Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ, ВРЕМЕНИ ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ПРЕССУЮЩЕГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

Для уплотнения бетонной смеси под давлением не­обходимо, чтобы произошла равномерная компрессия цементного геля, обусловленная отжатием жидкой фазы. Такой процесс можно организовать, если предварительно придать бетонной смеси заданную форму и обеспечить равномерную передачу на нее нормального давления, поэтому прессованию должно предшествовать вибро­формование бетонной смеси и виброуплотнение цемент­ного геля, заключенного между зернами заполнителя.

Вибрирование должно предшествовать "прессованию, поскольку при их совмещении во времени упрочняющие­ся под давлением структурные связи препятствуют воз­буждению собственных колебаний частиц твердой фазы и сводят на нет эффект вибрации. Первое достигается интенсивным встряхиванием или вибрированием с часто­той 50 Гц, а второе—высокочастотным вибрационным воздействием.

Цементный гель является трехфазной системой, со­держащей твердую, жидкую и газообразную фазы. При сближении частиц цемента силы взаимодействия между ними возрастают и одновременно активнее проявляются силы отталкивания. Преодоление энергетического барь­ера при компрессии цементного геля сопровождается адиабатическим сжатием газообразной фазы, т. е. накоп­лением внутренней потенциальной энергии, пропорцио­нальной квадрату приложенного давления.

Если сразу же после прессования снять внешнее дав­ление, тогда через некоторый промежуток времени оста­точная объемная деформация уменьшится из-за упругого последействия и структура цементного геля несколько разуплотнится. Чем меньше воды затвердения-, тем значи-

Тельнес сказывается отрицательное влияние упругого последействия на плотность и прочность запрессованного цементного камня. Образующиеся в этом случае доста­точно прочные внутренние связи окажутся в состоянии воспринимать противодавление сил отталкивания.

Положительное влияние продолжительной выдержки прессующего давления определяется еще и тем, что в процессе твердения цементного геля локализируются деструктивные явления от деформации усадки и возрас­тает уплотняющее действие «ползучести». В этих усло­виях индукционный период формирования структуры цементного камня будет сопровождаться накоплением обратимой потенциальной энергии. Вызываемые ею вну­тренние объемные деформации создадут в структуре це­ментного камня своего рода предварительное напряжен­ное состояние сжатия, способствующее увеличению его прочности.

Для полной реализации процесса гидратационного твердения важно, чтобы подготовительная стадия сопро­вождалась интенсивным ионообменным процессом с вовлечением в него всей твердой фазы. Весьма эффек­тивно в этом отношении высокочастотное вибрирование. Надо полагать, что при сочетании в определенной после­довательности высокочастотного виброуплотнения и прес­сования на стадии окончания индукционного периода при оптимальной выдержке цементного геля под давлением можно значительно повысить физико-механические свой­ства цементного камня (бетона).

В наших опытах чтобы установить время приложения прессующего давления, образцы цементного геля нор­мальной густоты предварительно виброуплотняли при частоте 150 Гц и амплитуде 0,2 мм в течение 2 мин, за­тем прессовали под давлением 100 МПа спустя 20 мин и через каждый час в течение 7 ч с момента затворения цемента водой. Как следует из рис. 10.1 (кривая /), зна­чения {ВЩ) ост плавно возрастают до точки В, располо­женной в промежутке между началом и концом схваты­вания по Вика. Далее кривая делает скачок вверх и после конца схватывания она становится резко пологой, т. е. процесс связывания воды замедляется. Точка В, в которой кривая изменяет очертание, соответствует окончанию индукционного периода или начальной ста­дии формирования кристаллогидратной структуры с при­сущими ей обратимыми связями.

Рис. 10.1. Влияние времени приложе­ния прессующего давления на

(ВЩ)Г0СТ (1) и прочность цемент­ного камня (2)

При определении значений (ВЩ)0СТ в те же проме­жутки времени запрессовывали образцы цементного ге­ля и после 28-суточного твердения их в воде испытывали на прочность при сжатии. Кривая 2, выражающая изме­нение прочности вибропрессованного цементного камня в зависимости от времени приложения нормального дав­ления состоит из двух характерных ветвей: восходящей до точки Е и нисходящей до точки F. Максимальная прочность совпадает со временем окончания индукцион­ного периода и по величине приближается к прочности цементного «клинкера», равной примерно 2Q0 МПа*. При приложении прессующей нагрузки в стадии форми­
рования крйсталлогйдратных образований (в койце схватывания) прочность цементного камня резко снижа­ется примерно до 176 МПа. В этой связи следует отме­тить, что уже в семичасовом возрасте в упрочняющемся цементном геле все еще превалируют необратимые меж­структурные связи, придающие большую прочность виб­ропрессованному цементному камню.

