Составление сложных композиций из различных по природе смешиваемых компонентов является распространенной основой множества технологических процессов. Общей задачей перемешивания является осреднение содержания компонентов смеси во всех ее объемах, соизмеримых с крупностью ингредиентов. Чем равномернее распределены компоненты в объеме смеси, тем выше ее технологические свойства, а в случае дальнейшего прохождения физикохимических превращений полученной смеси — выше качество готового продукта.
Основная задача при приготовлении бетонных смесей — обеспечить в процессе перемешивания равномерное распределение составляющих для получения требуемой однородности смеси. Необходимо создать возможность максимального смачивания поверхности отдельных зерен цемента водой и обволакивание песчинок цементным тестом. При этом энергично развивается комплекс сложных физикохимических процессов.
Повышенная гидрофильность алюминатных минералов, склеивающих клинкерные составляющие цемента — двухкальциевый и трехкальциевый силикат, обеспечивает энергичное проникание воды в микрощели цементных зерен. Начинающаяся гидратация вызывает химическое диспергирование полиминеральных цементных зерен. Этот процесс облегчается явлением адсорбционного понижения прочности цементных зерен в результате смачивания их поверхности. Смесь цемента с водой (цементное тесто) сразу после контакта этих материалов друг с другом начинает обогащаться частицами коллоидных размеров. Мельчайшие цементные зерна, находящиеся в воде, подчиняясь законам молекулярного притяжения, стремятся объединиться во флокулы. Распределение воды внутри отдельных флокул и между ними далеко не равномерной Повышение равномерности распределения воды в цементе и разобщение слипшихся цементных зерен процессе перемешивания приводят к образованию однородной коагуляционной структуры цементного теста, обеспечивающей лучшие технологические свойства бетонной смеси и более высокие качества затвердевшего бетона.
Одновременно с растворением клинкерных материалов происходят процессы выкристаллизовывания зародышей гидратов новообразований. Наиболее активной подложкой для роста кристаллов новообразований являются гидрофильные поверхности зерен кварцевого песка. Контакт поверхностей зерен песка с продуктами гидратации цемента во многом определяет прочность затвердевшего бетона. Зерна песка бывают покрыты тончайшими пленками пыли и глины, препятствующими образованию прочных контактных слоев. При перемешивании бетонной смеси в результате многократных соударений частиц, трения их поверхностей друг о друга в присутствии воды площадь пленок, препятствующих образованию контактов, уменьшается, обеспечивая улучшение физикомеханических характеристик затвердевшего бетона.
Таким образом, процесс перемешивания нельзя рассматривать только как механическое осреднение содержания в объеме готового материала его составляющих. Это условие не является достаточным для получения материала с наилучшими свойствами. Перемешивание должно обеспечить оптимальные условия протекания физикохимических процессов формирования технологических свойств бетонной смеси и физикомеханических свойств бетона в процессе его твердения. Продолжительность перемешивания зависит от конструкции бетоносмесителя, вида применяемых материалов и их соотношения в смеси, а также ряда других факторов. Очевиден вред недостаточной продолжительности перемешивания, однако надо учитывать, что и увеличение продолжительности перемешивания сверх оптимальной приводит к ухудшению качества смеси изза измельчения заполнителей, вызывающего повышение водопотребности состава, а иногда и расслоения материалов в смеси. Большая продолжительность перемешивания бетонов с воздухововлекающими Добавками приводит к вытеснению вовлеченного воздуха.
Преимущества раздельного бетонирования раскрываются наиболее полно при бетонировании конструкций, не требующих устройства специальной опалубки, например биозащиты внутри стальных емкостей, затрубного пространства, свай в грунте и т.п. В подобных случаях при повышении давления инъектирования удается не только сократить количество инъекционных приспособлений, но и обеспечить лучшее проникание раствора в окружающую породу, грунт и пр.
Применяемый при раздельном бетонировании крупный заполнитель должен быть чистым и не содержать мелких фракций, затрудняющих проникание инъекционного раствора. За исключением специальных случаев не рекомендуется применять заполнитель с размером зерен менее 30 мм. При существующих в СССР границах стандартных фракций заполнителя эта рекомендация соответствует применению минимальной фракции щебня или гравия 40—70 мм. Следует заметить, что указание действующих СНиПов применять для инъекционного и вибронагнетательного методов раздельного бетонирования “заполнителя максимальной фракции 10—20 мм” ошибочна и может привести к браку. Категорически запрещается промывать крупный заполнитель непосредственно в опалубке конструкций, так как при этом в нижней части подготов
ленной к бетонированию конструкции скапливаются песок и пылевидные частицы, инъектирование которых невозможно.
Раздельным методом можно изготовлять бетонные и железобетонные конструкции с высокой морозостойкостью, хотя и несколько уступающие обычным бетонам. В табл. 8.7 приведены результаты испытаний морозостойкости высокопрочных бетонов обычного приготовления и раздельной укладки. Оба бетона были приготовлены с расходом цемента 475 кг/м3 и В/Ц = 0,38. После 300 циклов замораживанияоттаивания никаких видимых изменений на образцах не было обнаружено. Грани их были четкими, острыми.
Особенности технологии инъекционного метода раздельного бетонирования. Несмотря на ряд отмеченных выше преимуществ раздельного бетонирования, он не получил достаточного распространения, главным образом изза повышенных требований к применяемым
материалам для опалубки, а также к тщательности производства работ и точности соблюдения технологии. Стоимость опалубки является основным фактором, отрицательно отражающимся на экономическом сопоставлении раздельного бетонирования с обычной технологией бетонных работ. Опалубка конструкций при раздельном бетонировании, как правило, воспринимает существенно большие давления, чем при обычной технологии, в результате чего ее приходится устраивать более прочной, жесткой и растворонепроницаемой. Повышение нагрузок на опалубку ограничивает возможности использования высокого давления для инъецирования, что влияет на расстояние между инъекционными трубами (или отверстиями) их количество и интенсивность подачи раствора. Эти взаимосвязанные параметры поддаются расчету.
Несмотря на то что точность эксперимента пострадала изза различия в сроках изготовления образцов и непостоянства температурновлажностных условий их хранения, результаты его все же свидетельствуют о том, что деформации усадки бетонов обоих видов весьма близки.
Полученный вывод был полностью подтвержден серией опытов на призмах 10×10x30 см по сравнительному измерению усадки и ползучести бетонов обоих типов при одинаковом расходе цемента (437 кг/м3) и равном В/Ц. Деформации ползучести оказались также близки по значению.
Водонепроницаемость, морозостойкость. При раздельном бетонировании могут быть получены долговечные бетоны, если раствор полностью проникает в пустоты межзернового пространства в крупном заполнителе. При этом показатели водопроницаемости — коэффициент фильтрации и водопоглощения, как правило, оказываются не ниже, чем у обычного бетона аналогичного состава.
В большинстве публикаций о методе раздельного бетонирования авторы предполагают, что имеет место меньшая усадка раздельного бетона в сравнении с усадкой обычных бетонов.
Усадка бетона вызывается самопроизвольной деформацией цементного камня в результате физикохимических превращений его в период твердения. Несомненно, что контактное расположение щебня в бетонах раздельной укладки оказывает положительное влияние на уменьшение усадочных деформаций. Однако рассматривать цементнопесчаный раствор в бетоне раздельной укладки лишь как “наполнитель в скелете из заполнителей, устойчивом уже самом по себе” можно только применительно к гравитационным методам раздельного бетонирования, когда малое гидростатическое давление раствора не раздвигает зерна крупного заполнителя и не ликвидирует его сухих контактов. При введении раствора под давлением последний может несколько раздвинуть соседние частицы, создав между ними прослойки. При этом возникает возможность сдвига и поворота частиц крупного заполнителя от внутренних объемных напряжений при усадке, результирующие которых, как правило, направлены не в сторону контактов соседних частиц, а к прилегаю
щей прослойке раствора. В табл. 8.6 приведены результаты измерений усадки на призмах размером 15×15x150 см, изготовленных из бетона обычным и раздельным методами, хранившихся во влажных опилках до начала замеров деформаций усадки. По два образца из каждой серии были парафинированы: один полностью (индекс образцов — В), второй только по длинным граням (индекс образцов — Б). Образцы с индексом А не парафинированы.
Известно, что в общем случае в бетонах раздельной укладки сцепление между растворной частью и крупным заполнителем может быть меньшим, чем в обычных бетонах. Это объясняется тем, что при перемешивании обычной бетонной смеси в смесителе с поверхности крупного заполнителя в значительной степени сдираются загрязняющие пленки и адсорбированный воздух, обеспечивая тем самым лучший ее контакт с растворной частью, чем при раздельном методе. При использовании промытого крупного заполнителя сцепление растворной составляющей с крупным заполнителем при обоих методах приготовления бетонов достаточно велико и не сказывается на прочности бетона при сжатии даже при длительных сроках хранения. Так, приведенные результаты опровергают высказывание Р. Лермита о том, что бетон раздельной укладки после быстрого набора прочности теряет свою способность к дальнейшему упрочнению и даже утрачивает уже достигнутую прочность, если среда, в которой происходит его твердение, недостаточно
влажная.
Прочность при растяжении. Считают, что ухудшение сцепления раствора с поверхностью крупного заполнителя в бетонах раздельной укладки отрицательно влияет на сопротивление их осевому растяжению и растяжению при изгибе. Однако результаты испытаний в литературе почти полностью отсутствуют.
