Работами многих исследователей установлено, что повторное (периодическое) вибрирование бетонной смеси способствует повышению прочности, плотности бетона, долговечности железобетонных изделий. Совмещение повторной вибрации с тепловой обработкой бетона позволяет в результате ускорения процесса твердения до 20-30% сократить продолжительность прогрева изделий и свести к минимуму деструктивные последствия температурного фактора.
Несмотря на эти преимущества, повторное виброуплотнение не нашло пока должного производственного применения. Наряду с трудностями технологического порядка до сих пор отсутствует единое мнение относительно механизма воздействия повторных вибраций на структуру цементного камня (бетона). Это затрудняет обоснование оптимальных её режимов и разработку практических рекомендаций.
Положительное влияние механических воздействий связывают с улучшением макропористости бетона благодаря ликвидации дефектов, вызванных испарением воды затворения, усадкой, контракцией, тепловыделением, седиментацией. Некоторые исследователи рассматривают улучшение свойств дополнительно уплотненного бетона как результат воздействия вибрации на формирование микроструктуры цементного камня.
Нарастание прочности твердеющего цемента происходит скачкообразно. Возможно, это вызвано цикличностью химического взаимодействия силикатов кальция с водой затворения или периодическим разрушением гидратных оболочек вновь образующимся гидратом или сложными физико-химическими процессами перекристаллизации. Протекающее на границе раздела фаз взаимодействие клинкерных минералов с водой приводит к накоплению на поверхности исходных цементных зерен оболочек виз продуктов гидратации, которые со временем связывают неполностью гидратированные зерна вяжущего в монолит.
Затвердевший цементный камень представляет собой «микробетон» – систему, структура которой состоит из частично гидратированных клинкерных зерен, выполняющих функцию заполнителя и прослоек новообразований между ними. Прерывистость процесса твердения обусловливается разрывом слабых связей в формирующейся структуре цементного камня и образованием более сильных сил взаимодействия между кристаллами с последующим разрушением и сильных связей под влиянием кристаллизационного давления. Смена связей в формирующейся структуре цементного камня сопровождается периодическими изменениями пластической прочности цементного камня.
Вибрационные воздействия в периодически наступающих переходных моментах от затухания к интенсификации процесса упрочнения способствуют более активному протеканию процесса и повышению прочности цементного камня.
Для подтверждения высказанной гипотезы следовало уточнить характер твердения цементного геля и обосновать время приложения вибровоздействий; изучить микроструктуру и физико-механические свойства образцов цементного камня (бетона), изготовленных с повторным вибрированием в оптимальные сроки.
Опыты проводили на новороссийском портландцементе марки М500 (C3S – 61, С2S – 17, СЗА – 7, C4AF – 14%, тонкость помола 8%, н. г. – 27%). Заполнителем служил песок кварцевый кубанский (МКР = 1,2; r = 1480 кг/м3). Для исследования готовили цементное тесто с В/Ц=0,22; 0,27; 0,3; 0,35 и цементнопесчаный раствор состава 1:2 (по массе) с В/Ц=0,4; 0,45; 0,5; 0,6 и 0,8.
Время приложения повторной вибрации определяли по точкам перелома пластограмм, полученных с помощью специального пружинного пластомера, сконструированного на базе твердомера типа ТК, позволяющего за 1-2 мин снять до 3-6 показателей. Образцы-балочки размером 4х4х16 см уплотняли на лабораторной виброплощадке (А = 0,З5-0,4 мм; n = 50 Гц). Длительность одноразового вибрирования 10-30 с. Температурно-влажностные условия твердения – стандартные. Прочность при сжатии определяли на прессе ПСУ-10.
Построенные по опытным данным пластограммы цементного теста и смесей (рис. 1) подтверждают ступенчатость твердения цемента. Периоды роста прочности чередуются с практически горизонтальными площадками, свидетельствующими о замедлении процесса.
