Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

УПЛОТНЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕМ

Сущность центробежного формования и уплотне­ния заключается в том, что при вращении формы с рав­номерно распределенной в ней бетонной смесью вокруг неподвижной оси с определенной скоростью возникает прессующее центробежное давление, под влияним кото­рого из цементного геля отжимается жидкость со взве­шенными в ней высокодисперсными фракциями и одно­временно сближаются более крупные частицы твердой фазы. В результате такого процесса возрастает связность цементного геля и достигается уплотнение бетонной смеси.

Способность бетонной смеси равномерно распреде­ляться по внутренней поверхности вращающейся формы определяется вязкопластическими свойствами цементно­
го геля. Если поместить вязкопластическую или кратко­временно разжиженную вибрацией бетонную смесь во вращающуюся форму, то под действием центробежного радиально направленного давления она станет деформи­роваться — растекаться во все стороны. Это будет про­исходить до тех пор, пока не наступит равновесие между силами, способствующими распределению смеси в фор­ме, и структурным сопротивлением сжатию цементного геля. С увеличением скорости вращения формы из це­ментного геля начнет отжиматься жидкая фаза и будет это происходит до тех пор, пока уплотненная бетонная смесь не приобретет свойства псевдотвердого тела, де­формация которого может проявляться в основном в ви­де упругого последействия.

Центробежное давление непосредственно восприни­мается жидкой фазой, в связи с чем возрастает избыточ­ное гидростатическое давление, под влиянием которого фильтруется жидкость и одновременно уплотняется бе­тонная смесь. В результате уменьшается сжимаемость цементного геля и устанавливается равновесное состоя­ние, характеризуемое внутренним перераспределением давления и прекращением фильтрационного процесса из-за значительного сопротивления движению жидкости по поровым канальцам. Число оборотов вращения фор­мы и соответствующую величину центробежного давле­ния Рц, отнесенную к наружной поверхности изделия, при формовании и уплотнении бетонной смеси можно рассчитать по следующим зависимостям [7]:

« = 32 680 1/ Ч Рц, (Ю.5)

Рц = 93.10-U —----------- L пК (10.6)

А2

При известной линейной скорости V вращения фор­мы, измеренной на ободе бандажа, число оборотов п вы­числяют по формуле

30а

В процессе формования изделия Рц должно быть та­ким, чтобы бетонная смесь не обваливалась. Число обо­ротов вращения прас при распределении бетонной смеси,
соответствующее указанному условию, определяется вы­Ражением

Л/ ц—щ

«рас = 700 у —-------------- (10.7)

R2— Ri

В частном случае, приО. К.б = 3—4 см (В/Д)нач = 1,4/Сн. г в процессе распределения бетонной смеси в наружном слое цементого геля после отжатия жидкой фазы устано­вится (В/Ц)г0Ст = 1,2 Кн.г при структурном сопротивлении сжатию Ро=0,01 МПа (см. рис. 3.4). Подставляя в фор­мулу (10.6) Рц=Ро, определим прас бетонной смеси:

«рас = 32681/ (10.8)

V rI~R

Значения прас, вычисленные по формулам (10.7) и (10.8), удовлетворительно совпадают и это свидетельст­вует о том, что бетонная смесь равномерно распределяет­ся вследствие пластической деформации при сжатии це­ментного геля под влиянием центробежного давления.

Прессующее давление, как и гидростатическое, из­меняется по толщине стенки изделия неравномерно: от минимума на внутренней до максимума на наружной по­верхности изделия, поэтому жидкая фаза не может од­новременно отжиматься из всей толщины бетона. В на­чале более полно жидкость отжимается из наружных слоев бетона, где действуют наибольшие прессующие дав­ления, и по мере приближения к внутренней поверхности элемента вытесняется все меньше жидкой фазы. Из внут­реннего слоя, где прессующее давление близко к нулю, жидкость вовсе не отделяется, так как этому препятству­ет также слой ранее отжатой жидкости. Отсюда следует, что механизм водоотделения из бетонной смеси представ­ляет собой гидродинамический процесс фильтрации жид­кости из одного слоя бетона в другой, продолжающийся до тех пор, пока вся избыточная жидкость не отожмется из изделия и не восстановится новое равновесие между внутренними и внешними силами. Поэтому различные слои бетона будут содержать - разное количество жидкой фазы.

