Механизм циклического вибрирования бетона

Принципиальный вопрос: изменяется ли степень гидратации портландцемента при вибрировании в рациональные сроки или не изменяется и если изменяется, то в какую сторону (уменьшения или увеличения)? В работах [22, 412] отмечается углубление процесса гидратации вяжущего в повторно уплотненном цементном камне, что дало основание авторам предположить о возможном разрушении вибрацией гелевых экранирующих оболочек, обнажении химически неиспользованных внутренних объемов клинкерных зерен и гидратации дополнительных порций цементных минералов.

Сложно представить механизм этого разрушения, ведь к тому времени, когда авторы прилагали вибрацию, столь дефектных оболочек просто быть не могло, да если они и появились, то незначительной толщины и с таким сцеплением с клинкерным зерном, что разрушить их кратковременным вибрированием, вряд ли, возможно. Проведенные по специальной методике микроскопические исследования начального процесса твердения цемента [123, 192] показали, что продукты, которые можно идентифицировать как экранные оболочки, появляются спустя многие часы после затворения цемента водой. На рис.101 [123, с.224], например, представлена фотография зерен портландцемента, величиной 88-102 микрона, на поверхности которых только суткам гидратации «жидкой фазой…образуется каемка из продуктов» новообразований. В связи с этим выводы авторов отностительно «углубления гидратационных процессов» за счет вибрационных воздействий требуют тщательного уточнения.

Выполненные П.К.Балатьевым и В.А.Соколовым [11] физико-химические исследования не показали какой-либо заметной разницы в степени гидратации обычного и повторно уплотненного цементного камня: «количество химически связанной воды, а следовательно и количество цементного клея одинаково в образцах без и с повторным вибрированием». Как видно, налицо явное противоречие с вышеуказанными работами.

Для уточнения этого вопроса были изготовлены образцы-кубики (с ребром 4 см) из цементного теста с В/Ц=0, 27 на новороссийском портландцементе. Температурно-влажностные условия – стандартные. Время приложения виброуплотнения к твердеющим образцам назначалось по точкам перелом пластограмм (см. рис.2.3) – через каждые 90±10 мин с момента затворения цемента водой. Режим вибрации принимали циклическим, поскольку данный вид обработки, как оказалось, позволяет максимально реализовать эффект дополнительного уплотнения. Было изготовлено семь партий образцов, из которых первая подвергалась вибрации лишь при укладке смеси в формы (контрольные образцы), вторая – при укладке и через 90 мин, третья – при укладке, через 90 и 180 мин и т. д.; последняя (седьмая) партия образцов уплотнялась при формовании, через 90, 180, 270, 360, 450 и 540 мин. Продолжительность однократного уплотнения – 10…30 с.

Результаты испытания 28-суточных образцов на прочность при сжатии представлены на рис.5.4. Максимальный прирост прочности циклически виброобработанных образцов, по сравнению с контрольными, составляет 18…25 %. Причем, с увеличением количества уплотнений прочность закономерно возрастала, затем стабилизировалась и при дальнейшей обработке достигнутый предельный уровень, практически, не менялся. По-видимому, после 270 мин твердения (после первых трех стадий гидратации) структура теста настолько уплотняется, что принятые параметры вибрации не приводят к тиксотропному разрушению системы.

Для проведения комплексных исследований использовали образцы: контрольные (а), с трех- (б) и шестиразовой (в) циклической вибрацией (рис.5.4). После испытания на прочность образцы измельчали под прессом и в ступе до полного прохождения через сито 0, 9, затем производили помол полученного материала в лабораторной шаровой мельнице в течение 24 часов.

