Материал: Разработка эффективных комплексных органоминеральных добавок для регулирования реологических свойств бетонных смесей. Перцев В.Т., Леденев А.А

воздушные пузырьки и воздушные полости, на которые действует совокупность упругих и вязких сил, сил трения. Микрореология исследует деформации и течение в микрообъемах, соизмеримых с размером частиц дисперсной фазы в дисперсных системах или с размерами молекул и атомов. Такой подход эффективен при рассмотрении реологического поведения коллоидных и микрогетеро-

генных систем, представленных в бетонных и рас-

Классические макрореологические модели, применяемые для описания поведения реальных систем и построенные на допущениях, исходящих из представлений о сохранении постоянства внутренней структуры вещества независимо от величины и скорости деформации, не всегда дают достаточно полное описание течения концентрированных дисперсно-зернистых систем. Вполне возможны случаи, когда эти макрореологические представления перестают быть справедливыми. Например, они нарушаются на стадии переформирования систем, связанной с разрушением кластерной структуры (рис. 2.6). При этом формирование кластеров в дисперсно-зернистых системах, в том числе цементных суспензиях, микрогетерогенной составляющей бетонных смесей, происходит до тех пор, пока они не достигнут устойчивого максимального размера, соответствующего динамическому равновесию между формированием и разрушением агрегатов [95].

Рис. 2.6. Схема разрушения фрактальных кластеров при сдвиговых деформациях [95]: 1 – фрактальный кластер до сдвигающих воздействий; 2 – фрактальный кластер после сдвигающих воздействий

Исходя из вышеизложенного, можно сделать предположение, что сложность процесса течения и оценки поведения дисперсно-зернистых систем при

36

внешних воздействиях приводит к необходимости применения дополнительных микрореологических структурных характеристик, позволяющих получить данные о реальных изменениях, происходящих в их структуре с учетом фракталь- но-кластерных проявлений на различных масштабных уровнях. Реализация такого подхода позволит совместить результаты макро- и микрореологических исследований и дать оценку поведению систем в координатах «напряжение сдвига – скорость сдвига» и структурным построениям, характерным для исследуемых систем.

2.3. Реологические свойства цементного теста, растворных и бетонных смесей и основные технологические факторы, влияющие на их изменение

Общие вопросы реологии бетонных смесей были развиты в работах [97 – 100 и др.]. На основе этих исследований был решен ряд сложных технологических задач, связанных с использованием параметров реологических свойств бетонных смесей, проявляемых в условиях сдвига при воздействии рабочих органов агрегатов и устройств. Это такие задачи, как транспортирование бетонной смеси по трубопроводам при механическом и пневматическом нагнетании, процессы перемешивания, укладки и др.

Как показано в работе [23], основное влияние на реологические свойства бетонных смесей оказывают количество и реология цементного теста, так как именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует возникновению значительных сил молекулярного сцепления, обеспечивающих связанность системы. При этом цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры, формирующейся за счет межмолекулярного взаимодействия между частицами через возникающую на их поверхности сольватную оболочку, состоящую из адсорбционно связанной воды, на поверхности твердой фазы. Образующиеся на поверхности частиц цемента сольватные оболочки создают непрерывную пространственную сетку в структуре цементного теста, придавая ему свойство пластичности и способствуя течению системы при приложении внешних силовых воздействий. Обычно бетонные смеси содержат достаточное количество цементного теста и воды для создания сплошной среды. Наличие сил связи между дисперсными частицами твердой фазы и воды позволяет рассматривать бетонную смесь как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами. Реологические свойства таких дисперсно-зернистых систем определяются прочностными и деформативными свойствами их структур, устойчивостью твердообразных сред, кинетическими особенностями долговечности пространственных каркасов, развитием и реализацией межмолекулярных и надмолекулярных взаимодействий в коагуляционных, коагуляционно-конденсационных и кристаллизационных состояниях. Во всех этих состояниях таким дисперсно-зернистым системам присущ

37

комплекс упруговязкопластичных свойств с различным их специфическим весом, зависящим от состояния, определяющегося силами контактного взаимодействия между поверхностями твѐрдых тел, например коллоидных и макроскопических частиц [23].

