| 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ТЕХНИЧЕСКОГО ВИСКОЗИМЕТРА И ДРУГИМИ МЕТОДАМИ
Для оценки технологических свойств жесткой бетонной смеси наиболее желательно использовать способ, уже распространенный на производстве, например технический вискозиметр или метод Б. Г. Скрамтаева. Специально проведенные опыты показали, что при испытаниях по ГОСТ 6901-54 с помощью этих способов удается оценивать степень жесткости бетонной смеси в ограниченной области. Так, например, при водосодержании менее 150 л/м3 бетонная смесь на щебне с предельной крупностью 20 мм не выравнивалась в техническом вискозиметре даже при вибрации в течение 20 мин., образуя так называемый «порог».
Была сделана попытка определить степень жесткости подобных смесей и по способу Скрамтаева. Однако зафиксировать момент полного растекания бетонной смеси оказалось чрезвычайно трудно, так как и при продолжительной вибрации бетонная смесь не заполняла полностью углы форм. Как выяснилось в дальнейшем, причиной неудачи послужила малая амплитуда колебаний виброплощадки, недостаточная для приведения жестких смесей в подвижное состояние. В связи с этим следует отметить, что во всех приведенных выше работах параметрам вибрации при оценке удобоукладываемости жестких бетонных смесей уделялось незаслуженно мало внимания. Так, Плаумен проводил свои опыты, пользуясь виброплощадкой с частотой 3 000 кол/мин и амплитудами 0,1 и 0,2 мм. В исследованиях Паучера использовалась площадка с частотой 6 000 кол/мин и амплитудой 0,2 мм. Определение консистенции
«вебеметром» производится при частоте 3000 кол/мин и амплитуде 0,3 мм. В работах Фритча вообще не содержится каких-либо указаний о применявшихся частотах и амплитудах. В упомянутых предложениях Совалова, Френкеля, Горяйнова и др. или ничего не говорится о работе виброплощадки, или указываются требования, аналогичные ГОСТу для обычных смесей, т. е. амплитуда колебаний 0,35 мм при частоте 2 800 кол/мин.
Как показали опыты, проведенные авторами, для эффективного и качественного уплотнения жестких бетонных смесей необходимо при частоте 2800 кол/мин иметь амплитуду виброплощадки не менее 0,5 мм. А. Е. Десов и И. Г. Совалов пришли к таким же выводам. Поэтому было найдено целесообразным определять степень жесткости при амплитуде 0,5 мм и частоте 2 800 кол/мин. Это приближает методику определения степени жесткости к условиям формования смеси на производстве.
На лабораторной виброплощадке ЦНИИСа легко достигается амплитуда 0,5 мм. При такой амплитуде удавалось с помощью технического вискозиметра характеризовать не только жесткие, но и малоподвижные смеси с осадкой конуса до 4 см.
При работе с техническим вискозиметром было также сочтено удобным внести изменения в принятую терминологию. Установленный ГОСТ 6901-54 термин «удобоукладываемость» бетонной смеси имеет тот недостаток, что характеризуемое им свойство бетонной смеси находится в обратной зависимости от показателя этого свойства. С ухудшением (понижением) удобоукладываемости бетонной смеси численный показатель удобоукладываемосги (количество секунд по техническому вискозиметру) возрастает. Это обстоятельство обусловливает малое распространение этого термина на производстве. То же самое относится и к термину «подвижность», который хорошо соответствовал показателю осадки конуса, но также находится в противоречии с показателем по техническому вискозиметру.
Было предложено заменить термин «удобоукладываемость» бетонной смеси термином «жесткость» (показатель жесткости). При такой замене отмеченное неудобство отпадает.
