Весьма важным свойством цементного геля, отлича­ющим его от обычных жидкостей, является сжимаемость под влиянием собственной массы и нормального давле­ния. Предположим, что в цилиндр с жесткими стенками уложен предварительно уплотненный слой цементного геля и он подвергается сжатию нормальным давлением, приложенным к поршню, плотно притертому к стенкам цилиндра. Если жидкость, содержащаяся в цементном геле, не имеет выхода из герметически замкнутой систе­мы (рис. 3.1), то деформация его не произойдет и пор­шень останется в прежнем положении. Сжатие слоя цементного геля означало бы, что объем пор, наполнен­ный жидкостью, уменьшился и она сжалась. Однако жидкость (вода) является телом практически несжимае­мым, а поэтому следует признать несжимаемым и це­ментный гель.

Поскольку в рассмотренном случае объем пор, запол­ненный жидкостью, не изменился, а частицы твердой фа­зы не деформировались, то очевидно, что они не воспри­няли приложенное давление Р, как это должно было произойти при сжатии сухого цементного порошка. Сле­довательно, остается предположить, что все нормальное давление Р было воспринято жидкостью, заключенной в порах цементного геля (система нейтральных давле­ний). В соответствии с этим гидростатическое давление должно возрасти на величину Р, а напор жидкости внут­ри цилиндра должен повыситься на величину h=PjРж, Что эквивалентно перемещению уровня воды до горизон­та b—расположенного выше начального а—а на вели­чину h.

Из приведенного следует, что цементный гель, нахо­дящийся под давлением Р, превышающим сопротивле­ние его структуры сжатию Ро, будет деформироваться
при условии, если произойдет отжатие воздуха и жидкости из пор цементного геля. В этом слу­чае после приложения давления вся нагрузка передастся на жид­кость; под влиянием разности напоров она начнет отжиматься из цементного геля наружу, а сечение и объем пор будут умень­шаться. По мере сжатия цемент­ного геля сближение частиц це­мента (внутреннее сопротивление его структуры) будут возрастать и оказывать реактивное дав­ление на поршень, а вместе с этим передаваемое на жидкость давление будет спадать. Таким образом, воз­никает динамический фильтрационный процесс, харак­теризующийся тем, что внешнее давление, вначале передаваемое на жидкость, постепенно начинает воспри­ниматься сольватированными частицами цемента.

Нормальное давление, передаваемое на жидкость, способствует сближению частиц до тех пор, пока внеш­нее давление не станет восприниматься пленочной жид­костью. С этого момента цементный гель может сжи­маться только в результате деформации сольватных оболочек, составляющих одно целое с частицами твер­дой фазы, т. е. в этом случае будет действовать система эффективных давлений.

При анализе физической природы взаимодействия между твердыми частицами и жидкостью в работе [3] показано, что давление в ней определяется двумя неза­висимыми слагаемыми:

1. Поверхностным давлением, обусловленным внут­ренними электромолекулярными силами взаимодействия между полярными молекулами жидкости и поверхностью твердой частицы. Поверхностное давление всегда поло­жительно.

2. Гидростатическим давлением, вызванным внеш­ним воздействием. Это давление подчиняется известным законам гидростатики.

Если жидкость заключена между твердыми частица­ми, тогда возникающее под влиянием внешней силы гидростатическое давление будет накладываться на по­верхностное давление и оказывать расклинивающее дей-

Рис. 3.1. Схема передачи давления на цементный гель

1 — жесткие стенки; 2 — це­ментный гель; 3 — поршень

Ствие, препятствующее сближению твердых частиц и выжиманию жидкости из промежутков между ними. Следовательно, можно полагать, что при сжатии цемент­ного геля внешней нор­мальной нагрузкой «рас­клинивающий эффект» должен вызвать пептиза - цию флокул и отчасти ускорить поверхностную диссоциацию минералов цемента на ионы. Следу­ет заметить, что принцип несжимаемости цемент­ного геля, помещенного в герметически замкну­тое пространство, соблю­дается в том случае, если на поверхности частиц твердой фазы не содер­жится защемленный воз­дух.

Влияние защемленного воздуха на сжимаемость це­ментного геля исследовали на компрессионном приборе, который позволял измерять величину сжатия цементно­го геля без вытеснения из него воды с точностью до 0,0185% при нормальном давлении до 10 МПа [9].

Результаты экспериментов приведены на рис. 3.2 в: кривые, показанные штрихом — при частоте 50 Гц и амплитуде 0,00067 м; кривые, показанные сплошной ли­нией— при частоте 100 Гц и амплитуде 0,0002 м. После виброобработки цементного геля до прекращения выде­ления воздушных пузырьков в нем остается определен­ное количество воздуха, адсорбированного на поверхно­сти цемента. Активизация коагуляционного уплотнения цементного геля при высокочастотной обработке способ­ствует большему вытеснению воздуха вследствие более полного обводнения поверхности твердой фазы в про­цессе дезагрегации флокул, чем при вибрировании с ча­стотой 50 Гц.

Под влиянием нормального давления некоторое ко­личество воздуха растворяется в воде, а часть остается адсорбированной на поверхности твердой фазы. После снятия давления деформация цементного геля частично восстанавливается вследствие упругого последействия
адсорбированного воздуха. Независимо от водоцемент - го отношения остаточная объемная деформация сос­тавляет примерно 64,5% полной деформации сжа­тия цементного геля. Максимальные деформации его проявляются при давлении 1,5—3 МПа, и при по­вторных испытаниях на сжатие они получаются почти упругими.

