Рассматривая физическую сущность виброуплотнения бетона, многие исследователи считают, что при вибрировании устраняется вредное влияние сил трения и сцепления, действующих на смежные частицы бетонной смеси. Из всех сил только сила тяжести стремится уплотнить бетонную смесь, а силы трения и сцепления препятствуют этому процессу. В то же время Д. Е. Десов подчеркивает, что эффект вибрирования зависит как от вязкости среды, так и от формы, размеров и характера поверхности частиц, количества твердой фазы, а главное - от значения и частоты импульсов, сообщаемых частицами бетонной смеси вибрация передает бетонной смеси импульсы, вследствие чего частицы колеблются около осредненного направления движения. Бетонная смесь переходит из состояния аморфного рыхлого тела в состояние тяжелой жидкости, в той разжиженной бетонной смеси частицы перемещаются под действием силы тяжести и на поверхности выделяется воздух в виде пузырьков, о состоянии временной текучести раствора и бетонной смеси подробно рассматривается в работах П. А. Ребиндера, Н. В. Михайлова, П. Ф. Овчинникова, Н. Б. Урьева. Таким образом, процесс вибрационного уплотнения бетона рассматривался как тиксотропное разжижение цементных систем и сближение частиц под действием сил тяжести.
В этих условиях процесс виброуплотнения бетона условно делят на определенное количество стадий. Так, по мнению А. А. Афанасьева и О. А. Савинова, он делится на три стадии:
- на первой происходит перекомпоновка составляющих;
- на второй появляются оболочки и жидкая фаза на поверхности крупного заполнителя;
- на третьей - компрессионное сжатие смеси.
Разделяя эту точку зрения на процесс вибрационного уплотнения, исследователи считают его более сложным. В связи с представлением о бетоне как о композиционном материале, имеющем макро- и микроособенности, целесообразно условно поделить процесс на две стадии:
- первая - перекомпоновки крупных составляющих (щебня) и образование макроструктуры;
- вторая - более глубоких тиксотрогіных изменений в мелкодисперсной (цементной) системе и формирование микроструктуры.
На первой стадии рекомендуются колебания низкой частоты с большой амплитудой перемещения, когда преодолеваются силы сцепления и сухого трения неуплотненных частиц бетонной смеси, что соответствует представлениям о бетонной смеси как модели с пластическими свойствами (модели Бингама). Для этого требуются достаточно большие амплитуды (1...5 мм) и необходимая интенсивность по ускорению 1,5...3,5g для преодоления предельного напряжения сдвигу в зависимости от свойств среды и размеров крупного заполнителя.
На второй стадии происходит дополнительное уплотнение бетона, которое будет протекать интенсивно при значительных тиксотропных изменениях. Для разжижения растворной составляющей целесообразны повышенные частоты или введение пластифицирующих добавок. Снижение вязкости описывается с использованием модели Кельвина - Фойгта.
Естественно, оба процесса происходят одновременно, но для низких частот и больших амплитуд быстрее протекает первая стадия, что хорошо иллюстрируется на рис. 5, Тиксотропные свойства бетонных смесей) Для средних (50 Гц) и повышенных частот на процесс уплотнения большее влияние оказывает тиксотропное разжижение (воздействие частот на всплытие шарика иллюстрируется на там же.
В условиях асимметричных ударно-вибрационных режимов, которые реализуются с частотой 25 Гц и ниже в бетонной смеси наряду с низкочастотными колебаниями будет возникать спектр высокочастотных составляющих и при этом можно ожидать ускорения процесса первой стадии. Однако представляется, что для этого необходимы не только большие перемещения, но и возможность создавать условия для перекомпоновки частиц, применять ускорение в верхнем положении площадки 2,0 g и выше, которые обеспечивали бы возможность перемещений частиц крупного заполнителя и их ускоренную перекомпоновку.
Действительно, ударные режимы осуществляются при частоте 200...300 ударов в 1 мин с амплитудой 5...7 мм. Но ускорение в верхнем положении ударного столба близко к 1g и, несмотря на большую эффективность ударных режимов (нижнее ускорение в момент соударения около 10g), скорость процесса уплотнения при этом низка. В таблице на рис. 1 представлены экспериментальные данные канд. техн. наук Е. А. Синевой по скорости процесса уплотнения бетонных смесей различной жесткости.
Рис. 1. Время уплотнения бетона при различных режимах
Как видно из рис 1, ударный режим по времени значительно более продолжителен по сравнению со стандартным и особенно ударно-вибрационным, что связано с физическими особенностями процессов уплотнения. Крупные частицы из-за низкого значения «верхнего» ускорения (в верхнем положении площадки) не могут изменять своего положения, не имеют возможности как бы разрыхлиться и обеспечить перекомпоновку, что снижает скорость процесса.
