Правило постоянства водопотребности бетонных смесей

УДК 666.97

Л. И. ДВОРКИН, докт. техн. наук, О. Л. ДВОРКИН, докт. техн. наук

ПРАВИЛО ПОСТОЯНСТВА ВОДОПОТРЕБНОСТИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Закон водоцементного отношения и правило постоянства водопотребности (ППВ) бетонных смесей являются основными закономерностями, на которых базируется расчетно-экспериментальный метод проектирования составов бетона. Однако теоретическим обоснованиям ППВ в бетоноведении уделялось значительно меньше внимания. В данной работе предлагается и анализируется ряд расчетных зависимостей важных как для физического обоснования ППВ, так и вытекающих из него технологических выводов.

Правило постоянства водопотребности было установлено примерно одновременно (в начале 30-х годов прошлого столетия) и независимо друг от друга в СССР и в США [1,2]. 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 [3,4]. Основываясь на ППВ, сначала , а затем и другие авторы [4,5,6] 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 ППР в настоящее время являются обычными в методиках проектирования составов тяжелых бетонов, рекомендуемых в большинстве стран.

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 [6,7], считает, что оно справедливо до 350 кг/м3 [4], а – до 300 кг/м3 [8]. По мере увеличения жесткости понижаются как нижний, так и верхний предельные расходы цемента. Даже в пределах одной жесткости предельный расход цемента колеблется в пределах от280 до 380 кг/м3 [3]. Неучет существенных колебаний верхнего предельного расхода цемента, обусловленного ППВ, в принятых методиках проектирования составов огрубляет предварительный расчет водопотребности бетонных смесей. Колебания нижнего предельного расхода цемента от 200 до 140 кг/м3 – на расчетах составов практически не сказываются, поскольку они совпадают с диапазоном минимальных расходов цемента в обычных бетонах.

Существенная стабилизация верхнего предела области ППВ, и учет особенностей применяемых цементов как показано и [3] достигается при выражении его через критическое В/Ц равное в среднем 1,68 Кн. г, где Кн. г - В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста.

Близость (В/Ц)кр бетонных смесей к В/Ц, характеризующему предельную водоудерживающую способность цементного теста (Хпр»1,65Кн. г) не случайна. Как показано [9] предельное напряжение сдвига и вязкость цементного теста при (В/Ц)ц. г=1,65Кн. г достигают минимальных значений, при (В/Ц)ц. г<1,65Кн. г они резко возрастают. Величина критического В/Ц цементного теста в бетонной смеси уже при относительно невысоких механических воздействиях может уменьшаться до (В/Ц)ц. т=1,35Кн. г[10]. Нетрудно определить, что с учетом пленочной воды, необходимой для смачивания заполнителей, верхний предел ППВ можно найти по формуле:

, (1)

где Кс. п и Кс. щ - коэффициенты смачивания песка и щебня [9]; П и Щ- их содержание в бетонной смеси, кг/м3.

В формуле (1) не учитывается для упрощения вода, поглощенная порами заполнителей, и вступившая в химическое взаимодействие с цементом.

При определении как осадки конуса, так и, в особенности, жесткости бетонная смесь подвергается механическим воздействиям и в формуле (1) предпочтительно принимать (В/Ц)ц. т=1,35Кн. г. Принимая для кварцевого песка Кс. п = 0,015…0,025, гранитного щебня Кс. щ = 0,005…0,01 [9] можно рассчитать, что для бетонов с расходом цемента Ц=300…500 кг/м3 (В/Ц)кр колеблется от 0,37 до 0,45 (табл.1).

Полученные расчетные значения подтверждаются экспериментально (табл.1).

Таблица 1

Расчетные и экспериментальные значения (В/Ц)кр

№ п. п	Кн. г	Ц, кг/м3	П, кг/м3	Щ, кг/м3	Критические В/Ц
Расч.	Расч. по отнош. к Кн. г	Экспер.	Экспер. по отнош. к Кн. г
1	0,25	300	700	1200	0,393 0,436	1,57 1,74	0,41 0,42	1,64 1,68
		400	650	1150	0,376 0,407	1,50 1,63	0,39 0,41	1,58 1,67
		500	600	1100	0,367 0,390	1,47 1,56	0,38 0,40	1,51 1,59
2	0,28	300	700	1200	0,433 0,476	1,55 1,70	0,45 0,49	1,59 1,74
		400	650	1150	0,417 0,447	1,49 1,60	0,44 0,46	1,55 1,71
		500	600	1100	0,407 0,430	1,45 1,54	0,42 0,45	1,49 1,61

Примечание: Над чертой приведены критические значения В/Ц для бетонов при использовании песка с Кс. п=0,015; щебня с Кс. щ=0,005; под чертой – песка с Кс. п=0,025; щебня Кс. щ=0,01.

