Реологические свойства бетонной смеси (стр. 1 из 5). Реологические свойства бетона


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 свойства бетонной смеси - часть 2

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 (<300 мкм), пористостью. К внешним факторам относятся условия перемешивания, температура смеси и время выдержки от момента затворения (зависит от наличия ускоряющих или замедляющих добавок). Некоторые исследователи считают, что химический и минералогический состав цемента мало влияет на реологические свойства цементного теста; исключение составляет цемент с регулируемыми сроками схватывания, который при прочих равных условиях образует цементное тесто повышенной вязкости. Отмечается, что при увеличении В/Ц вязкость цементного теста падает; такое же влияние оказывает более грубый помол цемента и перемешивание цементного теста во время

Рассмотрим реологические характеристики, которыми предлагается характеризовать бетонную смесь. К ним относятся: когезия (во многом определяется когезией цементного теста), вязкость (в частности, при приложении вибрационных воздействий) и внутреннее трение. Величина когезии в основном определяется количеством воды. Внутреннее трение зависит от количества и геометрии заполнителей. Таким образом, реологическое поведение бетонных смесей определяется тремя фундаментальными параметрами: когезией, трением и вязкостью. Указанные величины зависят от сил, действующих в бетонной смеси. Это силы трения, капиллярные силы, силы коагуляционного структурообразования и коллоидного взаимодействия. Относительная значимость этих сил определяется размерами зерен и расстоянием между ними. Указанные силы изменяются во времени по мере того, как частицы цемента реагируют с водой.Проведенный анализ показал, что для улучшения удобоукладываемости бетонной смеси необходимо уменьшать когезию, вязкость и трение в смеси. Однако чрезмерное уменьшение этих величин приводит к водоотделению и сегрегации в смеси, что влечет за собой резкое ухудшение эксплуатационных свойств бетона. Указанные недостатки могут быть частично устранены путем введения в смесь добавочного количества цемента. Однако, это может явиться причиной появления трещин в бетоне за счет повышенного тепловыделения. При построении реологических моделей бетонной смеси как многофазной структурированной системы, следует исходить из возможности ее представления в виде:

1.Дискретной системы физических материальных точек. Обычно в роли таких точек выступают частицы крупного заполнителя. Материальные точки могут быть свободными или связанными между собой силами. Если бетонная смесь представлена системой свободных материальных точек, то ее влияние на движение уплотняющих устройств учитывается в виде сил инерции точки, а также массовых сил веса. В случае представления бетонной смеси, связанной системой точек, к указанным выше силам добавляются упругие, вязкие и силы трения. Упругие силы описываются линейной непрерывной функцией от смещения точки, а также разрывной с конечным скачком, допускающей представление комбинацией функций Хевисайда. Вязкая сила содержит составляющую, определяемую предельным напряжением сдвига, и составляющую, зависящую от скорости, а также от смещения. Составляющая силы вязкого трения, зависящая от скорости и смещения, описывается линейной, квадратичной функцией скорости, а также разрывными функциями с бесконечным скачком типа функций Дирака. Природа вязких сил определяется возможностью смещения группы частиц, окружающих данную, как целого по отношению к соседним группам. Природа сил трения (сухого) определяется возможностью смещения данной частицы по отношению к соседним, то есть обычным скольжением частицы. Силу сухого трения можно описать функцией от нормальной силы. Если эту функцию разложить в ряд Маклорена по нормальной силе, то первое слагаемое будет представлять силу сцепления, которую в первом приближении можно представить капиллярными силами. Последнее существенно, так как это позволяет учесть влияние размера частиц заполнителя. Описанное равносильно представлению дискретной системы динамическими моделями реологических тел Гука, Ньютона, Кельвина, Сен-Венана, Шведова, Максвелла. Движение бетонной смеси будет описываться системой конечного числа дифференциальных уравнений второго порядка.

2.Непрерывной среды. Все деформационные процессы, происходящие в таких средах, описываются известными уравнениями механики сплошной среды, полученными из второго закона Ньютона, примененного к бесконечно малому элементу среды. Однако число неизвестных, входящих в них, более числа уравнений. Поэтому приходится отыскивать дополнительные условия, обеспечивающие их замыкание. Эти условия получили название реологических уравнений. Условия замыкания могут быть получены из эксперимента. Так появились экспериментальные кривые зависимости напряжения от скорости однородного сдвига (реологические кривые), а может быть и времени. Реологические уравнения по отношению к неизвестным напряжениям и деформациям, а также их производным являются нелинейными. Последние можно линеаризовать, получив обобщенные линейные относительно напряжений, деформаций и их производных реологические уравнения. Аналогично можно учесть и нелинейные эффекты, сохранив неизменными по форме реологические уравнения, если при этом соответствующие коэффициенты считать функциями от принятых переменных.