В большинстве опубликованных работ предваритель­ное уплотнение образцов геля осуществляли вибрирова­нием с частотой до 50 Гц и затем прессовали без пред­варительной выдержки, необходимой для завершения подготовительной стадии процесса гидратации. Это об­стоятельство явилось причиной преждевременного обез­воживания цементного геля и значительного, вследствие этого, снижения прочности цементного камня при высо­ких прессующих давлениях.

Установленное оптимальное время прессования, спо­собствующее более полному проявлению ионообменного процесса, в сочетании с высокочастотным вибрировани­ем изменяет характер твердения и прочность цементного камня при высоких прессующих давлениях. Для выяс­нения этого вопроса была выполнена серия опытов при диапазоне прессующих давлений от 10 до 200 МПа и выдержке образцов из цементного геля под давлением в течение 15 мин. Прессование осуществляли после высо­кочастотного (о)в=150 Гц) виброуплотнения в момент времени, соответствующий окончанию индукционного пе­риода.

Результаты экспериментов, приведенные на рис. 10.2, достаточно убедительно иллюстрируют оптимальные ус­ловия применения высоких давлений, при которых не происходит спада прочности цементного камня. Если при виброуплотнении с частотой 50 Гц и прессовании под давлением Р=50 МПа сразу же после затворения це­мента водой начинается спад прочности цементного кам­ня, то в результате высокочастотного вибрационного воз­действия и прессования при окончании индукционного пе­риода прочность цементного камня неуклонно возрастает.

Наиболее интенсивный рост прочности цементного камня происходит до прессующего давления 100 МПа, в связи с чем можно предполагать, что при этом давле­нии преодолевается сопротивление сил отталкивания в цементном геле. Этот вывод корреспондируется с рас­четными данными, согласно которым [98] при крупности

Частиц твердой фазы порядка Ю-7 см и T—293 К силы отталкивания, препятствующие ближней коагуляции, преодолеваются при давлении 85 МПа.

Фактор, активно влияющий на прочность вибропрес­сованного цементного камня, — продолжительность вы­держки цементного геля под давлением. В принципе мож­но предвидеть, что с увеличением времени выдержки объ­емная масса и прочность вибропрессованного цементного камня должны увеличиваться. Наибольшее изменение этих характеристик может быть получено при опреде­ленных сочетаниях прессующего давления и времени его выдержки. По существу, эта задача со многими неизвест­ными и решить ее трудно.

Экспериментальные исследования были выполнены по следующей методике. Образцы из цементного геля раз­мером 3X3X3 см выдерживали под давлением 30 МПа в течение 15 мин 1, 2, 3, 4, 24 и 48 ч, заведомо достаточ­ном для упрочнения его структуры в такой степени, что­бы она воспринимала внутреннее противодавление. Це­ментный гель уплотняли выбрированием с частотой 150 Гц; прессование производили при окончании индук­ционного периода. В каждой серии опытов определяли объемную массу при распалубке образцов и перед их ис­пытанием на сжатие после 28 сут водного твердения.

Как следует из табл. 10.1, выдержка под давлением более 4 ч не приводит к заметному увеличению прочно­сти и объемной массы вибропрессованного цементного

Камня. Кратковременная выдержка под давлением в течение 15 мин явно не­достаточна, так как недо­бор прочности по сравне­нию с 4-часовой выдерж­кой составляет около 20%. В этом случае пос­ле снятия прессующего давления проявляется упругое последействие, способствующее увели­чению объема образца и снижению его прочно­сти. < Из анализа табличных данных также следует, что оптимальным временем выдержки образцов цементного геля под давлением является 3 ч, при котором прочность цементного камня соответствует около 97% прочности вибропрессованных образцов, выдержанных под давле­нием в течение 4 ч.

Оптимальная продолжительность выдержки образцов под давлением 30 МПа в течение 3 ч относится к дан­ным условиям опытов. С изменением прессующего дав­ления время выдержки будет несколько отличаться от указанной величины и в каждом конкретном случае его следует уточнять экспериментально.

Кинетику прироста прочности вибропрессованного це­ментного камня можно проследить по экспериментальной кривой на рис. 10.3. Исследования проводили на образ­цах размером 3X3X3 см, уплотненных высокочастотным вибрированием (сов = 150 Гц, ав=0,22 мм) и прессую­щим давлением 30 МПа при окончании индукционного периода формирования кристаллогидратной структуры цементного камня. Наиболее интенсивное твердение це­ментного геля происходит в первые пять суток. К этому времени образцы имеют такую же прочность, как в 28- суточном возрасте. Объемная масса также достигает максимальной величины—2,52 г/см3 и за срок от 5 до 28 сут не изменяется.

Эти эксперименты еще раз подтверждают возмож­ность интенсифицировать гидратационное твердение на стадии наиболее активного проявления ионообменных

Процессов. В этом отношении весьма эффективно комп­лексное воздействие на цементный гель для преодоле­ния сил отталкивания, препятствующих возникновению ближней коагуляции в насыщенном ионами растворе.