УДК 624.191 Куликов Юрий Николаевич проф., к.т.н. кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт»

УДК 624.191
Куликов Юрий Николаевич
проф., к.т.н.
кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт»
Московский государственный горный университет
УПЛОТНЯЕМОСТЬ БЕТОННОЙ СМЕСИ – КРИТЕРИЙ
ПРОЧНОСТИ И ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ ОБДЕЛКИ
ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
COMPACTION OF CONCRETE MIXTURES –STRENGTH AND
WATER RESISTANCE CRITERION OF UNDERGROUND
CONSTRUCTIONLINING
Причиной четко выраженной разницы в прочностных показателях и
характеристиках водонепроницаемости различных частей бетонной
обделки подземного сооружения является изменение водоцементного
отношения в уложенной бетонной смеси, которое обусловлено
уплотнением этой смеси.
Как указывается в работе [1] под уплотняемостью бетонной смеси
понимается ее способность деформироваться без нарушения
структурной сплошности при приложении или нормального давления или
динамических воздействий (ультразвук, вибрация и др.) или за счет
собственного веса.
Структура бетонной смеси рассматривается как неоднородная
двухкомпонентная масса [1, 2], которая состоит из различных по
свойствам капиллярно-пористых тел: цементного геля и заполнителя.
Заполнитель представлен механической смесью щебня и песка. Зерна
заполнителя занимают большую по объему часть (70-80 %) и образуют
мало податливый, практически несжимаемый под действием приложенных
усилий жесткий скелет, в пустотах которого заключен сжимаемый
цементный гель. Если объем цементного геля превышает объем пустот
заполнителя, происходит раздвижка зерен заполнителя, которую
количественно можно оценить коэффициентом раздвижки [3, 5]:
 или  
V0 '
U  
 1  сз 0 оз ,
V0
V0
(1)
где  или  – коэффициенты раздвижки для малого и крупного
заполнителя, соответственно; V0’, V0 – пустотность заполнителя после
раздвижки зерен цементным гелем и в исходном (естественном)
состоянии, соответственно; Uсз – удельная поверхность зерен мелкого или
крупного заполнителя, см2/г; 0 – толщина пленки цементного геля,
которая покрывает заполнитель, см; оз – объемная плотность заполнителя,
г/см3.
182
Практически в любой правильно подобранной бетонной смеси
частицы заполнителя покрыты пленкой цементного геля. Это препятствует
образованию предельно жесткого скелета бетонной смеси, который
исключает передачу уплотняющих внешних усилий на цементный гель. В
последнем случае прекращается отжатие жидкой фазы из бетонной смеси.
Благодаря раздвижке и обмазке слоем цементного геля толщиной
0,зерна заполнителя находятся во взвешенном состоянии, и их
перемещению препятствует структурная связность цементного геля [1].
Плотное, более компактное взаиморасположение зерен заполнителя в
пространстве определяется возможностью их перемещения в среде
цементного геля, для чего необходимо нарушить или вовсе разрушить
структурные связи в цементном геле [2]. Иначе говоря, погружение зерен
заполнителя в цементном тесте происходит при условии, что вес зерна (за
вычетом веса вытесненного зерном цементного геля) больше
сопротивления показателя сдвига этого геля, которое при разрушении
структурных связей характеризуется значением 0 = 0. В состоянии покоя
цементный гель отличается значительной несущей (взвешивающей)
способностью, которая зависит от величины водоцементного отношения
(В/Ц) и химико-минералогического состава цементного клинкера,
интегрально характеризуемого величиной водоцементного отношения
теста нормальной густоты [1], [2]. Разрушение структурных связей
цементного геля приводит к усилению его текучести, которая в
определенных условиях становится адекватной текучести обычной воды.
Взвешивающая способность цементного геля изменяется, зерна
заполнителя получают возможность «осаждаться» под действием своего
веса.
Количественная оценка несущей способности цементного геля
может быть увязана с предложенным проф. И.Н. Ахвердовым показателем
относительной текучести:
Ie 
x  0,876
,
0,744
где x 
В
Ц
К н. г
(2)
г
ост
,
(3)
(В/Ц)гост – остаточное В/Ц цементного геля, Кн.г. – коэффициент
нормальной густоты конкретного цемента, определяемый как минимально
необходимое для получения связного цементного геля водоцементное
отношение.
Из выше изложенного следует, что цементный гель в бетонной смеси
является элементом, из которого отжимается вода затворения. Вода,
которая впитывается порами заполнителя и адсорбируется на его
поверхности [1, 2, 10], в указанном процессе не участвует в связи с
достаточно прочной связанностью заполнителем. Поэтому решение
вопроса об отжиме избыточной воды затворения из бетонной смеси как
отжиме ее из цементного геля этой смеси при приложении
183
вышеупомянутых уплотняющих нагрузок рассматривается как решение
задачи о сжимаемости цементного геля.
Как было отмечено ранее, взвешивающая способность цементного
геля связана с количеством воды в нем (с В/Ц). Так как процесс
образования структуры цементного геля и его переход к образованию
твердого тела носит физико-химический характер, то в порах цементного
геля находится не чистая вода, а раствор, содержащий в коллоидном
состоянии продукты гидролиза минералов цемента. Согласно
исследованию [2] средняя плотность воды в цементном геле
характеризуется коэффициентом , величина которого может быть
рассчитана по следующей формуле:
1 В К н. г
 
