Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

Строение зерен заполнителя и водопотребность бетонной смеси

Основные факторы, влияющие непосредственно или косвенно на формирование коагуляционной структуры цементного геля в бетонной смеси, — крупность, шерохо­
ватость, пространственная упаковка, величина поверх­ности и водопоглощения зерен щебня (гравия) и песка (заполнителя). От этих факторов зависит количество це­мента и воды, необходимое для придания бетонной смеси определенной формуемости и уплотняемоеги. В свою оче­редь цементный гель, связанный адгезионными силами с зернами заполнителя, существенно влияет на плотность их упаковки в бетонной смеси. Отсюда следует, что це­ментный гель и заполнитель составляют единую, взаимо­обусловленную в физико-механическом отношении сис­тему.

Обозначив через Fс — площадь поверхности зерен щебня (гравия) и песка; Uc — их удельную поверхность; 6с—толщину пленки из цементного геля на зернах запол­нителя, можно составить зависимости для определения:

Объема заполнителя

V3 = Vc(l-mc);

Удельной поверхности зерен заполнителя

Uc =-------------- ^----------- ;

Vc(l — тс)

Объема пленок (оболочек) из цементного геля Fc 6С = и с У с бс (1 —MG);

Объема зерен заполнителя с пленками из цементного геля

Ml - тс) + Fc бс = Fc (1 - rnc) (1 + Uc 8С).

Объем пустот между зернами заполнителя после раз­движки их пленками из цементного геля определяют из отношения

Vcmc Vc(l-mc)( + Uc 6С) /11/fn

----------------- —----------- —--------------------- = Fc тс (1 + и с бс).

Ус (1 — ГПС)

Объем цементного геля, необходимый для заполнения _пустот и образования пленок на зернах щебня (гравия) и леска, равен

У г ^Устс(1 + исдс) + исУс(- тс) 6С - У с (тс + Uc Вс). (7.1)

Объем бетонной смеси после раздвижки зерен запол­нителя пленками из цементного геля определяется выра­жением

V6.C = Ml - Mc) + Vc (тс + и с вс) = ^с (1 + Uc 6С).

19—634

При VQ.C=1 найдем объемы заполнителя и це­ментного геля, приходя­щихся на единицу объема бетонной смеси:

Рис. 7Л. Строение заполнителя Vc = 1/(1 + F/6G). (7.2)

До раздвижки цементным ге­лем (а) и после раздвижки (б) После подстановки (7.2)

/ — зерно; 2 — оболочка из цемент - г» /7 П пппуним ного геля толщиной бс. а V/-V пилу ним

^г=(тс+^сбс)/(1+^сбс). (7.3)

Поскольку объем цементного геля Vr соответствует объему пустот между зернами заполнителя в бетонной смеси, можно написать, что тс.6 = VT. Из этого следует, что в отличие от строения зерен щебня (гравия) и песка в насыпном состоянии их строение в бетонной смеси определяется объемом пустот и удельной поверхностью смеси заполнителей. Толщина пленки бс зависит от структуры цементного геля и параметров механического воздействия на бетонную смесь при ее транспортирова­нии и уплотнении (рис. 7.1).

По различным литературным данным, толщина плен­ки может меняться в пределах 13—25 мкм. При вибри­ровании бетонной смеси достигается наиболее плотная упаковка зерен заполнителя, в связи с чем в этом слу­чае можно принять 6с=13 мкм.

Удельная поверхность заполнителя определяется раз­мером, формой и шероховатостью составляющих его зе­рен: чем они мельче и больше шероховатость поверхно­сти, тем значительнее удельная поверхность зерен запол­нителя и при прочих равных условиях больше тс. б. Если известен гранулометрический состав, то удельная по­верхность, м2, приходящаяся на 1 т массы зерен щебня (гравия) и песка, может быть в общем виде выражена суммой:

П п

QnS Рш^пгНЭщЦ PmiUmt . (7.4)

L 1=1 1=1

Аналогичным образом можно написать уравнение для определения общего водопоглощения смеси зерен щебня (гравия) и песка, которое, как известно можно предста­вить в виде суммы, состоящей из двух членов:

П п

Qn2 Рпг WnI + Qm23 Pmt WM +

I=i t=i

В уравнениях (7.4) и (7.5) обозначены: Qn и С?щ — массы песка и щебня (гравия), кг; Pni и — их процентное содержание; Uni и £Лц$ удельная поверхность, см2/г, Wni и WW, Wni и ^щ* — водо­поглощение поверхностью и порами каждой фракции песка и щебня (гравия) соответственно (данные взяты из табл. 6.10 и 6.11).

При необходимости общее водопоглощение смеси зе­рен различных фракций может быть подсчитано непо­средственно по данным табл. 6.10 и 6.11 при помощи за­висимости

1=1 1=1

Где Wn[ и WЩ1« — общая водопотребность каждой фракции песка и щебня (гравия) соответственно.