Значительная неравноплотность центрифугирования цементного геля по толщине изделия усугубляется нали-

Чием направленных радиальных фильтрационных кана­лов, сечение и количество которых возрастает от наруж­ной к внутренней поверхности элемента.

Микрокапилляры соединяются и образуют макрока­пилляры, которые затем составляют систему дисперсных протоков, исчезающих на подходе к внутренней поверх­ности элемента. Исчезновение протоков в этой зоне обу­словлено разжижением цементного геля жидкостью, вы­тесненной из расположенных ниже слоев, поэтому наружный слой цементного геля имеет относительно вы­сокую пористость.

Наименее развитая сеть фильтрационных каналов об­разуется при (В/Ц)пАч=1,2 Кн. г, однако при этом не до­стигается надлежащее распределение и уплотнение бе­тонной смеси. Поперечное сечение и количество фильтра­ционных каналов зависит от начального водосодержа - ния в цементном геле: чем меньше в нем свободной жид­кости, тем меньше ее отожмется при центрифугировании и более дисперсными будут фильтрационные каналы. Они могут вовсе не возникать, если не будет отжимать­ся жидкая фаза. Это возможно при (В/Ц)£ач ^Кя. г, на­пример при совмещении во времени вибрации и центри­фугирования. При послойном центрифугировании значи­тельно уменьшается количество и сечение фильтрацион­ных каналов, а выходы их в каждом уплотненном слое цементного геля перекрываются.

Если после уплотнения первого слоя удалить отжа­тую жидкость, тогда при уплотнении второго слоя она будет отслаиваться в основном только из него. Одновре­менно произойдет дополнительное уплотнение первого слоя (под влиянием возросшего прессующего давления от массы двух слоев) и вследствие деформирования фильтрационных каналов из них будет вытеснено неко­торое количество жидкости. Поскольку до распределения второго слоя большая часть жидкости была удалена из первого слоя, то в процессе уплотнения второго слоя в нем образуется менее развитая система фильтрационных каналов, чем при центрифугировании обоих слоев одно­временно. Аналогичным образом будут уплотняться тре­тий, четвертый и другие слои цементного геля. В резуль­тате послойного уплотнения разница в значениях (В/Ц) ост отдельных слоев цементного геля уменьшится, несмотря на то, что Рц в каждом слое после укладки всех остальных слоев соответствует величине Рц при однослой­ном центрифугировании.

При послойном центрифугировании формируется ме­нее пористая на 10—12% структура цементного камня, чем при однослойном. К тому же с уменьшением порис­тости изменяется строение пор, что значительно повыша­ет водонепроницаемость центрифугированного бетона. Важнейшим физическим параметром, определяющим продолжительность вовлечения элементарных слоев це­ментного геля в процесс уплотнения и окончание отслаи­вания жидкой фазы при данном прессующем давлении, является время центрифугирования бетонной смеси Применительно к условиям центробежного уплотнения бетонной смеси Кф может быть выражен следующей фор­мулой:

При эффективном диаметре частиц цемента d3= =0,00023 мм и 0=600 в окончательном виде получим

Кф = 0,0316 (10.9а)

Продолжительность центрифугирования в минутах определяется выражением:

*ц = 0,00084 (Шрас~тпост) Рц (10.10)

Кф Рц

Где Шрас и тост — пористость цементного геля после распределения и уплотнения бетонной смеси соответственно рц численно равен объему цементного геля в бетонной смеси.

Оптимальный режим центрифугирования, характери­зующийся Рц и зависит от многих параметров: состава бетона, вида цемента, толщины стенки и наружного диа­метра изделия, например при Кн. г=0,27 р=0,325; Рц = = 0,185 МПа; Hc=5,8 см; тОСт=0,343 и трас=0,42; Кф= =0,45- 10~3 и /ц=9 мин. В другом случае при Кн. г=0,3 (5=0,31; Рц=0,19 МПа; йс=8 см; тОСТ=0,343 и трас = =0,43; /(ф=0,338- Ю-3 и /ц = 22 мин.

Из анализа формулы (10.10) следует, что при дан­ном прессующем давлении увеличение расхода цемента удлиняет процесс центрифугирования. Такое же влияние оказывают гранулометрический состав заполнителей, во - допотребность цемента, толщина стенки изделия и водо - содержание бетонной смеси.

