Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

Формуемость и уплотняемость бетонной смеси

В отличие от формуемости, под которой надо пони­мать свойство материала (тела) заполнять и принимать любую заданную форму в условиях сжатия со сдвигом, уплотняемость характеризует способность материала
(тела) пластически деформироваться (сжиматься) под действием собственной массы и приложенного нормаль­ного давления без нарушения структурной сплошности.

В технологии изготовления бетонных и железобетон­ных изделий формование и уплотнение составляют два взаимосвязанных процесса: при центрифугировании вна­чале на малых оборотах формы распределяют бетонную смесь, т. е. формуют изделие, а затем уплотняют ее под действием прессующего давления при максимальных оборотах формы. Аналогичным образом следует посту­пать при вибрировании, вибропрёссовании, вибровакуу - мировании и т. п.

При механическом воздействии на структурно-одно­родный материал, каким является цементный гель, оба свойства — формуемость и уплотняемость — могут про­являться одновременно. Бетонная смесь относится к структурно-неоднородной двухкомпонентной системе, со­стоящей из различных по свойствам капиллярно-порис­тых тел: сжимаемого цементного геля и малоподатливой смеси зерен щебня (гравия) и песка, поэтому формуе­мость и уплотняемость бетонной смеси обусловливают­ся разными физическими явлениями.

Для равномерного распределения бетонной смеси в какой-либо емкости, т. е. придания ей определенной формы, достаточно энергичного встряхивания, при кото­ром достигается пространственная перегруппировка зе­рен заполнителя. Однако в этом случае аналогичное яв­ление в цементном геле не происходит, так как при встряхивании из-за низкой частоты в нем не могут про­являться обратимые тиксотропные превращения, способ­ствующие сближению частиц цемента и их более плот­ной упаковке.

. В бетонной смеси сжимаемым элементом является цементный гель, заключенный между зернами заполни­теля, которые образуют жесткий, практически несжима­емый каменный каркас. Если нормальное давление бу­дет приложено непосредственно к такому каркасу, тогда сжатие цементного геля может произойти либо вслед­ствие раздвижки зерен заполнителя (при избытке це­ментного геля в бетонной смеси), или же в процессе раз­дробления зерен заполнителя. Поскольку это приводит к разуплотнению бетонной смеси, раздробление при всех методах силового воздействия на бетонную смесь необ­ходимо исключить.

Дробления зерен заполнителя можно избежать, если они будут раздвинуты на определенную величину и про­странство между ними будет заполнено цементным ге­лем. В этом случае уплотнение под нормальным давле­нием бетонной смеси будет сопровождаться сжатием (контракцией) цементного геля и сближением зерен за­полнителя.

Расстояние (раздвижка) между зернами заполните­ля, при котором обеспечивается указанное выше усло­вие, зависит от величины нормального давления, содер­жания жидкой фазы в цементном геле, т. е. значения (В/Ц)г и характера физико-химического процесса, обу­словленного механическим воздействием при уплотнении бетонной смеси.

Дополнительная контракция объема цементного ге­ля, возникающая под воздействием нормального давле­ния, может быть прямым следствием сближения сольва - тированных частиц цемента и отжатия части жидкой фазы. В ряде случаев контракция объема может быть вызвана перераспределением жидкости при обнажении сухих поверхностей в процессе пептизации агрегирован­ных цементных частиц и высвобождением вследствие этого аккумулированной поверхностно-активной энер­гии, ведущим к увеличению интенсивности сил взаимо­действия между частицами.

Из приведенного заключаем, что при вибропрессова­нии и центрифугировании бетонной смеси цементный гель должен занимать больший начальный объем, чем при уплотнении вибрированием. Если цементный гель со­держится в бетонной смеси в недостаточном объеме, то внешнее давление будет восприниматься скелетом из зерен заполнителя, в связи с чем прекратится отжатие жидкой фазы из цементного геля и его уплотнение.

Исследование кинетики уплотнения бетонной смеси проводили на образцах, изготовленных с использовани-

Ем портландцемента — /Сн. г=0,287 при различном объ­емном содержании цементного геля и одинаковых значе­ниях (В/Ц) нач (табл. 7.2). Виброотформованные образ­цы уплотняли при одинаковых величинах и скоростях приложения нормального давления.

