Физико – химические основы процесса бетона

 Чтобы установить, каким  образом деформируется упруго-взякий  материал, в реологи применяют  так называемые структурные механические  модели. Структурные модели позволяют имитировать  внутреннюю структуру материала и состоят из комбинаций двух элементов, имитирующих два основных свойства любого твердого тела – упругость и вязкость.  Благодаря  этому можно получить необходимую информацию об изменениях внутренней структуры, упруго – взякого тела  под нагрузкой – коэффициенты внутреннего трения, сцепления и вязкости.

     Что  касается бетонной смеси, то  реологам удалось выяснить несколько  интересных моментов, которые, так  или иначе, вляют на удобоукладываемость. Во – первых, поведение бетонной смеси во многом зависит от внутреннего трения, работаы разрушения при сдвиге и сцепления. Во-втроых, реологи установили, что цемента и заполнители, из которых и состоит бетонная смесь, обычно находятся на границе упруго-взяких и пластичный фаз. Следовательно, разнообразные  соотношения цементного теста и заполнителя могут существенно сказываеться на характеристиках разлечных бетонных смесей.

Реологические исследования помогли ответить на многие важные вопросы, касающиеся бетонной смеси. Тка, например, выяснилось, что внутреннее трение бетонной смеси можно определить, исходя из коффициента внутреннего трения. Поичем вязкость смеси прямо пропроциональна коффициенту внутреннего трения и напрямую зависит  от подержания воды.

В отличие  от цементных частиц, щебень ( гразий) и песок не образуют связанных систем при взаимодействии с водой, а поэтому они непосредственно не влияют на проявление тиксотропных  свойств ( тиксотропия- способность субстанции уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость ( сгущаться ) в состоянии покоя) цементного геля при механических воздействиях на бетонную смесь.

   В процессе  вибраации в бетонной смеси  возможноы два процесса :  тиксотропное  разжижение цементного геля  иизменение  пространственной  упоковку зерен заполнителя. Первый процесс облегчается проявлением второго, так как зрена щебня ( гравия) и песка, находящиеся в упругопластично - вязкой среде, не могут изменять свое пространственное взаиморасположение, пока эта среда не приобретает переход гелия в золь.

При вибрировании бетонной смеси процессы, происходящие в цементном геле и среде зерен  заполнителя, следует рассматривать  раздельно, поскольку динамические параметры источника колебаний различно влияют на обе системы .Такая точка зрения не является общепризнанной: одни считают бетонную смесь сплошной неприрывной средой, другие- материалом, состоящим из отдельных(дискретных) частиц.

В бетонной смеси  зерна заполнителей занимают большую  часть ее обьема и долевое содержание цементного геля составляет от 20-30%7 Тем не менее упругопластично- вязкая составляющая кардинально влияет на изменение реологических свойств бетонной смеси при механических воздействиях.

Щебень (гребний ) и песок относятся к сыпучим материалам, и для компактной упаковки их зерен вполне достаточно интенсивное встряхивание при амплитуде, способной вызвать перемещение зерен. И чем больше масс зерен, тем значительнее должна быть амплитуда колебаний, сообщаемая вибратором. При любой композиции фракционного состава смеси щебня(гравия ) и песка надлежащая плотная упаковка зерен может быть достигнута при частотных вибрирования до 40 Гц и соответствующих им амплитудах.

В вязкопластичной  бетонной смеси зерна заполнителя  находятся во взвешенном состояний и перемещению их препятствует структурная связность цементного геля. Для того чтобы зерна заполнителя получили  возможность более компактно взаиморасположиться в пространстве , необходимо нарушить или вовсе разрушить структурные связи в цементном геле.

При вибрировании бетонной смеси колебательная энергия  расходуется на:

1) Пространственную перегруппировку (более компактную упаковку) зерен заполнителя и придание бетонной смеси заданной формы;

2)  Нарушение или полное разрушение структурных связей цементного геля и понижение вязкости;

3) Коагуляционное уплотнение цементного геля, сопровождающееся сжатием (контракцией) объемабетонной смеси под влиянием собственной массы и внутренних сил взаймодействия сольватированных цементных частиц.

Дисперсность твердой фазы возрастает не только вследствие дезагрегации флокул, но и в результате более активной диссоциации ионов минералов цемента под влиянием вибрационного воздействия, о чем можно судить по количеству выделившегося гидрата окиси кальция.

В одинаковые промежутки времени при вибрировании Са(ОН)₂ выделяется более интенсивно, чем без него; этот процесс замедляется с увеличением продолжительности виброобработки более 30 мин.Количество выделяющегося Са(ОН)₂ существенно возрастает с частотой вибрирования.

