Важными технологическими свойствами бетонных смесей, особенно литых, являются водоотделение и расслаиваемость.
Водоотделение — результат седиментационного уплотнения и осаждения твердых частиц бетонной смеси, обусловленного их различной плотностью. Предотвращения водоотделения достигают регулированием состава бетона и гранулометрии заполнителей, введением микронаполнителя [57]. Водоотделение прямо связано с водоудерживающей способностью цементного теста и бетонной смеси. Известно [1], что максимальное значение В/Ц, характеризующее водоудерживающую способность цементного теста в его статическом состоянии, определяется выражением В/Ц = 1,65 Кн.г.
При вибрировании предел водоудерживающей способности цементного теста снижается и составляет [21]
В бетонной смеси в соответствии с развиваемыми представлениями структурно-технологической теории [4, 7, 18, 24] вода распределяется между цементным тестом и заполнителями:
В опытах с литыми пластифицированными смесями [2] показано, что водоотделение линейно зависит от значения В/Ц. Введение добавок СГ1, снижая общее В/Ц, соответственно снижает и водоотделение. Вместе с тем практический опыт показывает [25, 32], что существует опасность водоотделення и расслоения при использовании литых смесей как без добавок, так и с добавками СП, хотя в последнем случае В/Ц и немного ниже. Важное значение имеет при этом состав бетонной смеси. Так, при расходе цемента менее 400 кг/м3 эффективно применять водоудерживающую добавку [32], например бентонитовую глину, в количестве 0,5...2% массы воды затворения. Расслоение литых бетонных смесей снижается также при прерывистой гранулометрии песка или оптимальной непрерывной гранулометрии [32]. В непластифицированных и пластифицированных литых смесях (хотя в последних и в меньшей мере) долю песка в смеси заполнителей выбирают более высокой, чем в обычных бетонах, и уменьшают с увеличением содержания цемента [57].
Расслаиваемость литых пластифицированных смесей и свойства затвердевших бетонов существенно зависят от воздухововлечения. СП способствуют вовлечению некоторого количества воздуха, однако низкая вязкость литых смесей вызывает значительные потери вовлеченного воздуха в процессе транспортирования и укладки [47]. Достичь необходимого воздухосодержания в литых бетонных смесях можно при введении ПФМ, содержащих наряду с СП воздухововлекающую добавку. Как показано в [47], воздухосодержание в бетонных смесях с добавками ПФМ снижается в основном за счет крупных (более 500 мкм) пузырьков вовлеченного воздуха.
Особенностью литых смесей является возможность внутреннего и внешнего расслоения. Если первое обусловлено действием силы тяжести, то второе возникает в результате недостаточного сцепления щебня и растворной составляющей, что может быть обусловлено чрезмерно высокой вязкостью последней или повышенным содержанием щебня.
Из [8, 38] известно, что при равной удобоукладываемости литые пластифицированные бетонные смеси имеют меньшее водоотделение, т. е. большую седиментационную устойчивость и связность. В [38] рассмотрено влияние на водоотделение бетонных смесей с С-3 расхода цемента, доли песка в смеси заполнителей и количества микронаполнителя в песке (фракции менее 0,63 мм). Удобоукладываемость бетонных смесей изменялась в пределах 5...25 с (ОК=14...20 мм). Полученные выводы соответствуют общим принципам проектирования составов нерасслаивающихся бетонных смесей [4, 57].
Для литых бетонных смесей условие нерасслаиваемости можно записать в виде
где τпред — предельное напряжение сдвига раствора, кПа; D — усредненный диаметр зерна щебня, см; ρср.кр и ρср.р — средняя плотность щебня и раствора; φ — коэффициент формы зерна щебня.
В соответствии с этой формулой в статическом состоянии при крупности зерен гранитного щебня 40 мм расслаивания не произойдет, если τпред≥60 Па, а при предельной крупности щебня 20 мм τпред≥30 Па. При обычных условиях транспортирования и уплотнения смесь не расслаивается, если сопротивление сдвига раствора, определенное методом конического пластометра, τпред≥400...800 Па, т. е. в 8...10 раз больше расчетного [21].
В [32] предложена формула (3.14) в скорректированном виде:
где α — коэффициент, учитывающий условия транспортирования и способа подачи бетонной смеси (ориентировочно α=7...15).