Кинетика изменения относительной деформации сжа­тия 6[17] бетонной смеси составов № 1—5 (табл. 7.2) при уплотнении ее под давлением Р=2 МПа показана на рис. 7.5, а; кривые изменения (В/Ц)ОСТ , максимальной скорости фильтрации жидкой фазы Wm3iX (при отжатии ее под указанным давлением) и относительной дефор­мации бх в зависимости от объема цементного геля приведены на рис. 7.5,6*.

Из экспериментальных данных следует, что с увели­чением объема цементного геля Vr возрастает абсолют­ная величина 8Х и время, в течение которого достига­ется стабилизация относительных величин деформации сжатия бетонной смеси; соответственно снижаются зна­чения (В/Ц) ост и возрастает скорость фильтрации жид­кой фазы Wmax.

Можно заметить, что при Уг^0,38 м3 более интен­сивно увеличивается относительная деформация 8Х и из­меняются остальные характеристики уплотняемости бе­тонной смеси. На этом основании можно заключить, что при Р=2 МПа объем цементного геля в бетонной смеси не должен быть менее 0,38 м3, так как в противном слу­чае внешнее давление будет восприниматься каменным скелетОхМ из зерен заполнителя раньше, чем произойдет в указанных условиях отжатие жидкой фазы из бетон­ной смеси.

С увеличением объема цементного геля характер кривой отжатия жидкой фазы изменяется: чем больше Vr, тем быстрее она вытесняется (больше г^тах) и ско­рее завершается процесс уплотнения бетонной смеси. На скорость фильтрации жидкости из бетонной смеси суще­ственно влияют скорость передачи нормального давле­ния УПд. Согласно экспериментальным данным, получен­ным при уплотнении бетонной смеси состава № 4 (см. табл. 7.2) под давлением Р=2 МПа, приложенном со скоростью Упд от 4 до 60 мм/мин, видно (табл. 7.3), что (В/Ц) ост и бх практически не зависят от скорости 1/Пд,

При которой давление передается на уплотняемую смесь, между тем как с ее увеличением Т^шах, с которой про­исходит отжатие жидкости из бетонной смеси, возрас­тает.

Скорость отжатия жидкой фазы из бетонной смесив значительной мере зависит от начального значения (ВЩ)Т и прессующего давления. Чтобы установить за­кономерность изменения Wmax от указанных двух пара­метров, в экспериментах уплотняли под нормальным дав­лением бетонную смесь (составы № 6, 7 и 8, табл. 7.2) При Уг=0,442 м3 и {ВЩ)Г в диапазоне значений 0,876 /Сн. г; 1 К** и 1,3 /Сн. г (Лн. г=0,287).

Результаты экспериментов, изображенные графичес­ки на рис. 7.6 в виде однотипных кривых, свидетельст­вуют об идентичном характере изменения скорости от­жатия жидкой фазы под нормальным давлением из бе­тонной смеси и цементного геля. В обоих случаях с увеличением начального значения (В/Ц)гнач скорость отжатия жидкой фазы №тах возрастает, при этом боль­шие значения соответствуют цементному гелю. Объяс­нить это можно тем, что при прочих равных условиях в процессе фильтрации жидкой фазы из цементного геля преодолевается меньшее сопротивление, чем при отжа - тии ее из бетонной смеси, в которой жидкости прихо­дится преодолевать значительное сопротивление, огибая зерна заполнителя. В связи с этим фильтрационные пу­ти в бетонной смеси длиннее, чем в цементном геле, а следовательно, и меньше скорости движения жидкости.

Сравнивая закономерности, характеризующие уплот - няемость бетонной смеси и цементного геля, можно прийти к заключению об их качественной идентичности. Нетрудно показать, что при уплотнении бетонной смеси

Рис. 7.6. Зависимость Wm*X и (В/Ц)00Т от нормального давления Р.

