Важными технологическими свойствами бетонных смесей, особенно литых, являются водоотделение и расслаиваемость.

Водоотделение — результат седиментационного уплотнения и осаждения твердых частиц бетонной смеси, обусловленного их различной плотностью. Предотвращения водоотделения достигают регулированием состава бетона и гранулометрии заполнителей, введением микронаполнителя [57]. Водоотделение прямо связано с водоудерживающей способностью цементного теста и бетонной смеси. Известно [1], что максимальное значение В/Ц, характеризующее водоудерживающую способность цементного теста в его статическом состоянии, определяется выражением В/Ц = 1,65 Кн.г.

При вибрировании предел водоудерживающей способности цементного теста снижается и составляет [21]



В бетонной смеси в соответствии с развиваемыми представлениями структурно-технологической теории [4, 7, 18, 24] вода распределяется между цементным тестом и заполнителями:



В опытах с литыми пластифицированными смесями [2] показано, что водоотделение линейно зависит от значения В/Ц. Введение добавок СГ1, снижая общее В/Ц, соответственно снижает и водоотделение. Вместе с тем практический опыт показывает [25, 32], что существует опасность водоотделення и расслоения при использовании литых смесей как без добавок, так и с добавками СП, хотя в последнем случае В/Ц и немного ниже. Важное значение имеет при этом состав бетонной смеси. Так, при расходе цемента менее 400 кг/м3 эффективно применять водоудерживающую добавку [32], например бентонитовую глину, в количестве 0,5...2% массы воды затворения. Расслоение литых бетонных смесей снижается также при прерывистой гранулометрии песка или оптимальной непрерывной гранулометрии [32]. В непластифицированных и пластифицированных литых смесях (хотя в последних и в меньшей мере) долю песка в смеси заполнителей выбирают более высокой, чем в обычных бетонах, и уменьшают с увеличением содержания цемента [57].

Расслаиваемость литых пластифицированных смесей и свойства затвердевших бетонов существенно зависят от воздухововлечения. СП способствуют вовлечению некоторого количества воздуха, однако низкая вязкость литых смесей вызывает значительные потери вовлеченного воздуха в процессе транспортирования и укладки [47]. Достичь необходимого воздухосодержания в литых бетонных смесях можно при введении ПФМ, содержащих наряду с СП воздухововлекающую добавку. Как показано в [47], воздухосодержание в бетонных смесях с добавками ПФМ снижается в основном за счет крупных (более 500 мкм) пузырьков вовлеченного воздуха.

Особенностью литых смесей является возможность внутреннего и внешнего расслоения. Если первое обусловлено действием силы тяжести, то второе возникает в результате недостаточного сцепления щебня и растворной составляющей, что может быть обусловлено чрезмерно высокой вязкостью последней или повышенным содержанием щебня.

Из [8, 38] известно, что при равной удобоукладываемости литые пластифицированные бетонные смеси имеют меньшее водоотделение, т. е. большую седиментационную устойчивость и связность. В [38] рассмотрено влияние на водоотделение бетонных смесей с С-3 расхода цемента, доли песка в смеси заполнителей и количества микронаполнителя в песке (фракции менее 0,63 мм). Удобоукладываемость бетонных смесей изменялась в пределах 5...25 с (ОК=14...20 мм). Полученные выводы соответствуют общим принципам проектирования составов нерасслаивающихся бетонных смесей [4, 57].


Для литых бетонных смесей условие нерасслаиваемости можно записать в виде



где ?пред — предельное напряжение сдвига раствора, кПа; D — усредненный диаметр зерна щебня, см; ?ср.кр и ?ср.р — средняя плотность щебня и раствора; ? — коэффициент формы зерна щебня.

В соответствии с этой формулой в статическом состоянии при крупности зерен гранитного щебня 40 мм расслаивания не произойдет, если ?пред?60 Па, а при предельной крупности щебня 20 мм ?пред?30 Па. При обычных условиях транспортирования и уплотнения смесь не расслаивается, если сопротивление сдвига раствора, определенное методом конического пластометра, ?пред?400...800 Па, т. е. в 8...10 раз больше расчетного [21].

В [32] предложена формула (3.14) в скорректированном виде:



где ? — коэффициент, учитывающий условия транспортирования и способа подачи бетонной смеси (ориентировочно ?=7...15).

