Розділ 9

ВІБРОРЕОЛОГІЯ ДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

9.1. Фізичні основи ущільнення й формозміни бетонних сумішей

9.2. Основні параметри вібраційного ущільнення бетонної суміші

9.3. Вібродиспергування тіл та віброперемішування сумішей

9.4. Основи технології виробництва дорожніх бетонів на основі органічних в'яжучих

9.1. Фізичні основи ущільнення і формозміни бетонних сумішей

Свіжоприготовлена бетонна суміш має пухку нестабільну структуру з високою пористістю (П₀ до 15%) і значним об'ємом залученого повітря (особливо при низькому водоутриманні суміші). Необхідна умова одержання однорідного за міцністю і щільністю бетону - ущільнення бетонної суміші на стадії формування виробів.

Високорухомі і литі бетонні суміші, що характеризуються низьким граничним опором зсуву, легко деформуються й заповнюють форму під дією сили ваги. При цьому основний об'єм залученого повітря піднімається вгору і видаляється, що приводить до стабілізації й ущільнення структури бетонної суміші.

Малорухомі й жорсткі бетонні суміші (Ж > 5с) мають високий граничний опір зсуву. Процес ущільнення таких сумішей пов'язаний з необхідністю додаткових більш значних, ніж сила ваги, зовнішніх сил.

Бетонна суміш є складною структурованою багатофазною системою, що складається із твердих часток в'яжучого, органічних і мінеральних добавок, води й залученого повітря. Ще до початку схоплювання й твердіння в'язка бетонна суміш утворює просторові структури, що мають певну пластичну міцність, яка не змінює свого стану без певного енергетичного впливу ззовні.

Основну структуроутвірну роль у бетонній суміші виконує цементне тісто – тонкодисперсна система, що складається із твердих часток в'яжучого, спеціально тонкомолотих добавок, пилоподібних і глинистих домішок у заповнювачах і води. Завдяки величезній поверхні розподілу фаз між частками виникають значні сили молекулярної взаємодії, капілярні сили, поверхневого натягу, внутрішнього тертя і ін.

Капілярні сили викликають стиск системи, це підвищує зв’язність і створює умови для пластичної деформації (без розривів і тріщин), а також підвищує однорідність суміші. Граничне водоутримання суміші, при якому вона розшаровується, залежить від водоутримуючої здатності в'яжучого й інших тонкодисперсних компонентів.

У результаті дії вищевказаних внутрішніх сил формуються певні фізико-механічні властивості бетонної суміші, що характеризують її як об'єкт технологічних впливів у процесі приготування, транспортування, укладання, ущільнення й формоутворення.

Таким чином, інтенсивність вібраційних впливів на бетонну суміш повинна забезпечити руйнування внутрішніх сил взаємодії й змусити бетонну суміш деформуватися під дією сил гравітації (9.1) (рис. 9.1):

F_Г > (F_м.в. + F_σ + F_тр + F_к + F_ін.) (9.1)

Бетонну суміш приводять у коливальний рух або занурюючи в неї вібратори, або діючи на неї через опалубку чи форму. Частки бетонної суміші одержують імпульси, внаслідок чого вони коливаються в положеннях хиткої рівноваги. Бетонна суміш при цьому набуває властивостей « важкої» рідини.

Рис. 9.1. Сили, що діють на бетонну суміш: F_r – сила гравітації; F_м.в. – сила міжмолекулярної взаємодії; F_σ– сили поверхневого натягу; F_тр – сили внутрішнього тертя; F_к – капілярні сили; F_ін – інші сили, що забезпечують зв’язність бетонної суміші

Під впливом імпульсів частки бетонної суміші перебувають у безперервному коливальному русі біля деяких осереднених положень хиткої рівноваги. У результаті зсуву сусідніх часток утворюється порожнеча: частка, внаслідок сили ваги, заповнює її й продовжує коливатися вже в новому положенні хиткої рівноваги (для бетону на легкому заповнювачі: пемза, туф, керамзитовий гравій і ін., також має місце зворотне явище - спливання крупного заповнювача). Тому послідовний рух часток відбувається переважно вниз. Крім вертикальних переміщень униз, частки бетонної суміші можуть мати й інші переміщення: нагору, до вібратора й від нього (при внутрішньому вібруванні).

Таким чином, вібраційний вплив на бетонну суміш викликає зміну її фізичного стану, що проявляється у відносному русі шарів структурованого середовища, руйнуванні у структурі, зниженні сил тертя й зчеплення, а також границі текучості. Пластична деформація суміші починається при більш низьких зсувних напруженнях; при цьому проявляються тиксотропні властивості системи й відбувається ізотермічна зміна її в'язкості. У результаті цього бетонна суміш розріджується й стає більше легкоукладальною.

Процес руйнування коагуляційної структури суміші супроводжується більш рівномірним розподілом води в системі, витисненням затисненого в порах повітря й компактним просторовим розташуванням часток твердої фази. Відбувається зниження в'язкості суміші одночасно з її ущільненням. Коливальний рух часток суміші перешкоджає їхньому зближенню протягом певних інтервалів часу, коли вони не стикаються одна з одною; таким чином, між ними в ці моменти зникає тертя.

Поряд зі зменшенням внутрішнього тертя в бетонній суміші при вібруванні частки, що коливаються, обмінюються імпульсами, статична рівнодіюча яких прагне розширити займаний сумішшю об'єм в усіх напрямках, виникає так званий активний тиск, що чинить опір зовнішньому тиску, відповідній вазі й силам зчеплення часток, змушуючи їх періодично віддалятися одна від одної для того, щоб у наступний момент вони змогли почати зворотний рух і зблизитися у більш щільну масу. Тут можлива деяка аналогія з кінетичною теорією газів; при нагріванні газу в замкнутому об'ємі теплова енергія перетворюється в енергію безладного руху молекул, що створюють активний тиск на стінки посудини.

Отже, у процесі вібраційного ущільнення бетонних сумішей можна виділити дві основні стадії.

На першій стадії відбувається руйнування первісної структури бетонної суміші. Частки міняють взаємну орієнтацію, переміщуються, контакти між ними порушуються й під впливом сил ваги утворюється нова, більш компактна і стійка структура. Об'єм системи зменшується, тому що із суміші видаляється повітря, а порожнечі заповнюються розрідженим цементним тістом і розчином, що діють як мастило й знижують внутрішнє тертя.

На другій стадії бетонна суміш вібрує як одне ціле. Частки перебувають у тісному контакті, незначне взаємне переміщення можливе лише у зв'язку із седиментаційними процесами й виділенням затисненого повітря, що у цей період надає суміші властивості твердоподібного тіла, – з коагуляційною структурою. На другій стадії для підвищення ефективності вібраційного впливу ущільнення рекомендується статичне навантаження (привантаження). Стадія остаточного ущільнення - припинення осідання суміші у формі й покриття поверхні суміші тонким блискучим шаром цементного тісту.