Виброактивации бетона

Вибрационное уплотнение твердеющего бетона следует осуществлять в стадийно наступающих моментах внезапного упрочнения системы, так называемых «переходных моментах», которые достаточно просто обнаруживаются по времени наступления характерных переломов (скачков) предварительно полученных пластограмм (рис.2.3). Эти «моменты» протекают синхронно как в цементном тесте, так и в смесях, т.е. являются константой данного портландцемента. Отсюда, однако, не следует, что оптимальный режим вибрирования (время осуществления, количество уплотнений, продолжительность в каждом из сроков) может быть постоянным для смесей, обладающих различными пластическими свойствами. Для жестких (с низким водосодержанием) смесей максимальный эффект будет достигнут при сравнительно меньшем количестве уплотнений, осуществляемых в начальных переходных моментах, в то время как для пластичных (с повышенным В/Ц) бетонных смесей количество циклов вибрирования должно быть увеличено.

Для экспериментальной проверки отмеченных положений с использованием стандартной лабораторной виброплощадки были изготовлены образцы-балочки (4х4х16 см) из растворной смеси состава Ц: П=1: 2, с В/Ц=0, 4; 0, 6 и 0, 8 на новороссийском портландцементе. Время уплотнения твердеющих при 20±2 ^оС образцов назначали по точкам перелома кривых структурообразования (рис.2.3) – через каждые 90±10 мин с момента затворения цемента водой. Продолжительность однократного уплотнения увеличивалась по мере отвердевания образцов и составляла от 5 до 30 с.

Для каждого состава смеси были изготовлены три партии образцов. В первой партии образцы подвергали повторному (одноразовому) уплотнению в указанных сроках (здесь и далее – виброуплотнение, производимое при укладке растворной смеси в формы, не учитывается). Во второй – одно-восьмикратному циклическому вибрированию – через 90; 90 и 180; 90, 180 и 270 мин и т. д. В третьей (для сравнения) – многократному периодическому уплотнению в промежуточные сроки (через 45; 45 и 135; 45, 135 и 225 мин и т.д.). Формы с образцами помещали в камеру стандартных условий, в 28-суточном возрасте определяли свойства образцов (среднюю плотность, прочность при изгибе и сжатии), производили статистическую обработку полученных результатов, определяли доверительные границы показателей (при условии получения 95-процентной достоверности) и строили соответствующие графические зависимости (рис.5.1-5.3).

Рис.5.1. Влияние повторного (а), циклического (б) и периодического (в)

уплотнения на прочность при сжатии образцов, изготовленных из

растворных смесей с В/Ц=0, 4 (1); 0, 6 (2) и 0, 8 (3)

Прирост прочности при сжатии и изгибе повторно (однократно) уплотненных образцов, по сравнению с контрольными, составляет, соответственно, 40…70 и 10…50 %. Консистенция (В/Ц) смеси оказывает существенное влияние как на оптимальный режим вибровоздействия, так и на относительную величину прироста прочностных показателей. Лучшие результаты получены при повторном уплотнении жесткой растворной смеси (с В/Ц=0, 4), причем, максимальный прирост прочности при сжатии (40…70 %) достигается при вибрировании в одном из первых двух переходных моментов (через 90 или 180 мин). При дальнейшем повторном уплотнении через 270, 360 и 450 мин прироста прочности, практически, нет, хотя и здесь имеет место некоторое повышение прочности при изгибе (порядка 18…40 %). С повышением пластичности смеси количество сроков, рациональных для осуществления повторного уплотнения, возрастает. Так, для смеси с В/Ц=0, 6 максимальные результаты (повышение прочности при сжатии на 25…40 %, при изгибе – 10…20 %) получены при вибрировании через 90, 180, 270 и 360 мин.

Рис.5.2. Влияние повторного, циклического и периодического

вибрирования на прочность образцов при изгибе

(здесь и на рис.5.3 обозначения те же, что и на рис.5.1)

Как видно, повторное (одноразовое) вибрирование более эффективно для жестких смесей и это вполне логично, поскольку незначительное разобщение цементных частиц жидкой фазой приводит к тому, что процесс интенсивного структурообразования материала начинается с первых же актов гидратации минералов. И поскольку в данный период гидратная оболочка характеризуется незначительной толщиной, то осуществление силовых воздействий в момент стяжения системы позволяет в большей степени уплотнить цементные зерна. И, напротив, при достаточно высоком водозатворении интенсивное твердение системы происходит на более поздних стадиях, однако наличие к этому времени сравнительно толстых гидратных прослоек усложняет достижение максимального результата.

Рис.5.3. Влияние повторного, циклического и периодического

вибрирования на среднюю плотность образцов

Циклическая вибрация дает более ощутимый результат – прирост прочности образцов при сжатии составляет 60…130 %, при изгибе – 30… 80%, причем, величина этих показателей и оптимальное количество циклов уплотнения также в значительной мере зависят от исходной пластичности (В/Ц) смеси. Если для образцов, изготовленных из растворной смеси с В/Ц=0, 4, максимум прочности при сжатии (60…75 %) достигается при двухразовом уплотнении (через 90 и 180 мин) и при дальнейшей обработке достигнутый уровень, практически, не меняется, то для образцов с В/Ц=0, 6 и 0, 8 прирост прочности 85…95 и 100…130 %, соответственно, получен при пяти- и восьмиразовой циклической вибрации.