Количество жидкой фазы в бетонной смеси зависит от требуемой ее формуемости и уплотняемости. В об­щем случае оно определяется консистенцией цементно­го геля, водопоглощением смеси песка и щебня (гравия), а также их влажностью. На этом основании можно на­писать:

B6G - Вг + в3 = ЦХКН. Г + 0,0001 11QQ1^Zn QnX

П

Я

'ш' ^ 100 ^ * щ£

I=i г=1

Где Zn и — относительная влажность песка и щебня (гравия), %.

Для бетонных смесей на пористых заполнителях вы­ражение (7.7) можно упростить, так как общее их водо­поглощение не зависит от крупности зерен. В таком случае будем иметь

100— 2П

Вб. с = ДОКн. г + о. ооопг

100 100

Здесь следует отметить, что водопоглощение заполните­лей в бетонной смеси происходит в несколько иных ус­ловиях, чем при непосредственном их взаимодействии с водой. Формирование коагуляционной структуры це­ментного геля сопровождается постепенно развиваю­щимся процессом насыщения жидкой фазы ионами минералов цемента. В связи с этим снижается интенсив­
ность насыщения заполнителей жидкой фазой в бетон­ной смеси. Особенно ощутимо это проявляется на пори­стых заполнителях; по имеющимся экспериментальным данным, водопоглощение их в контакте с цементным ге­лем составляет 0,65—0,8 суточного насыщения непо­средственно в воде. Не допуская существенной погреш­ности, зависимость (7.8) можно представить в следую­щем виде:

100 — ZIT 100 — Zttt

Вб. с = ЦХКн.г + 0,000075 W* 1QQ П Qn + {QQ Щ Qm. (7.9)

Попутно представляется возможность оценить сущ­ность методики, использованной при определении обще­го водопоглощения зерен песка по нормальной густоте цементного слоя. Если принять в (7.7), что B6.c=const, Х= const для данного вида песка, тогда при каждом значении Ц и Кп.Г уравнение с двумя неизвестными при­водится к одному показателю — общему водопоглоще - нию зерен песка — W"n%

Аналитические методы расчета водопотребности бе­тонных смесей в разное время предлагал ряд исследо­вателей. В частности, метод, приведенный в работе [35], сводится к вычислению количества воды, требуемой для бетонной смеси условной (землистовлажной) консистен­ции Вук. Расчет производится по линейной зависимости, которая в общем виде представляет собой следующее равенство:

B7K = W1U, + W2n + WВ г, (7.10

Где Wu Wz и W3 — водопотребность единицы массы цемента, песка и щебня (гравия) соответственно; Wi — принимается равным 0,23 от массы цемента (W7Zf=0,23 оответствует 0,876 /Сн. г).

Для перехода от условной к абсолютной водопотреб­ности бетонной смеси при соответствующей заданной ее подвижности предложена таблица так называемых «чи­сел консистенции». В зависимости от требуемой подвиж­ности бетонной смеси «число консистенции» умножают на водопотребность Вук и полученное значение прини­мают за абсолютную водопотребность бетонной смеси.

Несколько позже были введены изменения в изло­женную выше методику, а именно: при данной водопо­требности цемента, равной 0,23 Д, полное количество воды на замес вычисляли по формуле

Vdnd(n + i)

Где Рс — масса материала, кг, или % общей массы сухой смеси пес­ка и щебня (гравия), размер зерен которых находится в пределах Dn и D(N+I), мм; N — коэффициент, зависящий от свойств заполни­теля (плотности, формы и состояния поверхности зерен).

Методика, изложенная выше, была приспособлена к местным условиям. В измененном виде условная водо­потребность бетонной смеси связана с осадкой нормаль­ного конуса, равной 7 см. Для других осадок конуса приведены поправочные коэффициенты с целью перехо­да от условной водопотребности к водопотребности, со­ответствующей заданной подвижности.

По первоначальному виду зависимости (7.10) и экс­периментальным данным, приведенным в работе [149], выведена формула для вычисления относительной водо­потребности бетонной смеси с осадкой конуса 5—7 см: 1СШв = (20 + P/Dcv) (A + Bp + Cq),

Где W —искомая водопотребность на 1 кг цемента (В/Ц); р и Q —

В

Массовое содержание песка и гравия на единицу массы цемента; а, Ь и с — коэффициенты, зависящие от свойств применяемых мате­риалов.

После определения WB вычисляют абсолютную во­допотребность на 1 м3 бетона.

Следует отметить, что эти методы не учитывают в должной мере адсорбционную способность цемента и влияние физических свойств заполнителя на водопотреб­ность бетонной смеси. Их основной общий недостаток заключается в том, что водопотребность бетонной смеси связывается с некоторой ее условной величиной и опре­деляется путем введения различных поправочных и пе­реходных коэффициентов, поэтому область применения подобных эмпирических зависимостей ограничивается в основном свойствами цемента и заполнителей, близки­ми к тем, на базе которых они были получены.

