К числу важных факторов, влияющих на прочность и долговечность бетонов и растворов, принадлежит их гомогенность. Этот термин, заимствованный из физической химии, часто применяют в строительном материаловедении при оценке практической однородности цементных систем, которые с точки зрения физико-химии являются, в сущности, гетерогенными.
На гомогенность бетона (раствора) влияют соотношение между вяжущим и заполнителями, форма зерен заполнителей, их удельная поверхность, водоцементное отношение, длительность и характер перемешивания смесей, а также способы и дальность их транспортирования, методы укладки и другие технологические факторы Но важнейшей из них при прочих равных условиях является подвижность бетонной смеси. Стремясь повысить однородность бетона, технологи и строители часто выбирают различные пути, например применяют специальные смесители (турбулентные и др.), иногда идут на удлинение технологического цикла или допускают повышенный расход цемента при изготовлении смесей. Как будет показано ниже, весьма эффективным средством для повышения гомогенности бетонов (растворов) может служить наряду с другими способами использование добавок ПАВ.
Для изучения гомогенности бетонов и растворов с этими добавками потребовалось прежде всего выбрать метод, позволяющий проводить определения достаточно объективно и притом сравнительно быстро. К числу широко применяемых методов определения однородности бетонных смесей относятся, в частности, следующие:
- а) оценка однородности по прочности бетона. После перемешивания бетонкой смеси отбирают пробы для изготовления образцов, которые испытывают через определенные сроки твердения. По разбросу прочности судят об однородности партий бетона;
- б) метод «прокаливания» бетонных смесей. В этом случае на различных этапах технологического процесса производства бетонных работ из бетонной смеси отбирают пробы объемом около 10 л каждая и тщательно взвешивают. Пробы подают на плоский поддон и интенсивно подсушивают при температуре 150° С. После достижения постоянной массы сухую смесь рассеивают на стандартных ситах и полученные остатки взвешивают. Отклонение содержания каждого компонента от заданного (в %) позволяет оценить значение неоднородности бетона;
- в) испытания, основанные на распространении в данном материале механических колебаний звукового и ультразвукового диапазонов частот. Существуют и другие методы для оценки гомогенности смесей и затвердевших бетонов и растворов.
Определенными преимуществами, как это будет видно далее, обладает экспресс-метод определения гомогенности, разработанный и МИСИ им. В. В. Куйбышева Л. П. Меркиным с сотрудниками [170]. Метод основан на изучении распределения «меченого компонента», например песка или цемента, окрашенного специальным светосоставом. Этот метод был применен в наших исследованиях.
Существует общая закономерность в изменении однородности распределения компонентов разной крупности, заключающаяся в том, что при изменении однородности распределения одного из компонентов системы или его фракций в процессе приготовления происходит вполне определенное изменение гомогенности всех других компонентов Системы в соответствии с их гранулометрическими характеристиками [170]. Методика анализа гомогенности с помощью указанного метода достаточно проста и вполне приемлема для производственных условий. Весь процесс определения можно разделить на четыре этапа: окрашивание компонента и введение его в смеситель; отбор проб или подготовка участка поверхности конструкции для замеров; определение количества окрашенного компонента на определенном числе одинаковых площадок; статистическая обработка результатов.
В качестве люминесцирующего компонента был взят светосостав Л-15. Но вообще в данном методе, как показал А. П. Меркин, могут быть использованы и другие светосоставы, применяемые для люминесцентных ламп, а также светящихся красок [170]. Распределение меченого компонента в смеси определяли как визуально, так и при помощи фотоэлектронной установки, разработанной A. П. Меркиным с сотрудниками. Для возбуждения люминесценции использовали лампы, дающие длинноволновую часть ультрафиолетового спектра. Видимая часть спектра источника возбуждения задерживалась увиолевым фильтром. Визуальный метод не требовал специального оборудования, кроме ртутно-кварцевой лампы и увиолевого фильтра.
При определении однородности распределения меченого компонента на фотоэлектронной установке выделяли при помощи диафрагмы 200 равных площадок на образце и подсчитывали число светящихся точек на каждой. Принцип действия фотоэлектронной установки сводится к измерению части светового потока, отражаемого от рассматриваемого участка поверхности. Схема установки проста. Она состоит из фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя типа ФЗУ-19, на выходе которого стоит чувствительный гальванометр или пересчетный прибор типа ПС-10000 (рис. 8). Количество флюоресцирующего компонента на каждой площадке определяли:
- а) по количеству поглощенной энергии ультрафиолетового света, идущей на люминесцентное излучение видимой части спектра. Тогда перед фотоэлементом устанавливают светофильтр, задерживающий видимую часть спектра (увиолевое стекло);
- б) по количеству испускаемой энергии в виде люминесцентного излучения. В этом случае перед фотоэлементом устанавливают фильтр, задерживающий ультрафиолетовую часть спектра.
Из бетонной или растворной смеси в процессе перемешивания, транспортирования, укладки отбирали пробы и равномерным слоем наносили на стеклянную или металлическую пластину, после чего другой пластиной выравнивали поверхность. При определении гомогенности затвердевших материалов исследуемую поверхность образца очищали металлической щеткой и обдували сжатым воздухом, после чего производили измерения. На поверхности материала выделяли 200 одинаковых светящихся площадок, размер которых зависел от предельной крупности заполнителя. На каждой площадке определяли количество окрашенного компонента.
Однородность в данном сечении образца количественно определялась значением стандартного отклонения о. Безусловно, значение стандартного отклонения зависело от размера площадки, уменьшаясь с увеличением последней. При сравнении различных образцов или различных сечений одного образца размеры площадки выдерживали постоянными.
На рис. 9 показано изменение гомогенности бетонной смеси с добавками ПАВ в зависимости от длительности перемешивания в бетономешалке, работающей по принципу свободного падения. Из полученных данных видно, что поверхностно-активные добавки заметно повышают однородность смеси.
По указанному методу Н. Я. Дудак при нашем участии исследовал гомогенность бетонных смесей состава Ц:П:Щ = 1:2,04:3,92 с добавлением ПАВ в условиях строительства Каневской ГЭС. Было установлено, что введение комплексных поверхностно-активных добавок (КГПД или окисленный петролатум + СДБ) повышает гомогенность бетонных смесей на 19—25%. В результате исследований была получена также зависимость предела прочности образцов бетона при сжатии от гомогенности при различной длительности перемешивания смеси.
Э. В. Мадорский, пользуясь методом меченого компонента, определил гомогенность бетонных (растворных) смесей в зависимости от времени перемешивания в высокоскоростных турбулентных смесителях (типа СБ-81), установленных на растворобетонных узлах объединения Мосстройконструкция. Была показана возможность получить одинаковую гомогенность бетонных и растворных смесей с комплексной ГПД по сравнению с обычными смесями (без добавки) при сокращении времени перемешивания в турбулентных смесителях на 15—20% [89]. Этот вывод особенно важен для повышения производительности автоматизированных заводов, выпускающих товарные бетоны и растворы.
Исходя из результатов описанных опытов можно считать, что комплексная ГПД способствует повышению гомогенности бетонных и растворных смесей и среднем примерно на 20%.