КРАСОВСКИЙ_УП

ξ-потенциалом (зола-унос); введением мельчайших воздушных пузырьков, играющих роль шарикоподшипников; уменьшением поверхностного натяжения воды.

Именно такими активными модификаторами структуры и свойств бетонной смеси и являются химические добавки, в первую очередь – пластификаторы и суперпластификаторы.

В процессе приготовления, укладки и уплотнения бетонная смесь подвергается различным внешним силовым воздействиям, которые вызывают определенные изменения в ее структуре. В результате приложения к бетонной смеси внешних сил в ней происходит взаимное перемещение отдельных объемов и частиц, разрушение флоккул, т. е. понижается связность системы, возрастает ее подвижность. При прекращении действия сил связность восстанавливается. Это явление получило название тиксотропии.

С практической точки зрения структуру бетонной смеси проще рассматривать как систему, состоящую из двух компонентов: цементного теста и заполнителя. Частицы цемента и тонкомолотых добавок отличаются малыми размерами и большой удельной поверхностью раздела твердое тело–жидкость, и в цементном тесте сильнее проявляются силы адсорбционного, молекулярного и капиллярного взаимодействия, придающие системе связность и подвижность.

Структура цементного теста с момента затворения водой находится в постоянном изменении, вызываемом как внешними силами (перемешиванием, уплотнением), так и внутренними физико-химическими процессами (гидратацией цемента).

Внешние силы способствуют диспергации (измельчению) цементных зерен, разрушению флоккул, лучшему распределению воды на поверхности цемента и тем самым повышают подвижность смеси. При гидратации цемента образуются новообразования с высокой удельной поверхностью (порядка 220 м2/г), активно связывающей воду. В результате возрастает количество связанной воды, а подвижность смеси уменьшается.

При этом вода в бетонной смеси находится в различных состояниях

(табл. 4.1).

Небольшая часть воды вступает в химическое взаимодействие с цементом (до 18–20 % при полной гидратации от массы цемента) и находится в химически связанном состоянии. К моменту схватывания этот процент еще ниже и достигает 5 %. Другая часть воды находится под действием адсорбционных сил физикохимически связанной на поверхности твердой фазы. Её количество в момент приготовления смеси составляет 3…5 %, а к моменту схватывания, в связи с развертыванием удельной поверхности, достигает 25 % от общего содержания.

Основное же количество воды в цементном тесте находится в межзерновом пространстве, размеры зерен в десятки раз больше толщины сольватных связанных пленок воды и достигают 1…50 мкм. Эта вода механически связана со структурой цементного камня (капиллярные силы, гель и т. д.). Её называют свободной, подразумевая, что она не связана химически и не находится под действием молекулярных сил твердой фазы. Сразу после приготовления её объем составляет 95 % и уменьшается до 65…70 % к моменту схватывания [1].

41

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таблица 4.1

Свободная вода заметно влияет на подвижность цементного теста. Введение заполнителя в цементное тесто существенно влияет на свойства бетонной смеси. Поверхность заполнителя воздействует на прилегающие слои цементного теста, уплотняя его, пересекая его капилляры, формируя соответственно новую структуру. За счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность. При этом взаимодействие охватывает мельчайшие частицы цемента, и зона воздействия заполнителя на цементное тесто увеличивается (рис. 4.2), достигая 10…15 мкм, возрастая с увеличением содержания заполнителя или его удельной поверхности.

По насыщаемости цементного теста заполнителем можно выделить три типа структур бетонной смеси (рис. 4.3).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

I. Зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют, оказывая влияние лишь на прилегающую зону цементного теста.

II. Цементное тесто заполняет лишь пустоты между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем смазки, толщиной в контактной зоне, равной 1–3 средним диаметрам частиц цемента. Зоны воздействия отдельных зерен начинают перекрывать друг друга, возникает трение между зернами заполнителя. Для получения подвижности смеси, как и в первом случае, необходимо увеличение В/Ц, либо интенсивности воздействия на смесь.

III. Цементного теста в смеси так мало, что его хватает только для обмазки зерен заполнителя слоем небольшой толщины, а пустоты между зернами заполняются лишь частично.

Переход от одного типа структуры бетона к другому с увеличением содержания заполнителя совершается постоянно. Вначале переход происходит в отдельных объемах, но постепенно захватывает всю бетонную смесь. При переходе от II типа к III из-за нехватки цементного теста в смесь вовлекается большое количество воздуха, который как бы увеличивает объем цементного теста и тем самым способствует заполнению межзерновых пустот. В дальнейшем при уменьшении объема цементного теста воздуха вовлекается все больше, растут размеры его пузырьков, возникают сплошные большие разрывы и неплотности. Такая структура относится уже к III типу.

Обычные бетонные смеси имеют структуру II типа. Они отличаются высокой эффективностью, позволяют получать нерасслаиваемые смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента.

К первому типу структур можно отнести цементно-песчаную смесь с повышенным расходом вяжущего, использующуюся для армоцементных конструкций, к третьему – структуру беспесчаных (крупнопористых) бетонов.

Структура бетонной смеси в момент укладки и после нее претерпевает изменения за счет гидратации цемента и осаждения (седиментации) твердых частиц под действием силы тяжести. Такое перераспределение твердых частиц по объему бетонной смеси называется расслоением. При этом можно видеть два процесса: макро- и микрорасслоение. В первом случае происходит осаждение крупных зерен, в результате чего нижние слои изделия могут даже уплотняться, а лишняя вода отжимается наверх либо скапливается под зернами заполнителя или стержнями арматуры, формируя разветвленное поровое пространство бетона. Во втором случае расслоение происходит с меньшей скоростью в межзерновом пространстве за счет седиментации цементных зерен.

Расслоение возможно и в легких бетонах, когда зерна заполнителя всплывают, а раствор скапливается в нижних частях изделия. К расслоению может привести и длительное вибрирование особенно в подвижных стенах.

Склонность к расслоению зависит от структуры бетонной смеси: наибольшую имеет структура I типа, наименьшую – II типа. Она увеличивается с по-

43

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

вышением расхода воды и В/Ц и в песчанных смесях наблюдается визуально (водоотделение на поверхности изделия).

Склонность к расслоению можно уменьшить применением стабилизаторов и воздухоудерживающих добавок, минеральных тонкомолотых добавок с развитой удельной поверхностью; вовлечением воздуха; заменой крупного заполнителя более мелким; использованием компонентов бетонной смеси, незначительно различающихся по плотности. Однако самым дешевым средством остается правильное определение (проектирование) состава бетона.

4.2. Реологические свойства бетонной смеси

Будущее качество бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания смеси. Поэтому важно понимать процессы, происходящие в твердеющей бетонной смеси, знать ее свойства и уметь управлять ими.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя связность и однородность. Удобоукладываемость определяется подвижностью бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без нарушения сплошности.

Для описания поведения смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Определение их достаточно сложно и осуществляется в научных лабораториях. В производственных условиях чаще контролируется подвижность (текучесть) смеси, а также уплотняемость, однородность, расслаиваемость, изменение объема при твердении, воздухововлечение, первоначальная прочность.

Бетонная смесь представляет собой многокомпонентную систему, на свойства которой основное влияние оказывает количество и качество цементного теста, имеющего высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз. Решающее влияние на свойства всей бетонной смеси оказывает расход воды, так как именно он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие сил сцепления, определяющих связность и подвижность всей системы.

В процессе гидратации все больше появляется гидратных новообразований, что способствует увеличению и дисперсности твердой фазы и поверхности раздела, клеящей, пластифицирующей и связующей способности теста. Пленки жидкой фазы, через которые цементные частицы взаимодействуют между собой, создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему пластичность. Начальная прочность такой структуры или структурная вязкость цементного теста зависят от концентрации твердой фазы в водной суспензии.

Бетонные смеси подобно цементному тесту обычно содержат достаточное количество воды для создания сплошной среды. Они и ведут себя как цементное тесто, обладая первоначальной прочностью структуры, определяемой пластичностью и подвижностью. Поведение таких структурированных систем при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидкостей.

44

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Вначале под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, в результате чего возникает способность системы к деформациям (течению), увеличивается подвижность. При достижении критической скорости сдвига, когда первоначальная структура системы предельно разрушена, вязкость и сопротивление сдвигу достигают максимальных значений и даже малоподвижные смеси приобретают определенную текучесть. После окончания действия внешних сил система возвращается в первоначальное состояние, восстанавливается начальная прочность структуры, уменьшается подвижность.

В технологии бетона это свойство (тиксотропия) широко используется для формования изделий из малоподвижных и жестких смесей путем воздействия на них вибраций, встряхивания, толчков, трамбования. Такое представление свойств бетонной смеси как однородной среды, характеризующейся интегральными показателями: вязкостью, предельным напряжением сдвига, коэффициентом внутреннего трения, полезно и необходимо при рассмотрении ряда технологических вопросов: транспорта бетонной смеси, выгрузки смесей из бункеров, формования изделий и т. п.

На практике же часто приходится решать задачу подбора бетонной смеси, наилучшим образом отвечающей данной технологии изготовления конструкции. Для этого необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими характеристиками. Для их оценки используют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смеси: показатель жесткости, осадку конуса и другие, которые определяют поведение бетонной смеси в конкретных условиях и служат для ориентировочной оценки способности смеси к формованию и уплотнению при тех или иных воздействиях.

