Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

ФОРМУЕМОСТЬ И УПЛОТНЯЕМОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

Формуемость цементного геля (среды, придающей бетонной смеси это свойство) неотделима от конкрет­ных условий деформации смеси, т. е. способа и режима ее обработки. Без учета этих условий понятие формуе - мости не имеет физического смысла [99]. Для того что­бы выделить понятие формуемости из ряда других по­нятий, близких ему по смыслу и тасто применяемых вместо него, рассмотрим их дифференцированно.

Под пластичностью структурированного геля следует подразумевать его способность претерпевать значитель­ные необратимые деформации сдвига без разрыва сплошности. Показателем пластичности могут служить модуль сдвига и коэффициент внутреннего трения, так как в процессе релаксации при сдвиге сил взаимодейст­вия между частицами твердой фазы, по существу, и проявляется пластическая деформация.

Консистенция характеризует состояние системы, оп­ределяемое совокупностью всех сил внутреннего сцеп­ления (адсорбционных и капиллярных, а также сил трения). Консистенция может изменяться в зависимости от соотношения этих сил. При данной консистенции взаиморасположение и форма частиц твердой фазы, а также количественное и качественное соотношения со­ставляющих ее фаз (воздух, жидкая фаза различной вяз­кости и твердая дисперсная фаза) вполне определенны в объеме структурированной системы, поэтому изменение какого-либо из названных факторов способствует изме­нению консистенции цементного геля.

Показателем консистенции может служить, как это было ранее отмечено, сцепление, т. е. предельное напря­жение сдвига. В связи с этим консистенцию нужно оп­ределять одним и тем же методом при одинаковой сте­пени предварительного уплотнения цементного геля, так как консистенция его может изменяться в зависимости от упомянутых факторов. Таким образом, консистенция является условным понятием, характеризующим состоя­ние сил внутреннего взаимодействия частиц твердой фа­зы в конкретных условиях.

Способность цементного геля пластически деформи­роваться нельзя рассматривать в отрыве от его консис­тенции. Функциональную связь между этими двумя по­казателями можно выразить через коэффициент относи­тельной текучести [4]:

Wx — ^ОП ^х — Щп /Q 7П

1е— — , {J./1J

Wn — ^оп /р

Где /р — число пластичности.

Подставляя в (3.71) сох=Х-Кн. г; сооп=0,876 Кн. г; 0)П=1,65 Кн.г и /р= 1,65 Кн. г—0,876 Кн. г = 0,744 Кн. г, бу - Дем иметь

Х-0,876

В частных случаях при Х=0,876 /е=0 и при Х= 1,65 /е= 1. Следовательно, изменение консистенции цементно­го геля определяется условием

0</в<1. (3.73)

При /е=0 цементный гель представляет собой массу, со­стоящую в основном из несвязанных между собой мик­ро - и макрокомочков (флокул), а при /е= 1 — систему, близкую по своим реологическим свойствам к вязким (бесструктурным) жидкостям.

Пластические свойства цементного геля косвенным образом можно оценить по осадке цементного геля после снятия усеченного конуса, в котором он помещался (рис. 3.18).

Если цементный гель при разных значениях X оди­наково уплотнить, тогда после снятия конуса высотой Н величину осадки О. К.г можно выразить зависимостью

2 НугХ — 0,876

Или

О. Кг^-уЯуг/*. (3.74)

В формуле (3.74) множитель 2/з#Уг соответствует «гидростатическому» давлению, обусловленному собст­венной массой цементного геля, под влиянием которой он расплывается (пластически деформируется) без нару­шения сплошности. При прочих равных условиях пла­стическая деформация зависит от консистенции цемент­ного геля.

Пластичность и консистенция, каждые порознь взя­тые и в совокупности, еще не определяют формуемости
цементного геля. Послед­няя в общем случае не­отделима от уплотняемо - сти, которая связана с удалением свободной жидкости и воздуха из цементного геля, пере­ориентацией частиц твер­дой фазы и изменением распределения жидкости в объеме цементного геля.

Под формуемостью цементного геля следует подразумевать способ­ность его принимать лю­бую заданную форму в условиях деформации сжатия со сдвигом без нару­шения сплошности и образования структурных де­фектов. Чем выше деформативная способность цемент­ного геля при указанных условиях, тем лучше его фор- муемость.

В отличие от сплошных тел, энергия деформации дис­персных систем накапливается в виде поверхностной энергии, рассеивание которой сопровождается переори­ентацией частиц твердой фазы и перемещением жидкой фазы из менее напряженных областей к более напря­женным. При одновременной деформации сжатия и сдвига происходят следующие явления: к поверхностям, где возникают максимальные усилия сдвига, поступает жидкость со взвешенными в ней частицами твердой фа­зы (гипса, извести, клинкерных минералов, минеральных добавок, гидратированных новообразований). Ориенти­руясь в направлении силового поля, твердые частицы, выносимые жидкостью, встречая на своем пути прегра­ды, образуют включения в виде очаговых микрогелевых прослоек. Это явление сопровождается также дифферен­циацией в цементном геле частиц твердой фазы по круп­ности. В результате создается неоднородная структура цементного геля, и при прочих равных условиях она тем значительнее, чем больше воды затворения и выше внеш­нее давление, передаваемое на цементный гель.

По известным причинам, (речь о которых будет в гла­ве 4) сопротивление сдвигу микрогелевых включений меньше, чем остальной массы цементного геля. В связи
с этим они снижают его структурную прочность, харак­теризуемую предельным напряжением сдвига, так как разрушение сплошности происходит в первую очередь по ослабленным местам.

Образование указанных дефектов придает цемент­ному гелю свойство псевдопластичности, характеризую­щееся тем, что отдельные объемы с менее прочными структурными связями перемещаются более свободно от­носительно друг друга в направлении усилия сдвига. Таким образом, в цементном геле создаются как бьг ли­нейные дефекты, которые можно квалифицировать как дислокации структуры (рис. 3.19)."

Скорость образования линейной дислокации зависит от величины и направления внешнего давления, количе­ства свободной жидкости в цементном геле и скорости фильтрации. Как это было показано, поровая жидкость способна достаточно интенсивно перемещаться под дей­ствием гидростатического давления. Особенно быстро образуются дислокации в цементном геле при Х>, а при Х=0,876 и 1 они слабо выражены, так как связанная жидкость, являясь аномально вязкой, перемещается медленно. Это позволяет цементный гель оптимального

Водосодержания — Коп формо­вать при больших нормальных давлениях, не опасаясь образо­вания дефектов структуры и на­рушения ее сплошности.

Дислокации могут образовы­ваться при всех способах уплот­няющего воздействия на цемент­ный гель, если величина внешне­го давления не координируется содержанием воды в геле. Так, например, при транспортиро­вании цементного геля под дав­лением по трубе к наружной поверхности ядра потока отжимается жидкость со взве­шенными в ней высокодисперсными фракциями твердой фазы.

Скапливаясь и ориентируясь вдоль силового поля (в направлении движения), они создают подвижный погра­ничный слой, толщина и скорость образования которого зависят от количества жидкой фазы в цементном геле, дисперсности цемента и давления в зоне, прилегающей
к внутренней поверхности трубы. Образование так на­зываемых дислокационных дефектов может быть на­глядно иллюстрировано на примере центрифугирования цементного геля [7]. Под влиянием гидростатического давления, возникающего от центробежной силы, жид­кость с определенной скоростью перемещается по ра- диально направленным (к оси вращения) фильтраци­онным каналам, увлекает высокодисперсные фракции цемента и добавки, введенные в него, и выносит их в виде шлама на внутреннюю поверхность изделия. Одна­ко на участках фильтрационных каналов, где встреча­ются значительные сопротивления движению жидко­сти, некоторые количества взвешенных в ней высокодис­персных частиц оседают, а остальные выносятся вместе с жидкостью из цементного геля.

В рассмотренном случае к дислокационным дефектам следует отнести не только полости, в которых заключе­ны шламовые отложения, но и направленные фильтра­ционные протоки, сильно ослабляющие структуру и повышающие проницаемость цементного камня. Анало­гичные явления происходят и при вакуумировании цемент­ного геля, при котором в нем образуются направленные фильтрационные каналы и дислокационные дефекты.