Рис.5.4. Влияние циклического вибрирования на

прочность цементного камня

Полученные таким образом три вида цемента (с удельной поверхностью 2780…2900 см²/г) подвергали следующим видам исследований:

1) термовесовому анализу, заключающемуся в определении потери массы навесок (4…6 г) после высушивания в термошкафу при температуре 105... 110 °С и последующем прокаливании в муфельной печи (950…1000 °С). По потере в массе после высушивания можно судить о количестве физически связанной воды, после прокаливания – о величине химически связанной, а, следовательно, и о степени гидратации вяжущего в цементном камне;

2) дифференциально-термическому и термогравиметрическому анализам с использованием дериватографа венгерской фирмы «МОМ». О степени гидратации цемента можно судить по потере массы образцов при эндотермическом эффекте (400…500 °С), соответствующему разложению извести;

3) рентгенографическому анализу на дифрактометре УРС-50И по методике [87]. Степень гидратации цемента определяли путем сравнения интенсивности аналитических линий алита и белита в исходном цементе и гидратирванных вяжущих;

4) определению прочности при сжатии образцов, изготовленных из вторично затворенных цементов. При равенстве прочностных показателей, либо их существенном отличии (превышающем доверительные границы), можно говорить об идентичной или различной активности цементов, а, следовательно, о близкой или отличной степени химического использования портландцемента при первоначальном твердении;

5) изучению кинетики пластической прочности цементного теста на основе гидратированных цементов. Предполагалось, что менее химически израсходованный при первоначальном затворении цемент покажет более интенсивные гидратационные и структурообразующие способности.

Результаты испытаний представлены в табл.5.1, анализируя которые можно отметить о некотором снижении степени гидратации портландцемента в циклически виброактивированных образцах, по сравнению со стандартно изготовленными. Оптимальное оперирование вибрационным воздействием в процессе твердения цементного теста, растворных и бетонных смесей приводят, таким образом, не к разрушению, а к дополнительному уплотнению гидратных оболочек, повышению их экранирующего действия по отношению к молекулам воды, что затрудняет дальнейшие гидратационные преобразования.

Таблица 5.1

Результаты физико-химических испытаний цементного камня, изготовленного стадартным методом и с различными режимами дополнительного вибрирования

Приложение вибрационных воздействий в моменты стяжения цементных частиц благоприятствует протекающему процессу, способствует более качественному уплотнению системы. Из контактных зон клинкерных зерен силовым путем выдавливается часть адсорбционно-связанной воды, снижается количество остаточных негидратированных композиций (рис.2.14), повышается тем самым прочность, плотность и надежность микробетона. Этот аспект находится в полном соответствии с представлениями многих авторов относительно механизма повторных вибровоздействий. И.Н.Ахвердов с сотрудниками, на наш взгляд, абсолютно справедливо считают, «что при повторном вибрировании повышается прочность за счет перераспределения воды и увеличения сил сцепления (связи) между частицами цемента» [27]. Косвенным подтверждением этого эффекта является снижение степени гидратации портландцемента в циклически обработанном микробетоне и повышении его надежности при внешних тепловых воздействиях.

Последнее иллюстрируется опытами по изготовлению из мелкозернистой бетонной смеси состава Ц: П: Щ=1: 2: 4 с В/Ц=0, 87 и 0, 60 и растворной смеси 1: 3 с В/Ц=0, 65 на основе турецкого БАЗЕЛ-цемента (СЕМ 1 42, 5 R) образцов-балочек (160х40х40 мм) и пластин (160х40х20 мм). Образцы подвергали вибрированию при укладке в формы, двух…пятикратному циклическому вибрированию (с интервалом 90 мин), с продолжительностью уплотнения в каждом из сроков 10…30 с. Через 28 суток стандартного температурно-влажностного твердения определяли прочность образцов-балочек при сжатии и стойкость нагруженных пластин при воздействии среды с температурой 70 º С (рис.4.2). Результаты испытаний представлены на рис.5.5.

Рис.5.5. Влияние циклического вибрирования на прочность

и надежность бетонов

Увеличение количества уплотнений приводит к закономерному повышению прочности образцов (до 70…85 %) и их периодов «стойкости» в нагруженном состоянии при воздействии повышенной температуры среды. Конечно же, представленные параметры циклической виброактивации вряд ли можно считать оптимальными (не достигнуто предельного повышения прочности), тем не менее, опыт наглядно свидетельствует о возможности значительного увеличения эксплуатационной надежности виброактивированного бетона.

Следовательно, одним из аспектов повышения физико-технических свойств дополнительно виброобработанного в оптимальные сроки цементного камня является уплотнение структуры прослоек новообразований между цементными зернами.

