Структурно-реологические свойства цементного теста и бетонных смесей. Реологические свойства цемента


59) Структурно-реологические свойства цементного теста и бетонных смесей

Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее качество бетона и изделия. Поэтому очень важно хорошо знать свойства бетонной смеси, зависимость их от различных факторов, умело управлять процессами приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя пюи этом монолитность и однородность Удобоукладываемость определяется подвижностью (текучестью) бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без разрыьа сплошности

Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Для определения этих свойств применяют специальные вискозиметры. Подобные испытания выполняют главным образом в научно-исследовательских лабораториях. В производственных же условиях контролируют чаще всего подвижность (текучесть) смеси, для чего применяют приборы, позволяющие быстро и сравнительно просто получать необходимую характеристику бетонной смеси.

Для полной оценки бетонной смеси и правильной организации производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций необходимо знать и другие свойства смеси: ее у плотняе- мосто, однородность, рпсслаиваемость, изменение объема в процессе затвердевания, воздуха во в лечение, первоначальную прочность (для жестких бетонных смесей при применении немедленной распалубки изделий).

Особенностью бетонной смеси является практически постоянное изменение свойств ее от начала приготовления до затвердевания, что обусловливается сложными физико-химическими процессами, протекающими в бетонной смеси и бетоне. Как уже указывалось, бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему. Вследствие наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое

физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами

Основное влияние на эти свойства оказывают количество и кичество цементного тести, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую повер сность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы. Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказывает расход воды, так как он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие счл сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей системы

В процессе гидратации цемента (до момента затвердевания) появляется все большее количество гелеобразных гидратных соединений новообразований, что способствует увеличению дисперсности твердой фазы и соответственно повышению клеящей и пластифицирующей способности цементного теста и его связующей роли в бетонной смеси. Вместе с тем постепенно уменьшается подвижность смеси.

Цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры. В цементном тесте создается структура за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды Пленки жидкой фазы создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему свойство пластичности и способствуя формоизменению системы (течению) при приложении внешних силовых воздействий Начальная прочность структуры, или структурная вязкость, цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии.

Обычно бетонные смеси содержат достаточное количество цементного теста и воды для создания сплошной среды. Такие смеси ведут себя подобно цементному тесту, обладая первоначальной прочностью структуры, определенными пластичностью и подвижностью.

Поведение структурированных систем при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидкостей. Если вязкость жидкости (истинная ньютоновская) является постоянной и не зависит от значения прикладываемого давления (вязкость жидкости меняется только с изменением температуры), то вязкость структурированных систем изменяется даже при постоянной температуре в несколько раз (часто на 2...3 порядка) в зависимости от значения внешних сил, действующих на систему. Вязкость зависит от значения напряжения сдвига системы или скорости сдвиговых деформаций.

Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, а в результате возрастает способность системы к деформациям (течению), увеличивается се 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 в влиянием механических воздействий и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. В технологии бетона это свойство широко используют для формования изделий из малоподвижных и жестких смесей путем воздействия на них вибраций, встряхиванием, толчками

Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее внешних сил дает реологическ ш кривая, которую можно разделить на три участка. На первом участке при небольших значениях напряж ений сдвига т сохраняется неразрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризую щаися наибольшей вязкостью. Писле достижения критического напряжения л, соответствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры, юторое продолжается вплоть до полного разрушения при предельном напряжении. На этом втором участке по мере разрушения системы эффективная вязкость бетонной смеси постоянно падает при увеличении напряжений сдвига. После того как система предельно разрушена, бетонная смесь приобретает наименьшую вязкость (так называемую пластическую вязкость i)m—третий участок кривой), которая не зависит от значений действующих напряжений и не изменяется при их увеличении.

Как показали исследования, реологическая модель невибрируемой бетонной смеси может быть описана уравнением Шведова — Бингама

Это уравнение характеризует поведение бетонной смеси при транспортировании по трубкам с помощью бетононасосов и при укладке очень подвижной смеси некоторыми безвибрационными способами.

При вибрировании бетонной смеси ее начальная структура предельно разрушается, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума, в полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения и предельное напряжение сдвига становится очень малым. Так, по данным А. Е. Десова, предельное напряжение сдвига для раствора состава 1:2 равно 102 Па, для более жирных растворов еще меньше. В этих условиях поведение бетонной смеси с определенной степенью приближения можно описать уравнением Ньютона

С повышением содержания в бетонной смеси крупного заполнителя и уменьшением содержания воды или отсутствием сплошной среды из цементного теста сопротивление сдвигу значительно увеличивается. В системе не только повышается вязкое трение, но и возникает внутреннее сухое трение между зернами заполнителя. Для описания поведения таких смесей применяют уравнение Кулона

Рассмотренные выше выражения, описывающие реологические свойства бетонной смеси, основываются па феноменологических представлениях, в которых бетонная смесь принимается за однородную изотропную среду, характеризующуюся интегральными показателями: вязкостью, предельным напряжением сдвига, коэффициентом внутреннего трения и др. Такие представления полезны при рассмотрении ряда технологических вопросов транспорта бетонной смеси, выгрузки смеси из бункеров, формования изделий и т. д. На основе полной реологической кривой и полученных реологических характеристик можно наиболее рационально подобрать технологию изготовления изделий из данной бетонной смеси.

На практике, однако, часто приходится решать задачу о подборе состава бетонной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкций. Для решения подобных задач необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими свойствами. Для опенки последних в производственных условиях применяют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смесь- показатель жесткости, осадку конуса и др. которые характеризуют поведение смеси в определенных условиях и служат для ориентировочной оценки способности смеси к формоизменению и уплотнению при тех или иных условиях воздействия. Преимущество технических методов определения подвижности бетонной смеси — быстрота испытания и сравнительная простота используемых приборов, доступных для любой строительной лаборатории. Однако на основе этих испытаний нельзя получить полной реологической кривой бетонной смеси и соответственно полных данных о ее реологических свойствах.

studfiles.net

Структурно-реологические свойства цементного теста и бетонных смесей

Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее качество бетона и изделия. Поэтому очень важно хорошо знать свойства бетонной смеси, зависимость их от различных факторов, умело управлять процессами приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя пюи этом монолитность и однородность Удобоукладываемость определяется подвижностью (текучестью) бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без разрыьа сплошности

Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Для определения этих свойств применяют специальные вискозиметры. Подобные испытания выполняют главным образом в научно-исследовательских лабораториях. В производственных же условиях контролируют чаще всего подвижность (текучесть) смеси, для чего применяют приборы, позволяющие быстро и сравнительно просто получать необходимую характеристику бетонной смеси.

Для полной оценки бетонной смеси и правильной организации производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций необходимо знать и другие свойства смеси: ее у плотняе- мосто, однородность, рпсслаиваемость, изменение объема в процессе затвердевания, воздуха во в лечение, первоначальную прочность (для жестких бетонных смесей при применении немедленной распалубки изделий).

