Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ И ПОВТОРНОЕ ВИБРИРОВАНИЕ

Плотность, прочность и прочие физико-механичес­кие свойства бетона зависят в значительной степени от гомогенности смеси, достигаемой на стадии ее приго­товления. При перемешивании бетонной смеси необхо­димо, чтобы частицы цемента были равномерно распре­делены во всей ее массе, отделены одна от другой пленками жидкой фазы, а пространство между зернами щебня (гравия) и песка заполнено цементным гелем. Рав­номерное распределение вязкопластической составляю­щей в бетонной смеси затруднено процессом коагуляции, способствующим образованию микрокомков, не подда­ющихся дезагрегации в бетоносмесительных установках.

При ограниченном содержании воды перераспреде­ление её в бетонной смеси затруднено в ещё большей степени, и в комках могут находиться не смоченные во­дой частицы цемента. Комки создают местные «дефек­ты», существенно снижающие прочность бетона на ран­ней стадии твердения цементного геля. В более поздние сроки влияние таких дефектов сглаживается вследствие частичной гидратации цемента в комках при перерас­пределении влаги и увеличения прочности бетона с те­чением времени.

Для повышения гомогенности бетонной смеси впер­вые в работе [57] было предложено перемешивать ее в бетономешалке с вибрирующими лопастями. В этом слу­чае значительно увеличивается однородность и на 20— 80% прочность бетона. Более поздними исследованиями показано также, что в результате виброперемешивания объемная масса возрастает на 5%, а прочность бетона на ранней стадии твердения увеличивается до двух раз.

Встряхивание бетонной смеси при циркуляции ее с определенной скоростью в смесителе (перемешивание) уменьшает или вовсе разрушает силы сцепления между частицами и создает более благоприятные условия для перемещения зерен твердой фазы и жидкости. В этих условиях открывается доступ воды к большему количе­ству частиц цемента, предотвращается их комкование и обеспечивается равномерное распределение цементного геля между зернами заполнителя. Очевидно, что вибро­перемешивание следует осуществлять при относительно высокой амплитуде и низкой частоте вынужденных ко­лебаний.

В отличие от виброуплотнения бетонной смеси, при котором в результате кратковременного разжижения це­ментного геля достигается компактная упаковка всей твердой фазы, при виброперемешивании преследуется об­ратная цель — разрыхлить бетонную смесь с тем, чтобы более равномерно оводнить цементные частицы и рас­пределить цементный гель между зернами заполнителя. Если затем такую бетонную смесь уплотнить вибрацией с частотой порядка 50 Гц, то по сравнению с обычным перемешиванием изменится характер роста прочности бетона во времени. Вследствие повышенной гомогенно­сти смеси при виброперемешивании произойдет интен­сивный рост прочности в первые сутки, а в силу отме­ченных причин — в более поздние сроки твердения проч­ности бетона при разных способах перемешивания вьц- равниваются.

Явления иного характера обусловливают рост проч­ности бетона при высокочастотном воздействии на це­ментный гель. Как было показано в главах 4 и 5, наибо­лее активной зоной физико-химических превращений являются адсорбционный и диффузный слои жидкой фазы, окаймляющие частицы цемента. Образование соль­ватных оболочек связано с проявлением электростатиче­ских (кулоновых) сил, возникающих в процессе диссо­циации. Под действием электростатических сил между ионами жидкой фазы (раствора) и противоионами, на­ходящимися на поверхности цементных частиц (ядер), к ним протягиваются ионы из раствора. В результате на поверхности цементных ядер обазуется пересыщенный ионный раствор, из которого затем формируется кристал - логидратная структура, придающая бетону свойства твер­дого тела. Кроме электростатических сил на ионный ра­створ действуют гравитационные силы (силы масс), так­же способствующие сближению ионов и возникновению кристаллогидратных комплексов.

