Внешние механические воздействия в технологии бетонов.

Часть 3.

==========================================================================

10.2.3 Влияние химических характеристик цемента на эффективность виброактивации.

Для приготовления высококачественного бетона важное значение имеет тщательное перемешивание составляющих бетонной смеси, и в первую очередь - равномерное распределение и хорошее взаимодействие воды с цементом. Последнее обстоятельство в известной мере обусловливает количество новообразований в бетонной смеси и тем самым характер структурообразования цементного камня и рост прочности бетона. Увеличение количества новообразований усиливает рост прочности бетона, что особенно важно при изготовлении сборных железобетонных конструкций и при бетонных работах зимой, при производстве особых видов бетонов налагающих повышенные требования к кинетике набора прочности цементного камня (изготовление пенобетонов, газобетонов, беспропарочная технология тяжелых, легких и ячеистых бетонов и т.д.)

Для современной технологии тяжелых бетона характерно применение жестких бетонных смесей, цементов с высокой тонкостью помола, смешанных цементов и других технологических приемов, направленных на более полное использование вяжущих свойств цемента. Однако в жестких бетонных смесях или иных тонкоизмельченных материалах обладающих заметными вяжущими свойствами наблюдается значительная агрегация зерен вяжущего при перемешивании, что мешает хорошему взаимодействию воды и цемента.

Более подробно о механизме агрегатации цемента с образованием флоккул а также о способах минимизации этого эффекта при помощью добавок ПАВ (эффект пептизации) смотри в соответствующих разделах посвященных механизму действия ПАВ на бетонные композиции.

Обычными средствами перемешивания, даже при принудительном механическом воздействии, не удается обеспечить достаточного разбиения цементных флоккул (пептизировать цемент). Поэтому при вполне удовлетворительной гомогенизации ингридиентов бетонной смеси, механизм гидратации цемента все же происходит недостаточно полно. По оценкам разных исследователей от 30 до 70 процентов цемента так и не получают возможности прореагировать с водой (прогидратировать) – в бетоне они выполняют функцию ультрамелкого заполнителя.

Вследствие уменьшения количества цемента вступившего в реакции гидратации с водой уменьшается и количество образующегося цементного клея. Количество новообразований в бетонной смеси также значительно уменьшается. В конечном итоге кинетика роста прочности бетона не соответствует потенциальным возможностям цемента. Проблема усугубляется и тем фактом, что изначально тонкомолотые и быстротвердеющие цементы в еще большей степени подвержены эффектам агрегатации отдельный самых мелких и, следовательно, самых активных зерен цемента.

Для достижения хорошего взаимодействия воды и цемента необходимо воспрепятствовать образованию агрегатов цементных зерен и обеспечить тщательное перемешивание в микрообъемах на разделе цемент - вода. Это достигается различными способами, но наиболее экономически оправданным и простым в реализации следует признать способ при котором на перемешивающуюся бетонную смесь одновременно осуществляется вибрационное воздействие.

Как показывают многочисленные исследования, вибрационное воздействие на бетонную смесь в процессе ее приготовления не только улучшает взаимодействие цемента и воды, с увеличением количества гидратных новообразований но и способствуют уплотнению цементного камня, препятствуя росту коагуляциоиных структур, и тем самым резко ускоряет твердение бетона в ранние сроки, что так важно для некоторых технологических приложений.

10.2.3.1 Влияние минералогических особенностей цементов на эффективность виброактивации.

С учетом того, что на постсоветском пространстве существует очень много производителей цемента, отличающихся значительной разницей в минералогии выпускаемой продукции представляет огромный интерес изучить влияние эффектов виброактивации и виброперемешивания по отношению к тем или иным индивидуальным составляющим цемента – C2S, C3S, C3A, C4AF.

Помимо изучения влияния минералогического состава цементов при виброперемешивании, определенный интерес представляет также, оценка степени эффективности вибровоздействия на цементы с различными добавками-модификаторами цементного камня.

