Методическое пособие 720

связана с определением предельного напряжения сдвига, а не вязкости. Если при определенном усилии выдергивания пластина не сдвинута, то предельное напряжение сдвига не достигнуто.

5. Приборы, основанные на вращении коаксиальных цилиндров (ротационные методы), между которыми находится цементное тесто (или растворная смесь). При этом может вращаться либо внутренний, либо внешний цилиндр. При испытании замеряется частота вращения и усилие, необходимое для преодоления сопротивления исследуемой системы. Это позволяет рассчитать вязкость и напряжение сдвига исследуемой системы. Ротационные вискозиметры получили широкое распространение в связи с тем, что они имеют большой диапазон измерения и развивают достаточный для исследований строительных смесей крутящий момент, что позволяет смоделировать процессы, происходящие при реализации технологических переделов в технологии бетонов.

Данные приборы применяют главным образом в научноисследовательских лабораториях в основном для оценки реологических свойств цементного теста и растворов. Для оценки реологических свойств бетонных смесей применение этих приборов ограничено их размерами и соответственно усилиями, действующими на бетонные смеси, вследствие того, что для адекватной оценки реологических характеристик бетонной смеси необходимым является условие dпр > 10dкр. з. , где dпр – диаметр рабочего пространства прибора; dкр. з. – диаметр частиц крупного заполнителя. В производственных условиях используют показатели, косвенно характеризующие реологические свойства бетонных смесей, при этом используют такие технические характеристики, как осадка конуса, расплыв конуса, показатель жесткости (ГОСТ 10181). Преимущество таких технических методов заключается в простоте исполнения и применении несложного оборудования.

Наиболее распространенным технологическим методом регулирования реологических свойств бетонных смесей является изменение В/Ц-отношения. В работе [103] показано, что изменение реологических свойств бетонных смесей

взависимости от В/Ц-отношения связано с закономерностями распределения воды в структуре бетонной смеси. При увеличении В/Ц-отношения количество слабо структурированной воды растет, расстояние между структурными элементами в системе увеличивается, ослабевает действие вандерваальсовских сил, связывающих частицы в структурную сетку, и система приобретает большую подвижность. Помимо этого степень изменения реологических свойств бетонных смесей зависит от химического и минералогического составов цемента, тонкости помола цемента, нормальной густоты, вида заполнителя, доли песка в смеси заполнителей и максимальной крупности заполнителя. Установлено, что более выраженной тиксотропией обладают цементы с повышенным содержанием алюминатов, что обусловлено большей пептизацией подобных материалов при вибрации. Вязкость бетонной смеси на высокоалюминатных цементах

вбольшей мере зависит от ускорений колебаний, чем при применении низкоалюминатных цементов. В смесях с более тонкомолотыми частицами твердой

41

фазы значительно возрастают силы внутреннего сцепления за счет действия межмолекулярных и адгезионных сил, уменьшается толщина водных прослоек и возрастает эффективная вязкость смеси, и как результат требуется больше воды для обеспечения необходимой удобоукладываемости бетонной смеси [23]. Кроме вышеизложенных факторов существуют другие рычаги воздействия на реологические свойства цементных паст, растворных и бетонных смесей: применение добавок (ПАВ, электролитов, тонкодисперсных минеральных наполнителей и др.), кратковременное тепловое воздействие на бетонную смесь, воздействие знакопеременных полей, вибрации, ультразвуковая обработка и др. [104]. Изучению влияния ПАВ на реологические свойства цементного теста, растворных и бетонных смесей посвящено большое количество работ [105 –

113, 136].

