Лекция № 3. Бетонная смесь для высококачественных бетонов

План лекции:

1. Структура бетонной смеси.

2. Реологические свойства бетонной смеси.

3. Технологические свойства бетонной смеси.

1. Структура бетонной смеси.

В процессе приготовления и твердения бетона можно выделить 2 периода, когда материал обладает различными свойствами и состояниями:

До схватывания цемента и превращения бетона в твердое тело – бетонная смесь;

Период твердения и эксплуатации материала обладающего всеми свойствами твердого тела – бетон.

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную полидисперсную систему, получаемую при затворении водой смеси цемента с заполнителем. В бетонную смесь входят тонкодисперсные частицы цемента, более крупные зерна мелкого и крупного заполнителя, специальные добавки, вода и вовлеченный в процессе приготовления воздух.

Вследствие наличия внутренних сил взаимодействия между частицами твердой фазы и воды бетонная смесь приобретает связанность и определенные свойства, характерные для структурированных вязких жидкостей. По своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами. От истинно вязких жидкостей они отличаются наличием некоторой прочности структуры или структурной вязкостью, возникающей благодаря силам вязкого трения; от твердых тел – отсутствием достаточной упругости формы и способностью к значительным необратимым пластическим деформациям течения даже при незначительных нагрузках.

Связанность и другие свойства бетонной смеси, определяемые наличием жидкой фазы и сил внутреннего взаимодействия. Силы взаимодействия между твердыми частицами бетонной смеси имеют различную физическую природу. И зависят как от размеров частиц, так и от объема жидкой фазы, ее природы, наличия в ней ионов других веществ, величины поверхностного натяжения.

В бетонной смеси действуют силы:

механические (для частиц 1-40 мм);

капиллярные (частицы 0,1-1 мм);

поверхностные флокулирующие (частицы 0,1 - мм);

поверхностные коллоидные силы ( мм);

молекулярные силы, действующие в размере молекулы, иона.

Так на уровне молекул и ионов действую молекулярные и ионные силы.

Для коллоидных частиц размеры, которых лежат в интервале мм удельная поверхность имеет предельно большое значение. Поэтому явления, происходящие на поверхности раздела фаз частицы коллоидных размеров взаимодействуют между собой через возникающие на их поверхностях сольватные оболочки, состоящие из связанной воды на поверхности частиц.

Рис. 1. Схема образования сольватных оболочек:

1 – частица; 2 – сольватная оболочка (из воды).

Полярные молекулы воды на поверхности частицы ориентируются определенным образом в сольватные гидратные оболочки. При сближении взаимодействующих сольватированных коллоидных частиц до расстояния, на котором молекулярные Ван-дер-ваальсовые силы перекрывают действие слабых сил отталкивания, то частицы сцепляются:

Рис. 2. Схема действия Ван-дер-ваальсовых сил.

Ван-дер-ваальсовые силы имеют электрическую природу. Между взаимодействующими поверхностями частиц, как правило, сохраняются очень тонкие прослойки жидкой фазы (адсорбционные слои) предотвращающие непосредственный контакт и тем самым частицы укрупняются. Такие системы устойчивы и образуют коагуляционные структуры цементного геля различных типов.

Рис.3. Схема образования коагуляционной структуры из частиц коллоидных размеров с сольватными оболочками:

1 – частица;

2 – сольватная оболочка;

3 – свободная вода;

4 – «неподвижная» вода.

Для частиц размером мм начинают проявляться силы поверхностного взаимодействия – флокуляционные, т.е. с образованием флокул на поверхности частиц образовывается двойной электрический слой из ионов окружающего раствора. Двойной
электрический слой состоит из адсорбционной и диффузной частей:

На границе адсорбционной и диффузной частей обнаруживается - потенциал. Он играет важную роль в образовании флокул (агрегатов частиц). Так при значении - потенциала для цемента – 15-20 мВ – вызывает образование флокул (частиц), при значении 45-50 мВ происходит дефлокуляция частиц (отталкивание).

Для частиц с размером 1-0,1 мм возникают капиллярные силы, характеризующие поверхностное натяжение жидкости и обеспечивающие сцепление между частицами. Действие сил поверхностного натяжения наблюдается в образовании водных менисков, обеспечивающих сцепление между частицами.

