Достижение необходимых свойств через уплотнение бетонной смеси

Достижение необходимых качественных показателей бетона возможно лишь при тщательном уплотнении бетонных смесей. При поступлении из смесителя бетонная смесь имеет достаточно большое число воздушных пор. Жесткие смеси образуют неустойчивые рыхлые структуры с крупными воздушными полостями. Отношение для них объема воздушных пор к общему объему смеси достигает 40-50%. Пластичные смеси почти полностью водонасыщены, содержание воздуха в них может не превышать 5-20%. В среднем на каждый процент воздушных пор приходится 5-6% падения прочности. Эти данные получены для бетонов с содержанием цементного камня 300-500 л/м3. . При снижении расхода цемента недоуплотнение сказывается на прочности еще более заметно и может дойти до 7-8% на 1 % сохраняемого воздуха. Недоуплотнение отрицательно сказывается и на ряд других свойств затвердевшего бетона. Степень уплотнения бетонной смеси определяется коэффициентом уплотнения:
Ку=1-П,
где П - пористость уплотненной смеси.

Для бетонных смесей, находящихся в статическом состоянии, характерно наличие сухого трения между твердыми компонентами. Трение возрастает с уменьшением содержания раствора в бетонной смеси, уменьшением количества воды затворения, применении заполнителей остроугольной формы.
Силы внутреннего трения уменьшаются до минимума при механических воздействиях на бетонную смесь, прекращение этих воздействий приводит к восстановлению внутреннего трения. Способность к тиксотропному разжижению под влиянием механических воздействий характерна для многих коллоидных систем, образование которых происходит за счет сил Ван-дер-Ваальса, в том числе и цементного теста.
При механических воздействиях и особенно при вибрировании происходит резкое снижение сопротивления сдвигу и бетонная смесь начинает подчиняться законам гидростатики. Под действием градиента скорости, развиваемого при виброуплотнении, вязкость смеси снижается на несколько порядков.
Основные способы механического воздействия на бетонную смесь с целью ее уплотнения и формования изделий можно разделить на 3 группы:
- статические (прессование, укатка, вакуумирование),
- динамические (вибрирование, трамбование),
- комбинированные (вибропрессование, вибровакуумирование,
виброштампование и др.).
Более 90% всех бетонных изделий изготовляется с помощью вибрирования.
Динамические воздействия при укладке бетонной смеси используются с 1860 г., тогда при укладке жестких смесей начали использовать трамбование. Вибрирование бетонной смеси при возведении крупных объектов начал применять Р. Фрейсинев 1917 г. Широко в строительстве вибрация стала применяться с 30-х годов XX столетия.
По Фрейсине при вибрировании бетонных смесей происходит взаимное сближение и отталкивание частиц, сопровождающееся уменьшением внутреннего трения за счет перемещения вниз тяжелых и всплытия вверх более легких частиц.
Современные представления о механизме уплотнения вибрированием дополняются волновым характером распространения механических колебаний и моделированием бетонной смеси акустической средой с высоким коэффициентом затухания. Энергия при распространении колебаний от излучателя расходуется в бетонной смеси на преодоление сил трения и сцепления между частицами, разрушение структуры цементного теста и снижение вязкости среды. Смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и способность к течению и заполнению формы. Перепад давлений в различных слоях смеси способствует миграции и удалению воздушных включений. При этом частицы заполнителя стремятся занять устойчивое положение, обеспечивающее плотную пространственную структуру. По виду колебаний, возбуждаемых вибратором, различают периодические синусоидальные, периодические несинусоидальные, одночастотные и поличастотные колебания. Исследования показали, что оптимальное значение частоты вибрирования связано с амплитудой колебаний, крупностью заполнителя, удобоукладываемостью бетонной смеси и др.
С уменьшением крупности заполнителя соответственно увеличивается частота колебаний. Так, например, при крупности заполнителя 40 мм оптимальная частота равна 38 Гц, при крупности зерен 20 мм - 50 Гц, а при максимальных размерах зерен 10 мм -100 Гц. Для уплотнения мелкозернистых бетонных смесей в густоармированных конструкциях целесообразно применять вибрирование с частотой 100-133 Гц. Увеличение частоты колебаний позволяет в целом ряде случаев уменьшить продолжительность вибрирования и увеличить радиус действия вибратора.
