Внешние механические воздействия в технологии бетонов.

Часть 1.

Во многих регионах отсутствуют качественные заполнители для производства бетонов. И в первую очередь качественных крупных песков.

Мелкий песок Средней Азии (т.н. барханный песок) обладает повышенной пустотностью и чрезвычайно развитой наружной поверхностью – это обуславливает повышенную водопотребность бетонной смеси и значительный перерасход цемента. Кроме того, при изготовлении бетона мелкий песок и цемент комкуются, что влечет за собой повышенную неоднородность бетона и, опять же, значительный перерасход цемента.

Первые успешные опыты по применению ультрамелких дюнных песков были предприняты во время Отечественной Войны на одном из крупных строительств на Черноморском побережье. Из-за условий военного времени строительство было лищено возможности получать привозной высококачественный песок, а местный дюнный песок был забракован, т.к. попытки его применения вызывали непомерный расход цемента.

Грузинские бетоноведы, задействованные в решении этой проблемы, и в частности Ю.Я.Штаерман, предложили для снижения эффекта комкования отказаться от традиционного метода изготовления бетона и перейти к его изготовлению в два приема: предварительно тщательно изготавливать цементно-песчаный раствор, а затем этот раствор вводить в бетономешалку совместно с крупным заполнителем. Эти рекомендации выполненные в условиях военного времени позволили строителям успешно закончить строительство с применением дюнных песков для изготовления бетона.

В послевоенные годы исследования в данном направлении были продолжены – ведь проблема использования тонких золовых дюнных песков очень актуальна для регионов Средней Азии и Закавказья. Продолженные в начале 50-х годов исследования показали, что изготовление растворов с обычным расходом воды вредное комкование песка и цемента устраняется лишь частично. Для ликвидации этого вредного явления необходимо предварительно вводить в смесь песка с цементом лишь строго ограниченное количество воды. Но в этом случае требуется очень энергичное перемешивание такой очень вязкой полусухой массы недостижимое в обычных лопастных смесителях. Естественным стало предложение задействовать для перемешивания таких полусухих масс внешние вибрационные возмущения.

Для лабораторных экспериментов по виброактивации цементов были изготовлены три вида виброактивирующих установо – две разновидности электромагнитных вибраторов и электромеханический вибратор.

10.1.1 Электромеханический вибратор и первые результаты экспериментов по виброактивации цементных паст.

В лабораторных условиях был изготовлен электромагнитный вибратор обеспечивающий плавное изменение частоты вибраций в диапазоне 0т 50 до 2000 Гц. В качестве источника (задатчика) переменного тока звуковой частоты был применен стандартный звуковой генератор с диапазоном частот от 20 до 20000 Гц.

Переменный то к требуемой звуковой частоты, от звукового генератора подавался в специально собранный усилитель низкой частоты (усилитель мощности). Назначением этого усилителя заключается в повышении мощности переменного тока звуковой частоты до 100 – 120 Вт.

Вырабатываемый усилителем переменный ток звуковой частоты подавался на специальным образом изготовленный вибратор.

Вибратор представлял собой мощный динамик (80 – 100) Вт, предназначенный для воспроизведения звука. Диффузор динамика был снят и заменен пустотелым узким конусом, к концу которого была прикреплена жесткая мембрана, представляющая собой источник колебаний. Переменный ток звуковой частоты подавался в звуковую катушку динамика и приводил в колебательное движение конус с мембраной. Конус, мембрана и звуковая катушка представляют подвижную часть вибратора и в общей сложности весят 60 – 70 гр.

Электрическая мощность, потребляемая вибратором, поддерживалась неизменной следующим образом: сопротивление звуковой катушки динамика составляло 5 Ом; ток в сети вуковой катушки поддерживался постоянным (4 Ампера), поэтому потребляемая мощность оставалась неизменной

W = I²R = 4² * 5 = 80 Вт

Ток регулировался грубо при помощи реостата ( в цепи усилителя) и точно при помощи регулятора громкости.

