5. Влияние укладки на свойства цементного камня.

Б етонная смесь, как минимум, состоит из 5 компонентов: крупного заполнителя, мелкого заполнителя, цемента, воды и воздуха, который вовлекается при перемешивании или вытесняется водой из пор заполнителей. Истинная плотность их резко отличается друг от друга, что обусловливает процессы седиментации: более плотные компоненты – цемент, песок и щебень стремятся вниз, а вода и воздух вытесняются кверху. В вязкой неоднородной массе пузырьки воздуха не могут подняться на поверхность и остаются в бетоне в виде пор или скапливаются под нижней поверхностью крупного заполнителя (рис. 5.1, а). Седиментация в цементном тесте и растворе, заполняющем пустоты между зернами крупного заполнителя, приводит к тому, что В/Ц над зерном уменьшается, а под зерном – увеличивается (рис. 5.1, б) становятся слоистыми и неравнопрочными.

Скопления цементного камня или жирного цементно-песчаного раствора, в случае неудовлетворительной гранулометрии крупного заполнителя, создают условия для неравномерной усадки, отрыва раствора от поверхности крупного заполнителя и появления микротрещин в бетоне (рис. 5.1, в).

В процессе гидролиза клинкерных минералов цемента в кристаллогидратах С₂S_n, С₃А_aq, Са(ОН)₂ и других химически связывается около 15% воды от веса цемента; остальная вода выполняет функции среды, в которой протекающими реакциями формируются кристаллы новообразований. В конечном счете эта вода испаряется, и вместо нее остаются поры, ослабляющие бетонный камень и снижающие его стойкость против воздействия внешней среды. При В/Ц = 0,6 и расходе цемента 250 кг/м³ остаются свободными около 100 литров воды, т. е. только за счет избыточной воды пористость бетона составляет около 10%. А так как вода находится в растворной составляющей бетона, объем которой не превышает половины объема бетона, пористость ее достигает 20–25%.

Таким образом, основная масса воды в бетонной смеси нужна только во время укладки ее в форму или опалубку. Отсюда следует, что при изготовлении бетона нужно стремиться применять жесткие бетонные смеси и, по возможности, удалять воду, ставшую излишней после укладки бетонной смеси.

Укладка бетонной смеси вручную производилась с применением трамбования или штыкования. В наши дни укладка бетона вручную применяется редко – на неответственных объектах либо при малом объеме работ. Уменьшения содержания воды и воздуха в этом случае не достигается.

Наиболее распространенной в наше время стала укладка бетонной смеси с применением вибрирования. Эффект вибрации основан на тиксотропии (способности дисперсных водосодержащих систем разжижаться при встряхивании и загустевать после его прекращения) цементного теста. Сущность её заключается в следующем. Частицы твердой фазы цементного теста адсорбируют на своей поверхности молекулы воды, образуя вокруг себя водные оболочки толщиною в несколько молекул.

А дсорбированная вода обладает свойствами твердого тела и поэтому в создании пластичности теста не участвует. Но молекулы воды удерживаются поверхностными электростатическими силами цементного зерна неодинаково: непосредственно прилегающие к поверхности раздела фаз – прочно, а молекулы наружных слоев – слабо. Молекулы воды находятся в состоянии непрерывного теплового движения, в том числе и адсорбированные молекулы имеют тенденцию отрываться от адсорбировавшей их твердой частицы. Поэтому внесение в систему дополнительного количества энергии, в данном случае за счет встряхивания, способствует освобождению части адсорбированных молекул и тем самым увеличению количества жидкой воды, определяющей подвижность бетонной смеси. Одновременно с этим твердые частицы также приобретают колебательные движения, что способствует нарушению механического сцепления между ними и повышению подвижности бетонной смеси. Как только вибрация, т. е. приток энергии извне, прекращается, вновь увеличивается количество адсорбированных молекул воды – и смесь загустевает.

Разжижение бетонной смеси способствует ускорению седиментации тяжелых частиц, их более плотной упаковке и выделению на верхнюю поверхность формуемого изделия пузырьков воздуха и частично воды. При вибрации бетонной смеси: а) обеспечивается заполнение формы или опалубки; б) создаются условия для экономии до 15% цемента; в) за счет более качественной укладки зерен увеличивается прочность бетона.

С. В. Шестоперов предложил проводить повторное вибрирование уже уложенной в форму и начавшей схватываться смеси. По ее данным при повторном вибрировании с поверхности цементных зерен сдирается оболочка из гидросиликатов кальция, замедляющая взаимодействие между минералами клинкера и водой, что ускоряет твердение бетона и позволяет в первые сроки получить дополнительный прирост прочности в пределах до 20%.

Вибрирование почти не дает эффекта в отношении удаления избыточной воды. В тех случаях, когда предъявляются повышенные требования в отношении плотности (например: полы, лотки для воды и т. п.), бетон иногда подвергается вакуумированию или даже вибровакуумированию. Для этого на поверхность свежеуложенной бетонной смеси укладывается вакуумщит (рис. 5.2), под которым с помощью вакуумнасоса создается разрежение. Разрежение постепенно, со скоростью примерно 1 см в минуту, распространяется в толщу бетона, ускоряя седиментацию минеральных зерен. Воздух и избыток воды отжимаются на поверхность конструкции и удаляются в ресивер.

В результате вакуумирования:

а) повышается плотность, а, следовательно увеличиваются морозостойкость и коррозиостойкость бетона;

б) на 10–15% снижается В/Ц, соответственно увеличивается прочность бетона;

в) можно значительно раньше проводить распалубку, за счет чего увеличивается оборачиваемость форм;

г) сокращается время термовлажностной обработки. Особенно эффективно в отношении удаления избыточной воды центрифугирование бетона. Пластичная бетонная смесь, загруженная в быстро вращающийся барабан, равномерно распределяется по его поверхности. При этом вода проходит через ткань, которой покрыта внутренняя поверхность барабана, и через мелкие отверстия в нем удаляется наружу. В результате В/Ц уменьшается до 0,4, удаляющаяся вода уносит до 3% Са(ОН)₂, что повышает коррозиестойкость бетона и, изменяя соотношение между количествами коллоидных и кристаллических веществ, придает ему другие механические свойства. Уменьшение В/Ц способствует повышению плотности бетона (до 0,95–0,96), соответственно увеличиваются прочность и водопроницаемость. Естественно, что способ формовки обуславливает возможность изготовления только трубчатых конструкций (трубы, столбы и т. п.).

Для особо жестких смесей, представляющих собою зерна щебня, покрытые с поверхности прилипшей растворной составляющей, обычно принятые способы уплотнения оказываются недостаточными: при вибрации зерна в верхнем слое не слипаются. В этих случаях применяется формование с пригрузом или вибропрессование с помощью воздушных мешков, в которых создается давление до 0,05 кг/см².

Индустриализация процесса производства бетонных деталей требует максимального сокращения продолжительности технологического цикла. Наибольший эффект в этом отношении дают вибропрокатные станы, применяющие жесткие смеси с высоким содержанием цемента. Для придания нужной формы смесь прокатывается между вибрирующими валками, которые могут создать усилие прессования в несколько атмосфер.

Вибропрессование и вибропрокат дают возможность использовать бетонные смеси с минимальными В/Ц, что позволяет получить бетон с высокой плотностью и прочностью.