Технологические свойства бетонных смесей: удобоукладываемость и однородность

К основным технологическим свойствам бетонных смесей можно отнести их удобоукладываемость и способность сохранять однородность и не расслаиваться.
Под удобоукладываемостью бетонных смесей понимают их способность заполнять форму или опалубку и уплотняться под воздействием механических усилий.
Первоначально под удобоукладываемостью понимали степень жесткости бетонных смесей, оцениваемой по времени или работе, необходимой для полного уплотнения бетонной смеси при вибрировании.
В современной технологии бетона термином «удобоукладываемость» объединяют обычно показатели подвижности и жесткости бетонной смеси.
Показатели удобоукладываемости тесно связаны с реологическими свойствами бетонной смеси - вязкостью и предельным напряжением сдвига. Они являются условными и при достаточной простоте измерения позволяют оценить изменение пластичности смесей при изменении различных технологических факторов, их соответствие условиям формования и уплотнения.
Мерой удобоукладываемости подвижных смесей является показатель осадки нормального конуса (конуса Абрамса) в см из свежесформованной бетонной смеси.
Для жестких бетонных смесей мерой удобоукладываемости является показатель жесткости в с, определяемый временем, необходимым для растекания и превращения под действием вибрирования в равновеликий цилиндр конуса из бетонной смеси (способ Вебе).
На принципе изменения формы бетонной смеси в процессе ее вибрирования основан ряд других способов оценки удобоукладываемости.
По способу Б. Г. Скрамтаева жесткость оценивают временем вибрирования, необходимым для расплывания конуса бетонной смеси, отформованной штыкованием в форме размером 20x20x20 см. Втехническом вискозиметре Пауэрса-Десовабетонный конус под влиянием вибрации переходит в состояние вязкого течения и превращается в равновеликий цилиндр по принципу сообщающихся сосудов.
Соотношение показателей жесткости, определенной способами Вебе, вискозиметром Пауэрса-Десова и упрощенным способом Скрамтаева составляет 1 : (2-3) : (3-4). По мере увеличения показателя жесткости это соотношение возрастает.
В зависимости от показателей подвижности по осадке конуса и жесткости по Вебе установлены марки бетонной смеси по удобоукладываемости .
Наряду с указанными, предложен ряд других способов оценки Удобоукладываемости бетонных смесей, основанных на измерении расплыва конуса, времени истечения, пенетрации шарика, погружения цилиндрического тела с полукруглой головкой, падающего с определенной высоты и др. Для оценки Удобоукладываемости жестких смесей предложено измерять энергию, необходимую для их уплотнения, например, по мощности, потребляемой виброплощадкой. Можно также использовать метод измерения электропроводности уплотняемой бетонной смеси, замера динамики уплотнения по изменению уровня уплотняемой смеси в сосуде, определения коэффициента уплотняемости как отношения объемной массы смеси, уплотненной определенным способом, к ее теоретическому значению и др.
На показатели удобоукладываемости оказывают влияние продолжительность и температура выдерживания смеси до укладки. Изменение удобоукладываемости бетонной смеси при ее выдерживании обусловлено гидратацией цемента и изменением коагуляционной структуры, поглощением воды заполнителями и ее испарением. Изменение удобоукладываемости во времени зависит от минералогического состава и тонкости помола цемента, вида и содержания добавок, плотности и влажности заполнителей, водосодержания смеси.
Снижение подвижности бетонных смесей существенно зависит от значения В/Ц. Это можно объяснить влиянием В/Ц на скорость гидратации и процессы структурообразования цементного камня.
Результаты наших опытов показали, что комплексные добавки полифункциональных модификаторов (ПФМ), содержащие суперпластификатор и замедлители схватывания, во всех случаях существенно изменяют кинетику потери подвижности литыми бетонными смесями. Наиболее сильное стабилизирующее действие оказывают сахаросодержащие ПАВ, наименьшее - ПАВ лигносульфонатного типа. Если при нормальной температуре в течение 30 мин с момента затворения литая смесь без добавок теряет подвижность на 4-6 см, с добавкой суперпластификатора С-3 - на 6-10 см, то добавки ПФМ позволяют за это время обеспечить практически неизменную подвижность смеси. С помощью сахаросодержащих ПФМ удается продлить жизнеспособность литых смесей до 1-1,5 ч, в то время как смеси с одним суперпластификатором С-3 снижают свою подвижность в два раза и более. При сопоставимых условиях темп потери подвижности увеличивается с уменьшением В/Ц цементного теста в бетонной смеси.