Рис. 4. Схема образования менисков:

1 – частица; 2 – сольватная оболочка; 3- мениск.

Чем меньше радиус кривизны R, тем выше сцепление (до 200-300 МПа).

Для зерен песка и щебня от 40 до 1 мм удельная поверхность мала, расстояние между ними достаточно велики, поэтому действия поверхностных сил практически ничтожны. Для таких частиц характерны механические силы внутреннего трения.

Бетонная смесь содержит частицы различных размеров, и поэтому в ней проявляются все отмеченные силы взаимодействия.

Влияние различных сил на связанность, подвижность и водопотребность бетонной смеси показано на рис. 5.

Рис. 5. Влияние на связанность (1), подвижность (2) и водопотребность (3) бетонной смеси твердых частиц разных размеров за счет действия различных сил на их поверхности.

Для увеличения подвижности бетонной смеси необходимо уменьшить флокулообразующие силы и увеличить силы отталкивания (эффект двойного электрического слоя).

Основными способами уменьшения сцепления между частицами твердой фазы на уровне действия механических сил, капиллярных сил, поверхностных сил флокулирующих частицы, поверхностных коллоидных сил, молекулярных сил являются:

увеличение водоцементного отношения ;

использование быстроходных смесителей;

вибрирование;

введение дефлокулирующих веществ, которые увеличивают эффективность действия двойного электрического слоя;

введение веществ адсорбирующихся на цементных частицах;

добавление тонкодисперсных частиц (менее 10 мкм) с положительным - потенциалом (зола-унос и др.);

снижение поверхностного натяжения воды путем введения добавок.

Так при увеличении воды увеличивается расстояние между частицами, следовательно, снижаются капиллярные силы, увеличиваются сольватные оболочки между частицами и, как следствие, повышается подвижность бетонной смеси. Однако надо учитывать, что повышение расхода уменьшает прочность бетона.

Использование быстроходных смесителей позволяет с помощью высокоскоростного перемешивания диспергировать флокулы цемента.

При вибрировании происходит временное разрушение флокул под действием внешних сил.

Введение дефлокулирующих частиц, таких как суперпластификатор называют изменением - потенциала двойного электрического слоя от 15-20мВ, 40-45мВ. Возникновение высокого значения - потенциала создает электростатические силы, отталкивающие между цементными частицами и способствующие диспергации флокул.

При введении веществ ПАВ адсорбирующихся на зернах цемента имеет место дефлокуляция агрегированных частиц цемента.

При рассмотрении вопросов теории прочности и упругости бетона и реологии бетонной смесей базируются на определенных моделях строения бетона (бетонной смеси). При этом бетон (бетонная смесь) рассматривается как гетерогенное тело (среда), состоящее из 2-х компонентов: цементного камня и заполнителей или крупного заполнителя и растворной составляющей.

В первом варианте заполнитель делят на крупный и мелкий, в цементном камне выделяют кристаллические новообразования и гель, а также поры, частично или полностью заполненные жидкой фазой. В цементном тесте выделяют твердую, жидкую и воздушную фазы.

Структуру бетонной смеси удобно рассматривать как систему цементного теста и заполнителя. Основной структурообразующей бетонной смеси является цементное тесто в состав, которого входят цемент, вода и в ряде случаев тонкомолотые минеральные добавки или химические добавки. В такой системе проявляются все вышеперечисленные силы. Вода в бетонной смеси находится в различных состояниях (химическая, физико-химическая, адсорбционная, механическая, структурная). Небольшая часть воды вступает в химическое взаимодействие с цементом и находится в химически связанном состоянии (в свежеприготовленной смеси »2%). Часть воды под действием адсорбционных сил оказывается физико-химически связана на поверхности твердой фазы (3-5% в свежеприготовленной бетонной смеси). Вода в адсорбированных пленках приобретает некоторые свойства твердого тела (упругость, прочность при сжатии, пониженную точку замерзания). С удалением от твердой поверхности воздействие молекулярных сил уменьшается, вследствие полярности молекул. Они образуют ориентированные цепочки в несколько десятков или сотен молекул уходящих вглубь жидкой фазы.

