Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

Вакуумирование бетонной смеси

При возникновении на поверхности бетона пониженно­го давления пузырьки воздуха (вблизи вакуум-полости) испытывают избыточное давление, которое образует­ся сразу же во всех воздушных пузырьках в слое цемент­ного геля, прилегающего к вакуум-полости. Как только пузырьки воздуха в этом слое начнут расширяться, в сле­дующем слое возникает избыточное давление. Процесс этот непрерывно развивается, захватывая все более глу­бокие слои бетона. В воздушных пузырьках действует пе­ременное давление, изменяющееся от 0 в наиболее уда­ленном слое от вакуум-полости до Ризв вблизи нее. Под действием избыточного давления Ризб объем пузырьков (размеры) уменьшается, и по мере их растворения в воде толщина слоя бетона, вовлекаемого в процесс ва - куумирования, возрастает. Отсюда следует, что уп­лотнение бетонной смеси вакуумированием проис­ходит послойно, при этом часть энергии, расходуе­мая вначале на расши­рение воздушных пузырь­ков, не используется для уплотнения структуры це­ментного геля.

После растворения всего объема воздуха в

Жидкой фазе давление всецело передается на нее, й с это­го момента начинается отсос жидкости, сопровождаю­щийся сближением частиц цемента. Вначале это проис­ходит со стороны вакуум-полости и постепенно процесс распространяется в глубь толщи бетона.

Величину разрежения давления Р/г в толще слоя H Бетона можно определить, пользуясь приведенным урав­нением (3.75).

Если предположить, что по толщине слоя H коэффи­циент изменяется линейно (рис. 10.7), можно написать [152]:

= (1-РЛ). (10.14)

Поскольку на поверхности бетона, прилегающей к ва­куум-полости, Pk=Ph=о, будем иметь:

Яф^кЦ1-^). (Ю-15)

А на некотором расстоянии от поверхности X, где Рн—0:

Подставив зависимость (10.14) в уравнение (4.75), най­дем выражение для скорости отжатия жидкости из слоя бетона толщиной Л:

DP

После взятия интеграла получим

, К1 С1 PH)2 , г

=---------------- Ь В.

При граничных условиях H=0 и Ph=Ph=o определим

. ^ф('-^о)2 В=- - .

В окончательном виде можно написать: Кх

При H=X и Рп=0 скорость фильтрации будет равна Кх

. (10-18)

В результате совместного решения уравнений (10.17) и (10.18) получим общее выражение для величины разре­жения давления в толще бетона:

(10.19)

Количество отжатой жидкости за время T из слоя оп­ределяется зависимостью

Q = K% ©у. (10-2°)

Количество жидкости Qadx, отсасываемой за время Dt, При общем фильтрационном расходе Q составит:

Q®dx = Qdt. (10.21)

Внося значение Q из (10.20) в уравнение (10.21), по­лучим

= (Ю.22)

V dt qx

Если принять, что Q=Qo Рк=О, где Q0— начальное коли­чество жидкой фазы в единице объема бетона, то будем иметь

= -3L, (10.23)

Dt <7о х

Отсюда следует, что скорость отсоса жидкой среды при вакуумировании обратно пропорциональна толщине слоя бетона. После взятия интеграла в соответствующих пре­делах получим:

X=ZV7; г = <10«24>

Г <7о

Выражение (10.24) показывает, что глубина разре­жения прямопропорциональна корню квадратному из продолжительности вакуумирования.

Если решить уравнение (10.23) относительно T и под­ставить в него соответствующие значения для Q0I полу­чим формулу (3.81), по которой можно определить вре­мя вакуумирования.

Из анализа формул (10.19) и (10.24) следует, что чем меньше жидкой фазы содержится в цементном геле, тем больше должно быть разрежение в вакуум-полости, что­бы под влиянием избыточного давления произошло уплотнение цементного геля. Коль скоро избыточное дав­ление меньше 0,1 МПа, предельная плотность цементного геля после вакуумирования не может быть больше плот­ности цементного геля нормальной густоты.

Вакуумирование способствует более полной гидрата­ции цемента вследствие частичного удаления с поверхно­сти твердой фазы адсорбированного воздуха. Это явле­ние ускоряет процесс твердения бетона и повышает его прочность, особенно в ранние сроки. Количество жид­кой фазы, остающейся после вакуумирования в цемент­ном геле, т. е. {В/Ц) ост, еще не характеризует плотно­сти бетона. Отсос жидкой фазы может не сопровождать­ся контракцией объема цементного геля, если жидкость проталкивается через поровые каналы в на­правлении вакуум-полости засасываемым извне возду­хом. В этом случае (В/Ц)гост может достигать и 0,876 Кн. г, однако одновременно увеличится пористость бетона и ухудшатся его физико-механические свойства.

При вакуумировании цементный гель уплотняется, между тем как строение зерен заполнителя остается не­изменным, поэтому не всегда вакуумирование будет спо­собствовать росту плотности и прочности бетона. Ваку­умирование необходимо сочетать с вибрированием бе­тонной смеси, тем более, что без вибрационного воздей­ствия нельзя должным образом уложить бетонную смесь даже при значительном водосодержании. Вибрирование позволяет увеличить плотность упаковки зерен заполни­теля, а следовательно, уменьшить расход цемента при вакуумировании.

При прочих равных начальных параметрах бетонной смеси прочность вибровакуумированного бетона больше прочности вибрированного на 25—40% соответственно при пластичных и вязких бетонных смесях.