Предполагалось, что цемент, полученный на основе циклически виброобработанного при первоначальном твердении цементного камня, вследствие сохранения в большей степени своих потенциальных свойств, по сравнению с цементом из контрольных образцов, покажет при затворении водой и более интенсивный рост пластической прочности в структурообразующей стадии. Однако проведенные пластометрические опыты не выявили существенной разницы в количественной стороне процесса начального твердения гидратированных цементов – построенные по опытным данным пластограммы теста для всех цементов (рис.5.6) в первые часы твердения практически налагаются друг на друга. По-видимому, столь незначительное отличие в остаточной активности исследуемых цементов (2…24 %) сложно обнаружить пенетрометрическим методом на ранних этапах твердения.

Рис.5.6. Кинетика пластической прочности теста с В, Ц=0, 27

на основе гидратированных цементов (обозначения те же, что и на рис.5.7)

Вместе с тем, примечательна следующая, достаточно интересная и заслуживающая внимания, особенность. Как видно из построенных пластограмм (рис.5.6), характер твердения всех гидратированных цементов идентичен и аналогичен твердению исходного (негидратированного) портландцемента (рис.2.3), а именно переломы («переходные моменты») кривых во всех вяжущих системах наблюдаются в одно и то же время – через каждые 90±10 мин с момента затворения. Этот факт, отмечавшийся также на карачаево-черкесском портландцементе (рис.3.2), указывает на неизменность качественной стороны процесса начального твердения материала на основе как исходного, так и гидратированных (в том числе, лежалых) цементов. Данная особенность имеет, по-видимому, общий характер для клинкерных вяжущих веществ, убедительно свидетельствует о поверхностности гидратационных и структурообразующих процессов. Электрохимическое взаимодействие компонентов осуществляется в локальных поверхностных зонах клинкерных зерен и на качественный аспект не играет особой роли энергетика поверхности подложки: то ли это – совершенно химически не использованный продукт, то ли, наряду с активными негидратированными участками присутствуют распределенные на поверхности цементных частиц сгустки новообразований.

Согласованные с кинетикой твердения цементного камня вибрационные воздействия являются дополнительным силовым фактором, позволяющем регулировать структурообразующий процесс, создавать благоприятные условия более «компактной упаковки» самоорганизующихся клинкерных зерен за счет уплотнения их гелевых клеевых оболочек, что, в итоге, приводит к повышению прочности цементного камня (с учетом доверительных границ) на 18…25 % (рис.5.4). Это – одна из причин повышения физико-механических свойств затвердевшего виброактивированного материала, причем в большей степени относящаяся к чисто цементному камню (без заполнителей). При использовании же растворных и бетонных смесей количество факторов, определяющих в той или иной мере дефектность структуры затвердевшего композита, увеличивается. Для обеспечения необходимых формовочных свойств в смеси вводят, как правило, значительно большее количество воды, чем это необходимо для нормального протекания гидратационного процесса, с вытекающими отсюда негативными последствиями (расслоением компонентов, образованием пор, пустот, капилляров и др.). Кроме того, в бетоне определяющую роль играют не столько индивидуальные свойства заполнителя и клеящего продукта – цементного камня (их прочность, плотность), сколько взаимная работа этих факторов, качество контактной зоны «поверхность заполнителя – цементный камень» [413]. Предполагается, что циклическое вибрирование будет способствовать не только оптимизации структуры микробетона, но и улучшению макроструктуры материала за счет частичной нейтрализации отмеченных негативных явлений и повышения качества адгезионного сцепления цементного камня с заполнителем. О реальности этих аспектов свидетельствует значительно более высокая эффективность циклической вибрации именно для твердеющих бетонов (прирост прочности – от 60 до 130 %, рис.5.1), чем для чисто цементных композиций.

