Баланс содержания воды в бетонной смеси

Бетонные смеси – гетерогенные дисперсные системы, для которых характерны сложные процессы внутреннего и внешнего влагопереноса, существенно влияющие на их структуру и свойства.
Особенности влагопереноса в бетонных смесях в значительной мере становятся понятными если представить их в виде пористой среды, какой является смесь заполнителей, наполненной капиллярно-пористой коллоидной матрицей - цементным тестом. Вода уже в первые минуты после затворения удерживается структурными элементами бетонной смеси химическими, физико-химическими и физико-механическими связями.
Химически, преимущественно в результате ионного взаимодействия, вода связывается в стехиометрических соотношениях с минералами цемента в процессе гидратации. В начальный период твердения (до 1 ч) доля прореагировавшего цемента не превышает 1% и соответственно количество химически связанной воды незначительно.
Физико-химически связанная вода в бетонной смеси характерна в основном для адсорбционных пленок, образуемых на поверхности твердых частиц ненасыщенными ван-дер-ваальсовыми силами. Толщина адсорбционных водных пленок, обладающих свойствами псевдоупругого твердого тела, уменьшается с увеличением дисперсности твердых частиц. Так, для песка со средней крупностью зерен 1,65 мм она составляет 0,285 мкм, 0,3 мм - 0,114 мкм. На зернах цемента и гидратных новообразований толщина адсорбционного слоя воды составляет от нескольких единиц до нескольких тысяч молекулярных диаметров. Нетрудно подсчитать, зная удельную поверхность заполнителей, что содержание адсорбционно связываемой воды в бетонной смеси составляет 2-4 л, т.е. 1-3% всей воды затворения при использовании абсолютно сухих материалов.
Вслед за образованием адсорбционных пленок по мере увлажнения происходит смачивание частиц цемента и заполнителей водой. Смачивание водой является свойством гидрофильных твердых поверхностей и обусловлено поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение твердых тел определяют косвенными экспериментальными методами или вычисляют теоретически на основании современной электростатической теории кристаллической решетки, развитой Борном и Френкелем. Величина поверхностного натяжения различных твердых тел различна, но всегда значительно больше чем жидкостей. Например, расчетные значения поверхностной энергии для МqО и СаСО3 равны соответственно 1300.10-7 и 380.10-7 Дж/см2, а экспериментально определенные 1200.10-7 и 230.10-7 Дж/см2.
По сравнению с адсорбционной, вода смачивания удерживается значительно слабее и включает диффузный слой, состоящий из молекул способных передвигаться от одной частицы к другой до установления равновесия. Для воды диффузного слоя характерна меньшая скорость передвижения по сравнению со скоростью поднятия воды в капиллярах. Оптимальное относительное водосодержание цемента условно соответствующее его полному смачиванию при обычных условиях (без введения пластификаторов, прессующих воздействий и др.), соответствует примерно Коп=0,876Кн.г, где Кн.г - водоцементное отношение цементного теста нормальной густоты. По И.Н.Ахвердову при оптимальной влажности Коп цементное тесто характеризуется постоянными реологическими параметрами - предельным напряжением сдвига (?0=1040 Па) и коэффициентом вязкости (Кв=200 Пз), а также имеет сингулярную точку на кривой электросопротивления.
По мере увлажнения цементного теста раздвигаются его частицы, увеличиваются ячейки структурной пространственной сетки до их разрушения и начала интенсивного водоотделения, характеризуемого некоторым предельным В/Ц. По И.Н.Ахвердову водоудерживающая способность цементного теста составляет. Этот параметр не является в общем случае его физической константой и изменяется в зависимости от характера механического воздействия. По данным И.М.Грушко применительно к существующим условиям транспортирования и уплотнения бетонных смесей .
Для оценки водоудерживающей способности заполнителей предложено два параметра - коэффициент смачивания и водопотребность.