Нач

J, 2 и 3 — бетонная смесь при {ВЩ)Г =0,876КН<Г; 1КН. Р и 1,3/СН Г соот­ветственно; /', 2' и( 3' — цементный гель при таких же значениях (В/Ц)рЭЧ

Жидкая фаза отжимается из цементного геля и с поверх­ности зерен заполнителя. В общем случае остаточное во - доцементное отношение бетонной смеси можно предста­вить в следующем виде:

(S/^CT = XoCTtfHJ+-^-. (7.19)

Многочисленными расчетами определено, что до нормального давления Р—2 МПа при подстановке в формулу (7.19) соответствующих значений Х0ст и В3 вы­численные величины (В/Ц) ост удовлетворительно со­гласуются с экспериментальными. При Р^г2 МПа сов­падение их достигается в том случае, если в формулу 47.19) вместо В3 внести Впог, поскольку при больших давлениях вода Вад, адсорбированная на зернах запол­нит еля, отжимается. В этом можно убедиться на следу­ющих примерах, взятых из табл. 7.2.

При Р=2 МПа среднее значение (В/Ц) 0Гст =0,235; по табл. 6.10 и 6.11 для состава № 1—В3= 41 кг, а ВлоГ== 31, 3 кг. По формуле (7.19) будем иметь

(S/4)6CT = 0,235 + = 0.335.

Аналогично можно вычислить (В/Ц) ост для осталь­ных четырех составов:

№ 2 = 0,235 + 28,7/368 = 0,325;

No 3 (Д/Ц)*ст = 0,235+ 27,2/453 = 0,295;

№4 0,235 + 24,4/522 = 0,282;

№ 5 (Я/Ц)£ст = 0,235 + 17,6/628 = 0,263.

Сравнивая рассчитанные значения (ВЩ) оСТ с экс­периментальными, приведенными на рис. 7.5,6, замеча­ем их хорошую сходимость. В этой связи надо отметить,, что во всех составах содержался избыточный объем це­ментного геля, достаточный для сжатия его без раздроб­ления зерен заполнителя под давлением 2 МПа. Если не соблюдать это условие, то по формуле (7.19) нельзя по­лучить совпадающие с экспериментами данные. С уве­личением расхода цемента влияние слагаемого ВпогЩ На (ВЩ) ост уменьшается по криволинейной зависимо­сти, показанной на рис. 7.7, и в среднем при отсутствии заполнителей в смеси (ВЩ) оСТ — (ВЩ) ост. Из приве­денного видно, что активной частью жидкой фазы, по­глощенной зернами заполнителя, является адсорбиро­ванная на них вода — Вад. Следовательно, связующим звеном между свойствами цементного геля и бетонной смеси является параметр ВАД/Д, так как вода в струк­турных порах плотных каменных пород на уплотняе - мость бетонной смеси влияния не оказывает.

Отсюда можно заключить, что уплотняемость бетон­ной смеси зависит, кроме всего прочего и от истинного водоцементного отношения, под которым надо подразу­мевать отношение к массе цемента массы воды, содер­жащейся в цементном геле и адсорбированной на зер­нах заполнителя:

{В1Ц)*т = ХКы+В^1Ц. (7.20)

Здесь следует иметь в виду, что (ВЩ) ист может выра­жать как начальное, так и остаточное значение.

Поскольку вода, адсорбированная на зернах запол­нителя, соприкасается непосредственно с цементным ге­лем, то (В/Ц) бст, по существу, определяет (В/Ц)г в бетонной смеси. На этом основании констатируем, что в бетонной смеси содержание жидкой фазы в цементном ге­ле возрастает на величину Вад. Это необходимо учиты­вать в технологических расчетах и при определении фи­зико-механических свойств бетона в функции В/Ц.

Для оценки относительной уплотняемости цементного геля в бетонной смеси Dv можно воспользоваться зави­симостью (3.84), в которой еГО и ег должны быть рассчи­таны по (ВЩ) ист, а именно:

Его = 1/рж (*нач Кн. г + В^/Ц) ри; (7.21)

Вр= 1/рж(*остКн. г + £ад/4)Ри. (7.22)

Учитывая, что под давлением Р>2 МПа адсорбиро­ванная вода на зернах заполнителя отжимается, слагае­мые В! Щ/Ц=0 и значение ег определяются (В/Ц) ост . В зависимости от (В/Ц) нач относительная уплотняе - мость бетонной смеси может выражаться значениями DT в пределах от 0,46 до 0,75.

