CC BY
30Современные бетоны: наука и практика
УДК 623.125
И.М. БАРАНОВ, канд. техн. наук, ООО «НТЦ ЭМИТ» (Москва)
Реологические свойства бетонной смеси для подводного бетонирования*
По сравнению с высокопрочным, самоуплотняющимся и другими специальными бетонами проектирование состава и получение качественного бетона для подводного бетонирования являются наиболее проблемной задачей, и вопросы о необходимости использования законов реологии для получения высокопластичной, не расслаивающейся и не размывающейся в текущей воде бетонной смеси здесь имеют особое значение. Ранее для публичного обсуждения была опубликована методика и предложен прибор — статический вискозиметр для определения реологических характеристик высокопластичных бетонных смесей [1].
В данной работе представлены результаты исследований, проведенных с использованием упомянутой выше методики. Целью работы являлась практическая отработка этой методики с определением реологических характеристик текучих самоуплотняющихся бетонных смесей, предназначенных для проведения подводных работ, а также назначение требуемых реологических характеристик, которые обеспечивали бы получение бетона необходимого качества с требуемыми
физико-механическими свойствами. При выполнении работы использовали вариант статического вискозиметра с высотой трубы 100 см и объемом загружаемой бетонной смеси 1,66 л.
В процессе выполнения работ по установлению рабочего состава не размывающейся в текущей воде бетонной смеси разрабатывали и использовали приведенные ниже общие принципы и условия получения бетона для подводного бетонирования. Разработка этих принципов производилась путем анализа последних результатов работ, накопленных в этой области, в том числе за рубежом [2—3], которые содержат следующие условия:
1. Бетонная смесь должна готовиться с применением следующих специальных добавок:
— стабилизатора — для повышения предела текучести и пластической вязкости;
— гиперпластификатора для повышения текучести смеси и снижения ее водовяжущего отношения;
— полимерного связующего для повышения липкости смеси, адгезии и эластичности бетона.
Таблица 1
Компоненты бетонной смеси Расход компонентов смеси в опытных составах и результаты их испытаний
№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5 № 6 № 7
Расход воды, включающий воду гиперпластификаторов и стабилизатора, л 3,25 3,21 3,33 3,21 3,21 2,87 3,38
Гиперпластификаторы PowerFlow 2695 / PowerFlow 1180, г 106/46 106/46 106/46 106/46 106/46 106/46 106/46
Песок кварцевый фракции 0,4-0,8, кг 11,255 11,255 11,255 11,255 11,255 11,255 11,255
Цемент ПЦ 500-Д0, кг 8,462 8,462 8,462 8,462 8,462 8,462 8,462
Каменная мука, кг 2,537 2,537 2,537 2,537 2,537 2,537 2,537
Микрокремнезем, кг 1,692 1,692 1,692 1,692 1,692 1,692 1,692
Стабилизатор, гель кремниевой кислоты, кг / мас. % 0,221/2,7 0,423/5 0,592/7 0,592/7 0,221/2,7 0,423/5 0,423/2,7
Акриловый сополимер, г 42 42 42 42 42 42 42
Водовяжущее отношение 0,256 0,253 0,262 0,253 0,253 0,227 0,266
Наименование реологических характеристик
Время выливания смеси из трубы, с, г 16 15 15 12 15 15 9
Высота столба смеси, вылившейся из трубы, см, к™ 97 91 93 93 97 90 97,5
Объем вылившейся из трубы смеси, см3, У?™ 1611 1511 1545 1545 1611 1495 1620
Объемная масса бетонной смеси, г/см3,усм 2204 2183 2111 2058 2214 2107 2171
Высота столба смеси, оставшейся в трубе, см, кЦЦ? 3 9 7 7 3 10 2,5
Площадь внутреннего сечения трубы, см2, Sтр 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61
Диаметр расплыва, см, 0рас 58 33 36 32 44 29 47
Диаметр расплыва смеси на встряхивающем столике, см 30,5 15 16,5 16,5 23 13,5 27
Прочность при сжатии образцов, твердевших в к.н.т., МПа:
- 3 сут 46 35 37 42 47 49 46
- 7 сут 62 51 46 56,8 54 58 53
- 28 сут 96 77 81 93 89 95 80
* Экспериментальные работы выполнены инженерами Г.А. Булгаковой и В.Ю. Яшкиным, ООО «НТЦ ЭМИТ», при активном участии канд. техн. наук И.Н. Горожанкина и инж. Д.В. Горбаша, ООО ПКП «Трауф» (Москва).