Как было показано в предыдущей главе, одним из основных методов направленного регулирования реологических свойств бетонных смесей является применение ПАВ пластифицирующе-водоредуцирующего действия, в частности суперпластификаторов или гиперпластификаторов. При этом влияние ПАВ на реологические свойства бетонных смесей обусловлено электрокинетическими и адсорбционными процессами, происходящими в микрогетерогенной составляющей смеси при их введении. Такое действие ПАВ позволяет достичь свойств, которые обычные бетонные смеси проявить не могут. В частности, значимым достижением в технологии бетона стало появление литых и самоуплотняющихся бетонных смесей, для которых большое значение имеет оценка их реологических свойств. При этом считается, что наиболее важно снижение предела текучести до минимума, нежели снижение вязкости. Понижение вязкости для самоуплотняющихся бетонов должно обеспечить удаление сферических пузырьков воздуха диаметром 0,3 мм и более [69]. Наиболее существенным преимуществом самоуплотняющихся бетонных смесей по сравнению с обычными смесями является полный или частичный отказ от вибрации, применяемой для уплотнения укладываемой в опалубку смеси; возможность качественно заполнять формы конструкций со сложной геометрией и высоким процентом армирования. Использование таких бетонных смесей значительно снижает трудоемкость процесса формования, приводит к уменьшению энергозатрат, износа формовочного оборудования, улучшает не только технико-экономические показатели, но и создает более благоприятные условия труда [114, 115]. Согласно [69] особенностью самоуплотняющихся, суперпластифицированных предельно наполненных бетонных смесей является то, что вязкость таких смесей может быть достаточно высокой и система может медленно течь при достаточно малом пределе текучести. Кроме того, увеличение вязкости характеризует увеличение связей в пространственной коагуляционной структуре, что приводит к уменьшению седиментационных процессов.

В связи с тем, что в настоящее время в практике производства бетонных и железобетонных изделий конструкций применяют бетонные смеси, имеющие широкий диапазон изменения их реологических свойств - от жестких и малопо-

42

движных до высокоподвижных и самоуплотняющихся - возникает необходимость в регулировании их свойств с получением оценок реологических характеристик в физических единицах: предельного напряжения сдвига, эффективной вязкости. На основании этого можно сформулировать требования, предъявляемые к реологическим свойствам бетонных смесей, помимо требований, выдвигаемых в стандартах, исходя из условий их практического применения, связанные с необходимостью усиления тех или иных свойств (табл. 2.1). Осуществление таких требований может быть реализовано при применении комплексных ОМД на базе совместного рассмотрения макро- и микрореологии с получением реологических показателей в физических единицах.

Таблица 2.1 Реологические свойства, предъявляемые к бетонным смесям в зависимости

от условий их применения

43

2.4. Виброреологические свойства бетонных смесей

Особые реологические свойства бетонная смесь проявляет при уплотнении и, в первую очередь, при виброуплотнении. Основы познаний о реологии вибрируемых бетонных смесей с классических позиций были заложены трудами [98, 116 – 119] и другими. Известно, что проявление реологических свойств бетонных смесей при вибрационном воздействии обусловлено свойствами их структуры. Структурный подход в исследованиях вибрационного формования нашел отражение в работах [31, 120, 121]. В трудах В. В. Помазкова [122], О. А. Савинова [118] и других ученых для количественного описания процессов вибрационного уплотнения и формирования структуры бетонных смесей применялись положения виброреологии. Виброреология изучает изменение реологических свойств тел и их движение под действием вибрации с учетом структуры материалов. Основы виброреологии были заложены работами И. И. Блехмана, Г. Ю. Джаналидзе [123], И. И. Быховского. Важнейшим эффектом виброреологии является «разжижение» дисперсной системы с сухим трением под действием вибрации. Понятие «разжижения» заключает в себя условно два явления, зависящих от параметров вибрации. Так, при вибрировании с малыми величинами ускорений колебаний дисперсных систем с сухим трением наблюдается кажущееся изменение коэффициента сухого трения. Упрощенно это явление рассмотрим на следующем примере (рис. 2.10) [55].

Рис. 2.10. Схема движения тела при вибрировании [55]

Тело массой m прижато силой N к шероховатой поверхности. Для того, чтобы тело начало перемещаться по поверхности, необходимо приложить силу S = fN (закон Кулона), где f - коэффициент трения покоя или статический коэффициент трения, который является величиной постоянной и зависит только от «истинных» физических свойств материалов (материал соприкасающихся тел, состояние их поверхности). Если на тело действует также гармоническая сила mAω2 , то для его перемещения потребуется сила S = fN – mAω 2. Отсюда кажущийся коэффициент трения равен:

В отличие от коэффициента трения покоя f, который является величиной постоянной и зависит только от «истинных» физических свойств материалов,

44

кажущийся коэффициент трения f 0 - величина переменная и зависит от параметров вибрации. С ростом ускорений колебаний его величина стремится к нулю, и при этом происходит качественное изменение характера трения в системе – сухое трение преобразуется в вязкое. Это преобразование, имеющее вибрационную природу и исчезающее сразу после прекращения действия вибрации, является эффектом виброожижения [124].