В большинстве практических случаев при замене обычного бетона бетоном, приготовленным раздельным методом, составы растворной части их разные. Большее содержание крупного заполнителя в бетонах раз дельной укладки позволяет применить для их изготовления более жирный раствор по сравнению с растворной составляющей обычных бетонов при равном расходе цемента на 1 м3 готового бетона. Увеличение в определенных пределах жирности раствора в бетоне при сохранении постоянным В/Ц приводит к увеличению его прочности. При расходах цемента выше 450—500 кг/м3 дальнейшее повышение жирности раствора не сказывается на прочности.
На практике обычно одновременно с повышением жирности растворной части бетонов раздельной укладки увеличивают В/Ц с целью упростить инъектирование и обеспечить больший радиус распространения раствора в крупном заполнителе. Прочность такого бетона можно прогнозировать на основании традиционных методов расчета.
Было установлено, что рекомендованная рядом специалистов вибрация крупного заполнителя в процессе инъекции не облегчает прохождение цементнопесчаного раствора, так как эффект тиксотропного разжижения раствора уничтожается снижением пустотности крупного заполнителя.
Большое значение имеют форма, водопоглощение и шероховатость поверхности зерен заполнителя; так, например, сопротивление движению раствора в щебне выше, чем в гравии. В случае инъекции в заполнитель с большим водопоглощением раствор отдает ему часть воды, подвижность его уменьшается, увеличивается внутреннее трение и сопротивление движению возра
стает. Чтобы предотвратить образование пробки в таких случаях, заполнитель перед инъекцией приходится увлажнять, но при пористых заполнителях, отсасывающих из раствора большое количество влаги, и эта мера не всегда достигает цели.
Способность растворов к инъекции может быть значительно повышена при уменьшении их вязкости и увеличении стабильности (нерасслаиваемости) введением химических добавок (например, лигносульфоната технического), либо за счет большей коллоидации раствора механической активацией. Наиболее эффективной активацией подвижного цементнопесчаного раствора является его турбулентная (вихревая) обработка.
Представляет интерес сравнение свойств обычного бетона и бетона, приготовленного раздельным методом не только при одинаковых составах и В/Ц растворной части, но также и при одинаковых расходах цемента на 1 м3 бетона и равном В/Ц.
Прочность при сжатии. Сведения о сравнительных испытаниях прочности при сжатии обычных бетонов и бетонов раздельной укладки весьма противоречивы, что объясняется существенными различиями в применявшихся материалах и особенностями составов сравниваемых бетонов.
Большинство результатов свидетельствует о том, что при одинаковом составе и В/Ц растворной части обычных бетонов и бетонов раздельной укладки прочность при сжатии в ранние сроки твердения выше у последних. Это объясняется значительным влиянием контактной передачи напряжений зернами крупного заполнителя.
Однако площадь контактов зерен крупного заполнителя между собой несоизмеримо меньше, чем площадь контактов крупного заполнителя с раствором. По мере набора прочности раствором он начинает принимать на себя все большую долю нагрузки при сжатии образцов, а влияние контактной передачи напряжений зернами крупного заполнителя сказывается в меньшей степени. При одинаковом составе растворной части прочность бетонов обычного приготовления и раздельной укладки к 28 суточному возрасту сравнивается и далее остается равной.
Эти рекомендации соответствуют существующим требованиям к крупности песка для аналогичного процесса - замыва песком каменной наброски плотин, где, по данным С.В. Избаша, “отмечается” полная геометрическая непроходимость песка в пустоты наброски при D/d<10. Для заполнения пустот в щебне (гравии) под давлением удавалось применять растворы с соотношением D/d до 4—6, однако подобные соотношения неприемлемы для достижения значительных радиусов распространения раствора, например при бетонировании массивных конструкций. С увеличением максимальной крупности песка (при неизменной гранулометрии мелких фракций песка) сопротивление движению раствора в щебне (гравии) резко возрастает, а инъецирование (до образования пробки) удается провести на меньшую высоту (толщину) слоя крупного заполнителя. Рост сопротивления в данном случае объясняется интенсивным отложением наиболее крупных песчинок в протоках межзернового пространства и сужением их сечения. Следует полагать, что значительное влияние на развиваемое сопротивление оказывает и форма зерен песка.
Не менее важное влияние на эффективность инъецирования оказывает гранулометрический состав применяемого крупного заполнителя. Чем крупнее заполнитель, тем больше полости протоков между его зернами. Гидравлические же сопротивления движению любой жидкости в какомлибо канале непосредственно зависят от размеров его поперечного сечения. Этим и объясняется значительная разница в сопротивлениях движению одного и того же раствора в массе заполнителей различного фракционного состава и крупности.