0,876   с ( x  0,876) ,
 Ц
с
(4)
где с – плотность воды сольватного слоя,с = 1,5.
Некоторые значения коэффициента  приводятся в табл. 1.
Таблица 1.
В/Ц
0,876 Кн.г
1,5

Кн.г
1,42
1,65 Кн.г
1,21
Сольватный слой возникает на поверхности гидратирующихся
частиц цемента при взаимодействии ее с водой, которая адсорбируется на
поверхности, проникает в поры и трещины частицы цемента, образуя
раствор из ионов минералов цементного клинкера и воды [7, 8, 9].
При сжатии цементного геля под влиянием внешней нагрузки
уменьшается его пористость и тем значительнее, чем больше нормальное
давление. Пористость цементного геля удобнее всего характеризовать
через коэффициент пористости ’, который может быть выражен как
отношение объема пор в цементном тесте Vп к объему сольватированных
частиц цемента Vц:
'
Vп
.
Vц
(5)
Исходя из этого проф. И.Н. Ахвердов на основе значительных
теоретических и экспериментальных исследований делает вывод, что
 '  u 
К н. г
с
0,876   с ( x  0,876) ,
(6)
или с учетом формулы (4)
 '  u
1 В
 ,
 Ц
(7)
где и – кажущаяся плотность цемента.
Согласно исследованиям [1], [2] и можно определить через
коэффициент нормальной густоты цементного геля Кн.г по данным табл. 2.
184
Таблица 2.
Кн.г
0,24
3,2
2,76

и
0,25
3,15
2,69
0,27
3,10
2,62
0,3
2,95
2,48
Примечание: и– плотность цемента.
Опираясь на формулу (7) остаточное водоцементное отношение
цементного геля (В/Ц)гост, которое имеет место после отжатия из него
воды, предлагается определять из формулы:
В
Ц
 
г
 
ост
'
.
u
(8)
Зная величину (В/Ц)гост и расход цемента на 1 м3 бетонной смеси
легко определить количество отжатой при укладке воды.
Анализ формулы (8) показывает, что основное значение для (В/Ц)ост
имеет параметр ’,величина которого зависит от величины уплотняющего
нормального давления Р. До приложения нормального давления ’= 0, где
0 – коэффициент начальной пористости, которая зависит от Кн.ги
начального В/Ц цементного геля, как это отражено в табл. 3 [2],
полученной на основании экспериментальных данных.
Таблица 3.
Кн.г
0,25
0,27
0,30
1,00
1,10
1,20
0,475
0,504
0,524
0,542
0,570
0,602
0,610
0,645
0,677
Значение ’ при величинах х
1,30
1,35
1,40
1,45
0,683
0,720
0,750
0,710
0,750
0,785
0,745
0,785
0,823
0,777
0,820
0,850
1,50
1,60
1,65
0,808
0,855
0,892
0,876
0,900
0,970
0,910
0,960
1,020
При передаче нормального давления на цементный гель при
уплотнении укладываемой бетонной смеси, в его порах, имеющих
сложную извилистую конфигурацию, в противодействие внешнему,
возникает внутреннее (расклинивающее) давление Р0, которое зависит от
В/Ц цементного геля.
Результаты опытного определения зависимости Р0 от В/Ц приводятся
на рис. 1.
185
Рис. 1. Сопротивление сжатию структуры цементного геля при различных
значениях (В/Ц)нач и Х
Наибольшее внутреннее давление Р0 соответствует В/Ц = Кн.г, с
увеличением В/ЦР0 уменьшается до минимального значения при В/Ц =
1,65Кн.г [4]. По мере уменьшения В/Ц цементного геля ниже этого
значения до В/Ц = Кн.гза счет вытеснения воды, нормальное давление Р и
внутреннее пороговое давление Р0 сближаются и при Р =Р0 = 0,065 МПа
сольватные оболочки частиц цемента соприкасаются и происходит
отжатие диффузной воды, удерживаемой цементной частицей, до момента,
пока в системе «цемент – вода» останется лишь адсорбционная вода.
Сближение Р иР0 до уровня 0,065 МПа и выше позволяет при
решении задач отжима воды из бетонной смеси пользоваться графиком
1для определения (В/Ц)ост.
Доказано [2], что при отжиме воды из цементного геля давление Р
=Р0 = 0,065 МПа определяет предельную величину коэффициента
пористости ’=0,524.
186
Таким
образом,
если
в
условиях
коагуляционного
структурообразования при отсутствии внешнего давления величина
коэффициента пористости цементного геля определяется формулой (4), то
при приложении уплотняющей нагрузки зависимость преобразуется в
следующую:
 P 
 '   'н  ( '0   'н )  0 
 P  P0 
0,18
.
(9)
Укладка бетонной смеси в опалубку при возведении вторичной
обделки подземного сооружения производится с уплотнением ее
стандартными вибраторами. При вибрации бетонной смеси одновременно
происходят два взаимосвязанных процесса: тиксотропное разжижение
цементного геля и изменение пространственной упаковки зерен
заполнителя. Последний процесс, по мнению ряда авторов [1], [7]
возможен, если цементный гель приобретает свойства вязкой жидкости,
т.е. произойдет переход геля в золь (тиксотропное превращение раствора).
Р. Лермит, определяя оптимальную частоту вибрирования, увязывает этот
показатель с крупностью зерен заполнителя d:
d
14  106
.
n2
(10)
И.Н. Ахвердов, полагая, что погружение зерен заполнителя
практически не влияет на отжим воды при укладке бетонной смеси,
считает, что на этот процесс основное влияние оказывает процесс
коагуляционного самоуплотнения цементного геля (формулы (4), (9)),
который при вибрационном уплотнении принимает вид:
0,18
1, 21 
 