Особенностью бетонной смеси является практически постоянное изменение свойств ее от начала приготовления до затвердевания, что обусловливается сложными физико-химическими процессами, протекающими в бетонной смеси и бетоне. Как уже указывалось, бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему. Вследствие наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое

физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами

Основное влияние на эти свойства оказывают количество и кичество цементного тести, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую повер сность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы. Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказывает расход воды, так как он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие счл сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей системы

В процессе гидратации цемента (до момента затвердевания) появляется все большее количество гелеобразных гидратных соединений новообразований, что способствует увеличению дисперсности твердой фазы и соответственно повышению клеящей и пластифицирующей способности цементного теста и его связующей роли в бетонной смеси. Вместе с тем постепенно уменьшается подвижность смеси.

Цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры. В цементном тесте создается структура за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды Пленки жидкой фазы создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему свойство пластичности и способствуя формоизменению системы (течению) при приложении внешних силовых воздействий Начальная прочность структуры, или структурная вязкость, цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии.

Обычно бетонные смеси содержат достаточное количество цементного теста и воды для создания сплошной среды. Такие смеси ведут себя подобно цементному тесту, обладая первоначальной прочностью структуры, определенными пластичностью и подвижностью.

Поведение структурированных систем при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидкостей. Если вязкость жидкости (истинная ньютоновская) является постоянной и не зависит от значения прикладываемого давления (вязкость жидкости меняется только с изменением температуры), то вязкость структурированных систем изменяется даже при постоянной температуре в несколько раз (часто на 2...3 порядка) в зависимости от значения внешних сил, действующих на систему. Вязкость зависит от значения напряжения сдвига системы или скорости сдвиговых деформаций.

Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, а в результате возрастает способность системы к деформациям (течению), увеличивается се 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 в влиянием механических воздействий и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. В технологии бетона это свойство широко используют для формования изделий из малоподвижных и жестких смесей путем воздействия на них вибраций, встряхиванием, толчками

Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее внешних сил дает реологическ ш кривая, которую можно разделить на три участка. На первом участке при небольших значениях напряж ений сдвига т сохраняется неразрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризую щаися наибольшей вязкостью. Писле достижения критического напряжения л, соответствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры, юторое продолжается вплоть до полного разрушения при предельном напряжении. На этом втором участке по мере разрушения системы эффективная вязкость бетонной смеси постоянно падает при увеличении напряжений сдвига. После того как система предельно разрушена, бетонная смесь приобретает наименьшую вязкость (так называемую пластическую вязкость i)m—третий участок кривой), которая не зависит от значений действующих напряжений и не изменяется при их увеличении.

Как показали исследования, реологическая модель невибрируемой бетонной смеси может быть описана уравнением Шведова — Бингама

Это уравнение характеризует поведение бетонной смеси при транспортировании по трубкам с помощью бетононасосов и при укладке очень подвижной смеси некоторыми безвибрационными способами.

При вибрировании бетонной смеси ее начальная структура предельно разрушается, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума, в полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения и предельное напряжение сдвига становится очень малым. Так, по данным А. Е. Десова, предельное напряжение сдвига для раствора состава 1:2 равно 102 Па, для более жирных растворов еще меньше. В этих условиях поведение бетонной смеси с определенной степенью приближения можно описать уравнением Ньютона

С повышением содержания в бетонной смеси крупного заполнителя и уменьшением содержания воды или отсутствием сплошной среды из цементного теста сопротивление сдвигу значительно увеличивается. В системе не только повышается вязкое трение, но и возникает внутреннее сухое трение между зернами заполнителя. Для описания поведения таких смесей применяют уравнение Кулона

Рассмотренные выше выражения, описывающие реологические свойства бетонной смеси, основываются па феноменологических представлениях, в которых бетонная смесь принимается за однородную изотропную среду, характеризующуюся интегральными показателями: вязкостью, предельным напряжением сдвига, коэффициентом внутреннего трения и др. Такие представления полезны при рассмотрении ряда технологических вопросов транспорта бетонной смеси, выгрузки смеси из бункеров, формования изделий и т. д. На основе полной реологической кривой и полученных реологических характеристик можно наиболее рационально подобрать технологию изготовления изделий из данной бетонной смеси.

На практике, однако, часто приходится решать задачу о подборе состава бетонной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкций. Для решения подобных задач необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими свойствами. Для опенки последних в производственных условиях применяют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смесь- показатель жесткости, осадку конуса и др. которые характеризуют поведение смеси в определенных условиях и служат для ориентировочной оценки способности смеси к формоизменению и уплотнению при тех или иных условиях воздействия. Преимущество технических методов определения подвижности бетонной смеси — быстрота испытания и сравнительная простота используемых приборов, доступных для любой строительной лаборатории. Однако на основе этих испытаний нельзя получить полной реологической кривой бетонной смеси и соответственно полных данных о ее реологических свойствах.

Коррозия цементного камня.

Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са(ОН)2, около 15 % от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са(ОН)2 в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са(ОН)2 и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С3S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa(OH)2 в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO·SiO2·mh3O.

Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО2-4 (в частности, растворы СаSО4). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са2+ и SО2-4 по следующей схеме:

3СаО·А12О3·6Н2О + 3Са2+ + 3SО2--4 + 25Н2О = 3СаО·А12О3·3СаSО4·31Н2О

Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru

Что такое реология (бетона)

Что же происходит при укладке бетонной смеси в форму? Отчего зависит расплыв конуса? От пластической деформации или разъединения частиц в поперечном направлении? Эти явления наблюдаются в одной и той же бетонной смеси при различном количестве воды... Неясны причины большей или меньшей хрупкости бетонной смеси. Бетонная смесь упорно хранит тайны своего поведения при укладке в формы.

Попытки разгадать эту тайну с помощью старых методов исследования кончались неудачами. Нужен был новый подход, новый критерий. И на помощь пришла физика, а точнее один из ее разделов – реология. Только она смогла четко определить физическую сущность удобоукладываемости.

Итак, реология! Чем же она занимается? Это совершенно новое направление в механике. Оно связано с развитием теории упругости. Она изучает поведение под нагрузкой влажных материалов, которые нельзя отнести ни к твердому телу, ни к жидкости. К таким материалам относится и  бетонная смесь, представляющая собой так называемую упруго-вязкую среду. Чтобы установить, как деформируется материал под нагрузкой, механики используют структурные механические модели. Они позволяют имитировать  внутреннюю структуру материала.

Как работает структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка. Под ее воздействием в теле возникает деформация. Это значит, что тело будет деформироваться пропорционально приложенной нагрузке (или закону пропорциональности напряжений и деформаций Гука). Как только нагрузка будет снята, тело восстановит свою первоначальную форму.

А как будет, если мы имеем дело с материалами, которые имеют сложные свойства и, кроме упругих характеристик, имеют еще и неупругие? Здесь структурные механические модели уже непригодны. Она не позволяют точно имитировать внутреннюю структуру таких материалов.

Для этой цели потребуются другие механические модели, которые носят название реологических. Они отличаются тем, что состоят из комбинаций двух элементов, которые имитируют два основных свойства твердого тела: упругость и вязкость. Самое простое тело – упругое. Зависимость деформации и напряжений для него выражается одной кривой для процессов нагружения и разгрузки. Достаточно снять нагрузку и возникающие деформации полностью исчезают. Ну, а в идеально вязком теле? Ведь наличие вязкости материала приводит к остаточным деформациям, которые безгранично возрастают при уменьшении скорости нагружения. Для идеально вязкого элемента применим закон деформации вязкой жидкости.

Для создания реологической модели пружину и «амортизатор» (модель упруго-вязкой деформации) можно комбинировать между собой последовательно или параллельно. Такие комбинации позволяют наилучшим образом имитировать механические свойства любых реальных материалов.

Реологические модели позволяют получить необходимую информацию об изменениях внутренней структуры реального тела под нагрузкой. К этой информации относятся характеристики внутреннего трения, вязкости и адгезии (сцепления).

Какова же реологическая модель бетонной смеси? Бетонная смесь является так называемым двухфазным материалом. Это значит, что она содержит в себе элементы двух фаз – твердой и жидкой. А если так, то как лучше отразить внутреннюю структуру бетонной смеси?

Проведем некоторый анализ. Начнем с внутреннего трения. Это одна из важных характеристик упруго-вязкого тела. Внутреннее трение характеризует твердую фазу материала. Если же в материале внутреннее трение равно нулю, то его можно считать идеальной жидкостью. Бетонная смесь обладает внутренним трением. Казалось бы, по этому признаку ее можно отнести к твердому телу. Однако присутствие в ней воды делает ее все же промежуточным материалом между жидкостью и твердым телом. А если это так, то в реологической модели бетонной смеси должны участвовать как упругие, так и неупругие элементы.

Значит, реологическая модель бетонной смеси будет представлять собой «пружинящую» сплошную структуру, поры которой будут заполнены вязкой жидкостью (цементным тестом). Наконец, последний вопрос. Как должны быть соединены между собой элементы? Так как бетонная смесь – это двухфазный материал, то лучшей  имитацией ее будет комбинация обоих элементов. Как будет имитировать реологическая модель бетонную смесь в процессе затвердевания? Пока бетонная смесь еще не затвердела, она представляет собой вязкую жидкость. В этой стадии в ней    преобладает жидкая фаза. Но вот цементное тесто начинает твердеть. По мере нарастания прочности вязкость смеси уменьшается, зато возрастает упругость, а вместе с ней и внутреннее трение. А раз появилось внутреннее трение, то это уже признак твердой фазы материала. Теперь создадим нагрузку. Под влиянием нагрузки в реологической модели будут происходить как обратимые, так и необратимые процессы, вызывающие соответствующие деформации. Под влиянием нагрузки какая-то часть механической энергии, воздействующей на бетонную смесь, будет превращаться в тепло. Это – следствие внутреннего трения. Тепло будет создаваться в пружинах, которые при сжатии будут нагреваться. Это тепло они будут выделять в окружающую среду. Что касается амортизатора, то в нем возникнут необратимые деформации. Под нагрузкой в результате вязкого трения амортизаторы будут также нагревать вязкую жидкость. Таким образом, характеристики бетонной смеси зависят от того, в какой фазе находится бетонная смесь.

Что же мы выяснили благодаря реологическим моделям? Во-первых, что поведение бетонной смеси зависит от таких упруго-вязких характеристик, как внутреннее трение, сцепление и работа разрушения при сдвиге. Эти физические характеристики расшифровывают понятие «удобоукладываемости». Во-вторых, мы установили, что заполнители и цементное тесто, входящее в состав бетонной смеси, как правило, находятся на границе упруго-вязких и пластичных фаз. Поэтому различные соотношения заполнителя и цемента будут сказываться на свойствах различных бетонных смесей. В-третьих, мы получили возможность определять все физические характеристики бетонной смеси.

Например, внутреннее трение бетонной смеси можно определить по коэффициенту внутреннего трения. Оказалось, что для заполнителей, полученных дроблением, его значение больше, чем для заполнителей округлой формы. При повышении содержания раствора и увеличении количества воды затворения он уменьшается. Вязкость бетонной смеси прямо пропорциональна коэффициенту внутреннего трения и зависит от содержания воды.

Знание физических характеристик бетонной смеси расширяет смысл термина «удобоукладываемость». Реологические свойства бетонной смеси, характеризующие удобоукладываемость, дополнили это понятие. Они дали возможность представить себе весь механизм укладки бетонной смеси.

dombeton.ru

Реологические свойства бетонной смеси

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1.Общие физико-химические свойства бетонной смеси. Ошибка! Закладка не определена. 4

2.Реологические характеристики бетонных смесей. 9

3.Химические добавки в технологии бетона. 12

4.Химические добавки реологического действия. 17

5. Экономическая целесообразность использования химических добавок. 19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 22

Бетон – это сегодня самый применяемый строительный материал. К бетону предъявляется ряд требований, выполнить которые зачастую невозможно без использования так называемых модификаторов и пластификаторов, т.е. химических добавок, позволяющих придать бетонной смеси свойства, обеспечивающие требования как проектировщиков, так исполнителей работ.

Идеал строителей – бетонные смеси, которые имеют высокую подвижность, замедленное схватывание и быстрый набор прочности, длительное время транспортировки с последующей легкой заливкой в формы, универсальность применения, получения конструкций, не требующих значительных затрат на гидроизоляционные работы. При этом не следует забывать, что основной задачей является обеспечение требуемой прочности и долговечности бетонной конструкции, т.е. возможностью длительное время противостоять механическим нагрузкам, химическим и физическим воздействиям окружающей среды. Поэтому применение добавок в современном строительстве не только рекомендуется, но и просто жизненно необходимо.

Химические добавки применяются также для достижения необходимых свойств бетона, снижения расхода материальных и энергетических ресурсов при изготовлении этого материала и при применении его для производства конструкций, возведения зданий и сооружений. В настоящее время предприятия по изготовлению бетона, изделий и конструкций на его основе наряду со сравнительно дешевыми добавками, получаемыми часто из промышленных отходов, все шире применяют специально синтезируемые добавки на основе дорогого химического сырья. Такие добавки-модификаторы позволяют обеспечить высокое качество бетона и в широком диапазоне регулировать его свойства, однако при оценке целесообразности их введения, замены ими традиционных дешевых добавок приходится достигаемый технический эффект соизмерять с необходимыми дополнительными затратами.

1. Общие физико-химические свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону. Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении. При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.

1)Технические свойства бетонной смеси

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

-подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;

-жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;

-связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью. Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

2) Удобоукладываемость бетонной смеси

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м 3 ) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость. Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков. Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.

3) Деформативные свойства бетона

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругиe материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия. Область условно упругой работы бетона - от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины. Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружения для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины. Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7-2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой: Есж =Ер=Еб.

Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки. Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя - щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми. Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может вызвать рост ползучести. Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения; в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.

4) Усадка и набухание бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в. наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне. Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

5) Морозостойкость бетона

Морозостойкость бетона определяют путём попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной, пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

mirznanii.com

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ

Основы ФИЗИКИ БЕТОНА

Из приведенного выше следует, что по абсолютным величинам (модулям сдвига, пределу прочности структу­ры) упругие свойства структурированных систем малы по сравнению с упругими свойствами твердых тел, поэто­му ими обычно пренебрегают, рассматривают лишь структурную (пластическую) вязкость, которая являет­ся сравнительно очень высокой, более; заметной и легко­измеримой.

В области малых напряжений сдвига пластическая вязкость, соответствующая телу Бингама, будет наи­большей и не зависящей от скорости сдвига. Это свиде­тельствует о медленном течении систем с нарушенной (но не разрушенной структурой), которая успевает вос­станавливаться в, самом процессе течения.

Если возникающие (при течении) напряжения сдви­га выше предела упругости для данной системы, то в таком случае коэффициент вязкости будет зависеть от степени нарушения структурной связности и может до­стигать наименьшего значения при полном ее разруше­нии, поэтому понятие о вязкости, как о величине постоян­ной, не может быть в общем случае распространено на структурированные системы. В широком диапазоне скоростей сдвига подвижность таких систем зависит от степени нарушения структуры, поэтому вязкие свойства правильнее характеризовать двумя параметрами; коэф­фициентом вязкости и соответствующим напряжением сдвига. Как известно, для многих неньютоновских жид­костей кривые течения могут быть описаны уравнением Бингама:

Система, течение которой следует этому уравнению, является идеально пластичным веществом. Под действи­ем напряжений меньше предела пластичности оно вооб­ще не течет, т. е. т—т0=0. Однако большинство так называемых вязкопластических систем обнаруживает от­клонения от уравнения (2.3). Результаты многих иссле­дований показывают, что цементный гель не является идеально-пластическим телом, поэтому уравнение (2.3) не может быть использовано в том виде, в каком его предложил Бингам.

Учитывая вязкопластические свойства цементного ге­ля в диапазоне X от 1 до 1,65, в уравнение (2.3) Н. В. Шведовым введена вместо Рт величина предельно­го напряжения сдвига то, являющаяся более характер­ным параметром текучести при скоростях сдвига, возни­кающих при вибрации, перекачивании насосами и т. п. [5, 86]. В этом случае применительно к условиям тече­ния цементного геля по цилиндрической трубе, уравне­ние (2.3) примет вид:

Dv 1

— = — (т-т0), (2.4)

Dp Ц

Где т — напряжение сдвига, соответствующее данному градиенту ско­рости; и — общая вязкость системы, состоящая из двух слагаемых:

^ = (2.5)

Fxjv — нормальная или ньютоновская вязкость; [лСтр — структурная вязкость, вызванная добавочным сопротивлением движению со сто­роны разрушенных элементов структуры цементного геля

Для бесструктурных жидкостей то=0, |iCTP=0 и уравнение (2.4) будет соответствовать уравнению гидро­динамики Ньютона, интегралом которого для случая истечения через цилиндрическую трубу (капилляр) яв­ляется известное выражение Пуазейля:

Согласно уравнению Шведова — Бингама (2.4), тече­ние цементного геля через цилиндрическую трубу пред­ставляется следующим образом. Движущаяся система рассматривается^ как состоящая из бесконечного числа коаксиальных полых цилиндров, перемещающихся отно­сительно друг друга с различной скоростью, которая воз­растает от стенки трубы к ее оси. При этом предполага­ется, что скорость слоя, прилегающего к стенке трубы, равна нулю, а скорость слоев, близких к оси трубы, наи­большая. В связи с этим в структурных связях, обуслов­ивленных силами Ван-дер-Ваальса возникают напряжения сдвига, убывающие с увеличением скорости от стенки Трубы в направлении оси потока. Часть потока, ограни­ченная поверхностью радиуса г0, перестает течь и дви­жется йодобно упругопластическому телу с одинаковой скоростью VR.

Вследствие отмеченных явлений распределение ско­ростей в цилиндрической трубе в направлении, перпен­дикулярном потоку, должно происходить по усеченной параболе (рис. 2.7).

Соответствующий профиль распределения скоростей при вязкопластическом течении системы формируется следующим образом: весь поток в трубе может рассмат­риваться как бы состоящим из двух частей: так называ­емого входного участка и области структурного течения. : Во входном участке материал^поступающий в трубу, ис­пытывает тормозящее действие стенок. В связи с этим первоначальный "прямолинейный профиль скоростей по­стоянно преобразовывается и принимает вид усеченной параболы, пределом которого при вязком течении жид­кости является пуазейлевский (параболический) про­филь.

Длина входного участка, в пределах которого форми­руется профиль распределения скоростей по сечению по­тока, зависит, очевидно, от толщины пристенного слоя, с его увеличением диаметр внутреннего ядра потока будет уменьшаться. Умень­шение диаметра ядра сопровождается уско­рением течения, по­скольку общее количе­ство протекающей мас­сы должно оставаться постоянным. После

Прохождения потоком Рис- 2-7- Распределение скоростей Некоторого участка в поперечном сечении потока

Трубы формирование профиля распределения скоростей заканчивается, и течение происходит уже по установив­шейся закономерности.

В целях проверки применимости уравнения (2.4) к свойствам цементного геля были изучены режимы те­чения по цилиндрическим трубам диаметром от 0,016 до 0,1 м и длиной от 1 до 4 м при постоянном и переменном напоре.

Ом

Рис. 2.$. Характерные профили потока цементного геля в зависимо­сти от значений X

Нии в цилиндрической трубе I . ■ , I T

Рис. 2.10. Зависимость г/г0 от 1 1,2 Tf W Tf 1,6

X для цементного геля

В опытах использовали несколько сортов цемента различного минералогического состава. Было установле­но, что при характер движения цементного геля резко меняется (рис. 2.8). При водоцементных отношени­ях, соответствующих упругопластическому состоянию, система не деформируясь скользит по стенке цилиндри­ческой трубы и ядром служит все сечение трубы г0=г. В этом случае при Х=1 в пристенном слое возникают напряжения (около 150 Па), что значительно меньше предельного напряжения сдвига (246—260 Па), поэтому в пристенном слое течение цементного геля обусловлива­ется пластическими деформациями, т. е. релаксационной ползучестью. С увеличением водоцементного отношения, сопротивление цементного геля сдвигу становится мень­ше» чем напряжение сдвига, возникающее у стенок тру­бы. В связи с этим ядро занимает в потоке сравнительно меньшее место: г0=г/п.

Кнг 1,25 Кнг 1,52Кнг Кп^65Киг >Кп

Как уже указывалось, если напряжение сдвига т не­значительно превосходит т0 (при небольших перепадах давления) и цементный гель течет как вязкопластичес- кая масса, тогда можно пренебречь инерционными сила­ми по сравнению с большими силами трения. Приняв для этого случая, что то есть величина. постоянная, опреде­лим радиус ядра цементного геля. Если — площадь

Сечения ядра, то сила, сдвигающая его, будет равна (рис. 2.9):

Т = яг20Р, (2.7)

Где Р —разность давлений на концах трубы, приходящаяся на еди­ницу площади ее сечения.

Сила трения, преодолеваемая ядром по длине потока - (длине трубы /), будет равна

Г = 2яг0/т0. (2.8)

При равновесии этих сил, т. е.

Jv§P — 2л;го/то = 0,

Находим, что

Г.-^. (2.9)

Будем исходить из того, что давление, необходимое для преодоления только начального сопротивления сдви­га то, равно Роу тогда из рассмотрения равновесия сил на стенках трубы найдем

T0=-^-/V (2.10)

Аналогично для любого цилиндрическбго потока радиуса р>г0 имеем

R = Fp. (2.11)

Экспериментально установлено [4], что величина ра­диуса ядра потока при вязкопластическом течении це­ментного геля зависит не только от прочности структуры, но и от диаметра трубы. Однако отношение г/г0 для дан­ного значения X является величиной постоянной (рис. 2.10).

Проинтегрируем уравнение (2.4) в пределах от г до го и подставим в него вместо т его значение (2.11). В ре­зультате получим закон распределения скоростей по се­чению трубы:

Часть потока, ограниченная радиусой г0, не деформи­руется и движется внутри трубы как упругопластическое тело со скоростью

Г.). (2.13)

При отсутствии в потоке ядра, т. е. г0=0 и т0=0, ве­щество течет как обычная вязкая жидкость с осевой ско­ростью:

»оси=^. (2.14)

Сравнивая формулы (2.14) и (2.13), мы видим, что по­следняя отличается дополнительным параметром, учиты­вающим пластические свойства цементного геля.

Взаимосвязь между скоростью течения ядра вязко - пластической массы и вязкой жидкостью можно опреде­лить, пользуясь выражениями (2.13) и (2.14), а именно

Подставив* вместо то его значение (2.10), после преобра­зований получим

»0 = "оси [ (1 - 'о/'2) - V 0 - V0 ] • (2.:16)

Из уравнения следует, что скорость течения цементно­го геля по трубопроводу при вязкопластическом режиме всегда меньше скорости течения обычной вязкой жидко­сти. Только в частном случае, если т значительно прев­зойдет то, структурные связи в цементном геле окажутся разрушенными и тогда он будет течь со скоростью, рав-

ЙОЙ Роси.

Иначе, чем это было описано, происходит истечение цементного геля под действием собственной массы из вертикальной цилиндрической трубы при изменяющемся напоре: ядро значительно опережает пристенный слой, отрывается от него и медленно сползает из трубы; затем появляется полый цилиндр, непосредственно соприкаса­ющийся со стенкой трубы. Такой характер истечения це­ментного геля из вертикальной трубы объясняется нерав­номерным распределением действующих сил (силы тяжести) во всем его объеме и неуравновешенностью нормальных сил в нижнем сечении.

По мере увеличения деформации вместе с развитием касательных напряжений %х по коаксиальным поверхно­стям появляются осевые растягивающие напряжения gX и, как следствие этого, поперечные ^растягивающие на­пряжения Gy, которые нарушают структурные связи це­ментного геля и тем самым значительно снижают вели­чину то (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Действие сил при течении цементного геля в цилиндри­ческой трубе

<9

А — вертикальной сверху вниз; б—горизонтальной и вертикальной снизу вверх

Под влиянием всесторон­него растяжения ядро отрыва­ется от пристенного слоя и са­мостоятельно сползает из тру­бы до выхода остальной час­ти. При движении цементного геля по горизонтальной трубе или же по вертикальной тру­бе снизу вверх в ядре возни­кает трехосное сжатие (рис. 2,41,6), поэтому сохраняется связанность ядра потока с при­стенным слоем цементного ге­ля. При значительных сопро­тивлениях течению всесторон­нее сжатие может привести к закупорке трубы, вследствие потери цементным гелем (при отслоении из него жидкости) требуемой текучести.

Рис. 2.12. давления

Распределение в конической

Трубе (насадке)

Исследования реологических свойств коллоидных систем впервые были начаты Н. Ф. Шведовым, который пользовался прибором с коаксиальными цилиндрами. Приборы такого типа широко применяются при изучении коллоидных систем и сейчас. Не останавливаясь подроб­но на всех методах измерения, отметим, что эти прибо­ры позволяют измерять вязкость слабоконцентриро­ванных структурированных систем в достаточно широких интервалах скоростей сдвига. Однако для цементного геля, являющегося сильно концентрированной системой, целесообразнее метод, основанный на измерении объем­ной скорости (расхода) течения через трубу, при раз­личных перепадах давления (скоростях сдвига). Этот метод удобен тем, что он позволяет связать взаимно ре­жимы течения, цементного геля с параметрами его вязко­сти при различных перепадах давления и водоцементных отношениях, что весьма важно при решении ряда произ­водственных задач, связанных с вибрированием бетон­ных смесей, транспортированием при помощи насосов и т. п. Для глинистых растворов указанный метод исследо­ваний был использован в работе [136], а для цементного геля применен в [86] [4].

Для исследования реологических свойств цементного геля пригоден вискозиметр, отличающийся от обычных, используемых для измерения вязкости нормальных жид­костей, конической формой и диаметром трубки. Это обусловлено необходимостью воспрепятствования отры­ву ядра от пристенной части потока, а также проскаль­зыванию упругопластических систем, наблюдающемуся при движении по цилиндрической трубе.

Пользуясь уравнением (2.4), выведем необходимые расчетные формулы для определения коэффициента вяз­кости и величины предельного напряжения сдвига це­ментного геля. Для этого рассмотрим задачу о продав - ливании упругопластической массы через коническую трубу (рис. 2.12). Выделим горизонтальными параллель­ными сечениями элементарный объем конической трубы, заполненный цементным гелем, и предположим, что дав­ление распределено по сечению равномерно, считая, что падение давления Pz по длине трубы есть некоторая функция от 2.

Радиус ядра цементного геля определится так: если пг — площадь сечения ядра потока, то сила, сдвигаю­щая ядро, будет равна

Nrgd/V (2.17)

Сила сопротивления, обусловленная структурной свя­занностью "цементного геля на элементарном участке Dz Трубы, составляет

2яг0т^г. (2.18)

Из условия равновесия этих сил получим, что

(2.19)

Следовательно, в данном случае г0 есть величина пе­ременная, так как падение давления, приходящееся на единицу длины трубы в ее узком конце, больше, чем в широком. Аналогично для любого конического слоя ра­диуса р>г0 имеем

2Xdz

Р = —• (2.20)

Для получения закона распределения скоростей по коническому сечению воспользуемся выражениями (2.4) и (2.20):

1 dPzp Ц [ 2dz

После соответствующих преобразований получим

Где г — переменный радиус конуса; р — радиус коаксиального слоя в рассматриваемом сечении трубы р^г0.

Dv = ~ l-^rdf1" — то (2.21)

Скорость ядра потока может быть определена из ус­ловия, что р равняется го

Т0R . (2.23)

Расход цементного геля через коническую трубу мо­жет быть представлен в следующем виде:

Г0 г

Q = J 2npv0dp + J* 2npvdp. (2.24)

Внося в (2.24) значения для V и V0 из (2.22) и (2.23), после «интегрирования получим

„=DP ^ 4/3 jwi+_l_ /2 s*y i

4 8ndz [ г ' г т 3 (dPzf г ) .

Уравнение (2.25) трудноразрешимо относительно DPz если же пренебречь последним членом как величи­ной малой высшего порядка, можно получить упрощен­ную формулу следующего вида:

[dPe-4/3^L]. (2.26)

8[Idz

Решив уравнение (2.26) относительно DPz и прини­мая r=ri+Јz, где K = Tga= (рис. 2.12),^имеем

+ (2-27)

Я (Г1 — кг) 3 rxkz

Отсюда после интегрирования в пределах от 0 до / полу­чим окончательно

J-U^-to-a.. (2.28)

П 3k [4 r) '2

Заменив давление напором, можно написать

U _ / _L—_L —In — , (2.29)

36 ^ гз гз J 3kgyr r%

Где Н — высота напора, см; гх и г2 — соответственно, радиус боль­шего и меньшего отверстия трубы, см; q — расход, см3/с; у г — объ­емная масса геля, г/см3.

При вязкопластическом течении системы общая поте­ря напора слагается из сумм потерь на преодоление со­противления структурной связности и на живую силу вытекающей струи, т. е.

Я = ЯХ + Я2. (2.30)

Для вычисления первого члена можно воспользовать­ся уравнением (2.29), подставив в него соответствующие размеры трубки:

Г = 0,5см; — 0,4; 6 = 0,01;

#1==0,66 — <7 + 0,061 — . (2.31)

YD YP

Потеря напора на живую силу сравнительно невели­ка и мало отражается на точности расчетов. Для опреде­ления этой части потери напора может быть использо­вана формула, выведенная на основании теории перемен­ной вязкости.

Минуя промежуточные выкладки, связанные с выво­дом формулы для #2, приводим окончательное ее выра­жение:

Н% = Bq2, (2.32)

Где В — коэффициент, варьирующий в пределах от 0,00216 до 0,00248. Не допуская существенной погрешности можно принять среднее его значение 0,00232.

В таком случае для определения вязких свойств це­ментного геля при истечении под постоянным напором получим следующую расчетную формулу:

Н = 0,66FJt/7P Q + 0,06LT0/Vr + 0,00232<72. (2.33)

Уравнение (2.33) содержит две неизвестные величи­ны —- i и to, в связи с чем необходимо не менее двух на­блюдений при разных по величине, но постоянных в каж­дом случае напорах. Для описания истечения вязкопла - стических систем под влиянием переменного напора формула (2.33) не может быть применена, поскольку при ее выводе предполагалось, что Н=const.

Для этого случая уравнение (2.33) необходимо пред-

Ставить в таком виде, исходя из допущения, что Q=F—,

Dt

Где F— площадь основания цилиндра вискозиметра:

Н = 0,66— F + 0,061 ^- + BMF (Ур? . (2.34) Yr Dt Yr Dt J

Решим дифференциальное уравнение (2.34) относи - Dff '

Тельно ----- , приняв £=0,0025-и F=200 мм2, и, разде-

Dt

Лив переменные, получим Dt = DH * (2.35)

0,66 — — Л/ 0,43б(—У — 0,00061 —+ 0,01Я Yr У Yr / Yr

Интегрируя (2.35) (правую часть в пределах от T0 до T и левую часть в пределах от H0 до H), получим

— j/" 0,436 ^j2 —0,00061 у- +0,01 H —

- 2000,436 ^ J -0,00061 ^ + 0,01Я где T — время истечения от уровня H0 до HXt

Введем следующие обозначения:

Г — 0,00061 — + 0,01Л0 ; Yr

— 0,00061 — + 0,01%.

C.= J/" 0,43б(-Ь)а Cl- 0,436 (J-J-

Окончательно имеем:

0,66-^ -С0

Т= 132 -^Ln1------------- -------------- Ь200 (С0 —Cx). (2.39)

Yr 0,66-^ - Ci Yr

Уравнение (2.39) описывает движение вязкопласти - ческой системы через коническую трубу при переменном напоре. В этом случае для определения параметров вяз­кости fi и to необходимо иметь два измерения: одно при переменном напоре, а другое при постоянном, и затем ре­шить совместно уравнения (2.33) и (2.39).

Для упрощения подсчета может быть рекомендован следующий прием: сначала применяют формулу (2.33) для обоих случаев истечения (в том числе при перемен­ном напоре). При этом исходят из того, что Н — посто­янная величина, равная. Потом вычисленные ве­личины х/уг и to/vr подставляют в формулу (2.39) и если при этом получается время Т, отличающееся от измерен­ного в действительности, то несколько уменьшают сред­нее значение Н и этот же прием повторяют вновь пока не будет получена удовлетворительная сходимость.

Прибор для измерения вязких свойств цементного геля представляет собой несколько видоизмененный вискозиметр Энглера с приспособлениями, позволяющи­ми варьировать величину давления, под которым выдав­ливается цементный гель через коническую трубу [5].

Параметры вязкости цементного геля при Х>1,65 измеряют при поддержании постоянного давления в при­боре в течение опыта. Менее подвижные смеси выдавли­вались из трубки как под постоянным давлением, так и при различных перепадах давления, создававших напря­жения, близкие по величине к предельному напряжению сдвига цементного геля.

Напряжение сдвига и коэффициент вязкости цемент­ного геля при различных значениях X от 1 до 1,65 опре­деляют по данным двух опытов при различных расходах q, обусловленных близкими по величине напорами (дав­лениями) .

При Х< 1 цементный гель представляет собой земли - стовлажную массу, состоящую в основном из несвязан­ных между собой цементных комков (микроагрегатов) различных размеров. Для их слияния в сплошное тело необходимо воздействовать на микроагрегаты вибрацией при частоте колебаний не менее 100 Гц.

В уплотненном состоянии такой цементный гель подо­бен квазитвердому телу с явно выраженными упругопла - стическими свойствами; для определения его реологиче­ских параметров вискозиметрический метод оказывается непригодным. В этом случае предельное напряжение сдвига то можно измерить испытанием в сдвиговом при­боре [5].

Величина сдвигающего груза зависит не только от структурной прочности цементного геля, но и от нормаль­ного давления, обусловленного его собственной массой. Если по оси ординат откладывать сдвигающее напряже­ние т, а по оси абсцисс нормальное напряжение, равное Yr/i (где H — высота слоя цементного геля), то каждому значению X будет соответствовать кривая, отсекающая на оси абсцисс различные по величине отрезки С Для удобства использования графической зависимости кри­волинейное очертание заменяют близкой к ней прямой (рис. 2.13)/В таком случае общее сдвигающее напряже­ние можно записать в виде

■ т = С + т',

Где Y=Hyr tg а, т. е. т'=а tg а. Следовательно,

Т = C + atga. (2.40)

Выражение (2.40) соответствует зависимости Кулона для связных грунтов, при этом параметр С может быть интерпретирован как коэффициент сцепления грун­та при сдвиге, а tga=/ — как коэффициент внутренне­го (статического) трения. Для сыпучих грунтов С=0 и тогда

* = crtga. (2.41)

В обычных жидкостях С=0 и т не зависит от нор­мального напряжения; в этом случае напряжение сдвига может быть выражено в функции от вязкого сопротив­ления жидкости.

Надо заметить, что в ря­де работ по механике грун­тов, например в [125], не рекомендуется придавать параметрам, входящим в уравнение (2.40), непосред­ственный физический смысл в виде коэффициентов тре­ния и величины сцепления, полагая, что непосредствен­ный физический смысл име­ет только полная величина сопротивления сдвигу т.

