Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

Взаимодействие зерен щебня (гравия) и песка с водой

Общая пористость зерен песка, гравия и щебня под­разделяется на микро - и макропористость. В основу это­го деления положен размер самих пор; под микропорами понимается сечение пор размерами менее 1 мм, под макропорами — более 1 мм. Среди микропор выделяют ультракапиллярные (субкапиллярные), диаметр которых меньше 0,1 мкм. В ультракапиллярных передвижение воды под действием капиллярных сил затруднено или вовсе не происходит, так как поры диаметром меньше 1 мкм при смачивании полностью заполняются водой, ко­торая прочно удерживается в них.

Обычно принято считать, что если поры, заполненные воздухом, соединяются с наружной атмосферой, то они являются открытыми; закрытые же поры представляют собой систему, изолированную от атмосферы. В связи с этим при выборе, например, заполнителей для водоне­проницаемых бетонов предпочтение отдают тем породам камня, в которых преобладают замкнутые поры. Такой подход к определению пригодности заполнителей для бе­тона (в основном гидротехнического) обусловлен тем, что породы с замкнутыми порами менее проницаемы для

Воды, а следовательно, и более морозоустойчивы. В дей­ствительности же поры в каменных материалах являют­ся сообщающимися, и представление об их замкнутости сложилось по той причине, что водопоглощение всегда меньше пористости.

Экспериментально установлено, что поровые каналы в каменных материалах являются сообщающимися — незамкнутыми (табл. 6.6).

При насыщении каменных пород водой без вакууми- рования в среднем только 60% пор заполняются водой, в то время как при насыщении водой тех же образцов под вакуумом (разрежение 500—600 мм рт. ст.) водопо­глощение возрастает в среднем до 90%. При большем разрежении степень заполнения пор водой может быть доведена до 100%, т. е. все поры окажутся заполненны­ми водой. Неполное водонасыщение испытанных образ­цов каменных пород объясняется не замкнутыми поро - выми каналами, а наличием в них защемленного воздуха.

При увлажнении каменной породы поровые каналы заполняются неравномерно в связи с тем, что высота и скорость капиллярного поднятия воды в них обусловли­ваются в первую очередь величиной и характером сече­ния пор (табл. 6.7).

Известно, что кинетика переноса массы поглощенного вещества в капиллярно-пористых телах определяется

Вектором (равным по величине разности капиллярных потенциалов), направленным от меньшего к большему потенциалу. Так, в коническом капилляре жидкость дви­жется в сторону узкого его конца, а в системе цилиндри­ческих капилляров движение жидкости происходит от капилляров с большим радиусом к капиллярам с мень­шим. Этим же объясняется, что высота HH и линейная скорость капиллярного поднятия воды возрастают с уменьшением радиуса сечения поровых каналов (табл. 6.7).

При средней кривизне мениска (1/рк) капиллярный потенциал 4Vn по аналогии с потенциалом поля тяже­сти выражается зависимостью

2<тж 1

"Фк. п =------------ . (6.13)

Рж Рк

А линейная скорость движения жидкости при поверхно­стном натяжении аж в элементарном капилляре радиу­сом гк и длиной /к описывается формулой большим гидростатическим давлением. Влияние воздуш­ных пузырьков, перекрывающих сечения капилляров, сказывается и на отклонении фильтрационных законо­мерностей от закона Дарси. Дело в том, что фильтраци­онный расход q возрастает быстрее, чем градиент давле­ния, что выражается криволинейной зависимостью q = =Fg(DP/DiK).

Основная причина этого — сжатие воздушных пу­зырьков, перекрывающих пути фильтрации воды. Воз­душный пузырек, защемленный в поровом канале, дей­ствует подобно клапану: при повышенном давлении воздух сжимается и открывает проход воде. Воздушный пузырек, находясь в искривленных местах порового ка­нала, прижимается к нему под давлением воды и удер­живается у стенок канала молекулярными силами.

Воздушные пузырьки могут находиться не только в поровых каналах каменной породы, но и в воде, которая насыщает породу. Для продвижения воды, содержащей пузырьки воздуха, через капилляры требуется гораздо большее давление, чем при движении дезаэрированной воды, так как необходимо преодолеть не только ньютонов­ское трение в жидкости, но и дополнительное сопротив­ление от воздушных пузырьков, возникающее при их проталкивании через суженные сечения каналов.