Применение разночастотных режимов вибрации позволяет улучшить упаковку различного по крупности заполнителя. Для каждой бетонной смеси при принятых параметрах колебаний имеется оптимальная продолжительность вибрирования. При недостаточной его продолжительности наблюдается недоуплотнение бетона и снижение его прочности; слишком длительное вибрирование не дает заметного повышения плотности и прочности бетона и может вызвать расслоение пластичных смесей. Обычно рекомендуется продолжительность вибрирования принимать вдвое большей показателя жесткости бетонной смеси, определенной на стандартной лабораторной площадке.
Процесс виброуплотнения бетонной смеси состоит из трех стадий: переукладки составляющих, их сближения и компрессионного уплотнения. Первая стадия заключается в разрушении первичной неустойчивой структуры, изменении взаимной ориентации зерен, перестройки «скелета», который образуют заполнители смеси, и минимизации его объема, удалении основной массы воздуха. Первая стадия виброуплотнения является наиболее короткой. В течение второй стадии уплотнения происходит сближение отдельных зерен в результате перераспределения по объему растворной составляющей и дополнительного удаления воздушных включений. Прохождению второй стадии уплотнения способствуют статические нагрузки. Завершение второй стадии определяется окончанием осадки бетонной смеси. Дальнейшее вибрирование не повышает плотность бетона на завершающей третьей стадии. Окончательное уплотнение бетонной смеси может достигаться дополнительным (компрессионным) обжатием. Оно позволяет обеспечить более равномерное распределение воды, содержащейся в порах, а также уплотнение контактов между зернами заполнителя. При вибрировании компрессионное обжатие достигается увеличением статического давления в два-три раза в течение нескольких минут. При безвибрационном уплотнении этот эффект возможен при прессовании и более длительной выдержке.
На первой стадии уплотнение бетонной смеси подчиняется закономерностям сыпучей среды, на второй она ведет себя как упруговязкопластичное тело, на третьей - как многокомпонентная зернистая среда.
По Б.В. Гусеву и В.Г. Зазимко на основе представлений о бетоне как композиционном материале предлагается разделять процесс виброуплотнения на две стадии: первую - перекомпоновку крупного заполнителя и образование макроструктуры и вторую -тиксотропные изменения цементного теста и формирование микроструктуры.
На первой стадии рекомендуются колебания низкой частоты с большой амплитудой, когда преодолеваются силы сцепления и сухого трения неуплотненных частиц бетонной смеси. В зависимости от свойств смеси и размеров крупного заполнителя для преодоления предельного напряжения сдвигу необходимы колебания с амплитудой 1-5 мм и интенсивностью по ускорению (1,5-3,5)д. На второй стадии для достаточного тиксотропного разжижения растворной составляющей целесообразны повышенные частоты или введение пластифицирующих добавок.
Оптимальный интервал выдерживания бетонной смеси до вибрирования зависит от ее состава, консистенции, вида вяжущего и температурно-влажностных условий. Например, дорожные цементно-бетонные смеси рекомендуется обычно уплотнять через 50-60 мин. после их изготовления при температуре окружающего воздуха ниже 15°С, через 40-30 мин. при температуре воздуха 15-20°С и через 20-30 мин. - выше 25 °С.
Современные виброуплотняющие машины имеют разнообразную конструкцию. Основным их элементом являются инерционные вибровозбудители дебалансного или самобалансного типа. В качестве рабочих частот вибромашин обычно применяются частоты 50 Гц и выше.
Традиционное виброоборудование как правило, не позволяет оптимизировать рабочие режимы уплотнения и обеспечить достаточно высокие санитарно-гигиенические характеристики. Находит применение вибрационное оборудование, создающее режимы линейного (синусоидального) знакопеременного силового воздействия при низких - до 33 Гц, средних - 33-66 Гц и высоких частотах. Ударные средства обеспечивают режим нелинейного напряжения, когда к смеси подводится ударный импульс с частотой приложения обычно от 25 до 7 Гц.
В настоящее время для уплотнения подвижных смесей с предотвращением их расслаиваемости получает распространение вибрационное оборудование, обеспечивающее эффективные низкочастотные симметричные режимы с уменьшением уровня шума. Время уплотнения и показатель раствороотделения бетонных смесей при низких частотах в 1,5-2 раза меньше по сравнению с частотой 50 Гц. Для уплотнения жестких и сверхжестких смесей предложены эффективные низкочастотные ударно-вибрационные режимы с частотой 15-30 Гц.
При низкочастотных асимметричных режимах более интенсивно проявляется эффект пластификации бетонных смесей добавками ПАВ, существенно улучшается качество поверхности изделий.
Наряду с динамическими для уплотнения смесей применяют и статические силовые воздействия. Их величина, как правило, не превышает 0,015-0,02 МПа. Пригруз в сочетании с вибрированием позволяет существенно сокращать продолжительность формования жестких бетонных смесей, улучшает равномерность уплотнения, препятствует расслоению смесей, в особенности на легких заполнителях.
Для уплотнения сверхжестких смесей эффективно вибропрессование, широко используемое для изготовления мелкоштучных изделий типа тротуарных плит, стеновых блоков и др.
К разновидностям вибропрессования можно отнести виброштампование и силовой вибропрокат. При первом способе вибрационное воздействие и статическое давление создаются одним рабочим органом - виброштампом, при втором вибрирование сочетается с механическим давлением на бетон вибровалков прокатного стана.
Вибропротяжная технология позволяет выполнять непрерывное безопалубочное формование с помощью специальных агрегатов, включающих вибробункер, питатель и виброформующее устройство. Роль статического давления осуществляет подпор смеси в вибробункере и ее сопротивление при формообразовании.
При вибровакуумировании в бетонной смеси, предварительно уплотненной вибрированием, с помощью вакуумных устройств создается разрежение и, благодаря разности давлений, из бетона отсасываются воздух и избыточная вода. При вакуумировании также возникает прессующий эффект от давления вакуумщита на поверхность обрабатываемого слоя бетонной смеси. Этот эффект усиливают дополнительным давлением (вакуум- прессование). При вакуумировании отсасывается обычно 15-20% воды затворения и до 80% содержащегося в бетонной смеси воздуха, что дает возможность повысить прочность бетона на 40-60% через 2-3 дня и на 20-25% в 28-суточном возрасте. Глубина вакуумирования бетона не превышает 10-12 см, поэтому этот способ эффективен для тонкостенных конструкций. Возможно применение способа вибровакуумирования для улучшения качества поверхностного слоя («закалки») конструкций. Из безвибрационных способов уплотнения применяют прессование, роликовое формование, центрифугирование и литьевое формование.
Способ прессования основан на уплотнении бетонной смеси с выделением свободной воды при объемном обжатии формуемых изделий. При этом целесообразно применять жесткие сыпучие смеси с малым водосодержанием. Возможно использование и подвижных смесей, когда статическим давлением иногда в сочетании с электроосмосом осуществляется отжатие избытка воды. Удаление жидкой фазы из бетонной смеси при прессовании сопровождается фильтрационными процессами, которые определяются градиентами давления, размером капилляров и др.
При рассмотрении механизма уплотнения бетонной смеси прессованием наибольшее значение имеют свободная и капиллярная вода, а также вода адсорбционных оболочек. При достижении определенного давления твердые частицы бетонной смеси сближаются, в результате чего часть пленочной воды переходит в свободное состояние и может быть отжата.
Отжимание воды под давлением носит затухающий характер и идет до тех пор, пока внешнее давление больше суммы сил внутрикапиллярного давления, сопротивления фильтрации и вязкости жидкой фазы.
По И.Н. Дударю процесс отжимания остаточной воды из цементного теста при В/Ц > К н. г (где К н. г - нормальная густота) лимитируется сопротивлением фильтрации. Изменение давления на первом этапе влияет только на скорость фильтрации и незначительно на количество выжатой воды. Начиная с определенного расстояния, между частицами а = 10" ...10~9м необходимо учитывать силы молекулярного взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды. На втором этапе силового влияния давления большое значение приобретает трение между частицами цементного теста и его нелинейная деформация. В результате внутреннее сопротивление давлению увеличивается и фильтрация воды уменьшается.
Роль давления заключается не только в снижении В/Ц. Дополнительный прирост прочности прессованных бетонов обеспечивается за счет формирования более качественной структуры и, в частности, уменьшения радиуса пор, устранения макродефектов контактной зоны и дефектов, связанных с седиментационными процессами.
Динамика уплотнения цементного теста в условиях прессования и технологические особенности способов Уплотнения бетонной смеси с отжатием воды обстоятельно изучены И.Н. Ахвердовым. Им установлены закономерности сжимаемости цементного теста и влияния прессующего Давления на остаточное В/Ц - (В/Ц)ост
По И.Н. Ахвердову максимальное сближение цементных частиц имеет место при Х = (В/Ц)нач/Кнт =0,876. Между (В/Ц)ост и прессующим давлением существует такая же функциональная зависимость, как между усилием и деформациями в реальных твердых телах. Уплотненное под давлением цементное тесто при (В/Ц)ост менее 0,876Кнг не проявляет обратимых тиксотропных свойств, в результате резкого возрастания сил взаимодействия между частицами. По мере уменьшения содержания воды затворения все более отрицательно на плотность и прочность цементного камня сказывается влияние упругого последействия после снятия внешнего давления. Более полному прохождению ионообменных процессов при гидратации цемента и повышению прочности способствует оптимальное время прессования. Интенсивный рост прочности цементного камня происходит до прессующего давления 100 МПа, на практике давление прессования обычно не превышает 10-15 МПа. Эффективным способом получения сверхпрочных бетонов и экономии цемента является длительное объемное прессование бетонной смеси. Как показано Е.М. Бабичем, в результате длительного (2-Зсут) прессования прочность бетона при сжатии увеличивается на 60-140% и может достигать 100-150 МПа. При заданной прочности возможна экономия цемента до 35%. Наибольший эффект длительного прессования достигается при применении давления (5-15 МПа) в интервале схватывания цемента. В результате отжатия воды водоцементное отношение длительно прессованных бетонов достигает 0,18-0,20.
Экспериментальными исследованиями установлена целесообразность предварительного, до прессования, вибрирования бетонной смеси. Такая технология, реализуемая, например, при производстве виброгидропрессованных труб, позволяет обеспечить прочность бетона в 1,35-1,8 раз выше, чем при обычном вибрировании.
Высокие физико-механические свойства бетона обеспечиваются также при термосиловой технологии, основанной на комплексном воздействии внешнего давления и нагревания. При этом бетон находится под действием давления и температуры до приобретения критической прочности, способной выдерживать напряжения, возникающие при снятии давления.
При формовании изделий трубчатого сечения эффективен способ распределения и уплотнения бетонной смеси центрифугированием.
Эффективным способом уменьшения расхода цемента (до 25-30%) и повышения однородности структуры центрифугированного бетона является применение виброцентрифугирования. Виброцентрифугированием можно формовать изделия кольцевого сечения из бетонной смеси при начальном В/Ц цементного теста, близком к его нормальной густоте (Кн г), в то время как при послойном центрифугировании оно составляет (1,2-1,3)Кнг. Виброцентрифугированием удается повысить прочность бетона при однослойном формовании примерно на такую же величину, как при трехслойном центрифугировании.
К безвибрационным способам уплотнения относится бетонирование набрызгом, при котором бетонная смесь уплотняется под действием интенсивных инерционных сил. Характерным для метода набрызга является совмещение в едином производственном процессе транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси при полной механизации всех технологических операций. На практике метод набрызга реализуется с применением пневматических аппаратов в виде «сухого» или «мокрого» торкретирования и шприцбетонирования. «Сухое» торкретирование заключается в нанесении на поверхность под давлением сжатого воздуха одного или нескольких слоев цементно-песчаного раствора, подаваемого по шлангу в виде сухой смеси, затворяемой водой при выходе из сопла. «Мокрое» торкретирование (способ пневмобетона) отличается применением готовых цементно-песчаных растворов, диспергируемых в отдельные гранулы, транспортируемые во взвешенном состоянии.
Шприц-бетонирование заключается во введении в сухую смесь крупного заполнителя - щебня или гравия фракции до 25-30 мм, добавок-ускорителей схватывания и твердения и др. В последние годы шприц-бетон известен больше под общим названием набрызг-бетон. При торкретировании частицы удерживаются на бетонируемой поверхности силами поверхностного натяжения.

Авторы: Л. И. Дворкин, О. Л. Дворкин

• Предлагаем ознакомиться с инструкцией клиента по покупке бетона перед тем, как воспользоваться нашей системой.
• Через нашу фирму каждый заказчик способен посетить производство бетона в Балашихе и сделать заказ при объеме от 10 кубов.
• Как определить качество бетона - вопрос, интересующих многих заказчиков.