Определив при помощи теоремы Больцмана концент­рацию положительных и отрицательных ионов в каждой точке потенциала, Гуи предложил зависимость, по кото­рой можно рассчитать толщину двойного электрического слоя 6г-:

C.=_J_________ *Ж____ (9 1)

Согласно формуле (9.1), концентрация ионов Сг об­ратно пропорциональна квадрату толщины двойного электрического слоя или диффузного слоя сольватной оболочки. С уменьшением концентрация ионного ра­створа Ci возрастает, в связи с чем раньше должен за­вершиться индукционный период формирования структу­ры цементного геля. Отсюда следует, что при неизмен­ном количестве жидкой фазы, jB=const, перераспределе­ние ее в процессе дезагрегации цементных флокул под
влиянием высокочастотной вибрации должно способст­вовать утоньшению диффузного слоя и увеличению кон­центрации диссоциированных ионов. Если при этом меж­ду частицами цемента и гидратированными ионами дей­ствуют силы притяжения, то произойдет дополнительная контракция объема цементного геля, возрастет объемная масса ук и прочность цементного камня в связи со сни­жением его пористости.

Иллюстрацией изложенного могут служить резуль­таты экспериментов, приведенных в работе [4]. Цемент­ный гель, приготовленный на портландцементе, при Кн. г=0,25 и (В/Ц)г=0,219; 0,25; 0,28; 0,34 и 0,41 поме­щали в сосуд и подвергали виброобработке с частотой 117 Гц в течение 40 мин и через каждые 5 мин отбирали пробы для изготовления образцов ЮХЮХЮ см. Конт­рольными служили образцы из необработанного вибри­рованием цементного геля. Аналогичные опыты проводи­ли с цементным гелем, содержащим 0,15% ПАВ от мас­сы цемента. В этом случае цементный гель нормальной густоты был получен при (В/Ц)т—0,22 вместо 0,25, по­этому в опытах были соответственно снижены остальные значения (В/Ц)г с тем, чтобы исключить влияние перво­начальной плотности структуры цементного геля при сравнении результатов экспериментов. Все образцы при их изготовлении уплотняли на вибростоле с частотой 50 Гц в течение 60 с.

Характер изменения объемной массы ук цементного камня в возрасте 3 сут нормально-влажностного вызре­вания в зависимости от продолжительности вибрирова­ния цементного геля можно проследить по рис. 9.1, а. Наибольший прирост ук соответствует (В/Ц)т= =0?876Кн. г и Кн. г, однако по абсолютной величине ук Больше при (В/Д)г=Кн. г, так как при наличии между сольватированными частицами цемента жидкой фазы достигается полное оводнение негидратированных по­верхностей при дезагрегации цементных флокул. В связи с этим на частицах образуются более развитые диффуз- йые слои, чем при виброобработке цементного геля с (Б/Д)г=0,876 Кн. г, в котором между сольватированны­ми частицами содержится воздух. В обоих случаях отно­сительный прирост ук составляет примерно 1,055, что точно согласуется с вычисленными значениями. С увели­чением (В/Ц)Г относительный прирост ук снижается и при (В/Д)г=1,65Кн. г, т. е. 0,41, он выражается коэф-

22—634

А)

1, 2, 3, 4 и 5 при (В/Ц) =0,219; 0,25; 0,28; 0,34 и 0,41; 1 2', 3' и 4' при (ВЩ)Г=0,2; 0,3; 0,26 и 0,32 (добавка ПАВ — 0,15%). Изменение сроков схва­тывания по Вика и значений КИйГ с продолжительностью вибрирования (б): 1 — изменение Кн>г; 2 и 3 —изменения начала и конца схватывания

Фициентом 1,01 м и определяется в большей мере отжати­ем жидкой фазы.

Обращает на себя внимание, что объемная масса ук Возрастает вместе с увеличением продолжительности вибрационного воздействия. При этом чем меньше (В/Ц)? Тем меньше времени надо вибрировать цементный гель для достижения максимального прироста ук. Такая зако­номерность обусловливается ионнообменным процессом, интенсивность которого при вибрационном воздействии снижается с увеличением толщины диффузного слоя и содержания свободной жидкости в цементном геле. Об этом свидетельствуют данные рис. 9.1,6, из которого следует, что с увеличением продолжительности вибро­обработки Кн. г возрастает примерно в 1,22 раза и изме­няются сроки схватывания цементного геля; несколько увеличивается отрезок времени, характеризующий нача­ло схватывания и ускоряется период времени, соответст­вующий концу схватывания по Вика. При этом значи­тельно сокращается интервал времени между началом и концом схватывания цементного геля. Аналогичным об­
разом изменяются сроки схватывания цементного геля при (В/Д)г>/(н. г. Приведенные экспериментальные данные могут быть интерпретированы следующим обра­зом. Интенсификация ионообмена сопровождается кро­ме всего прочего увеличением концентрации ионов Са++ препятствующих ближней коагуляции, в связи с чем отдаляется начало схватывания цементного геля. Одно­временно происходят вторичные процессы, связанные с образованием Са(ОН)2 и насыщением диффузной во­ды ионами минералов цемента и в первую очередь СзА И C4AF. Эти явления приводят к ускорению пересыще­ния ионного раствора, т. е к окончанию индукционного периода, косвенно определяемого концом схватывания по Вика, который, согласно электрофизическим измерени­ям, наступает несколько раньше.