Кривые падения подвижности литых бетонных смесей с добавками ПФМ можно разбить на этапы относительной стабильности и прогрессирующего снижения подвижности. Как весь период снижения подвижности, так и период относительной стабильности тесно скоррелированы с началом схватывания цемента и периодом формирования структуры на кривых пластической прочности при прочих равных условиях.
Нормальная густота цементного теста существенно влияет на его реологические свойства. Как правило, увеличение нормальной густоты цемента на 1 % повышает водопотребность бетонной смеси на 1,5-3%. Однако в ряде случаев даже при одинаковой нормальной густоте водопотребность бетонных смесей на различных портландцементах может отличаться на 5-10%, что можно объяснить дополнительным влиянием минералогического состава и тонкости помола.
Влияние заполнителей на удобоукладываемость и водопотребность бетонных смесей связано с их удельной поверхностью и пустотностью. Оба эти показателя влияют на толщину прослойки цементного теста на зернах заполнителей - одного из главных физических параметров, влияющих на подвижность бетонной смеси.
Удельная поверхность и пустотность заполнителей определяются их крупностью, формой, зерновым составом, содержанием отмучиваемых частиц.
Удельную поверхность заполнителей можно рассчитать в зависимости от их зернового состава по справочным таблицам и эмпирическим формулам. Значение удельной поверхности смеси заполнителей не зависит от расположения зерен в пространстве.
Химически, преимущественно в результате ионного взаимодействия, вода связывается в стехиометрических соотношениях с минералами цемента в процессе гидратации. В начальный период твердения (до1ч) доля прореагировавшего Цемента не превышает 1 % и соответственно количество химически связанной воды незначительно.
Физико-химическая связь воды в бетонной смеси характерна в основном в адсорбционных пленках, образуемых на поверхности твердых частиц ненасыщенными ван-дер-ваальсовыми силами. Толщина адсорбционных водных пленок, обладающих свойствами псевдоупругого твердого тела, уменьшается с увеличением дисперсности твердых частиц. Так, для песка со средней крупностью зерен 1,65 мм она составляет 0,285 мкм, 0,3 мм - 0,114 мкм. На зернах цемента и гидратных новообразований толщина адсорбционного слоя воды составляет от нескольких единиц до нескольких тысяч молекулярных диаметров. Нетрудно подсчитать, зная удельную поверхность заполнителей, что количество адсорбционно связываемой воды в бетонной смеси составляет 2-4 л, т.е. 1-3% всей воды затворения при использовании абсолютно сухих материалов.
Адсорбционные слои на твердых поверхностях возникают как при поглощении паров из воздуха (гигроскопическая влага), так и при непосредственном соприкосновении с водой. Диполи воды, непосредственно прилегающие к твердым поверхностям и удерживаемые под большим давлением поля молекулярных сил, образуют прочносвязанную воду, несколько удаленные и связанные диполь-дипольными взаимодействиями создают рыхлосвязанную воду. На твердых поверхностях компонентов бетонных смесей адсорбируются как водные молекулы, так и ионы, растворенные в воде, образуемые при растворении и гидролизе цемента. При этом на поверхностях раздела фаз возникает двойной электрический слой, толщина которого обратно пропорциональна концентрации ионного раствора и меньше 0,01 мкм.
Вслед за образованием адсорбционных пленок по мере увлажнения происходит смачивание частиц цемента и заполнителей водой. Смачивание водой является свойством гидрофильных твердых поверхностей и обусловлено поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение твердых тел определяют косвенными экспериментальными методами или вычисляют теоретически на основании современной электростатической теории кристаллической решетки, развитой М. Борном и Я.И. Френкелем. Величина поверхностного натяжения различных твердых тел различна, но всегда значительно больше чем жидкостей. Например, расчетные значения поверхностной энергии для МдО и СаСО3 равны соответственно 1300 107 и 380 10 7 Дж/см2, а экспериментально определенные 1200 Ю-7 и 230 10"7 Дж/см2.
