Структурно-реологические свойства цементного теста и бетонных смесей

Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее качество бетона и изделия. Поэтому очень важно хорошо знать свойства бетонной смеси, зависимость их от различных факторов, умело управлять процессами приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя пюи этом монолитность и однородность Удобоукладываемость определяется подвижностью (текучестью) бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без разрыьа сплошности

Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость и период релаксации. Для определения этих свойств применяют специальные вискозиметры. Подобные испытания выполняют главным образом в научно-исследовательских лабораториях. В производственных же условиях контролируют чаще всего подвижность (текучесть) смеси, для чего применяют приборы, позволяющие быстро и сравнительно просто получать необходимую характеристику бетонной смеси.

Для полной оценки бетонной смеси и правильной организации производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций необходимо знать и другие свойства смеси: ее у плотняе- мосто, однородность, рпсслаиваемость, изменение объема в процессе затвердевания, воздуха во в лечение, первоначальную прочность (для жестких бетонных смесей при применении немедленной распалубки изделий).

Особенностью бетонной смеси является практически постоянное изменение свойств ее от начала приготовления до затвердевания, что обусловливается сложными физико-химическими процессами, протекающими в бетонной смеси и бетоне. Как уже указывалось, бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему. Вследствие наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое

физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами

Основное влияние на эти свойства оказывают количество и кичество цементного тести, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую повер сность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы. Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказывает расход воды, так как он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие счл сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей системы

В процессе гидратации цемента (до момента затвердевания) появляется все большее количество гелеобразных гидратных соединений новообразований, что способствует увеличению дисперсности твердой фазы и соответственно повышению клеящей и пластифицирующей способности цементного теста и его связующей роли в бетонной смеси. Вместе с тем постепенно уменьшается подвижность смеси.

Цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры. В цементном тесте создается структура за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды Пленки жидкой фазы создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему свойство пластичности и способствуя формоизменению системы (течению) при приложении внешних силовых воздействий Начальная прочность структуры, или структурная вязкость, цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии.

Обычно бетонные смеси содержат достаточное количество цементного теста и воды для создания сплошной среды. Такие смеси ведут себя подобно цементному тесту, обладая первоначальной прочностью структуры, определенными пластичностью и подвижностью.

Поведение структурированных систем при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидкостей. Если вязкость жидкости (истинная ньютоновская) является постоянной и не зависит от значения прикладываемого давления (вязкость жидкости меняется только с изменением температуры), то вязкость структурированных систем изменяется даже при постоянной температуре в несколько раз (часто на 2...3 порядка) в зависимости от значения внешних сил, действующих на систему. Вязкость зависит от значения напряжения сдвига системы или скорости сдвиговых деформаций.

Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, а в результате возрастает способность системы к деформациям (течению), увеличивается се подвижность. При достижении критической скорости сдвига, когда первоначальная структура системы предельно разрушена, вязкость и сопротивление сдвигу достигают минимальных значений и даже малоподвижные смеси приобретают определенную текучесть После окончания действия внешних сил система возвращается в первоначальное состояние, восстанавливается начальная прочность структуры, уменьшается подвижность.

Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства под в влиянием механических воздействий и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. В технологии бетона это свойство широко используют для формования изделий из малоподвижных и жестких смесей путем воздействия на них вибраций, встряхиванием, толчками

Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее внешних сил дает реологическ ш кривая, которую можно разделить на три участка. На первом участке при небольших значениях напряж ений сдвига т сохраняется неразрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризую щаися наибольшей вязкостью. Писле достижения критического напряжения л, соответствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры, юторое продолжается вплоть до полного разрушения при предельном напряжении. На этом втором участке по мере разрушения системы эффективная вязкость бетонной смеси постоянно падает при увеличении напряжений сдвига. После того как система предельно разрушена, бетонная смесь приобретает наименьшую вязкость (так называемую пластическую вязкость i)m—третий участок кривой), которая не зависит от значений действующих напряжений и не изменяется при их увеличении.

Как показали исследования, реологическая модель невибрируемой бетонной смеси может быть описана уравнением Шведова — Бингама

Это уравнение характеризует поведение бетонной смеси при транспортировании по трубкам с помощью бетононасосов и при укладке очень подвижной смеси некоторыми безвибрационными способами.