С целью определения влияния добавок ПФМ и состава растворной составляющей на предельное напряжение сдвигу опыты проводили с помощью конического пластометра [21]. Рабочим органом пластометра служил балансирный конус, уравновешенный через блок противовесом. Конус нагружался водой с постоянной скоростью истечения. Предельное напряжение сдвига вычисляли по формуле
Исследовано изменение предельного напряжения сдвига для растворов состава 1:1,5 (одна часть среднеалюминатного чистоклинкерного портландцемента, полторы части среднего кварцевого песка с водопотребностью 7,5%) при В/Ц — 0,45 с введением различных ПФМ (табл. 12).
Предельное напряжение сдвига определяли через 10 мин с момента затворения смеси.
Введение С-3 вызывает (табл. 12) снижение предельного напряжения сдвига раствора в четыре раза. Введение в композиции с С-3 модифицирующих компонентов, замедляющих схватывание, существенно не изменяет значение τпред. Имеется некоторая тенденция к снижению ТцреД при введении СДБ и, наоборот, к повышению τпред при дополнительном введении наряду с СП электролитов-замедлителей и кубовых остатков синтетических жирных кислот.
На отдельной серии опытов без введения добавок, с добавкой С-3, СДБ и ряда ПФМ определено влияние отощения раствора на значение τпред. Как видно из рис. 22, 23, увеличение содержания в растворе песка существенно повышает предельное напряжение сдвига. При этом но мере уменьшения крупности песка влияние степени отощения раствора на τпред возрастает, что позволяет во всех случаях регулирование содержания песка в литых бетонных смесях с СП и ПФМ считать эффективным средством предотвращения расслоения. Здесь, очевидно, необходимо учитывать водопотребность песка Вп. По формуле И. М. Грушко [21] количество воды, удерживаемое в 1 м3 бетонной смеси,
где Ц и П — содержание цемента и песка, кг/м3; Кн.г — нормальная густота в долях единицы; Sуд — удельная поверхность щебня, м2/м3.
Слагаемые в (3.17) характеризуют соответственно водоудерживающую способность цемента, песка и щебня. Водоудерживающая способность цемента взята меньше установленной в статическом состоянии (1,65 Кн.г) с учетом дополнительного водоотделения при транспортировании и уплотнении бетонной смеси. Примерно такое же значение водоудерживающей способности цемента (1,3 Кн.г) с добавкой 0,2% ССБ и бентонита получено в [32].
В случае определения водопотребности песка при соотношении Ц:П=1:2 [2] удается получить лишь некоторые усредненные значения этого показателя, который зависит от состава раствора [21].
При расчетной оценке водоудерживающей способности водопотребность песка предложено вычислять по формуле [21]
где X — количество песка в растворе в частях; Ку — коэффициент, зависящий от подвижности раствора.
Если подвижность растворной смеси равна подвижности цементного теста нормальной густоты, то Ку=1; при подвижности раствора, соответствующей τпред= (4—8)·102 Па, Ку=1,35.
Из (3.17) следует, что с уменьшением нормальной густоты цемента при неизменном составе снижается и водоудерживающая способность бетонной смеси. Если при одинаковой удобоукладываемости водоотделение бетонных смесей с пластифицирующими добавками, снижающими нормальную густоту, меньше, чем без добавок, то при одинаковых водосодержании и ВЩ должна иметь место обратная картина. В табл. 13 приведены подтверждающие этот вывод зависимости для водоотделения бетонной смеси, установленного с использованием четыреххлористого углерода но методике [38]. Ранее эта методика апробирована в НИИЖБ [38]. Сущность ее заключается в выдавливании с помощью четыреххлористого углерода, имеющего высокую плотность и не взаимодействующего с продуктами гидратации цемента, воды, отделившейся на поверхности смеси. Достоинством метода является высокая точность измерений.
В бетонной смеси водоотделение должно наступить в том случае, когда ее водосодержание превышает суммарную водоудерживающую способность цементного теста и заполнителей
где Вотд — количество отделившейся воды; Вп' и Вщ' — водопотребность песка и щебня при (В/Ц)и=1,3 Кн.г.
Так как Вп и Вщ — водопотребность песка и щебня при В/Ц=Кн.г [4], то из обоснованного ранее условия пропорциональности (3.2) в (3.19) будем иметь
Очевидно, Вотд=0, если водосодержание бетонной смеси не будет превышать ее водоудерживающую способность
В (3.21) учтено влияние основных технологических факторов на водоудерживающую способность бетонных смесей, за исключением вовлеченного воздуха. Из (3.21) .можно найти соотношение песка и щебня, при котором не должно быть водоотделения:
Условие (3.22) должно служить ограничением при проверке оптимальности доли песка в смеси заполнителей r для бетонных смесей при опасности водоотделения. Переход от r' к r производят по формуле
Корректирование r по (3.23) в этом случае выполняют в два этапа: сначала при расходе щебня (гравия) из условия максимальной подвижности, а затем при уточненном расходе щебня на 1 м3 при заданном содержании цементного теста.
