CC BY
85
УДК 691.328
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ УКЛАДКИ
И УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ НА ОДНОРОДНОСТЬ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЕТОНА
© 2018 В. Г. Стародубцев1, Д. А. Горяинов2
1канд. техн. наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства e-mail: pgs.@kursksu.ru 2студент кафедры промышленного и гражданского строительства e-mail: goryainov-denis@mail.ru
Курский государственный университет
В статье представлены результаты оценки влияния процессов укладки и уплотнения бетонной смеси на прочность бетона заводского изготовления, выполненного в условиях строительной площадки. Представлены результаты влияния технологических факторов на однородность и прочность бетона.
Ключевые слова: приготовление бетона, железобетонные конструкции, седиментация бетона, оценка, прочность, испытания, контрольные образцы, монолитный железобетон.
Целью настоящего исследования является разработка научно обоснованных рекомендаций по регулированию режимов технологии укладки и уплотнения бетонной смеси при производстве железобетонных конструкций в условиях строительной площадки. Для этого необходимо дать дифференцированную оценку влияния основных этапов технологии на однородность бетона по прочности и морозостойкости.
Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе ее укладки и уплотнения, в последующем до момента затвердевания может претерпевать изменения, вызывающиеся гидратацией цемента и осаждением твердых частиц под действием сил тяжести. Перераспределение твердых частиц по объему изготавливаемой конструкции называется расслоением, или седиментацией. При этом можно различить два процесса: в первом происходит осаждение крупных тяжелых зерен, в результате чего несколько уплотняется смесь в нижних частях конструкции, а лишняя вода отжимается наверх или скапливается под крупными зернами заполнителя или арматуры; во втором подобное явление происходит с цементными зернами с меньшей скоростью, причем оно обычно развивается в порах между зернами заполнителя [Баженов 1987].
При укладке и уплотнении бетонная смесь подвергается различным внешним силовым воздействиям, которые вызывают определенные изменения в ее структуре. При приложении к бетонной смеси внешних сил в ней происходят взаимное перемещение отдельных объемов и частиц, разрушение структуры — понижается связанность системы, возрастает ее подвижность. При прекращении действия сил связанность восстанавливается.
Перемещения в бетонной смеси на микро- и макроуровне происходят по определенным плоскостям скольжения. Эти плоскости возникают под влиянием сдвигающих напряжений. Частицы перемещаются, расстояние между их центрами увеличивается, сцепление уменьшается. В плоскости скольжения увеличиваются пористость и изменение структуры. При затвердевании здесь образуется менее плотная и более слабая структура.
На однородности бетона могут отрицательно сказаться условия уплотнения бетонной смеси, в особенности если смесь обладает склонностью к расслоению.
Для оценки склонности бетонной смеси к расслоению предложено множество методик, в основу которых положено измерение различных показателей. В частности, описана методика, заключающаяся в определении центра тяжести находящийся в горизонтальном положении призматической формы с бетонной смесью после ее вибрирования или встряхивания в вертикальном положении [Стародубцев, Поветкин 2007].
Многими исследователями предложено использовать коэффициент стойкости бетонной смеси к расслоению, который определяют как частное от деления количества цемента, вымытого замедленным потоком воды, к количеству цемента, вымытого водой при максимальной скорости ее прохождения через бетонную смесь. Методика основывается на научно доказанном положении, что из стойкой к расслоению бетонной смеси, в которой частицы цемента распределены равномерно, замедленный поток воды всегда вымывает большее количество цемента, чем из нестойкой смеси [Меркулов 2015; Стародубцев 2014]
В работе для оценки склонности бетонных смесей к расслоению была использована оригинальная методика, основанная на измерении длительности периода формирования структуры (ПФС) бетона на крупном заполнителе из гранита, являющаяся, при прочих равных условиях, функцией водосодержания смеси.
Учитывая, что расслоение смеси происходит при приложении механического воздействия с перемещением более плотных частиц вниз и вытеснением ими цементного молока в верхнюю зону, это явление можно фиксировать по изменению длительности ПФС в различных по высоте объемах смеси при равных длительностях вибрационных воздействий.
При изучении склонности к расслоению испытывались бездобавочные бетонные смеси заводского состава на гранитном щебне и подвижная смесь с добавкой суперпластификатора С-3, но с повышенным соотношением песок-щебень (до 0,42).
На основании анализа методов определения длительности ПФС нами был выбран ультразвуковой метод контроля.
Для исследований использовались изготовленные из оргстекла формы с размерами в плане 15х15 см и высотой 40 см, которая соответствовала высоте формируемого изделия. Формы имели с двух противоположных сторон по четыре
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 1 (17)
круглых отверстия для ультразвуковых датчиков. При формировании образцов отверстия закрывались специальными пластинками.
Скорость распространения УЗВ в твердеющем бетоне измерялась с помощью прибора УКБ-1М. Измерение скорости распространения УЗВ начинали через час после приготовления смеси и проводили через каждые 10 минут.
За конец ПФС принимается время, соответствующее началу разного возрастания скорости распределения УЗВ в бетонной смеси.
Бетонные смеси готовились в лабораторных условиях, уплотнение осуществлялось путем вибрирования формы в вертикальном положении на лабораторной виброплощадке в течение установленного времени. Время вибрирования было принято 30, 60, 90, 120 сек.
Полученные результаты показали, что при непродолжительном вибрировании длительность ПФС для нижних объемов образцов уменьшается и, соответственно, увеличивается для верхних объемов.
