Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ОБЪЕМНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ БЕТОННОЙ СМЕСИ ПРИ ВИБРАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Изменения объема бетонной смеси под действием вибрации зависят от плотности упаковки зерен заполни­теля и частиц цемента. Перегруппировка твердой фазы происходит как в процессе формования изделий под влиянием амплитудных деформаций, т. е. колебательных движений зерен заполнителя, при которых они стремятся занять более устойчивое (компактное) расположение, так и в результате объемных деформаций цементного геля, способствующих сближению частиц цемента и вместе с этим — зерен заполнителя.

В цементном геле энергия колебательных движений поглощается при преодолении сопротивления сдзига то, сил тангенциальной вязкости и установлении нового энергетического состояния в структуре материала. Оп­ределенной плотности структуры цементного геля соот­ветствует свое наиболее выгодное в энергетическом от­ношении взаимное расположение цементных частиц, а

Поэтому изменение его объема должно сопровождаться пере­группировкой частиц и опреде­ляться равновесным распреде­лением энергии между колеба­тельными, вращательными и поступательными движения­ми частиц твердой фазы. Кро­ме этого, деформация, при ко­торой возникает течение мате­риала, связана с непрерывной затратой энергии, превращаю­щейся в тепло. Объемные де­формации нарушают термоди­намическое равновесие как в твердых телах, так и в жидко­стях и вследствие этого всегда сопровождаются процессом восстановления равновесия, Модуль объемной упругости бетонной смеси (цементного геля) должен, в отличие от обычных жидкостей, зависеть от скорости деформации. Мож­
но предположить, что модуль объемной упругости це­ментного геля изменяется от максимального «динамичес­кого» значения, соответствующего очень быстрым дефор­мациям, при которых процесс становления равновесия не успевает следовать за изменением объема, до минималь­ного «статического» значения, которое наблюдается при очень медленных деформациях, когда процесс становле­ния равновесия полностью следует за изменением объ­ема.

Известно, что при гармоническом режиме деформа­ции объемная упругость некоторых жидкостей (это больше относится к структурированным гелям) харак­теризуется двумя величинами: отношением амплитуды давления к амплитуде деформации и углом сдвига фаз 0ф деформации и давления (напряжения). С увеличени­ем частоты колебаний амплитуда деформации монотон­но возрастает, а тангенс угла сдвига фаз tg 0ф при ча­стоте (ов =l/tР (где /р — время релаксации) проходит через максимум (рис. 8.1). При очень малых и больших частотах колебаний tg Эф стремится к нулю, а модуль объемной упругости Ко. у стремится соответственно к своему статическому значению Кос и динамическому К™у. Следовательно, в области низких частот до озв =1/£р происходят обратимые деформации (нет потерь тепла) и течение отсутствует, т. е. цементный гель будет вести себя подобно упругому телу.

По мере увеличения частоты ((oB>l/fp) приложенно­го напряжения процессы нарушения и восстановления равновесия не будут успевать следовать за изменениями напряжения, и цементный гель начнет течь. Очевидно, что процессы течения в бетонной смеси могут проявлять­ся при определенных режимах вибрирования, завися­щих в каждом конкретном случае от структурной плот­ности цементного геля, т. е. от значений X.

Изменения объема при течении и внутренней пере­группировке частиц связаны с физико-химическими процессами и обусловливаются образованием более плотных коагуляционных структур цементного геля. На этом основании общая потеря энергии при вибрации це­ментного геля может быть выражена суммой

Лэ — Лтеч + Лпер» Где т|теч — поглощение энергии при разрушении структуры цементно­го геля в процессе течения; т|пер — поглощение энергии в процессе перегруппировки частиц.

21* 323

При формовании бетонной смеси т^ер составляет весьма незначительную часть от общей потери энергии и поэтому т]э=г1теч> т. е. энергия расходуется в основном на преодоление структурной связности цементного геля.

При высокочастотном вибрационном воздействии т)пер составляет большую часть общей потери энергии, так как после разжижения цементного геля энергия пол­ностью расходуется на перегруппировку частиц цемента. Потери энергии при разрушении структуры цементного геля и перегруппировке частиц цемента зависят от рас­стояния между ними.