Поверхностно-активные вещества заметно влияют на формирование коагуляционной структуры цементного ге­ля, обработанного вибрированием. В этом случае окон­чание индукционного периода может несколько уско­риться.

Физико-химические процессы, возбуждаемые высоко­частотной виброобработкой, сказываются в свою очередь на изменении прочности цементного камня (бетона). Большее увеличение прочности по сравнению с контроль­ными образцами достигается при. (В/Ц)г, равных 0,876 Кн. г и Кн. г. Прочность образцов при этих значени­ях (В/Ц)Г во все сроки твердения цементного геля воз­растает в 1,3—1,35 раза; с увеличением водосодержания относительный прирост прочности цементного камня уменьшается (рис. 9.2,а). Аналогичным образом высо­кочастотная виброобработка растворной смеси влияет на прирост прочности и ее изменение с течением време­ни. На рис. 9.2,6 показано, что при (В/Ц)т=0,2—0,32 и соответствующих им значениях (В/Ц)$, равных 0,325— 0,46, сохраняется идентичный характер изменения проч­ности песчаного бетона в течение всего периода твер­дения образцов и при этом достигается одинаковый при­рост прочности. Следовательно, можно заключить, что при активизации формирования коагуляционной струк­туры цементного геля процесс его твердения не наруша­ется и он протекает самобытным образом. Кривые из­менения прочности (Т) имеют такой же вид, как и в обычных случаях, с той лишь разницей, что вследст­вие большей структурной плотности цементного геля,
формирующейся в стадии завершения коагуляционного процесса, возрастает прочность цементного камня и вмес­те с этим прочность бетона. Это иллюстрируется семей­ством кривых, выражающих изменение прочности це­ментного камня за время твердения Т.

О влиянии структурной плотности на прочность це­ментного камня и песчаного бетона свидетельствуют ре­зультаты опытов с разбавлением водой цементного геля после его виброобработки (рис. 9.3,а и б). В этих слу­чаях прочность цементного камня и песчаного бетона значительно снижается и при определенном значении (В/Ц)Г виброэффект почти полностью пропадает. При

Рис. 9.3. Кинетика роста прочности цементного камня А — влияние виброобработки с о>в = 117 и 50 Гц: 2, 3, 4 и 1', 2', 3', 4' — при значениях (В/Д)г=^0,23; 0,26; 0,3; 0,32 соответственно; б — влияние добавки

Воды на прочность песчаного бетона при виброуплотнении с со - =117 Гц:

В

/ — без добавки воды, (В/Ц)*ач = 0,29; 2 и 3 после добавления воды,

(В/Ц)*ач =0,4 и 0,5 соответственно

Доведении (В/Ц)т до 0,5 (это соответствует 2 Кн.'г при Кн. г=0,25), т. е. после разбавления водой виброобрабо - тайного цементного геля, прочность цементного камня приближается к прочности контрольных образцов при (ВД0г=0,41, что соответствует 1,65Кн. г- Следовательно^ если прочность цементного камня определяется актив­ностью цемента и (В/Ц)т, то, очевидно, и прочность це­ментного камня после виброактивации коагуляционного процесса может быть выражена теми же параметрами при определенных в обоих случаях значениях Кн. г.

