Влияние длительности выдерживания и температуры на подвижность литых бетонных смесей

В ряде работ [2, 49] рассмотрены реологические свойства литых смесей в зависимости от времени и температуры их выдерживания. Наиболее чувствителен к изменению данных факторов показатель пластической прочности. При использовании С-3 значения пластической прочности цементного теста уже через 60 мин оказываются в среднем в 3,5 раза выше первоначальных. Характерно, однако, что предельное сопротивление сдвигу незначительно изменяется в течение 3 ч. На протяжении этого периода пластическая вязкость почти не зависит от скорости сдвига. При большей длительности выдерживания в цементном тесте с СП развивается структурная вязкость, на которую значительное влияние оказывает скорость сдвига [2]. По данным [2], через 3 ч выдержки пластическая прочность цементного теста с добавкой С-3 неразрушенной структуры увеличилась в 9,7 раза. Вязкость полностью разрушенной структуры уменьшилась в 25,1 раза по сравнению с вязкостью после выдержки 60 мин.

Снижение подвижности литых бетонных смесей существенно зависит от значения В/Ц [38]. Введение СП приводит к уменьшению В/Ц и более резкому падению подвижности смесей. Это можно объяснить влиянием В/Ц на скорость гидратации и процессов структурообразования цементного камня. Как известно [20, 41], при повышенных В/Ц образуется экранирующая пленка из С₃SH_x — продукта гидратации C₃S, замедляющая дальнейшую гидратацию цемента.

В [51] показано, что у цемента с активностью 37,5 МПа и частицами 5·10^-3 мкм при В/Ц=0,4 первые контакты между новообразованиями произойдут после гидратации 18% объема зерен; при В/Ц=0,6 это значение равно 50%, а при В/Ц=0,8 — даже 80%.

Добавки СП, как и другие добавки ПАВ, образуют адсорбционные слои на поверхности цементных частиц. Однако эти слои проницаемы, и после некоторого начального замедления гидратация, ускоряется, что способствует загустению бетонной смеси.

Для изучения подвижности бетонных смесей во времени фиксировали осадку конуса бетонных смесей через определенные промежутки времени при заданной температуре.

На первом этапе исследовали кинетику подвижности при нормальной температуре для бетонных смесей с одинаковой начальной осадкой конуса (22...24 см) при различных В/Ц (0,7; 0,5 и 0,4). В качестве исходных материалов использовали чистоклинкерный среднеалюминатный портландцемент, средний и мелкий кварцевый песок с водопотребностью соответственно 7,5 и 11,5 и гранитный щебень фракции 5...20 мм с водопотребностью 2,7%.

На втором этапе определяли влияние минералогического и вещественного состава цементов на потерю подвижности бетонных смесей с добавками ПФМ. Для опытов использовали бетонные смеси (В/Ц=0,5) со средним кварцевым песком.

Третий этап исследований заключался в изучении влияния факторов времени и температуры на подвижность бетонных смесей. Состав бетона здесь принимали неизменным и таким же, кап в предыдущие этапы исследовании.

Анализируя результаты опытов (рис. 17, 18), можно отметить, что добавки ПФМ, содержащие замедлители схватывания, во всех случаях существенно изменяют кинетику потери подвижности бетонными смесями. Наиболее сильное стабилизирующее действие оказывают сахаросодержащие GFD, наименьшее — ПАВ лигносульфонатного типа. Если при нормальной температуре в течение 30 мин с момента затворения литая смесь без добавок теряет подвижность на 4...6 см, с добавкой С-3 — на 6...10 см, то добавки ПФМ позволяют за это время обеспечить практически неизменную подвижность смеси. С помощью сахаросодержащих ПФМ удается продлить жизнеспособность литых смесей до 1...1,5 ч, в то время как смеси с одним СП снижают свою подвижность в два раза и более. Литые смеси с СП теряют подвижность заметно быстрее, чем смеси с одинаковой начальной подвижностью без СП, что закономерно объясняется значительно большей водопотребностью последних. Этот вывод не характерен для смесей с рядом добавок ПФМ. Вместе с тем при сопоставимых условиях темп потери подвижности увеличивается с уменьшением В/Ц цементного теста в бетонной смеси, или так называемого истинного В/Ц [4, 18J (табл. 9). Понятие истинного водоцементного отношения (В/Ц)_и не подменяет общее В/Ц бетонной смеси и, тем более, не вытесняет его из технологических расчетов. Оба эти параметра следует рассматривать совместно. Применение (В/Ц)_и удобно прежде всего при необходимости объективной оценки влияния на свойства бетонной смеси и бетона различных заполнителей.

Например, В/Д=0,65, В_п=10%, В_щ=4%, НГ=27% (К_НГ=0,27), Ц=298 кг/м³, П=503 кг/м³, Щ=1260 кг/м³. Подставляя в (3.6), получим (В/Д)_и=0,29. Для нахождения (В/Ц)_и по (3.6) можно использовать номограмму (рис. 19).

Опыты и расчеты (табл. 10) показали, что В/Ц цементного теста в бетонной смеси, найденное при учете иммобилизации воды заполнителями, является более точным физическим критерием при прогнозировании темпа падения подвижности бетонной смеси во времени, чем начальное водосодержание. При введении добавок ПАВ следует учитывать их дефлокулирующий и адсорбционно-смазочный эффект, а также стабилизирующее действие.