Первоначально предполагалось использовать технический вискозиметр для определения «порога», т. е. разницы в уровнях смеси во внутреннем и наружном цилиндрах после двухминутной вибрации. Предварительные опыты показали, что этот метод в общем чувствителен к изменению водосодержания бетонной смеси, однако из-за большой субъективности в оценке величины порога определение часто сопровождается значительными ошибками. Так, в одном из опытов при водосодержании 113 л/м3 (смеси на гравии с расходом цемента 300 кг/м3) и жесткости 460 сек. отдельные испытания по определению порога дали следующие показания: 2,6; 2,8 и 2,5 см При том же составе смеси и водосодержании 118 л/м3 (жесткость 325 сек.) соответствующие определения порога дали 2,6; 2,2 и 2,5 см. Кроме того, метод определения порога имеет тот недостаток, что полученный в нем показатель — величина порога в сантиметрах — не может быть непосредственно связан с показателем жесткости более подвижных смесей, например с жесткостью 60 сек., и не дает возможность сравнивать эти смеси. Тем не менее на основании проведенных опытов может быть выведена ориентировочная зависимость величины порога от показателя жесткости, определенного на техническом вискозиметре при амплитуде 0,5 мм:
Дальнейшими исследованиями была установлена возможность оценки степени жесткости бетонных смесей обычным способом — путем измерения времени вибрации, необходимого для выравнивания уровней смесей во внутреннем и наружном цилиндрах технического вискозиметра. Этот способ достаточно точно характеризовал жесткость бетонных смесей с водосодержанием 110—115 л/м3 (на гравии) и 125—130 л/м3 (на щебне), требовавших продолжительной вибрации (до 10—12 мин.). Опыты показали, что технический вискозиметр не пригоден для характеристики более жестких смесей. Как будет показано ниже (глава IV), такие смеси не могут быть уплотнены без пригрузки. Поэтому, естественно, они не уплотняются полностью и в техническом вискозиметре, что вызывает несовпадение уровней во внутреннем и наружном цилиндрах даже при весьма продолжительной (до 30 мин.) вибрации. Таким образом, с помощью технического вискозиметра оказалось возможным оценивать жесткость бетонных смесей в довольно широком диапазоне: от смесей с осадкой конуса 2—4 см и жесткостью 5—10 сек. до весьма жестких — с жесткостью 600—700 сек., что соответствует понижению водосодержания на 60—70 л/м3.
Успешному применению технического вискозиметра способствовали изменения, внесенные в методику определения. Об увеличении амплитуды колебаний виброплощадки до 0,5 мм уже говорилось выше. Важным уточнением методики явилось отвешивание порции бетонной смеси, засыпаемой в вискозиметр.
При испытании малоподвижных смесей момент совпадения уровней в цилиндрах технического вискозиметра с достаточной точностью определяется на глаз без каких-либо специальных приспособлений. Однако по мере перехода к более жестким смесям субъективность в оценке момента выравнивания уровней начинает играть большую роль, так как скорость выравнивания, особенно в конце определения, становится очень малой, а смесь в наружном цилиндре имеет неровную поверхность с выступающими частицами крупного заполнителя. В этих случаях момент выравнивания необходимо определять по специальной метке на штанге вискозиметра. Эта метка соответствует положению штанги при совпадении уровней смеси во внутреннем и наружном цилиндрах вискозиметра. Положение метки можно определить расчетным путем или опытным. Ясно, что всякое изменение конечного объема смеси в вискозиметре будет давать ошибку при определении показателя жесткости с помощью метки. При обычном способе заполнения конуса вискозиметра штыкованием в три слоя объем уплотненной смеси в вискозиметре сильно меняется, что наглядно видно из табл. 6.
Такая разница в уровнях не может не повлиять на точность определения показателя жесткости при пользовании предварительно нанесенной меткой. Поэтому при подборах состава бетона и особенно в исследовательских работах, когда изучаются смеси различной жесткости, метод наполнения вискозиметра смесью по объему может привести к неточностям в определении жесткости и не позволит получить хорошо сравнимые результаты. Помимо неточностей в фиксировании момента выравнивания, засыпка смеси по объему может привести к другим ошибкам, так как показатель жесткости (время для выравнивания) находится в прямой зависимости от количества смеси в вискозиметре. При наполнении вискозиметра по объему (по мере перехода к более жестким смесям) количество загружаемой смеси будет уменьшаться, что будет значительно снижать чувствительность прибора.