Условие (3.22) можно найти и прямо из (3.6), предположив, что (В/Ц)и=1,3 Кн.г.
Экспериментальная проверка формулы выполнена применительно к литым и малоподвижным бетонным смесям. Первоначально подобрали составы бетонов без учета водоотделения (табл. 13). Долю песка в смеси заполнителей выбирали из условия максимальной подвижности и затем корректировали при необходимости в соответствии с условиями (3.22), (3.23). Испытание бетонных смесей по ГОСТ 4799—69 показало, что для некоторых литых смесей при первоначально выбранном r имело место недопустимое водоотделение. Корректирование r позволило устранить водоотделение. Экспериментально найденное минимальное r, при котором прекратилось водоотделение, совпало с расчетным.
Для малоподвижных бетонных смесей, а также литых на песке повышенной водопотребностн доля песка из условия предотвращения расслоения совпала с r или оказалась ниже при условии максимальной подвижности.
Известные расчетные зависимости для определения оптимальной доли песка в смеси заполнителей rопт [4, 21, 57] из условия максимальной подвижности (минимальной жесткости) имеют эмпирический характер и не учитывают влияние В/Ц и ряда особенностей исходных материалов. Чтобы получить теоретически обусловленную формулу для нахождения rопт, следует установить связь удобоукладываемости с параметрами структуры бетонной смеси. Можно считать доказанной взаимосвязь удобоукладываемости бетонной смеси с толщиной слоя цементного теста на зернах заполнителя δ [4, 65]. При учете влияния консистенции цементного теста структурным критерием удобоукладываемости бетонной смеси может служить выражение 123]
где vц.т — объем цементного теста с учетом вовлеченного воздуха, м3/м3; Ра — пустотность по отношению к абсолютному объему зерен заполнителя; v3 — абсолютный объем заполнителя, м3/м3; u — удельная поверхность зерен заполнителя, м2/м3; lηm — критерий структурной вязкости цементного теста.
Исследования [23] показали, что выражение lηm хорошо аппроксимируется формулой
где m≈2,1 — коэффициент пропорциональности; S=В/Ц — 1,68Кн.г — показатель консистенции цементного теста.
При расчете Lж удельную поверхность u и пустотность Ра смеси заполнителей можно найти по формулам [4, 23]
где μ — отношение пустотностей заполнителя в бетонной и сухой смесях.
Раскрыв в (3.24) значения u и Ра, в соответствии с (3.26), (3.27) после дифференцирования можно записать
Кроме объема цементного теста (включая вовлеченный воздух), удельной поверхности песка и щебня, пустотности щебня, а также факторов, сказывающихся на коэффицненте μ, формула (3.28) через параметр lηm позволяет учесть влияние В/Ц бетонной смеси и НГ цементного теста.
Зная оптимальную долю песка, легко вычислить коэффициент заполнения пустот и раздвижки зерен щебня растворной составляющей:
Для практических расчетов состава бетона при возможности вычисления rопт значение Кизб является необязательным. В табл. 14 приведены экспериментальные r расчетные значения rопт и Кизб при определенном расходе цемента и различных В/Ц. Эти данные свидетельствуют об удовлетворительной точности полученных расчетных формул.
Для практических расчетов удобно использовать данные табл. 15 с учетом поправок на особенности используемых материалов.
Полученные зависимости позволяют рассчитывать базовые составы бетона, приближающиеся к оптимальным, не заменяя, но вместе с тем облегчая экспериментальное корректирование.
Удельную поверхность песка uп и щебня uщ определяют известными экспериментальными или расчетными методами [4].
Пустотность заполнителей по абсолютному объему Ра связана с их пустотностью по отношению к общему объему зависимостью [4]
где ρз и ρо.з — соответственно истинная и средняя плотность.
Аналогично рассчитывают и пустотность щебня Ра.щ.
Коэффициент μ характеризует отношение пустотностей заполнителей в бетонной и сухой смесях и колеблется в интервале 0,7...0,9 в зависимости от формы частиц, характера их поверхности и др.
Минимальная пустотность заполнителей в бетонной смеси Ра.б меньше, чем в сухой рыхлонасыпанной смеси, и составляет
где ρоз.б — средняя плотность заполнителей в бетонной смеси, равная разности средней плотности бетонной смеси и массы минимально необходимого цементного теста, т. е. vц.т minρоц.т, что позволяет получить связную бетонную смесь с нулевой осадкой конуса:
