Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЗВЕШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

Структурные связи, образующиеся в цементном геле, создают дополнительное сопротивление погружению в него твердого тела (зерен заполнителя).

В отличие от нормальных жидкостей, подчиняющих­ся закону Архимеда, взвешивающая или поддерживаю­щая сила (несущая способность) цементного геля — ве­личина переменная, зависящая от степени связности сис­темы и от состояния, в котором она находится: в движе­нии или покое, поэтому следует различать статическую и динамическую взвешивающую способность цементно­го геля.

Статическая взвешивающая способность определяет­ся сопротивлением цементного геля сдвигающим силам, возникающим при медленном погружении тела под дей­ствием собственной массы.

Погружение тела может происходить при условии, если масса тела за вычетом массы вытесненного им объ­
ема цементного геля будет больше предельного напряже­ния сдвига.

Допустим, что при погружении зерна шарообразной формы сопротивление сдвига преодолевается по всей поверхности его соприкосновения с цементным гелем. Пренебрегая силой поверхностного натяжения жидкой фазы как величиной ничтожно малой по сравнению с to, запишем условие погружения шара в цементный гель [86]:

4я4Т0<4/ЗЯ4(7ш-7г),

Откуда

^(7ш-7г)>т„; (2.69)

С1щ, ут—диаметр и объемная масса шара соответственно.

Форма зерна песка, щебня или гравия может значи­тельно отличаться от шарообразной, поэтому погруже­ние их в цементный гель под влиянием собственной мас­сы происходит при больших сопротивлениях, чем шаро­образных зерен. Для приближения к реальным условиям влияние формы может быть учтено соответствующим коэффициентом. Ф. Зерна песка и более крупных фрак­ций имеют обычно форму, близкую к овоиду или эллип­су и реже плоскую, в связи с чем коэффициент Ф изме­няется в пределах от 1,1 до 2.

С некоторыми допущениями коэффициент Ф может быть выражен отношением большего размера зерна в поперечнике — rfmax к меньшему — DmIn, т. е.

Ф = <*пшхЛ*т1п. (2.70)

Обозначив через Dyc— условный диаметр зерна по ситовому анализу и определив Ф, связь между Dvc и эк­вивалентным диаметром шара — Dm можно записать в следующем виде:

DyG = Ф^ш или = . (2.71)

Если подставить вместо Dm его значение в (2.G9), то условие погружения зерен различной крупности с объем­ной массой у3 в цементный гель можно переписать в виде

8*

115

^Vc > 6Фт0/(гз-Гг). " (2.72)


При прочих равных условиях взвешивающая способность це­ментного геля зависит от адсорб­ционной способности (водопот - ребности) цемента — Кн и об­щего водосодержания, которое удобно выражать через XKlhV. Характер зависимости, соответ­ствующей условию (2.72) имеет вид, аналогичный функции т0 от X, что свидетельствует о прева­лирующем влиянии на процесс погружения зерен различной кру­пности структурной прочности цементного геля (рис. 2.23).

СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЗВЕШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

1 1,з 1,65

Судя по рис. 2.23, погружение зерен различной крупности в це­ментный гель в ряде случаев ли­бо вовсе не происходит или весь­ма затруднено. Для того чтобы Рис. 2.23. Статическая этот процесс стал возможным, Взвешивающая способ- необходимо разрушить структур­Ность цементного геля ные связи соответствующим ме­ханическим воздействием (напри­мер, вибрированием), способным разжижить цементный гель. Если в цементный гель, заключенный в емкость (сосуд), поместить зерно песка или щебня определен­ной массы и затем воздействовать вибрацией, то при разжижении цементного геля создадутся благоприятные условия для погружения в него зерна под влиянием соб­ственной массы и инерционной силы. Погружение зерна начинается не сразу, а после установления вынужден­ных колебаний частиц в цементном геле, при этом зерна песка или щебня в этот процесс не будут вовлекаться из-за несоизмеримости их массы с массой цементных частиц. Зерно с определенной скоростью, зависящей от его массы и вязкости цементного геля, будет погружать­ся до тех пор, пока в нем при отключении источника ко­лебаний (вибрации) не наступит новое состояние структурного равновесия. Опустившееся на некоторую глубину зерно затем остается на этом же уровне и не всплывает, принимая исходное положение, так как этому препятствуют восстановившиеся структурные связи це­ментного геля.