3. РОЛЬ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК В БЕТОННОЙ СМЕСИ

Применение химических добавок является одним из эффективных способов регулирования реологических и физико-механических свойств бетона. Исторически устоялось разделение компонентов бетона на основную и дополнительные категории. При этом огромный по объему использования и функциональной значимости класс материалов регуляторов технологических процессов, составов и свойств бетонных смесей и бетонов как бы традиционно выделяется в дополнительную категорию, называемую добавками.

mirznanii.com

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИИ

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

ТУ

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Где У—объемный вес смеси в конусе;

V—объем конуса, См3-,

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

5 = г (Р + Л й)2 = 340 См2;

2 , 4 - 5500

. = 19,4 Г! см2

2 • 340

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

IV-

подпись: 25‘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.

подпись: 
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. Еслизатем 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.

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

Рис. 44. Уменьшение внутреннего трения При вибрировании:

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

подпись: рис. 44. уменьшение внутреннего трения при вибрировании:
а — схема испытания на сдвиг; б — сопротивление сдвигу в зависимости от смещения.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙНа 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:

К,, 1 — т0 и /С2 —

■*]х

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

Разборные и виброформы для бетонных колец (0.7м, 1м, 1.5м, 2м). Формы для колодезных и бетонных колец. Заказы по тел +38 050 4571330 или эл. почта: [email protected] Цены март 2015г.: Виброформы …

Для учета производственной деятельности пред­приятия и оформления результатов контроля необходимо веде­ние технических записей, журналов испытаний, лабораторных анализов и пр. Основные виды технической документации на заводах сборного железобетона следующие[14]: А) журнал …

Контроль качества готовой продукции осуществля­ется в соответствии с требованиями ГОСТов и технических ус­ловий. Разрешается не производить испытание готовых изделий до разрушения за счет увеличения, объема пооперационного кон­троля, а также применения …

msd.com.ua

Реологические свойства бетонной смеси

Оглавление

   

 

   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%.

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 (<300 мкм), пористостью. К внешним факторам относятся условия перемешивания, температура смеси и время выдержки от момента затворения (зависит от наличия ускоряющих или замедляющих добавок). Некоторые исследователи считают, что химический и минералогический состав цемента мало влияет на реологические свойства цементного теста; исключение составляет цемент с регулируемыми сроками схватывания, который при прочих равных условиях образует цементное тесто повышенной вязкости. Отмечается, что при увеличении В/Ц вязкость цементного теста падает; такое же влияние оказывает более грубый помол цемента и перемешивание цементного теста во время

     Рассмотрим  реологические характеристики, которыми предлагается характеризовать бетонную смесь.  К ним относятся: когезия (во многом определяется когезией цементного теста), вязкость (в частности, при  приложении вибрационных воздействий) и внутреннее трение. Величина когезии в основном определяется количеством воды. Внутреннее трение зависит от количества и геометрии заполнителей.  Таким образом,  реологическое поведение бетонных смесей определяется тремя фундаментальными параметрами: когезией, трением и вязкостью. Указанные величины зависят от сил, действующих в бетонной смеси. Это силы трения, капиллярные силы, силы коагуляционного структурообразования и коллоидного взаимодействия. Относительная значимость этих сил определяется размерами зерен и расстоянием между ними. Указанные силы изменяются во времени по мере того, как частицы цемента реагируют с водой.Проведенный анализ показал, что для улучшения удобоукладываемости бетонной смеси необходимо уменьшать когезию, вязкость и трение в смеси. Однако чрезмерное уменьшение этих величин приводит к водоотделению и сегрегации в смеси, что влечет за собой резкое ухудшение эксплуатационных свойств бетона. Указанные недостатки могут быть частично устранены путем введения в смесь добавочного количества цемента. Однако, это может явиться причиной появления трещин в бетоне за счет повышенного тепловыделения. При построении реологических моделей бетонной смеси как многофазной структурированной системы, следует исходить из возможности ее представления в виде:

stud24.ru


Смотрите также