Правильная упаковка заполнителей обеспечивает баланс между расслаиваемостью и подвижностью

Расслаиваемость бетонной смеси - это неприятное явление для производителя бетона. Смесь, имеющая склонность к расслаиванию, при твердении не достигнет проектной прочности бетона. Расслаиваемость можно разделить на два вида. Первый - это отделение воды от смеси, второй - это неравномерное распределение частиц заполнителей. Суть второго сводится к тому, что более крупные и тяжелые частицы концентрируются в нижней части бетона, а более мелкие и легкие фракцие - в верхней части. С помощью правильно подобранной упаковки заполнителей (которая будет зависеть от консистенции цементного теста) от расслаиваемости второго вида можно полностью избавиться. На рисунке 1 показана иллюстрация смеси, которая подверглась расслоению.

Рисунок 1

Расслаиваемость в сильной мере зависит от вязкости цементного теста. Косвенно эта зависимость проявляется как зависимость от консистенции цементного теста. Вязкость цементного теста характеризуется коэффициентом вязкости - μ. Также расслаиваемость сильно зависит от размеров частиц и их концентрации. Движение частиц в жидкости под действием силы тяжести описывается законом Стокса, с помощью которого можно опредилить установившуюся скорость одной частицы V = 2*R2g(ρpf)/9μ. В этой формуле ρp, ρf - плотности частицы и цементного геля, соответственно; g - ускорение свободного падения; R - радиус частицы. Для частицы песка радиуса 0.5 мм при вязкости цементного геля - 10,0 Па·с, скорость оседания будет равна примерно 0,025 мм/с, для частицы радиусом 1,0 мм - примерно 0,1 мм/с. Для частицы щебня радиуса 1 см скорость оседания будет примерно равна 1,0 см/с. Из приведнных цифр следует, что бетонная смесь должна довольно быстро расслоиться - скорость осаждения частиц щебня в 100 раз больше, чем частиц песка. Однако этого не происходит, так частицы движутся не изолированно друг от друга, а испытывают взаимное влияние. На рисунке 2 показано схематически два случая - одиночная частица движется в цеметном геле и множество частиц движется в этом же геле.

Рисунок 2

Таким образом, чем больше мелкой фракции и чем больше самих частиц, тем меньше будет расслаиваемость. Выделяя какую-либо одну частицу, мы можем ее рассматривать, как движущуюся уже не в "чистом" цементном геле, а в среде гель+частицы, у которой коэффициент вязкости будет отличаться от вязкости цементного геля. Интуитивно напрашивающийся вывод - для получения нерасслаиваемой бетонной смеси необходимо в рецептуру добавлять большее количество мелкой фракции - см. рисунок 3. На одном из заводов (производство по кассетной технологии) мы изучали рецептуру, в которой для стабилизации расслаиваемости и достижения гладкой поверхности бетона содержимое песка доводили почти до 1000 кг на 1 м3 бетонной смеси.

Рисунок 3

Существенным недостатком борьбы с расслаиваемостью через увеличение мелкой фракции является резкое ухудшение подвижности бетонной смеси. Осадка конуса уменьшается. Подвижность смеси зависит от консистенции цементного геля и соотношения между мелкой и крупной фракций заполнителей. При фиксированной консистенции, для обеспечения наилучшей подвижности необходимо, чтобы каждое зерно заполнителей было покрыто пленкой цементного геля и между зернами была некоторая его прослойка. Эта толщина прослойки определяет подвижность. Важно отметить, что подвижность бетонной смеси не может быть выше подвижности цементного геля - существует некоторая максимальная толщина прослойки, выше которой подвижность только за счет увеличения цементного геля, повысить не удастся. На рисунке 4 показана ситуация, отражающая вышесказанное.

Рисунок 4

Оптимальная упаковка, обеспечивающая наилучшую подвижность, достигается при определенной толщине прослойки между зернами. Если продолжать дальше увеличивать эту толщину, как показано на рисунке 4 слева, то риск появления расслаиваемости возрастает, а подвижность при этом не увеличивается. Уменьшение толщины прослойки приводит к снижению подвижности. При поиске необходимой упаковки следует отталкиваться сперва от поиска массовой доли мелкой фракции для стабилизации расслаиваемости. После того, как эта массовая доля определена нужно найти толщину прослойки между зернами для обеспечения заданной подвижности бетонной смеси. Для этого существуют эмпирические соотношения, связывающие толщину прослойки и подвижность. После этого необходимо найти пустотность смеси с учетом пленки цементного геля.

Решение задачи о наилучшей подвижности смеси, обладающей наименьшей склонностью к расслоению, можно найти всегда, основываясь на знаниях гранулометрического состава заполнителей и подбирая соответствующую упаковку заполнителей.

Автор данной статьи -
руководитель компании,
к.ф.-м.н, Резаев Роман