Из приведенного следует, что в общем случае комп­рессия цементного геля обусловливается не только одним отжатием жидкости из его пор, но и упругой деформа­цией воздуха, адсорбированного на частицах твердой фазы. Лишь при приложении внешнего нормального давления после высокочастотной обработки с частотой не менее 100 Гц защемленный воздух практически не оказывает влияния на компрессию цементного геля и это явление сопровождается только отжатием жидкой фазы. Это обстоятельство имеет особо важное значение при уплотнении цементного геля с малым водосодержа - нием, соответствующим А^ I, так как упругое последей­ствие сжатого воздуха несколько разуплотняет структу­ру цементного геля после снятия нормального давления.

Динамика сжатия цементного геля под действием внешнего давления может быть пояснена при помощи несколько видоизмененной механической модели Бюр - герса (рис. 3.3). Предположим, что в замкнутое прост­ранство с жесткими стенками помещен некоторый объем Vo цементного геля, механические свойства которого имитируют две параллельно подключенные системы, со­стоящие из цилиндров с поршнями и пружин неодинако­вой жесткости. Объем жидкости в цилиндре 1 относится к ее объему, заключенному между сольватированными частицами цемента, а жидкость, залитая до некоторой высоты цилиндра 2, соответствует количеству связанной воды в цементном геле. В этом цилиндре поршень поко­ится не на поверхности жидкости, как в цилиндре 7, а упирается в верхний конец пружины (рис. 3.3, а). За­крепленные с цилиндрами 1 и 2 пружины, характеризу­ющиеся жесткостями Ki и К2 при Ki»K2, символизиру­ют силу сопротивления структуры цементного геля, воз­никающего при сближении частиц твердой фазы. Этот процесс сопровождается уменьшением сечений пор, из ко­торых под влиянием нормального давления отжимается жидкость; она отводится по капиллярным трубкам, при­соединенным на разных уровнях к цилиндрам / и 2.

Рис. 3.3. Механическая модель сжимаемости цементного геля

Если к такой модели приложить нормальное давле­ние Р, то оно передастся сразу же на жидкость в ци­линдре 1. При Р, превосходящем суммарное внутреннее сопротивление (Р +К1+К2) > из цилиндра 1 начнет от­жиматься жидкая фаза, при этом пружина К не будет деформироваться (рис. 3.3, а). По мере увеличения внеш­него давления количество вытесненной жидкости из цилиндра 2 будет возрастать до тех пор, пока он не опо­рожнится. С этого момента внешнее давление начнут воспринимать пружина К и система (Р --К2) (рис. 3.3, б). Очевидно, что при данной ситуации сопротивле­ние модели сжатию сильно возрастет и давление Р, при котором может происходить отток жидкости из цилинд­ра 2, должно быть больше внутреннего сопротивления (/О+Р^+Дг). По мере увеличения внешнего давления сопротивление системы (Ki+P^+Kz) будет возрастать, а процесс отжатия жидкой фазы затрудняться. При до­стижении поршнем в цилиндре 2 предельного положения (рис. 3.3, в) дальнейший отток жидкости прекратится, так как она не сможет в этом случае поступать в отво­
дящую капиллярную трубку. На стадиях процесса комп­рессии (рис. 3.3,6 и в) значительной внешней нагрузке будут соответствовать малые деформации модели.

Таким образом, при сжатии вначале пружины /С2, а затем К из обоих цилиндров жидкость будет выдавли­ваться через трубки, а пружины будут воздействовать на поршни. Если разгрузить поршни, сняв с них внешнее давление, приложенное к модели, то они будут стре­миться расправиться и втянуть в цилиндры жидкую фазу из отводящих трубок. Однако этого не допустит вогну­тый мениск на концах трубок (образующийся под влия­нием упругого последействия пружин), который будет удерживать пружины в прежнем напряженном положе­нии с реакцией на поршни, равной силе сжатия. Вода придет в состояние натяжения, т. е. будет испытывать отрицательное давление (—Р), которое удержит пор­шень от движения вверх.

Механизм, фиксирующий пружины в сжато-деформи­рованном состоянии после разгрузки модели, выражает действие сил притяжения между частицами твердой фа­зы цементного геля при их сближении под влиянием нормального давления.

Изучение приведенной модели показывает, что по ме­ре увеличения внешнего нормального давления кинетика деформации цементного геля при Х>1 описывается компрессионной кривой, состоящей из двух сопряжен­ных ветвей: начальной—крутой, до 2 МПа, соответст­вующей процессу сближения сольватированных частиц при отжатии поровой и диффузной жидкости, и пологой (асимптотического вида), характеризующей уплотнение системы вследствие дальнейшей деформации (расплю­щивания) под давлением сольватных оболочек, частич­ного отжатия диффузной жидкости из цементного геля.