Такая точка зрения может быть оправдана при рас­смотрении несущей способности грунтов, служащих ос­нованием для сооружений, так как в этом случае прак­тический интерес имеет поведение всего подстилающего слоя, свойства которого изменяются в широких пределах в зависимости от множества факторов: влажности, пере­уплотнения грунта и т. п.

В рассматриваемом же случае, когда с достаточной степенью точности можно регулировать консистенцию и плотность цементного геля, создавать требуемые условия для воспроизведения напряженного состояния при сдви­ге и т. д., придавать непосредственный физический смысл упомянутым параметрам вполне оправдано.

Коль скоро связность цементного геля появляется только при определенных добавках воды и этим обуслов­ливается его сопротивление сдвигу* то это дает нам пра­во считать параметр С величиной предельного напряже­ния сдвига to.

Величина то, определенная из условия предельного, равновесия системы (при весьма малых скоростях де­формации), характеризует сопротивление цементного ге­ля в момент срыва, т. е. то минимальное напряжение сдвига, при котором нарушаются (разрываются) струк­турные связи в цементном геле.

Рис. 2.13. Зависимость напря­жения сдвига от нормального давления

Сопротивление структуры цементного геля сдвигу и растяжению обусловливается в основном ван-дер-вааль - совым притяжением, так как силы электростатического и магнйтного притяжения, а также валентные силы бо­лее короткодействующие, чем сила отталкивания. Кроме этого, указанные силы зависят в значительной мере отполярности взаимодействующих частиц и при оводнении быстро нейтрализуются.

Если обозначить через ег—коэффициент пористости цементного геля; —диаметр частиц; ац — расстояние между активными центрами на их поверхности, тогда си­ла ван-дертваальсового притяжения между двумя мине­ральными частицами может быть выражена уравнением:

Дв = 0,047 —-4г Т- > (2А2)

4 **

Где коэффициент А оценивается порядком

Из уравнения (2.42) видно, что сила ван-дер-ваальсового притяжения возрастает с умень­шением/пористости и расстояния между твердыми частицами. Эта взаимосвязь между сопротивле­нием сдвига структуры цементно­го геля и плотностью упаковки цементных частиц четко просле­живается по экспериментальным данным.

Интегральная кривая изме­нения величины предельного на­пряжения сдвига цементного ге­ля в зависимости от значений X, полученная методом ^ вискози­метрии и на сдвигаемом приборе, приведена на рис. 2.14.

В экспериментах были ис­пользованы цементы различных видов, в том числе глиноземис­тый. На том же рисунке показа­на интегральная кривая измене­ния вязкости р, г (рис. 2.14,6), из­меренная при истечении цемент­ного геля в диапазоне значений X от 1 до 1,65 (Х<1, цементный гель не способен течь или выдав-

Рис. 2.14. Изменение т0(а) и вязкости Jir, (б) цементного геля в зависимости от X

Ливаться из конической трубки вискозиметра, так как в этом случае происходит уплотнение — запрессовывание системы).

Кривая рис. 2.14 показывает, что процесс упрочнения структуры цементного геля происходит до значения Х = =0,876, при котором to достигает максимальной величи­ны 1040 Па (10,6 г/см2), а затем с повышением содержа­ния воды то уменьшается и при Х=1,65 оно практически соизмеримо с вязкостью цементного геля. Объясняется это ослаблением сил связи между частицами твердой фазы, обусловленным образованием более толстых соль­ватных» оболочек и возникновением расклинивающего давления воды в, плоскости сдвига под влиянием напря­женного состояния (эффекта П. А. Ребиндера). -

Экспериментальные данные других исследователей, например авторов работы [50], удовлетворительно сов­падают с приведенными значениями то. Здесь важно заметить, что, несмотря ga некоторое различие в минера­логическом составе и дисперсности цементов, при соот­ветствующих значениях X практически формируются идентичные по прочности внутренних связей структуры цементного геля. Это обстоятельство позволяет исполь­зовать лишь один раз построенную интегральную кри­вую то=ф(Х) для решения различных технологических задач, связанных с учетом реологических свойств це­ментного геля.

При вибрационном воздействии на цементный гель значение т0 значительно уменьшается и может равняться нулю при полном разрушении сил ван-дер-ввальсового взаимодействия. Это свидетельствует о том, что то — в

ТАБЛИЦА 2.1. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ (©„-50 Гц, а-0,175 см) НА

ИЗМЕНЕНИЕ т0 И Fr

Без вибрации

С вибрацией

X

Предельное на­пряжение сдвига т0, Па

Коэффициент внутреннего трения /г

Предельное на­пряжение сдвига т0, Па

Коэффициент внутреннего трения /р

0,876 1

1,16 1,33 1,5

. 1040 264 120 54

21,5

2,0

1,27

0,56

0,15

0,096

272 12 2 1 0

1,32 0,0133 0,0123 0,0121 0,0118

Общем случае величина непостоянная для цементного геля данной консистенции, а именно т0 может возрасти под влиянием уплотняющего нормального давления (на­пряжения) или снизиться до нуля в зависимости от скоро­сти деформации структуры цементного геля (табл. 2.1).

Из табл. 2.1 следует, что при Х=0,876 и 1 структур­ные связи в цементном геле разрушаются не полностью. Под влиянием вибрации с частотой 50 Гц цементный гель при Х=0,876 обладает более прочной структурной связностью, чем при Х=1. Следовательно, при частоте колебаний 50 Гц не может быть достигнута надлежащая скорость деформации структуры цементного геля, когда полностью могли бы быть разрушены силы внутреннего взаимодействия между зернами твердой фазы. В не­сколько меньшей мере сказанное относится и к цементно­му гелю при Х=. В этом случае то уменьшается при­мерно в 22 раза. Вмёсте с тем при большем водосодержа - йии кратковременная вибрация (до 6 с) вполне достаточна для практически полного разрушения струк­турных связей цементного геля.

Если скорость деформации сдвига сравнительно неве­лика, что бывает в отдельных^случаях при вибрационном воздействии, а также в процессе перекачивания смесей насосами по трубам, то полного разрушения структур­ных связей цементного геля не произойдет, поэтому сле­дует различать напряжение сдвига то, определяющее со­противление цементного геля срыву (например, в момент пуска насоса), и остаточное напряжение сдвига т0СТ — После нарушения структурной связности при данной ско­рости деформации сдвига (стабилизированное состоя­ние).

Остаточное или стабилизированное напряжение сдви­га обусловливается неполной десольватациёй частиц твердой фазы, т. е. наличием в цементном геле очагов связанных структур, оказывающих сопротивление сдви­гу. Такие очаги, обнаруженные после сдвига, состоят из вытянутых слоев цементного геля, ориентированных к плоскости сдвига под углом примерна 45°. Они выступа­ют из тонкой водной пленки, образовавшейся в резуль­тате частичной десольватации зерен цемента в зоне сдвига (рис. 2.15). Отсюда следует, что разрушение структурных связей цементного геля при сдвиге проис­ходит от разрыва их под влиянием главных растягиваю­щих напряжений. Можно предположить, что структур­ные связи, сохранившиеся в цементном геле при вибрационном воздействии, не утрачивают своих упруго - пластических качеств и способны сопротивляться дейст­вию главных растягивающих напряжений, возникающих при деформациях сдвига.

