Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЗВЕШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

Структурные связи, образующиеся в цементном геле, создают дополнительное сопротивление погружению в него твердого тела (зерен заполнителя).

В отличие от нормальных жидкостей, подчиняющих­ся закону Архимеда, взвешивающая или поддерживаю­щая сила (несущая способность) цементного геля — ве­личина переменная, зависящая от степени связности сис­темы и от состояния, в котором она находится: в движе­нии или покое, поэтому следует различать статическую и динамическую взвешивающую способность цементно­го геля.

Статическая взвешивающая способность определяет­ся сопротивлением цементного геля сдвигающим силам, возникающим при медленном погружении тела под дей­ствием собственной массы.

Погружение тела может происходить при условии, если масса тела за вычетом массы вытесненного им объ­
ема цементного геля будет больше предельного напряже­ния сдвига.

Допустим, что при погружении зерна шарообразной формы сопротивление сдвига преодолевается по всей поверхности его соприкосновения с цементным гелем. Пренебрегая силой поверхностного натяжения жидкой фазы как величиной ничтожно малой по сравнению с to, запишем условие погружения шара в цементный гель [86]:

4я4Т0<4/ЗЯ4(7ш-7г),

Откуда

^(7ш-7г)>т„; (2.69)

С1щ, ут—диаметр и объемная масса шара соответственно.

Форма зерна песка, щебня или гравия может значи­тельно отличаться от шарообразной, поэтому погруже­ние их в цементный гель под влиянием собственной мас­сы происходит при больших сопротивлениях, чем шаро­образных зерен. Для приближения к реальным условиям влияние формы может быть учтено соответствующим коэффициентом. Ф. Зерна песка и более крупных фрак­ций имеют обычно форму, близкую к овоиду или эллип­су и реже плоскую, в связи с чем коэффициент Ф изме­няется в пределах от 1,1 до 2.

С некоторыми допущениями коэффициент Ф может быть выражен отношением большего размера зерна в поперечнике — rfmax к меньшему — DmIn, т. е.

Ф = <*пшхЛ*т1п. (2.70)

Обозначив через Dyc— условный диаметр зерна по ситовому анализу и определив Ф, связь между Dvc и эк­вивалентным диаметром шара — Dm можно записать в следующем виде:

DyG = Ф^ш или = . (2.71)

Если подставить вместо Dm его значение в (2.G9), то условие погружения зерен различной крупности с объем­ной массой у3 в цементный гель можно переписать в виде

^Vc > 6Фт0/(гз-Гг). " (2.72)

При прочих равных условиях взвешивающая способность це­ментного геля зависит от адсорб­ционной способности (водопот - ребности) цемента — Кн.г и об­щего водосодержания, которое удобно выражать через XKlhV. Характер зависимости, соответ­ствующей условию (2.72) имеет вид, аналогичный функции т0 от X, что свидетельствует о прева­лирующем влиянии на процесс погружения зерен различной кру­пности структурной прочности цементного геля (рис. 2.23).

Судя по рис. 2.23, погружение зерен различной крупности в це­ментный гель в ряде случаев ли­бо вовсе не происходит или весь­ма затруднено. Для того чтобы Рис. 2.23. Статическая этот процесс стал возможным, Взвешивающая способ- необходимо разрушить структур­Ность цементного геля ные связи соответствующим ме­ханическим воздействием (напри­мер, вибрированием), способным разжижить цементный гель. Если в цементный гель, заключенный в емкость (сосуд), поместить зерно песка или щебня определен­ной массы и затем воздействовать вибрацией, то при разжижении цементного геля создадутся благоприятные условия для погружения в него зерна под влиянием соб­ственной массы и инерционной силы. Погружение зерна начинается не сразу, а после установления вынужден­ных колебаний частиц в цементном геле, при этом зерна песка или щебня в этот процесс не будут вовлекаться из-за несоизмеримости их массы с массой цементных частиц. Зерно с определенной скоростью, зависящей от его массы и вязкости цементного геля, будет погружать­ся до тех пор, пока в нем при отключении источника ко­лебаний (вибрации) не наступит новое состояние структурного равновесия. Опустившееся на некоторую глубину зерно затем остается на этом же уровне и не всплывает, принимая исходное положение, так как этому препятствуют восстановившиеся структурные связи це­ментного геля.

Экспериментальные исследования динамической взве­шивающей способности цементного геля, проведенные при различных режимах вибрирования (табл. 2.3), показы­вают, что скорость погружения зерен одинаковой массы и формы зависит от структурной плотности и полноты разрушения внутренних связей цементного геля. При прочих равных условиях зерно погружается в цементный гель тем быстрее, чем оно тяжелее, а при одинаковых массах и крупности — чем ближе форма зерна к шаро­образной. После кратковременного перевода цементно­го геля в жидкое состояние, увеличение скорости вибри­рования заметно не влияет на скорость погружения зерен различной крупности; другими словами, при то= =0 взвешивающая способность определится подъемной силой Архимеда, возникающей вследствие разности объ­емных масс зерна и жидкой фазы цементного геля. Та­ким образом, если скорость и глубина погружения зерен различной крупности в покоящемся цементном геле обу­словливается преодолением его структурных связей только под влиянием собственной массы зерен, то при вибрационном воздействии масса их играет подчиненную роль, так как сопротивление структурных связей цемент­ного геля либо сильно ослабляется, или вовсе не сказы­вается (при полном их разрушении). Однако здесь сле­дует иметь в виду, что в общем случае масса зерна, дей­ствующая в сторону результирующей ускорения, облегчает работу, затрачиваемую на преодоление сопро­тивления структурных связей цементного геля при вибра­ционном воздействии.

Поскольку опустившееся вниз зерно затем не всплы­вает после прекращения вибрации (это можно наблю­дать при вибрировании бетонной смеси на пористых за­полнителях), то полагаем, что результирующее ускоре­ние, направленное вниз, превышает составляющие ускорения, направленного вверх, и, следовательно, опре­деляющее влияние оказывает в основном величина максимального ускорения в направлении погружения зерна. В связи с этим можно считать, что действие виб­рации, обусловливающей уменьшение взвешивающей способности цементного геля, выражается в некоторой степени в увеличении массы погружающегося в него те­ла за счет силы инерции.

При гармонических колебаниях наибольшее ускоре­ние может быть записано в следующем виде [4]:

Шах р3 = 4я ©з а3. (2.73)

Тогда фиктивная объемная масса зерна, как бы возрос­шая под влиянием ускорения от вибрации, будет равна

Рз + g

= ----- (2.74)

О о

Где (о3 — частота колебаний в 1 с; а3 — амплитуда колебаний, см.

Пренебрегая явлением, вызывающим нарушение сцепления цементного геля с поверхностью зерна при периодическом разрушении структурных связей в про­цессе вибрирования, запишем условие динамической взвешивающей способности цементного геля, подставив в (2.74) вместо у3 его значение с учетом влияния инерци­онного фактора:

DY* > —/ о 26T°-------------- х---- • <2'75)

4лг ©; а{

Тз(------- / Yr

Решив (2.75) относительно частоты ©3, после преобразо­ваний получим

Из условия (2.76) следует, что частота вибрирования, способствующая погружению зерна под действием его собственной массы, зависит от прочности связей и объем­ной массы (плотности) цементного геля, размера, формы и объемной массы зерна, а также от амплитуды его коле­баний.

Подставляя в (2.76) численные данные для то, у3 и Yr, соответствующие определенным значениям Л', по ве­личине амплитуды а3 можно вычислить частоты со3, при которых зерна различной крупности способны преодоле­вать сопротивление структуры цементного геля и погру­жаться в него при вибрационном воздействии. Графиче­ские зависимости, соответствующие амплитуде колеба­ний 0,1 см, показывают (рис. 2.24), что при 0,1 см ветви кривых асимптотически приближаются к оси орди­нат (частот), т. е. для погружения столь мелких зерен необходимы более высокие частоты колебаний, чем это было определено при рассмотрении резонансного меха­низма тиксотропного разжижения цементного геля.

