращения седиментации и формирования прочного каркаса необходимо управлять кинетикой схватывания через водотвердое отношение и введение химических добавок.

1. Моргун Л.В. Пенобетон. Монография. Ростов-на-Дону: изд-во РГСУ, 2012. 154 с.

2. Савенков А.И., Шустов П.А., Горбач П.С., Плосконосова А.О. Оценка прочности пенобетона при осевом одноосном сжатии // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 1 (32). С. 100–107. DOI: 10.21285/2227-2917-2020-1-100-107 EDN: KYMNTY

3. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981.

4. Maekawa K., Ishida T., Kishi T. Multi-scale modeling of concrete performance: integrated material and structural mechanics. J. Adv. Concr. Techn., 2003, vol. 1, no. 2, pp. 91–126. DOI: 10.3151/jact.1.91

5. Kondo R., Ueda S. Kinetics and mechanism of the hydration of cements. 5th Intern. Symp. on the Chemistry of Cement, Tokyo, 1968, pp. 230–255.

6. Holmes N., Kelliher D., Tyrer M. Simulating cement hydration using HYDCEM. Constr. Build. Mater., 2020, vol. 239, p. 117811. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117811 EDN: ONHOFP

7. Меньшутина Н.В., Иванов С.И., Лебедев И.В., Тыртышников А.Ю. Сравнение алгоритмов DLA и RLA при моделировании пористых структур // Программные продукты и системы. 2017. № 4(30). C. 758–764. EDN: YMUFON

8. Babu S., Gimel J.C., Nicolai T. Diffusion limited cluster aggregation with irreversible slippery bonds. The European Physical Journal, 2008, E 27, pp. 297–308. DOI: 10.1140/epje/i2008-10381-8 EDN: LTYUER

9. Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB. СПб: Лань, 2011. 736 с.

10. Meakin P. Formation of Fractal Clusters and Networks by Irreversible Diffusion-Limited Aggregation. Phys. Rev. Lett., 1983, vol. 51, p. 1119. DOI: 10.1103/PhysRevLett.51.1119

11. Ли Кай, Чжао Вэнь, Ши Цайцзюнь. Применение компьютерного моделирования для изучения гидратации цемента и эволюции микроструктуры ее продуктов // Цемент и его применение. Информационный портал о цементе. Производство, наука, техника. 2024. Выпуск № 3. РЕЖИМ ДОСТУПА https://jcement.ru/magazine/vypusk-3-24/primenenie-kompyuternogo-modelirovaniya-dlya-izucheniya-gidratatsii-tsementa-i-evolyutsii-mikrostruk/

12. Virchenko Yu.P., Tolmacheva Yu.A. Method of Sequential Approximative Estimates in Discrete Percolation Theory. Studies in Mathematical Physics Research. Ed. Charles V. Benton. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2004, pp. 155–175.

13. Nguen В. Thermodynamic inequalities for percolation. Commun. Math, Phys., 1985, 99, i№ 2, 253–269 (РЖМат, 1985, 12B270)

14. Ebert H.-P. Thermal properties of aerogels. Aerogels HandbookSpringer. 2011, pp. 537–564. DOI: 10.1007/978-1-4419-7589-8_23

15. Błaszczyński T., Ślosarczyk A., Morawski M. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method. Procedia Engineering, 2013, vol. 57, pp. 200–206.

16. Menshutina N.V., Kolnoochenko A.V., Katalevich A.M. Structure analysis and modeling of inorganic aerogels. Theoretical foundations of chemical engineering, 2014, vol. 48, no. 3, pp. 344–348. DOI: 10.1134/S0040579514030117 EDN: UEGZNL

17. Carnpanino M., Russo L. An upper bound on the critical percolation’s probability for the three-dimentional cubic lattice. Ann. Probab., 1985, 13, no. 2, pp. 478–491.

18. Vacher R., Woignier T., Phalippou J., Pelous J., Courtens E. Fractal structure of base catalyzed and densified silica aerogels. Jour. of Non-Crystalline Solids, 1988, vol. 106, no. 1, pp. 161–165. DOI: 10.1016/0022-3093(88)90251-7

19. Wei G., Zhang Y., Xu C., Du X., Yang Y. A thermal conductivity study of double-pore distributed powdered silica aerogels. Int. Jour. of Heat and Mass Transfer, 2017, vol. 108, pp. 1297–1304. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.12.062

20. Allegre С.J., Le Mouel J.L., Provost A. Scaling rules in rock fracture and possible implications for earth quake prediction. Nature, 1982, 297, no. 5861, pp. 47–49. DOI: 10.1038/297047a0

21. Li C., Cheng X., Li Z., Pan Y., Huang Y., Gong L. Mechanical, thermal and flammability properties of glass fiber film/silica aerogel composites. Jour. of Non-Crystalline Solids, 2017, vol. 457, pp. 52–59. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2016.11.017

22. Amaral-Labat G., Szczurek A., Fierro V., Masson E., Pizzi A., Celzard A. Impact of depressurizing rate on the porosity of aerogels. Microporous and Mesoporous Materials, 2012, vol. 152, pp. 240–245. DOI: 10.1016/j.micromeso.2011.11.023 EDN: XZSFCD

23. Antonova E.S., Virchenko Yu.P. Monotonicity of the probability of percolation for Bernoulli random fields on periodic graphs. Journal of Mathematical Sciences, 2011, vol. 175, no. 1, pp. 86–90. DOI: 10.1007/s10958-011-0335-5 EDN: HJDRSA