4.3. Технологические свойства бетонной смеси

Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в конструкции необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям укладки. Консистенция смеси зависит от ее состава и может изменяться от жесткой (едва влажной) до густой (тестообразной) и жидкой (легко растекающейся). Для оценки консистенции бетонной смеси и ее технологических свойств, характеризующих способность заполнять форму и уплотняться в процессе укладки, определяется удобоукладываемость смеси. Но сказать, что удобоукладываемость смеси – это легкость укладки и заполнения данной формы – значит не совсем верно определить это важное свойство. В зависимости от материала формы, сложности её конфигурации одна и та же смесь может легко заполнить эту форму, а может заполнить её с трудом. А ведь смесь укладывается одна и та же и значит должна иметь один и тот же показатель удобоукладываемости.

Рассмотрим, на что тратится энергия при заполнении форм. Выполняемую работу можно разбить на две части:

45

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Аобщ = АI + АII ,

где АI – работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления бетонной смеси с материалом формы; АII – работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления внутри самой смеси.

Очевидно, объективным показателем удобоукладываемости смеси может быть именно та часть работы, которая затрачивается на преодоление внутренних сил сцепления бетонной смеси. Однако приборов и методов выделения именно этой части работы в настоящее время нет, зато существует много косвенных способов определения удобоукладываемости бетонной смеси. Рассмотрим часть из них.

Все бетонные смеси можно разделить на три группы: жесткие, пластичные и литые. По-видимому, не может быть и единого способа определения удобоукладываемости, а для каждой консистенции может быть один или несколько способов.

В зависимости от консистенции смеси удобоукладываемость может характеризоваться подвижностью или жесткостью. Подвижность измеряется в сантиметрах, жесткость – в секундах.

Для определения подвижности, т. е. способности смеси расплываться под действием собственной массы и связности бетонной смеси, используется метод, предложенный американским ученым Абрамсом. В российских стандартах метод назвали стандартным конусом. Он представляет собой усеченный, открытый с двух сторон конус высотой 30 см и диаметрами нижнего основания 20 и верхнего 10 см. Внутреннюю поверхность формы – конус и поддон – перед испытанием смачивают водой. Затем форму устанавливают в поддон и заполняют бетонной смесью в три приема, уплотняя каждый слой 25-кратным штыкованием. После заполнения формы и удаления излишков смеси форму тот час

снимают, поднимая её медленно и строго вертикально вверх за имеющиеся ручки. Подвижная смесь, освобожденная от формы, дает осадку

(рис. 4.4).

Мерой подвижности смеси служит величина осадки конуса, которую измеряют сразу же после снятия формы. Из каждого замеса пробу берут два раза, измеряют осадку конуса и принимают средний результат. В зависимости от осадки конуса различают малоподвижные (пластичные 1…4 см), подвижные (5…10 см), очень подвижные (11…20 см) и литые (более 21 см) бетонные смеси. Соответственно меняется и характер оседания смеси.

46

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

При малых расходах воды бетонные смеси не показывают осадки конуса, однако при приложении внешнего силового воздействия такие смеси обладают различными формовочными свойствами. Для таких смесей контроль подвижности с помощью конуса ничего не дает, поэтому переходят к определению жесткости. Для оценки жесткости используется стандартный вискозиметр, с помощью которого определяют растекаемость бетонной смеси при вибрировании или время превращения исходной формы в равновеликий объем другой формы

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

высотой 200 и диаметром 300 мм на высоте устанавливается внутреннее кольцо диаметром 216 мм и высотой 130 мм. Между нижней кромкой кольца и днищем конуса устанавливается зазор, величина которого колеблется в зависимости от максимальной крупности заполнителя: при крупности 40 мм зазор должен быть 70 мм, при 20 мм – 50 мм, при 10 мм – 30 мм. Растекание смеси контролируется с помощью диска со штоком. Показатель жесткости бетонной смеси определяется временем, необходимым для опускания диска в нижнее положение. Внутреннее кольцо затрудняет растекаемость смеси и поэтому одна и та же смесь имеет показатель жесткости по техническому вискозиметру в 3,5…5 раз выше, чем при испытании на стандартном вискозиметре.

Однако и стандартный и, тем более, технический вискозиметры были малодоступными для строительных лабораторий. Поэтому на предприятиях использовались другие способы.

Швед В. Бернер предложил использовать принцип изменения формы, меняя конус на равновеликий по объему цилиндр с помощью встряхивающего столика, и контролировать число встряхиваний.

Еще удобнее и доступнее для многочисленных лабораторий оказалось предложение Б.Г. Скрамтаева устанавливать конус в форму куба 20×20×20 см, бывшего тогда основным стандартным размером (вместо ныне установленного 15×15×15 см), и определять время, необходимое для превращения конуса в равновеликий по объему параллелепипед. Опыт показывает, что показатель жесткости, определенный на стандартном приборе, примерно в 1,5…2 раза меньше этого показателя, полученного по способу Б.Г. Скрамтаева (рис. 4.7).