Использование положений виброреологии существенно продвинуло познания в технологии бетонов, дало возможность получить количественное описание процессов виброожижения и формирования структуры бетонной смеси. В основе эффекта виброожижения бетонных смесей лежит явление относительного движения ее составляющих вследствие сдвиговых напряжений и деформаций. При этом влияние вибрационного воздействия проявляется на различных масштабных уровнях: как на уровне микрогетерогенных составляющих бетонной смеси, состоящей из частиц цемента, минеральных добавок, микронаполнителей и мелкой фракции частиц заполнителя, так и на уровне грубодисперсных частиц мелкого и крупного заполнителя [55]. Механизм проявления струк- турно-реологических свойств вибрируемой бетонной смеси представляется следующим образом (рис. 2.11).

ηэфф

Время вибрирования

Рис. 2.11. Изменение величины эффективной вязкости

взависимости от времени вибрирования

Впроцессе уплотнения бетонной смеси показатель эффективной вязкости

ηэфф является нестационарным и претерпевает значительные изменения. Значение эффективной вязкости ηэфф при увеличении времени вибрирования асимптотически снижается, бетонная смесь переходит в полностью ожиженное состояние. В таком состоянии течение бетонной смеси может быть описано законами гидродинамики [97, 125]. Первоначально высокий показатель эффективной вязкости определяется взаимодействием в микрогетерогенной составляющей бетонной смеси. Разрушение и относительное движение кластеров, а в большей степени взаимодействие кластеров с грубодисперсной составляющей, способствуют наибольшему разрушению связей и дальнейшему ожижению смеси. Снижению величин эффективной вязкости способствует также относи-

45

тельное увеличение толщины водных прослоек между агрегатами вследствие высвобождения части пленочной и капиллярной воды при уплотнении смеси. Перестройка на всех масштабных уровнях продолжается до установления равновесия между силами вибрационного сдвига и внутренними силами, следствием чего и является максимально достигаемая степень уплотнения [55]. Представленный механизм проявления реологических свойств вибрируемой бетонной смеси позволяет изучить влияние различных технологических факторов, в том числе добавок различного вида и механизма действия, на процесс виброуплотнения.

Несмотря на широкое распространение высокоподвижных и самоуплотняющихся бетонных смесей, полностью отказаться от вибрирования все же не удастся по ряду причин. В частности, в работах [126, 127] показано, что, вопервых, несмотря на значительное уменьшение значений вязкости бетонной смеси при использовании пластифицирующих добавок, не удается придать ей свойства вязкой жидкости, т.е. никакими увеличениями количества вводимой добавки или корректировкой состава бетона не удается свести к нулю предельное сопротивление сдвигу. Следовательно, не удастся добиться полного растекания бетонной смеси по горизонтальной поверхности. Во-вторых, использование литьевой (без воздействия вибрации) технологии укладки бетонной смеси может привести к ее расслоению. В-третьих, укладка и уплотнение литых бетонных смесей в густоармированные, тонкостенные конструкции, а также в изделия сложной конфигурации без дополнительного вибровоздействия может привести к ухудшению качества бетона.

В связи с этим интерес представляют дальнейшие исследования виброреологических свойств бетонных смесей, модифицированных добавками различного типа, и механизма действия, в том числе комплексными ОМД. Изучение и выявление особенностей виброреологического поведения бетонных смесей, модифицированных комплексными ОМД, с получением оценок реологических характеристик в физических единицах позволит регулировать и более рационально проводить процессы укладки, уплотнения и формования бетонных смесей.

46

3. МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1. Методологические основы исследований

Современные методы управления процессами структурообразования базируются на применении структурного подхода, включающего методы анализа

исинтеза с многоуровневой иерархией. Данный подход позволяет рассматривать структуру бетонных смесей и бетонов как сложную физико-химическую систему [128]. Такой подход к изучению структуры и технологии бетонов ранее уже был реализован в трудах кафедры технологии строительных изделий и конструкций Воронежского ГАСУ [122, 129 – 132]. Методологическая особенность данной работы заключалась в системном подходе к изучению составляющих, разрабатываемых комплексных ОМД, а также к исследованию струк- турно-реологических свойств бетонных смесей и процессов структурообразования бетонов, модифицированных ОМД. Исследования проводились по схеме (рис. 3.1), позволяющей рассматривать формирование структуры бетонных смесей и бетонов на микро-, мезо- и макроуровнях с учетом основных явлений

ипроцессов, происходящих на данных масштабных уровнях (табл. 3.1). Введение в состав бетона ОМД оказывает существенное влияние на процессы всех отмеченных уровней, что проявляется в изменении структурно-реологических свойств бетонных смесей, формировании структуры бетонов, энергетических, материальных затратах, свойствах готовой продукции.