В Вренно-инженерной академии им. В.В.Куйбышева был в свое время проведен комплекс исследований по данной проблематике.

Уже первые опыты по виброперемешиванию раствора жесткой консистенции показали некоторую зависимость эффекта виброперемешивания от минералогического состава цемента (Таблица 10.2.3.1-1).

Таблица 10.2.3.1-1

Наибольший прирост прочности раствора, приготовленного виброперемешиванием в вибромельнице М-10 без шаров, по сравнению с прочностью раствора, приготовленного в стандартной лабораторной растворомешалке, показал высокоалитовый цемент (№ 85). Однако отсутствие полных данных по минералогическому составу цементов, различие в показателях удельной поверхности не позволили сделать более определенные выводы.

В связи с этим были поставлены специальные опыты по более детальному выявлению влияния минералогического состава цемента на эффективность виброперемешивания, которая определялась как прирост прочности виброперемешанного в вибромельнице М-10

раствора по сравнению с прочностью раствора, перемешанного м стандартной лабораторнойрастворомешалке.

Для всех серий последующих экспериментов состав раствора был принят пластичной консистенции стандартной пропорции 1:3. песок – нормальный Вольский (стандарт). Водоцементное соотношение – В/Ц = 0.40 – 0.43. Цементы различного минералогического состава были приготовлены в лабораторных условиях. Испытания на сжатие проводились на кубиках размерности 3ч3ч3 см, и на балочках 4ч4ч16 см по стандартным методикам. Результаты опытов приведены в Таблице 10.2.3.1-2

Таблица 10.2.3.1-2

Проведенные опыты однозначно подтверждают, что с увеличением содержания в цементе C3S и C3A эффективность виброперемешивания значительно повышается.

Этими же опытами была уточнена гипотеза высказанная еще проф. Штаерманом Ю.Я. (смотри начало цикла), что эффективность виброперемешивания зависит только от соотношения (C3A / C3S).

Как в действительности оказалось (и было позднее неоднократно подтверждено опытами других исследователей) – эффективность виброперемешивания зависит не только от соотношения (C3A / C3S), но и от соотношения (C3A + C3S) / 100. В меньшей степени, на эффективность виброперемешивания оказывает влияние количества в цементе lдвухкальциевого силиката - C2S.

Проведенные опыты показывают что эффективность виброперемешивания и виброактивации увеличивается с возрастанием количества в цементе трехкальциевого силиката ( C3S) и трехкальциевого алюмината (C3A).

Следует заметить, что при выявлении влияния минералогического состава на эффективность виброперемешивакия необходимо учитывать, что последняя, в свою очередь, зависит также от состава и консистенции бетона или раствора, удельной поверхности и кристаллического строения цемента, качества заполнителей и других факторов.

Результаты опытов, приведенные в Таблице 10.2.3.1-2 показывают также влияние виброперемешивания на прочность раствора как при сжатии так и при растяжении и изгибе. Прирост прочности раствора при растяжении и изгибе вследствие применения виброперемешивания несколько меньше, чем прирост прочности раствора при сжатии. Однако это снижение незначительно и объясняется, по видимому, меньшими возможностями роста прочности раствора при растяжении и изгибе и постепенным отставанием в росте этих характеристик в процессе твердения от повышения прочности раствора при сжатии.

10.2.3.2 Влияние добавок гипса к цементу на эффективность виброактивации.

Важным средством повышения активности цемента в ранние сроки является дополнительный помол цемента с добавкой гипса двуводного. Проведенные опыты (которые, кстати, были также неоднократно подтверждены иными исследователями) показали, что добавка гипса, в большинстве случаев, является благоприятным фактором, повышающим, порой значительно, эффективность виброперемешивания.

Опыты, проведены на цементно-песчаном растворе 1:3, песок – нормальный Вольский, В\Ц = 0.4 – 0.43 и отражены в Таблице 10.2.3.2-1

Таблица 10.2.3.2-1

Следует отметить положительное влияние добавки гипса на увеличение эффекта размола – при прочих равных условиях удельная поверхность увеличивается примерно вдвое.