На аналогичных кривых изменения пластической прочности во времени, полученных при помощи рычажного ионического пластомера, отмечена только одна переломная точка – переход от коагуляционной структуры к структуре коагуляционно-кристаллизационной. Сопоставление этих кривых с данными авторов свидетельствует об общности их характера. Однако пружинный пластомер более чувствителен и позволил определить большее число переломных точек на пластограммах.
Следует отметить, что значение В/Ц и присутствие заполнителя практически не влияет на время наступления конкретных переломных точек пластограмм. В соответствии с переломами пластограмм был принят циклический режим уплотнения образцов через каждые 90±10 мин. Для подтверждения оптимальности выбранных точек образцы вибрировали в промежутках между переломными точками (через 45, 135, 225 мин и т. д.). Результаты испытания образцов представлены на рис. 2. Анализ приведенных кривых подтверждает эффективность приложения вибрационных воздействий в переходные моменты от затухания к интенсификации процесса упрочнения цементной системы. Кривые на рис. 2,а получены при приложении вибрации в переходные моменты; на рис: 2,б – в промежутках между переходными моментами. Максимальный прирост прочности циклически провибрированных образцов (см. рис. 2,а) по сравнению к контрольными составляет 60-95% (с учетом доверительных границ изменения показателей при 95%-ной достоверности). Эти показатели и оптимальное число циклов уплотнения зависят от начальной пластичности (В/Ц) растворной смеси. Для образцов с В/Ц = 0,4 максимальная прочность (60-75%) достигается при двухразовом уплотнении (через 90 и 180 мин), и при дальнейшем увеличении числа циклов обработки достигнутый уровень практически не меняется. Для образцов с В/Ц = 0,6 и 0,8 наибольший прирост прочности (85-95%) получается при пятиразовой и более циклической вибрации. Прочностные свойства образцов, изготовленных с вибрированием в промежутках между переходными моментами, изменяются менее эффективно. Прирост прочности 30-45% зафиксирован для образцов В/Ц = 0,8 после пятиразовой вибрации. Для образцов из более жестких смесей (с В/Ц = 0,4 и 0,6) прирост прочности практически одинаков (15-30%).
Структуру контрольных и изготовленных с трех- и пятиразовой циклической вибрацией образцов из цементного теста с В/Ц = 0,27 изучали физико-химическими методами: термовесовым, методом дифференциально-термического анализа, термогравиметрическим, рентгенографическим, электронно-микроскопическим. Результаты исследований показали, что дополнительное виброуплотнение практически не изменяет общее водосодержание цементного камня. Количество физически и химически связанной воды с уменьшением последней в виброобработанных образцах перераспределяется на 7-17% по сравнению с контрольными. Рентгенографический и количественный рентгеновский анализы зафиксировали снижение содержания Са(ОН)2, уменьшение на 11-15% степени гидратации силикатной составляющей клинкера в циклически уплотнённом камне.
Петрографический анализ камня показал, что минералогический состав продуктов гидратации контрольных и дополнительно провибрированных образцов примерно одинаков. Рентгенографическим анализом установлено, что кроме остатков зерен клинкерных минералов в цементном камне имеются гидросиликаты кальция группы СSН(В), гидрооксид кальция и в незначительных количествах кальций, образовавшийся в результате частичной карбонизации гидратных соединений. Однако образцы отличаются по степени дисперсности фаз, заполняющих межзерновое пространство: в циклически провибрированных образцах эти фазы более тонкодисперсны, чем в контрольных.
Выводы
- Экспериментально подтверждена ступенчатость нарастания пластической прочности цементного теста и растворных смесей. Оптимальное время приложения вибрационных воздействий соответствует переходным моментам от затухания к интенсификации процесса упрочнения цементных систем. Для данного цемента при различных В/Ц переходные моменты наступают через один и те же промежутки времени.
- При циклической вибрации наблюдается замедление процесса гидратации цементного камня, получение более тонкодисперсной структуры гидратных новообразований, более плотных межзерновых прослоек, а также увеличение прочности до 95%.