25* 387

По мере увеличения процесс водоотделения продол­жается, однако прочность бетона, как правило, снижа­ется.

Аналогичное влияние оказывает прессующее давле­ние: чем оно больше, тем быстрее в начальный период, отделяется жидкая фаза, в связи с чем при увеличении

Сверх оптимальной продолжительности прочность бе­тона уменьшается.

Закономерный спад прочности бетона при высоких значениях Рц после некоторого оптимального времени уплотнения смеси обусловливается изменением свойств структуры цементного геля при его сильном обезвожива­нии. При сильном обезвоживании цементного геля в уплотненном бетоне могут возникнуть растягивающие на­пряжения, приводящие к раскрытию радиальных трещин в стенке изделия. На раскрытие трещин значительно влияет упругое последействие стальной разъемной фор­мы и отчасти неравномерное распределение центробеж­ного давления на бетонную смесь. Например, при линей­ной скорости вращения формы 30 м/с в трубе диаметром 600 мм и толщиной стенки 60 мм на 12-й минуте (при /ц=6 мин) были обнаружены радиальные трещины ши­риной 1—1,5 мм и глубиной 3—4 мм.

Неравноплотность центрифугированного бетона вы­ражается не только в структурной неоднородности це­ментного камня, но и в характере распределения зерен заполнителя по толщине стенки изделия. Более крупные зерна прижимаются к наружной поверхности изделия, а мелкие сосредоточиваются ближе к его внутренней по­верхности, поэтому центрифугированный бетон отлича­ется от вибрированного неоднородным распределением зерен заполнителя по толщине изделия.

При надлежащем подобранном составе бетона на внутренней поверхности стенки элемента образуется корка шлама толщиной 0,5—2 мм, затем идет слой це­ментного камня, далее мелкозернистый бетон и бетон обычной текстуры. В соответствии с этим изменяется и распределение цемента по сечению стенки изделия. Та­кая неоднородность снижает прочность центрифугиро­ванного бетона по сравнению с той, какая должна была быть при равномерном распределении зерен заполните­ля по всему сечению элемента. Этот органический недо­статок центрифугированного бетона может быть устра­нен при послойном уплотнении бетонной смеси,

При уплотнении первого слоя из-за малой его толщи­ны отдельные фракции заполнителя распределяются бо­лее равномерно. В процессе уплотнения второго слоя зерна заполнителя внедряются во внутреннюю часть пер­вого слоя, характеризующуюся избыточным содержани­ем цементного геля, и вытесняют его во второй слой. Благодаря этому в первом слое достигается равномерное распределение зерен заполнителя. То же самое произой­дет и при уплотнении следующих слоев.

В результате такого способа укладки и уплотнения бетонной смеси достигается однородная структура цен­трифугированного бетона. Важно также отметить, что при послойном центрифугировании на внутренней по­верхности изделия образуется тонкая корка цементного камня, а толщина слоя осевшего шлама достигает при­мерно 0,5 мм.

Число слоев бетона, необходимое для достижения практически однородной структуры бетона, зависит при прочих равных условиях и от толщины стенки изделия: чем она больше, тем больше должно быть последова­тельно уплотненых слоев. Поверхности раздела между слоями, как правило, трудно отличимы. В ряде случаев они заметны, когда отжатый шлам неполностью удален и оставшаяся его часть не перераспределилась при укладке следующего бетонного слоя.

В бетоне цементный гель заполняет только межзер­новое пространство, занимая примерно!/з его объема, по­этому образующиеся в цементном геле фильтрационные протоки рассредоточены и меняют свое направление при встрече с зернами заполнителя. В связи с этим изменяют­ся длина и вид фильтрационных протоков. Огибая по­верхность контактов между цементным гелем и зернами заполнителя, фильтрационные протоки сливаются с соль - ватным слоем на поверхности зерен заполнителя и затем протоки формируются снова, пробиваясь через слои це­ментного геля. Это повторяется до тех пор, пока отжи­маемая жидкость не выйдет на внутреннюю поверхность изделия.

Следовательно, в процессе центрифугирования бе­тонной смеси жидкость отжимается также по фильтра­ционным каналам в цементном геле.