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2013
15
Таблица 2
о си о 3 с»
П5 Ä Ä
Наименование реологических характеристик Расчетные выражения Единицы Номера опытных составов и результаты их испытаний
Наименование показателей и формулы для вычисления расчетных значений реологических характеристик определяемых значений 1 2 3 4 5 6 7
Градиент скорости деформирования д^Г1 гг/'выл 1 ВЫЛ 1 выл "см ''см мл/с см 1,04 1,11 1,11 1,39 1,11 1,11 1,85
К™ - объем смеси, вылившейся из трубы, ^смЛ=',смП'^1тр ^выл_ время вытекания смеси из трубы АГ-высота столба смеси, вылившейся из трубы ^тр- площадь внутреннего сечения трубы мл (см3) с см см2 1611 16 97 16,61 1511 15 91 16,61 1545 15 93 16,61 1545 12 93 16,61 1611 15 97 16,61 1495 15 90 16,61 1620 9 97,5 16,61
Предельное сопротивление сдвига ^о-7см- г/см2 6672 19647 14777 14406 6642 21070 5428
Уем - объемная масса смеси; ^ см - высота столба смеси, оставшейся в трубе г/см3 см 2204 3 2183 9 2111 7 2058 7 2214 3 2107 10 2171 2,5
Структурная вязкость/расход стабилизатора, % П = Усм-Асм-'ВЬШ см2 106752/2,7 294705/5 221655/7 172872/7 99630/2,7 316050/5 48848/2,7
Уем - объемная масса смеси ^ ?м - высота столба смеси, оставшейся в трубе ^выл _ время вытекания смеси из трубы г/см3 см с 2204 3 16 2183 9 15 2111 7 15 2058 7 12 2214 3 15 2107 10 15 2171 2,5 9
Текучесть ГТ, 0РаС Т — rr г ВЫЛ JTP'«CM см/мл 0,031 0,022 0,024 0,021 0,028 0,02 0,029
»?тр- площадь внутреннего сечения трубы см2 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61 16,61
А™- высота столба смеси, вылившейся из трубы см 97 91 93 93 97 90 97,5
0рас_ средний диаметр расплыва смеси см 50 33 36 32 44 29 47
Растекаемость
Результаты испытаний по стандартной методике ГОСТ 310.4-81* (без встряхиваний) см 30,5 15 16,5 16,5 23 13,5 27
В/Ц - водоцементное отношение - 0,38 0,38 0,39 0,38 0,38 0,34 0,4
и," G?
Примечание. - max значения; - min значения; - выражения, ранее напечатанные в работе [1], здесь приведены вуточненном варианте.
т
Таблица 3
тс
V у*
Ее т
ж
Л
к
о
I
с
Л ТО О ?! С Кг
к5 о
о си о 3
ТО Ж
к
к
§
Реологические характеристики, определяемые при
динамическом воздействии на смесь
Наименование
Обозначение
статическом течении смеси под собственным весом
Наименование и определение
Определяемые выражения
Расчетные выражения
Единицы определяемых значений
Требуемые значения реологических и прочностных характеристик для мелкозернистого бетона подводного бетонирования
Влияние технологических факторов бетонных смесей на обеспечение требуемых значений их реологических характеристик и прочности бетона
Градиент скорости деформирования
41 ¿к
Отношение средней скорости выливания смеси из трубы к высоте столба смеси, вылившейся из трубы
АГ1
т^-ВЫЛ выл у см /1
ДА г
мл/с см
1,1
Предел текучести
то
Предельное сопротивление сдвига
т<г
_Усм' К
ют см
V • Ас /см п с
г/см2
20-10
в/вяж
Свойства и расход
гиперпластификатора
в меньшей степени стабилизатора
Эффективная динамическая вязкость
т-то ' Ж ¿к
Свойства и расход
Структурная вязкость
_ т0 • (Яг
Уем ' ^ см ' ^
см-2
ЗОЮ4
в/вяж
гиперпластификатора
стабилизатора
в меньшей степени полимерного связующего
Свойства и расход
Текучесть
Отношение диаметра расплыва к объему вылившейся из трубы смеси
0 Рас
тт-ВЫЛ
0Рас ^тр «см
см/мл
0,02
в/вяж
гиперпластификатора
в меньшей степени
стабилизатора
полимерного связующего
Внутренняя связность (размываемость в воде)
Свойства и расход
Размываемость смеси в текущей воде до затвердевания, мае. %
Д т
щ — т т
100
<5
В меньшей степени в/вяж
стабилизатора
в меньшей степени полимерного связующего
Свойства и расход
Требуемая прочность бетона, Д,ж, МПа
>50
в/вяж
гиперпластификатора
Обозначения: Уем-объемная масса бетонной смеси, г/см3 (мл); А™- высота столба смеси, вылившейся из трубы, см; А ""-высота столба смеси, оставшейся в трубе, см; Р'®™-объем смеси, вылившейся из трубы, см3; объем смеси, оставшейся в трубе, см3; А-высота трубы, А=100 см; площадь внутреннего сечения трубы, равная 78,5 см3; объем смеси в трубе, равный 1,66 л; ¿выл- время выливания смеси из трубы, е.; средняя скорость выливания смеси из трубы, мл/с; 0Рас- средний диаметр расплыва смеси, см; т- масса пробы смеси, испытываемой на размываемость в текущей
воде.
Примечание. - выражения, ранее напечатанные в работе [ 1 ], здесь приведены в уточненном варианте.