Полости, возникающие между сольватированными частицами, составляют сложную систему каналов с весьма малыми поперечными сечениями, создающими значительное сопротивление при течении жидкости. Истинная жидкость, какой является вода, проникает че­рез мельчайшие отверстия под влиянием силы тяжести. Следовательно, если в структурных ячейках содержалась чистая вода, то при сравнительно небольшом давлении она стала бы отжиматься из цементного геля сравни­тельно легко. Причем по мере уменьшения сечений структурных каналов отжатие воды продолжалось бы

До непосредственного соприкосновения сольватирован - ных частиц. В действительности же, как это показывают результаты опытов, если внешнее давление не повы­шать, отжатие жидкости сразу же прекращается, так как устанавливается равновесие между внешним давле­нием и суммой сил внутреннего сопротивления, препят­ствующих вытеснению жидкости из поровых каналов цементного геля.

Все это свидетельствует о том, что жидкой фазой в цементном геле является не вода, а ионный раствор, образующийся при диссоциации цементных частиц. Дей­ствие ионов на молекулы воды сопровождается перерас­пределением зарядов в них вследствие смещения элект­ронов в зависимости от их плотности, что обусловливает увеличение эффективного положительного заряда на протоне молекулы воды, т. е. ведет к усилению водород­ной связи между ними. Таким образом, вода в растворе может рассматриваться как неоднородная среда, состоя­ние и молекулярная структура которой определяются находящимися в растворе ионами. Если ионный раствор заключен в мельчайших капиллярных каналах, то вяз­кость его значительно возрастает под действием силовых полей твердой фазы, приближаясь к прочносвязанной воде (жидкости). Следовательно, к отжимаемой под дав­лением из цементного геля жидкости законы гидродина­мики могут быть применимы лишь условно.

Как уже было показано ранее, течение структуриро­ванной системы происходит при напряжениях сдвига т больше то. Однако этого условия в данном случае недо­статочно, так как из-за неправильной геометрической формы проводящих жидкость каналов, сечения которых уменьшаются с увеличением давления Р, возникают до­полнительные сопротивления течению жидкости.

Если обозначить через Р0 величину внутреннего со­противления (расклинивающего давления); / — длину проводящего канала; Кс — дополнительные потери на­пора при движении жидкости (ионного раствора) и при­нять, что площадь живого сечения канала равна ad2Jn и периметр его — bdlJn, тогда, согласно обозначениям, условие равновесия действующих сил при отжатии жид­кости из цементного геля может быть записано в следу­ющем виде [4]:

А (Р + Р0) Dfl - Ь Кс LdlJn т0 = 0. (3.17)

Решая (3.17) относительно (Р+Р0) — гидростатическо­го давления, возникающего в цементном геле под влия­нием нормального внешнего давления Р, получим

Где Л= —; Dx — диаметр канала; а и B — коэффициенты. А

При отсутствии внешнего давления Р = 0, Dx—DО, Тогда

= О..Ц

Где Do—условный диаметр канала до приложения внешнего дав­ления.

Разделив выражение (3.19) на (3.18), определим

Dx/d0 = [P0/(P + PQ)]n. (3.20)

При сжатии цементного геля пористость его умень­шается и тем значительнее, чем больше нормальное дав­ление. При этом каждой величине Р соответствует опре­деленная конечная пористость цементного геля. Если обозначить предельную величину коэффициента порис­тости через С, то изменение коэффициента пористости ег в зависимости от нормального давления может быть представлено в виде

Sr = C + rd2x, (3.21)

Откуда

'"V'-^r- <«2>

До приложения нормального давления 8г=его и Dx— = D0, где (вго и Do — начальный коэффициент пористости и диаметр канала соответственно имеем

8рп — С

~----- . (3.23)

По

Подставив в уравнение (3.20) соответствующие значе­ния для Do и Dx, получим

Ег — £ Рр Его — С~[Р + Р0

Ег = С + (его — С) -

(3.24)

Приняв, согласно [81], что я = 0,09, формулу (3.24) пе­репишем в следующем виде:

Г Ро 1°'

(3.25)

Вг = С + (гг0-С)

Р + Р{

Если Р->оо, тогда а при Р —0, 8г=гго, т. е. в

Предельных случаях выражение (3.25) отвечает физи­ческому смыслу, предпосланному его выводу.

Из рис. 3.4 видно, что внутреннее сопротивление Ро структуры цементного геля сжатию зависит от значений X. Максимальная величина Р0 соответствует Х=0,876 и с увеличением водосодержания в цементном геле Р0 уменьшается, достигая минимума при Х=1,65. При X — = 1, когда между сольватированными частицами заклю­чена жидкость, Р0 примерно в 3,6 раза меньше, чем при Х=0,876. Это объясняется действием гидростатического давления, возникающего в «свободной» жидкости под влиянием внешнего нормального давления и оказываю­щего расклинивающее действие на структуру цементно­го геля, т. е. снижающего его сопротивление сжатию.

В общем случае после - предварительного вибрацион­ного уплотнения сжимаемость системы цемент + вода в диапазоне X от 0 до 1,65 зависит от того, адсорбирова­ны ли на поверхности частиц цемента воздух (газ) или вода (рис. 3.5). Наибольшая сжимаемость характерна для «сухого» цементного порошка. По мере добавления воды возрастает контракционное уплотнение системы и уменьшается сжимаемость под действием внешнего дав­ления. При Х=0,876 достигается максимальное сближе­ние цементных частиц и соответственно снижается сжи­маемость цементного геля под давлением. С увеличением содержания воды цементный гель как бы разрыхляется и сжимаемость его под давлением возрастает.