Если в цементный гель помес­тить большое число зерен, напри­мер песка одной крупности, то они не составят сплошной среды, так как между зернами не возникают собственные структурные связи; их образует цементный гель при над­лежащем адгезионном сцеплении с поверхностью зерен. Поскольку даже самые мелкие зерна песка имеют несравненно большую массу, чем цементные частицы (флокулы), то частоты собственных колебаний таких зерен (обусловленные часто­тами возбудителя колебаний) бу­дут на несколько порядков ниже собственных частот колебаний це­ментных частиц, поэтому при уста­новившихся вынужденных колеба­ниях зерен песка разжижение силь­но концентрированного цементного геля (например, при Х^.1) прои­зойти не может. Однако возникаю­щие при этом амплитудные дефор­мации могут создать условия для погружения зерен определенной крупности под действием собствен­ной массы и силы инерции в це­ментный гель. Исключением могут служить ситуации, когда вследст­вие слабых структурных связей, формирующихся в цементном геле при высоких значениях В/Ц, они легко разрушаются под влиянием низкочастотной вибрации. В этом случае совмещаются условия проявления тиксотропии цементного геля и по­гружения (осаждения) в нем зерен той или иной круп­ности.

При исследовании кинетики седиментации высокодис­персных частиц Стоксом установлено, что скорость этого процесса в суспензиях зависит от ряда факторов: круп­ности и концентрации частиц, их коагуляции и др. Как видно из табл. 2.4, одиночные частицы осаждаются в воде очень медленно, и для того, чтобы частица разме-

Ром 1,2 мкм опустилась в воде на 1 см, требуется 2 ч 24 мин. Как известно, формула Стокса (по которой составлена табл. 2.4) выведена из предположения, что объем жидкости неограниченно велик, между частицами и жидкостью отсутствует сцепление. Условие о неогра­ниченном объеме жидкости практически соблюдается при концентрации суспензии, не превышающей 1%.

Концентрация цементного геля значительно выше той, которой соответствует формула Стокса, поскольку даже при Х=1,65 концентрация твердой фазы составля­ет более 0,66%, поэтому надо полагать, что время осаж­дения частиц цемента в такой среде должно быть значи­тельно большим, чем в воде. Между тем эксперименты показывают, что после приготовления цементного геля при X^lfiS процесс осаждения длится не более 1 ч. Это означает, что седиментация частиц цемента происходит в результате их агрегирования в более крупные элементы (флокулы), которые вследствие возросшей массы осаж­даются значительно быстрее, чем отдельные частицы цемента.

Если на систему с разобщенной флокульной структу­рой воздействовать вибрацией, то в жидкой фазе суспен­зии возникнут вихревые токи, которые будут препятст­вовать процессу осаждения твердой фазы. По мере уве­личения концентрации твердой фазы влияние сил притя­жения частиц возрастает и осаждение отдельных фло - кул сильно затрудняется или вовсе становится невоз­можным, когда между всеми частицами и флокулами образуются структурные связи, т. е. при Х<1,65. В этом случае расстояние между отдельными макроструктур - ными Элементами может изменяться только в результате пластической деформации всего объема цементного геля под влиянием собственной массы.

Единственно возможным средством осуществления направленной рекомбинации высокодисперсиых частиц твердой фазы в цементном геле является режим вибри­рования. Под влиянием вибрационных импульсов про­цесс коагуляции временно расстраивается — происхо­дит пептизация флокул и тем интенсивнее, чем ближе частота вынужденных колебаний к частоте их собствен­ных колебаний. В процессе пептизации флокул возраста­ет дисперсность твердой фазы и их способность к взаи­модействию, поэтому после окончания вибрирования сцепляется большое число частиц, и обратимый переход цементного золя в гель сопровождается возникновением нового энергетического состояния равновесия внутренних сил в цементном геле.

Из изложенного видно, что условие (2.76), выведен­ное для сравнительно крупных зерен, не может служить физически обоснованным критерием виброседиментации фракций крупностью ^0,1 см, поскольку они, как и час­тицы цемента, при взаимодействии с водой образуют структурированные системы [5]. Поэтому при рассмот­рении механизма действия вибрации на бетонную смесь необходимо различать два связанных между собой, но физически (качественно), различных явления: псевдо­разжижение цементного геля, определяющееся резонанс­ным совпадением частот собственных колебаний цемент­ных частиц с частотами вынужденных колебаний и по­гружение зерен заполнителя в цементный гель. Следовательно, в общем случае совместить оба критерия (2.54) и (2.76) в один не представляется возможным, так как для плотной упаковки зерен песка и щебня до­статочно лишь энергичного встряхивания при амплитуде, способной вызвать их перемещение, а в целях кратко­временного разжижения цементного геля, достижения равномерного обводнения частиц цемента и как следст­вие этого — более полной активации сил их взаимодей­ствия — необходима соответствующая высокая частота возбудителя вынужденных колебаний.