СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЗВЕШИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕМЕНТНОГО ГЕЛЯ
Структурные связи, образующиеся в цементном геле, создают дополнительное сопротивление погружению в него твердого тела (зерен заполнителя).
В отличие от нормальных жидкостей, подчиняющихся закону Архимеда, взвешивающая или поддерживающая сила (несущая способность) цементного геля — величина переменная, зависящая от степени связности системы и от состояния, в котором она находится: в движении или покое, поэтому следует различать статическую и динамическую взвешивающую способность цементного геля.
Статическая взвешивающая способность определяется сопротивлением цементного геля сдвигающим силам, возникающим при медленном погружении тела под действием собственной массы.
Погружение тела может происходить при условии, если масса тела за вычетом массы вытесненного им объ
ема цементного геля будет больше предельного напряжения сдвига.
Допустим, что при погружении зерна шарообразной формы сопротивление сдвига преодолевается по всей поверхности его соприкосновения с цементным гелем. Пренебрегая силой поверхностного натяжения жидкой фазы как величиной ничтожно малой по сравнению с to, запишем условие погружения шара в цементный гель [86]:
4я4Т0<4/ЗЯ4(7ш-7г),
Откуда
^(7ш-7г)>т„; (2.69)
С1щ, ут—диаметр и объемная масса шара соответственно.
Форма зерна песка, щебня или гравия может значительно отличаться от шарообразной, поэтому погружение их в цементный гель под влиянием собственной массы происходит при больших сопротивлениях, чем шарообразных зерен. Для приближения к реальным условиям влияние формы может быть учтено соответствующим коэффициентом. Ф. Зерна песка и более крупных фракций имеют обычно форму, близкую к овоиду или эллипсу и реже плоскую, в связи с чем коэффициент Ф изменяется в пределах от 1,1 до 2.
С некоторыми допущениями коэффициент Ф может быть выражен отношением большего размера зерна в поперечнике — rfmax к меньшему — DmIn, т. е.
Ф = <*пшхЛ*т1п. (2.70)
Обозначив через Dyc— условный диаметр зерна по ситовому анализу и определив Ф, связь между Dvc и эквивалентным диаметром шара — Dm можно записать в следующем виде:
DyG = Ф^ш или = . (2.71)
Если подставить вместо Dm его значение в (2.G9), то условие погружения зерен различной крупности с объемной массой у3 в цементный гель можно переписать в виде
8* |
115 |
^Vc > 6Фт0/(гз-Гг). " (2.72)
При прочих равных условиях взвешивающая способность цементного геля зависит от адсорбционной способности (водопот - ребности) цемента — Кн.г и общего водосодержания, которое удобно выражать через XKlhV. Характер зависимости, соответствующей условию (2.72) имеет вид, аналогичный функции т0 от X, что свидетельствует о превалирующем влиянии на процесс погружения зерен различной крупности структурной прочности цементного геля (рис. 2.23).
1 1,з 1,65 |
Судя по рис. 2.23, погружение зерен различной крупности в цементный гель в ряде случаев либо вовсе не происходит или весьма затруднено. Для того чтобы Рис. 2.23. Статическая этот процесс стал возможным, Взвешивающая способ- необходимо разрушить структурНость цементного геля ные связи соответствующим механическим воздействием (например, вибрированием), способным разжижить цементный гель. Если в цементный гель, заключенный в емкость (сосуд), поместить зерно песка или щебня определенной массы и затем воздействовать вибрацией, то при разжижении цементного геля создадутся благоприятные условия для погружения в него зерна под влиянием собственной массы и инерционной силы. Погружение зерна начинается не сразу, а после установления вынужденных колебаний частиц в цементном геле, при этом зерна песка или щебня в этот процесс не будут вовлекаться из-за несоизмеримости их массы с массой цементных частиц. Зерно с определенной скоростью, зависящей от его массы и вязкости цементного геля, будет погружаться до тех пор, пока в нем при отключении источника колебаний (вибрации) не наступит новое состояние структурного равновесия. Опустившееся на некоторую глубину зерно затем остается на этом же уровне и не всплывает, принимая исходное положение, так как этому препятствуют восстановившиеся структурные связи цементного геля.
