Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ВИБРОУПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ

В отличие от цементных частиц, щебень (гравий) и песок не образуют связных систем при взаимодействии с водой, а поэтому они непосредственно не влияют на проявление тиксотропных свойств цементного геля при механических воздействиях на бетонную смесь.

В процессе вибрации в бетонной смеси возможны од­новременно или разновременно два процесса: тиксотроп - ное разжижение цементного геля и изменение прост­ранственной упаковки зерен заполнителя. Первый про­цесс облегчает проявление второго, так как зерна щебня (гравия) и песка, находящиеся в упругопластично-вяз - кой среде, не могут изменять свое пространственное вза­иморасположение, пока эта среда не приобретет свойства вязкой жидкости, т. е. не произойдет переход геля в золь.

При вибрировании бетонной смеси процессы, проис­ходящие в цементном геле и среде зерен заполнителя, следует рассматривать раздельно, поскольку динамиче­ские параметры источника колебаний различно влияют на обе системы. Такая точка зрения не является обще­признанной: одни считают бетонную смесь сплошной непрерывной средой, другие — материалом, состоящим из отдельных (дискретных) частиц.

Исследователи, рассматривающие бетонную смесь в виде сплошной непрерывной среды, полагают, что уплот­нение происходит под влиянием ее собственной массы. Предположение о дискретной модели бетонной смеси позволяет установить функциональную связь оптималь­ных режимов вибрирования с крупностью зерен заполни­теля. При этом частоту вынужденных колебаний подби­рают с учетом введения в резонансный режим зерен за­полнителя различной крупности.

В том случае, когда в качестве модели бетонной сме­си принимают непрерывную и дискретную среду, прихо­дят к выводу, что резонансные колебания зерен твердой фазы не влияют на процесс уплотнения смеси, считая, что оно является результатом самоуплотнения всей си­стемы под действием ее массы в период кратковремен­ного разжижения цементного геля.

На основании отмеченных теоретических представ­лений определились различные точки зрения на режимы вибрирования бетонных смесей. Например, согласно по­ложениям работы [77], параметры вибрации предлага­ется назначать так, чтобы добиться компактной упаков­ки мелких частиц. Высказывается [56] и иное мнение, которое сводится к тому, что в основном необходимо создать условия для перемещения крупных зерен запол­нителя, так как для более мелких этот режим вибриро­вания будет служить вторичным источником колебаний, способствующим более плотной их упаковке в бетонной смеси. Согласно результатам исследований [94], сделан вывод, что уплотнение бетонной смеси должно начинать­ся с крупного заполнителя, а затем путем изменения частоты и амплитуды следует укладывать мелкие фрак­ции, которые при соответствующих перемещениях, рас­положатся в промежутках между более крупными зер­нами. Предполагается, что указанным образом будет достигнуто максимальное уплотнение бетонной смеси.

Известны предложения, относящиеся к одновремен­ному наложению различных частот (поличастотное виб­рирование), при котором все зерна твердой фазы (вклю­чая частицы цемента) могут одновременно компактно расположиться в бетонной смеси.

Теоретические представления о режимах виброуплот­нения бетонной смеси мало чем различаются; они являют­ся следствием качественно одинаковых исходных предпо­сылок, которые, однако, недостаточно полно соответству­ют явлениям, происходящим при вибрационном воздейст­вии на бетонную смесь. Следует отметить, что большая часть исследователей рассматривает вибрирование в ос­новном как метод механического уплотнения бетонной сме­си без надлежащего учета способности цементных частиц образовывать при взаимодействии с водой коагуляцион - ную структуру [56, 77, 94, 160]. Между тем, согласно современным воззрениям, вибрирование расценивается не только как метод механического уплотнения (вернее формования) бетонной смеси, но и как средство воз­действия на физико-химические процессы, способствую­щие активизации коагуляционного уплотнения цементно­го геля, гомогенизации бетонной смеси в целом. Поэто­му вопросы теории вибрирования не могут быть сведены только к кинетике упаковки различных фракций зерен заполнителя, так как определяющим в процессе уплот­нения бетонной смеси является механизм формирования плотной коагуляционной структуры цементного геля. Если придерживаться этой точки зрения, можно под­разделить процесс уплотнения бетонной смеси на две стадии: создание относительно плотной упаковки смеси зерен заполнителя, обусловливающее стадию формова­ния, и уплотнение цементного геля в бетонной смеси, связанное со сжимаемостью (деформируемостью) прак­тически однородной среды под действием собственной массы и гармонически изменяющейся нагрузки.

В бетонной смеси зерна заполнителя занимают боль­шую часть ее объема и долевое содержание цементного геля составляет от 20 до 30%. Тем не менее упругоплас- тично-вязкая составляющая кардинально влияет на из­менение реологических свойств бетонной смеси при ме­ханических воздействиях.

Щебень (гравий) и песок относятся к сыпучим мате­риалам, и для компактной упаковки их зерен вполне достаточно интенсивное вытряхивание при амплитуде, способной вызвать перемещение зерен. И чем больше мас­са зерен, тем значительнее должна быть амплитуда коле­баний, сообщаемая вибратором. При любой композиции фракционного состава смеси щебня (гравия) и песка надлежащая плотная упаковка зерен может быть дос­тигнута при частотах вибрирования до 40 Гц и соот­ветствующих им амплитудах.