С целью определения влияния добавок ПФМ и состава растворной составляющей на предельное напряжение сдвигу опыты проводили с помощью конического пластометра [21]. Рабочим органом пластометра служил балансирный конус, уравновешенный через блок противовесом. Конус нагружался водой с постоянной скоростью истечения. Предельное напряжение сдвига вычисляли по формуле



Рис. 22. Влияние качества песка на предельное напряжение сдвига цементных растворов
Рис. 22. Влияние качества песка на предельное напряжение сдвига цементных растворов
На отдельной серии опытов без введения добавок, с добавкой С-3, СДБ и ряда ПФМ определено влияние отощения раствора на значение ?пред. Как видно из рис. 22, 23, увеличение содержания в растворе песка существенно повышает предельное напряжение сдвига. При этом но мере уменьшения крупности песка влияние степени отощения раствора на ?пред возрастает, что позволяет во всех случаях регулирование содержания песка в литых бетонных смесях с СП и ПФМ считать эффективным средством предотвращения расслоения. Здесь, очевидно, необходимо учитывать водопотребность песка Вп. По формуле И. М. Грушко [21] количество воды, удерживаемое в 1 м3 бетонной смеси,



Рис. 23. Влияние качества песка на предельное напряжение сдвига цементных растворов
Рис. 23. Влияние качества песка на предельное напряжение сдвига цементных растворов
где Ц и П — содержание цемента и песка, кг/м3; Кн.г — нормальная густота в долях единицы; Sуд — удельная поверхность щебня, м23.

Слагаемые в (3.17) характеризуют соответственно водоудерживающую способность цемента, песка и щебня. Водоудерживающая способность цемента взята меньше установленной в статическом состоянии (1,65 Кн.г) с учетом дополнительного водоотделения при транспортировании и уплотнении бетонной смеси. Примерно такое же значение водоудерживающей способности цемента (1,3 Кн.г) с добавкой 0,2% ССБ и бентонита получено в [32].

В случае определения водопотребности песка при соотношении Ц:П=1:2 [2] удается получить лишь некоторые усредненные значения этого показателя, который зависит от состава раствора [21].

При расчетной оценке водоудерживающей способности водопотребность песка предложено вычислять по формуле [21]



где X — количество песка в растворе в частях; Ку — коэффициент, зависящий от подвижности раствора.

Если подвижность растворной смеси равна подвижности цементного теста нормальной густоты, то Ку=1; при подвижности раствора, соответствующей ?пред= (4—8)·102 Па, Ку=1,35.

Из (3.17) следует, что с уменьшением нормальной густоты цемента при неизменном составе снижается и водоудерживающая способность бетонной смеси. Если при одинаковой удобоукладываемости водоотделение бетонных смесей с пластифицирующими добавками, снижающими нормальную густоту, меньше, чем без добавок, то при одинаковых водосодержании и ВЩ должна иметь место обратная картина. В табл. 13 приведены подтверждающие этот вывод зависимости для водоотделения бетонной смеси, установленного с использованием четыреххлористого углерода но методике [38]. Ранее эта методика апробирована в НИИЖБ [38]. Сущность ее заключается в выдавливании с помощью четыреххлористого углерода, имеющего высокую плотность и не взаимодействующего с продуктами гидратации цемента, воды, отделившейся на поверхности смеси. Достоинством метода является высокая точность измерений.



В бетонной смеси водоотделение должно наступить в том случае, когда ее водосодержание превышает суммарную водоудерживающую способность цементного теста и заполнителей



где Вотд — количество отделившейся воды; Вп' и Вщ' — водопотребность песка и щебня при (В/Ц)и=1,3 Кн.г.

Так как Вп и Вщ — водопотребность песка и щебня при В/Ц=Кн.г [4], то из обоснованного ранее условия пропорциональности (3.2) в (3.19) будем иметь



Очевидно, Вотд=0, если водосодержание бетонной смеси не будет превышать ее водоудерживающую способность



В (3.21) учтено влияние основных технологических факторов на водоудерживающую способность бетонных смесей, за исключением вовлеченного воздуха. Из (3.21) .можно найти соотношение песка и щебня, при котором не должно быть водоотделения:



Условие (3.22) должно служить ограничением при проверке оптимальности доли песка в смеси заполнителей r для бетонных смесей при опасности водоотделения. Переход от r' к r производят по формуле



Корректирование r по (3.23) в этом случае выполняют в два этапа: сначала при расходе щебня (гравия) из условия максимальной подвижности, а затем при уточненном расходе щебня на 1 м3 при заданном содержании цементного теста.

