РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ ГИПЕРПРЕССОВАНИЕМ
Цель уплотнения цементобетонной смеси - создание высококачественной структуры, позволяющей обеспечить прочность и долговечность получаемых изделий. Качество формируемой при уплотнении структуры материала в значительной мере зависит от способа и режимов самого процесса уплотнения, повышение эффективности которого, в свою очередь возможно при рациональном подборе зернового состава компонентов.
В разделе 1 показано, что на качество изделий, получаемых методом прессования, в наибольшей степени влияют:
- исходная влажность смеси;
- гранулометрия и максимальная крупность заполнителей;
- продолжительность прикладываемой нагрузки;
- величина прессующего давления;
- химические и минеральные добавки.
Необходимо рассмотреть влияние этих факторов на уплотнение бетонных смесей применительно к гиперпрессованию.
Добиться удовлетворительной плотности бетонной смеси с высокой пустотностью зернового состава невозможно даже самыми интенсивными методами. Заполнение же межзерновых пустот цементным тестом, а чаще это происходит при повышенном расходе воды (избыточном В/Ц), также неэффективно, поскольку не позволяет существенно повысить прочность бетона. Существующие подходы к подбору составов бетонных смесей не позволяют эффективно использовать наиболее дорогую составляющую - цемент. В результате около 60% цемента играет роль микронаполнителя, а остальные 40% - роль связующего, поскольку при расчете состава бетонной смеси не уделяется должного внимания рациональному подбору зернового состава заполнителей, в частности, снижению его пустотности [50]. Применение наполнителей оптимальной крупности уменьшает расход цемента до 25% для тяжелых и до 40% для легких бетонов без снижения их физико-механических
свойств [94].
Рассмотрим более подробно процессы прессования и гиперпрессования бетонной смеси.
Прессование - это формование изделий путем приложения давления к сырьевой смеси, находящейся в полости формующего инструмента. Статическое прессование осуществляется в закрытых пресс-формах и характеризуется перемещением частиц материала главным образом в направлении приложения давления. При этом процессе не происходит поперечного макроперемещения частиц в форме. Необратимое изменение объема сжимаемого материала при прессовании возможно только при получении деформации, превышающей упругую. Остаточная деформация возникает в материале при определенной величине приложенной к нему нагрузки, которую принято называть предельной. В течение всего времени (цикла) прессования в любой фиксированный момент времени увеличение нагрузки вызывает прирост пластической деформации и изменение плотности материала. Кинетика процесса уплотнения материала при прессовании определяется условиями пластической деформации сжимаемого пористого тела, механические свойства которого зависят от физико-механических и технологических свойств сырьевой смеси [95].
Бетонная смесь является трехфазной системой. Она состоит из твердой, жидкой и газообразной фаз. Процесс уплотнения трехфазной системы применительно к грунту рассмотрен А.К.Бируля и последователями его школы [96, 97, 98]. Твердая фаза состоит из цемента и заполнителя. Уменьшение их объема при уплотнении невозможно. Газообразная фаза представлена вовлеченным воздухом, а жидкая - водой затворения. Газообразная под давлением уменьшается в объеме и вытесняется. Она может также растворяться в жидкой, количество которой зависит от величины давления.
В работах А.М.Холодова [98] и А.Г.Вандоловского, [31, 32] процесс прессования рассматривается как двухстадийный. На рис. 2.1 представлена зависимость деформации уплотняемой бетонной смеси от времени действия прессующего давления. Первая стадия характеризуется быстропротекающими деформациями (tб) за счет удаления газообразной фазы и превращения трехфазной структуры в двухфазную, вторая медленнопротекающими деформациями (tм), обусловленными скоростью соприкосновения частиц твердой фазы.
Рис. 2.1. Деформация трехфазной полидисперсной смеси во времени (Р=const)
Длительность процесса уплотнения ty слагается из двух процессов:
tу = tб + tм (2.1)
В разработанном ранее процессе [31, 32] применено низкое давление (< 0,2 МПа), поэтому следует предположить, что при больших давлениях процесс уплотнения должен происходить с вовлечением сил сопротивления деформациям адсорбционного слоя жидкой фазы. Величина tм характеризует скорость соприкосновения частиц твердой фазы.
Процесс уплотнения бетонной смеси может быть представлен в виде физической модели (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Процесс уплотнения бетонной смеси
а)
б) при этом і
в) при этом і
До начала процесса уплотнения (рис. 2.2 а) бетонная смесь представляет собой трехфазную систему. Увеличение давления позволяет практически полностью удалить газообразную фазу (рис. 2.2 б). Уплотнение двухфазной системы (после удаления газообразной фазы) происходит за счет дальнейшего сближения частиц твердой фазы (рис. 2.2 в).
В процессе уплотнения цементобетонная смесь структурируется, приобретая свойства коагуляционной структуры. В коагуляционной структуре частицы твердой фазы - минералов - разделены пленками жидкой фазы. Толщина пленок изменяется в процессе уплотнения, так как жидкая фаза подвержена воздействию межмолекулярных сил со стороны минеральной части. Эти силы изменяют структуру и свойства жидкости, в тонкой пленке у жидкости появляется сопротивление сдвигу, сильнее проявляются вязкие свойства. Связи между минеральными частицами осуществляются по пленкам жидкой фазы.
Вследствие того, что жидкая фаза обладает большей подвижностью, чем твердая, она оказывает решающее влияние на уплотняемость и прочность материалов с коагуляционным