книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

волны. Длина волны в смеси зависит от частоты колебаний: чем выше частота, тем короче волна. Следовательно, макси­ мальным сдвиг фаз между центрами частиц малых размеров будет при более высокой частоте, а между центрами крупных частиц при низкой частоте колебаний.

Поэтому хотя сторонники волновой теории и отвергают резонансные явления в колебаниях частиц, они не отрицают положительного влияния высоких частот на разжижение мелкодисперсных смесей.

Волновая теория объясняет наблюдаемое иногда лучшее уплотнение смесей при определенной частоте резонансом все­ го вибрируемого объема.

Эффект разночастотного вибрирования объясняется боль­ шей суммарной скоростью колебаний, вероятным совпадением одной из частот с собственной частотой колебаний вибрируемой смеси и более равномерным распределением амплитуд колебаний в ней, ибо колебания каждой частоты распростра­ няются с определенной скоростью и имеют свой коэффициент затухания.

В настоящее время корпускулярные и волновые теоретиче­ ские представления успешно объединяются в единую теорию виброформования бетонной смеси. Ведущая роль в создании

Обеспечение пластичности бетонных смесей

Бетонные смеси должны обладать пластичностью — спо­ собностью к течению без нарушения оплошности. Непластич­ ные смеси расслаиваются, т. е. отделяют воду или крупный заполнитель при транспортировке и укладке. Водоудерживаю­ щая способность цементов примерно равна 1,65 их нормаль­ ной густоты, водоудерживающая способность песка и крупно­ го заполнителя может быть оценена по их водопотребности. Предельное количество воды для бетонной смеси может быть определено как

Впред = 1,65НГ • Ц + Вп • П+ Вщ • Щ,

где НГ — нормальная густота цементного теста; Вп и Вщ — водопотребность песка и щебня;

Ц, П, Щ — весовые количества материалов на кубометр бетона.

91

Водопотребность крупного заполнителя из плотных пород можно принимать равной 1—2% для гравия и 2—4% для

щебня.

При механических воздействиях на цементное тесто — толчках, транспортировке, вибрации и т. д. — его водоудер­ живающая способность снижается и составляет около 1,35 нормальной густоты. В этих случаях водоудерживающая спо­ собность бетонной смеси может быть определена по формуле И. М. Грушко

Впред—1.35НГ • Ц гП • Bn^-OjOTБ,ц,

где Бщ удельная поверхность щйбия в м2/м3, которую прибли­ женно можно определить по формуле

Вщ ~1,6^^(а40-Г2а2о-1-4а10-г-8а5),

где а—соответствующие частные остатки на стандартных си­ тах в %.

Расслаивание бетонной см.еси может быть вызвано переме­ щением наиболее тяжелых зерен крупного заполнителя' вниз под действием силы тяжести. Сила, перемещающая зерно щебня вниз, равна

Qi = ~б~В)3(7зцП Траст)' £?>

где D — средний диаметр частицы заполнителя;

Тзап, ураст — удельные веса заполнителя и раствора; g •— ускорение силы тяжести.

Сила, препятствующая перемещению зерна,

Q2 = 0 • 71П2тПред,

где Ф — коэффициент формы зерен, равный 0,65—1,00;

ностью к расслаиванию обладают зерна заполнителя более крупных размеров. ,

Для предотвращения расслаивания бетонной смеси должно быть обеспечено определенное значение предельного сопро­ тивления сдвига растворной части.. Если предельное сопро­ тивление сдвига раствора не обеспечивает нерасслаиваемостп

92

бетонной смеси, что может произойти в условиях ее транспор­ тирования и виброобработки, то необходимо замедлить ско­ рость расслаивания.

При стационарном режиме седиментации шарообразных частиц в вязкой среде в соответствии с законом Стокса долж­ но соблюдаться равенство ~

' g - § ( Т з а п Т р а с т ) — 3 i * D - /j • L J ,

где г)— эффективная вязкость раствора; U — скорость оседания частиц.

Обеспечив соответствующую эффективную вязкость раст­ вора, можно получить практически нерасслаивающуюся смесь для принятой технологии ее транспортировки и укладки.

