К вопросу о критических В/Ц бетонной смеси

УДК 666.97

, канд. техн. наук, доц..

К ВОПРОСУ О КРИТИЧЕСКИХ В/Ц БЕТОННОЙ СМЕСИ

По мере увлажнения смеси цемента и заполнителей вода последовательно адсорбируется на твердых поверхностях, смачивает их, заполняет капиллярно-пористое пространство, раздвигает отдельные зерна и при избытке отделяется в результате седиментационных процессов. Не учитывая незначительное количество гидратной воды, можно записать уравнение водного баланса бетонной смеси:

       (1)

где В-водосодержание, определяемое необходимой удобоукладываемостью (формуемостью) смеси, кг/м3; Ц, П и Щ – расходы соответственно цемента, песка и щебня (гравия), кг/м3; Кн. г, Кс. п, Кс. щ – нормальная густота (в долях единицы) и коэффициенты смачивания песка и щебня; Х=(В/Ц)т/Кн. г – относительный показатель увлажнения цементного теста в бетонной смеси ((В/Ц)т – водоцементное отношение цементного теста); Впогл. – вода, поглощенная порами заполнителей, кг/м3; Всв. – вода, физико-механически удерживаемая в поровом пространстве между зернами заполнителей, покрытыми цементным тестом, кг/м3.

В зависимости от принятого способа формования и степени увлажнения бетонная смесь может иметь несвязное (рыхло-землистое) или связное состояние, характеризуемое различной степенью пластичности. Для цементного теста критерии связности Км. в=0,876Кн. г и Кпр=1,65Кн. г, характеризующие соответственно максимальную влагоемкость и водоудерживающую способность, были предложены [1] и подтверждены многими исследователями. Степень связности бетонных смесей можно характеризовать предельным напряжением сдвига растворной составляющей (τпр. р) и коэффициентом внутреннего трения. Связные бетонные смеси характеризуются τпр. р=(4...8) 102 Н/м2 [2], коэффициент их внутреннего трения f=tg φ (φ  - угол внутреннего трения) колеблется от 0,87 до 0,25 [3, 4].

Минимально необходимое для формуемых смесей количество воды ориентировочно равно:

       (2)

где Хm. в – относительное влагосодержание цементного теста, соответствующее максимальной влагоемкости цемента, при котором он практически не содержит в ячейках между обводненными частицами капиллярную влагу (Хm. в≤0,876).

Коэффициенты смачивания Кс. п и Кс. щ характеризуют удельное количество воды, удерживаемой песком и щебнем в пленочном состоянии на своей поверхности. Они зависят от величины поверхностной энергии, крупности и рельефа поверхности зерен заполнителей. Методика определения Кс. п и Кс. щ была предложена и [5].

При интенсивном механическом воздействии пленочная вода, удерживаемая цементом и заполнителями, может частично отжиматься и переходить в свободную Всв.

Нами проведены опыты по установлению зависимостей Хm. в, Кс. п и Кс. щ от величины статического давления, приложенного к образцам-цилиндрам диаметром и высотой 50 мм из цементного теста, растворных и бетонных смесей. Для изготовления образцов использовали портландцемент с Кн. г=0,245, кварцевый песок с Кс. п=0,021 и гранитный щебень с Кс. щ=0,008. Образцы прессовали при Р=5...50 МПа, промокали фильтровальной бумагой и определяли остаточное В/Ц. Обработка полученных данных позволила получить зависимости приведенные на рис.1.

Способность бетонной смеси растекаться под действием гравитационной силы или вибрации и приобретать определенную подвижность или жесткость обусловлена содержанием физико-механической воды, относительно слабо связанной с цементом и заполнителями (мобильной воды – Вmob).

       (3)

Попытка связать количественной зависимостью содержание несвязанной воды и осадку конуса бетонной смеси сделана в работе [6]. Однако, неучет перераспределения воды в бетонной смеси при водосодержании цементного теста больше его предельной водоудерживающей способности не позволил в предложенной [6] зависимости отразить правило постоянства водопотребности – важнейшую закономерность бетоноведения, учитываемую при проектировании составов бетона.

Измерение подвижности и жесткости бетонной смеси, равно как и ее транспортирование, сопряжены с определенными механическими воздействиями на бетонную смесь. В этих условиях, как показано в работе [2] Кпр≈1,35Кн. г.

При 1,35≥Х>0,876 и Всв=0, количество Вmob, а соответственно и удобоукладываемость бетонной смеси зависят как от Кн. г, так и от расхода цемента. Расчеты по уравнению (3) показывают, что увеличение нормальной густоты на 1 % должно вызвать увеличение водопотребности в среднем на 2 л., расхода цемента на 100 кг – на 10 л., что полностью совпадает с известными эмпирическими рекомендациями [7]. Предельное значение водосодержания бетонных смесей при Х=1,35:

.        (4)

Если Х>1,35, то Всв>0 и водосодержание бетонных смесей равно:

.        (5)

При постоянном водосодержании увеличение расхода цемента приводит, как следует из выражения (1) к уменьшению Всв, в соответствии с уравнением (3) количество мобильной воды и следовательно, подвижность бетонной смеси при этом остаются практически постоянными. Этот вывод, полученный аналитически, согласуется с правилом постоянства водопотребности.

Максимально возможное водосодержание бетонных смесей ограничивается их водоудерживающей способностью. Для каждого состава бетонной смеси возможен лишь определенный объем свободной воды, удерживаемой без отделения в поровом пространстве (Всв. уд). Для определения Всв. уд может быть использована эмпирическая зависимость для расчета общего количества воды, удерживаемой в 1 м3 бетонной смеси [2]:

,        (6)

где Вп – водопотребность песка; Sуд. щ – удельная поверхность щебня, м2/м3.

Водопотребность песка рекомендуется определять по известной методике [7] при (В/Ц)т=1,35Кн. г и вычислять по формуле:

,        (7)

где (В/Ц)р – водоцементное отношение цементно-песчаного раствора; n – количество частей песка в растворе по отношению к цементу.

При совместном решении уравнений (1) и (6) при Х=1,35 найдем:

.        (8)

Общее водосодержание бетонных смесей без заметного водоотделения равно:

.        (9)

Как следует из уравнения (9) существенного увеличения количества удерживаемой свободной воды можно достичь увеличением водопотребности и расхода песка, что широко используется на практике.

Анализ водораспределения в бетонных смесях по мере их увлажнения позволяет найти характерные или критические значения В/Ц.

При (рис. 2) представляется возможным достигать максимально возможную прочность и экстремальные значения других однозначно связанных с прочностью свойств бетона. Этому способствует практическое отсутствие в бетоне при капиллярной влаги и образуемых ею пор. Для тяжелых цементных бетонов, если Кн. г=0,24…0,28; Кс. п=0,015…0,025; Кс. щ=0,007…0,01 и Хm. в=0,876, то .

Значения как следует из выражения (2) смещаются в зависимости от объемного соотношения цементного теста и заполнителей, химико-минералогического и вещественного составов цемента, определяющих его нормальную густоту и водоудерживающую способность, а также факторов, влияющих на количество воды, смачивающей заполнители и поглощаемой ими.

Минимальные значения бетона при высокоинтенсивных способах уплотнения (прессовании, вибропрессовании и др.), когда Хm. в уменьшается почти в два раза, а Кс. п и Кс. щ приближаются к адсорбционной влажности, могут достигать 0,15…0,20. При значениях В/Ц бетонных смесей меньше наблюдается снижение прочности (рис.2), обусловленное невозможностью достижения высокой плотности при данном способе уплотнения и нехваткой воды для достаточно полной гидратации цемента.

Капиллярную пористость бетона рассчитывают [8] по формуле:

       (10)

где b – коэффициент, зависящий от минералогического состава цемента и условий его твердения; α - степень гидратации цемента.

Принимая в соответствии с известными рекомендациями [8] b=0,42; α=0,6…0,8 получим, что расчетные В/Ц бетона, обеспечивающие нулевую капиллярную пористость, находятся в указанных выше пределах .

Водоцементное отношение , ограничивается предельным значением Хm. в=1,35. В пределах области (рис.2) не выполняется правило постоянства водопотребности и на водопотребность бетонных смесей влияет расход цемента. Известный [9] вывод о том, что верхний предел правила постоянства водопотребности равен 1,68 Кн. г является приблизительным и не учитывает возможных колебаний содержания воды, расходуемой на смачивание и поглощения воды заполнителями. Действительно:

.        (11)

Ориентировочно можно считать, что или .

Для бетонных смесей с наиболее часто встречаемым диапазоном по водосодержанию соответствует расходам цемента 350…400 кг/м3, что согласуется с принятыми [7] рекомендациями.

Водоцементное отношение является максимально возможным В/Ц, выше которого наступает заметное водоотделения в бетонной смеси. В диапазоне (рис.2) для бетонных смесей справедливо правило постоянства водопотребности, подвижность (жесткость) бетонной смеси практически определяется лишь водосодержанием и не зависит от расхода цемента.

При значениях бетонные смеси расслаиваются, а свойства бетона становятся неопределенными и не прогнозируемыми зависимостями типа P=f (В/Ц), где P – показатель свойства.

Таким образом, анализ водного баланса бетонных смесей с различной степенью увлажнения позволяет объяснить ряд известных эмпирических закономерностей, предложить систему новых количественных зависимостей.

Список использованной литературы

1. Ахвердов бетон. М.: Стройиздат, 1961.

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

3. роблемы технологии бетона. М.: Госстойиздат, 1959.

4. , Лавринович техника уплотнения и формования бетонных смесей. Л.: Стройиздат, 1986.

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

6. , , Парийский бетона. Л.-М.: Стройиздат, 1966.

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

8. , , Бруссер и свойства цементных бетонов. М.: Стройиздат, 1979.

9. , Довжик бетонные смеси в производстве сборного железобетона. М.: Стройиздат, 1964.