При вибрировании бетонной смеси ее начальная структура предельно разрушается, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума, в полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения и предельное напряжение сдвига становится очень малым. Так, по данным А. Е. Десова, предельное напряжение сдвига для раствора состава 1:2 равно 102 Па, для более жирных растворов еще меньше. В этих условиях поведение бетонной смеси с определенной степенью приближения можно описать уравнением Ньютона

С повышением содержания в бетонной смеси крупного заполнителя и уменьшением содержания воды или отсутствием сплошной среды из цементного теста сопротивление сдвигу значительно увеличивается. В системе не только повышается вязкое трение, но и возникает внутреннее сухое трение между зернами заполнителя. Для описания поведения таких смесей применяют уравнение Кулона

Рассмотренные выше выражения, описывающие реологические свойства бетонной смеси, основываются па феноменологических представлениях, в которых бетонная смесь принимается за однородную изотропную среду, характеризующуюся интегральными показателями: вязкостью, предельным напряжением сдвига, коэффициентом внутреннего трения и др. Такие представления полезны при рассмотрении ряда технологических вопросов транспорта бетонной смеси, выгрузки смеси из бункеров, формования изделий и т. д. На основе полной реологической кривой и полученных реологических характеристик можно наиболее рационально подобрать технологию изготовления изделий из данной бетонной смеси.

На практике, однако, часто приходится решать задачу о подборе состава бетонной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкций. Для решения подобных задач необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими свойствами. Для опенки последних в производственных условиях применяют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смесь- показатель жесткости, осадку конуса и др. которые характеризуют поведение смеси в определенных условиях и служат для ориентировочной оценки способности смеси к формоизменению и уплотнению при тех или иных условиях воздействия. Преимущество технических методов определения подвижности бетонной смеси — быстрота испытания и сравнительная простота используемых приборов, доступных для любой строительной лаборатории. Однако на основе этих испытаний нельзя получить полной реологической кривой бетонной смеси и соответственно полных данных о ее реологических свойствах.

 

Вопрос 60

Коррозия цементного камня.

Коррозия цементного камня. Если вода или водные растворы солей и кислот фильтруются сквозь цементный камень, то начинается его разрушение Коррозия протекает тем интенсивнее, чем выше капиллярная пористость цементного камня В зависимости от действующих коррозионных агентов различают несколько видов коррозии.

Физическая коррозия (выщелачивание). При взаимодействии с водой силикатов кальция выделяется Са(ОН)2, около 15 % от объема всех продуктов твердения. Растворимость Са(ОН)2 в воде около 2 г/л. Поэтому происходит вымывание Са(ОН)2 и вынос его на поверхность. На бетоне появляются белесые выцветы. Чем больше вымывается Са(ОН)2 из цементного камня, тем более пористым он становится. Это вызывает усиление фильтрации воды и т. д. Чтобы увеличить стойкость цементного камня к выщелачиванию, используют цементы с пониженным содержанием С3S, а также добавляют к цементу активные минеральные (пуццолановые) добавки, связывающие Сa(OH)2 в менее растворимые гидросиликаты кальция nCaO·SiO2·mH2O.

Еще сильнее разрушает цементный камень фильтрующаяся через него минерализованная вода. В этом случае внутри цементного камня происходят различные химические реакции между растворенными в воде солями и продуктами твердения цемента.Особенно опасна сульфатная коррозия, вызываемая водой, содержащей сульфат-ион SО2-4 (в частности, растворы СаSО4). причиной разрушения является образование в цементном камне сложного комплексного соединения: гидросульфоалюмината кальция (эттрингит). Он образуется при взаимодействии гидроалюмината кальция, находящегося в цементном камне с поступающими с водой ионами Са2+ и SО2-4 по следующей схеме:

 

3СаО·А12О3·6Н2О + 3Са2+ + 3SО2--4 + 25Н2О = 3СаО·А12О3·3СаSО4·31Н2О

 

Объем эттрингита в 2,5 раза превышает объем исходного гидроалюмината, что и вызывает разрушение затвердевшего цементного камня. Это эта же реакция образования эттрингита, но проводимая целенаправленно, используется для получения расширяющихся цементов. Основные пути защиты цементных материалов от коррозии следующие: правильный выбор типа цемента и снижение капиллярной пористости цементного камня.

Вопрос 61.