Для устранения этих погрешностей было предложено засыпать смесь в вискозиметр по весу. Отвешенная бетонная смесь укладывается в конус вискозиметра обычным способом — штыкованием в три слоя. Не вошедшая в конус смесь остается в насадке. Поверхность смеси не заглаживают; конус снимают вместе с насадкой.
Вес бетонной смеси, засыпаемой в вискозиметр, должен был бы определяться на основании объемного веса смеси в уплотненном состоянии и с учетом установленного конечного объема смеси в вискозиметре, по которому нанесена тарировочная метка на штанге. Для упрощения вес бетонной смеси, засыпаемой в вискозиметр, может быть принят постоянным (12 кг), Как показывают расчеты, ошибка от такого упрощения при одних и тех же материалах незначительна и может дать изменение высоты смеси в вискозиметре на ±1,5 мм по сравнению со средним (для используемых составов) значением объема уплотненной бетонной смеси.
Особо следует остановиться на вопросе о связи между размером щели в вискозиметре и предельной крупностью заполнителя. В настоящее время рекомендуется принимать размер щели таким, чтобы он не менее чем в два раза превышал предельную крупность заполнителя. Такая рекомендация представляется мало обоснованной. С изменением размера щели меняются условия движения бетонной смеси в вискозиметре. Это вызывает несоответствие получаемых показателей с действительной удобоукладываемостью смеси при уплотнении в производственных условиях.
Дело в том, что при определении показателя жесткости в техническом вискозиметре бетонная смесь сначала вытекает через щель между внутренним кольцом и дном прибора, а затем поднимается вверх до совпадения уровней во внутреннем и наружном цилиндрах. Скорость истечения бетонной смеси данной жесткости (если пренебречь влиянием гидростатического напора) практически не зависит от размера щели. Поэтому время, которое требуется для достижения бетонной смесью в наружном цилиндре уровня, совпадающего с размером щели, не зависит от размера щели и количества смеси в вискозиметре, что подтверждается данными табл. 7.
В опытах, результаты которых представлены в табл. 7, испытывалась бетонная смесь на гравии с предельной крупностью 20 мм, расходом цемента 280 кг/м3 и В/Ц=0,5. Динамика течения бетонной смеси снималась в вискозиметре при различном количестве смеси и разных по размеру щелях. По полученным кривым (рис. 9) было найдено время достижения уровня, совпадающего с размером щели, которое оказалось во всех случаях 18—20 сек. (это соответствует средней скорости течения в этом периоде примерно 0,3 см3/см2•сек).
После этого бетонная смесь начинает двигаться вверх со скоростью, убывающей по мере уменьшения гидростатического напора и удаления от источника вибрации. Средняя скорость течения бедной смеси в этом периоде также почти не зависит от размера щели и количества смеси в вискозиметре и составляет по данным табл.7 около 0,1 см3/см2•сек. Чем меньше размер щели, тем больше требуется времени для того, чтобы совпали уровни. Это и вызывает значительное увеличение показателя жесткости при уменьшении щели в вискозиметре. При уменьшении размера щели от 70 до 50 мм показатель жесткости увеличивается примерно в 1,4 раза, а при уменьшении до 30 мм — в 3—4 раза. Эти цифры верны в случае, если размер щели не менее чем в 1,7—1,8 раза превышает предельный размер зерен заполнителя. Если размер щели мало отличается от предельной крупности зерен заполнителя, увеличение показателя жесткости происходит в гораздо большей степени, но оно вызывается в первую очередь расслоением бетонной смеси в вискозиметре.