По величине Dr можно определить относительную объемную консистенцию цементного геля Др к, для чего вначале по расходу цемента и Хшч необходимо вычис­лить по формуле (1.18) относительное начальное содер­жание цементного геля р в бетонной смеси:

ДРК = РФР-1). (7.23)

Если 7?ач —объемная масса цементного геля при (В/Ц) нач, тогда изменение ее в результате уплотнения выражается зависимостью

7г = 7гаЧ0+АРк). (7.24)

Определив значение показателя плотности упаковки смеси зерен заполнителя Dc в виброуплотненном состоя­нии для данного состава бетонной смеси, можно вычис­лить объемную массу yCm:

Усш=УзОс. (7.25)

В соответствии с приведенными зависимостями: объемная масса бетонной смеси определяется следую­щей суммой:

7б = 7з^с + ТгРу. (7.26)

Относительный объем цементного геля в уплотнен­ном состоянии ру можно выразить зависимостью

Ру = р(1-дрк). (7.27)

Подставив в (7.26) значения уг из (7.24) и ру, вы­численное по зависимости (7.27), получим окончатель­ное выражение для объемной массы бетонной смеси:

T6 = T3^c + Vra40 + ApK)Py. (7.28}

Из зависимости (7.28) следует, что объемная масса бетонной смеси определяется плотностью упаковки сме­си зерен заполнителя и плотностью цементного геля в пустотах между ними. Другими словами, объемная мас­са Y6 является интегральной характеристикой формуе­мости и уплотняемости бетонной смеси.

Сравнив вычисленные по формуле (7.28) значения ув С экспериментально определенными величинами, можно судить о фактической плотности бетонной смеси (бето­на) в зависимости от состава и метода воздействия на нее при изготовлении определенного изделия, поэтому интегральным критерием, характеризующим формуе - мость и уплотняемость бетонной смеси, может служить коэффициент относительной плотности /(фу, который вы­ражается отношением экспериментально определенной объемной массы Y6. э к вычисленной по формуле (7.28):

Кфу = Убэ/7б< 1. (7.29)

В качестве иллюстрации к изложенному рассмотрим следующий пример. Допустим, что после виброформова­ния бетонной смеси показатель плотности упаковки зерен заполнителя Dc=0,716 и v3=2,6 т/м3. В процессе уплот­нения бетонной смеси с (В/Ц)бнач =0,28+41/550=0,354 под давлением Р=2 МПа, параметр (В/Ц)1ст =0,195 (табл. 3.2). При ^"ач = 1,97 т/м3, ег. о=0,529 и ег=0,339 будем иметь

0,529 — 0,339

Dv = —-------------- :----- = 0,48.

Г 0,529 — 0,133

Определим относительную объемную контракцию це­ментного геля. При расходе цемента 550 кг/м3 Кн. г=

=0,28; ри=2,59 т/м3; (В/Ц) =0,28+ ^ =0,3;ХНач=

55U

0 3

= —^—===== 1,08 относительный объем цементного геля до

0,28

Прессования, вычисленный по формуле (1.18), будет ра­вен

Р = 550 [----- — + 0,28(1,08 — 0,292) 1 = 0,344.

]_ 2,59 J

Следовательно,

Дрк = 0,344 (0,48 — 1) =— 0,178.

После уплотнения под давлением Р=2 МПа относитель­ный объем цементного геля уменьшается до величины Ру = 0,344 (1 —0,178) = 0,284.

Это удовлетворяет условию, при котором не будет дробления зерен заполнителя, т. е. р=1—0,716=0,284.

В связи с уплотнением цементного геля объемная мас­са его возрастает до следующего значения: 7г= 1,97 (1 + 0,178) = 2,32 т/м3.

Аналогичный результат может быть получен по фор­муле (3.14), а именно

2,59(1 + 0,195) з

Уг =---- , ^ — = 2,32 т/м3.

Гг 1+0,339

Согласно вычисленным данным, объемная масса виб - роформованной и уплотненной под давлением Р=2МПа бетонной смеси составит

Уб = 0,716-2,6 + 2,32-0,284 = 2,52 т/м3.

Для того чтобы удостовериться в правильности вы­численного значения 75, необходимо сопоставить ее с данными, полученными экспериментальным путем. Сде­ланная проверка показала высокую точность вычислений по формуле (7.28), а это свидетельствует об объектив­ности информации, полученной по остальным зависимо­стям.