Так, например, нельзя непосредственно определять водопотребность легкой бетонной смеси по приведенным формулам.

В заключение следует отметить, что-не вполне удач­ные попытки различных исследователей увязать водопо­требность бетонной смеси с ее подвижностью в виде про­стой эмпирической зависимости, пользуясь условными величинами, свидетельствуют о том, что такая задача не может быть однозначно решена математически. Очевид­но, чтобы установить связь водопотребности с подвиж­ностью бетонной смеси, требуются дополнительные ус­ловия.

В процессе формирования коагуляционной структу­ры цементного геля количественное соотношение жид­кой фазы в компонентах бетонной смеси может изме­няться, так как свойства геля зависят от взаимодейст­вия двух капиллярно-пористых систем (цементного геля и заполнителя). На определенной стадии избыточная жидкость в цементном геле поглощается пористым за­полнителем, и этот массоперенос может продолжаться до тех пор, пока силы, вызывающие отсос воды и удер­живающие ее, не уравновесятся. В зависимости от из­менения радиуса капилляров во взаимодействующих пористых системах равновесное состояние наступает в различное время. Чем больше воды содержится в це­ментном геле, тем дольше при данном капиллярном по­тенциале заполнителя будет продолжаться обезвожива­ние цементного геля в бетонной смеси.

Поглощение жидкой фазы заполнителем из цемент­ного геля ускоряет его загустевание и это ведет к поте­ре пластических свойств бетонной смеси. Это можно про­следить по кинетике массопереноса в бетонной смеси на вулканическом (кармрашенском) шлаке и ахтанакском туфе, отличающихся пористостью и радиусом капилля­ров. При свободном водонасыщении стабилизация про­цесса наступает через 30 мин. За это время относительное водонасыщение кармрашенского шлака составляет 84%, а ахтанакского туфа—65% количества воды, поглощен­ной в течение 24 ч.

Если при обычном водонасыщении вулканический шлак поглощает больше воды, чем ахтанакский туф, то в процессе их взаимодействия с цементным гелем про­исходит обратное явление. При всех значениях X от 1 до 1,65 за одно и то же время шлак поглощает из цемент­ного геля больше жидкой фазы, чем туф (рис. 7.2).

Полученные результаты могут быть объяснены сле­дующим образом. При погружении заполнителей в воду они насыщаются в условиях атмосферного давления в течение суток в определенной зависимости от их струк­турной пористости; поскольку пористость вулканическо­го шлака выше, чем туфа, то и водопоглощение его меньше, чем шлака.

При взаимодействии двух капиллярно-пористых си­стем и наличии градиента влажности перенос вещества
осуществляется от порис­того тела с меньшим ка­пиллярным потенциалом к пористому телу с боль­шей его величиной. По­скольку параметры, ха­рактеризующие реологи­ческие свойства жидкой среды в цементном геле в каждый момент времени, можно считать постоян­ными величинами, капил­лярный потенциал будет зависеть только от ради­уса капилляра гк. В карм - рашенском шлаке радиусы всех пор превышают ЗХ ХЮ~2 см, а в ахтанакском туфе такие поры составля­ют незначительную долю от более дисперсных. Следо­вательно, туф характеризуется большим капиллярным потенциалом и поэтому он отсасывает больше жидкой фазы из цементного геля, нежели кармрашенский шлак, Из рис. 7.2 видно, что чем меньше воды в цементном ге­ле, т. е. меньше сечение структурных пор в нем, тем меньше жидкости отсасывается пористыми заполните­лями.

Массоперенос в бетонной смеси вызывает дополни­тельную контракцию объема цементного геля, при кото­ром из него отжимается некоторое количество жидкой фазы. Если объем цементного геля будет меньше объ­ема пустот в заполнителе, отжатая жидкость сосредо­точивается у поверхности его зерен. В случае когда за­полнитель не оказывается способным поглотить жид­кость, она под влиянием силы тяжести скапливается под его зернами. В этих местах образуются «водные меш­ки», которые уменьшают поверхность сцепления цемент­ного камня с зернами заполнителя и снижают прочность бетона. Чтобы этого не было, количество цемента и во­ды затворения следует назначать из расчета, при кото­ром после уплотнения бетонной смеси объем цементного геля будет как минимум соответствовать объему пустот между зернами заполнителя. Применение щебня вместо плотного гравия зачастую устраняет возможность обра­зования водных мешков, так как щебень характеризует­ся более высоким водопоглощением.

Вибрирование, вибропрессование, центрифугирова­ние, вибровакуумирование и другие способы уплотнения бетонной смеси, способствуя отжатию жидкой фазы из цементного геля, одновременно предотвращают возмож­ность образования водных мешков под зернами запол­нителя.