Амплитуда колебаний вибратора регулировалась путем изменения величины зазора между катушкой электромагнита и сердечником вибратора.

Опыты по виброактивации цементных паст проводились на двух портландцементах А и Б, обдадающих следующими характеристиками (см. Таблица 10.1.1-1)

Таблица 10.1.1-1

Цементное тесто приготовлялось вручную, перемешиванием воды и цемента в металлической чашке. Ввиду небольшой мощности вибратора объем замеса был принят 1.5 л. Из одного замеса изготовлялись образцы, как контрольные (невибрированные), так и с виброобработкой.

Цементное тесто, подлежащее виброобработке, помещалось в круглую стеклянную банку емкостью 2 л. Банка устанавливалась под вибратором. Вибратор был прикреплен к подвижной раме станины вибрационной установки; рама при помощи ходового винта с прямоугольной нарезкой могла опускаться и подниматься.

При опускании вибратора его рабочая часть погружалась в банку с цементным тестом, а после окончания виброобработки извлекалась из нее обратным движением винта.

Малая мощность вибратора и малый объем замеса продиктовали переход к изготовлению малых образцов с последующим испытанием на прессе усилием 5 т. Форма образцов была принята цилиндрическая, диаметр 3.0 см, высота 4.5 см.

Из одного замеса цементного теста изготовлялось несколько групп образцов (по 6 штук): первая, контрольная - без виброобработки, остальные - при различной продолжительности виброобработки (от 1 до 20 минут).

Хранились образцы во влажных опилках в помещении с температурой воздуха 14 -18 °С. Испытание и сравнение результатов производилось в возрасте 7 дней.

Из результатов испытания шести образцов-близнецов вычислялось среднеарифметическое значение. Если значение прочности одного или двух образцов отличалось от среднеарифметического больше чем на 15%, то вычисление среднеарифметического значения прочности производилось вторично, исключив из партии образцы со значительными отклонениями.

Виброактивация проводилась на частотах 50,200 и 450 герц при различных амплитудах, разной длительности вибрации и разных водоцементных соотношениях.

Наиболее оптимальными оказались следующие параметры вибровоздействия: амплитуда – 0.15 мм, частота – 200 Гц. Эти результаты сведены в таблицу (см. Таблица 10.1.1-2)

Таблица 10.1.1-2

Примечание: Использование “относительной прочности” снимает вопрос о необычной форме образцов.

Сравнение результатов виброактивации, цементов А .и Б подтверждает существенное влияние минералогического состава цемента на эффект виброобработки.

Оптимальное водоцементное отношение для цемента “Б” оказалось равным 0.22, - т. е. 0.88 от нормальной густоты этого цемента.

Для цемента “А” оптимальное В/Ц составляет 0.96 нормальной густоты. При опытном определении оптимального В/Ц можно рекомендовать ориентироваться на В/Ц, равное 0.9 нормальной густоты с небольшими колебаниями в обе стороны от этого значения.

Разница в минералогическом составе особо ясно сказалась в количественном эффект виброактивации. Коэффициент повышения прочности для цемента “А” оказался равным 1.23 (прирост относительной прочности по сравнению с необработанным цементом – 23%) .для цемента “Б” - 1.63 (прирост относительной прочности по сравнению с необработанным цементом – 64%).

Результаты опытов, проведенных с применение; вибратора звуковой частоты приводят к следующим неоспоримым, выводам:

а) Оптимальный расход воды на увлажнение активируемого цемента составляет определенную долю от расхода воды на затворение того же цемента для получения теста нормальной густоты (НГ);

б) Эффект от длительности виброобработки проявляет себя не линейно – он нарастает в первые минуты, затем стабилизируется. При длительной виброактивации наблюдается снижение полученного эффекта;

в) Степень проявления эффекта виброактивации в значительной степени зависит от минералогического состава цемента.

10.1.2 Первые опыты по активации цементной пасты при помощи серийно выпускаемого вибратора.