При вибрировании с резонансной частотой возбужда­ются собственные колебания частиц твердой фазы, при­водящие к разжижению цементного геля и перераспре­делению в нем жидкости. Естественно, что при этцх яв­лениях в вязкопластическом цементном геле возникает турбулентный гидродинамический процесс, который под влиянием волнового давления сопровождается вытесне­нием некоторого объема жидкости со взвешенными в нем высокодисперсными (преимущественно) коллоид­ными фракциями. В зависимости от динамических пара­метров (главный образом от частоты вибрации) и содер­жания капиллярной жидкости объем взвеси в цементном геле может быть различным.

После окончания вибрационной обработки в цемент­ном геле возникают более прочные вторичные структур­ные связи, однако одновременно с этим в нем образуют­ся шламосодержащие полости (дефекты), равномерно распределенные в объеме, которые снижают эффектив­ность виброуплотнения и тем значительнее, чем больше воды затворения в цементном геле.

При прочих равных условиях объем и концентрация дислокационных дефектов в структуре цементного геля 12-634 177

А В РнфР

Рис. 3.20. Схема послойного уплотнения цементного геля

Зависят также от продолжительности действия нормаль­ного прессующего давления, т. е. от времени tфi в тече­ние которого происходит фильтрация.

В дифференциальной форме линейный закон фильт­рации несжимаемой жидкости через капиллярно-поро-

Вую среду выражается зависимостью[8]

= <3*75>*

Рш Ah

Где Кф — коэффициент фильтрации Дарси, см/с; H — длина пути фильтрации.

Коль скоро направление фильтрационного потока и давление совпадают, уравнение (3.75) может быть за­писано со знаком плюс. Допустим, что за время t жид­кость начала отжиматься из слоя ABCCD' толщиной h (рис. 3.20). Обозначим через F площадь сечения выде­ленного элемента перпендикулярную направлению фильтрационного потока; тогда, согласно закону Дарси, фильтрационный расход жидкости при рж=1 г/см3 опре­делится из следующего уравнения:

= = (3.76)

Зная характер изменения давления по толщине слоя Ph—Pf[h] после интегрирования в соответствующих пределах, получим:

H Р

<2ф J Dh = Кф DP; (3.77)

(3.78)

За время dt слой C'D'C'D" высотой dh вовлечется в гид­родинамический фильтрационный процесс, сопровожда­ющийся одновременной деформацией сжатия и сдвига. При этом объем вытесненной из слоя жидкости будет равен

Vm — тэ Fdh,

Где тэ — эффективная пористость цементного геля, соответствующая объему эффективных пор, из которых отжимается жидкость; Fdh— Объем уплотненного слоя.

Поскольку расход жидкости за время dt соответ­ствует объему можно написать следующее равенство:

Т9 Fdh = Q$dt. (3.79)

Подставляя в (3.79) значение Q<j) из (3.78), получим

Dt= ЩШ . (3.80)

Кф(Р-Рп)

Время /ф, необходимое для вовлечения всей толщи Ас в фильтрационный процесс, определяется при условии, что давление изменяется от Р до где 1.

'ф kn

Гляв------ глл.

J — Рл) J

После взятия интеграла получим:

ТэЬ2с

T<b=----- —----- . (3.81)

Ф 2/СфР(1—Рл) 1 '

Объем жидкости, отжимаемой из цементного геля за время tф, зависит от приложенного давления, в связи с чем тэ необходимо определять как разность между на­чальной тнач и остаточной т0СТ пористостью, т. е. тэ= —rtinач—/Пост, где тост может быть рассчитана при дан­ном Р по формулам (3.25) и (3.12). Внося значение для га3 в зависимость (3.81), получим окончательно

Ф 2Кф (1 — Рл) Р Для дисперсных сред, пористость которых не изменяет­ся в процессе фильтрации жидкостей и газов, Кф выра­жается формулой, например, следующего вида:

= Рж Tnd DK Ф 120Jii (1 — т) '

12* 179

При уплотнении цементного геля (равно и бетонной сме­си) пористость его изменяется в зависимости от величи­ны приложенного давления, т. е. Кф является в свою очередь функцией от Р.