Условие (3.22) можно найти и прямо из (3.6), предположив, что (В/Ц)и=1,3 Кн.г.

Экспериментальная проверка формулы выполнена применительно к литым и малоподвижным бетонным смесям. Первоначально подобрали составы бетонов без учета водоотделения (табл. 13). Долю песка в смеси заполнителей выбирали из условия максимальной подвижности и затем корректировали при необходимости в соответствии с условиями (3.22), (3.23). Испытание бетонных смесей по ГОСТ 4799—69 показало, что для некоторых литых смесей при первоначально выбранном r имело место недопустимое водоотделение. Корректирование r позволило устранить водоотделение. Экспериментально найденное минимальное r, при котором прекратилось водоотделение, совпало с расчетным.

Для малоподвижных бетонных смесей, а также литых на песке повышенной водопотребностн доля песка из условия предотвращения расслоения совпала с r или оказалась ниже при условии максимальной подвижности.

Известные расчетные зависимости для определения оптимальной доли песка в смеси заполнителей rопт [4, 21, 57] из условия максимальной подвижности (минимальной жесткости) имеют эмпирический характер и не учитывают влияние В/Ц и ряда особенностей исходных материалов. Чтобы получить теоретически обусловленную формулу для нахождения rопт, следует установить связь удобоукладываемости с параметрами структуры бетонной смеси. Можно считать доказанной взаимосвязь удобоукладываемости бетонной смеси с толщиной слоя цементного теста на зернах заполнителя ? [4, 65]. При учете влияния консистенции цементного теста структурным критерием удобоукладываемости бетонной смеси может служить выражение 123]



где vц.т — объем цементного теста с учетом вовлеченного воздуха, м33; Ра — пустотность по отношению к абсолютному объему зерен заполнителя; v3 — абсолютный объем заполнителя, м33; u — удельная поверхность зерен заполнителя, м23; l?m — критерий структурной вязкости цементного теста.

Исследования [23] показали, что выражение l?m хорошо аппроксимируется формулой



где m?2,1 — коэффициент пропорциональности; S=В/Ц — 1,68Кн.г — показатель консистенции цементного теста.

При расчете Lж удельную поверхность u и пустотность Ра смеси заполнителей можно найти по формулам [4, 23]



где ? — отношение пустотностей заполнителя в бетонной и сухой смесях.

Раскрыв в (3.24) значения u и Ра, в соответствии с (3.26), (3.27) после дифференцирования можно записать



Кроме объема цементного теста (включая вовлеченный воздух), удельной поверхности песка и щебня, пустотности щебня, а также факторов, сказывающихся на коэффицненте ?, формула (3.28) через параметр l?m позволяет учесть влияние В/Ц бетонной смеси и НГ цементного теста.

Зная оптимальную долю песка, легко вычислить коэффициент заполнения пустот и раздвижки зерен щебня растворной составляющей:



Для практических расчетов состава бетона при возможности вычисления rопт значение Кизб является необязательным. В табл. 14 приведены экспериментальные r расчетные значения rопт и Кизб при определенном расходе цемента и различных В/Ц. Эти данные свидетельствуют об удовлетворительной точности полученных расчетных формул.



Для практических расчетов удобно использовать данные табл. 15 с учетом поправок на особенности используемых материалов.



Полученные зависимости позволяют рассчитывать базовые составы бетона, приближающиеся к оптимальным, не заменяя, но вместе с тем облегчая экспериментальное корректирование.

Удельную поверхность песка uп и щебня uщ определяют известными экспериментальными или расчетными методами [4].

Пустотность заполнителей по абсолютному объему Ра связана с их пустотностью по отношению к общему объему зависимостью [4]



где ?з и ?о.з — соответственно истинная и средняя плотность.

Аналогично рассчитывают и пустотность щебня Ра.щ.

Коэффициент ? характеризует отношение пустотностей заполнителей в бетонной и сухой смесях и колеблется в интервале 0,7...0,9 в зависимости от формы частиц, характера их поверхности и др.

Минимальная пустотность заполнителей в бетонной смеси Ра.б меньше, чем в сухой рыхлонасыпанной смеси, и составляет



где ?оз.б — средняя плотность заполнителей в бетонной смеси, равная разности средней плотности бетонной смеси и массы минимально необходимого цементного теста, т. е. vц.т min?оц.т, что позволяет получить связную бетонную смесь с нулевой осадкой конуса: