Формуемость бетонной смеси

Под формуемостью или удобоукладываемостью подразумевается способность бетонной смеси сравнительно легко и с наименьшими энергетическими затратами принимать заданную форму и обеспечивать при этом необходимую степень уплотнения и однородную структуру во всех точках бетонируемого изделия и сооружения.

В соответствии с действующим ГОСТ 11051—70 удобоукладываемость легкобетонной смеси можно оценивать различными методами в зависимости от степени ее подвижности и структуры. Если подвижность высокая и уплотняемая смесь растекается без внешнего механического воздействия, применяют нормальный конус. Если смесь подвижна только при вибрации, удобоукладываемость контролируют двумя способами: при жесткости до 60 сек применяют технический вискозиметр, а при жесткости свыше 60 сек — прибор с пригрузом, создающим при вибрации давление на смесь 40 гс/см2. Однако все эти методы допускается использовать лишь для смесей, характеризующихся полным заполнением раствором всех пустот между зернами крупного заполнителя, т. е, для плотных и поризованных смесей. Что касается малопесчаных и беспесчаных (крупнопористых) смесей, то они имеют свойства увлажненных сыпучих материалов и при оценке их формуемости основное внимание следует уделять не способности уплотняться и приобретать заданную форму, а обеспечению однородности структуры бетона; смесь в процессе формования не должна расслаиваться.

Легкобетонные смеси плотной и поризованной структуры, подобно обычным бетонным смесям на плотных заполнителях, могут иметь любую степень удобоукладываемости (табл. 6.7). Однако водопотребность их при этом намного больше, чем у смесей на плотных заполнителях. Повышенное количество воды, необходимое для получения заданной удобоукладываемости, объясняется в основном значительной пористостью применяемого заполнителя, которая способствует интенсивному отсосу из цементного теста некоторого количества воды как в процессе приготовления смеси, так и при ее выдержке до формования.

Рассматривая факторы, влияющие на удобоукладываемость, будем исходить из представления, что легкий бетон — материал двухкомпонентный, состоящий из крупного заполнителя и растворной части. Это дает возможность использовать для данного случая хорошо изученные в технологии обычных бетонов реологические свойства цементного теста и раствора.

По данным И.Н. Ахвердова, реологические свойства цементного теста следует рассматривать в зависимости от изменения его нормальной густоты (Кн.г). Чтобы предотвратить расслаивание, следует использовать тесто с предельным B/Ц, равным не более 1,65 Кн.г, при обычном способе приготовления и 2 Kн.г при активации.

Для характеристики подвижности цементного теста предложен показатель X = В/Ц/Кн.г. Используя этот показатель и результаты статистической обработки многочисленных опытных данных, И.И. Ахвердов и Н.П. Блещи к установили следующую зависимость между предельным напряжением сдвига цементного теста (то) и характеристикой его подвижности:

Как видно из рис. 6.8, при В/Ц = 0,5 цементное тесто уже не оказывает сопротивление сдвигу, т. е. оно становится подобным ньютоновской жидкости. Внутренние связи между частицами цемента при этом разрушены, поскольку частицы оказываются расчлененными прослойками воды, толщина которых превышает мономолекулярный слой, Начинается расслоение теста, Многочисленные опытные данные подтверждают, что долговечность легких бетонов резко ухудшается, если В/Ц цементного камня более 0,5.

По сравнению с цементным тестом общее сопротивление раствора сдвигу трас больше и по И.Н. Ахвердову выражается двумя слагаемыми

Кроме предельного напряжения сдвига трас, на удобоукладываемость растворной части оказывают влияние силы внутреннего трения, интенсивность которых зависит от вязкости цементного теста с разрушенной структурой и поверхностного трения зерен песка.

Зная удобоукладываемость раствора, можно определить и удобоукладываемость приготовленной на его основе легкобетонной смеси.

Так, по данным В.Г. Довжика и В.А. Дорфа, между жесткостью бетонкой смеси и жесткостью ее растворной составляющей (определяемой по техническому вискозиметру) существует пропорциональная зависимость

Объемная концентрация пористого заполнителя ф наряду с водосодержанием является одним из основных технологических факторов, позволяющих регулировать свойства бетонной смеси. От степени насыщения бетонной смеси заполнителем зависит толщина его обмазки. Чем толще обмазка зерен заполнителя, тем меньше сказываются силы внутреннего трения и тем меньше жесткость бетонной смеси при данной жесткости (вязкости) растворной составляющей (рис. 6.9).

Приведенная на рисунке кривая, поданным B.Г. Довжика и В.А. Дорфа, инвариантна к предельной крупности, пустотности, форме зерен, объемной массе крупного заполнителя и описывается следующим уравнением:

Пользуясь приведенной зависимостью, можно подбирать состав бетонной смеси требуемой удобоукладываемости, определяя жесткость (вязкость) только его растворной составляющей.

В результате насыщения смеси крупным заполнителем и снижения толщины обмазки до 1 мм и менее силы внутреннего трения интенсивно возрастают, а в отдельных точках, где гранулы заполнителя соприкасаются друг с другом, проявляются и силы зацепления. При этом жесткость бетонной смеси резко возрастает. Она может превышать соответствующие показатели для растворной части в 10—20 раз и даже более (см. рис. 6.9).

Вследствие неровной поверхности пористых заполнителей, особенно таких материалов, как аглопорит и шлаковая пемза, зацепление между их зернами гораздо больше, чем у плотных заполнителей. Чтобы получить смеси равной удобоукладываемости на плотных и пористых заполнителях, в последнем случае требуется большее количество цементного теста и, следовательно, больший расход цемента.

Одновременно со степенью насыщения смеси крупным заполнителем на силы внутреннего трения влияет его гранулометрический состав. Приходится учитывать не только удельную поверхность, но и пустотность крупного заполнителя; если он имеет прерывистую гранулометрию, при которой в пустотах между крупными зернами могут умещаться более мелкие, коэффициент внутреннего трения существенно повышается.

М.З. Симонов отмечает, что значение коэффициента внутреннего трения заполнителя тем меньше, чем меньше разница в диаметрах смежных по размерам зерен. Это означает, что при непрерывной гранулометрии заполнителя при прочих равных условиях достигается повышенная удобоукладываемость смеси.

Так как по мерс снижения предельной крупности заполнителей вероятность получить их зерновой состав с прерывистой гранулометрией значительно уменьшается, то рассмотренные ранее рекомендации о предельном размере пористых заполнителей (20 мм) гарантируют не только относительно высокую прочность бетона, но и повышенную удобоукладываемость бетонной смеси.

Пористый заполнитель всегда легче цементного теста. Поэтому чем больший объем он занимает, тем ниже объемная масса бетона. Если количество воды в цементном тесте не превышает его водоудерживающей способности, такие бетонные смеси характеризуются достаточной связностью и не расслаиваются при формовании. Исходя из этого, Н.А. Попов высказал мнение о необходимости максимально насыщать смесь крупным пористым заполнителем. Эта рекомендация нашла широкое применение при изготовлении конструктивно-теплоизоляционных бетонов марок 50—100.

Однако по мере повышения содержания крупного заполнителя цементное тесто в смеси распределяется менее равномерно. Толщина обмазки зерен заполнителя при этом уменьшается, в отдельных зонах бетона может не хватить растворной части для полного заполнения межзернового пространства. Удобоукладываемость бетонной смеси при этом резко ухудшается (см. рис. 6.9), что требует для формования изделий продолжительной интенсивной вибрации с пригрузом (такая технология целесообразна, но осуществлять ее на производстве трудно). Использовать на практике смеси с максимально крупным заполнителем без существенного ухудшения их формовочных свойств возможно, если растворная часть таких смесей имеет повышенную пластичность и водоудерживающую способность.

Улучшение формовочных свойств может быть достигнуто в результате применения пластифицирующих добавок.

По данным Г.И. Горчакова, небольшие добавки гидрофобных (кремнийорганических жидкостей) существенно улучшают удобоукладываемость керамзитобетонной смеси, Еще более высокий пластифицирующий эффект обеспечивается, как было показано В.Г. Довжиком, при применении воздухововлекающих добавок (ЦНИПС-1, CHB и др.). Действие их носит комплексный характер, поскольку одновременно с пластификацией достигается поризация легкобетонной смеси. В зависимости от количества применяемой добавки и других факторов (в частности, расхода воды) преобладает тот или иной эффект.

Объем вовлеченного воздуха в поризованных легкобетонных смесях зависит от заданных характеристик бетона и условий формования изделий. Если бетон без добавок имеет заданную прочность или требуется осуществить немедленную распалубку изделий, то объем воздухововлечения не должен превышать 3—5% (в остальных случаях, наиболее часто встречающихся на практике, объем вовлеченного воздуха может составлять 6—15%). Причем в обоих случаях смесь должна быть максимально насыщена крупным заполнителем.

Поскольку при приготовлении поризовнных легкобетонных смесей количество песка в бетоне уменьшают пропорционально объему воздухововлечения, в результате введения воздухововлекающих добавок не только улучшается удобоукладываемость смеси, но и снижается объемная масса, что является весьма важным, особенно при использовании его в ограждающих конструкциях.

На удобоукладываемость легкобетонных смесей существенное влияние оказывают количество песка и его пористость (рис. 6.10). При использовании кварцевого плотного песка водопотребность по сравнению с тяжелыми бетонами изменяется незначительно. При переходе на дробленый керамзитовый песок, и особенно золы ТЭС, водопотребность резко возрастает. Это объясняется не только большой удельной поверхностью зол ТЭС, но и микропористостью, в результате которой они поглощают часть воды затворения.

Для жирных составов легкого бетона с расходом цемента более 300 кг/м3 дальнейшее повышение его количества незначительно отражается на удобоукладываемости смеси. Это объясняется тем, что цементное тесто имеется в таком объеме, при котором его хватает на заполнение всей открытой пористости, межзерновой пустотности и образование непрерывной обмазки на поверхности всех зерен заполнителя. Если при этом сохраняется количество воды затворения, то, выбирая соответствующий вид песка и его количество, можно варьировать удобоукладываемость смеси в требуемых пределах.

Однородность, приданная бетонной смеси, при приготовлении не должна снижаться в результате расслоения, Расслоение может быть определено как присущее зернам заполнителя стремление перемещаться в бетонной смеси в вертикальном направлении: тонуть под действием силы тяжести или всплывать наверх.

Вертикальному смещению в смеси отдельных гранул заполнителя препятствуют силы внутреннего трения, которые зависят от В/Ц цементного теста и удельной поверхности заполнителя. Связанность бетонной смеси и отсутствие расслоения определяются поэтому несколькими факторами, а именно: соотношением объемных масс отдельных зерен заполнителя и растворной составляющей, крупностью заполнителя и вязкостью цементного раствора (последняя зависит от В/Ц).

У бетонной смеси, находящейся в состоянии покоя, редко наблюдается расслоение. Лишь при динамическом воздействии или вибрации в результате тиксотропного разжижения цементного теста может начаться расслоение. Изменяя в смеси расход песка, регулируют вязкость растворной составляющей так, что пористый заполнитель при вибрации не тонет и не всплывает на поверхность.

Чтобы получить количественную характеристику расслаиваемости легкобетонной смеси при ее виброуплотнении, воспользуемся предложенной Г.И. Горчаковым схемой, которая моделирует процесс расслоения как вытекание раствора из каналов между зернами крупного заполнителя. Исходя из этой модели и формулы Пуазейля для движения вязкой жидкости в канале круглого сечения, В.Г. Довжик и В.А. Дорф применительно к керамзитобетонной смеси получили следующую зависимость:

Из приведенной формулы следует, что расслоение керамзитобетонной смеси будет тем больше, чем значительнее разница в объемной массе керамзита и растворной составляющей, чем больше крупность керамзита и меньше коэффициент насыщения им бетонной смеси. С повышением вязкости растворной составляющей расслоение уменьшается.

Таким образом, увеличение содержания крупного пористого заполнителя в бетоне (уменьшение толщины обмазки) — один из эффективных способов, позволяющих предотвратить расслоение смеси при вибрации. При этом максимальное содержание крупного заполнителя (ф) следует принимать равным 0,55.

Согласно ГОСТ 11051—70, предусматривается определение расслаиваемости бетонной смеси прибором, состоящим из двух цилиндров (рис. 6.11) — верхнего и нижнего, который имеет дно. Прибор устанавливают и закрепляют на виброплощадке. Бетонную смесь загружают через насадку в цилиндры сразу на всю высоту, при этом смесь слегка штыкуют (20 раз), после чего включают виброплощадку, Смеси с осадкой конуса 1 см вибрируют в течение 30 сек, остальные смеси — в течение времени, равного удвоенному показателю жесткости» но не более 120 сек. После окончания вибрирования насадку снимают и излишек смеси срезают металлической пластинкой. Затем снимают верхний цилиндр, смесь извлекают и взвешивают; потом взвешивают смесь из нижнего цилиндра.

Показатель расслаиваемости легкобетонной смеси вычисляют по формуле

Значение Пр вычисляют с точностью до 1% как среднее арифметическое из результатов двух определений; оно не должно превышать 10%.

Оптимальная удобоукладываемость бетонной смеси зависит от вида бетонируемых изделий и способа уплотнения при формовании (табл. 6.8).

Свежеприготовленная легко бетонная смесь, испытанная в соответствии с методикой ГОСТ 11051—70, должна удовлетворять следующим требованиям; показатель расслаиваемости — не более 10%, показатель подвижности— не более ±1 см, а показатель жесткости или виброуплотняемости — не более ±20%. Легкобетонная смесь, полученная в процессе перемешивания, быстро загустевает, поэтому ее рекомендуется подавать в формы сразу же после приготовления. Продолжительность выдержки смеси до уплотнения должна быть не более 45 мин.

От качества перемешивания, правильно выбранного способа уплотнения, а также оптимального режима твердения зависят основные свойства изделия.

Пока бетонная смесь не превратилась в камневидное тело, очень важно обеспечить условия, при которых сохраняется ее однородность, достигнутая при перемешивании, и осуществляется максимальное уплотнение при формовании. Контроль за правильностью этих процессов проводится с учетом двух важных показателей: объемной массы смеси в уплотненном состоянии и коэффициента уплотнения.

Объемная масса уплотненной влажной смеси может колебаться в пределах не более ±5% заданной. Коэффициент уплотнения вычисляют как отношение объемных масс уплотненной и рыхлонасыпной легко бетонной смеси; его величина всегда больше 1. Коэффициент уплотнения устанавливают при подборе состава бетонной смеси, уплотняя ее тем методом, который предусмотрен на производстве. Затем величину коэффициента уплотнения определяют систематически в процессе формования и сравнивают с заданной.

Поскольку величина объемной массы в рыхлонасыпном состоянии сильно колеблется, коэффициент уплотнения является менее объективным показателем, чем объемная масса уплотненной влажной смеси. Это объясняется тем, что объем бетонной смеси в рыхлом состоянии может изменяться в зависимости от того, каким способом она насыпана в мерный сосуд.