Работами многих исследователей установлено, что повторное (периодическое) вибрирование бетонной смеси способствует повышению прочности, плотности бетона, долговечности железобетонных изделий. Совмещение повторной вибрации с тепловой обработкой бетона позволяет в результате ускорения процесса твердения до 20-30% сократить продолжительность прогрева изделий и свести к минимуму деструктивные последствия температурного фактора.
Несмотря на эти преимущества, повторное виброуплотнение не нашло пока должного производственного применения. Наряду с трудностями технологического порядка до сих пор отсутствует единое мнение относительно механизма воздействия повторных вибраций на структуру цементного камня (бетона). Это затрудняет обоснование оптимальных её режимов и разработку практических рекомендаций.
Положительное влияние механических воздействий связывают с улучшением макропористости бетона благодаря ликвидации дефектов, вызванных испарением воды затворения, усадкой, контракцией, тепловыделением, седиментацией. Некоторые исследователи рассматривают улучшение свойств дополнительно уплотненного бетона как результат воздействия вибрации на формирование микроструктуры цементного камня.
Нарастание прочности твердеющего цемента происходит скачкообразно. Возможно, это вызвано цикличностью химического взаимодействия силикатов кальция с водой затворения или периодическим разрушением гидратных оболочек вновь образующимся гидратом или сложными физико-химическими процессами перекристаллизации. Протекающее на границе раздела фаз взаимодействие клинкерных минералов с водой приводит к накоплению на поверхности исходных цементных зерен оболочек виз продуктов гидратации, которые со временем связывают неполностью гидратированные зерна вяжущего в монолит.
Затвердевший цементный камень представляет собой «микробетон» – систему, структура которой состоит из частично гидратированных клинкерных зерен, выполняющих функцию заполнителя и прослоек новообразований между ними. Прерывистость процесса твердения обусловливается разрывом слабых связей в формирующейся структуре цементного камня и образованием более сильных сил взаимодействия между кристаллами с последующим разрушением и сильных связей под влиянием кристаллизационного давления. Смена связей в формирующейся структуре цементного камня сопровождается периодическими изменениями пластической прочности цементного камня.
Вибрационные воздействия в периодически наступающих переходных моментах от затухания к интенсификации процесса упрочнения способствуют более активному протеканию процесса и повышению прочности цементного камня.
Для подтверждения высказанной гипотезы следовало уточнить характер твердения цементного геля и обосновать время приложения вибровоздействий; изучить микроструктуру и физико-механические свойства образцов цементного камня (бетона), изготовленных с повторным вибрированием в оптимальные сроки.
Опыты проводили на новороссийском портландцементе марки М500 (C3S – 61, С2S – 17, СЗА – 7, C4AF – 14%, тонкость помола 8%, н. г. – 27%). Заполнителем служил песок кварцевый кубанский (МКР = 1,2; r = 1480 кг/м3). Для исследования готовили цементное тесто с В/Ц=0,22; 0,27; 0,3; 0,35 и цементнопесчаный раствор состава 1:2 (по массе) с В/Ц=0,4; 0,45; 0,5; 0,6 и 0,8.
Время приложения повторной вибрации определяли по точкам перелома пластограмм, полученных с помощью специального пружинного пластомера, сконструированного на базе твердомера типа ТК, позволяющего за 1-2 мин снять до 3-6 показателей. Образцы-балочки размером 4х4х16 см уплотняли на лабораторной виброплощадке (А = 0,З5-0,4 мм; n = 50 Гц). Длительность одноразового вибрирования 10-30 с. Температурно-влажностные условия твердения – стандартные. Прочность при сжатии определяли на прессе ПСУ-10.
Построенные по опытным данным пластограммы цементного теста и смесей (рис. 1) подтверждают ступенчатость твердения цемента. Периоды роста прочности чередуются с практически горизонтальными площадками, свидетельствующими о замедлении процесса.