Первые же опыты по активации принесли неожиданные и неоднозначные результаты, весьма важные для последующего правильного понимания и применения эффекта виброактивации цементных паст. Для их уточнения и переноса в практическую плоскость была проведена серия экспериментов с использованием промышленного, серийно выпускаемого и массово используемого в строительной индустрии погружного вибратора типа И-21 с частотой вибровозмущений – 7000 колебаний в минуту (116.7 Гц).

Ход экспериментов представлен ниже.

Цементное тесто из портландцемента типа “А” приготовлялось вручную перемешиванием в металлической чашке. Объем замеса равнялся 14 л (36 образцов 7x7x7 см). Половина замеса помещалась в стальной цилиндр для виброобработки, а другая половина оставлялась временно в чашке.

В цилиндр с цементным тестом погружался наконечник вибратора с гибким валом так, чтобы он не доходил до дна цилиндра на 2 - 3 см. Вибратор включался на заданное время, причем наконечник вибратора находился примерно на оси цилиндра.

Провибрированная паста укладывалась в формы 7x7x7 см. Применялись 12-ти гнездные формы, причем 6 ячеек заполнялись провибрированной пастой, а остальные 6 -невибрированным цементным тестом. Форма устанавливалась на вибростоле, который запускался на 30 секунд для уплотнения образцов из цементного теста и пасты. Таким образом, условия укладки в формы и уплотнение образцов, как цементной пасты, так и цементного теста (контрольных образцов) были совершенно одинаковые.

Образцы приготовлялись на 3 срока хранения: 7, 28 и 90 дней (по 6 образцов - близнецов на каждый срок хранения). Таким образом, одновременно изготовлялось 18 образцов из провибрированной пасты и 18 образцов из невибрированного цементного теста, служивших контрольными.

Образцы извлекались из форм через сутки после изготовления и помещались во влажные опилки на весь срок хранения. Температура в камере хранения колебалась в пределах 17 – 24 °С.

Были изготовлены образцы при пяти водо-цементных отношениях: 0.20; 0.23; 0.26; 0.29 и 0.32. Продолжительность виброобработки каждого состава изменялась от 5 до 40 мин. Испытывались образцы на прочность на сжатие на 50-тонном прессе.

Из результатов испытания отбрасывались два наименьших значения, а из оставшихся четырех значений выводилось средне-арифметическое.

Результаты испытания образцов в возрасте 7 - 90 суток представлены в форме таблицы (см. Таблица 10.1.2-1)

Таблица 10.1.2-1

.Примечание:

В первоисточнике результаты эксперимента представлены в форме системы графиков на нескольких диаграммах. Для большей наглядности данные были пересчитаны в единый формат и сведены в общую таблицу. Благодаря этому сразу наглядно “всплывают” экстремумы – выделено жирным подчеркнутым курсивом (С.Р.)

Сопоставление зависимостей прироста прочности цементного камня от времени вибрирования позволяет заключить, что при данном цементе и данном вибраторе, максимальная прочность образца достигается только при строго определенном В/Ц и соответственном времени виброактивации.

С увеличением В/Ц прочность образцов падает, а время вибрирования, потребное для достижения максимальной прочности при данном В/Ц – растет.

Второе положение (рост длительности вибрирования) воспринимается как парадоксальное, но оно становится понятным, если учесть, что величина водоцементного отношения влияет не только на конечную прочность образца, но и на сам процесс виброактивации цемента.

Объяснением этому может служить тот факт, что вводно-цементной пасте вода должна не только смочить каждое зерно цемента в отдельности, но и заполнить все пустоты между цементными зернами. На практике это выполнить практически невозможно – зерна цемента агрегатируются, создают сгустки-конгломераты из отдельных зерен. Если же к системе подвести внешнее вибровоздействие, - цементные агломераты разрушаются и вода получает доступ к каждому цементному зерну.