Экспериментальные исследования динамической взве­шивающей способности цементного геля, проведенные при различных режимах вибрирования (табл. 2.3), показы­вают, что скорость погружения зерен одинаковой массы и формы зависит от структурной плотности и полноты разрушения внутренних связей цементного геля. При прочих равных условиях зерно погружается в цементный гель тем быстрее, чем оно тяжелее, а при одинаковых массах и крупности — чем ближе форма зерна к шаро­образной. После кратковременного перевода цементно­го геля в жидкое состояние, увеличение скорости вибри­рования заметно не влияет на скорость погружения зерен различной крупности; другими словами, при то= =0 взвешивающая способность определится подъемной силой Архимеда, возникающей вследствие разности объ­емных масс зерна и жидкой фазы цементного геля. Та­ким образом, если скорость и глубина погружения зерен различной крупности в покоящемся цементном геле обу­словливается преодолением его структурных связей только под влиянием собственной массы зерен, то при вибрационном воздействии масса их играет подчиненную роль, так как сопротивление структурных связей цемент­ного геля либо сильно ослабляется, или вовсе не сказы­вается (при полном их разрушении). Однако здесь сле­дует иметь в виду, что в общем случае масса зерна, дей­ствующая в сторону результирующей ускорения, облегчает работу, затрачиваемую на преодоление сопро­тивления структурных связей цементного геля при вибра­ционном воздействии.

Поскольку опустившееся вниз зерно затем не всплы­вает после прекращения вибрации (это можно наблю­дать при вибрировании бетонной смеси на пористых за­полнителях), то полагаем, что результирующее ускоре­ние, направленное вниз, превышает составляющие ускорения, направленного вверх, и, следовательно, опре­деляющее влияние оказывает в основном величина максимального ускорения в направлении погружения зерна. В связи с этим можно считать, что действие виб­рации, обусловливающей уменьшение взвешивающей способности цементного геля, выражается в некоторой степени в увеличении массы погружающегося в него те­ла за счет силы инерции.

При гармонических колебаниях наибольшее ускоре­ние может быть записано в следующем виде [4]:

ТАБЛИЦА 2.3. СКОРОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ ЗЕРЕН В ЦЕМЕНТНОМ ГЕЛЕ (ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ К„ =0,27)

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ВИБРИРОВАНИЯ

Скорость погружения зерен, см/с, при

£

£ £

С

J

« я

Оч

СО

Форма зерен

Х=1

7Г=2,1 г/см3

Х=1,1

7г=1,98 г/см*

X=l,35 Yr= г/смч

1,95

Н

«

С

<3

Со О

Скорость вибрации, см/с

Ь

£

£

Со

6,73

7,5

| 10,5

50,5

6,73

7,5

10,5

50,5

6,73

I "

10,5

9

8

1,125

0,65

Геоид

0,0334

0,0625

0,083

2,6

1,8

2,1

2,5

8,7

И

15

25

16

12

1,33

2,88

Эллипсоид

0,333

0,434

0,5

6,0

2

2,2

5,8

8,05

15

17

28

19

16

1,285

5,4

Плоская

0,0835

0,117

0,15

3,8

2,8

2,97

3,2

9

18

22

26,5<

25

23

1,08

8,25

»

0,133

0,167

0,2

4

2,8

3,2

3,5

7,6

19

23

25,5

43

30

1,43

37,8

Эллипсоид

0,24

0,267

0,333

4,7

4,4

4,6

5

10,33

25

27

31

30

24

1,25

11,9

Плоская

0,334

0,42

0,5

2,1

2,3

2,5

3

8

18

23

26

43

32

1,34

19,35

»

0,03

0,06

0,085

2,6

1,8

2,2

2,5

9,6

11

16

24,5

62

38

1,63

111,35

Эллипсоид

0,6

0,935

1,35

10,5

9,3

10

11

23

61

44

1,385

66,9

Плоская

0,2

0,25

0,3

2,6

3,4

3,8

4,4

16,5

59

42

1,4

103,65

Эллипсоид

0,835

0,932

1,03

5,4

3,6

4,2

4,8

24

86

47

1,83

259,85

»

1,47

1,6

1,8

13,5

14

16,0

18

60

88

57

1,545

181,42

Плоская

0,37

0,54

0,55

5

4

5,2

5,2

26

Шах р3 = 4я ©з а3. (2.73)

Тогда фиктивная объемная масса зерна, как бы возрос­шая под влиянием ускорения от вибрации, будет равна

Рз + g

= ----- (2.74)

О о

Где (о3 — частота колебаний в 1 с; а3 — амплитуда колебаний, см.