В процессе формования коэффициент затухания в бетонной смеси уменьшается и после определенной про­должительности воздействия он стабилизируется, дости­гая минимального значения. Этот момент соответствует окончанию формования, так как при большей продолжи­тельности вибрирования изменения объема заполнителя не происходит. Изменения амплитуды колебаний в бе­тонной смеси обусловливаются поглощением энергии вибрации. Согласно [56], амплитуда колебаний ах зву­ковой волны в жидкостях на расстоянии /?р от источни­ка возбуждения изменяется по следующеему экспонен­циальному закону:

_ ®в. 0

— R Р------ sin —

А =апе св 2 .

Учитывая, что при малых углах сдвига фаз sin 0ф/2^=; ^ l/2tg 9ф, будем иметь

СОп

2Св ф. (8.1)

Скорость распространения звуковой волны Св в бетон­ной смеси пропорциональна скорости вибрирования, т. е. Св=0,1 а3.кЯвсов, где а3.к^>1, на этом основании мож­но написать:

О 5 Tg 6ф

(8.2)

Аз. к*ф

Коэффициент затухания колебаний р3. к, характеризую­щий диссипативные свойства среды, зависит от ампли­туды колебаний вибратора со и угла сдвига фаз 8ф ме­жду деформацией и напряжением, возникающими в це­
ментном геле в процессе разрушения в нем структурных связей. Чем меньше жидкой фазы в цементном геле, больше величина то, тем больше сдвиг фаз, поэтому с уменьшением пластической подвижности — О. К-б бетон­ной смеси, коэффициент затухания гармонических коле­баний возрастает. Это подтверждается эксперименталь­ными данными, приведенными в работе [96]. Например, при О. К.б=4 см р3.к=0,096 см~1; а при О. К.б=14см р3.к= = 0,0465 см-1; в среднем для О. К.б от 2 до 4 см р3.к= =0,079 см-1. По этим значениям р3. к и ав=0,1 см мож­но вычислить tg 9ф при различной пластической подвиж­ности бетонной смеси. Так, при О. К.б от 2 до 4 см tg 8ф= =0,00158 и О. К. б=14 см tgOt^O,00093, в связи с чем угол сдвига фаз 0ф не превышает 5. При подстановке вычисленных значений р3. к в формулу (8.2) можно убе­диться в том, что с увеличением р3. к амплитуда колеба­ний ах в бетонной смеси на расстоянии /?р от вибратора убывает. С другой стороны, по мере увеличения ампли­туды колебаний вибратора коэффициент затухания уменьшается, т. е. при больших амплитудах колебания затухают медленнее. Такая закономерность установлена экспериментальным путем в работе [56], в которой по­казано, что для определенного состава бетонной смеси при сов =50 Гц, р3.к=0,0655; а)в=70,5 Гц р3.к=0,0557 и (ов=100 Гц р3.к=0,0404, т. е. с увеличением частоты <ов (уменьшением амплитуды ав) колебания среды зату­хают скорее.

Уплотнение коагуляционной структуры цементного геля в бетонной смеси возможно только тогда, когда к нему приложено нормальное давление, способствующее сближению сольватированных частиц цемента и увели­чению интенсивности сил притяжения между ними. Под влиянием этого явления возникает компрессия (контрак­ция) объема цементного геля. Она сопровождается от - жатием из него некоторого количества жидкой фазы и при определенных условиях ее перераспределением, т. е. переходом некоторого количества «свободной» жидко­сти в адсорбционно-связанное состояние. Здесь важно заметить, что нормальное давление, воспринимаемое в бетонной смеси цементным гелем, служит средством для сближения частиц, а уплотнение его структуры является результатом проявления активности внутренних сил при­тяжения между ними.

В поле действия вибрационных (акустических) коле­баний возникает волновое давление, под действием кото­рого в вязкопластических средах (гидрогелях и гидро­золях) частицы более плотные, чем среда, сближаются и коагулируют вследствие активизации сил взаимного при­тяжения. Для оценки величины волновых давлений в бетонной смеси при уплотнении глубинными вибратора­ми можно воспользоваться зависимостью*:

Р, В = *УМ/ (8.3)

Где Рв — волновое давление возле корпуса вибратора на расстоянии Ri от его оси.