Если в первом слое вода приближается по своим свойствам к твердому телу, то в последних слоях по структуре и плотности остается близкой к обычной воде. Основное количество воды в цементном тесте находится в межзерновом пространстве, ее даже называют свободной.

Относительное количество свободной воды от общего объема воды составляет около 95% сразу после приготовления цементного теста и уменьшается до 65-70% к моменту схватывания. Свободная вода оказывает влияние на подвижность цементного теста и бетонной смеси.

Введение заполнителя в цементное тесто существенно влияет на свойства бетонной смеси, главным образом через эффект массы и его частицы обладают некоторым коэффициентом трения. Этот коэффициент увеличивается с ростом размера зерен. В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем можно выделить 3 основные структуры бетонной смеси, каждая из которых характеризуется определенными свойствами и особенностями твердения при формовании бетонных и железобетонных конструкций.

Рис. 6. Типы структур бетонных смесей и их влияние на водопотребность в равноподвижной смеси:

I – смеси с плавающим заполнителем;

II – смесь с плотной упаковкой заполнителя;

III – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста.

В бетонной смеси первой структуры зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически не взаимодействуют между собой. Для такой структуры решающее значение имеют свойства цемента. Реологические свойства определяются в соответствии с зависимостью характерной для вязких жидкостей. Зерна заполнителя оказывают влияние, лишь на прилегающую зону цементного теста.

Во второй структуре цементного тесто, лишь заполняет поры между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем обмазки, толщина которого равна 1-3 средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зерен заполнителя начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зернами заполнителя. Для придания смеси той же подвижности, что и в структуре первого типа, требуются более интенсивные воздействия (например: вибрация) или увеличение В/Ц.

В третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только обмазывает зерна заполнителя слоем небольшой толщины. Реологические свойства должны описываться с учетом сил внутреннего (сухого) трения. Переход от одного типа структуры к другому с увеличением содержания заполнителя совершается постепенно. Обычные бетонные смеси относятся ко второму типу структур. Подобные структуры отличаются высокой эффективностью и позволяют получать бетонные смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента.

2. Реологические свойства бетонной смеси.

Реология – это наука о пластических деформациях и течении вещества.

Наиболее важным в свойствах бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т.е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя при этом монолитность и однородность. Удобоукладываемость определяется подвижностью бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т.е. способностью деформироваться без разрывов сплошности. Почти все испытания по определению удобоукладываемости бетонной смеси предусматривают определение одного значения, поэтому удобоукладываемость выражается одной цифрой. Например: значение осадки конуса 5 см или жесткостью 20с.

Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют ее количественные физические характеристики, характеризующие реологические свойства: пластичность, вязкость, упругость.

Упругость – свойство тел восстанавливать свою форму и объем (твердого тела) или только объем (жидкость или газы) после прекращения действия внешних сил. Количественная характеристика упругих свойств материала – модуль упругости.

Вязкость – характеризуется сопротивлением, которое тело оказывает деформации сдвига. Особенность сопротивления классического вязкого тела сдвигающему течению состоит в том, что:

сдвиговое течение начинается при любом сколь угодно малом сдвигающем усилии.

Сопротивление при сдвиговом течении пропорционально градиенту скорости сдвига.

Вязкость смесей характеризуется коэффициентом вязкости .

Определим зависимость между градиентом скорости и касательным напряжением:

где: - касательное напряжение (напряжение сдвига);

F – приложенная сила;

- градиент скорости сдвига.

Пластичность – характеризуется двумя особенностями, пластичные деформации тела начинаются только тогда, когда действие силы превышает предел текучести материала. Сопротивление пластическим деформациям, пластическому течению может подчиняться другим законам, чем вязкое сопротивление. (например – может иметь постоянное значение). Бетонная смесь обычно рассматривают как структурированную дисперсную систему. Структура системы образовывается благодаря цементному тесту, в котором имеется много коллоидных частиц. Эти частицы вследствие коагуляции, а затем и кристаллизации затрудняет относительное перемещение частиц бетонной смеси, и придают ей свойства называемые структурной вязкостью.