Гидратация  цемента при  вибрировании раствора протекает с такой же интенсивностью, как и в цементном геле, однако абсолютное количество Са(ОН)₂ в растворе меньше, чем в цементном геле. Такая закономерность в приросте Са(ОН)₂ находится в определенной зависимости от количества цемента в навеске.Между приростом Са(ОН)₂ и количеством цемента растворе существует прямая пропорциональная зависимость.

Относительное затухание интенсивности выделения  Са(ОН)₂ с увеличением продолжительности вибрирования сверх оптимальной можно объяснить тем, что в пределах этого времени в основном завершается дегазизация флокул цемента.Интенсивность гидроатизации цемента, подвергшегося вибрированному воздействию, постепенно замедляется и достигается на 7 сут практически такой величины, как и без предварительной вибрационной обработки.При этом чем меньше воды в цементном теле, меньше В\Ц, большое количество цемента тем значительнее прирост Са(ОН)₂.

Вибрация способствует увеличению дисперсности твердой фазы в 1,5-2 раза, в то время как при введение ПАВ она возрастает лишь до 30% ,т.е. пептизирующее действие ПАВ проявляется значительно слабее, чем при вибрировании цементного геля.

Величина сцепления  бетона с опалубкой достигает  нескольких кгс/см².Это затрудняет работы по распалубке, ухудшает качество бетонных поверхностей и приводит к преждевременному износу опалубочных щитов.На сцепление бетона сопалубкой оказывают влияние адгезия и когезия бетона, его усадка, щероховатость и пористость формующей поверхности опалубки.Под адгезией (прилипанием) понимают обусловленную молекулярными силами связь между поверхностями двух разнородных или жидких соприкасающихся тел. В период контакта бетона с опалубкой создаются благоприятные условия для проявления адгезии.Клеящее вещество(адгезив), которым в данном случае является бетон, в период укладки находиться в пластичном состоянии.Кроме этого, в процессе виброуплотнения бетона пластичность его еще более увеличивается, вследствие чего бетон сближается с поверхностью опалубки и сплошность контакта между ними увеличивается.

Бетон прилипает  к деревянным и стальным поверхностям опалубки сильнее, чем к пластмассовым, из-за слабой смачиваемости последних. Значение Кс для разных видов опалубки равны: мелкощитовой-0,15 деревянной-0,35, стальной-0,40, крупнопанельной(панель из мелких щитов)-0,25, крупнощитовой-0,30, объемно-переставной-0,45, для блок-форм-0,55. Дерево, фанера, сталь без обработки и стеклопластики хорошо смачивается и сцепление бетона с ними достатточно большое, со слабо смачиваемыми (гидрофобными) гетинаксом и текстолитом бетон сцепляется незначительно.

Краеврой угол смачивания шлифованной стали больше, чем у необработанной. Однако сцепление  бтона с шлифованной сталью снижается  незначительно. Объясняется это  тем, что на границе бетона и хорошо обработанных поверхностей сплошность контакта более высокая. При нанесении на поверхность пленки масла она гидрофобизуется, что резко уменьшает адгезию. Шероховатость поверхности опалубки увеличивает ее сцепление с бетоном. Это происходит потому, что шероховатая поверзность имеет большую фактическую площадь контакта по сравнению с гладкой. Высокопористый материал опалубки тоже увеличивает сцепление, так как цементный раствор, проникая поры, при виброуплотнении образует точки надежного соединения. При снятии опалубки может быть три варианта отрыва. При первом варианте адгезия очень мала, а когезия достаточно велика.

В этом случае опалубка отрывается точно по плоскости контакта. Второй вариант-адгезия больше, чем  когезия. При этом опалубкаотрывается поклеящему материалу(бетону). Третий вариант-адгезия и когезия по своим величинам примерно одинаковы. Опалубка отрывается частично по плоскости контакта бетона с опалубкой, частично по самому бетону (смешанный или клмбинированный отрыв). При адгезионном отрыве опалубка снимается легко,поверхность ее остается чистой, а поверхность бетона имеет хорошо хорношее качество.  Вследствие этого необходимо стремиться к обеспечению адгезионного отрыва. Для этого формующие поверхности опалубки выполняют их гладких плохо смачиваемых материалов или наносят на них смахки и специальные адгезионные покрытия.

Смазки для  опалубки в зависимости от их состава, принципа действия и эксплутационных  свойств можно разделить на четыре группы: водные суспензии; гидрофобизирующие  смазки; смазки-замедлители схватывания бетона; комбинированые смазки. Водные суспензии порошкообразных веществ, инертных по отношению к бетону, являются простым и дешевым, но не всегда эффективным средством для устранения прилипания бетона к опалубке. Принцип действия основан на том, что в результате испарения воды из суспензий до бетонирования на формующей поверхности опалубки образуется тонкая защитная пленка, препятствующая прилипанию бетона.