Под действием нормального давления воздух, нахо­дящийся в порах, вначале сравнительно легко удаляет­ся, однако с уменьшением сечений пор происходит его

О 0J 0,2 0,3 Ofi В/Ц Рис. 3.5. Сжимаемость объема системы цемент-[-вода в зави­симости от ВЩ нач

0,1 огз 0,4 W дЩчач

И 0,6

Рис. 3.4. Сопротивление сжа­тию структуры цементного ге­ля при различных значениях (ВЩ) нач И X

Ю

О г

30

50 Р, МП а

Рис. 3.6. Влияние прессующего давления на (ВЩ)0Ст цементного

Геля

Кривые 1, 2 и 3 соответствуют (В/Ц)пач> равному 1,65КН Г'Л г и 0,876КН

«защемление». С этого момента сближение частиц це­мента под действием нормального давления может про­исходить лишь в результате сжатия «защемленного» воздуха. При адсорбции жидкой фазы на частицах це­мента воздух постепенно вытесняется из межзерновых пространств и с поверхности частиц, возрастает связ­
ность цементного геля, сопровождающаяся спонтанной контракцией его объема и тем самым уменьшается сжи­маемость системы под действием внешнего давления.

Для того чтобы определить значение С в формуле (3.25), рассмотрим экспериментальные зависимости (В/Ц)ост от (В/Ц)Нач и величины прессующего давления, выражающиеся семейством параллельных кривых. Из рис. 3.6 следует, что при одинаковых прессующих давле­ниях Р значения (В/Ц)осТ тем больше, чем больше вна­чале содержалось воды в цементном геле. Например, при (В/Ц)Нач=0,462, Х=1,65 под давлением Р = 2 МПа в цементном геле устанавливается (В/Ц)осТ = 0,24, т. е. такая же структурная плотность цементного геля, как и при Х=0,876 (кривая 1). Между тем при (В/Ц) нач= — 0,28 такое же (В/Ц)осТ достигается под давлением Рж0,25 МПа, что близко к значению Р0 — 0,22 МПа (кривая 2).

С увеличением прессующего давления происходит дальнейшее отжатие жидкости, однако этот процесс про­текает более замедленно. Компрессия цементного геля не может продолжаться бесконечно; она должна будет прекратиться в тот момент, когда на поверхности частиц останутся лишь адсорбционные слои жидкости, настоль­ко прочно связанные с твердой фазой, что сжать их при сколь угодно большом прессующем давлении окажется невозможным.

Обобщая приведенное, отметим, что между (В/Ц)0с? И прессующим давлением Р существует такая же функ­циональная зависимость, как между усилием и дефор­мацией в реальных твердых телах (материалах). Разни­ца заключается в том, что цементный гель сжимается (деформируется) медленно и постепенно, тогда как уси­лие, приложенное к твердому телу, почти мгновенно вы­зывает соответствующую деформацию.

Механизм отжатия адсорбционно связанной жидко­сти с поверхности частиц цемента представляет значи­тельный интерес и на нем следует остановиться подроб­нее. На рис. 3.7 приведена схема для пояснения этого явления. Частицы цемента (показаны черным) изобра­жены здесь с примыкающими к ним пленками жидкости, заштрихованными наклонными линиями, а «свободная» жидкость — параллельными пунктирными штрихами.

Допустим, что нормальное давление Р приложено к двум взаимосоприкасающимся своими пленками частицам

А) Рис. 3.7. Модельное изображение процесса отжатия из цементного геля адсорбционно-связанной жидкости

(рис. 3.7, а). В этом случае пленки будут испытывать действие двух противоположно направленных силовых полей: поверхностно-активных сил, создающих по тол­щине пленки определенную систему ориентации диполей молекул воды и сжимающего усилия от внешнего дав­ления, способствующего их дезориентации и сближению цементных частиц. Частицы могут сблизиться в том слу­чае, если в местах контакта пленки сплюснутся (рис. 3.7, б), что возможно при отжатии их поверхностных слоев, поскольку прессование цементного геля осущест­вляется без его поперечных деформаций (препятствуют жесткие стенки пресс-формы). Выдавливание жидкости при ориентированных диполях воды, т. е. при дипольном угле более 105°, может произойти, когда он вновь будет соответствовать недеформированной структуре молекулы воды. Следовательно, действие поля сил от внешнего давления прежде всего должно способствовать восста­новлению структуры молекулы воды — снижению вяз­кости ее до вязкости обычной воды, так как только при этом условии может отжиматься жидкость из цементного геля.

По мере увеличения внешнего давления напряжен­ность внутреннего поля сил возрастает и молекулы воды с деформированной дипольной структурой [46] могут переходить в обычное их состояние и затем отжиматься из цементного геля. Одновременно с этим при сближе­нии частиц силы взаимодействия между ними возрас­тают настолько, что они начинают превосходить силы отталкивания. В связи с этим частицы удерживаются на достигнутом расстоянии, а промежутки между ними по­сле снятия внешней нагрузки остаются заполненными жидкостью (рис. 3.7,6, в). Уплотнение цементного геля под давлением сопровождается также частичным вытес­нением и сжатием (компрессией) газов (воздуха), ад­сорбированных на поверхностях твердой фазы, поэтому после прессования проявляется упругое последействие, вызывающее некоторое разуплотнение структуры це­ментного геля.