Эффект от предварительного виброуплотнения при вакуумировании бетонной смеси определяют обычно по дополнительному количеству отжатой жидкой фазы. Не следует использовать вибрирование для отжатия жидкой фазы из цементного геля, несмотря на волновое давле­ние, способствующее его уплотнению, так как эта цель достигается вакуумированием. Экспериментальные дан­ные, приведенные в работе [47], показывают, что влия­ние вибрирования на количество отжимаемой жидкости
мало ощутимо, а при сочетании вакуумирования с прес­сованием отслаивается больше жидкости, чем при виб - ровакуумировании.

Все это свидетельствует о том, что одинаковое коли­чество жидкости может быть отжато из бетонной смеси как при вакуумировании, так и при вибровакуумирова- нии. Поэтому, согласно экспериментальным данным [47, 49], для каждого состава бетона имеется предельное зна­чение (В/Ц)Нач и оптимальное значение (В/Ц) оСТ, при которых достигается наибольший эффект от вакуумиро­вания (рис. 10.8).

Снижение прочности бетона обусловливается несоот­ветствием объема цементного геля после отжатия жид­кой фазы объему пустот между зернами заполнителя в бетоне. В этой связи рассмотрим три характерных слу­чая:

1) вакуумирование бетонной смеси при избыточном давлении 0,059 МПа;

2) виброуплотнение бетонной смеси предшествует ва - куумированию;

3) виброуплотнение производится после вакуумиро­вания бетонной смеси.

Принимаем: Vr = 0,296; К*.т=0,3; ри=2,48 г/см3; (B/Z/) нач =0,68 и (В/Ц)1ъЧ =0,5, т. е. Х=1,65.

Начальный расход цемента до вакуумирования будет равен

0,296-1000 , ,

Ц =--------------- !------------------------ = 376 кг/м3.

М 0,404 + 0,3(1,65 — 0,292)

При Ризб=0,059 МПа, (В/Ц)гост =0,39 и Х=1,3 рас­ход цемента после отжатия жидкой фазы определится: - 0,376 [0,404 + 0,3(1,3 — 0,292)] = 0,268 м3.

Следовательно, после отжатия жидкой фазы объем цементного геля уменьшился на 9,4%, и поскольку упа-

26 -634
Ковка зерен заполнителя при вакуумировании практиче­ски не изменилась, бетон оказался неплотным. Для пре­дотвращения этого расход цемента надо увеличить до 414 кг/м3 и тогда будет реализован полностью эффект от вакуумирования бетонной смеси.

Если вибрирование предшествует вакуумированию, то состав бетона можно рассчитать при более плотной упа­ковке зерен заполнителя, например при 1/г=0,25 м3 и расходе цемента до вакуумирования 318 кг/м3. В этом случае после отжатия жидкой фазы 1/г=0,276 м3 и Д=350 кг/м3, что на 15% меньше, чем при вакуумиро­вании без виброукладки бетонной смеси. Из этих приме­ров видно, насколько полезно предварительное вибро­уплотнение бетонной смеси.

Аналогичный эффект может быть достигнут и при виброуплотнении после вакуумирования, так как и в этом случае заполнитель будет плотно упакован в бетоне. Од­нако разница будет заключаться в более длительном виброуплотнении из-за упрочнившейся структуры це­ментного геля. Таким образом, виброуплотнение бетон­ной смеси при вакуумировании — необходимое условие не только для снижения расхода цемента, но и повыше­ния качества бетона.

Чередование виброуплотнения и вакуумирования за­висит от пластической подвижности бетонной смеси и чем она больше, тем предпочтительнее виброуплотнение после вакуумирования, так как при этом кроме отмечен­ных преимуществ в процессе разжижения цементного ге­ля исчезают направленные каналы, по которым происхо­дила фильтрация жидкой фазы. Наиболее целесообразно сочетание вакуумирования с повторным виброуплотнени­ем: до отсоса жидкой фазы с частотой колебаний поряд­ка 50 Гц и после — при частоте 100—150 Гц. В этих слу­чаях кроме всего прочего произойдет внутреннее перераспределение жидкой фазы, способствующее ак­тивизации коагуляционного процесса; значительно повы­сятся плотность и прочность бетона. Наибольший эффект при этом может быть получен, если повторное вибриро­вание приурочить к окончанию индукционного периода становления структуры цементного камня.

Пористые заполнители снижают эффективность ва­куумирования. Они «отсасывают» жидкую фазу из це­ментного геля, поэтому вакуумирование легкого бетона дает меньший эффект. Это оказывается положительным
только при определенном (оптимальном) балансе жид­кой фазы; в случае ее недостатка или излишка прочность бетона снижается. Если исключить отсос жидкости за­полнителем, насытив его водой, тогда при вакуумирова­нии легких бетонов прочность может возрасти примерно на 40%, т. е. как и для обычного бетона.

Практически вакуумировать легкие бетоны нецелесо­образно, так как для этого необходимо применять водо - насыщенные заполнители или смеси со значительным водосодержанием. В отдельных случаях вакуумная обра­ботка легких бетонов может вызвать снижение прочно­сти. В отличие от вакуум-отсоса воды из бетонной смеси, жидкая фаза, аккумулированная в пористом заполните­ле, компенсирует ее испарение при твердении легкого бе­тона. Этим, как известно, объясняется меньшая чувст­вительность легких бетонов к нарушению влажностного режима. Более эффективно, чем вакуумирование, вибро­уплотнение; особенно повторное (периодическое) вибри­рование. Оно улучшает физико-механические свойства легкого бетона и уменьшает при этом расход цемента.