По сравнению с адсорбционной, вода смачивания удерживается значительно слабее и включает диффузный слой, состоящий из молекул, способных передвигаться от одной частицы к другой до установления равновесия. Для диффузной воды характерна меньшая скорость передвижения по сравнению со скоростью поднятия воды в капиллярах. Оптимальное относительное водосодержание цемента, условно соответствующее его полному смачиванию при обычных условиях (без введения пластификаторов, прессующих воздействий и др.), соответствует примерно К = 0,876Кн г, где Кн г - водоцементное отношение цементного теста нормальной густоты. При оптимальной влажности Кмв цементное тесто характеризуется постоянными реологическими параметрами - предельным напряжением сдвига (10= 1040 Па) и коэффициентом вязкости (Кв = 20 ПаЧс), а также имеет сингулярную точку на кривой электросопротивления.
Одна из важных технологических задач - минимизация водопотребности бетонных смесей без ухудшения показателей их удобоукладываемости решается за счет введения пластифицирующих добавок и оптимизации зернового состава заполнителей, применения цементов с пониженной нормальной густотой.
Предложено значительное число пластифицирующих добавок, рассмотренных в разделе 1. При неизменном водосодержании и начальной осадке конуса от 1 до 4 см подвижность бетонных смесей при введении слабопластифицирующих добавок достигает 5-9 см, эффективных пластификаторов 10-15 см и суперпластификаторов до 20 см и более. При постоянной подвижности уменьшение водопотребности составляет соответственно 5-10,10-20, 20-30% и более.
Добавки пластификаторов существенно изменяют реологические характеристики бетонных смесей даже при практически неразрушенной структуре, уменьшают предельное напряжение сдвига, эффективную вязкость и модуль упругости сдвига. Коэффициент тиксотропии, характеризующий спад значений пластической вязкости на единицу изменения скорости сдвига, в опытах В.А. Бабаева для бетонных смесей без добавок составлял около 106 Пас2/м, при введении суперпластификатора С-3 он изменился до 16 105 Па с2/м. С увеличением объема цементного теста эффективность добавок возрастает. Увеличение дозировки суперпластификаторов в некотором интервале (для С-3, например, от 0,2 до 1 % массы цемента) приводит к почти линейному изменению водопотребности. При дозировках больше оптимальных скорость снижения водопотребности уменьшается.
При использовании ряда пластификаторов предпочтительно использование низкоалюминатных цементов. Увеличение в цементе содержания алюминатной фазы вызывает необходимость повышения дозы добавок.
Примерно одновременно (в начале 30-х годов прошлого столетия) и независимо друг от друга В.И. Сорокером в СССР и Ф.Р. Макмилланом в США было установлено правило постоянства водопотребности(ППВ).Ими было найдено, что при неизменном водосодержании расход цемента в пределах 200-400 кг/м3 не влияет существенно на удобоукладываемость бетонных смесей. Первоначально ППВ распространяли лишь на малоподвижные смеси, а затем оно нашло экспериментальное подтверждение для жестких и подвижных бетонных смесей. Основываясь на ППВ, сначала С.А. Миронов, а затем и другие авторы предложили графики и таблицы для ориентировочного определения водосодержания бетонных смесей в зависимости от показателей осадки конуса и жесткости. Эмпирические рекомендации по определению водосодержания бетонных смесей с учетом ППВ в настоящее время являются обычными
в методиках проектирования составов тяжелых бетонов, рекомендуемых в большинстве стран. В соответствии с ППВ водопотребность бетонных смесей необходимая для достижения определенного показателя удобоукладываемости, является практически постоянной в определенном диапазоне расходов цемента и В/Ц.
Признавая ППВ, различные авторы, вместе с тем, приводят различные значения предельных расходов цемента, в диапазоне которых это правило справедливо.
Так, большинство авторов верхний предел применимости ППВ принимает 400 кг/м3, В.П.Сизов считает, что оно справедливо до 350 кг/м3, а А.Е. Десов - до 300 кг/м3.
По мере увеличения жесткости понижаются как нижний, так и верхний предельные расходы цемента. Даже в пределах одной жесткости верхний предельный расход цемента колеблется от 280 до 380 кг/м3, а нижний - от 140 до 200 кг/м3.


Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• В нашей системе за кубометр бетона цена для Балашихи определяется в процессе тендера между качественными растворными узлами Балашихинского района и окрестных населенных пунктов.
• Представленные здесь данные поспособствуют уменьшению затраты на бетон в Троицке.
• Подробные данные о бетоне м450 оптом (цена, распространенность, круг употребления и точки отгрузки).