В свете изложенного уместно заметить, что из уплот­ненного центрифугированием бетона можно после его разрыхления и перемешивания отжать дополнительное

Количество жидкой фазы в процессе повторного центро­бежного уплотнения [143].

Соответствующие опыты показали [20], что после 2, 3, 4, 5, 6 и 7 циклов повторного центрифугирования (В/Ц) ост снижалось соответственно на 17,5; 29; 36,7; 40,6; 43,2; 43,2% по сравнению с одноразовым уплотне­нием. Объясняется это неодинаковым содержанием жид­кой фазы в бетоне по толщине стенки изделия; если пе­ремешать предварительно уплотненную смесь, жидкость в ней равномерно перераспределится и при повторном центрифугировании некоторое количество ее отожмется из слоев бетона, более удаленных от оси вращения фор­мы. Чем больше (В/Ц) ост после одноразового уплотне­ния бетонной смеси, тем больше жидкости отслоится из нее после перемешивания и повторного центрифугиро­вания.

Аналогичный эффект достигается без взрыхления и перемешивания уплотненной бетонной смеси [7]. В про­цессе центрифугирования с промежуточными остановка­ми из бетонной смеси (цементного геля) выжимается больше жидкой фазы, чем при непрерывном центрифуги­ровании в такой же промежуток времени (рис. 10.6).

Образцы одной серии подвергали непрерывному цен­тробежному уплотнению в течение 2, 4 и 8 мин, а образ­цы другой серии — центри­фугировали по следующей схеме: разгон центрифуги до достижения линейной скоро­сти вращения верхней грани образца 30 м/с, затем сброс - оборотов до полной останов­ки центрифуги, снова разгон до 30 м/с и сброс оборотов до остановки и т. д. Такое цикличное уплотнение осу­ществляли в течение 2, 4 и 8 мин, что соответствовало времени уплотнения образ­цов' первой серии. В обеих сериях экспериментов время разгона и остановки центри­фуги принимали одинако­вым.

Изменение воДоцементного отношения бетонной сМё - си после центрифугирования определяли по массе отжа­той жидкости. После семисуточного твердения в нор- мально-влажностных условиях образцы испытывали на прочность при сжатии. Под действием центробежной си­лы отжатая жидкость образует на внутренней поверх­ности изделия пленку, которая закрывает устья фильтра­ционных каналов в теле бетона и препятствует свобод­ному выходу еще не отжатой жидкости. Если при остановках центрифуги отжатая жидкость сливается, то при последующем центрифугировании фильтрация жид­кости вновь возобновляется до образования новой плен­ки на внутренней поверхности образца. Таким образом, цикличное центрифугирование позволяет удалять из бе­тона больше жидкости, нежели при непрерывном уплот­нении, что приводит к снижению (В/Ц) ост и повышению плотности и прочности бетона примерно в 1,3 раза. От­меченные особенности центробежного уплотнения бетон­ной смеси остаются в силе при изготовлении элементов с изменяющимся по их длине кольцевым сечением. В этом случае прессующее давление в различных сече­ниях элемента не будет одинаковым.

Запишем общеизвестное выражение для центробеж­ного давления в виде

Рц = 0,00112Q/TZ2.

Для сечения с наименьшим наружным радиусом г Pm=0,0012XQinft2> а при наибольшем радиусе сечения /"2 PU2=0,00112XQ2^2. Решая эти уравнения совместно, получим

Если принять РЦ2=0,185 МПа (T>=25 м/с), обычное соотношение наружных радиусов длинномерных опор ЛЭП п/г2= 150/275=0,545 и Qi/Q2=0,665, будем иметь РЦ1=0,067 МПа. Можно определить, что в сечении с ра­диусом г значение Х0ст=1,12, а в другом конце элемен­та радиуса г2 Х>ст=1,05. Соответственно при КН. г=0,3 Получим /ц1=6 мин и /ц2=8 мин. С увеличением времени центрифугирования до 8 мин из смеси в сечениях радиу­сом <г2 отожмется дополнительное количество жидкой фазы и (В/Ц)гост снизится на 5—8%, что приведет к вы­равниванию плотности и прочности бетона по длине эле-

Мента. При V=5 м/с Рц2^0,07 МПа и Рщ^0,026 МЙа, в связи с чем равнопрочности бетона по длине элемента получить не удается.