В вязкопластичной бетонной смеси зерна заполните­ля находятся во взвешенном состоянии и перемещению их препятствует структурная связность цементного геля. Для того чтобы зерна заполнителя получили возмож­ность более компактно взаиморасположиться в прост­ранстве, необходимо нарушить или вовсе разрушить структурные связи в цементном геле.

При относительно высоких значениях X структурные связи разрушаются при сравнительно низких частотах вибрации, и возникающие амплитудные деформации в смеси способствуют перегруппировке и компактной упа­ковке зерен заполнителя. В этом случае условия, необ­ходимые для тиксотропного превращения цементного ге­ля, совпадают с условиями, при которых достигается компактная упаковка зерен заполнителя.

Иначе обстоит вопрос с уплотнением жестких бетон­ных смесей, в которых цементный гель характеризуется упругопластическими свойствами, т. е. значениями Х^.1, В этом случае для разжижения цементного геля требу­ются высокие частоты, а для компактной упаковки зе­рен заполнителя в бетонной смеси необходима большая амплитуда колебаний вибратора. Однако совместить одно с другим нельзя, поэтому для таких смесей эф­фективна двухчастотная вибрация: одна придает смеси заданную форму и способствует компактной упаковке зерен заполнителя, другая служит для разжижения це­ментного геля и его уплотнения. Двухчастотную вибра­цию осуществить практически трудно; аналогичный эф­фект может быть получен при последовательном воз­действии различных амплитуд и частот вибрирования. Если предположить обратный порядок, то в таком слу­чае после прекращения высокочастотного вибрационно­го воздействия почти мгновенно произойдет контракци - онное уплотнение цементного геля под влиянием возрос­ших сил связи между частицами цемента. В структурно - упрочненной среде при низкой частоте вибрационного воздействия (вторая стадия уплотнения) зерна запол­нителя не смогут расположиться более компактно, так как цементный гель не разжижается, поэтому и целесо­образно обратное чередование вибрационных колеба­ний: вначале низкочастотное встряхивание — для запол­нения смесью формы, а впоследствии — высокочастот­ное уплотнение цементного геля.

Тиксотропия цементного геля может быть вызвана высокочастотными вибрационными колебаниями любой направленности. Однако для плотной упаковки зерен мелкого и крупного заполнителей в бетонной смеси и предотвращения ее разрыхления возникающие при вибрации инерционные силы должны совпадать с на­правлением силы тяжести.

Изменение пространственного взаиморасположе­ния зерен заполнителя нельзя считать результатом ре­зонансного совпадения собственных частот их колебаний с частотами вибратора. В бетонной смеси зерна щебня (гравия) и песка связаны между собой цементным ге­лем и можно было предполагать, что собственные коле­бания зерен заполнителя возбуждаются колебаниями сольватированных частиц цемента. Различные по круп­ности зерна заполнителя при сплошности среды долж­ны будут приходить в колебательное состояние пропор­ционально их массам в унисон с частотами собственных колебаний сольватированных частиц цемента. Посколь­ку амплитуды колебаний сольватированных частиц це­мента очень малы, то они не могут ощутимо перемещать зерна заполнителя, так как кроме всего прочего переда­ющиеся колебания отражаются массой зерен. Следова­тельно, для компактной упаковки зерен заполнителя в бетонной смеси определяющим параметром является не частота, а амплитуда колебаний, которая должна подби­раться в зависимости от крупности и массы зерен щеб­ня (гравия) и песка.

Эффективность режимов виброуплотнения бетон­ной смеси нельзя оценивать комплексными динами­ческими характеристиками: скоростью — сов ав, уско­рением cog ав и интенсивностью со|а| колебаний, так
как в каждом конкретном случае частота и амплитуда оказывают определяющее влияние на формование и уп­лотнение бетонной смеси.

Положив в основу исследований физической приро­ды вибрационного воздействия на бетонную смесь две реологические модели: Бингама и Кулона для пласти­ческой и жесткой бетонных смесей соответственно, а также приняв во внимание, что напряжения O(T), возни­кающие в среде, пропорциональны скоростям распрост­ранения волны С и деформации, т. е. а(/) =

Dt

= — V6 С , приходят к следующим основным выво­дам [48].

Изменение частоты и амплитуды колебаний по-раз­ному влияет на сопротивление сдвига (уплотняемость) и зависит от реологических свойств смеси: чем она жест­че, тем выше должна быть частота колебаний и менее эффективно увеличение амплитуды колебаний. При этом эффективность вибрации повышается с ростом коэффи­циента затухания. Критерий интенсивности вибрации не является универсальным; в каждом конкретном случае он зависит от реологических свойств бетонной смеси (цементного геля).

В работе [48] было принято, что тиксотропия це­ментного геля обусловливается броуновским движением частиц. При этом влияние зерен заполнителя на процесс уплотнения бетонной смеси не учитывалось. Однако не­смотря на это, приведенное выше во многом корреспон­дируется с результатами исследований, описанных в п. 2.3, в основу которых положена резонансная интер­претация тиксотропии цементного геля.

Таким образом, при вибрировании бетонной смеси колебательная энергия расходуется на:

1) пространственную перегруппировку (более ком­пактную упаковку) зерен заполнителя и придание бе­тонной смеси заданной формы;

2) нарушение или полное разрушение структурных связей цементного геля и понижение вязкости;

3) коагуляционное уплотнение цементного геля, соп­ровождающееся сжатием (контракцией) объема бетон­ной смеси под влиянием собственной массы и внутрен­них сил взаимодействия сольватированных цементных частиц.

21—634