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

Рис. 22. График распределения микротвердости в контактных слоях цементного камня и заполнителя:

/ — гранит; 2 — кварц; 3 — известняк.

Повышение прочности цементного камня в контактных слоях с заполнителем, отмечаемое в некоторых исследовани­ ях, объясняется влиянием поверхности как подложки, на которой возникают центры кристаллизации новой фазы, обеспечивающие ускоренное образование мелкокристалличе­ ской структуры цементного камня.

При заполнителях второй группы происходит химическое взаимодействие между заполнителем и цементным тестомкамнем, приводящее к некоторому снижению прочности за­ полнителя и возникновению диффузного промежуточного слоя, состоящего из продуктов этого взаимодействия и объе­ диняющего контактирующие фазы.

Снижение твердости заполнителя в контактном слое — следствие адсорбционного понижения его прочности (по П. А. Ребиндеру) и частичного растворения в процессе обра­

71

зования продуктов взаимодействия фаз (карбоалюминатов я гидросиликатов). Прочность контактной зоны в этом случае имеет примерно одинаковый порядок с прочностью цемент­ ного камня в объеме, что способствует улучшению технологи­ ческих свойств бетона, в чаетности повышению однородности бетона в напряженном состоянии (глава VIII).

Основные технологические мероприятия, применяемые для улучшения структуры бетона

Рассмотренные выше дефекты структуры бетона свойст­ венны природе цементного бетона и не являются следствием нарушения технологии приготовления, укладки смеси, ее уплотнения и ухода за бетоном.

При несоблюдении требований к применяемым материа­ лам, неправильном подборе состава бетона, плохом переме­ шивании смеси, ее недоуплотнении, пересушивании твердею­ щего бетона может образоваться огромное количество макродефектов, резко снижающих прочность и долговечность бе­ тона. Так, недоуплотнение бетона на 5% может снизить его прочность на 25—40%• Эти случаи в нашем изложении не, рассматриваются.

Для улучшения структуры бетона необходимо добиваться уменьшения количества седиментационных и капиллярных пор, уменьшать количество и неоднородность распределения вовлеченного воздуха, улучшать сцепление цементного камня с заполнителем, для чего прежде всего желательно обеспечить наиболее полную гидратацию цемента и снижение водосодержания в бетонной смеси.

Развитие теории и технологии бетона позволило разрабо­ тать технологические мероприятия для регулирования струк­ туры затвердевшего бетона, основные из которых приведены в табл? 12.

Т а б л и ц а 12

Основные технологические мероприятия, применяемые для

72

VI. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ1 И ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Реологические свойства бетонных смесей

Вследствие коагуляционного структурообразования в це­ ментном тесте бетонная смесь приобретает такие свойства твердого тела, как упругость и эластичность. Эти свойства проявляютсяпри напряжениях т меньше критических зна­ чений, необходимых для разрушения пространственной сетки коагуляционной структуры. При напряжениях т больше

1 Реология — наука, изучающая закономерности течения материалов.

73

критического значения то структура разрушается и в ней про­ исходят необратимые пластические деформации, переходя­ щие в вязкое течение. Деформации бетонной смеси во времени

nnnvHdocbaff

при различных нагрузках, вызывающих касательные напря­ жения т, представлены на рис. 23.

пряжении т на этом рост деформации прекращается. При снятии напряжения (т= 0) мгновенно устраняется упругая деформация, а с течением времени и эластическая. При т>та происходит упругая и эластическая деформация и затем на­ чинается пластическое течение, т. е. развитие деформации во времени без увеличения нагрузки. При снятии напряжения упругая и эластическая деформация устраняется, а пласти­ ческая остается.

74

Деформативные свойства бетонной смеси позволяют опре­ делить ее как упруго-эластично-вязко-пластичное тело.

При дальнейшем структурообразовании и твердении бетон сохраняет эти свойства. Однако если в бетонной смеси наибо­ лее ярко выражены пластично-вязкие свойства, то при тверде­ нии бетона их роль уменьшается и начинают превалировать упругие свойства вследствие уплотнения геля и развития кристаллизационных образований.

Коагуляционные структуры образуются уже в начальный период после затворания цемента водой даже при незначи­ тельном количестве коллоидных частиц в твердой фазе. Проч­ ность коагуляционной структуры определяется расстоянием между узлами структурной сетки и толщиной прослоек дис­ персионной среды между частицами в местах их контактов. Чем больше число коллоидных частиц в единице объема и меньше их размер, тем тоньше прослойки среды и ближе рас­ стояние между узлами, следовательно, тем прочнее структура.

Виндукционный период..твердения цементного теста и бе­ тона прочность структуры еще сравнительно мал'а, что позво­ ляет производить технологические операции, применяя не­ большое силовое воздействие, которое может оказывать вес самой смеси.

Впоследующий период структурообразовании для обес­ печения тиксотропного разжижения смеси необходимы уже более сильные, увеличивающиеся во времени воздействия.

Приложенные к бетонной смеси нагрузки • вызывают в ней напряжения сдвига, разрушающие структурные связи и обес­ печивающие ее течение с определенной вязкостью.

Вязкость структурированных жидкостей, к которым может быть отнесена и бетонная смесь, имеет переменное значение и зависит от величины напряжения сдвига, определяющей сте­ пень разрушения структуры.

В истивновязких (Ньютоновских) жидкостях скорость те­ чения пропорциональна приложенному напряжению; эта пропорциональность выражается постоянным коэффициентом вязкости, характеризующим жидкость. Уравнение вязкого

течения имеет вид

de

где т — напряжение сдвига в Г/см2\

— градиент скорости течения в 1/сек\

т| — коэффициент вязкости в пз.