Аналогичные результаты получают и при испытании образцов бетона, изготовленных на виброобработанном растворе после добавления в смесь воды. Значительное снижение эффекта в указанном случае установлено в ра­боте [90] при исследовании способов активизации процес­са гидратации цементов в цементном геле на бегунах и в гидраторах. В этой связи отмечается, что слабая сто­рона способа активизации процесса коагуляционного структурообразования заключается в том, что она целе­сообразна только для смесей с предельно низким водо - содержанием, поскольку при их использовании для при­готовления бетонной смеси с добавлением воды, весь эф­фект практически утрачивается. Отсюда следует, что независимо от способа активизации вяжущих свойств цемента прочность бетона может увеличиваться в том случае, если сложившаяся при этом коагуляционная структура цементного геля не будет нарушена в процес­се формования изделия или конструкции.

В свете изложенного рассмотрим влияние повторного периодического виброуплотнения цементного геля на физико-механические свойства цементного камня и бетона. Периодическое вибрирование бетонной смеси воз­можно при послойной укладке, т. е. когда свежеуло - женный слой бетона подвергается вибрационному воз­действию при уплотнении последующего слоя, или же в том случае, когда свежезабетонированный элемент под­вергается преднамеренному периодическому вибрацион­ному воздействию.

В первом случае повторное вибрирование следует рассматривать как неизбежное явление при бетонирова­нии, в то время как во втором оно обусловливается соз­нательным вмешательством в процессы, связанные с формированием коагуляционной структуры цементного геля.

При повторном вибрировании бетонной смеси перио­дически разрушается и восстанавливается структурная связность цементного геля, в то время как прц продол­жительном вибрационном воздействии структурные свя­зи восстанавливаются только после окончания этого воз­действия. В этом отношении эти способы несколько от­личаются один от другого, поэтому рассмотрим, что происходит в цементном геле при периодическом вибри­ровании.

Влияние повторного вибрационного воздействия на структурообразование цементного геля изучали, сопо­ставляя кривые Qe=F(T), полученные в опытах без по­вторного вибрирования, и кривые £2б=F{T) и Rcm=F(T), Характерные для повторного вибрирования бетонной смеси [11].

Объемное электрическое сопротивление измеряли на установке, собранной по блок-схеме (см. рис. 4.6). Цементный гель и бетонную смесь помещали в чашу, уплотняли на встряхивающем столике, чтобы обеспечить постоянный контакт между электродами на дне чаши и заполняющим ее объемом. Электроды подключали к прибору таким образом, чтобы каждая их система изме­ряла величину £2б не реже одного раза в 10 мин. По та­кому методу измеряли величины цементного геля и бетонных смесей при одноразовом начальном виброуплот­нении с частотой колебаний 50 Гц. Затем приготавлива­ли цементный гель и бетонную смесь тех же составов, которые перед измерением кинетики электросопротивле­ния подвергали повторному виброуплотнению при соВ) равных 50 и 150 Гц, через каждые 30 мин.

Кинетику электросопротивления цементного геля и бетонной смеси можно проследить по рис. 9.4. Независи­мо от значений X на всех кривых обнаруживаются три характерных спада, совпадающих друг с другом при од­норазовом начальном виброуплотнении смесей. Умень­шение £2б в в начальный момент времени (первый спад) вызывается гидролизом СзА и C4AF, при этом места ионов, отделившихся от частиц цемента, занимают про- тивоионы — диполи воды, которые, адсорбируясь под действием электромолекулярных сил на частицах цемен­та, увеличивают значение Второй спад обусловлива­ется теми же явлениями, но уже при взаимодействии воды с C3S. Электролиз его приводит к уменынениц Йб> несмотря на одновременно протекающую адсорбцию во­
ды минералами C3A и C4AF. Окончание процес­са адсорбции характери­зуется третьим спадом, вызванным контракцией объема микрогелевой структуры при зарожде­нии кристаллогидратных образований и экзотер - мией цемента. Как уже отмечалось, окончание процесса гидрации ионов минерала C3S свидетель­ствует о завершении ста­дии формирования коагу­ляционной структуры це­ментного геля.

В отличие от однора­зового продолжительно­го высокочастотного виб­рирования, явления, обу­словливающие становле­ние коагуляционной струк­туры цементного геля при повторном (периодичес­ком) виброуплотнении, несколько ускоряются, в связи с чем спады на кривой 1 (рис. 9.4) электросопротивления перемещаются влево, так как интенсивнее идет адсорбционное связывание во­ды и раньше наступает состояние насыщения. Эти про­цессы сопровождаются контракцией объема цементного геля (вследствие уплотнения структуры микрогелевых образований), уменьшением капиллярно-порового про­странства и сужением токопроводящих каналов. Одно­временно в упрочняющемся цементном геле возникают внутренние напряжения от усадочных деформаций (конт - ракционной усадки), способствующих зарождению мик­ротрещин (дефектов) в коагуляционной структуре, кото­рые при твердении цементного геля раскрываются (ста­новятся явно выраженными) и снижают прочность бетона.