В общем случае водоцементное отношение бетонной смеси (В/Ц)б можно представить выражением:

, (2)

где Всв- свободная механически удерживаемая вода, увеличивающая подвижность бетонной смеси.

Вода Всв наряду с воздушными пузырьками заполняет поровое пространство в бетонной смеси между зернами заполнителя, покрытыми цементным тестом. В жестких смесях недостаток Всв обусловливает их рыхлую структуру, наличие крупных воздушных полостей. В процессе уплотнения бетонных смесей происходит переформирование их структуры, вытеснение воздуха и заполнение воздушных пустот водой Всв и водой, отделившейся из цементного теста. Из выражения (2) легко найти общее уравнение расхода цемента:

. (3)

Из него следует, что уменьшение расхода цемента в общем случае достигается комплексом технологических решений, направленных на уменьшение водопотребности заполнителей (повышение их крупности, очистка от примесей и др.), снижение содержания свободной воды (пластифицирование добавками ПАВ, повышение жесткости и др.), уменьшение Хпр (прессование, вибропрессование и др.), нормальной густоты цемента и, наконец, снижение (В/Ц)б, например, за счет рационального выбора его активности.

Правило постоянства водопотребности (ППВ), исходит из несколько упрощенной картины изменения реологических свойств бетонной смеси с изменением В/Ц. Как показано было [8], логарифм вязкости бетонной смеси линейно изменяется практически во всем диапазоне В/Ц. Однако если с изменением В/Ц от 0,8 до 0,5 вязкость изменяется от10 до 100, то при изменении В/Ц от 0,5 до 0,2 она возрастает от 100 до 10000 т. е. на порядок выше. В еще большей мере с ППВ согласуется изменение предельного напряжения сдвига. По данным [10], полученным для растворных смесей, на участке ППВ сопротивление сдвигу составляет (4…8).102 Па, за его пределами оно возрастает до 2.104 Па и более.

Предельное напряжение сдвига и вязкость бетонных смесей, определяющие показатели их удобоукладываемости, однозначно зависят при использовании неизменных материалов от толщины слоя цементного теста на зернах заполнителя d и В/Ц. Этот вывод подтверждается как экспериментально [6,10,11], так и теоретически. Бетонные смеси можно рассматривать как грубодисперсные структурированные системы, реологические свойства которых определяются как количеством так и вязкостью дисперсионной среды, выполняющей роль своеобразной “смазки”. Такой смазкой служит бингамовская жидкость – цементное тесто.

Для вязкости концентрированных дисперсных систем (hсм) справедливо уравнение Муни, модифицировавшего известную формулу Эйнштейна [12]. Применительно к бетонным смесям оно имеет вид:

, (4)

где hц. т - вязкость цементного теста; Vз - объемная концентрация заполнителей; Ку - коэффициент, зависящий от плотности упаковки зерен (1,35<Ку<1,91); К – коэффициент пропорциональности.

При известной пустотности заполнителей Ра по отношению к абсолютному объему Vз и их удельной поверхности Uз условную толщину слоя цементного теста (d) можно найти из отношения:

. (5)

Введем коэффициенты, характеризующие качество заполнителей:

К1=(Ра+1)Ра и К2=Uз/Ра . (6)

Тогда, учитывая, что Vз=1-Vц. т:

или . (7)

Принимая Ку =1,35 найдем:

. (8)

Выразим hц. т по формуле:

, (9)

где hв- вязкость воды; - объемная концентрация цемента в цементном тесте.