Для структурированных жидкостей пропорциональность

7о

между скоростью течения и приложенным напряжением со­ блюдается только после полного разрушения структуры. В этом случае течение проходит при предельном напряжении сдвига, с минимальной вязкостью. Уравнение вязкого течения струк­ турированной жидкости имеет вид

_^ , ds

х ’спред~Гт/пип~2Р>

где Тпред — предельное напряжение сдвига, необходимое для полного разрушения структуры, в Г/см2.

Вязкость дисперсных ■систем с предельно разрушенной структурой может быть выражена уравнением Эйнштейна,, уточненным Смолуховским и др.,

Область течения бетонной смеси с минимальной вязкостью имеет ограниченную величину. При дальнейшем повышении напряжения сдвига скорость течения увеличивается и система переходит в турбулентное состояние, при .котором вязкость возрастает.

До момента полного разрушения структуры изменение вязкости от действующего напряжения носит сложный нели­ нейный характер, трудно выражаемый математически.

Наиболее полно закономерность течения каждой бетонной смеси может быть охарактеризована реологическими кривы­ ми— реограммами, связывающими величины градиента ско­ рости течения и вязкости при изменении напряжения сдвига­

ние. 24).

На верхнем графике представлена зависимость градиента скорости течения от изменения напряжения сдвига -т. Под

этим графиком приведены значения вязкости бетонной смеси при тех же изменениях предельного напряжения сдвига. Внизу схематически изображены соответствующие изменения коллоидной структуры цементного теста.

Приведенная реограмма может быть разбита вертикаль­ ными линиями на три зоны.

Первая зона—действующее напряжение сдвига т меньше критического значения то, коагуляционная структура цементно­ го терта не разрушена и сопротивляется усилиям упруго, тече-

76

d e / d t

(de/dt)x

77

ния нет, градиент скорости равен нулю, вязкость имеет макси­ мальное значение1.

Вторая зона — действующее напряжение т больше крити­ ческого, структура разрушается, начинается течение с гра­

диентом скорости и вязкостью т)Эф (эффективная вязкость);

по мере увеличения напряжения увеличивается и градиент скорости течения.

Третья зона — достигнуто предельное разрушение струк­ туры, происходит течение по законам вязкой жидкости с по-, стоянной, минимальной для данной бетонной смеси вязко­ стью.

Реограммы позволяют научно обоснованно решать вопро­ сы технологии бетонных смесей начиная с момента их приго­ товления до окончания бетонирования конструкций. Напри­ мер, имея реологические кривые течения определенной бетон­ ной смеси, можно подобрать наиболее эффективный метод ее уплотнения, при котором течение будет происходить с мини­ мальной вязкостью.

Разрушения коагуляционной структуры бетонной смеси и обеспечения ее течения можно добиться приложением как статических, так и динамических (ударов, вибраций) нагру­ зок или их сочетанием.

Наиболее распространена в технологии бетона виброобра­ ботка бетонных смесей. При вибрировании подвижных и уме­ ренно жестких бетонных смесей предельное напряжение сдвига уменьшается до нуля и смесь течет под действием собственного веса, имея определенный коэффициент вязкос­ ти1.2 Реограммы течения бетонной смеси при вибрации приве­ дены на рис. 25.

На графике течение бетонной смеси при вибрировании изображено сплошной линией. Реологические кривые смеси (пунктирные линии) доказывают, что вязкость данной смеси

ма малых напряжениях сдвига наблюдается ползучесть с наибольшей вяз­ костью, что должно быть представлено на графике 24 медленным подъе­ мом кривой над осью абсцисс.

2 При построении реограмм течения жестких бетонных смесей необ­ ходимо учитывать, что в’ них, помимо коагуляционного структурообразования, увеличивающего внутреннее сцепление смеси, действует внутреннее трение и зацепление частиц крупного заполнителя между собой. Предель­ ное напряжение для обеспечения вязкого течения смеси должно быть уве­ личено на величину P:tg ф, где Р — нормальное напряжение и ф — угол внутреннего трения.

78

de/dt

Рис. 25. Реологические кривые течения подвижной бетонной сме­ си при вибрации.

эффективность технологических воздействий (например, уплотнения) была бы больше.

Для определения реологических кривых течения бетонной смеси применяют сложные приборы — пластометры и виско­

79

зиметры, к сожалению малодоступные ' для производства. Однако некоторые реологические характеристики могут быть установлены и на стандартных приборах, используемых для определения удобоукладываемости смесей.

Предельное напряжение сдвига можно определить по осадке стандартного конуса. Сохранение формы бетонной смеси после осадки конуса обеспечивается действием каса­ тельных напряжений т у его основания. Как известно,

Лоб-V

геометрических соотношений, указанных на рис. 26, устанав­ ливают зависимость между ОК и S.

Из равенства площадей трапеций АБДЕ и А'Б'Д'Е сле­ дует 1

H(R + r ) _ ( H —OK)(R+AR—г)

Отсюда

сf Н ■AR— О К • П 2

S — ‘Ч ОК ) ■

Замерив осадку конуса и рассчитав площадь основания, можно найти предельное напряжение сдвига для данной бе­ тонной смеси.

Эффективная вязкость бетонной смеси при вибрировании может быть определена по времени ее истечения из техниче­ ского вискозиметра. Примем обозначения: вязкость жидкости г], удельный вес ее у. Площади сечении внутреннего и наруж­ ного цилиндров для технического вискозиметра примерно рав-

80