При разжижении вибрированием цементного геля на завершающей стадии формирования коагуляционной структуры возникшие дефекты устраняются (заплыва-
Jot) И затем в процессе твердения они вновь не образу­ются, так как основная часть энергии активизации уса­дочных деформаций была израсходована в течение ин­дукционного периода, связанного с формированием мик - рогелевой структуры и кристаллогидратных зародышей.

При повторном вибрировании после окончания ин­дукционного периода электрическое сопротивление си­стемы возрастает вследствие необратимых свойств кри­сталлизационных — ионных связей, обусловливающих превращение цементного геля в камневидное тело. В данном случае под влиянием вибрации происходят од­новременно два явления: уплотнение коагуляционной структуры и разрушение формирующихся межкристал - логидратных связей. До тех пор, пока преобладает пер­вый процесс, прочность бетона возрастает, а на стадии возникновения «жестких» связей прирост прочности сни­жается, и при образовании преимущественно кристал­лической структуры вибрационное воздействие вовсе не приводит к увеличению прочности бетона по сравнению с одноразовым уплотнением смеси сразу же после ее приготовления.

Это подтверждается характером изменения прочно­сти бетонных образцов при (В/Ц)г= 1,3 Кн. г после пов-^ торного виброуплотнения с частотой 50 и 150 Гц. В по­следнем случае прирост прочности бетона значительно выше, поскольку увеличение сов способствует более пол­ному тиксотропному разрушению упорядоченной ориен­тации двойного электрического слоя: от хаотически рас­пределенных слабых электростатических связей (по Гуи) к направленным сильным связям (по Гельм- гольцу).

Следует отметить, что оптимальное время повторного виброуплотнения, определенное по кинетике электросо­противления, не совпадает с началом схватывания и на­ходится в промежутке (примерно посередине) между ним и концом схватывания по Вика, практически совпа­дая со вторым пиком на кривых £2б—2, 3 и 4 (см. рис. 9.4).

Для более полного анализа влияния вибрационного воздействия на цементный гель рассмотрим результаты экспериментов по уплотнению образцов цементного геля при частотах колебаний вибратора 46,5 и 150 Гц через 30 мин после приготовления смеси и по окончании ин­дукционного периода, т. е. через 30—40 мин после на-

Чала схватывания по Вика (в этом случае использовали только высокую частоту вибрирования).

При высокочастотном виброуплотнении цементного геля через 30 мин после его приготовления (рис. 9.5) прочность образцов возрастает тем значительнее, чем меньше Х при его значении 0,876 она достигает макси­мума, а с увеличением X или (В/Ц)г прочность нараста­ет медленнее. По аналогичной закономерности изменя­ется прочность цементного камня при вибрационном воз­действии на стадии окончания индукционного периода с той лишь разницей, что с уменьшением значений X отно­сительный прирост прочности снижается, а при Х=0,876 она практически мало отличается от прочности образцов, уплотненных высокочастотной вибрацией через 30 мин после приготовления цементного геля (кривые 2 и 5, рис. 9.5,а). Объяснить это можно тем, что при повтор­ном высокочастотном воздействии в указанный период в цементном геле жидкая фаза не перераспределяется и основная часть колебательной энергии расходуется на упорядочение (уплотнение) микрогелевой структуры, С увеличением толщины сольватных оболочек количест­во волновой энергии на перераспределение жидкой фа­зы и активизацию процесса ионообмена увеличивается, в связи с чем возрастает эффективность повторного виб­роуплотнения, способствующая снижению пористости цементного геля (рис. 9.5,6). j

Отсюда следует, что сама физико-химическая природа формирования структуры цементного геля и его об­ратимых тиксотропных свойств органически предопреде­ляет необходимость того, чтобы механические воздейст­вия, обусловливающие значительную скорость деформа­ции структуры цементного геля, были приурочены ко
времени окончания индукционного периода, когда вся жидкая фаза транспортируется в адсорбционно связан­ное состояние.