При сближении частиц под давлением даже после его снятия остаточные слои пленочной жидкости продол­жают испытывать значительные сжимающие усилия, обусловленные взаимодействием соседних частиц. В ре­зультате наложения противоположно направленных си­ловых полей снижается плотность и вязкость пленочной жидкости, адсорбированной на поверхности цементных частиц.

Таким образом, можно заключить, что под влиянием внешнего давления высвобождается ранее экранирован­ная сравнительно толстыми пленками воды избыточная поверхностная энергия, которая способствует проявле­нию более сильного взаимодействия между частицами. Этому предшествует редеформация ориентированных вокруг частиц дипольных структур молекул воды, до­стигается постепенный, по мере увеличения внешнего давления, переход ее в обычное состояние и создаются условия для отжатия жидкости (ионного раствора) из цементного геля.

Проанализируем теперь, в какой мере уравнение (3.25) отражает описанный выше механизм уплотнения цементного геля при различных внешних нормальных давлениях.

Согласно рис. 3.6, при (В/Ц)шч=0,462 (Кнг=0,28, Ри = 2,59 г/см3, Р0=0,00075 МПа и 8го=0,98) и Р = — 2 МПа структурная плотность цементного геля при­мерно соответствует его аналогу при 0,876, т. е. ег = = 0,423. На этом основании можно написать следую­щее уравнение:

0,423 = С + (0,98 — С) [0,00075/(2 + 0,00075)]°'18.

Отсюда находим, что С = 0,245. При (В/Ц)осТ = 0,24и ег=0,423 определим по формуле (3.12) плотность жид­кости в прессованном цементном геле:

Рж = (0,24-2,59)/0,423 = 1,47 г/см^. Аналогичным образом можно вычислить ег и рж для остальных величин Р (10, 30 и 50 МПа), при которых экспериментально определены значения (В/Ц)ост' Р= 10 МПа, 8р = 0,245+ 0,735.0,177 = 0,375 и

Рж = (0,186• 2,59)/0,375 = 1,29 г/см*;

Р = 30МПа, 8р = 0,245 + 0,735-0,149 = 0,354 и рж = (0,165• 2,59)/0,354 = 1,21 г/см3;

Р = 50 МПа, 8р = 0,245 + 0,735-0,135 -- 0,344 и рж =(°. 15 • 2,59)/0,344 = 1,13 г/см3.

Из приведенных примеров следует, что при увеличе­нии прессующего давления процесс отжатия из цемент­ного геля жидкости сопровождается, как об этом было сказано, уменьшением ее плотности. Следовательно, формулы (3.25) и (3.12) в принципе правильно отража­ют физику фильтрационного процесса жидкости, отжи­маемой под давлением из цементного геля и ему подоб­ных дисперсионных систем.

Таким образом, для определения значений ег при прессовании под давлением Р>0,065 МПа цементного геля с (В/Д)нач>Д'н. г формула (3.25) получит вид:

8р = 0,245 + (8Г0 — 0,245) [Р0/(Р + Р0]°'18. (3.25)

По коэффициенту С = 0,245 нельзя вычислять значения 8Г при (5/Д)нач>^Сн. г и давлениях Р>0,065 МПа, так как в этих случаях кинетика отжатия жидкости обус­ловливается в основном деформацией структуры ориен­тированных молекул воды вокруг частиц цемента. Пре­дельный случай, когда ориентированная структура молекул воды практически еще не изменяется под дейст­вием давления, соответствует отжатию жидкости из це­ментного геля при (ВЩ)иач=Кя. г и Р — 0,22 МПа. Учи­тывая, что при этих параметрах (В/Ц)осТ = 0,876 Кн. г, Значение коэффициента С можно вычислить по следую­щему условию.

Известно, что при (В/Д)нач=0,25; /Сн. г=0,25; Р0= = 0,065 МПа; ри=2,69 г/см3 и Р = 0,22 МПа коэффици­ент пористости 8Г должен быть равным 0,394. На этом основании можно написать:

0,394 = С + (0,475 — С) [0,065/0,22 + 0,065]°'18.

Отсюда находим С = 0,133. Нетрудно убедиться в том, что и при других аналогичных начальных условиях по­лучим этот же результат.

Таким образом, для (В/Ц)и^ч^Кн. т и Р=0,065 МПа формула (3.25) будет иметь вид:

8Г = 0,133 + (ег0—0,133) IP о / [Р + Р0)°'18. (3.256)

Пример. При (£/#)нач = 0,3; Р0=0,065 МПа; ри = =2,48 г/см3 и 8го=0,524 имеем

Ег = 0,133 + (0,524 — 0,133) 0,769 = 0,433;

По формуле (3.12), (ВЩ)0СТ = 0,263, получим рж = = 1/1,5Х (0,263.2,48) = 0,433.

Аналогичным образом можно рассчитать 8Г и {В/ Щ) ост для других видов портландцемента, отличаю­щихся значениями /Сн. г, и подтвердить, что при Р— = 0,22 МПа в цементном геле сохраняется оптимальное влагосодержание /Соп=0,876 Кн. т - Пользуясь формула­ми (3.256), (3.12) и рис. 3.6 нетрудно показать, что при прессовании под давлением Р>0,22 МПа отжатие жид - кости из цементного геля сопровождается редеформаци - ей структур адсорбированных молекул воды на поверх­ности цементных частиц (табл. 3.2).

ТАБЛИЦА 3.2 ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЛИЧИН 8р И Рж, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО ФОРМУЛАМ (3.25, б) И (3.12) ПРИ Кн. г =0,28 Р, МПа (В/Ц) пач 0,462; его=0,98 (Б/Ц)нач 0,28; его=0,514 В/Цнач 0.246 его=0.423 8г Рж, г/см3 Ъ О 3 CQ ■ Ег Рж. Г/см3 Н О о 3 CQ 8г Рж, Г/см3 Н С: с 3 Ш 2 10 30 50 0,423 0,375 0,354 0,344 1,47 1,29 1,21 1,13 0,24 0,186 0,165 0,15 0,339 0,301 0,26 0,248 1,49 1,38 1,34 1,3 0,195 0,162 0,135 0,125 0,328 ' 0,278 0,253 0,242 1,42 1,305 1,28 1,23 0,18 0,14 0,125 0,115

При анализе значений рж обращает на себя внима­ние любопытная деталь, что при одинаковых прессую­щих давлениях остаточные плотности жидкости при (В/Ц)Нач=0,462 меньше, чем при (В]Ц) нач, равных 0,28 И 0,246. Казалось бы, в первом случае значения рж дол­жны были быть выше, так как больше жидкости оста­ется в прессованном цементном геле. По всей вероятно­сти, объяснить это можно тем, что при высоком водо - содержании и Р>2 МПа в процессе отжатия жидкости возникают турбулентные явления, способствующие пе­реводу деформированных структур молекул воды в обычное их состояние. Во всяком случае важно отме­
тить, что формулы (3.25) и (3.12) отражают не только качественно, но и количественно сложные физико-химические явле­ния, связанные с адсорб­цией воды на поверхно­сти цементных частиц и редеформацией ее моле­кулярных структур под влиянием прессующего давления.

При (В/Ц) нач Жп. Т Отжимать жидкость из цементного геля под дав­лением более 0,22 МПа нецелесообразно, и в технологических процессах это вряд ли осуществимо. Практический смысл имеет прес­сование бетонной смеси, в которой цементный гель ха­рактеризуется (В/Ц) нач, равным Кн. г ИЛИ Кот так как При этих его значениях достигается наиболее высокая прочность и минимальная пористость цементного кам­ня (бетона). Поэтому для описания процесса прессова­ния цементного геля под большими давлениями инте­рес может представить формула (3.256).

При вибрировании, вакуумировании, центрифугиро­вании уплотнение цементного геля с (В/Д)Нач>/Си. г обу­словливается отжатием из него жидкости под давлени­ем, не превосходящим обычно Р=0,065 МПа. Для ре­шения таких технологических задач может быть также использована формула (3.25а). В этом случае уплотне­ние цементного геля будет происходить в результате отжатия жидкости, защемленной между сольватирован - ными цементными частицами и их «свободного» взаим­ного сближения, поэтому предельным значением коэф­фициента С может считаться еГ.н, т. е. значение его, со­ответствующее цементному гелю нормальной густоты. На этом основании при (В/Ц)ЯАЧ^>Кя. г и Р^0,065 МПа формула (3.25) будет иметь вид:

Ег = еГ. н + (еГо - *г. и) РьКР + ^о)]°'18. (3,25в)

Рассмотрим в этой связи несколько характерных приме­ров, относящихся к центробежному уплотнению цемент­ного геля.

Рис. 3.8. Зависимость рж от коэф­фициента пористости 8Г при раз - личных значениях Кн. г / — 0,3; 2 — 0,27; 5 — 0,24

Пример 1. При исходных параметрах: /Сн. г=0,3;

{В/Ц) нач = 0,5; 8Го=1,02; ри=2,48 г/см3; Р0 = = 0,00075 МПа и Р = 0,045 МПа установлено, что (5/Z() Ост = 0,39.

По формуле (3.25, в) определим

Ег = 0,524 + (1,02 — 0,524) [0,00075/(0,045 + 0,00075)]°'18 = 0,753;

При 8Г=0,753 и рж—1,28 г/см3 (см. рис. 3.8).

(ВЩ) ост = 1,28-0,753/2,48 = 0,39.

Пример 2. При исходных данных, приведенных в при­мере 1, но для Р=0,054 МПа; (В/Ц)осТ = 0,38, следо­вательно:

Ег = 0,524 + (1,02 — 0,524) [0,00075/(0,054 + 0,00075)]°'18 = 0,745;

При ег=0,745 и рж= 1,27 г/см3 будем иметь

(В/Ц) ост = 1,27-0,745/2,48 = 0,38.

Пример 3. При исходных параметрах, приведенных в предыдущих примерах, и Р = 0,145 МПа эксперимен­тально установлено, что (В/Ц)0Ст=0,29. По формуле (3.25а) получим

Ег = 0,245 + (1,02 — 0,245) [0,00075/0,145 + 0,00075]°'18 = 0,561;

При ег = 0,561 и рж= 1,33 г/см3

(В/Ц) ост = 1,33-0,561/2,48 = 0,298.

Пример 4. При центрифугировании цементного геля со следующими характеристиками: /Сп. г = 0,28; (В/ /Д)нач=0,372 (Z=l,4); его = 0,823 и Р0=0,0034 МПа после отжатия жидкости под давлением Р=0,22 МПа (В/Ц)ост = 0,28.

