Д.т.н., профессор Калашников В.И., инженер Ананьев С.В.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Обеспечение оптимальной топологии самоуплотняющихся бетонных смесей для высокопрочных бетонов

 

 

Беспрепятственное перемещение зерен щебня в дисперсно-зернистой системе «цемент (Ц)-каменная мука (КМ)-микрокремнезем (МК)-песок (П)-вода (В)» и перемещение частиц песка в дисперсной системе «цемент-каменная мука-микрокремнезем-вода» обеспечивается наличием достаточных прослоек реологических матриц между грубыми частицами песка и зернами щебня.

Оценим расстояния между зернами щебня при расходах компонентов бетонной смеси на 1 м3 для бетонов с прочностью при сжатии 100-120 МПа: цемент М500 – 630 кг, mщ = 898,3 кг, mп = 403 кг, mкм = 252 кг, mмк = 126 кг, mв = 161 кг. Масса сухих компонентов Мс = 2309 кг.

При плотности отдельных компонентов в г/см3, равных: ρц = 3,1, ρкм = 2,7, ρмк = 2,3, ρп = 2,6, ρщ = 2,7 их объемы в литрах, составят: Vц = 203,2; Vщ = 332,7; Vп = 155; Vкм = 93,3; Vмк = 54,8; Vв = 161.

При таких расходах компонентов вычислены критериальные параметры структуры высокопрочных и особовысокопрочных бетонов. В качестве их предложены ранее [1] критерий избытка  абсолютного объема реологической дисперсной матрицы  над абсолютным объемом песка и критерий избытка  объема реологической цементно-дисперсно-песчаной матрицы  над объемом щебня:

                                                                         (1)

                                                       (2)

 

где  - абсолютные объемы, соответственно, цемента, каменной муки, микрокремнезема, песка, щебня и воды.

Предположим, что в одном случае используется щебень фракции 5-10 мм, средний размер которого 7,5 мм, в другом случае, фр. 5-16 мм, при среднем размере зерен 10,5 мм. Наряду с приведенным составом 3 (таблицы 1) представлено 4 состава с различными значениями  и , в которых содержания дисперсных компонентов остаются теме же, что в состав 3, количества щебня и песка изменяются. Объем щебня для расхода компонентов бетона состава 3 при  = 3,3 равен 332,7 л. Объемная концентрация щебня – 0,333. Для определения среднего расстояния между зернами щебня необходимо знать его объем в 1 м3 бетонной смеси.

Расстояние Хщ определяется по формуле (1)

 

                                                                            (3)

где  – средний размер зерен щебня.

 

Таблица 1

Расстояния между зернами щебня, Х

при различной топологии бетонной смеси

№

п/п

Средний диаметр щебня, мм

Топологические

показатели

Расстояния между зернами щебня, мм

Х1

(простая кубическая упаковка)

Х2

(гексагональ-ная упаковка)

Х3

(случайная упаковка)

1

7,5

2,8

304,7

0,305

1,483

2,106

1,780

 

10,5

2,051

2,912

2,461

2

7,5

3,0

317,0

0,317

1,368

1,943

1,642

 

10,5

1,915

2,719

2,298

3

7,5

3,3

332,7

0,333

1,230

1,747

1,476

 

10,5

1,712

2,431

2,054

 

4

7,5

3,5

341,2

0,341

1,144

1,624

1,373

 

10,5

1,610

2,286

1,932

 

5

7,5

3,7

349,2

0,349

1,084

1,539

1,301

 

10,5

1,520

2,158

1,824

 

 

В таблице 1 приведены значения расстояний между зернами щебня при расположении их в кубической, гексагональной и случайной упаковке. Коэффициенты перехода от кубической к гексагональной равны 1,42 (), от кубической к случайной – 1,20 ().

Как следует из таблицы 1 при случайном размещении зерен щебня диаметром 7,5 мм минимальное расстояние между ними равно 1,3 мм в составе 5, что соответствует повышенному содержанию щебня и пониженному – песка. При уменьшении содержания щебня с 349,2 кг до 304,7 кг, т.е. на 15% и соответствующему повышению содержания песка с 198,5 до 183,0 кг расстояние увеличивается до 1,78 мм. При увеличении среднего диаметра зерен щебня расстояния между ними возрастает.