Экспериментальные исследования динамической взвешивающей способности цементного геля, проведенные при различных режимах вибрирования (табл. 2.3), показывают, что скорость погружения зерен одинаковой массы и формы зависит от структурной плотности и полноты разрушения внутренних связей цементного геля. При прочих равных условиях зерно погружается в цементный гель тем быстрее, чем оно тяжелее, а при одинаковых массах и крупности — чем ближе форма зерна к шарообразной. После кратковременного перевода цементного геля в жидкое состояние, увеличение скорости вибрирования заметно не влияет на скорость погружения зерен различной крупности; другими словами, при то= =0 взвешивающая способность определится подъемной силой Архимеда, возникающей вследствие разности объемных масс зерна и жидкой фазы цементного геля. Таким образом, если скорость и глубина погружения зерен различной крупности в покоящемся цементном геле обусловливается преодолением его структурных связей только под влиянием собственной массы зерен, то при вибрационном воздействии масса их играет подчиненную роль, так как сопротивление структурных связей цементного геля либо сильно ослабляется, или вовсе не сказывается (при полном их разрушении). Однако здесь следует иметь в виду, что в общем случае масса зерна, действующая в сторону результирующей ускорения, облегчает работу, затрачиваемую на преодоление сопротивления структурных связей цементного геля при вибрационном воздействии.
Поскольку опустившееся вниз зерно затем не всплывает после прекращения вибрации (это можно наблюдать при вибрировании бетонной смеси на пористых заполнителях), то полагаем, что результирующее ускорение, направленное вниз, превышает составляющие ускорения, направленного вверх, и, следовательно, определяющее влияние оказывает в основном величина максимального ускорения в направлении погружения зерна. В связи с этим можно считать, что действие вибрации, обусловливающей уменьшение взвешивающей способности цементного геля, выражается в некоторой степени в увеличении массы погружающегося в него тела за счет силы инерции.
При гармонических колебаниях наибольшее ускорение может быть записано в следующем виде [4]:
ТАБЛИЦА 2.3. СКОРОСТЬ ПОГРУЖЕНИЯ ЗЕРЕН В ЦЕМЕНТНОМ ГЕЛЕ (ПОРТЛАНДЦЕМЕНТ К„ =0,27) ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ВИБРИРОВАНИЯ
|
Шах р3 = 4я ©з а3. (2.73)
Тогда фиктивная объемная масса зерна, как бы возросшая под влиянием ускорения от вибрации, будет равна
Рз + g
= ----- (2.74)
О о
Где (о3 — частота колебаний в 1 с; а3 — амплитуда колебаний, см.
Пренебрегая явлением, вызывающим нарушение сцепления цементного геля с поверхностью зерна при периодическом разрушении структурных связей в процессе вибрирования, запишем условие динамической взвешивающей способности цементного геля, подставив в (2.74) вместо у3 его значение с учетом влияния инерционного фактора:
DY* > —/ о 26T°-------------- х---- • <2'75)
4лг ©; а{
Тз(------- / Yr
Решив (2.75) относительно частоты ©3, после преобразований получим
Из условия (2.76) следует, что частота вибрирования, способствующая погружению зерна под действием его собственной массы, зависит от прочности связей и объемной массы (плотности) цементного геля, размера, формы и объемной массы зерна, а также от амплитуды его колебаний.
Подставляя в (2.76) численные данные для то, у3 и Yr, соответствующие определенным значениям Л', по величине амплитуды а3 можно вычислить частоты со3, при которых зерна различной крупности способны преодолевать сопротивление структуры цементного геля и погружаться в него при вибрационном воздействии. Графические зависимости, соответствующие амплитуде колебаний 0,1 см, показывают (рис. 2.24), что при 0,1 см ветви кривых асимптотически приближаются к оси ординат (частот), т. е. для погружения столь мелких зерен необходимы более высокие частоты колебаний, чем это было определено при рассмотрении резонансного механизма тиксотропного разжижения цементного геля.