Для установления предельной величины щели в зависимости от крупности заполнителя были проведены опыты по определению расслаиваемости бетонной смеси при вибрировании в вискозиметре. После определения показателя жесткости бетонная смесь извлекалась из внутреннего и из внешнего цилиндров вискозиметра, взвешивалась и подвергалась мокрому рассеву через сито 5 мц. Опыты, проведенные со смесями на гравии наибольшей крупности 40 и 20 мм и с применением различных по величине щелей, показали, что при отношении размера щели к предельной крупности гравия менее 1,7—1,8 во внешнем кольце содержится меньше гравия наиболее крупной фракции, чем во внутреннем. При большем отношении расслаивания смеси не наблюдается. Полученные данные опровергают существующее мнение, что при вибрировании в вискозиметре расслаивается смесь. При надлежащем зерновом составе и правильном соотношении между предельней крупностью заполнителя и величиной щели расслоение бетонной смеси в вискозиметре не наблюдается. В то же время технический вискозиметр позволяет обнаружить расслоение смеси и сигнализировать об отклонениях в составе бетонной смеси.
На основании вышеизложенного становится очевидным, что измерение жесткости бетонной смеси необходимо производить при одном постоянном размере щели, который целесообразно принять равным 50 мм. При крупности заполнителя 10 и 20 мм жесткость следует определять при щели 50 мм. При заполнителе с предельной крупностью 40 мм размер щели должен быть увеличен до 70 мм. При этом получаемый показатель следует приводить к стандартному размеру щели путем умножения на коэффициент 1,4. В дальнейшем, по-видимому, необходимо изменить размеры прибора или объем загружаемой смеси с тем, чтобы определение жесткости можно было производить при одном размере щели.
Проведенные опыты показали, что максимальное отклонение от среднего значения составляет при неоднократных измерениях жесткости бетонной смеси в среднем ±10%. В этих опытах, проведенных со смесями жесткостью 30—500 сек., каждое последующее определение жесткости производилось из нового замеса. Жесткость бетонкой смеси должна назначаться с учетом точности ее определения (например, 20—25 сек., 50—60 сек., 120—150 сек., 400— 500 сек. и т. д.).
Многочисленные опыты по определению зависимости жесткости бетонной смеси от ее водосодержания показали вполне достаточную чувствительность этого прибора. Проведенные производственные опыты подтвердили наличие связи между показаниями технического вискозиметра и уплотнением смеси на производственных агрегатах. Проведенные исследования позволили рекомендовать технический вискозиметр как прибор для количественной оценки степени жесткости жестких бетонных смесей.
Метод определения жесткости бетонной смеси при помощи технического вискозиметра не всегда удовлетворяет основному требованию, предъявляемому к методу оценки удобоукладываемости бетонной смеси, — учитывать ее способность уплотняться и заполнять форму. Зачастую уплотнение бетонной смеси в производственных условиях значительно отличается от лабораторных. Поэтому необходимо и в дальнейшем разрабатывать методы оценки жесткости бетонной смеси, при которых условия определения показателя жесткости еще более соответствовали бы условиям уплотнения бетонной смеси на производстве.
Одним из недостатков технического вискозиметра является большая длительность определения для особо жестких смесей. Авторами был предложен и разработан способ определения показателя жесткости бетонной смеси в вискозиметре с пригрузкой. Для работы с пригрузкой на штанге вискозиметра была нанесена нарезка, и грузы крепились с помощью гайки и шайбы. Величина пригрузки изменялась от 1.0 до 80 г/см2. Пригрузка рассчитывалась по площади внутреннего цилиндра, равной 364 см2. Вес пригрузочных дисков, изменялся (без учета веса штанги вискозиметра с диском) от 3 до 28 кг. Таким образом, выравнивание смесей в цилиндрах вискозиметра происходило не только за счет вибрации, но и за счет выдавливания и одновременного уплотнения бетонной смеси во внутреннем цилиндре. Конечное выравнивание носило иногда условный характер, так как смесь в наружном цилиндре располагалась неравномерно, но во всех случаях достигалось совпадение метки на штанге с верхней плоскостью головки штатива.
