7.6. Про реологічні криві течії і в'язкості структурованих рідин на прикладі цементобетонних сумішей

Формування властивостей бетону починається з готування, укладання і затвердіння бетонної суміші. Ці операції багато в чому визначають майбутню якість бетону, конструкцій і виробів. Тому дуже важливо добре знати властивості бетонної суміші, залежність їх від різних факторів, вміти одержувати бетонну суміш заданих властивостей, уміло керувати процесами готування, укладання і твердіння бетонної суміші.

В основному впливають на ці властивості кількість і якість цементного тіста, тому що саме цементне тісто, будучи дисперсною системою, має високорозвинену поверхню розподілу твердої і рідкої фаз, що сприяє розвитку сил молекулярного зчеплення і підвищенню зв’язаності системи. Вирішальний вплив на властивості бетонної суміші має витрата води, тому що вона визначає обсяг і будову рідкої фази і розвиток сил зчеплення, що характеризують зв'язаність і рухливість усієї системи.

У процесі гідратації цементу (до моменту затвердіння) з'являється усе більша кількість гідратних сполук – новотворів, що сприяє збільшенню дисперсності твердої фази і відповідно підвищенню клеючої і пластифікуючої здатності цементного тіста і його сполучної ролі в бетонній суміші. Разом з тим поступово зменшується рухливість суміші.

Цементне тісто відносять до так званих структурованих систем, що характеризуються деякою початковою міцністю структури. У цементному тісті створюється визначена структура за рахунок дії сил молекулярного зчеплення між частками, покритими тонкими плівками води. Плівки рідкої фази створюють безперервну просторову сітку в структурі цементного тіста, додаючи йому властивості пластичності і здатності формозміні системи (течії) при дії зовнішніх силових факторів.

Міцність початкової структури, чи структурна в'язкість цементного тіста, залежить від концентрації твердої фази у водній суспензії.

Звичайно бетонні суміші містять достатню кількість цементного тіста і води для створення суцільного середовища. Такі суміші ведуть себе подібно цементному тісту, маючи первісну міцність структури, визначену пластичністю і рухливістю.

З позиції реології (науки про процеси деформування і течії речовини) бетонна суміш розглядається як пружне тіло, яке має специфічні властивості, що залежать не тільки від складу бетонної суміші, її структури і властивостей компонентів, але і від інтенсивності зовнішніх впливів у процесі технологічної обробки.

Під дією зовнішніх сил у бетонній суміші відбувається ніби розпушення первісної структури, послабляються зв'язки між її окремими елементами, а в результаті зростає здатність системи до деформацій (течії), збільшується її рухливість. При досягненні критичної швидкості зрушення, коли первісна структура системи гранично зруйнована, в'язкість і опір зрушенню досягають мінімальних значень і навіть малорухомі суміші набувають визначеної течії. Після закінчення дії зовнішніх сил система повертається в початковий стан, відновлюється міцність структури, зменшується рухливість.

Поводження невіброваної бетонної суміші приблизно описують реологічною моделлю Бінгама-Шведова (рис. 7.15), що являє собою послідовне з'єднання моделей пружного тіла (елемент Гука – 1), пластичного тіла (елемент Сен-Венана – 2) і в’язкого тіла (елемент Ньютона – 3).

При зростанні напруження спочатку включається в роботу пружний елемент. Якщо τ ‹ τ₀ пружна деформація ε_пр = τ / Е. Якщо напруження τ перевищує граничне напруження зрушення τ₀ , суміш тече подібно в’язкій рідині, і непружна (пластична) деформація за час t розраховується як (7.17):

(7.17)

Рис. 7.15. Реологічна модель цементобетонної суміші

Таким чином, реологічне рівняння, що зв'язує τ і ε , включає пружну і непружну складові повної деформації (7.18):

(7.18)

Уявлення про поводження бетонної суміші при впливі на неї зовнішніх сил дає повна реологічна крива, яку можна розділити на три ділянки (рис. 7.16). На першій ділянці при невеликих значеннях напруження зсуву τ зберігається незруйнована первісна структура бетонної суміші, що характеризується найбільшою в'язкістю η_0. Після досягнення критичного напруження τ₁, що відповідає границі текучості на ділянці τ₁…τ₀, ефективна в'язкість бетонної суміші η_е залежить як від напруження зсуву так і від градієнта швидкості деформування. При перевищенні напруження τ₀ – (граничне напруження зсуву) система гранично зруйнована, бетонна суміш набуває найменшої в'язкості (пластична в'язкість η_m – третя ділянка кривої). Поводження бетонної суміші у відсутності вібрації можна описати рівнянням Бінгама-Шведова (7.19):

(7.19)

де: τ - напруження зсуву;

τ₀ – граничне напруження зсуву;

η_m – пластична (залишкова) в'язкість системи, що може розглядатися як коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт в'язкості) між напруженням і швидкістю зсуву, якщо τ > τ₀; dv/dx – градієнт швидкості зсуву.

При вібруванні бетонної суміші її початкова структура гранично руйнується, внутрішнє тертя і сили зчеплення зменшуються до мінімуму, повною мірою виявляється ефект тонкошарового руйнування і граничне напруження зсуву стає дуже малим. У цих умовах поводження бетонної суміші з визначеним ступенем наближення можна описати рівнянням Ньютона (7.20):

(7.20)

Рис. 7.16. Зміна в’язкопластичних властивостей бетонної суміші залежно від напружень зсуву τ: а) зміна структурної в'язкості η; б) зміна швидкості деформації течії (α0 і αm – кути, значення тангенсів яких характеризують значення в'язкості системи) від напруження τ

З підвищенням вмісту в бетонній суміші великого заповнювача і зменшенням вмісту води чи за відсутності суцільного середовища з цементного тіста опір зсуву значно збільшується. У системі не тільки підвищується в’язке тертя, але і додається тертя між зернами заповнювача. Для опису поводження таких сумішей застосовують рівняння Кулона (7.21):

(7.21)

де: τ – дотичне напруження;

σ – нормальне напруження;

φ – кут внутрішнього тертя;

С – питоме зчеплення.