Современные бетоны: наука и практика
2. В комплексе стабилизатор—гиперпластификатор должны применяться высокие дозировки этих компонентов для получения высокопрочного подводного бетона из смеси с относительно низким значением предела текучести и вязкостью от умеренных до высоких ее значений для придания твердеющему бетону высокого сопротивления вымыванию.
3. Бетонная смесь будет устойчива к вымыванию в текучей воде, если ее вязкость будет достаточно высока. Эффект разжижения при этом должен обеспечиваться:
— водосодержанием;
— дозировкой гиперпластификатора;
— свойствами и дозировкой стабилизатора.
4. Обеспечение высокого сопротивления бетона вымыванию, связанного со взаимозависимым влиянием следующих факторов:
— содержания цемента;
— водоцементного отношения;
— концентрации гиперпластификатора и стабилизатора. Повышению сопротивления бетона вымыванию может способствовать:
— замена части цемента на микрокремнезем и тонкомолотую минеральную добавку;
— повышение дозировки стабилизатора.
Все это способствует улучшению стабильности залитого бетона, в том числе устойчивости его к размыванию. Бетонная смесь, содержащая стабилизатор, может быстро разжижаться, при этом кажущаяся вязкость не должна уменьшать ее текучести, которая зависит от:
— концентрации стабилизатора;
— содержания цемента;
— водоцементного отношения (В/Ц);
— дозировки гиперпластификатора.
Кроме того, поставленную в работе цель достигали путем решения комплекса задач, которые были изложены в работе [4]. Затем при установлении рационального бетона по содержанию заполнителя использовали практическую методику определения рациональных составов специальных бетонов [5]. Далее приготовленную по разработанному составу смесь испытывали на статическом вискозиметре [1], где регистрировали значения следующих ее характеристик:
— время вытекания смеси из трубы вискозиметра, с — ?;
— высота столба смеси, вытекшей из трубы, см — й^™ ;
— высота столба смеси, оставшейся в трубе, см — йсост;
— объемная масса бетонной смеси, г/см3 — усм;
— диаметр расплыва смеси, см — 0рас. Полученные результаты испытаний опытных составов, которые приведены в табл. 1, использовали для вычисления следующих реологических характеристик бетонной смеси:
— градиент скорости деформирования;
— предельное сопротивление сдвига;
— структурная вязкость;
— текучесть.
Вычисления реологических характеристик производили по формулам табл. 2. Там же представлены и результаты всех испытаний.
При планировании экспериментов предполагалось, что во всех семи составах расход цемента, гиперпластификатора и других компонентов, кроме воды и стабилизатора, будет постоянным. Анализ полученных результатов показывает, что в нашем случае для обеспечения необходимой внутренней связанности смеси, обеспечивающей ее неразмываемость, подходят больше всего составы 2 и 6 с расходом стабилизатора 5% и водовяжу-щим отношением 0,34—0,38. Бетонная смесь данных составов имеет достаточно высокую структурную вязкость при хорошей текучести. По результатам проведенных испытаний были определены требуемые значения реологических характеристик, которые могут гарантировать обеспечение всех необходимых свойств бетонов для подводного бетонирования (см. табл. 3). В этой же таблице содержатся сведения и о степени влияния основных технологических факторов бетонных смесей на обеспечение требуемых значений их реологических характеристик.
Конечно же, приведенные в табл. 3 оптимальные значения реологических характеристик смеси для подводного бетонирования являются лишь частным случаем, относящимся к составу смеси из конкретно выбранных в примере компонентов. Если же эти значения потребуется улучшать, то надо будет менять условия задачи, т. е. менять компоненты, их содержание, технологию приготовления смеси и при этом учитывать, как это показано в табл. 3, взаимовлияние технологических факторов на параметры их реологических характеристик.
В заключение следует сказать, что, используя предлагаемую методику, можно не только классифицировать бетонные смеси специальных бетонов, но и улучшать их реологию, внутреннюю связность, однородность и добиваться получения более плотной структуры бетона с более высокой прочностью.
Ключевые слова: реология, специальные бетоны, подводное бетонирование.
Список литературы
1. Баранов И.М. Проблемные вопросы технологии получения высококачественных специальных бетонов // Строительные материалы. 2013. № 7. С. 31—32.
2. Tsai W.P, Chen H.J, Peng H.S., Huand C.H. Research on the engineering properties of self — compacting concrete. // Сб. Всероссийской международной конференции «Бетон и железобетон — пути развития». Т. 3. 2005. С. 192-197.
3. ZandyYouaef. Effect of mixture composition on washout resistance of highly flowable underwater concrete // Сб. Всероссийской международной конференции «Бетон и железобетон—пути развития». Т. 6. 2005. С. 121-132.
4. Баранов И.М. Инновационные материалы для строительства и ремонта мостов // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 82—86.
5. Баранов И.М. Практическая методика определения рациональных составов специальных бетонов // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 87—93.
ООО «НТЦ ЭМИТ»
Разработка и внедрение эффективных материалов,изделий, технологий Генеральный директор Баранов Иван Митрофанович (495) 351-96-73 E-mail: emitpb@mail.ru
18
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2013
jVJ ®