Вместе с тем, изложенные выше представления не совсем полно описывают структурно-реологические свойства бетонных смесей на различных масштабных уровнях. Как известно, бетонные смеси представляют собой сложную многокомпонентную систему, имеющую в своем составе частицы, относящиеся как к микрогетерогенным (цемент, минеральные добавки, мелкая фракция песка, воздушные включения), так и к грубодисперсным (частицы песка и щебня) (рис. 2.7). Для случаев рассмотрения бетонной смеси в целом в работе [101] предложено относить их к связанным дисперсно-зернистым системам. Связи в них на ранних стадиях (до начала процессов схватывания и твердения) обеспечиваются межфазными и межчастичными взаимодействиями. Согласно класси-

ческим представлениям межфазные взаи-

терогенных систем определяются поверхностными явлениями, а грубодисперсных систем – их объемно-массовыми характеристиками, при рассмотрении реологических свойств бетонных смесей, в условиях динамических воздействий необходимо учитывать баланс сил, проявляющийся на различных масштабных уровнях и оказывающий существенное влияние на процессы формирования и переформирования структуры бетонной смеси и качество затвердевшего бетона. В работе [55] предполагается следующий механизм формирования и разрушения структуры бетонной смеси при сдвиге (рис. 2.8).

Первоначально, в области напряжений от нуля до предельного напряжения сдвига смесь проявляет упругие свойства, вязкое течение при этом отсутствует, что определяется межчастичными взаимодействиями в микрогетерогенной составляющей смеси, представленной частицами цемента, минеральных добавок, микронаполнителя. В данном случае в бетонной смеси в балансе сил ведущую роль играют поверхностные силы, преобладающие над инерционными. Проявляются межчастичные взаимодействия, способствующие формированию неоднородной, агрегированной – фрактально-кластерной структуры. Во

превышающих предельное напряжение сдвига, происходит разрыв упругих связей, охватывающих всю систему. Система переходит в текучее состояние, смесь обладает структурой с практически не нарушенными связями, с максимальной эффективной вязкостью ηmax. При напряжениях ≥ происходит полный разрыв связей и разрушение структуры с достижением при определенных величинах > минимальных величин эффективной вязкости ηmin. Это обеспечивается за счет относительного перемещения как в микрогетерогенной составляющей, сопровождающейся движением самих кластеров, так и взаимодействием кластеров с грубодисперсной составляющей бетонной смеси. При этом в балансе сил определяющую роль играют объемно-массовые и инерционные характеристики грубодисперсных составляющих смесей.

Рис. 2.8. Реологические кривые течения бетонной смеси: ηА – эффективная вязкость; τ0 – предельное напряжение сдвига

Из рассмотренных теоретических положений структурно-реологического поведения бетонных смесей можно сделать вывод о том, что для оценки их реологических свойств важно знать такие характеристики, как , , , ηmax, ηmin и др. Для определения этих характеристик используют специальные приборы – вискозиметры, которые по принципу действия делятся на несколько групп

(рис. 2.9) [23, 102].

39

Рис. 2.9. Схемы приборов для определения реологических свойств цементного теста и бетонной смеси [23]: а) по измерению скорости истечения смеси через отверстие; б) по измерению глубины проникания конуса; в) по измерению скорости погружения шарика; г) по измерению усилия выдергивания; д) по измерению усилия вращения коаксиальных цилиндров

1.Приборы, основанные на определении скорости истечения цементного теста или бетонной смеси через капилляр, трубку или отверстие определѐнной формы и размера. Измеряется время, необходимое для истечения бетонной смеси через отверстие. Если смесь начинает двигаться через отверстие, это означает, что напряжение больше, чем предельное напряжение сдвига. Следовательно, данный метод позволяет измерить величину, которую можно соотнести с вязкостью.

2.Приборы, основанные на измерении глубины проникания в цементное тесто или бетонную смесь конуса или иного тела (конический пластометр МГУ

идр.). Основой этого метода является то, что глубина проникновения какоголибо объекта зависит от предельного напряжения сдвига. Масса или сила, приложенная к проникающему объекту, позволяют измерить предельное напряжение сдвига системы. Такие приборы успешно используются для контроля качества и определения того, изменился ли состав бетонной смеси. Они также часто используются для определения времени затвердевания цементного теста и бетона.

3.Приборы, основанные на определении скорости погружения или всплывания шарика определенной массы и размеров (испытания обычно проводят при вибрировании смеси). Используются шарики различных диаметров. По результатам измерений можно рассчитать вязкость среды. Этот метод может быть рекомендован для измерения вязкости цементной суспензии. Однако он не рекомендуется для бетонов, так как диаметр шарика должен быть существенно больше, чем диаметр твердых частиц и агрегатов. В противном случае бетон не может рассматриваться как однородная среда, в которой шарик свободно падает.

4.Приборы, основанные на измерении усилия выдергивания из смеси рифленых пластинок, стержней или цилиндров. Эта вариация метода больше

40