В настоящее время в технологии изготовления сборного и монолитного железобетона широкое распространение получили поверхностно-активные (ПAВ) - пластифицирующие добавки. Такие добавки суперпластифицирующего действия типа С-3 позволяют существенно повысить удобоукладываемость с 2...3 см осадки конуса до 18...20 см. В технологии это обстоятельство используется для обеспечения повышенной удобоукладываемости смеси, снижения интенсивности вибрации или уменьшения расхода цемента при той же удобоукладываемости. Очевидно, следует ожидать изменение удобоукладываемости в технологии сборного железобетона с 1...3 см осадки конуса до 8...12 см. При использовании низкочастотных режимов расслаиваемость может снижаться как минимум в 1,5 раза.
Оценим процесс виброуплотнения бетона, применяя методы теории подобия.
На процесс укладки оказывают влияние следующие параметры вибрационного режима и свойства бетонной смеси: NВ - мощность передаваемого вибрационного воздействия FL/t; A - амплитуда колебаний L; ω - угловая частота колебаний 1/t; t - время вибрирования t; ρ - плотность укладки бетонной смеси при виброуплотнении Ft2/L4; τ0 - сопротивление сдвигу бетонной смеси F/l2; v - вязкость бетонной смеси Ft/L2; β - линейный коэффициент затухания колебаний 1/l; 1 - приведенный размер зоны уплотнения L; g - ускорение силы тяжести L/t2.
Определяющими параметрами для механического процесса укладки приняты: сила F, время t, длина l. Число безразмерных колебаний, согласно π-теореме (в этой задаче 10-3=7). При составлении безразмерных комбинаций учтены известные физические и эмпирические зависимости Например, на виброуплотнение оказывают влияние различные комбинации амплитуды и частоты: Аω, Аω2, А2ω2, А2ω3, что облегчает получение безразмерных комбинаций в следующем виде:
(ρl3А2ω2)/Nb; (ρА2ω2)/τ0; (ρАω)/βv;
NВt/τ0l3; NВt2/vl3; Аω2/g; Aβ.
В самом общем виде плотность бетона выражена
ρ((А2ω3l3)/Nb; А2ω2/τ0; Аω/βv)=f(NВt/τ0l3; NВt2/vl3; Аω2/g; Aβ).
Из вышеприведенной зависимости можно сделать несколько качественных выводов:
- процесс виброуплотнения функционально зависит от ускорения колебаний Аω2, его продолжительность связана с удельной мощностью и свойствами бетонной смеси;
- использование вибрационных воздействий с большими амплитудами оказывает положительное влияние на уплотнение;
- при повышенной жесткости бетонной смеси (больших значениях τ0 и v) следует увеличивать Аω, А2ω2.
В связи с разработкой нового направления по использованию для уплотнения бетонной смеси вибрации низких частот, авторами учтена существующая и сформулирована более общая гипотеза вибрационного уплотнения. В вышеприведенной формуле показано, что процесс во времени определяется удельной мощностью вибрационного воздействия (N/l3) и свойствами бетонной смеси τ0 и v в следующем виде:
Nt/τ0l3=const=C1; Nt2/vl3=const=C2
Таким образом, сложный процесс вибрационного уплотнения бетона характеризуется необходимостью преодоления сил трения, сцепления и вязкого сопротивления. В этом случае конечное состояние бетонной смеси зависит, во-первых, от сближения крупных и мелких частиц заполнителей, для которого характерно преодоление взаимных сил трения и сцепления между частицами. Во-вторых, уплотнение - это перераспределение цементного теста, связанное в его тиксотропным разжижением. Безусловно, эти стороны одного и того же процесса следует рассматривать в комплексе. Силы пластического и вязкого сопротивления совместно препятствуют процессу уплотнения, но физическая их суть различна. Силы вязкого сопротивления уменьшают влияние сил сухого трения - цементное тесто выполняет роль смазки в процессах уплотнения. Это обстоятельство и предопределило изучение целым рядом исследователей сил вязкого сопротивления и снижения их значения при вибрационном воздействии.
В вышеприведенном выражении показано, что характер вибрационного процесса уплотнения определяется константами С1 и С2. В этом случае при одних и тех же свойствах смеси уплотнение будет протекать по-разному: при больших амплитудах вибрации возникают большие относительные перемещения частиц и интенсивнее преодолеваются силы трения - пластического сопротивления при значительных частотах, благодаря большему тиксотропному разжижению цементного теста, - силы вязкого сопротивления. При воздействии низкочастотных режимов происходит менее интенсивное разжижение растворной составляющей. С другой стороны, большие амплитуды способствуют быстрейшему взаимному перемещению частиц и общий процесс уплотнения будет менее продолжительным.
Уплотнение функционально зависит от ускорения, которое и принято в качестве одного из основных факторов, определяющих этот процесс, что важно для машиностроительной отрасли. Чем меньшее значение ускорения в области рациональных частот и амплитуд позволит получить наиболее высокий эффект уплотнения, тем оптимальнее вибрационная система.
В связи с изложенными физическими особенностями процесса виброуплотнения бетона представляется развитие следующих основных направлений вибрационной технологии:
- использование симметричных и асимметричных низкочастотных режимов (частота ниже 30 Гц) как наиболее универсальных, позволяющих обеспечить уплотнение как жестких, так и весьма подвижных бетонных смесей;
- внедрение управляемых режимов колебаний при различных частотах колебаний, направленности результирующих пространственных колебаний, пригруза и других режимов.