Вязкость раствора при постоянном водосодержании опре­ деляется содержанием в нем песка и цемента: чем меньше в растворе цемента, тем больше требуется песка, и наоборот, при больших количествах цемента (т. е. малых В/Ц) вязкость теста уже достаточно высока и песка может содержаться меньше. ■

Помимо указанных .причин внутреннего расслаивания, при выгрузке бетонной смеси может наблюдаться отделение щебенок от основной массы бетона. Это так называемое внешнее расслоение, которое связано с высокой вязкостью раствора и недостаточной клеящей способностью его или избытком содер­ жания щебня в смеси.

Таким образом, условия нерасслаиваемости обеспечивают­ ся оптимальным соотношением составляющих бетонной смеси, которое определяет как необходимую вязкость раствора, так и достаточное сцепление между зернами заполнителя.

Удобоукладываемость бетонных смесей

При оценке удобоукладываемости бетонной смеси необхо­ димо учитывать, что по осадке стандартного конуса опреде­ ляется предельное напряжение сдвига, а жесткость в техни­ ческом вискозиметре характеризует эффективную вязкость вибрируемой бетонной■смеси. Поскольку строгой корреляци­ онной зависимости между этими величинами нет, оценка виброуплотняемых бетонных смесей^ по осадке конуса может оказаться неточной.

Изменения состава бетонной смеси и качества материалов

93

могут по-разному изменять осадку конуса ,и жесткость смесей.. 'Гак, осадка конуса у малоподвижных бетонных смесей увели­ чивается с увеличением наибольшей крупности заполнителя, а минимальное значение жесткости смесь имеет при какой-то- оптимальной крупности,' связанной е параметрами вибриро­ вания.

При транспортировке, выгрузке бетонной смеси, распалуб­ ке уплотненного бетона, а также уплотнении подвижных и ли­ тых смесей без применения вибрации наиболее важен показа­ тель предельного напряжения сдвига (осадка конуса). При виброуплотнении малоподвижных и умеренно жестких смесей определяющее значение имеет их . эффективная вязкость (жесткость). При формовании жестких и особожестких бетон­ ных смесей большое влияние на их текучесть оказывает внутреннее трение и зацепление частиц заполнителя, а качест­ во бетона зависит от уплотняемости скелета заполнителей. Для таких смесей целесообразно применять вискозиметры с пригрузом и определять в них как время .истечения смеси, так и ее плотность.

Так как универсальных приборов, определяющих все не­ обходимые реологические параметры бетонных смесей, еще не создано, оценивать их удобоукладываемость стандартными методами необходимо с учетом перечисленных особенностей.

Общие зависимости удобоукладываемости бетонных сме­ сей от их состава и качества заполнителей приведены в гла­ ве III. Сущность их легко подтверждается при рассмотрении реологических свойств смесей.

Удобоукладываемость виброуллотняемых бетонных сме­ сей,-или текучесть,— величина, обратная их вязкости. Соглас­ но Эйнштейну вязкость дисперсных систем увеличивается про­ порционально увеличению вязкости среды и концентрации дисперсной фазы в ней. Эта зависимость может быть примене­ на к цементному тесту, растворной и бетонной смеси.

Цементное тесто представляет собой дисперсную систему, где в водной среде находятся твердые частицы от коллоидных до грубодисперсных. Следовательно, уменьшение вязкости (улучшение текучести) цементного теста связано с увеличе­

текучесть. И, наконец, бетонную смесь можно представить в виде дисперсной системы, где рольсреды играет растворная

94

смесь, а роль фазы — крупный заполнитель. Текучесть, или удобоукладываемость, бетонной смеси будет улучшаться при увеличении количества в ней растворной части определенной вязкости или же при понижении вязкости растворной части без изменения ее количественного содержания.

Увеличение количества воды всегда вызывает повышение текучести бетонной смеси, увеличение количества цемента или песка оказывает различное влияние на ее удобоукладываемость. С одной стороны, будет увеличиваться вязкость сре­ ды — раствора, с другой, увеличиваться относительное содер­ жание среды и, следовательно, понижаться концентрация фазы — крупного заполнителя. Теоретически трудно предуга­ дать, как сложатся эти противоположные воздействия. Прак­ тически же увеличение вязкости цементного теста при добав­ лении в бетонную смесь цемента и увеличение объема дисперс­ ной среды в ней,- компенсирующие друг.друга, послужили ос­ новой для установления правила постоянства водосодержания.

Изменение вязкости растворной смеси от изменения коли­ чества песка в ней послужило основанием для оригинальных методов подбора состава бетонов (А. Н. Литвин, М. В. Яри­ на и др.). Сущность их заключается в назначении Ц/В це­ ментного теста исходя из условия прочности, во введении в

тесто такого количества песка, при котором наиболее полно проявляется его структурообразующая роль, и последую­ щем введении в растворную смеси щебня до получения тре­ буемой удобоукладываемости бетонной смеси.

Важнейшим вопросом технологии бетона является повы­ шение удобоукладываемости бетонных смесей без снижения прочности затвердевшего бетона. Обычно для улучшения удобоукладываемости увеличивают в смеси количество це­ ментного теста, оставляя неизменным Ц/В, требуемое усло­ виями прочности бетона. Л. И. Левиным предложена формула для определения удобоукладываемости бетонных смесей, аналогичная приведенной выше формуле Эйнштейна:

где Ж — жесткость бетонной смеси в сек\ Уц — абсолютный объем цементного теста на 1 м3 бетон­

ной смеси в л; т)ц.т — коэффициент, отражающий вязкость цементного

теста при данном Ц/В, в сек.

К3 — коэффициент, отражающий влияние заполнителей; п — показатель степени, зависящий от параметров виб-

95

рации; при ам-плитуде колебаний 0,35 мм п= 9, при амплитуде

0,5 мм п= 8,35.

При постоянных заполнителях, оптимальном отношении П/ТЦ и заданном Ц/В удобоукладываемость бетонных смесей зависит от .содержания в них цементного теста

Ж 1 Vu.t '

Данная формула может быть использована для расчетов при необходимости изменения удобоукладываемости бетон­ ной смеси. Однако улучшение удобоукладываемости за счет увеличения в бетоне объема цементного камня, наиболее доро­ гого и слабого компонента структуры, явно невыгодно.

Некоторые исследователи отмечают, что наиболее прочные

•коагуляционные структуры создаются у мест контакта цемент­ ного теста с поверхностью заполнителей (за исключением их нижней поверхности). Они предлагают для лучшей удобоукла­

дываемости ослаблять коагуляционные структуры на указан­ ных участках предварительным увлажнением заполнителей без изменения общего водосодержания бетонной смеси. При' этом некоторое увеличение прочности коагуляционной струк­ туры в общем объеме цементного теста оказывает меньшее влияние на удобоукладываемость, чем ослабление структуры у мест контактов с заполнителями. Так, по данным В. В. Го­ рохова, предварительное увлажнение песка до весовой влаж­ ности 3% снизило жесткость растворной смеси в 5 раз по сравнению с жесткостью смеси, приготовленной по обычной технологии. Прочность затвердевших образцов из смеси на предварительно увлажненном песке, повысилась на 10%.

Принципиально улучшения удобоукладываемости без из­ менения водосодержания можно добиться замедлением коагу­ ляционного структурообразования в бетонной смеси.

Снизить эффект коагуляционного структурообразования можно введением в бетонную смесь добавок-пептизатороз, действие которых сводится к повышению электрокинетического потенциала коллоидных частиц или образованию защитных оболочек вокруг них. Добавки-пептизаторы отодвигают структурообразование— схватывание на время, необходимое для насыщения системы большим количеством коллоидных ново­ образований, когда введенного количества добавки уже будет недостаточно для обеспечения указанного защитного действия.

В качестве добавок, повышающих элетрокинетический по­ тенциал частиц, можно применять слабые растворы электро-

96

литов: соляной кислоты, хлористого кальция, сернокислого

окисного железа и др.1 Добавками, дающими защитные пленки нерастворимых

химических соединений вокруг частиц, могут быть гипс, фос­ форнокислый натрий, бура, сахара и др.

Введение добавок отодвигает сроки схватывания цемента, но не устраняет вредного действия седиментации и оказывает сравнительно малое пластифицирующее действие, не обеспе­ чивает значительного улучшения удобоукладываемости бе­ тонных смесей.

Наибольший эффект дают органические добавки — плас­ тификаторы, создающие вокруг твердых частиц равномерные водные, гидрофобные или воздушные пленки, позволяющие ощутимо снизить количество воды затворения, не снижая удобоукладываемосги смесей.

