Развитие представлений о реологическом поведении строительных смесей с учетом фрактально-кластерных процессов при их структурообразовании

Аннотация

Развитие теоретических представлений о механизме реологического поведения строительных смесей и экспериментальная оценка реологических свойств является актуальным направлением физико-химических исследований материалов. Для оценки изменений реологических свойств при варьировании состава компонентов строительных смесей важным является применение количественных показателей, характеризующих микроструктуру смесей. Выявление закономерностей формирования гетерогенных микроструктур позволяет оценить их взаимосвязь с реологическими свойствами строительных смесей на макроуровне. Целью работы является обсуждение итогов
реализации методологических подходов, теоретического моделирования и экспериментальной оценки количественных показателей реологических свойств типичных строительных смесей.
Методология экспериментальных исследований основана на оценке реологических свойств гетерогенных дисперсных систем (ГДС) с учетом фрактально-кластерных проявлений в их микрогетерогенной составляющей.
Эксперимент проводили на модельных ГДС, содержащих компоненты строительных смесей. Реологические свойства определяли методом ротационной вискозиметрии при варьировании составов ГДС. Для количественной оценки структурно-реологических свойств и выявления закономерностей их изменения от состава смесей применяли показатель фрактальности D, который определяли методом математического моделирования.
Проанализированы модельные представления о реологическом поведении строительных смесей. Показано, что имеющиеся реологические модели упруго-вязко-пластичной среды не дают полного описания процессов формирования и разрушения микроструктуры концентрированных ГДС – строительных смесей. Проведена экспериментальная оценка влияния свойств частиц твердой фазы на изменение структурно-реологических характеристик ГДС с учетом фрактально-кластерных принципов их структурообразования.
Уточнены представления о механизме реологического поведения строительных смесей, в которых учтены процессы формирования и разрушения фрактально-кластерных образований в микроструктуре ГДС. Показано, что показатель фрактальности D может выступать в качестве одной из количественных характеристик структурно-реологических свойств. Установлена взаимосвязь фрактальности D с другими экспериментальными реологическими характеристиками – предельным напряжением сдвига и эффективной вязкостью. Полученные результаты могут
использоваться для регулирования реологических свойств и оптимизации технологических процессов производства строительных материалов и изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю. М. Технология бетона. М.: АСВ,
2007. 528 с.
2. Касторных Л. И., Рауткин А. В., Раев А. С.
Влияние водоудерживающих добавок на некоторые
свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть 1.
Реологические характеристики цементных компо-
зиций. Строительные материалы. 2017;750(7):
34–38. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-750-7-34-38
3. Касторных Л. И., Деточенко И. А. Аринина Е. С.
Влияние водоудерживающих добавок на некоторые
свойства самоуплотняющихся бетонов. Часть 2.
Реологические характеристики бетонных смесей и
прочность самоуплотняющихся бетонов. Строи-
тельные материалы. 2017;11: 22–27. Режим доступа:
https://www.elibrary.ru/item.asp?id=30744336
4. Калабина Д. А. Яковлев Г. И., Дрохитка Р.,
Грахов В. П., Первушин Г. Н., Баженов К. А., Трош-
кова В. В. Реологическая активация фторангидри-
товых композиций эфирами поликарбоксилата.
Строительные материалы. 2020;778(1–2): 38–47.
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2020-778-1-2-38-47
5. Kabagire K. D., Diederich P., Yahia A., Chekired M.
Experimental assessment of the effect of particle
characteristics on rheological properties of model
mortar. Construction and Building Materials. 2017;151:
615–624. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.122
6. Kim J. S., Kwon S. H., Jang K. P., Choi M. S.
Concrete pumping prediction considering different
measurement of the rheological properties.
Construction and Building Materials. 2018;171: 493–
503. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.03.194
7. Weng Y., Lu B., Li M., Liu Z., Tan M. J., Qian S.
Empirical models to predict rheological properties of
fiber reinforced cementitious composites for 3D
printing. Construction and Building Materials. 2018;189:
676–685. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.09.039
8. Li D., Wang D., Ren C., Rui Y. Investigation of
rheological properties of fresh cement paste containing
ultrafine circulating fluidized bed fly ash. Construction
and Building Materials. 2018;188: 1007–1013. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.186
9. Pan G., Li P., Chen L., Li G. A study of the effect
of rheological properties of fresh concrete on
shotcrete-rebound based on different additive
components. Construction and Building Materials.
2019;224: 1069–1080. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.07.060
10. Zhang S., Qiao W.-G., Chen P.-C., Xi K.
Rheological and mechanical properties of microfinecement-
based grouts mixed with microfine fly ash,
colloidal nanosilica and superplasticizer. Construction
and Building Materials. 2019;212: 10–18. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.314
11. Hedayatinia F., Delnavaz M., Emamzadeh S. S.
Rheological properties, compressive strength and life
cycle assessment of self-compacting concrete
containing natural pumice pozzolan. Construction and
Building Materials. 2019;206: 122–129. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.059
12. Kabagire K. D., Yahia A., Chekired M. Toward the
prediction of rheological properties of self-consolidating
concrete as diphasic material. Construction and
Building Materials. 2019;195: 600–612. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2018.11.053
13. Sonebi M., Abdalqader A., Fayyad T., Perrot A.,
Bai Y. Optimisation of rheological parameters, induced
bleeding, permeability and mechanical properties of
supersulfated cement grouts. Construction and Building
Materials. 2020;262: 120078. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120078
14. Roussel N. Rheological requirements for
printable concretes. Cement and Concrete Research.
2018;112: 76–85. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.04.005
15. Feys D., Asghari A. Influence of maximum
applied shear rate on the measured rheological
properties of flowable cement pastes. Cement and
Concrete Research. 2019;117: 69–81. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.12.003
16. Li Z., Cao G. Rheological behaviors and model
of fresh concrete in vibrated state. Cement and Concrete
Research. 2019;120: 217–226. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.03.020
17. Choi B. I., Kim J. H., Shin, T. Y. Rheological
model selection and a general model for evaluating
the viscosity and microstructure of a highlyconcentrated
cement suspension. Cement and Concrete
Research. 2019;123: 105775. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.05.020
18. Khayat K. H., Meng W., Vallurupalli K., Teng L.
Rheological properties of ultra-high-performance
concrete – An overview. Cement and Concrete Research.
2019;124: 105828. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105828
19. Ley-Hernández A. M., Feys D., Kumar A. How
do different testing procedures affect the rheological
properties of cement paste? Cement and Concrete
Research. 2020;137: 106189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106189
20. Wyss H. M., Tervoort E. V., Gauckler L. J.
Mechanics and microstructures of concentrated
particle gels. Journal of the American Ceramic Society.
2005;88(9): 2337–2348. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00622.x
21. Перцев В. Т., Леденев А. А., Усачев С. М.,
Усачев А. М. Оценка реологических свойств стро-
ительных смесей с получением дополнительных
количественных характеристик. Конденсирован-
ные среды и межфазные границы. 2016;18(3):
394–401. Режим доступа: https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/148
22. Алексеева Е. В., Бобрышев А. Н., Воро-
нов П. В., Головинский П. А., Лахно А. В., Пер-
цев В. Т. Структурно-реологические свойства
дисперсно-зернистых систем: монография. Воро-
неж: ВГАСУ; 2010. 196 с.
23. Малкин А. Я., Исаев А. И. Реология: концеп-
ции, методы, приложения. СПб.: Профессия; 2007.
560 с.
24. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А.
Коллоидная химия. М.: Высшая школа; 2007. 444 с.
25. Бибик Е. Е. Реология дисперсных систем. Л.:
Изд-во Ленингр. ун-та, 1981, 172 с.
26. Перцев В. Т., Леденев А. А. Методологиче-
ские подходы к исследованию реологических
свойств строительных смесей. «Научный вестник
Воронежского ГАСУ». Серия: физико-химические
проблемы и высокие технологии строительного
материаловедения. 2017;1(14): 71–77.
27. Mills P., Snabre P. The fractal concept in the
rheology of concentrated suspensions. Progress and
Trends in Rheology II. 1988: 105–108. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-49337-9_26
28. Леденев А. А., Усачев С. М., Перцев В. Т.
Структурно-реологические свойства строительных
смесей. Строительные материалы. 2009;7: 68–70.
Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12830653
29. Перцев В. Т., Леденев А. А. Разработка эф-
фективных комплексных органоминеральных
добавок для регулирования реологических свойств
бетонных смесей: монография. Воронеж: Воронеж-
ский ГАСУ; 2012. 136 с.
30. Перцев В. Т., Леденев А. А., Рудаков О. Б.
Физико-химические подходы к разработке эффек-
тивных органоминеральных добавок для бетона.
Конденсированные среды и межфазные границы.
2018;20(3): 432–442. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2018.20/580