Коэффициенты смачивания песка Кс.п и щебня Кс.щ характеризуют удельное количество воды, удерживаемой соответственно мелким и крупным заполнителями в пленочном состоянии на своей поверхности. Они зависят от величины поверхностной энергии, крупности и рельефа поверхности зерен заполнителей.
Предложены различные методики определения коэффициентов смачивания - испытанием непосредственно увлажненных песка и щебня (гравия) или цементного раствора (бетона) с определенной консистенцией цементного теста. В работе показано, что при некоторой влажности песка скачкообразно изменяется электрическое сопротивление, что может свидетельствовать об уменьшении энергии связи воды с песком после его полного смачивания.
По данным М.Г. Элбакидзе и И.Н. Ахвердова коэффициент смачивания кварцевого песка с учетом водопоглощения в зависимости от крупности фракции колеблется от 0,72 (5-2,5 мм) до 5,04% (0,3-0,15 мм), гранитного щебня от 1,21 (5-10 мм) до 0,75% (40-60 мм).
При интенсивных механических воздействиях, например, прессовании или вибропрессовании, часть воды смачивания отжимается и уменьшается.
В горячепрессованных образцах цементного камня Рой и Гоуда достигли В/Ц=0,093. По данным И.Н. Ахвердова объем воды смачивания на поверхности заполнителя по мере повышения давления прессования может приближаться к адсорбционному. Существенное уменьшение Коп можно ожидать и за счет применения эффективных ПАВ - суперпластификаторов. Это доказывает практика получения вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) при совместном измельчении клинкера и минеральных добавок с введением повышенных доз сухих суперпластификаторов. При введении новейших суперпластификаторов возможно достижение для бетонных смесей.
С помощью конического пластометра МГУ нами проведены опыты по определению предельного напряжения сдвига растворных смесей с В/Ц, находящимися в области. Нормальную густоту цемента Здолбуновского ЦШК изменяли от начальной до введением при помоле клинкера добавки С-3. Песок получали смешиванием фракций 2,5...0,12 мм и 5...2,5 мм. Значения Кс.п вычисляли по таблицам М.Г.Элбакидзе.
Третьей стадией увлажнения после адсорбирования и смачивания является заполнение водой капиллярно-пористого пространства бетонной смеси. Капиллярная вода также как и вода смачивания относится к физико-механической, но обусловлена капиллярным давлением, возникающим в порах.
Вода Всв наряду с воздушными пузырьками заполняет поровое пространство в бетонной смеси между зернами заполнителя, покрытыми цементным тестом. В жестких смесях недостаток Всв обусловливает их рыхлую структуру, наличие крупных воздушных полостей. Отношение объема воздушных пор к общему объему жесткой смеси достигает 40-50%. Пластичные смеси при поступлении из смесителя почти полностью водонасыщены, содержание воздуха в них обычно не превышает 5%. В процессе уплотнения бетонных смесей происходит переформирование их структуры, вытеснение воздуха и заполнение воздушных пустот водой Всв и водой, отделившейся из цементного теста. Водоотделение в бетонной смеси наступает при полном заполнении водой межзернового пространства и такой раздвижке зерен заполнителя, покрытых цементным тестом, когда гравитационные силы начинают преобладать над силами, удерживающими воду в капиллярах. Для уменьшения водоотделения целесообразно связывание части Всв добавками способными создавать коллоидную структуру с развитой системой капилляров (например, кремнегелем, бентонитовой глиной и др.).
Уменьшение необходимого количества Всв возможно, очевидно, за счет многих технологических приемов (повышения жесткости бетонных смесей или их пластифицирования добавками ПАВ, прессования, вакуумирования, центрифугирования и др.). Дополнительная экономия цемента открывается за счет уменьшения Х и нормальной густоты цемента.