Если в цементный гель поместить большое число зерен, например песка одной крупности, то они не составят сплошной среды, так как между зернами не возникают собственные структурные связи; их образует цементный гель при надлежащем адгезионном сцеплении с поверхностью зерен. Поскольку даже самые мелкие зерна песка имеют несравненно большую массу, чем цементные частицы (флокулы), то частоты собственных колебаний таких зерен (обусловленные частотами возбудителя колебаний) будут на несколько порядков ниже собственных частот колебаний цементных частиц, поэтому при установившихся вынужденных колебаниях зерен песка разжижение сильно концентрированного цементного геля (например, при Х^.1) произойти не может. Однако возникающие при этом амплитудные деформации могут создать условия для погружения зерен определенной крупности под действием собственной массы и силы инерции в цементный гель. Исключением могут служить ситуации, когда вследствие слабых структурных связей, формирующихся в цементном геле при высоких значениях В/Ц, они легко разрушаются под влиянием низкочастотной вибрации. В этом случае совмещаются условия проявления тиксотропии цементного геля и погружения (осаждения) в нем зерен той или иной крупности.
При исследовании кинетики седиментации высокодисперсных частиц Стоксом установлено, что скорость этого процесса в суспензиях зависит от ряда факторов: крупности и концентрации частиц, их коагуляции и др. Как видно из табл. 2.4, одиночные частицы осаждаются в воде очень медленно, и для того, чтобы частица разме-
ТАБЛИЦА 2.4. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ В ВОДЕ ПО СТОКСУ ОТ ДИАМЕТРА И ВРЕМЕНИ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ
|
Ром 1,2 мкм опустилась в воде на 1 см, требуется 2 ч 24 мин. Как известно, формула Стокса (по которой составлена табл. 2.4) выведена из предположения, что объем жидкости неограниченно велик, между частицами и жидкостью отсутствует сцепление. Условие о неограниченном объеме жидкости практически соблюдается при концентрации суспензии, не превышающей 1%.
Концентрация цементного геля значительно выше той, которой соответствует формула Стокса, поскольку даже при Х=1,65 концентрация твердой фазы составляет более 0,66%, поэтому надо полагать, что время осаждения частиц цемента в такой среде должно быть значительно большим, чем в воде. Между тем эксперименты показывают, что после приготовления цементного геля при X^lfiS процесс осаждения длится не более 1 ч. Это означает, что седиментация частиц цемента происходит в результате их агрегирования в более крупные элементы (флокулы), которые вследствие возросшей массы осаждаются значительно быстрее, чем отдельные частицы цемента.
Если на систему с разобщенной флокульной структурой воздействовать вибрацией, то в жидкой фазе суспензии возникнут вихревые токи, которые будут препятствовать процессу осаждения твердой фазы. По мере увеличения концентрации твердой фазы влияние сил притяжения частиц возрастает и осаждение отдельных фло - кул сильно затрудняется или вовсе становится невозможным, когда между всеми частицами и флокулами образуются структурные связи, т. е. при Х<1,65. В этом случае расстояние между отдельными макроструктур - ными Элементами может изменяться только в результате пластической деформации всего объема цементного геля под влиянием собственной массы.
Единственно возможным средством осуществления направленной рекомбинации высокодисперсиых частиц твердой фазы в цементном геле является режим вибрирования. Под влиянием вибрационных импульсов процесс коагуляции временно расстраивается — происходит пептизация флокул и тем интенсивнее, чем ближе частота вынужденных колебаний к частоте их собственных колебаний. В процессе пептизации флокул возрастает дисперсность твердой фазы и их способность к взаимодействию, поэтому после окончания вибрирования сцепляется большое число частиц, и обратимый переход цементного золя в гель сопровождается возникновением нового энергетического состояния равновесия внутренних сил в цементном геле.
Из изложенного видно, что условие (2.76), выведенное для сравнительно крупных зерен, не может служить физически обоснованным критерием виброседиментации фракций крупностью ^0,1 см, поскольку они, как и частицы цемента, при взаимодействии с водой образуют структурированные системы [5]. Поэтому при рассмотрении механизма действия вибрации на бетонную смесь необходимо различать два связанных между собой, но физически (качественно), различных явления: псевдоразжижение цементного геля, определяющееся резонансным совпадением частот собственных колебаний цементных частиц с частотами вынужденных колебаний и погружение зерен заполнителя в цементный гель. Следовательно, в общем случае совместить оба критерия (2.54) и (2.76) в один не представляется возможным, так как для плотной упаковки зерен песка и щебня достаточно лишь энергичного встряхивания при амплитуде, способной вызвать их перемещение, а в целях кратковременного разжижения цементного геля, достижения равномерного обводнения частиц цемента и как следствие этого — более полной активации сил их взаимодействия — необходима соответствующая высокая частота возбудителя вынужденных колебаний.