Из приведенного следует, что поглощение воды раз­личными каменными породами определяется плотностью их структуры — формой и сечением поровых каналов, поэтому плотные горные породы поглощают меньше во­ды, чем пористые, например туфы, пемза, аглопорит, ке­рамзит и т. п.

Общее водонасыщение В3 зерен различной крупности определяется количеством воды, заполняющей структур­ные поры Впор и адсорбирующейся на поверхности зе­рен— ВАД. Величину В3 различных видов песка устанав­ливали по следующей методике: навеску сухого песка массой 60—100 г помещали на сутки в сосуд с водой, затем ее извлекали и клали на фильтровальную бумагу, которая отсасывала с поверхности зерен слабосвязанную воду. Форму и рельеф поверхности зерен различных фракций песка фиксировали через микроскоп, а подсчи­танное их количество визуально уточняли по кривым статистического распределения.

Количество адсорбированной воды определяли по толщине водных пленок на зернах кварцевого песка и

Стеклянных шарах различного диаметра и их удельным поверхностям (табл. 6.8).

Общее водопоглощение плотных песков определяется главным образом удельной поверхностью зерен: чем мельче зерна, тем больше их удельная поверхность и значительнее адсорбционная способность.

В пористых песках содержание воды, поглощаемой порами, возрастает с крупностью зерен и почти для всех фракций превосходит количество воды, адсорбирующей­ся на поверхности. Водопоглощение пористых песков определяется главным образом водопоглощением порами. При этом общее водопоглощение для всех фракций песка данного вида практически одинаково.

Водопоглощение щебня и гравия определяли по та­кой же методике, что и для песка — на зернах шарооб­разной формы. В опытах были применены шары из стекла и гранита, а также естественный гравий, близкий по форме к шару. Образцы вымачивали в воде в тече­ние суток, затем тщательно обтирали фильтровальной бумагой до приобретения поверхностью естественной окраски (без блеска). Затем по массе воды, содержав­шейся в зернах, определяли водопоглощение порами. В дальнейшем те же зерна помещали вновь в воду на 15 мин и после того, как стечет вода, повторно взвешива­ли. По приращению массы определяли объем пленочной воды на поверхности зерен.

Толщину пленочной воды устанавливали делением объема ее на удельную поверхность шара соответствую­щего диаметра (табл. 6.9).

Из табл. 6.9 следует, что толщина водной пленки на гравии и щебне намного больше, чем на зернах песка, и колеблется в зависимости от диаметра шаров от 25 до 16 мкм. Такие толстые водные оболочки не обладают упругостью сдвига и по своим физическим свойствам вода, адсорбированная на поверхности крупных зерен, должна считаться гравитационной. Если шар, смоченный водой, подвесить, то с течением времени вода с поверх­ности стечет и образует в нижней части шара каплю, подвешенную к шару. Объем подвешенной (гравитаци­онной) воды был определен по приращению массы высу­шенной фильтрованной бумаги; для гравийных зерен диаметром 10—60 мм объем подвешенной воды состав­ляет примерно 50—60% объема воды, адсорбировавшей­ся на поверхности, для щебня (гранитного) этот объем значительно меньше — 20—25%. В результате образова­ния подвешенной воды толщина пленки достигает при­мерно 5—10 мкм. Для расчетных целей толщина пле­ночной воды на зернах крупностью от 10 до 60 мм мо­жет быть принята в среднем 18 мкм.

Результаты экспериментального определения водопо- глощения некоторых характерных видов песка, щебня и речного гравия сведены в табл. 6.10 и 6.11. Для сравне­ния приведены экспериментальные данные, характеризу­ющие общее водопоглощение различных песков по раз­ности количеств воды, требуемой для приготовления раствора на Вольском песке состава 1 : 3 и цементного геля нормальной густоты (рис. 6.5).

Сопоставляя табл. 6.10 и рис. 6.5, можно видеть, что результаты определения разными методами общего во - допоглощения песков хорошо совпадают между собой. Водопоглощение щебня и гравия плотных каменных по­род возрастает с уменьшением крупности зерен, однако

В меньшей мере, чем песка. Для щебня из пористых ка­менных пород с уменьшением размера зерен общее во­допоглощение почти не изменяется. Следовательно, водо­поглощение пористых заполнителей, применяемых в легких бетонах, с достаточной точностью может быть оценено по среднему значению водопоглощения песка и щебня.