По данным И.Н.Ахвердова цементное тесто при Х=1,65 имеет осадку конуса 30 см. Введение заполнителей существенно увеличивает водопотребность бетонных смесей, необходимую для достижения заданной подвижности. Б.Г.Скрамтаевым и Ю.М.Баженовым были предложены интегральные количественные показатели водопотребности заполнителей, определяемые путем сравнительных испытаний цементного теста, растворной и бетонной смеси. Показатели водопотребности мелкого и крупного заполнителей показывают количество воды, которое необходимо добавить в цементное тесто на единицу массы соответственно песка и щебня, чтобы получить растворную смесь состава 1:2 и бетонную смесь состава 1:2:3,5 с такой же подвижностью через 30 мин после затворения как тесто нормальной густоты.
Учет показателей водопотребности мелкого (Вп) и крупного (Вщ) заполнителей удобен для сравнительной оценки различных заполнителей, поскольку в отличие от модуля крупности и удельной поверхности позволяет прямо и обобщенно оценить особенности песка и щебня (гравия), влияющие на водосодержание бетонных смесей.
Теория (В/Ц)и не объяснила однако физический механизм иммобилизации воды заполнителями бетона, степень ее "активности" т.е. участия в процессах гидратации. Кроме того все зависимости, полученные в работах с привлечением Вп, Вщ и (В/Ц)и справедливы в предположении, что В/Ц цементного теста равно Кн.г.
В работе сделана попытка объяснить иммобилизацию воды заполнителями в свете термодинамических представлений о влагопереносе в капиллярно-пористых телах, обоснованных А.В.Лыковым. В соответствии с этими представлениями кинетика переноса влаги также как и тепла в капиллярно-пористых телах определяется разностью потенциалов переноса. Водопотребность заполнителей предлагается интерпретировать как их влагосодержание в момент термодинамического равновесия в смесях с цементным тестом. Изменение водопотребности с изменением крупности и других параметров заполнителей объясняется изменением величины их потенциалов переноса.
Повышение водопотребности бетонных смесей с введением заполнителей в цементное тесто, являющееся дисперсионной средой, согласуется с известной закономерностью реологии дисперсных систем, заключающейся в увеличении внутреннего трения и вязкости по мере роста концентрации дисперсной фазы. Известно, что если коэффициент внутреннего трения цементного теста при Х=1,65 равен или менее 0,1, то для пластичных бетонных смесей он находится в пределах 0,25...0,50, а для наиболее жестких смесей достигает 0,78...0,82.
Можно предположить, что водопотребность заполнителей является удельным водосодержанием, необходимым для компенсации в определенный период структурообразования увеличения вязкости при введении их в цементное тесто. При этом показатель водопотребности является величиной переменной и зависит для данного вида заполнителя от величины.
Известные экспериментальные данные и расчетные зависимости не позволяют представить общую зависимость показателя водопотребности заполнителя в зависимости от величины Х и связать его с коэффициентом смачивания. Это важно как для расчетной оценки влияния заполнителей на водосодержание бетонных смесей, так и для сопоставления данных различных исследователей и, в частности, научных школ И.Н.Ахвердова и Ю.М.Баженова.
Так же как и водопотребность песка, водопотребность щебня при Х=0,876 близка к его коэффициенту смачивания; при Х=1 она несколько выше, чем значение, определенное по известной методике, однако при Х=1,65 приобретает практически максимальное значение.
Минимальные значения бетона при высокоинтенсивных способах уплотнения (прессовании, вибропрессовании и др.), когда Хm.в уменьшается почти в два раза, а Кс.п и Кс.щ приближаются к адсорбционной влажности, могут достигать 0,15…0,20. При значениях В/Ц бетонных смесей меньше должно наблюдаться снижение прочности, обусловленное невозможностью достижения высокой плотности при уплотнении и нехваткой воды для достаточно полной гидратации цемента. При В/Ц> прочность бетона снижается по мере увеличения избытка воды и роста капиллярной пористости.
Таким образом, анализ баланса содержания воды в бетонных смесях с различной степенью увлажнения позволяет объяснить ряд известных эмпирических закономерностей, предложить систему новых количественных зависимостей.