В традиционно изготовленном бетоне наиболее слабым структурным элементом является контактная зона, на что указывает огромное количество оголенного заполнителя в плоскости излома образца (рис.4.19). Отмечалось (разд.4.3), что причиной деструкции является ослабление сцепления поверхности плотного заполнителя с цементным камнем, вследствие пространственной усадки последнего. В начальной стадии твердения (при наличии достаточного количества воды затворения) усадочные процессы не сказываются заметным образом на качестве контактной зоны. По мере же обезвоживания системы, повышения ее хрупкости усадка приводит к проскальзыванию микробетона относительно поверхности заполнителей, резкому ухудшению качества их сцепления, что косвенно и фиксируется электронной микроскопией.

Вибрационные воздействия, последовательно осуществляемые в моменты стяжения цементной системы (циклическое вибрирование), наряду с оптимизацией структуры микробетона, повышают качество контактной зоны «цементный камень – заполнитель», улучшают адгезионное сцепление этих компонентов. Разрушение бетона в данном случае происходит не по контактной зоне, а по цементному камню, в связи с чем, в изломе образцов, практически, отсутствует оголенная поверхность заполнителя (рис.5.7).

Таким образом, очередным важным моментом повышения прочности циклически виброактивированного бетона является повышение прочности адгезионного сцепления заполнителя с цементным камнем, улучшение качества контактной зоны. Это обстоятельство и определяет несравненно более высокую эффективность циклической вибрации для растворов и бетонов, чем для цементного камня.

Рис.5.7. Общий вид строения и отдельные участки контактной зоны

виброактивированного бетона (новороссийский ПЦ500-Д0,

раствор Ц: П=1: 2, В/Ц=0, 6)

Можно предположить, что подобная удручающая картина имеет место в зоне контакта цементного камня с арматурными элементами и закладными деталями. Усадочные явления приводят к ослаблению сцепления цементного камня с арматурой, снижению несущей способности конструкций (тем более, предварительно напряженных), возможности развития коррозионных процессов. В связи с этим, практический интерес представляет уточнение возможности повышения контактной прочности данных элементов путем рациональной вибрационной обработки твердеющего бетона.

Опыты проведены на двух составах бетонной смеси: Ц: П: Щ=1: 2: 3, 8 (по массе); Ц – 320 кг/м³; подвижность – 4…5 см и Ц: П: Щ=1: 1, 6: 3, 8; Ц – 350 кг/м³; подвижность – 13…14 см. Изготавливали обычные и армированные образцы-кубы с ребром 10 см (рис.5.8). В последнем случае в отверстия боковых стенок форм предварительно устанавливали арматурный стержень периодического профиля диаметром 16мм, зазор между стержнем и стенкой формы гермети-зировали, после чего укладывали и уплотняли бетонную смесь. Для каждого состава смеси изготавливали две серии образцов. Образцы первой серии (контрольные) уплотняли только при укладке смеси, второй – как при укладке, так и в процессе естественного твердения подвергали шестиразовой циклической вибрации (через каждые 90 мин с момента затворения цемента водой).

Рис.5.8. Общий вид армированных

бетонных образцов

В 28-суточном возрасте «нормального» твердения обычным способом определяли среднюю плотность, прочность при сжатии неармированных образцов и прочность сцепления арматуры с цементным камнем как частное от деления нагрузки, затрачиваемой на продавливание арматурного стержня под прессом ПСУ-10, на площадь контакта арматурного стержня с бетоном (50, 2см²). Результаты испытаний после статистической обработки полученных данных приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2

Физико-механические свойства обычных и армированных образцов

Шестикратное циклическое вибрирование, практически, не изменяет среднюю плотность бетона (во всяком случае, повышение средней плотности виброактивированного бетона имеет незначимый характер). В то же время значительно увеличивается прочность при сжатии циклически уплотненного бетона и прочность его сцепления с арматурой (с учетом доверительных интервалов увеличение показателей составляет 40…110 %). Более скромные показатели для второго состава связаны с тем, что для подвижных смесей количество уплотнений должно быть больше. Однако на данном этапе не ставилась цель оптимизации режима циклического вибрирования для получения предельных свойств затвердевшего бетона (в том числе, прочности его сцепления с арматурой). Основная задача данного этапа работы – показать возможность существенного увеличения прочности контактной зоны «цементный камень – арматура», повышения эффективности железобетонных конструкций за счет использования в стадии твердения циклической вибрации.