Пренебрегая явлением, вызывающим нарушение сцепления цементного геля с поверхностью зерна при периодическом разрушении структурных связей в про­цессе вибрирования, запишем условие динамической взвешивающей способности цементного геля, подставив в (2.74) вместо у3 его значение с учетом влияния инерци­онного фактора:

DY* > —/ о 26T°-------------- х---- • <2'75)

4лг ©; а{

Тз(------- / Yr

Решив (2.75) относительно частоты ©3, после преобразо­ваний получим

Из условия (2.76) следует, что частота вибрирования, способствующая погружению зерна под действием его собственной массы, зависит от прочности связей и объем­ной массы (плотности) цементного геля, размера, формы и объемной массы зерна, а также от амплитуды его коле­баний.

Подставляя в (2.76) численные данные для то, у3 и Yr, соответствующие определенным значениям Л', по ве­личине амплитуды а3 можно вычислить частоты со3, при которых зерна различной крупности способны преодоле­вать сопротивление структуры цементного геля и погру­жаться в него при вибрационном воздействии. Графиче­ские зависимости, соответствующие амплитуде колеба­ний 0,1 см, показывают (рис. 2.24), что при 0,1 см ветви кривых асимптотически приближаются к оси орди­нат (частот), т. е. для погружения столь мелких зерен необходимы более высокие частоты колебаний, чем это было определено при рассмотрении резонансного меха­низма тиксотропного разжижения цементного геля.

Если в цементный гель помес­тить большое число зерен, напри­мер песка одной крупности, то они не составят сплошной среды, так как между зернами не возникают собственные структурные связи; их образует цементный гель при над­лежащем адгезионном сцеплении с поверхностью зерен. Поскольку даже самые мелкие зерна песка имеют несравненно большую массу, чем цементные частицы (флокулы), то частоты собственных колебаний таких зерен (обусловленные часто­тами возбудителя колебаний) бу­дут на несколько порядков ниже собственных частот колебаний це­ментных частиц, поэтому при уста­новившихся вынужденных колеба­ниях зерен песка разжижение силь­но концентрированного цементного геля (например, при Х^.1) прои­зойти не может. Однако возникаю­щие при этом амплитудные дефор­мации могут создать условия для погружения зерен определенной крупности под действием собствен­ной массы и силы инерции в це­ментный гель. Исключением могут служить ситуации, когда вследст­вие слабых структурных связей, формирующихся в цементном геле при высоких значениях В/Ц, они легко разрушаются под влиянием низкочастотной вибрации. В этом случае совмещаются условия проявления тиксотропии цементного геля и по­гружения (осаждения) в нем зерен той или иной круп­ности.

При исследовании кинетики седиментации высокодис­персных частиц Стоксом установлено, что скорость этого процесса в суспензиях зависит от ряда факторов: круп­ности и концентрации частиц, их коагуляции и др. Как видно из табл. 2.4, одиночные частицы осаждаются в воде очень медленно, и для того, чтобы частица разме-

ТАБЛИЦА 2.4. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ В ВОДЕ ПО СТОКСУ ОТ ДИАМЕТРА И ВРЕМЕНИ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ

Диаметр частиц при плотности 2,65 г /см3 по Стоксу, мм

Время осажде­ния частиц на, глубину 1 см

Скорость осаж­дения частиц, см/с

Диаметр частиц при плотности 2,65 г/см3 по Стоксу, мм

Время осаждения частиц на глубину

Скорость осаж­дения частиц, см/с

0,05

5 с

0,2

0,0023

36 мин

0,00046

0,0156

50 с

0,02

0,0012

2 ч 24 мин

0,00011

Ром 1,2 мкм опустилась в воде на 1 см, требуется 2 ч 24 мин. Как известно, формула Стокса (по которой составлена табл. 2.4) выведена из предположения, что объем жидкости неограниченно велик, между частицами и жидкостью отсутствует сцепление. Условие о неогра­ниченном объеме жидкости практически соблюдается при концентрации суспензии, не превышающей 1%.