Кривые падения подвижности литых бетонных смесей с добавками ПФМ можно разбить на этапы относительной стабильности и прогрессирующего снижения подвижности. Как весь период снижения подвижности, так и период относительной стабильности (см. рис. 17, 18) тесно скоррелирован с началом схватывания цемента (см. табл. 2) и периодом формирования структуры на кривых пластической прочности при прочих равных условиях. Хотя алюминатность цементов и сказывается па падении подвижности бетонных смесей с добавками ПФМ, но значительно меньше, чем без добавок или с добавкой лишь одного СП. В большей мере на темп снижения подвижности влияет добавка опоки.

Кинетика изменения реологических свойств литых бетонных смесей во времени существенно зависит от температурного фактора [2, 3]. Влияние температуры на подвижность бетонных смесей с добавкой С-3 рассмотрено в [2], где указано, что повышение температуры до 30°С не привело к падению начальной подвижности бетонных смесей и сравнительно мало увеличило крутизну спада.

При 40°С уже отмечены значительное снижение начальной подвижности бетонных смесей и более крутой спад последней: до 9 см для смеси без добавки и 11 см для смеси с добавкой (до 22 см подвижности при 20°С). При 60°С начальная подвижность бетонных смесей без добавки и с добавкой С-3 уменьшилась до 3 см. Установлено [3], что при температуре бетонной смеси до 40°С укладка ее должна продолжаться не более 30 мин, при 60°С 5...15 мин.

Наши данные (рис. 20, 21) подтверждают в целом результаты опытов В. А. Бабаева [2]. В то же время они показывают, что при 30°С бетонные смеси (без добавок и с добавкой С-3) снижают подвижность почти линейно при незначительной длине участка относительной стабильности. Введение ПФМ, особенно сахаросодержащего типа, позволяет при 30°С заметно продлить период относительной стабильности литых бетонных смесей. Этот вывод практически важен для условий производства работ в сухую и жаркую погоду, когда температура бетонной смеси может достигать 30°С.

При температуре выше 30°С период относительной стабильности подвижности бетонных смесей со всеми исследованными добавками практически сводится на нет, хотя начальная подвижность с добавками ПФМ и оказывается выше.

Анализ опытных данных [51] показывает, что подвижность бетонных смесей во времени в общем виде

где S_к0 — осадка конуса бетонной смеси, определенная непосредственно после перемешивания смеси (?=0); S_к? — осадка конуса бетонной смеси через время ? после замеса, ч; k — коэффициент относительного изменения подвижности смеси, зависящий от температуры окружающего воздуха.

Для бетонов на основе портландцемента [51]

где t — средняя температура воздуха за время ?.

Основной недостаток зависимости (3.7) заключается в том, что она не учитывает особенностей материалов, вида добавок и т. д., а также справедлива лишь при k>1.

На подвижности во времени должны сказываться, очевидно, все факторы, определяющие скорость гидратации цемента. Кроме В/Ц и температуры к числу таких факторов относят активность, дисперсность цемента и др.

Для прогнозирования возможной жизнеспособности бетонной смеси предложены понятия «начало и конец схватывания бетонной смеси» [39, 51]. Например, в [39] расчет периода начала схватывания бетонных смесей рекомендуется производить по формуле

где Н_? — начало схватывания бетонной смеси, ч; ?_н.с — начало схватывания цементного теста нормальной густоты (К_н.г) при 20°С, ч; (В/Ц)_ф — фактическое В/Ц с вычетом воды, адсорбированной заполнителем.

(В/Ц)_ф можно найти, вычитая воду, адсорбированную заполнителем, с учетом коэффициентов смачивания песка и щебня [39]. Коэффициент ?_? зависит от температуры.

Другая формула, значительно менее обоснованная, предложена в [51]:

где ?/2 — начало схватывания бетонной смеси; R_ц — активность цемента, МПа; t — температура бетонной смеси.

Формула (3.10) не связывает начало схватывания бетонной смеси с началом схватывания цементного теста, что является ее основным недостатком. Физически не обусловлена и зависимость начала схватывания от активности цемента. Как известно, активность цемента определяется сложным комплексом факторов: химико-минералогическим составом, структурой, дисперсностью и др. Цементы различной активности могут иметь одинаковые сроки схватывания, и наоборот.

Из (3.9) следует, что при (В/Ц)_ф=К_н.г начало схватывания бетонной смеси равно началу схватывания цементного теста (при 20°С ?_?=1).

В соответствии с представлениями современной структурно-технологической теории бетона [7, 18] бетонная смесь имеет те же сроки схватывания, что и цементное тесто нормальной густоты при (В/Ц)_и=К_н.г где К_н.г — нормальная густота цемента в долях единицы.

(В/Ц)_ф (3.9) больше (В/Ц)_и, так как коэффициенты смачивания песка и щебня значительно меньше их водопотребности.

Начало схватывания бетонной смеси — условное понятие, означающее период жизнеспособности последней, в течение которого возможны технологические операции по ее переработке.

В технологии бетона нет разработанных инструментальных методов определения начала и конца схватывания бетонной смеси. Для практики более важен прогноз падения подвижности бетонной смеси во времени, который позволяет вносить коррективы при назначении начальной подвижности и определять допустимую продолжительность транспортирования бетонной смеси. Обработка полученных данных показала, что для ориентировочных подсчетов времени падения подвижности литой бетонной смеси с начальной подвижностью 24 см (в интервале относительной стабильности 24...16 см) на каждые 2 см можно использовать формулу

где A₁ и А₂ — коэффициенты, учитывающие влияние особенностей исходных материалов; К_т — коэффициент, учитывающий влияние температуры.

Значения коэффициентов для исследованных материалов приведены в табл. 11.

В реальных производственных условиях на темп падения подвижности, очевидно, будут влиять условия транспортирования бетонной смеси, испарение воды и другие факторы. В связи с этим применительно к конкретным условиям желательно корректировать коэффициенты в (3.11).