Предельное напряжение сдвига бетонной смеси

Реологические свойства бетонной смеси

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.

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%.

6) Водонепроницаемость бетона

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.

7) Теплофизические свойства бетона

Теплопроводность — наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий. Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя. Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах -0,75-0,92 Вт/(м.С°). Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,00001 °С, следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой, протяженности разрезают температурно-усадочными швами. Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры. Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

2. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Реология бетонных смесей, как и других структурированных материалов, связана с их структурой, изменяющейся в процессе твердения. В этой связи оценка реологических свойств смесей необходима в технологическом процессе производства строительных конструкций, особенно в процессе структурообразования. Рассмотрим факторы, влияющие на реологические характеристики бетонных смесей. Разными авторами приводятся много факторов, которые по их мнению влияют на реологию бетонных смесей. Среди них можно выделить концентрацию, гранулометрию и форму частиц заполнителя; характер динамического воздействия на смесь; режим движения частиц, степень проявления тиксотропных свойств; фактор времени и другие параметры. Существует классификация факторов, влияющих на удобоукладываемость бетонной смеси, в соответствии с которой эти факторы делятся на внутренние и внешние. К внутренним относятся: текучесть цементного теста; тип заполнителя и отношение объема цементного теста к объему заполнителя. Текучесть цементного теста определяется В/Ц, типом цемента (в частности, его удельной поверхностью, содержанием С3А, содержанием гипса, содержанием щелочей), наличием добавок. Тип заполнителя определяется максимальным размером, зерновым составом, содержанием мелких частиц ( СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блещик Н.П. Структурно-механические свойства и реология бетонной смеси и прессвакуум бетона. -Мн.: Наука и техника, 1977. -232 с.,ил.

Источник

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

В условиях массового производства сборных желе­зобетонных изделий большое значение приобретает характери­стика формовочных свойств бетонных смесей физически обосно­ванными величинами — реологическими показателями бетонной смеси [2]. Знание этих величин позволит более точно назначать параметры и режимы виброуплотнения смеси, разработать эф­фективные методы контроля уплотнения бетонной смеси и т. п.

Реологические коэффициенты. Многочисленные ис­следования показывают, что применяемые в строительстве це­ментное тесто, растворы и бетонные смеси следует относить к дисперсным твердообразным системам, структурно-механиче — ские свойства которых, в первую очередь, характеризуются сле­дующими основными показателями: предельным напря­

Жением сдвига т0—при деформировании и наимень­шей постоянной пластической вязкостью Г>т — при истечении.

Величины Т0 и т]т являются одними из основных физико-ме­ханических характеристик структурированных систем, опреде­ляющих их поведение при различных внешних воздействиях.

Прочность структуры бетонной смеси, определяемая величи­ной предельного напряжения сдвига то, возрастает с увеличе­нием дисперсности цемента и его концентрации, с уменьшением прослойки цементного раствора между заполнителями, с увели­чением поверхности и угловатости формы заполнителей. При вибрировании прочность структуры бетонной смеси резко умень­шается, одновременно понижается и вязкость смеси, достигаю­щая в пределе Г]г .

Следовательно, степень подвижности бетонных смесей может быть представлена как совокупность элементных физических понятий, характеризующих внутреннее трение и сцепление меж­ду частицами. Для использования реологических свойств бетон­ных смесей разработана методика их определения посредством стандартного конуса и технического вискозиметра.

Предельное напряжение сдвига’ бетонной сме­си то может быть определено по осадке стандартного конуса, уплотненного вибрированием до практически полного уплотне­ния (97].

Максимальное касательное напряжение у основания конуса

Где У—объемный вес смеси в конусе;

Б—площадь основания конуса (после осадки).

При т>го конус будет оседать до тех пор, пока т в состоя­нии предельного равновесия не уменьшится ДО То.

Пример. Для стандартного конуса (рис. 43) /?= 10 См, V=5500 с,«3, при 1>

2,4 и осадке конуса А к—2 см, Л Р=0,4 см. Тогда

При нулевой осадке конуса на верхнее основание конуса устанавливают пригруз Р и тогда

‘о —

При вибрировании жестких бетонных смесей величина т0 да­ет возможность характеризовать прочность их структуры, опре­делить минимальный пригруз или наименьшее давление при вибропрессовании.