Концентрация цементного геля значительно выше той, которой соответствует формула Стокса, поскольку даже при Х=1,65 концентрация твердой фазы составля­ет более 0,66%, поэтому надо полагать, что время осаж­дения частиц цемента в такой среде должно быть значи­тельно большим, чем в воде. Между тем эксперименты показывают, что после приготовления цементного геля при X^lfiS процесс осаждения длится не более 1 ч. Это означает, что седиментация частиц цемента происходит в результате их агрегирования в более крупные элементы (флокулы), которые вследствие возросшей массы осаж­даются значительно быстрее, чем отдельные частицы цемента.

Если на систему с разобщенной флокульной структу­рой воздействовать вибрацией, то в жидкой фазе суспен­зии возникнут вихревые токи, которые будут препятст­вовать процессу осаждения твердой фазы. По мере уве­личения концентрации твердой фазы влияние сил притя­жения частиц возрастает и осаждение отдельных фло - кул сильно затрудняется или вовсе становится невоз­можным, когда между всеми частицами и флокулами образуются структурные связи, т. е. при Х<1,65. В этом случае расстояние между отдельными макроструктур - ными Элементами может изменяться только в результате пластической деформации всего объема цементного геля под влиянием собственной массы.

Единственно возможным средством осуществления направленной рекомбинации высокодисперсиых частиц твердой фазы в цементном геле является режим вибри­рования. Под влиянием вибрационных импульсов про­цесс коагуляции временно расстраивается — происхо­дит пептизация флокул и тем интенсивнее, чем ближе частота вынужденных колебаний к частоте их собствен­ных колебаний. В процессе пептизации флокул возраста­ет дисперсность твердой фазы и их способность к взаи­модействию, поэтому после окончания вибрирования сцепляется большое число частиц, и обратимый переход цементного золя в гель сопровождается возникновением нового энергетического состояния равновесия внутренних сил в цементном геле.

Из изложенного видно, что условие (2.76), выведен­ное для сравнительно крупных зерен, не может служить физически обоснованным критерием виброседиментации фракций крупностью ^0,1 см, поскольку они, как и час­тицы цемента, при взаимодействии с водой образуют структурированные системы [5]. Поэтому при рассмот­рении механизма действия вибрации на бетонную смесь необходимо различать два связанных между собой, но физически (качественно), различных явления: псевдо­разжижение цементного геля, определяющееся резонанс­ным совпадением частот собственных колебаний цемент­ных частиц с частотами вынужденных колебаний и по­гружение зерен заполнителя в цементный гель. Следовательно, в общем случае совместить оба критерия (2.54) и (2.76) в один не представляется возможным, так как для плотной упаковки зерен песка и щебня до­статочно лишь энергичного встряхивания при амплитуде, способной вызвать их перемещение, а в целях кратко­временного разжижения цементного геля, достижения равномерного обводнения частиц цемента и как следст­вие этого — более полной активации сил их взаимодей­ствия — необходима соответствующая высокая частота возбудителя вынужденных колебаний.

Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

УСАДКА И ПОЛЗУЧЕСТЬ БЕТОНА

EK-w ,мпа 6 0,8761 /,3 1 1,651,7 Хост При твердении цементного геля внутри образующих­ся кристаллов молекулы воды группируются вокруг ио­нов кальция и других минералов; их количество растет С увеличением давления …

ЗАВИСИМОСТЬ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ БЕТОНА ОТ ЕГО СОСТАВА И УПРУГИХ СВОЙСТВ ЗАПОЛНИТЕЛЯ

При проектировании железобетонных конструкций учитываются не только прочностные, но и деформатив - ные свойства бетона, которые в значительной степени предопределяются модулем его упругости Модуль упругости бетона Е& обычно вычисляют по …

ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА

Прочность бетона при сжатии зависит при данной ак­тивности цемента от механических и деформативных свойств цементного камня и заполнителя, концентрации их в единице объема материала, прочности сцепления, а также от формы …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов оборудования:

Внимание! На этом сайте большинство материалов - техническая литература в помощь предпринимателю. Так же большинство производственного оборудования сегодня не актуально. Уточнить можно по почте: Эл. почта: msd@msd.com.ua

+38 050 512 1194 Александр
- телефон для консультаций и заказов спец.оборудования, дробилок, уловителей, дражираторов, гереторных насосов и инженерных решений.