Но такая картина не линейно накладывается на содержание воды в системе (величина В/Ц). Вводно-цементная паста – это двухкомпонентная система. Её составляющие – цемент и вода имеют совершенно различные физические характеристики, и в частности у них совершенно разные модули упругости (разница примерно в 4 порядка). Поэтому воды в водно-цементной пасте должно быть строго определенное количество. При её недостатке образуются микрополости и кратеры вокруг вибратора – вибровоздействию подвергается только воздух заключенный в них. При избытке же воды происходит расслоение бетонной смеси – цементные зерна отжимаются на периферию, а вокруг вибратора концентрируется вода, которая и поглощает большую часть вибровоздействия.

Максимальный эффект виброактивации со сниженным сроком вибрирования достигается при назначении строго оптимальной величины водной добавки. Её величина всецело зависит от параметров вибровоздействия и величины нормальной густоты цемента. В ориентировочных расчетах можно отталкиватя от величины в 0.9 – 0.96 НГ.

Оптимальная длительность времени вибрировании также является достаточно значимой величиной. Причем подбор длительности вибрирования всецело зависит от принятого расхода воды. Если воды много, то прочность образцов монотонно растет во все сроки твердения с увеличением времени виброактивации. Если воды мало – то наблюдается некий “сброс” прочности при увеличении времени виброактивации, особенно в длительные сроки хранения. Эти явления обуславливаются тем фактом, что при длительном периоде виброактивации начинающиеся в цементе процессы структурообразования нарушаются продолжаюшимся вибровоздействием.

В таблице 10.1.2-1 четко видно, что только при строго определенных параметрах (В/Ц = 0.23 и время активации в 10 минут) наблюдается наибольшая эффективность виброактивации. Можно предположить, что многие исследователи не придавали внимания столь “незначительным” мелочам. В результате приходили к совершенно противоположным выводам, которые и распространяли потом в качестве доказательства несостоятельности виброактивации вообще. Действительно, достаточно при прочих равных условиях увеличить В/Ц с 0.23 до 0.32 и можно вместо прироста прочности в 20.4% в 7-ми суточном возрасте получить её сброс!!! в 0.6%

Аналогично, при неизменном В/Ц=0.2, увеличив время активации с 5 минут до 20 можно получить не прирост, а почти двукратный сброс!!! прочности (вместо 9.0% - 4.7%). Между тем все эти парадоксы имеют вполне логичное и научное обоснование

Были проведены также серии крупномасштабных экспериментов направленных на изучение влияния физико-химических аспектов, и в частности химико-минералогического состава цементов на эффективность виброактивации. Было установлено, что наибольший эффект показывают виброактивированные цементы с повышенным содержанием C3S и C3A.

1 . Для виброактивации следует специально приготавливать вибропасту, в которой вода только скупо увлажняет цемент. Расход воды должен составлять 0.9 – 0.96 НГ.

Скупо увлажненный цемент, поглощая подводимую высокочастотную импульсивную энергию от вибропобудителя, активируется и образует пасту, богатую коллоидной массой низкой структурной прочности и с небольшим содержанием остатков непрореагировавшего клинкера.

Для приготовления бетона (раствора) на активированной в такой способ вибропасте нужно впоследствии прибавить заполнители и еще воду – исходя из конкретной рецептуры бетона.

2. Эффект, достигаемый виброактивацией цемента, зависит от минералогического состава, тонины помола и “лежалости” цемента, количества воды смачивания, параметров вибратора и времени виброобработки. Расход воды на смачивание цемента следует вести методом попыток в ходе бетоноведческого эксперимента, ориентируясь на расход воды, равный 0.9 – 0.96 НГ.

3. Накопленный экспериментальный опыт свидетельствует, что для активации вводно-цементной пасты из т.н. “рядовых” цементов рекомендуемая частота вибратора лежит в диапазоне 100 - 200 Гц.

Следует помнить, что частота, превышающая оптимальную,не только бесполезна, но и ухудшает качество вибропасты.

4. Длительность виброобработки определяется по техноэкономическим соображениям, учитывая, что нарастание эффекта, достигаемого вибрированием, постепенно затухает. Следует ориентироваться на длительность виброобработки в 5 – 10 минут.