Коэффициент усиления волновых давлений Ку, учи­тывающий влияние отраженных волн на величину Рхв, Определяется экспериментальным путем. Нетрудно уста­новить, что выражение (8.3) по своей структуре анало­гично формуле, описывающей характер затухания ам­плитуды колебаний вибратора в бетонной смеси при рас­пространении в ней кольцевых волн [56], а именно:

Е

Это обстоятельство свидетельствует об идентичности закона распределения волновых давлений и амплитуд колебаний в бетонной смеси. В связи с этим представля­ется также возможным выразить изменение величин волновых давлений по аналогии с зависимостью (8.1) так:

Рхв = КуРве2ав (8.4)

Волновые давления зависят от ширины формы, в ко­торой уплотняют бетонную смесь, частоты колебаний (ов и радиуса распространения вибрации. При этом ус­тановлена удовлетворительная сходимость эксперимен­тальных кривых изменения волновых давлений с теоре­тическими, построенными на основании выражения (8.3). Некоторое различие между этими кривыми (рис. 8.2) обусловливается тем, что в (8.3) учитывается отражение волн только от продольных плоскостей бортов формы,

Формула предложена JT. Ф. Калмыковым.

Между тем как интерфе­ренция волн происходит также от торцевых опалу­бочных бортов и поме­щенных в бетонную смесь месдоз. В итоге отражен­ные волны накладыва­ются на падающие, обра­зуя зоны пучности или, наоборот, узлы, в кото­рых волновые давления уменьшаются. Эти явле­ния сопровождается на­ложением отраженных волн на основные и воз­никновением вследствие этого стоячих волн, кото­рые в процессе затухания колебательного процес­са, отражаясь от продоль­ных бортов формы, силь­но искажаются. Описан­ный волновой механизм значительно усложняет общую картину распро­странения волновых дав­лений в бетонной смеси.

Дисперсионный анализ позволил установить, что ко­эффициент усиления волновых давлений зависит от тех же параметров, что и Рх в, однако на него не влияет со­став бетонной смеси. При изменении ширины формы от 500 до 150 мм и (ов=180 Гц Куцоо) возрастает от 1,09 до 1,46; при шв=350 Гц /СУ(5оо) меняется в пределах 1,42— 1,95. Если установлена активная зона распространения вибрационных колебаний в бетонной смеси, тогда в каж­дом конкретном случае можно принимать РхВ за по­стоянную величину, равную минимальному его значе­нию в наиболее удаленной от вибратора зоне. В этом случае волновое давление в бетонной смеси будет опре­деляться одним параметром — частотой колебаний ви­братора, с увеличением которой волновое давление и эффективность его уплотняющего действия значительно возрастают.

Под влиянием волнового давления в разжиженном цементном геле частицы твердой фазы сближаются, а активность сил их притяжения увеличивается. При часто­тах вибратора, не превосходящих 50 Гц, отжатия жид­кой фазы из цементного геля нормальной густоты прак­тически не происходит; в остальных же случаях, когда (В/Д)г>Кн. г, уплотнение цементного геля сопровожда­ется отслоением жидкой фазы, количество которой с увеличением начального значения (В/Ц)т растет. Физи­ческое состояние цементного геля с разрушенными структурными связями характеризуется условием то=0, при котором нарушается равновесие между внутренни­ми и внешними силами, так как система испытывает из­быточное давление Рхв.

Механическая модель объемных деформаций цемент­ного геля при виброуплотнении может быть изображена в виде пружины, имитирующей структурное сопротивле­ние сжатию цементного геля и поршня, оказывающего нормальное давление на жидкую фазу, помещенную в цилиндр с прикрепленной к нему отводящей трубкой. При преодолении сопротивления структуры (разрыве пружины), т. е. разжижении цементного геля, поршень окажет давление на жидкую фазу и она начнет отжи­маться через отводящую трубку. В результате этого объем цементного геля уменьшается, т. е. происходит его уплотнение (рис. 8.3,6).