Влияние периодического и повторного вибрирования бетонной смеси на плотном щебне ё процессе формиро­вания коагуляционной структуры цементного геля на прочность и водопроницаемость бетона показано на рис. 9.6 [4]. Одну партию образцов вибрировали при сов = = 117 Гц через каждые 30 мин. после кратковременно­го виброуплотнения с ов =46,5 Гц при изготовлении об­разцов. Другую — выдерживали до окончания индукци­онного периода и подвергали повторному вибрированию с сов =117 Гц. Во всех случаях продолжительность виб­рационного воздействия составила 1 мин. После 28-су - точного твердения образцы испытывали на прочность при сжатии и водопроницаемость, которую оценивали по изменению коэффициента фильтрации /Сф.

Периодическое и повторное вибрирование бетонной смеси при (В/Ц)г=Кя. т (^н. г=0,3) обусловливает оди­наковое увеличение проч-

Ности и снижение коэф­фициента фильтрации бетона. Между тем по­вторное вибрирование бе­тонной смеси при (ВД)г=1,65 7Сн. г в ста­дии окончания индукци­онного периода способст­вует более значительно­му увеличению прироста прочности бетона по срав­нению с периодическим вибр ационным воздейст­вием. Коэффициент филь­трации в этом случае при периодическом и повтор­ном вибрировании сни­жается на одинаковую величину.

Закономерности, ха­рактеризующие измене­ние прочности цементного камня и бетона на плот­
ных заполнителях, проявляются при периодическом и повторном виброуплотнении бетонной смеси на аглопо - рите, керамзите и других видах пористых заполнителей. В процессе периодического вибрирования прочность аг - лопоритобетона в 28-суточном возрасте при (ВЩ)Т= = 0,42 увеличивается примерно в 1,4 раза; керамзитобе - тона при (£/Д)г=0,336 — в 1,37 раза, т. е. независимо от вида заполнителя прирост прочности выражается одинаковой величиной (рис. 9.7,а). В равной мере это относится к горячеформованным легким бетонам, уплот­ненным вибрированием с сов =150 Гц. Эксперименталь­ные данные на рис. 9.7,6 показывают, что при нагреве бетонной смеси до £ = 353 К, оптимальное время пов­торного вибрирования, при котором достигается макси­мальный прирост прочности бетона, сокращается, так как скорее завершается индукционный период.

При высокочастотном вибрационном воздействии на стадии завершения индукционного периода цементного геля абсолютный прирост прочности бетона тем значи­тельнее, чем выше его исходная марка. Для марок бе­тона М 200 и М 300 прирост прочности составляет 10 МПа М 400 и М 500—20 МПа; М 600 и М 700— 30 МПа.

Ряд специалистов на основании исследований не счи­тают целесообразным виброуплотнение бетонной смеси в сроки, близко совпадающие с началом схватывания цементного геля по Вика. Объяснить это можно в основ­ном тем, что в этих работах не принимали во внимание структурные особенности схватывающегося геля и при повторном уплотнении бетонной смеси применяли виб­раторы с сов порядка 50 Гц.

При прочих равных условиях увеличение прочности и модуля упругости бетона, значительное снижение влажностной усадки и улучшение остальных его физи­ко-механических свойств достигается за счет максималь­ного использования потенциальных свойств цемента в результате значительного снижения пористости цемент­ного камня.

Повторное вибрирование на стадии завершения ин­дукционного периода цементного геля практически труд­но выполнимо, если учитывать сложившиеся организа­ционные и технологические особенности производства бетонных работ. Вместе с тем такую задачу можно ре-

Рис. 9.7. Прочность легкого бетона при периодическом виброуплот­нении

А: 1 и 2 — на аглопорите при (В/Д)Г = 1,ЗКН г и 1,5КНГ; 3 — на керамзите б: 1 к 3 — горячее формование на ахтанакском туфе,

И кармрашенском шлаке, (В/Ц) = 1,2 (KF

Обычное формование при тех же заполнителях и значениях (В/Д)р

Шить, если применять бетонные смеси с (В/Ц)г=0,876 Кн. г, поскольку в этом случае вся жидкая фаза нахо­дится в адсорбционно-связанном состоянии.