Точность этого способа составляет в среднем также ±10%, однако чувствительность по мере снижения жесткости бетонной смеси резко падает.
При использовании вискозиметра с пригрузкой большое значение имеет равномерное распределение амплитуды по виброплощадке.
На рис. 10 виден полученный опытным путем график, показывающий связь между показателем жесткости бетонной смеси, определенным на вискозиметре с пригрузкой, и жесткостью этой же смеси. Пригрузка значительно уменьшает время определения. Разница между действием пригрузки 30 и 80 г/см2 почти отсутствует. Поэтому было решено использовать в вискозиметре нригрузку 30 г/см2 (вес груза 10 кг), которая является оптимальной с точки зрения уплотнения нормально жестких и особо жестких бетонных смесей.
Помимо опытов с техническим вискозиметром, была проведена проверка и других способов определения степени жесткости бетонной смеси.
Выступление цементного клея на поверхности вибрируемой бетонной смеси (метод, используемый в приборах Совалова и Френкеля) в общем соответствует моменту окончания уплотнения. Многочисленные опыты по уплотнению бетонной смеси в цилиндрическом сосуде при различных амплитудах вибрирования и пригрузках, а также без пригрузки показали, что момент обильного выделения цементного клея соответствует (в среднем) коэффициенту уплотнения 0,99. Отклонения от этой величины составляют (также в среднем) ±1%.
Обычно это явление используется на практике для установления окончания вибрирования смеси. Но для точного определения степени жесткости бетонной смеси этот метод мало пригоден. Клей, как правило, не выступает по всей поверхности, а специальные отверстия в пригрузочной пластинке или стенке формы не облегчают определения, так как клей показывается не во всех отверстиях сразу.
Значительные трудности и ошибки сопутствуют также и методу определения времени уплотнения бетонной смеси, предложенному НИИ по строительству. В этом случае необходимо знать объемный вес бетонной смеси, что исключает использование этого опыта для контроля за жесткостью бетонной смеси на производстве, где ненеизвестен точный состав смеси, а следовательно, и невозможно теоретически подсчитать объемный вес. Да и сам подсчет теоретического объемного веса неточен, учитывая неоднородность минерального состава заполнителя в условиях производства. Применение значительной пригрузки (80 г/см2) практически исключает возможность использования этого, метода для оценки степени жесткости нормально жестких смесей (30—200 сек.), для которых время уплотнения при наличии пригрузки будет мало изменяться при изменениях жесткости. Использование разборкой формы также вносит известную неточность в определение, так как при этом нельзя гарантировать постоянство объема формы. Наконец, следует учесть и то обстоятельство, что определение вргмени уплотнения не дает оценки расслаиваемости бетонной смеси и ее способности растекаться в форме. Экспериментальные данные свидетельствуют о неточности этого метода, так как при/одном и том же водосодержании бетонной смеси и близких (или равных) расходах цемента удобоукладываемость в отдельных опытах различалась зачастую почти в 4 раза. Значительно более точен метод снятия кривой уплотнения, использованный в настоящей работе (см. главу IV). Этот метод позволяет уменьшить влияние ошибок, связанных с неточностью подсчета теоретического объемного веса бетонной смеси и определения уровня уплотненной смеси в сосуде, а также с непостоянством размеров формы. Однако этот способ сложен даже при использовании самопишущего прибора для снятия показаний и вряд ли может быть использован в массовых испытаниях. Точность определения в этом случае не превышает точности технического вискозиметра, чувствительность же намного ниже.
Таким образом, эти способы не имеют каких-либо преимуществ перед техническим вискозиметром, обладают меньшей точностью и чувствительностью и в то же время требуют создания специальных приспособлений. Поэтому технический вискозиметр и был предложен для определения жесткости бетонной смеси.
Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона
д-р техн. наук В.И.Сорокер, инж. В.Г.Довжик
Москва 1958
|