На аналогичных кривых изменения пластической прочности во времени, полученных при помощи рычажного ионического пластомера, отмечена только одна переломная точка – переход от коагуляционной структуры к структуре коагуляционно-кристаллизационной. Сопоставление этих кривых с данными авторов свидетельствует об общности их характера. Однако пружинный пластомер более чувствителен и позволил определить большее число переломных точек на пластограммах.
Следует отметить, что значение В/Ц и присутствие заполнителя практически не влияет на время наступления конкретных переломных точек пластограмм. В соответствии с переломами пластограмм был принят циклический режим уплотнения образцов через каждые 90±10 мин. Для подтверждения оптимальности выбранных точек образцы вибрировали в промежутках между переломными точками (через 45, 135, 225 мин и т. д.). Результаты испытания образцов представлены на рис. 2. Анализ приведенных кривых подтверждает эффективность приложения вибрационных воздействий в переходные моменты от затухания к интенсификации процесса упрочнения цементной системы. Кривые на рис. 2,а получены при приложении вибрации в переходные моменты; на рис: 2,б – в промежутках между переходными моментами. Максимальный прирост прочности циклически провибрированных образцов (см. рис. 2,а) по сравнению к контрольными составляет 60-95% (с учетом доверительных границ изменения показателей при 95%-ной достоверности). Эти показатели и оптимальное число циклов уплотнения зависят от начальной пластичности (В/Ц) растворной смеси. Для образцов с В/Ц = 0,4 максимальная прочность (60-75%) достигается при двухразовом уплотнении (через 90 и 180 мин), и при дальнейшем увеличении числа циклов обработки достигнутый уровень практически не меняется. Для образцов с В/Ц = 0,6 и 0,8 наибольший прирост прочности (85-95%) получается при пятиразовой и более циклической вибрации. Прочностные свойства образцов, изготовленных с вибрированием в промежутках между переходными моментами, изменяются менее эффективно. Прирост прочности 30-45% зафиксирован для образцов В/Ц = 0,8 после пятиразовой вибрации. Для образцов из более жестких смесей (с В/Ц = 0,4 и 0,6) прирост прочности практически одинаков (15-30%).
Структуру контрольных и изготовленных с трех- и пятиразовой циклической вибрацией образцов из цементного теста с В/Ц = 0,27 изучали физико-химическими методами: термовесовым, методом дифференциально-термического анализа, термогравиметрическим, рентгенографическим, электронно-микроскопическим. Результаты исследований показали, что дополнительное виброуплотнение практически не изменяет общее водосодержание цементного камня. Количество физически и химически связанной воды с уменьшением последней в виброобработанных образцах перераспределяется на 7-17% по сравнению с контрольными. Рентгенографический и количественный рентгеновский анализы зафиксировали снижение содержания Са(ОН)2, уменьшение на 11-15% степени гидратации силикатной составляющей клинкера в циклически уплотнённом камне.
Петрографический анализ камня показал, что минералогический состав продуктов гидратации контрольных и дополнительно провибрированных образцов примерно одинаков. Рентгенографическим анализом установлено, что кроме остатков зерен клинкерных минералов в цементном камне имеются гидросиликаты кальция группы СSН(В), гидрооксид кальция и в незначительных количествах кальций, образовавшийся в результате частичной карбонизации гидратных соединений. Однако образцы отличаются по степени дисперсности фаз, заполняющих межзерновое пространство: в циклически провибрированных образцах эти фазы более тонкодисперсны, чем в контрольных.
Выводы
- Экспериментально подтверждена ступенчатость нарастания пластической прочности цементного теста и растворных смесей. Оптимальное время приложения вибрационных воздействий соответствует переходным моментам от затухания к интенсификации процесса упрочнения цементных систем. Для данного цемента при различных В/Ц переходные моменты наступают через один и те же промежутки времени.
- При циклической вибрации наблюдается замедление процесса гидратации цементного камня, получение более тонкодисперсной структуры гидратных новообразований, более плотных межзерновых прослоек, а также увеличение прочности до 95%.