Структурная вязкость характеризуется следующим образом: сдвиговое течение начинается только тогда, когда сдвигающие напряжения превышают предельное напряжение сдвига . Сопротивление при сдвиговом течении пропорционально градиенту скорости сдвига, но коэффициент вязкости зависит от степени разрушения структуры. Сравнение идет с классическим телом.

Поведение структурированных систем (цементного теста, бетонной смеси) при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидких тел. Если вязкость жидкости (истинная ньютоновская) является постоянной и не зависит от величины прикладываемого давления, то вязкость структурированных систем изменяется в зависимости от величины внешних сил, действующих на систему. Вязкость зависит от величины напряжения сдвига системы или скорости сдвиговых деформаций.

Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами и в результате возрастает способность системы к деформациям (течению), увеличивается ее подвижность. При достижении критической скорости сдвига, когда первоначальная структура системы предельно разрушена, вязкость и сопротивление сдвигу достигают минимальных значений и даже малоподвижные смеси приобретают определенную текучесть. После окончания действия внешних сил система возвращается в первоначальное состояние, восстанавливается начальная прочность структуры, уменьшается подвижность.

Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства под влияние механических воздействий и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией.

Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее внешних сил дает реологическая кривая, которую можно разделить на 3 участка.

Рис. 7. Реологическая кривая.

На первом участке при небольшом значении напряжения сдвига, не превышающем , сохраняется не разрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризующаяся наибольшей вязкостью . После достижения критического напряжения , соответствующему пределу текучести системы, начинается разрушение структуры, которое продолжается вплоть до полного разрушения при предельном напряжении . На этом участке по мере разрушения системы и увеличения напряжения сдвига вязкость бетонной смеси уменьшается.

Влияние содержания воды на жесткость и осадку конуса

Рис. 8. Влияние содержания воды на жесткость и подвижность.

Избыток свободной воды в бетонной смеси приводит к раздвижке твердых частиц заполнителя и к утолщению водных оболочек на поверхности, что приводит к уменьшению сил молекулярного сцепления. Силы капиллярного взаимодействия исчезают, вязкость цементного теста уменьшается, следовательно, и бетонной смеси. Для каждой бетонной смеси имеется свой верхний предел свободной воды для которого при достаточной подвижности смеси сохраняется еще ее связанность. Она не расслаивается и обладает свойствами пластичного тела. Этот предел называют водоудерживающей способностью. Дальнейшее увеличение содержания воды приводит к явлениям расслаивания и седиментации бетонной смеси.

Жесткость и подвижность являются функцией расхода воды.

Жесткость и подвижность являются функцией расхода цемента. При изменении расхода цемента в бетонной смеси от , при постоянном расходе воды, изменение подвижности бетонной смеси не наблюдается – эта закономерность получила название закон постоянства водопотребности. Оказывает на свойства бетонной смеси и свойства цемента нормальная густота цемента, содержание добавок: активных минеральных и химических.

Подвижность бетонной смеси существенно зависит от крупности зерен заполнителя и содержания загрязняющих примесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит также от соотношения между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста максимальная.

Пути снижения водопотребности бетонной смеси

Основными путями снижения водопотребности является использование добавок суперпластификаторов, эффективных пластификаторов, виброобработка бетонной смеси и водопотребность заполнителей.

3. Технологические свойства бетонной смеси.

Технологические характеристики заполнителей (водопотребность) и структурные характеристики бетонной смеси

Водопотребность заполнителей и структурные характеристики дают возможность определять расход воды при использовании пористых заполнителей и при расходах цемента выше . Введение в цементное тесто заполнителя существенно влияет на свойства бетонной смеси (например: уменьшает ее подвижность и сокращает период формирования структуры, причем в большей степени, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность). Определить количество воды, как бы отвлекаемое заполнителем, можно по изменениям свойств бетонной смеси, вводя понятие об условно истинном водоцементном отношении, которое имело бы цементное тесто, если бы оно характеризовалось теми же свойствами, что и бетонная смесь (подвижностью, сроками схватывания и т.д.). Можно условно считать, что количество воды при котором формируется цементный камень равно разности между количеством воды затворения и количеством вода как бы отвлекаемом из-за влияния заполнителей. По разности между количеством воды затворения ( ) и количеством воды, приходящимся на цемент ( ), вычисляют количество воды, приходящееся на заполнитель:

;

Вычислим коэффициент водопотребности заполнителя по формуле:

;

где: m – масса исследуемого заполнителя, в кг.