Чаще других для смазки опалубки применяют известково-гипсовую суспензию, которую готовят из полуводного гипса(0,6-0,9 вес. ч.), известового теста (0,4-0,6 вес. ч.), сульфитно-спиртовой барды (0,8-1,2 вес. ч.), и воды (4-6 вес.ч.). Суспензионные смазки стираются бетонной смесью при виброуплотнении и загрязняют бетонные поверхности, вследствие чего их применяют редко.

Наиболее распространены гидрофобизирующие смазки на основе минеральных масел, эмульсола ЭКС  или солей жирных кислот (мыл). После  их нанесения на поверхность опалубки образуется гидрофобная пленка из ряда ориентированных молекул, которая ухудшает сцепление материала опалубки с бетоном. Недостатки таких смазок-загрязнение поверхности бетона, высокая стоимость и пожароопасность. В третьей группе смазок используются свойства бетона схватываться замедленно в тонких пристыковых слоях. Для замедления схватывания в состав смазок  вводят мелассу, танин и др. Недостаток таких смазок-сложность регулирования толщины слоя бетона.

Наиболее эффективны комбинированные смазки, в которых  используются свойства формующих поверхностей в сочетании с замедлением схватывания бетона тонких пристыковых слоях.     Такие смазки готовят в виде так называемых обратных эмульсий. В некоторые из них помимо гидрофобизаторов и замедлителей схватывания вводят пластифицирующие добавки сульфитно- дрожжевую барду (СДБ), мылонафт или добавку ЦНИПС. Эти вещества при виброуплотнении пластифицируют бетон в пристыковых слоях и снижаэт его поверхностную пористость. Смазки ЗСО-ГИСИ готовят в ультразвуковых гидродинамических смесителях, в которых механическое перемешивание компонентов сочетается с ультразвуков. Для этого в бак смесителя заливают компоненты и включают мешалку.

Установка для  ультразвукового перемешивания  состоит из циркуляционного насоса, всасывающего и напорного трубопроводов, распределительной коробки и  трех ультразвуковых гидродинамических  вибраторов – ультразвуковых свистков с резонансными клиньями. Жидкость , подаваемая насосом под избыточным давлением 3,5-5 кгс/см², истекает с большой скоростью из сопла вибратора  и удаляет о клиновидную пластину. При этом пластина начинает вибрировать с частотой 25-30 кГц. В результате в жидкости образуется зоны интенсивного ультразвукового перемешивания с одновременным делением компонентов на мельчайшие капельки. Длительность перемешивания 3-5 мин. Эмульсионные смазки обладают стабильностью, они не расслаиваются в течение 7-10  сут. Применение их полностью устраняет прилипание бетона к опалубке; они хорошо удерживаются на формующей поверхности и не загрязняют бетон.

Наносить эти смазки на опалубку можно кистями, валиками и с помощью распылительных удочек. При большом количестве щитов для их смазки следует применять специальное устройство. Применение эффективных смазок снижает вредное воздействие на опалубку некоторых факторов. В ряде же случаев использовать смазки нельзя. Так, при бетонировании в скользящей или подъемно-переставной опалубке применить такие смазки запрещено из-за их попадания в бетон и снижения его качества.Хорорший эффект даюта антиадгезинонные защитные покрытия на основе полимеров.Их наносят на формирующие поверхности щитов при их изготовлении,и они выдерживают 20-35 циклов без повторного нанесения и ремонта.   Для дощатой и фанерной опалубки разработано покрытие на основе фенолформальдегида.Его напрессовывают на поверхность щитов при давлении до 3 кгс/cм и температуре +80С. Это покрытие полностью устраняет прилипание бетона к опалубке и выдерживает до 35 циклов без ремонта. Несмотря на довольно высокую стоимость, антиадгезионные защитные покрытия выгоднее смазок в связи с их многократной оборачиваемостью. Целесообразно применить щиты, палубы которых выполнены из гетинакса, гладкого стеклопластика или текстолита, а каркас – из металлических уголков. Такая опалубка износоустойчива, легко снимается и обеспечивает хорошее качество бетонных поверхностей.

Существенное влияние на качество поверхности железобетонных изделий оказывают условия контакта защемленных пузырьков воздуха со смазанными поверхностями формы и бетонных смеси. Прежде всего заполярный воздушный пузырек значительно легче закрепляется на поверхности металла, покрытой тонким слоем гидрофобизирующей смазки, чем на гидрофильной поверхности бетонной смеси. Это проявляется в скорости прилипания воздушных пузырьков, которая для гидрофобной поверхности при прочих равных условиях (вязкость жидкости, давление газа) выше, чем для гидрофильной, и в прочности их закрепления, обусловленной большей площадью контакта пузырька с гидрофобной поверхностью (большим краевым углом смачивания, измеренным со стороны жидкости).    Кинетика прилипания пузырька воздуха к поверхности формы зависит не только от статических нагрузок, но и от динамических, обусловленных интенсивной вибрацией системы форма – бетонная смесь, причем вязкость смазки оказывает влияние на этот фактор.