Циклическое вибрирование (в отличие от повторного) более эффективно для смесей с повышенным значением В/Ц, так как длительное сохранение системой пластических свойств позволяет продолжительное время (вплоть до потери материалом тиксотропных свойств) регулировать структурообразующий процесс. Следует отметить, что количество прилагаемых к твердеющему бетону уплотнений должно быть разумным и экономически обоснованным. Чрезмерно продолжительная виброактивация может привести к неоправданным энергозатратам, преждевременному износу оборудования, а также необратимым деструктивным процессам, ухудшающим свойства бетона.

Весьма важно, что достигнутый в месячном возрасте прирост прочности сохраняется и в более поздние сроки. Например, прочность контрольных и подвергнутых пятикратной циклической вибрации образцов с В/Ц=0, 6 в 28-суточном возрасте составляла, соответственно, 25, 0±1, 6 МПа (100±6, 3%) и 49, 0±0, 8 МПа (192, 2±3, 1%); после двухлетнего твердения в стандартных температурно-влажностных условиях образцы имели прочность 35, 4±2, 5 МПа (138, 8±9, 8%) и 64, 6±1, 4 МПа (252, 6±5, 5%).

Прочностные свойства образцов, изготовленных с периодическим вибрированием в промежуточные сроки, изменяются незначительно. Максимальный прирост прочности при сжатии (порядка 25…40 %) зафиксирован для образцов из смеси с В/Ц=0, 8 после пяти- и шестикратной вибрации. При дальнейшем увеличении количества уплотнений эффект снижается (повышение прочности составляет всего 10…30 %). Для образцов из более жестких смесей (с В/Ц=0, 4 и 0, 6) прирост прочности при любых режимах периодической виброобработки, практически, одинаков (в пределах 10…25 %). Периодическое вибрирование совершенно не изменяет прочностные показатели при изгибе образцов с В/Ц=0, 6 и 0, 8. Некоторое увеличение данной характеристики (до 20… 25%) имело место для образцов с В/Ц=0, 4.

Ожидалось, что дополнительное виброуплотнение будет связано со значительным повышением средней плотности образцов. Действительно, повторное и циклическое вибрирование способствуют увеличению плотности на 1…7 %; для циклически обработанных образцов из смеси с В/Ц=0, 6 это увеличение достигало даже 12 % (рис.5.3).

Однако указанные величины повышения плотности материала не могут служить однозначным объяснением столь значительного увеличения его прочностных свойств. Если даже учесть, что изменение плотности бетона на 1% изменяет его прочность на 5 % [18], то данное явление способствовало бы предельному увеличению прочности образцов всего на 35…60 %, что вдвое ниже реальных показателей. Следовательно, уплотнение макроструктуры бетона за счет частичной ликвидации макродефектов (капилляров, пор, пустот и др.), несомненно, имеет место, однако этот фактор далеко не определяющий в механизме виброактивации. Это аспект наглядно иллюстрируется опытами с периодическим вибрированием.

Осуществление вибрации в промежуточные между «переходными моментами» сроки повышает среднюю плотность образцов на 2…8 %, т.е., примерно, на столько же, на сколько повышается данный показатель при уплотнении в рациональное время. Отсюда можно заключить о несущественной роли времени приложения вибрирования на изменение макропористости бетона (при условии равного количества уплотнений). Но если учесть, что прирост прочности циклически обработанных образцов в три-четыре раза выше таковой периодически провибрированных, то можно сделать вывод – согласованность вибровоздействий с кинетикой твердения цемента способствует оптимизации других факторов, положительно влияющих на формирование, упрочнение структуры цементного камня, приобретение бетоном повышенных физико-механических показателей.

Циклическое вибрирование делает технологический процесс достаточно «неприхотливым» - неизбежные колебания производственных факторов (точность дозирования компонентов, состав и свойства бетонной смеси, качество ее укладки и уплотнения) не оказывают существенного влияния на конечный результат. Анализируя рисунки 5.1 (б) и 5.2 (б), видно, что вне зависимости от консистенции (В/Ц) смеси циклическая виброактивация позволяет достичь, практически, одних и тех же прочностных показателей. Следовательно, для конкретного соотношения твердых компонентов (независимо от количества введенной воды затворения) существует верхний прочностной предел, который может быть реально достигнут за счет виброактивации. Отсюда вытекает важный практический вывод – для повышения подвижности бетонных смесей не обязательно использовать достаточно сомнительные супер- и гиперпластифицирующие меры; можно пойти по пути увеличения (до разумных пределов) количества воды затворения, негативное последствие которой будет нейтрализовано вибрационным путем.