Однако продолжительность вибрирования, приводящая к началу расслоения, то есть к началу изменения длительности ПФС, для разных бетонных смесей была различной (рис. 1).
Таким образом, отмечена более высокая склонность к расслоению бездобавочной бетонной смеси, а также смеси, модифицированной суперпластификатором С-3, при увеличенном времени виброуплотнения. На основании анализа данных эксперимента установлено, что приготовление бетонной смеси и формирование изделий при использовании заполнителя можно осуществлять на имеющемся оборудовании при незначительном изменении параметров технологии (уменьшение продолжительности перемешивания бетонной смеси на 1 мин. и продолжительности уплотнения на 30-40 сек.).
При вибрации бетонной смеси сообщаются механические колебания, в результате связи между отдельными частицами постоянно нарушаются, силы трения и сцепления уменьшаются. Бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и под действием сил тяжести расплывается, становится однородной.
Для тяжелых бетонных смесей коэффициент уплотнения, то есть отношение фактической средней плотности к расчетной, должен быть не менее 0,98 и приближаться к значению 1.
Режим вибрирования характеризуется тремя основными показателями: амплитудой колебаний (А), частотой колебаний (1) и временем вибрирования (1). Для каждой бетонной смеси имеются свои оптимальные значения этих показателей.
Долгое время считалось, что наибольшего эффекта вибрационное уплотнение достигает тогда, когда частички бетонной смеси поступают в резонанс с источником колебаний. Однако каждой величине зерна соответствует своя собственная частота колебаний. Поэтому, в принципе, наибольший эффект вибрирования должен получиться при многочастотном вибрировании, когда в резонанс будут вовлечены все зерна. Фактически в бетонной смеси происходит самосинхронизация связанных между собой цементным тестом отдельных зерен заполнителя. Поэтому речь может идти о повышении эффективности вибрирования путем выбора такого режима, который обеспечит совпадение собственных колебаний всего объема смеси с частотой вибратора [Стародубцев, Поветкин 2007].
Частота, кол/тн
Рис. 2. Зависимость между амплитудами и частотами колебания при различной интенсивности вибрации
На рисунке 2 показан график изменений параметров вибраций от интенсивности уплотнения. Заштрихованная площадь соответствует обычным, применяемым на практике, частотам и амплитудам уплотнения.
В условиях строительной площадки для уплотнения обычных бетонных смесей при одночастотном вибрировании используют частоты 2800...3000 колебаний в 1 минуту. Оптимальные амплитуды колебаний зависят от жесткости смеси и наибольшей крупности зерен заполнителя: чем жестче смесь и крупнее заполнитель, тем большей должна быть амплитуда колебаний.
Для нахождения количественного вклада изменчивости свойств бетона, связанного с процессами укладки и уплотнения бетонной смеси, была установлена однородность «лабораторного» бетона. Под «лабораторным» понимается бетон, приготовленный из заводского состава, но укладка и уплотнение бетонной смеси производились в лабораторных условиях.
Однородность бетона, изготовленного в лабораторных условиях, обусловлена уровнем метрологического обеспечения лаборатории и квалификацией лабораторного состава.
Результаты статистической обработки экспериментальных данных определения прочности при сжатии (12 образцов) и открытой пористости (8 образцов) «лабораторного бетона» приведены в таблице.
Статические характеристики свойств «лабораторного» бетона и
бетона, изготовленного в условиях строительной площадки
Показатель, размерность х и, %
Прочность при сжатии, МПа 41,0х 3,2
35,6ХХ 3,6
39,7ХХХ 3,4
Открытая пористость, % 11,2 2,4
12,8 2,8
11,5 2,5
Примечание: 41,0х - лабораторный бетон на гранитном щебне;
35,6х* - бетон, изготовленный в условиях завода;
39,7ХХХ - бетон, изготовленный в условиях завода, модифицированный пластификатором С-3.
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. № 1 (17)
На однородности бетона могут отрицательно сказаться условия укладки и уплотнения бетонной смеси, в особенности если смесь обладает склонностью к расслоению.
Таким образом, отмечена более высокая склонность к расслоению бездобавочной бетонной смеси на гранитном щебне, а также смеси, модифицированной суперпластификатором С-3, при увеличенном времени виброуплотнения. На основании анализа данных эксперимента установлено, что время уплотнения влияет на структуру и свойства затвердевшего бетона. Стабилизации проектных свойств бетона можно достичь, выполняя режимы технологии производства бетонных конструкций.
Выводы
Исследования показали, что на прочность и однородность бетона влияют технологические процессы, а именно укладка бетонной смеси в конструкцию и время уплотнения бетонной смеси.! На однородности бетона могут отрицательно сказаться условия уплотнения бетонной смеси, в особенности если смесь обладает склонностью к расслоению. Уменьшение или увеличение времени перемешивания и уплотнения приводит к седиментации и, следовательно, к снижению прочностных характеристик бетона.
Библиографический список
Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Высшая школа. 1987. 415 с.
Меркулов С. И. К вопросу обеспечения живучести железобетонных конструкций и конструктивных систем // Строительство и реконструкция. 2015. №2. С. 63-67
Стародубцев В. Г. Исследование изменчивости прочности бетона, твердеющего в разных условиях // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы междунар. академ. чтений / Курск. гос. ун-т. Курск, 2014. С. 227-235
Стародубцев В. Г. Поветкин С.В. Производство бетонных работ в зимних условиях: учеб. пособие (гриф УМО) / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2007. 164 с.