Как и т0, коэффициент внутреннего трения можно рассматривать в качестве составной характеристики реологических свойств цементного геля, поскольку каж­дому значению X соответствует определенная величина fr. В случае полного (объемного) разрушения структуры коэффициент fr цементного геля независимо от его водо - содержания приобретает постоянное значение, равное примерно 0,012, и соответствует коэффициенту вязкости «воды», - поэтому при течении цементного геля с полно­стью разрушенными структурными связями основным реологическим критерием может служить коэффициент вязкости. Значительное снижение значений Fr под влия­нием вибрационных импульсов является следствием на­сыщения зоьг сдвига избыточным количеством жидкости в результате кратковременного перевода слабосвязан­ных диффузных слоев в состояние «свободной» жидко­сти. Рассматривая вязкие свойства цементного геля во взаимосвязи с его структурной прочностью, можно пред­положить, что коэффициент вязкости |яг утрачивает свою структурную составляющую — р, СТр (в условиях прове­денных опытов) уже при Х=1,65, так как с увеличением скорости истечения вычисленные значения [хт для це­ментного геля при X^lfiS весьма незначительно отли­чаются друг от друга. Судя по результатам опытов, |Lir=[Xjv, т. е. р, г(вязкость воды при T—288 К равна 0,011)'; это может быть объяснено тем, что «турбулент­ность» в цементном геле наступает при значительно мень­ших числах Рейнольдса, чем в случае истечения бесст­руктурных жидкостей, для которых Re=2000.

^ . 1 — зона сдвига; 2 — водная пленка

> Рис. 2.15. Очаги сопротивления сдвигу в цементном геле нор­мальной густоты

При содержании в потоке твердых частиц и облом­ков разрушенной структуры критическое значение числа Рейнольдса может, согласно данным [107, 136], пони­жаться в 10 раз и более. Такая ранняя «турбулентность»

Обусловливается возникновением местных завихрений вокруг частиц твердой фазы, в связи с чем переход лами­нарного режима в «турбулентный» сопровождается не­которым увеличением вязкости.

Зависимость коэффициента вязкости цементного геля от скорости истечения наблюдается только при водоце - ментных отношениях в пределах X от 1 до 1,65. Чем прочнее структура, тем значительнее падение р, г с увели­чением давления, под которым цементный гель выдавли­вается из вискозиметра.

Зависимость вязких свойств цементного геля от вели­чины напора может быть наглядно выражена функцией Q—F (Я) (где Q — расход через трубку; Я — напор). Результаты опытов (рис. 2.16) показывают, *1то для це­ментного геля кривые Q=F{H) не проходят через нача­ло координат и отсекают на оси абсцисс некоторые отрезки, равные Я0. Только при этих минимальных напо­рах цементный гель начинает приобретать свойство теку­чести. При Х=1,65 кривая Q=F(H) пересекает ось абсцисс вблизи начала координат, и такая система по своим реологическим свойствам приближается к бес­структурным жидкостям (прямая OA). Эти опыты под­тверждают, что при Л^1,65 система практически не об­ладает структурными связями.

Структурная связность цементного геля, характери­зуемая Х=, нарушается при #о=0,75 м, что в перерас­чете на то эквивалентно 264 Па. Затем следует криволи­нейный участок, в пределах которого продолжается раз­рушение структуры, заканчивающееся при Я=2,4— —2,6 м. Истечение цементного геля с разрушенной структурой происходит при постоянной вязкости (пря­молинейный участок) так же, как и при нормальных жидкостях. Напор (давление), при котором цементный гель вовсе утрачивает свою связность, зависит от пер­воначальной плотности коагуляционной структуры, т. е. от X, а следовательно, от способа приготовления це­ментного геля и условий проведения опытов.

Реологические параметры цементного геля изменяют­ся также при неоднократном повторном пропускании его через вискозиметр и в процессе перекачивания по тру­бам. Например, если перекачивать цементный гель по резиновому шлангу, организовав замкнутый цикл (раст - воронасос-бункер), то в этом случае по манометру мож­но заметить, что при повторных циркуляция* цементного

Рис. 2.16. Реологи­ческие кривые: 1, * 2, 3 — цементного геля; 4—бесструк­турной жидкости

Геля давление снижается, т. е. сопротивление течению уменьшается. В процессе непрерывного нарушения структурных связей существенно отдаляется время, соот­ветствующее началу схватывания цементного геля. Однако вместе с этим наступает момент, когда цемент­ный гель мгновенно превращается в твердое тело с вы­делением значительного количества тепла, порядка 353— 263 К. Это необратимое явление, связанное с мгновен­ным превращением вязкопластической массы в твердое тело, минуя продолжительную промежуточную стадию завершения процесса коагуляционного структурообразо - вания цементного геля, свидетельствует об ускорении ионного обмена при продолжительной циркуляции (тече­нии) цементного геля в замкнутом пространстве под влиянием сдвиговых напряжений, возникающих в потоке при перекачивании насосом. Аналогичный эффект можно наблюдать при продолжительной вибрации цементного геля и прочих интенсивных механических воздействиях.

Практически стабильные значения параметров вязко­сти цементного геля сохраняются в течение определенно­го времени и зависят от скорости физико-химических и фазовых превращений, возникающих при взаимодейст­вии цементных частиц с водой. Образующийся вследст­вие этрго ионный раствор претерпевает количественные и качественные изменения, способствующие возникнове­нию кристаллогидратных структур и упрочнению в них внутренних связей. Чем выше начальная концентрация твердой фазы в цементном геле—меньше X, тем быстрее утрачивается стабильность реологических параметров.

В качестве примера мож­но привести результаты опытов по определению изменения коэффициен­та вязкости шлакопорт - ландцементного геля при Х~ 1,65, или В/Ц=0,5 [63]. Исследования про­водились на ротационном вискозиметре РВ-8, кон­струкция которого позво­ляла замерять вязкости через каждые 15 мин не­посредственно в пуазах.

По рис. 2.17 можно заключить, что в течение 120 мин значения коэф­фициента вязкости це­ментного геля практичес­ки не изменяются, а за­тем они резко возраста­ют, достигая максимума при Г=300 мин, которое соответствует времени, определяющему конец схватывания цементного

Геля при Х~1,65 (при нормальной его густоте начало схватывания наступает через 140 мин по Вика).

При динамических (сдвиговых) воздействиях спон­танный процесс становления коагуляционной структуры нарушается, и несколько отодвигается момент, когда в цементном геле создаются условия для образования от­носительно более прочных связей между частицами твер­дой фазы.

EK-w ,мпа 6 0,8761 /,3 1 1,651,7 Хост При твердении цементного геля внутри образующих­ся кристаллов молекулы воды группируются вокруг ио­нов кальция и других минералов; их количество растет С увеличением давления …

При проектировании железобетонных конструкций учитываются не только прочностные, но и деформатив - ные свойства бетона, которые в значительной степени предопределяются модулем его упругости Модуль упругости бетона Е& обычно вычисляют по …

Прочность бетона при сжатии зависит при данной ак­тивности цемента от механических и деформативных свойств цементного камня и заполнителя, концентрации их в единице объема материала, прочности сцепления, а также от формы …

msd.com.ua


Смотрите также