Для литой смеси определяющим показателем является ее течение без вибрации под действием сил тяжести самой смеси. Для этого предназначен ряд приборов, близких по принципу и методике. На рис. 4.8 приведен прибор МГСУ. Похожие приборы имеются и в других странах.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Вметаллический короб или цилиндр диаметром 10 см (сечение может быть

ибольшим в зависимости от диаметра наибольшей крупности заполнителя), имеющий в нижней боковой поверхности отверстие шириной и высотой 10 см, укладывается бетонная смесь на высоту 30 см тремя слоями (каждый штыкуется 25 раз). Затем на поверхность устанавливают диск со штангой и открывают выпускное отверстие. Консистенцию смеси определяют по скорости ее истечения из прибора, т. е. по времени опускания диска на определенную высоту. Это измерение гораздо точнее, чем осадка конуса. Можно все это установить на вибростол и замерять время истечения.

Встроительной практике возможно использование и

териалах, могут иметь различные показатели жесткости. Поэтому сопоставлять смеси по различным характеристикам следует очень осторожно. Но используя для контроля любой из приведенных способов, наиболее подходящий для конкретной бетонной смеси, можно управлять её свойствами.

4.4.Зависимость свойств бетонной смеси от различных факторов. Управление свойствами бетонной смеси

Связность (способность растекаться без нарушения сплошности) бетонной смеси придает цементное тесто и вводимые микронаполнители. Чем выше содержание цементного теста, чем более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бетонной смеси. Введение заполнителя в цементное тесто уменьшает подвижность и тем сильнее, чем больше вводится заполнителя и чем выше его суммарная поверхность.

При изменении содержания цемента в 1 м3 бетонной смеси от 200 до 400 кг при постоянном расходе воды изменение подвижности очень мало и практически его можно не учитывать, принимая подвижность постоянной. В этом случае подвижность будет изменяться только при изменении количества воды.

Эта закономерность, получившая название закона постоянства водопо- требности и позволяющая при расчетах использовать упрощенную зависимость подвижности бетонной смеси только от расхода воды, объясняется следующим образом.

49

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Увеличение содержания цемента в бетонной смеси повышает толщину обмазки зерен заполнителя цементным тестом. Однако при этом уменьшается В/Ц (при постоянном расходе воды), т. е. влияние этих факторов, один из которых должен был бы увеличивать, а второй – уменьшать консистенцию бетонной смеси, суммируется таким образом, что изменение расхода цемента в указанных пределах не влияет на подвижность бетонной смеси.

Сувеличением содержания цементного теста при постоянном В/Ц или с уменьшением количества заполнителя подвижность смеси возрастает, а прочность остается практически неизменной. Если цементное тесто взять в количестве, необходимом только для заполнения пустот между зернами заполнителя, то бетонная смесь получится жесткой, неудобоукладываемой. Для того чтобы смесь стала подвижной, следует не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками цементного теста. В зависимости от свойств

заполнителя и соотношения между песком и щебнем минимальное содержание цементного теста в 1 м3 бетонной смеси, обеспечивающее её нерасслаиваемость

икачественное уплотнение, составляет 170…200 л в жесткой смеси, до 220…270 л в подвижной и иной смесях.

На подвижность влияют и свойства цемента. Чем выше нормальная густота цементного теста, тем сильнее снижается подвижность бетонной смеси при постоянном расходе воды. Бетонные смеси на пуццолановом портландцементе с активной кремнеземистой добавкой при одном и том же расходе воды имеют осадку значительно ниже, чем смеси на обычном портландцементе.

Сповышением содержания воды меняется консистенция цементного теста и увеличивается подвижность бетонной смеси, но если расход цемента остается постоянным, то снижается прочность бетона. Однако каждая бетонная смесь обладает определенной водоудерживающей способностью. При большем содержании воды часть её отделяется от бетонной смеси, что в принципе недопустимо. Изменение содержания воды – главный фактор, с помощью которого регулируют консистенцию бетонной смеси.

Подвижность смеси зависит от крупности заполнителя. С увеличением крупности зерен удельная поверхность уменьшается, снижается их влияние на цементное тесто, и подвижность смеси возрастает. Пыль, глинистые, илистые и другие загрязняющие примеси увеличивают суммарную поверхность заполнителя, снижают за счет этого толщину смазки цементным клеем, а также подвижность бетонной смеси.

Влияет на подвижность и соотношение между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста максимальная. При содержании песка в смеси заполнителей сверх этого значения бетонная смесь становится малоподвижной (за счет увеличения поверхности заполнителя). Эффективным регулятором подвижности являются пластифицирующие добавки.

На основе рис. 4.10 можно ориентировочно определить расход воды для пробных замесов в зависимости от требуемой подвижности и известных исход-

50

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com