Чем меньше* первоначальная жесткость пружины, тем при меньших частотах вынужденных колебаний произой­дет резонанс, слабее окажется структурное сопротивле­ние волновому давлению и тем больше жидкой фазы бу­дет вытеснено из цементного геля. При разжижении большая часть адсорбционно-связанной жидкости будет находиться кратковременно в «свободном» состоянии, поэтому при сравнительно небольшом волновом давле­нии может достигаться высокая плотность упаковки ча­стиц цемента. В процессе вибрационного воздействия с частотой порядка 100—200 Гц волновое давление (Рхв~ «0,028 МПа) будет восприниматься «свободной» жид­костью и по мере ее отжатия цементные частицы, как бы взвешенные в ней, сблизятся на расстояние, обуслов­ленное равновесием сил притяжения и отталкивания. В связи с этим произойдет дополнительная контракция объема цементного геля, снизится пористость и увели-

Рис. 8.3. Механи­ческая модель объ­емных деформаций цементного геля

А — до вибрационно­го воздействия; б — в процессе вибро­уплотнения

IriunnrmmnhrbtfrnrRr,

Чится плотность его структуры. При прессовании боль­шая часть энергии от статически приложенного нормаль­ного давления расходуется на преодоление структурного сопротивления цементного геля сжатию, т. е. редеформа - цию структуры ориентированных молекул жидкости во­круг частиц цемента, и меньшая доля энергии расходу­ется на отжатие ее из цементного геля.

В разжиженном цементном геле волновое давление затрачивается только на сближение частиц цемента, взвешенных в жидкой фазе, поскольку редеформация структуры молекул жидкости произошла уже под дейст­вием резонансной частоты вцбрации. Отсюда следует, что при высокочастотном вибрированном воздействии может быть достигнута такая же плотность структуры цементного геля, как и при прессовании под давлением.

Учитывая указанное отличие виброуплотнения от прессования, относительные деформации и значения (В/Ц) ост цементного геля при вибрационном воздейст­вии можно определить по уравнениям (4.30) и (4.31) при то=0 и yFh=PXB-

_ его-С А, 1,216 /п ( п ч / Р0 ума

Их •

1,216 Г / Р0 o. i8

(8.5)

1 его

Р„ .18

"(8.6)

В зависимости (8.5) и (8.6) подставляют: при Рхв < <0,065 МПа и (В/Ц) гнач>Ка.Г, С=егн; при Рх > >0,065 МПа и (В/Ц) £ач Ж*.Г, С=0,245 и при В/Ц^ </Сн. г, С=0,133.

По формулам (7.23) —(7.28) можно вычислить объемные массы виброуплотненного бетона при различ­ных значениях (В/Ц)нлч. В качестве примера возьмем (В/Ц)*п =0,5, примем Dc=0,75 и 73=2,6 т/м3:

1—0,89

При начальном расходе цемента 307 кг/м3, J=l,65 и ри=2,45 т/м3 относительный объем цементного геля Р—0,25. Тогда, согласно зависимости (7.23), получаем Арк = 0,25 (0,231 — 1) =— 0,192.

Относительный объем виброуплотненного цементного ге­ля будет равен

Ру = 0,25 (1 —0,192) = 0,202.

Следовательно, в результате отжатия жидкой фазы объем цементного геля уменьшится на 18%. Для полной реализации эффекта от виброуплотнения бетонной сме­си необходимо соответственное увеличение расхода це­мента до 342 кг/м3. В этом случае объемная масса све - жеотформованного бетона составит:

2 45 П 4- 0 45)

' i + os9 =1,87 Т/М3 И = 0,75-2,6+ 1,87-0,25 = = 2,422 т/м3.

Из приведенных данных видно, что когда уплотнение бетонной смеси сопровождается дополнительной конт­ракцией объема цементного геля вследствие отжатия, перераспределения жидкой фазы или одновременного их протекания, надлежащей плотности бетона можно до­стичь, если межзерновое пространство заполнено уплот­ненным цементным гелем. Это условие диктуется еще и тем, что при данной активности цемента и свойствах за­полнителя прочность бетона предопределяется (В/Ц)0ст Бетонной смеси и объемом цементного геля, соответству­ющим объему пустот смеси заполнителя.

Поскольку при отжатии жидкой фазы под влиянием волнового давления прочность бетона возрастает мень­ше, чем расход цемента, вязкопластические бетонные смеси уплотнять вибрированием нецелесообразно. В ре­зультате отжатия некоторого объема жидкой фазы из цементного геля еще не достигается наиболее выгодное в энергетическом отношении взаимное расположение ча­стиц цемента. С увеличением скорости деформации до величины, обусловливающей дезагрегацию флокул, в цементном геле возникают дополнительные физико - химические процессы, связанные с перегруппировкой ча­стиц и перераспределением жидкой фазы. В связи с этим возрастает дисперсность твердой фазы, перерас­пределяется жидкость в цементном геле, изменяется его объем и увеличивается водоудерживаюшая способность цемента,