Рис. 43. Определение пре­дельного напряжения сдви­га В Бетонной смеси.

Пластическая вязкость вибрируемой бетонной смеси может быть определена на техническом вискозиметре. При вибрировании силы трения и сцепления внутри бетонной смеси значительно ослабляются или полностью исчезают; бе­тонная смесь приобретает ряд свойств жидкости и вследствие этого хорошо заполняет форму и уплотняется. Уменьшение внут­реннего тренпя при вибрирова­нии бетонной смеси легко про­верить постановкой простого опыта. Разрезанный пополам ящик заполняется бетонной сме­сью, которая находится под дав­лением силы Р. К ящику прикла­дывается сила Р, смещающая его верхнюю половину по отношению к нижней (рис. 44).

Если по оси абсцисс откла­дывать значение смещения 5, а но оси ординат величины уси­лий Р, получим кривую, которая имеет максимум в точке А соот­ветственно разрушающей нагруз­ке РР, зависящей от величины давления на бетонную смесь.

Площадь ОАВ характеризует работу, затраченную на смещение верхней части ящика, следовательно, на преодоление сил внут­реннего трения.

Если установить ящик на вибрационном столе и, повторив опыт, провести измерение силы /•’, необходимой в этом случае для сдвига верхней части ящика, можно убедиться, что она уменьшится до очень малой величины, близкой к нулю. Если
затем выключить вибратор и снова произвести измерение силы Р, она опять покажет наличие внутреннего трения, хотя кривая максимального усилия будет отличаться от приведенной на рис. 44.

Рис. 44. Уменьшение внутреннего трения При вибрировании:

А — схема испытания на сдвиг; Б — сопротивление сдвигу в зависимости от смещения.

На основании рассмотренного опыта известный французский ученый Р. Лермит предложил реологические характеристики бетонной смеси: коэффициент внутренего трения, связность смеси и др. [40]. Понижение вязкости бетон­ной смеси вследствие вибрационного воздействия объясняется тем, что зерна заполнителя или частицы цемента совершают вынужденные колебания со скоростью, зависящей от парамет­ров вибрирования, и массы частиц, вследствие этого коагуля­ционная структура коллоидного цемент­ного клея разруша­ется и вязкость его значительно пони­жается.

Для предельного разрушения струк­туры, т. е. достиже­ния наибольшей пластичности смеси, параметры вибриро­вания следует наз­начать близкими к собственным часто­там колебаний зе­рен, составляющих бетонную смесь, что при вибрировании соз­даст условия резонанса, обеспечивая получение наибольших амплитуд.

Для, каждой бетонной смеси в зависимости от характеристи­ки входящих в нее элементов, например, крупности или шеро­ховатости щебня, необходима определенная интенсивность коле­баний для преодоления внутренних сил сопротивления и перехо­да из упруго-вязкого состояния в состояние временной текучести.

Тиксотропия бетонной смеси. После прекращения вибрирования бетонная смесь приобретает еще большую струк­турную вязкость, чем до вибрации. Свойство бетонных смесей обратимо изменять основные реологические характеристики (пластическую вязкость и предельное сопротивление сдвигу) Под влиянием механических воздействий называется тиксотро — пией.

Тиксотропия имеет существенное значение при перемешива­нии бетонной смеси, ее транспортировании и собенно при уплот­нении. Все вибрационные способы формования изделий и уплот­нения бетонной смеси основаны на понижении прочности струк­

Туры и уменьшении вязкости в процессе формования и восста­новлении прочности структуры и повышении вязкости По окончании вибрирования. Явлением тиксотропии объясняется высокая эффективность вибрирования, при котором значительно уменьшается расход механической энергии по сравнению с дру­гими способами уплотнения жесткой бетонной смеси.

При характеристике тиксотропии твердообразных систем (в том числе и бетонной смеси) принято различать тиксотро — пию прочности структуры, характеризуемой обрати­мым изменением предельного напряжения сдвига т0, и т и к с о — тропию вязкости, т. е. обратимое изменение вязкости смеси Г)О-

Коэффициенты тиксотропности бетонной смеси, отражающие предельно возможное разрушение ее структуры, могут быть представлены в следующем виде:

Количественная оценка показателей тиксотропии и реологи­ческих характеристик еще не стала общепринятой; в зависимости от методики исследования могут быть получены различные ре­зультаты.

Источник