По формуле (3.25а) определяем

Ег = 0,245 + (0,823 — 0,245) [0,0034/0,22 + 0,0034]°'18 = 0,517;

При 8Г = 0,517 и рж=1,41 г/см3 имеем

(В/Ц)ост = 1,41 -0,517/2,59 « 0,28. Пример 5. При исходных данных, соответствующих примеру 4, и Р = 0,145 МПа после центробежного уп­лотнения цементного геля определено, что (В/Ц)осх = = 0,297, т. е. (В/Д)ост = 1,05 /Сн. г. По формуле (3.25а) получим

Ег = 0,245 + (0,823 — 0,245) [0,0034/0,145 + 0,0034]°'18 = 0,537; при 8Г=0,537 и рж—1,46 г/см3 (см. рис. 3.8). В/Ц)ост = 1,42-0,537/2,59 = 0,292, т. е. X = 0,292/0,28 = 1,046.

Приведенные расчеты показывают, что для всех рас­смотренных случаев уплотнения цементного геля при нормальном давлении формула (3.25) и ее частные вы­ражения дают вполне приемлемые по точности резуль­таты, а поэтому она может быть широко использована при решении разнообразных технологических задач.

Следует отметить, что закономерность изменения (В/Я)Ост в зависимости от начального его значения со­храняется и при давлениях Р^0,065 МПа, т. е. чем боль­ше воды содержится в цементном геле, тем больше ее остается в нем после прессования. В этой связи следует также обратить внимание на отсутствие прямой пропор­циональности между (В/Ц)Нач и Р. Из рассмотренных примеров видно, что одинаковые значения (В/Я) осТ мо­гут быть получены при уплотнении цементного геля с различными (В/Я) нач и значительно отличающимися по величине прессующими давлениями. Например, при прессовании цементного геля с (В/Ц)Нач= 0,462 и 0,372 (/Сн. г=0,28), значение (В/Ц) ост = 0,28 достигается при Р=0,9 МПа (см. рис. 3.6) и Р=0,22 МПа (пример 4) соответственно. Это обстоятельство еще раз подтверж­дает сделанный вывод о том, что уплотнение цементно­го геля под большими давлениями имеет смысл только при (В/Ц) нач=Кн. г или Коп- Во всех остальных случаях, когда (В/Я) нач>Кн. г, прессующее давление не должно превосходить 0,22 МПа.

По рассчитанным значениям ег можно строить ком­прессионные кривые в виде зависимости ег=Мего, Такие кривые, соответствующие данным табл. 3.2, при­ведены на рис. 3.9.

145

Сравнивая рис. 3.9 с рис. 3.6, усматриваем, что ха­рактер компрессионных кривых идентичен кривым, вы­ражающим изменение (В/Я) ост в зависимости от (В/Я)Нач и Р. Компрессионные кривые состоят из двух характерных ветвей АВ и ВС. Наиболее интенсивное изменение величины ег под влиянием давления проис­ходит на участке АВ, т. е. до Р—2 МПа, в пределах ко­торого фильтрационный процесс характеризуется глав­ным образом отжатием защемленной жидкости и сплю­щиванием диффузных слоев. Следовательно, точку В, соответствующую Р = 2 МПа, можно считать критери­альной, до которой (В/Я) ост сохраняет еще свой физи­ческий смысл технологического параметра, предопреде­ляющего пористость цементного геля при начальной

10—634

Рис. 3.9. Компрессионные кривые цементного геля под давлением 1, 2 и 3 при (Я/Д)нач, равных 1,65КН г; Кн г и 0,876КН г соответственно

Плотности адсорбированной жидкости рш (см. табл. 3.2), т. е. когда адсорбционный процесс обусловлен действием только поверхностно-активных (поляризационных) сил.

Практически прямая пропорциональность между ег и Р наблюдается на участке ВС, в пределах которого отжатие жидкости из цементного геля происходит в ос­новном в результате редеформации дипольной структу­ры воды. Естественно, что физико-механические свойства прессованного цементного камня не могут быть выра­жены только в функции от (В/Ц) ост, так как порис­тость цементного геля в значительной степени опреде­ляется не только указанным технологическим парамет­ром, но и остаточной плотностью жидкости, зависящей от ее начальной величины и приложенного внешнего давления.

При решении технологических задач в ряде случа­ев возникает необходимость численно оценить деформа­цию сжатия объема цементного геля. Пользуясь форму­лами для 8Г и компрессионными кривыми, найдем аналитическое выражение, по которому можно будет рас­считывать относительную деформацию сжатия объема цементного геля в зависимости от прессующего давле­ния.

Выделим некоторый объем цементного геля в виде столбика с площадью поперечного сечения, равной еди­нице, и высотой H0. Допустим, что до приложения сжи­мающего давления коэффициент пористости равен его, а после деформации высота столбика уменьшалась до - /г, т. е. Ah = H0—H, и коэффициент пористости стал sr. При­нимая во внимание, что в процессе сжатия цементного геля объем твердой фазы изменяется пропорционально ДЛ, можно составить пропорцию:

Лв/0 + егв) = Л/(1+ег).

Преобразуем эту пропорцию в следующий вид:

К — H/H0 = (ег0 — ег)/(1 + его),

Откуда найдем, что

ВР = Л/Ho (1 — вро) — 1. (3.26)

Обозначим относительную деформацию сжатия цемент­ного геля через 8Х, в таком случае Л = Ло(1 —6Х).