В вязкопластическом состоянии изменение простран­ственной упаковки частиц твердой фазы и перераспре­деление жидкой фазы сопровождается также вытесне­нием ее из цементного геля. Этот процесс приводит к об­разованию дефектов, разобщающих сплошность сил взаимодействия в структуре цементного геля. Количест­во (объем) и характер распределения дефектов возра­стают с увеличением дисперсности частиц, объема ка­пиллярной жидкости и толщины формуемого слоя це­ментного геля.

Объем дислокационный дефектов может быть сни­жен, если величина внешнего давления будет подобрана в соответствии с консистенцией цементного геля (содер­жанием в нем поровой жидкости). Критерием, определя­ющим соответствие между указанными двумя парамет­рами, может служить скорость ламинарной фильтрации, максимальное (предельное) значение которой регламен­тируется числом Рейнольдса. Основная формула скоро­сти ламинарной фильтрации имеет вид

WKV=K/li РнрМс

Принимая во внимание, что К={хКф)/рж (где К — тео­ретическая проницаемость в см2) и рш=0,001 кг/см3, а также учитывая зависимость (3.70), запишем условие:

ТСф/0,001 PKP//ic < Re/v,

Откуда

Яяр <(^ярЛа)/1000Кф.

Подставляя вместо WK$ его среднее значение 0,2 см/с, будем иметь

РКр < ^с/5000Кф. (3.83)

Из формулы (3.83) следует, что критическое давление РкР, при котором могут образоваться (ослабляющие структуру цементного геля) локальные дислокацион­ные дефекты, возрастает с утолщением формуемого слоя Hc и уменьшением коэффициента фильтрации Кф. На­пример: при /гс = 5см и Кф=0,00063см/с (Х«1,4) РкР~ «0,16 МПа, а при Кф=0,00005 см/с (Х=0,876) Ркр= = 2 МПа.

Условие (3.83), служащее в какой-то мере критерием для оценки формуемости цементного геля, мбжет иметь практическое значение в диапазоне X от 1 до 1,3, так как при больших его значениях под влиянием слабых меха­нических воздействий в цементном геле возникают зна­чительные скорости фильтрации жидкости, при которых она во взвешенном состоянии способна переносить вы­сокодисперсные фракции твердой фазы. Поэтому поня­тие «формуемость» может быть применено к цементно­му гелю, а равно и к бетонной смеси, если в процессе придания ему заданной формы не происходит перерас­пределения и отжатия жидкой фазы. Способность це­ментного геля принимать заданную геометрическую фор­му можно косвенным образом оценить по пластической деформации (например, по осадке конуса или расплыву), зависящей также от его консистенции, т. е. от концент­рации частиц твердой фазы и сил внутреннего взаимо­действия между ними. Однако при оценке пластических свойств цементного геля однородность и сплошность его структуры (структурная плотность) не выявляются. Для большей информации о плотности структуры це­ментного геля представляется целесообразным ввести дополнительный параметр, характеризующий уплотняе - мость цементного геля, которую можно оценить по ко­эффициенту относительной уплотняемости:

Аг = (вР. о - вр)/(вр.0 - С), (3.84)

Где Ег — коэффициент пористости, соответствующий (после уплотне­ния) значению Хост.

При Р^0,065 МПа под коэффициентом пористости С следует подразумевать его значение ег. н, а при боль­ших нормальных давлениях С=0,133. Если цементный гель при данном нормальном давлении не уплотняем, то ег. 0=8г и Dv=0, а при абсолютном уплотнении, т. е. при ег=ег. н или ег=С, коэффициент Д,= 1. В общем случае относительная уплотняемость цементного геля может быть выражена условием

О < Dr < 1.

Таким образом, формоизменение цементного геля в общем случае характеризуется двумя взаимосвязанны­ми процессами: формуемостью и уплотняемостью.