Дворкин Л

УДК 666.97
Дворкин О.Л., канд. техн. наук, доц..
К ВОПРОСУ О КРИТИЧЕСКИХ В/Ц БЕТОННОЙ СМЕСИ
По мере увлажнения смеси цемента и заполнителей вода последовательно
адсорбируется на твердых поверхностях, смачивает их, заполняет капиллярнопористое пространство, раздвигает отдельные зерна и при избытке отделяется в
результате
седиментационных
процессов.
Не
учитывая
незначительное
количество гидратной воды, можно записать уравнение водного баланса
бетонной смеси:
В  ХК н.г Ц  К с.п П  К с.щ Щ  Впогл.  Всв
(1)
где В-водосодержание, определяемое необходимой удобоукладываемостью
(формуемостью) смеси, кг/м3; Ц, П и Щ – расходы соответственно цемента,
песка и щебня (гравия), кг/м3; Кн.г, Кс.п, Кс.щ – нормальная густота (в долях
единицы) и коэффициенты смачивания песка и щебня; Х=(В/Ц) т/Кн.г –
относительный показатель увлажнения цементного теста в бетонной смеси
((В/Ц)т – водоцементное отношение цементного теста); Впогл. – вода,
поглощенная порами заполнителей, кг/м3; Всв. – вода, физико-механически
удерживаемая
в
поровом
пространстве
между
зернами
заполнителей,
покрытыми цементным тестом, кг/м3.
В зависимости от принятого способа формования и степени увлажнения
бетонная смесь может иметь несвязное (рыхло-землистое) или связное
состояние,
цементного
характеризуемое
теста
характеризующие
критерии
различной
связности
соответственно
степенью
пластичности.
Км.в=0,876Кн.г
максимальную
и
Для
Кпр=1,65Кн.г,
влагоемкость
и
водоудерживающую способность, были предложены И.Н. Ахвердовым [1] и
подтверждены многими исследователями. Степень связности бетонных смесей
можно
характеризовать
предельным
напряжением
сдвига
растворной
составляющей (пр.р) и коэффициентом внутреннего трения. Связные бетонные
смеси характеризуются пр.р=(4...8) 102 Н/м2 [2], коэффициент их внутреннего
трения f=tg  ( - угол внутреннего трения) колеблется от 0,87 до 0,25 [3, 4].
Минимально необходимое для формуемых смесей количество воды
ориентировочно равно:
В min  Х m.в К н.г Ц  К с.п П  К с.щ Щ  Впогл.
(2)
где Хm.в – относительное влагосодержание цементного теста, соответствующее
максимальной влагоемкости цемента, при котором он практически не содержит
в ячейках между обводненными частицами капиллярную влагу (Хm.в0,876).
Коэффициенты
смачивания
Кс.п
и
Кс.щ
характеризуют
удельное
количество воды, удерживаемой песком и щебнем в пленочном состоянии на
своей поверхности. Они зависят от величины поверхностной энергии,
крупности и рельефа поверхности зерен заполнителей. Методика определения
Кс.п и Кс.щ была предложена М.Г. Элбакидзе и И.Н. Ахвердовым [5].
При
интенсивном
механическом
воздействии
пленочная
вода,
удерживаемая цементом и заполнителями, может частично отжиматься и
переходить в свободную Всв.
Нами проведены опыты по установлению зависимостей Хm.в, Кс.п и Кс.щ от
величины статического давления, приложенного к образцам-цилиндрам
диаметром и высотой 50 мм из цементного теста, растворных и бетонных
смесей. Для изготовления образцов использовали портландцемент с Кн.г=0,245,
кварцевый песок с Кс.п=0,021 и гранитный щебень с Кс.щ=0,008. Образцы
прессовали при Р=5...50 МПа, промокали фильтровальной бумагой и
определяли остаточное В/Ц. Обработка полученных данных позволила
получить зависимости приведенные на рис.1.
Способность бетонной смеси растекаться под действием гравитационной
силы или вибрации и приобретать определенную подвижность или жесткость
обусловлена содержанием физико-механической воды, относительно слабо
связанной с цементом и заполнителями (мобильной воды – Вmob).
В mob  В св  (Х  Х m.в )К н.г Ц
(3)
Хm.в
0,9
0,876
0,6
0,3
0
10
20
30
40
Р, МПа
а
Кс.п
50
0,21
0,2
0,1
0
10
20
30
40
Р, МПа
б
Кс.щ
50
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0
10
20
в
30
40
50
Р, МПа
Рис. 1. Графики зависимости между Хm.в и Р (а), Кс.п и Р
(б), Кс.щ и Р (в).
Попытка связать количественной зависимостью содержание несвязанной
воды и осадку конуса бетонной смеси сделана в работе [6]. Однако, неучет
перераспределения воды в бетонной смеси при водосодержании цементного
теста больше его предельной водоудерживающей способности не позволил в
предложенной [6] зависимости отразить правило постоянства водопотребности
–
важнейшую
закономерность
бетоноведения,
учитываемую
при
проектировании составов бетона.
Измерение подвижности и жесткости бетонной смеси, равно как и ее
транспортирование,
сопряжены
с
определенными
механическими
воздействиями на бетонную смесь. В этих условиях, как показано в работе [2]
Кпр1,35Кн.г.
При 1,35Х>0,876 и Всв=0, количество Вmob, а соответственно и
удобоукладываемость бетонной смеси зависят как от Кн.г, так и от расхода
цемента. Расчеты по уравнению (3) показывают, что увеличение нормальной
густоты на 1 % должно вызвать увеличение водопотребности в среднем на 2 л.,
расхода цемента на 100 кг – на 10 л., что полностью совпадает с известными
эмпирическими рекомендациями [7]. Предельное значение водосодержания
бетонных смесей при Х=1,35:
В1  1,35К н.г Ц  К с.п П  К с.щ Щ  Впогл .
(4)
Если Х>1,35, то Всв>0 и водосодержание бетонных смесей равно:
В 2  В1  В св .
(5)
При постоянном водосодержании увеличение расхода цемента приводит,
как следует из выражения (1) к уменьшению Всв, в соответствии с уравнением
(3) количество мобильной воды и следовательно, подвижность бетонной смеси
при этом остаются практически постоянными. Этот вывод, полученный
аналитически, согласуется с правилом постоянства водопотребности.
Максимально
возможное
водосодержание
бетонных
смесей
ограничивается их водоудерживающей способностью. Для каждого состава
бетонной смеси возможен лишь определенный объем свободной воды,
удерживаемой без отделения в поровом пространстве (Всв. уд). Для определения
Всв. уд может быть использована эмпирическая зависимость для расчета общего
количества воды, удерживаемой в 1 м3 бетонной смеси [2]:
В св.уд  1,35К н.г Ц  В п П  0,07S уд.щ ,
(6)
где Вп – водопотребность песка; Sуд.щ – удельная поверхность щебня, м2/м3.
Водопотребность песка рекомендуется определять по известной методике
[7] при (В/Ц)т=1,35Кн.г и вычислять по формуле:
Вп 
(В / Ц) р  1,35К н.г
n
,
(7)
где (В/Ц)р – водоцементное отношение цементно-песчаного раствора; n –
количество частей песка в растворе по отношению к цементу.
При совместном решении уравнений (1) и (6) при Х=1,35 найдем:
В св.уд  (В п  К с.п )П  0,007S уд.щ  К с.щ Щ  В погл .
(8)
Общее водосодержание бетонных смесей без заметного водоотделения
равно:
В3  В1  В св.уд .
(9)
Как следует из уравнения (9) существенного увеличения количества
удерживаемой свободной воды можно достичь увеличением водопотребности и
расхода песка, что широко используется на практике.
Анализ водораспределения в бетонных смесях по мере их увлажнения
позволяет найти характерные или критические значения В/Ц.
I
При (В / Ц) кр
 В min / Ц (рис. 2) представляется возможным достигать
максимально возможную прочность и экстремальные значения других
однозначно связанных с прочностью свойств бетона. Этому способствует
I
практическое отсутствие в бетоне при В / Ц  (В / Ц) кр
капиллярной влаги и
образуемых ею пор. Для тяжелых цементных бетонов, если К н.г=0,24…0,28;
I
 0,25...0,35 .
Кс.п=0,015…0,025; Кс.щ=0,007…0,01 и Хm.в=0,876, то (В / Ц) кр
Значения
I
(В / Ц) кр
как следует из выражения (2) смещаются в
зависимости от объемного соотношения цементного теста и заполнителей,
химико-минералогического и вещественного составов цемента, определяющих
его нормальную густоту и водоудерживающую способность, а также факторов,
влияющих на количество воды, смачивающей заполнители и поглощаемой ими.
Rб,
МПа
100
90
I
(В / Ц) кр
 0,26...0,36
80
70
II
(В / Ц) кр
 0,37...0,47
60
50
40
30
III
(В / Ц) кр
 0,88
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
В/Ц
Рис.2. Зоны критических В/Ц на кривой Rб=f (В/Ц) – Ц = 200…500
кг/м3; П = 600…800 кг/м3; Щ = 1250 кг/м3; Кн.г = 0,24; Кс.п = 0,025;
Кс.щ = 0,008; Вп = 0,14…0,16; Sуд.щ = 362 м2/м3:
- Ц = 500 кг/м3, П = 600 кг/м3;
- Ц = 200 кг/м3, П = 800 кг/м3;
Минимальные значения
I
(В / Ц) кр
бетона при высокоинтенсивных
способах уплотнения (прессовании, вибропрессовании и др.), когда Х m.в
уменьшается почти в два раза, а Кс.п и Кс.щ приближаются к адсорбционной
влажности, могут достигать 0,15…0,20. При значениях В/Ц бетонных смесей
I
меньше (В / Ц) кр
наблюдается снижение прочности (рис.2), обусловленное
невозможностью достижения высокой плотности при данном способе
уплотнения и нехваткой воды для достаточно полной гидратации цемента.
Капиллярную пористость бетона рассчитывают [8] по формуле:
П кап  В / Ц  b
(10)
где b – коэффициент, зависящий от минералогического состава цемента и
условий его твердения;  - степень гидратации цемента.
Принимая в соответствии с известными рекомендациями [8] b=0,42;
=0,6…0,8 получим, что расчетные В/Ц бетона, обеспечивающие нулевую
I
капиллярную пористость, находятся в указанных выше пределах (В / Ц) кр
.
II
Водоцементное отношение (В / Ц) кр
 В1 / Ц , ограничивается предельным
значением Хm.в=1,35. В пределах области
I
II
(В/Ц) кр
- (В/Ц) кр
(рис.2) не
выполняется правило постоянства водопотребности и на водопотребность
бетонных смесей влияет расход цемента. Известный [9] вывод о том, что
верхний предел правила постоянства водопотребности равен 1,68 Кн.г является
приблизительным и не учитывает возможных колебаний содержания воды,
расходуемой
на
смачивание
и
поглощения
воды
заполнителями.
Действительно:
II
(В / Ц) кр
 1,35 К н.г 
К с.п П  К с.щ Щ
Ориентировочно
Ц
можно

В погл
.
Ц
считать,
(11)
что
II
(В / Ц) кр
 1,6...1,8 К н.г
или
II
(В / Ц) кр
 0,4...0,5 .
Для бетонных смесей с наиболее часто встречаемым диапазоном по
II
водосодержанию (В / Ц) кр
соответствует расходам цемента 350…400 кг/м3, что
согласуется с принятыми [7] рекомендациями.
Водоцементное
отношение
III
(В / Ц) кр
 В3 / Ц
является
максимально
возможным В/Ц, выше которого наступает заметное водоотделения в бетонной
смеси. В диапазоне
II
III
(В / Ц) кр
 (В / Ц) кр
(рис.2) для бетонных смесей
справедливо правило постоянства водопотребности, подвижность (жесткость)
бетонной смеси практически определяется лишь водосодержанием и не зависит
от расхода цемента.
При значениях
свойства
III
В / Ц  (В / Ц) кр
бетонные смеси расслаиваются, а
бетона становятся неопределенными
и
не прогнозируемыми
зависимостями типа P=f (В/Ц), где P – показатель свойства.
Таким образом, анализ водного баланса бетонных смесей с различной
степенью увлажнения позволяет объяснить ряд известных эмпирических
закономерностей, предложить систему новых количественных зависимостей.
Список использованной литературы
1. Ахвердов И.Н. Высокопрочный бетон. М.: Стройиздат, 1961.
2. Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного
цементного бетона. Х-в, Изд-во ХГУ, 1965.
3. Лермит Р. Проблемы технологии бетона. М.: Госстойиздат, 1959.
4. Савинов О.А., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и
формования бетонных смесей. Л.: Стройиздат, 1986.
5. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М.: Стройиздат, 1981.
6. Запорожец И.Д., Окороков С.Д., Парийский А.А. Тепловыделение бетона. Л.М.: Стройиздат, 1966.
7. Руководство по подбору составов тяжелого бетона. М.: Стройиздат, 1979.
8. Шейкин А.В., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства
цементных бетонов. М.: Стройиздат, 1979.
9. Сорокер В.И., Довжик В.Г. Жесткие бетонные смеси в производстве
сборного железобетона. М.: Стройиздат, 1964.