Подставляя последнее выражение в (3.26), получим Ег = (1 - вас) (1 +еГо) — U

Отсюда

6х = его — 8г/1 + 8го. (3.27)

Подставляя значение ег из (3.25) в (3.27), в общем ви­де будем иметь

= (его - С)!( + ег0) [1 - (Р0/(Я+Яо))0'18]- (3.28)

В соответствии с формулами (3.25а), (3.256) и (3.25в), при различных условиях прессования цементного геля получим:

1) при Р>0,065 МПа и (ВЩ)нач>/Сн. г

= (8го — 0,245)/(1 + ёг0) [1-(Р0/(^ + Ро))0,18]; (3.28а)

2) при Р>0,065 МПа и (Я/Д)нач<Кн. г

6* = (8го - 0,133)/(1 + 8Г0) [1 - (Р0/(Р + Ро))0'18]; (3.286)

3) при Р^0,065 МПа и (В/Ц) нач > Кит

= (8Г0 - 8г. н)/(1 + 8Г0) [1 - (Р0/(Р+Ро))0'18]. (3.28В)

Кривые относительной деформации предварительно виброуплотненного цементного геля для значений (ВД)нач, равных 0,462; 0,28 и 0,246 (Кн. г=0,28), по­строенные по данным формул (3.28а) и (3.286) в диапа­зоне Р от 0 до 50 МПа, и экспериментальные данные (обозначены кружками), полученные при испытании це­ментного геля в компрессионном приборе, приведены на рис. 3.10.

Геометрическая интерпретация функции бж = фк(Р) выражается семейством параллельных кривых, каждая

10* 147

/д 0,3 0,2 OJ

О 2

10

30

50 Р МПа

Рис. 3.10. Относительные деформации цементного геля при различ­ных прессующих давлениях

2 и 3 при (В/Ц) нач, равном 0,462; 0,28 и 0,246 соответственно 1.МПа к

					"""I !
		2			!
	■

Й 0г2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,1 Р}МПа

Рис. 3.11. Пласти­ческая прочность при сжатии запрес­сованного цемент­ного геля

1 — кривая деформа­ции; 2 — кривая пла­стической прочности при сжатии

Из которых соответствует определенному значению (В/Ц) нач. Для портландцементов, отличающихся водо - потребностью, т. е. Кн. г, изменения относительной дефор­мации сжатия цементного геля в функции (В/Ц)яАч и Р описываются аналогичными кривыми, сдвинутыми по отношению к изображенным на рис. 3.10 в ту или иную сторону. И в этом случае при более низкой водопотреб- ности цемента и прочих равных условиях относительная деформация 8Х цементного геля меньше, чем при боль­шем Р по причине, отмеченной ранее.

Результаты механических испытаний запрессованных образцов цементного геля при (В/Ц)и{ХЧ = Кн. т на одно­осное сжатие при различном нормальном давлении по­казали, что предел прочности распалубленных образцов при сжатии изменяется по такому же экспоненциально­му закону, как и функция 8х — щ(Р). Например, це­ментный гель, предварительно запрессованный под дав­лением 1 МПа, характеризуется пределом прочности при сжатии, равным 0,6 МПа, а при Р = 2 МПа — толь­ко 0,67 МПа (рис. 3.11).

Обобщая изложенное, приходим к выводу, что порис­тость уплотненного под давлением цементного геля оп­ределяется не начальным, а остаточным водоцементным отношением, зависящим от водопотребности цемента. Нормальное давление, способствующее отжатию жидко­сти и воздуха, а также сближению вследствие этого ча­
стиц твердой фазы активизирует силы взаимодействия между ними и тем самым стимулирует формирование высокоплотной и прочной коагуляционной структуры цементного геля.

Уплотненный под давлением цементный гель при (ВЩ) ост менее 0,876 Кп.Г не проявляет обратимых тик - сотропных свойств, так как между цементными частица­ми настолько возрастают внутренние силы взаимодейст­вия, что при разрушении они не могут самопроизвольно восстанавливаться. В указанном случае «тиксотропия» будет выражаться необратимым разрушением структу­ры цементного геля. На этом основании можем заклю­чить, что любое внешнее воздействие может вызвать уплотнение цементного геля лишь в том случае, если возникает прессующее давление определенной величины. При этом прессующее давление следует рассматривать как стимулятор уплотнения, способствующий преодоле­нию сил отталкивания при сближении частиц и увеличе­нию прочности связи между ними. В конечном же итоге уплотнение цементного геля достигается за счет сближе­ния частиц цемента, при котором возникает более высо­кий энергетический уровень взаимодействия между ни­ми, чем до приложения внешнего нормального давле­ния.

В предыдущих главах было показано, что при спон­танном формировании структуры цементного геля пори­стость его, определяемая количеством содержащейся в нем воды, косвенно характеризуется весовой влажно­стью, т. е. ВЩ. Между тем зависимость физических свойств цементного геля от ВЩ носит частный харак­тер и в общем случае она может быть сформулирована так: физико-механические и деформативные свойства цементного геля, а также цементного камня и бетона предопределяются при прочих равных условиях сте­пенью сжатия (контракции) объема цементного геля на стадии формирования его коагуляционных структур под влиянием внешнего прессующего давления, способству­ющего упрочнению сил внутреннего взаимодействия ме­жду частицами цемента.