Общее выражение вязкости бетонной смеси:

. (10)

Уравнение (10) аналитически подтверждает гипотетический вывод и о том, что “в определенных пределах изменения количества цементного теста и его вязкости взаимно компенсируют друг друга и вязкость всей системы, а следовательно удобоукладываемость остаются неизменными” [3]. При В/Ц>(В/Ц)кр т. е. в области действия ППВ, учитывая незначительное изменение hц. т , вязкость бетонной смеси при постоянных исходных материалах и соотношении заполнителей зависит практически лишь от величины d. Представим объемную концентрацию цементного теста через объемное водосодержание (Vв):

, (11)

где rц- плотность цемента.

Тогда зависимость при В/Ц>(В/Ц)кр можно трансформировать в зависимость вязкости бетонной смеси от ее водосодержания.

Определение структурной вязкости является основным способом оценки удобоукладываемости малоподвижных и жестких бетонных смесей. Показатели удобоукладываемости, определяемые по времени растекания смеси в с, пропорциональны величине вязкости в н. с/м2.

Показатель осадки конуса характеризует предельное напряжение сдвигу бетонной смеси tпр. Так, в работе [10] показано, что величина tпр обратно пропорциональна скоррелированному с осадкой площади основания бетонного конуса. Аналогично как и для жесткости теоретически и экспериментально доказывается что при В/Ц>(В/Ц)кр осадка конуса при постоянных исходных материалах и соотношении заполнителей однозначно определяется содержанием цементного теста или параметром d и соответственно водосодержанием бетонной смеси [11].

Следствием практической независимости жесткости и осадки конуса от В/Ц при В/Ц>(В/Ц)кр и изменяемости этих показателей в то же время от водосодержания бетонных смесей является влияние на удобоукладываемость расхода цемента. Если принять (В/Ц)кр=1,68Кн. г при Кн. г=25…28% то при расходе воды 140…200 л расчетный диапазон предельного расхода цемента, при котором будет справедливо ППВ равен 300…476 кг/м3.

При В/Ц<(В/Ц)кр резко возрастает его влияние на вязкость и предельное напряжение сдвига цементного теста и бетонной смеси. Для поддержания постоянными показателей удобоукладываемости необходимо соответственное увеличение объема цементного теста на зернах заполнителя за счет роста водосодержания. По и [3] вне пределов ППВ повышение Ц/В на 0,1 соответствует повышению водопотребности бетонной смеси на 1…2%. В широко применяемых методиках расчета составов [4,6] рекомендуется корректировать водосодержание смесей при расходах цемента сверх 350 кг/м3 или 400 кг/м3 на 1 л на каждые последующие 10 кг/м3. Эти эмпирические данные легко обосновываются теоретически. При В/Ц<(В/Ц)кр водосодержание бетонных смесей уменьшается за счет уменьшения влажности цементного теста:

, (12)

где Хо. п - относительное водосодержание цементного теста, соответствующее его максимальной молекулярной влагоемкости [9].

Относительное увеличение водосодержания в % равно:

. (13)

Например, при Хпр=1,35; Хоп=0,876; Кн. г=0,24…0,28 по формуле (12) можно рассчитать, что при увеличении расхода цемента на 10 кг/м3 DВ составит 1,13…1,32 кг/м3; соответственно по (13) относительное увеличение водопотребности при DЦ/В=0,1 – 1,13…1,32%.

Таким образом, правило постоянства водопотребности бетонных смесей (ППВ) и технологические выводы, вытекающие из него подтверждаются теоретическим анализом на основе физических представлений о структурообразовании и реологии дисперсных систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сорокер расчеты состава бетона. М.: Госстройиздат,1933.

2. Макмиллан принципы приготовления бетона. Пер. с англ. М.-К.,1935.

3. , Довжик бетонные смеси в производстве

4. Сизов составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1980.

5. Миронов способы подбора состава бетона. М.: Стройиздат, 1944.

6. Баженов определения состава бетона различных видов. М.: Стройиздат, 1975.

7. Руководство по подбору составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1979.

8. Десов бетон. М.: Госстройиздат, 1956.

9. Ахвердов физики бетона. М.: Стройиздат, 1981.

10. , , Ильин и прочность дорожного цементного бетона. Х-в. Изд-во ХГУ, 1965.

11. Блещик -механические свойства и реология бетонной смеси и прессвакуумбетона. Минск. “Наука и техника”, 1977.

12. Moony M. J. Colloip. Sci., 1951, №6.