Совместное применение вибродомола цемента с гипсом и виброперемешивания обеспечивает получение быстротвердеющих и высокопрочных бетонов. Например, прочность раствора в этом случае в возрасте 1 день увеличивается в 4 - 7 раз, а и возрасте 28 суток - в 1.7 раза (смотри Таблица 10.2.3.2-2).

Таблица 10.2.3.2-2

Для экономии цемента целесообразно использовать совместный домол его с песком. Проведенные опыты показывают, что в этом случае эффективность виброперемешиванпя несколько понижается (приблизительно на 10 – 25%).

10.2.3.3 Влияние температурных факторов твердения цементов на эффективность виброактивации.

Для практики строительства определенный интерес представляет влияние на эффективность виброперемешивания условий режима твердения, особенно температуры твердения. Специальные опыты, результаты которых приведены в Таблице 10.2.3.3-1, показывают, что хотя с понижением температуры процесс гидратации цемента замедляются, однако виброперемешивание оказывается эффективным и в этом случае.

Ускорение твердения бетона и раствора вследствие виброперемешивания позволяет сократить время обогрева или выдерживания при положительных температурах бетонных конструкций, возводимых зимой, а в ряде случаев проводить бетонирование без применения специальных мероприятий (электропрогрева, паропрогрева и т.д), тем самым сокращая сроки и стоимость строительства.

Таблица 10.2.3.3-1

Весьма эффективным является применение виброперемешивания в сочетании с добавками - ускорителями твердения. Совместное применение 2% добавки СаСl2 с виброперемешиванием повышает суточную прочность раствора в 2.5 – 4.0 раза (в зависимости от разновидности цемента).

10.2.3.4 Влияние выбора технологической схемы активации на эффективность процесса

В целях выявления наиболее рациональных режимов виброактивации раствора и бетона были проведены сравнительные испытания виброперемешивания и виброактивации растворов с использованием различных технологических способов (смотри Таблица 10.2.3.4-1)

 Таблица 10.2.3.4-1

Если не учитывать затрат энергии на перемешивание, то наиболее рациональным оказалось простое виброперемешивание в вибромельнице М-10.

10.2.3.5 Влияние барометрических характеристик среды на эффективность виброактивации.

В ВИА им. В. В. Куйбышева опробован также новый способ перемешивания — способ вакуумвиброперемешивания бетонной смеси. Простота кинематической схемы вибросмесителей и вибромельниц типа М-10, М-200, М-400 с эллипсоидальными колебаниями корпуса позволяет весьма просто создать вакуум в корпусе смесителя и производить перемешивание бетонной смеси в вакууме. При этом уменьшается количество вовлекаемого в смесь воздуха и воздуха, защемленного в порах материалов, несколько понижается вязкость цементного теста, улучшаются условия для обеспечения более быстрого и тщательного перемешивания, хорошего сцепления цементного теста с заполнителем и взаимодействия воды и цемента. В результате, по данным полученным в результате этих экспериментов, прочность тяжелого бетона или раствора, приготовленного в вакуумвибросмесителе, повышается еще на 25 - 30% по сравнению с бетоном, приготовленным обычным виброперемешиванием. В качестве вакуумвибросмесителя использовалась переоборудованная лабораторная вибромельница М-10 с вынутыми шарами. Вакуум в корпусе вибромельницы достигал 550 мм ртутного столба.

Особенно эффективен способ вакуумвиброперемешивания при приготовлении бетонных смесей на легких пористых заполнителях, когда существуют определенные проблемы адгезии между заполнителем и цементным камнем (керамзитобетон, перлитобетон, пенополистиролбетон и т.д.). В ходе такого виброперемешивания под разрежением обеспечивается более полное проникновение цементного теста в поры заполнителя, что обеспечивает повышение прочности изделия.