Действие поверхностноактивных органических добавок

Теория и практика применения поверхностноактивных ор­ ганических добавок — пластификаторов разработана совет­ скими учеными П. А. Ребиндером, Б. Г. Скрамтаевым, М. И. Хигеровичем, В. С. Шестоперовым и В. В. Стольниковым.

Эти вещества делятся на две основные группы — гидро­ фильные и гидрофобные.

Наиболее распространенным представителем гидрофиль­ ных поверхностноактивных веществ является сульфитно-

ССБ состоит в основном из кальциевых солей лигносульфоновых кислот.

Молекулы ССБ представляют собой цепочки органических радикалов с выходящими на поверхность активными поляр­ ными гидрофильными группами. На рис. 30 слева молекула ССБ изображена в виде органической зигзагообразной цепочки и полярных активных групп в виде темных кружочков. Молеку­ лы ССБ адсорбируются на частицах цемента и равномерно распределяют по ним воду, препятствуя коагуляционному

1 Применение добавок электролитов в повышенных концентрациях вызывает прямо противоположное действие — коагуляцию дисперсной системы цементного теста.

777777777777777777Г7Т777777777777777777777

Рис. 30. Схема действия поверхностноактивных добавок на бетонную смесь:

а — силы поверхностного натяжения на границах раздела фаз; б — взаи­ модействие молекул ПАД с минеральными частицами; в — взаимодействие ПАД с цементным тестом.

/ — цементная частица; 2 — вода; 3 — молекулы ПАД; 4 — плоскость скольжения.

98

структурообразованию, что повышает подвижность дементного теста. Кроме того, ССБ, внедряясь в трещины цементных зерен, способствует дальнейшей диспергации их.

В верхней части рисунка представлена схема физико-хи­ мического процесса действия ССБ, в нижней — пептизация флоккул цемента, вызываемая этим процессом.

Необходимо отметить избирательность действия ССБ на различные минералы порт­ ландцемента. Если гидро­ силикаты хорошо пласти­ фицируются ССБ, то на

структуры с большим со­ держанием воды (рис. 31). Поэтому желательно иметь в патенте такое количество гипса, которое обеспечит связывание алюминатов в гидросульфоалюмииаты в

.течение всего периода при­ готовления, транспортиров­ ки и уплотнения бетонной смеси.

В зависимости от содер­ жания сухого вещества кон­ центраты сульфидно-спир­ товой барды (ГОСТ 8518-57) раздёляют на ж и д к и е (КБЖ), твердые (КБТ) и порошкообразные (КБП)- Добавка ССБ вводится в

бетонную смесь в количест­ ве -0,15—0,25% от веса це­ мента.

В качестве примера эф­ фективности использования ССБ приведены данные производственного объеди­ нения «Буржелезобетон»,, которое успешно организо­ вало в последние годы пе-

бумажной промышленности, й подмыльные щелоки — отходы 'мыловаренного производства.

К числу гидрофобных поверхностноактивных добавок от­ носятся мылонафт — натриевая соль нафтеновых кислот, получаемая при щелочной очистке нефтяных продуктов, аси­ дол — продукт депарафинизации нефти, синтетические жир­ ные кислоты и их растворимые соли.

Молекулы гидрофобных добавок имеют асимметрично­ полярное строение, состоят из длинного углеводородного ра­ дикала и полярной головки из групп СООН (COONa) и др." Строение молекул может быть выражено общей формулой

CnH2n-iCOOMe, где значение п равно 8—13.

Эти молекулы ориентируются так, что их полярные группы присоединяются к частицам цемента. Обращенные наружу углеводородные радикалы водой не смачиваются, а имеют слабые связи с углеводородными радикалами других молекул, которые легко разрушаются под действием небольших усилий, и частицы цемента скользят друг по другу (рис. 30 справа). Обычно в практике добавляют мылонафт в количестве 0,1% от веса цемента.

Эффект пластификации бетонных смесей при применении гидрофобных добавок усиливается за счет вовлечения гидро­ фобными частицами" в смесь микроскопических пузырьков воздуха. Количество вовлеченного воздуха увеличивается при увеличении длины углеводородного радикала добавки. На

100