Опыты показывают, что составы высокопрочных бетонов с значениями  = 3,0-3,2 = 2,0-2,4, бетонные смеси которых имеет средний расплыв 60 см, расстояние между зернами щебня со средним диаметром dср = 10,5 мм было 2,30-2,5 мм. Тогда можно полагать, что при близких расстояниях к этим значениям обеспечивается свободное гравитационное течение и растекание бетонных смесей.

 

Таблица 2

Расстояния между зернами песка, Х

при различной топологии бетонной смеси

№

состава бетонной смеси

Средний диаметр песка, мм

Топологические

 показатели

Расстояния между зернами песка, мм

Х1

(простая кубическая упаковка)

Х2

(гексагональная упаковка)

Х3

(случайная упаковка)

1

1,25

2,30

183,0

0,183

0,52

0,738

0,624

2

2,16

170,8

0,171

0,57

0,809

0,684

3

2,00

155,3

0,155

0,62

0,880

0,744

4

1,93

146,4

0,146

0,66

0,937

0,792

5

1,86

138,5

0,139

0,70

0,994

0,840

 

Определим при заданных значениях  = 2,8-3,7 объемы песка в бетонных смесях (фр. песка 0,5-2,0 мм, dп  = 1,25 мм) и соответствующих объемах щебня, представленных в табл. 1 и расстояния между частицами песка.

Из таблицы 2 видим, что при максимальном расплыве конуса расстояние между зернами песка варьирует от 0,624 до 0,744 мм.

Таким образом, в бетонной смеси для высокопрочных и особовысокопрочных бетонов среднее расстояние между зернами щебня и песка зависят от средних размеров щебня и песка. Для щебня со средними размерами 7,5 мм они должны находиться в пределах 1,4-1,7 мм. При средних размерах щебня 10,5 мм расстояния варьируют от 2,0 до 2,5 мм.

Определим прослойки реологических матриц между структурными элементами заполнителей в бетонной смеси для обычного состава бетона с суперпластификатором класса В30 при крупности щебня 7,5 мм и песка 1,25 мм. Состав бетона имел следующие расходы компонентов, кг: Ц = 400, П = 692, Щ = 1134, В = 168, СП = 1% (в пересчете на сухое вещество от массы цемента) при В/Ц = 0,4.

 

 

Из результатов расчетов видим, хотя расстояние между частицами песка в обычном бетоне с суперпластификатором меньше расстояний в самоуплотняющихся бетонных смесях в 1,6-1,9 раза. Кроме того, и расстояние прослойки реологической матрицы между зернами щебня также в 2,1-2,6 раза меньше. Такие тонкие прослойки не в состоянии обеспечить достаточную текучесть бетонной смеси.

Зависимости между объемными концентрациями щебня и песка, критериями избытка реологических фаз и расстояниями между зернами крупного заполнителя представлены на рисунках 1 и 2.

 

Text Box: ХText Box: Х

1
 

2
 

1
 

2
 

Рис. 1 Зависимость расстояний между зернами щебня и

 объемной концентрацией его  в бетоне (а) и критерием  (б):

1 – средний диаметр зерен щебня 10,5 мм; 2 – средний диаметр зерен щебня 7,5 мм

Text Box: ХText Box: Х

Рис. 2 Зависимость расстояний между частицами песка

и объемной концентрацией его  (а) и критерием  (б)

при среднем диаметре частиц песка 1,25 мм

 

Таким образом, рациональная реология бетонных смесей, зависящая при прочих равных условиях от оптимальной топологии зернисто-кусковых материалов в реологической водно-дисперсной матрице, определяет технологию самоуплот­няющихся и саморастекающихся бетонных смесей для высокопрочных бетонов.

 

Библиографический список

1. Калашников В.И. Высокопрочные и особовысокопрочные бетоны и основные принципы их создания. Сборник статей МНТК «Композиционные строительные материалы. Теория и практика». Пенза. 2008 г. С. 61-71.