Коэффициенты водопотребности заполнителей бетонной смеси:

гранитный щебень = 0,034;

песок строительный вольский = 0,04;

керамзит в зависимости от плотности = 0,12-0,2;

песок керамзитовый = 0,28.

Как показывают исследования за первые 20 минут заполнитель, как плотный, так и пористый отвлекают около 80-90% воды от максимального значения водопотребности.

Водопотребность заполнителя различных фракций неодинакова. Например: если керамзит фракции 5-20 мм – за 8 мин отвлекает около 40% воды от максимального значения водопотребности, то керамзитовый песок до 56% воды. Водопотребность заполнителя в бетонной смеси к концу формирования структуры может с достаточной точностью быть определено за 20-30 мин после затворения.

Водопотребность заполнителя к концу формирования структуры возрастает по сравнению с начальной на 10-20%, что сопровождается незначительным уменьшением объемной концентрации цементного теста на 6-10%.

Рис. 9. Зависимость водопотребности заполнителей от времени:

1 – пористый заполнитель; 2 – плотный заполнитель.

В производственных условиях для корректировки состава бетона с учетом водопотребности заполнителей можно использовать метод, основанный на сопоставлении водопотребности равноподвижных систем:

цементного теста;

цементно-песчаного раствора;

бетонной смеси;

через 30 мин после затворения.

Метод заключается в следующем:

С помощью стандартного встряхивающего столика устанавливают раслыв цементного теста при соответствующие его нормальной густоте.

Подбирают раствора при составе 1 : 2 на исследуемом песке, который дает такой же расплыв на встряхивающем столике.

Устанавливают осадку конуса (или удобоукладываемость) раствора 1 : 2 на исследуемом песке при установленном раствора (по п. 2) определяют ранее на встряхивающем столике.

Подбирают бетонной смеси при котором достигается та же осадка конуса (удобоукладываемость бетонной смеси) состоящая 1 : 2 : 3,5, т.е. получают смесь нормальной густоты.

Водопотребность заполнителей, в процентах, вычисляется по формулам:

песка:

щебня:

Учитывая специфическое влияние водопотребности заполнителя на технологические характеристики и структуру бетона предложено вводить ее в модель в качестве самостоятельной структурно-технологической характеристики. Поскольку водопотребность заполнителя выделяется из общей воды затворения (В) и учитывается самостоятельная скорректированная величина , которая вводится в модель в виде параметра истинное:

Вибрационная обработка

Эффективный способ повышения подвижности бетонной смеси.

Сущность: бетонной смеси сообщают весьма малые по величине, но часто повторяющиеся импульсы. При этом частицы смеси совершают вынужденные колебания. При определенной интенсивности колебаний силы внутреннего трения уменьшаются до минимума, и смесь переходит в состояние пластично-вязкого течения. Понижение связей при виброобработке получается вследствие двух причин:

тиксотропное разжижение (разрушение первоначальной структуры);

возникновение внутреннего давления под действиями сообщающимися импульсами энергии возбуждения.

Заключение

Бетонная смесь – это много компонентная система, которую по своим свойствам можно отнести к структурированным вязким жидкостям, имеющим начальную структурную вязкость

Структуру бетонной смеси можно представить, как двухкомпонентную систему, состоящую из цементного теста и заполнителя. В зависимости от концентрации заполнителя можно условно выделить 3 типа структур бетонной смеси:

а) Смесь с плавающим заполнителем;

б) Смесь с плотной упаковкой заполнителя;

в) Крупнопористая смесь с недостатком цементного теста.

Свойства бетонной смеси (реологические и технологические) определяются в основном ее составом и свойствами исходных составляющих (материалов), начальным содержанием воды и цемента, технологической характеристикой заполнителя.

Основными путями дальнейшего снижения водопотребности являются использование: суперпластификаторов, эффективных пластификаторов, виброобработка и снижение водопотребности заполнителей.