Определим изменение объема цементного геля на сле­дующем примере: при Dc=0,75; v3=2,6 т/м3; (В/Ц) нач = = 0,28 (при Кн. г=0,28); ри=2,59 т/м3; ег0=0,514 на­чальный расход цемента составит 430 кг/м3. После ви­брообработки с частотой со =100 Гц вследствие перерас­пределения жидкой фазы ег= 1/1,66-2,59-0,28=0,437:

1— 0,437 Л _

Dr =---------- !---- = 0,65;

Г 1—0,133

Дрк = 0,25 (0,65 — 1) =—0,0876; ру = 0,25 (1 — 0,0876) = 0,228.

В результате перераспределения жидкой фазы объем цементного геля уменьшается на 9%, в связи с чем рас­ход цемента по формуле (1.18) при (5=0,272 составит

0,272-1000 ^ , Q

Ц =------------- !—------------------ = 466 кг/м3.

М 1/2,59 + 0,28 (1 — 0,292)

Примерно аналогичный результат может быть получен по формуле (1.23) при р=0,25:

Jj 0,25-1000 з

Ц =------------------------------------ = 452 кг/м3.

4 1/2,59 + 0,28(1 —0,396)

В соответствии с приведенными расчетами объемная масса бетонной смеси при виброуплотнении с частотами 50 и 100 Гц выразится следующими значениями:

1. При уплотнении с частотой 50 Гц:

2,59(1 +0,28) т/м3; 0,75-2,6 + 0,25-2,18 =

I + и,514

= 2,495 т/м3;

2) При высокочастотном уплотнении, сов=100 Гц и 2,59(1 + 0,28)

Тг = До 437 = 2,3 Т/М'3; 76 = °'75'2'6 + 0,25-2,3 = = 2,53 т/м3.

Такое же значение уб получаем при р = 0,272 и (В/Ц)*ац = =0,28, а именно:

Тб = 0,75-2,6 + 0,272-2,18 = 2,53 т/м3.

При высокочастотном виброуплотнении бетонной смеси объемная масса его возрастает в 1,015 раза, а це­ментного геля увеличивается в 1,055 раза. Как это будет далее показано, вычисленные значения объемных масс полностью совпадают с экспериментальными данными.

Таким образом, подтверждается высказанное поло­жение о том что при перераспределении жидкой фазы в цементном геле с минимальным ее содержанием, т. е. при (ВЩ) достигается более ощутимый эффект

От виброуплотнения, чем при отжатии жидкой фазы. Сравнивая значения 7Г и 75 после высокочастотного виброуплотнения с прессованием под давлением 2 МПа, можно убедиться в том, что в обоих случаях достигает­ся примерно одинаковая по плотности структура цемент­ного геля, несмотря на значительную разницу в вели­чинах нормального давления при прессовании и высо­кочастотном вибрировании. Причина кроется в том, что в разжиженном вибрацией цементном геле создаются благоприятные условия для сближения и взаимодейст­вия частиц, так как на преодоление внутреннего сопро­тивления сжатию (сил отталкивания) цементного геля, связанного с редеформированием адсорбционно-ориен - тированной дипольной структурой молекул жидкой фа­зы (воды), не затрачивается львиная доля энергии от внешней нормальной нагрузки. Кроме того, при разжи­жении цементного геля, полностью нарушается ориен­тация двойного электрического слоя, препятствующего проявлению потенциальных сил притяжения частиц.

Учитывая при всем этом увеличение дисперсности твердой фазы (от дезагрегации цементных флокул), ко­личества адсорбционно связанной жидкости и равно­мерное ее распределение в цементном геле, можно счи­тать вполне обоснованными доводы о формировании равноплотных коагуляционных структур при высоко­частотном вибрировании и прессовании под определен­ным нормальным давлением.

Отсюда напрашивается следующий общий вывод: структура цементного геля после уплотнения его меха­ническим воздействием зависит от сил сцепления между частицами твердой фазы, обусловленных главным обра­зом формой связи и структурой молекул жидкой фазы при равномерном ее распределении между частицами цемента/ Остаточное водоцементное отношение может служить параметром плотности цементного геля при со­ответствующем учете изменения соотношения между «свободной» и адсорбционно-связанной жидкостью по­сле механического воздействия на бетонную смесь.