Рис. 3.1. Схема проведения исследований

47

Таблица 3.1

Масштабные уровни исследований свойств компонентов ОМД, структуры и характеристик бетонных смесей и бетонов, модифицированных ОМД

3.2.Характеристики свойств сырьевых материалов

Висследованиях использовались следующие материалы. Портландцемент ПЦ 500 Д0 (ЦEM І 42,5Н), соответствующий требовани-

ям ГОСТ 10178 – 85, ГОСТ 30515 – 97, EN 197 – 1:2000. Удельная площадь поверхности цемента составляла 300 … 330 м2/кг, нормальная густота цементного теста 27 %, сроки схватывания: начало - 1 ч 35 мин, конец - 4 ч 15 мин. Химический и минералогический состав цементного клинкера приведены в табл. 3.2, 3.3.

Таблица 3.2

Химический состав цемента ПЦ 500 Д0 (ЦEM І 42,5Н)

48

Песок кварцевый Хохольского карьера Воронежской области, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93 «Песок для строительных работ. Технические условия» с различными модулями крупности (от 2,2 до 3,2); содержание пылевидных и глинистых частиц 1,2 %, глина в комках до 0,1 %, истинная плотность песка 2600 кг/м3, насыпная плотность песка 1550 кг/м3.

Щебень гранитный ОАО «Павловск-Гранит» фракционированный, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород. Технические условия». Размер фракций 5 … 10 мм, 10 … 20 мм; истинная плотность щебня - 2620 кг/м3, насыпная плотность - 1420 кг/м3.

Вода, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 23732-79 «Вода для бетонов

ирастворов. Технические условия».

Вкачестве ПАВ, входящих в состав разрабатываемых комплексных ОМД, целенаправленно выбраны характерные представители пластифицирую- ще-водоредуцирующих добавок по ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» различной химической основы и отличающиеся по основным принципам действия в цементных системах. Использовались суперпластификаторы, для которых определяющую роль в механизме действия играет величина дзета-потенциала, обеспечивающая их пластифицирующе – водоредуцирующее действие, а также гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов, для которого роль дзета-потенциала намного меньше, а взаимное отталкивание частиц цемента и стабилизация цементноводной суспензии обеспечиваются за счет так называемого «стерического» эффекта, представляющего собой пространственный «барьер», возникающий на частицах цемента. Характеристики ПАВ представлены ниже.

1. Суперпластификатор С-3 на основе сульфированных нафталиноформальдегидных соединений (рис. 3.2), удовлетворяющий требованиям ТУ 6-36- 0204229-625. Данный пластификатор, представляющий собой порошок коричневого или светло-коричневого цвета, относится к группе анионактивных ПАВ, содержит смесь олигомеров и полимеров, которые являются основой «активного вещества», и непрореагировавшую соль – β-нафталинсульфокислоты (β-соль) и сульфата натрия.

49

Рис. 3.2. Структурная формула молекулы пластификаторов на основе нафталиноформальдегидных соединений

2. Суперпластификатор «Полипласт СП-3» на основе смеси полинафталинметиленсульфонатов натрия (рис. 3.2), лигносульфонатов технических (рис. 3.3), промышленной смеси тиосульфата и роданида натрия, удовлетворяющий требованиям ТУ 5870-006-58042865-05. Данный пластификатор применялся в форме порошка (микрогранул) коричневого цвета.

Рис. 3.3. Структурная формула молекулы пластификаторов на основе лигносульфонатов

3.Комплексная добавка ГПМ-Ж – гипермодифицированный пластификатор (жидкий раствор 30 %). Пластифицирующая, стабилизирующая, воздухововлекающая, замедляющая, по основному эффекту действия относящаяся к суперпластификаторам, удовлетворяющая ТУ 5745-005-53268843-2003.

4.Гиперпластификатор на основе поликарбоксилатов – Melflux 2651F, в форме порошка (микрогранул) светло-желтого цвета (рис. 3.4).

Поликарбоксилат

где R1 = CH3, H; R2 = HOCH2 CH2 О H

x

Рис. 3.4. Структурная формула молекулы гиперпластификаторов поликарбоксилатного типа

В качестве химического реагента, замещающего часть ГП Melflux 2651F в составе комплексной добавки, применялся полиэтиленгликоль - ПЭГ 2000 (рис. 3.5).

50