 P0 
 '   'н  ( '0   'н ) 

P
( P0   г h ) 

0 ,
 
 P0   г h 
  г h 
(11)
где h – высота столба цементного геля, действующего на единицу
площади; г – плотность цементного геля.
Анализируя формулу (11) можно сделать вывод, что величина
гhпредставляет собой не что иное, как внешнюю нормальную нагрузкуР.
Отсюда формула (11) приобретает вид:
0,18
1, 21 
 
 P0 
 '   'н  ( '0   'н ) 

P
( P0  P) 

0  .
P
P

P

 
0




(12)
Обобщая проведенные исследования при виброуплотнении бетонной
смеси во время укладки в конструкцию проф. И.Н. Ахвердов пришел к
выводу, что остаточное (В/Ц)бост необходимо определять из уравнения:
В
Ц
 
б
 X ост К н. г 
ост
Вз
,
Ц
(13)
187
где Х 
В
Ц
К н. г
г
ост
, В Ц 
г
ост
– определяется по формуле (8), ’ –по формуле
(12); Вз – водопотребность заполнителя, определяется экспериментально
или по таблицам, приведенным в работах [1], [2], [4], [5].
Проведенный
анализ
теоретических
представлений
об
уплотняемости бетонных смесей дает инструмент для фактического
решения задачи о причинах расслоения бетонной смеси при ее укладке в
опалубку подземного сооружения, в частности, в опалубку вторичных
обделок коммунальных тоннелей, а также для определения мероприятий
по снижению или устранению этих причин, что неизбежно влечет
значительное улучшение качества вторичных бетонных обделок и
подземного строительства в целом.
Литература.
1. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. – М.: Стройиздат, 1981. –
163 с.
2. Ахвердов И.Н. Прочность и деформативность бетона в
водонасыщенном состоянии. // Труды координационных совещаний по
гидротехнике. – М.: Энергия, 1971.
3. Куликов Ю.Н. Исследование свойств монолитной бетонной крепи
при сооружении капитальных горных выработок в сложных
гидрогеологических условиях. – Диссертация на соискание уч. степени
к.т.н. – М.: МИРГЭ, 1966.
4. Куликов Ю.Н. Материалы конструкций подземных сооружений.
Минеральные вяжущие и бетоны. – Уч. пособие. – М.: МГИ, 1983. – 52 с.
5. Куликов Ю.Н. Проектирование подвижности бетонных смесей в
подземном строительстве. // Горный информационно-аналитический
бюллетень, 1997. – выпуск №2.
6. Куликова Е.Ю. Исследование фильтрационной надежности
несущих и ограждающих конструкций городских подземных сооружений.
– Диссертация на соискание уч. степени к.т.н. – М.: МГИ, 1992.
7. Лермит Р. Проблемы технологии бетона. – Госстройиздат, 1959.
8. Мань Н.С. Разработка технологии возведения монолитных
бетонных обделок гидротехнических тоннелей, обеспечивающих их
долговечность. – Автореферат на соиск. уч. степени к.т.н. – М.: МГИ, 1991.
9. Михайлов Н.В. Физико-химическая теория бетона и основные
положения новой технологии бетона и железобетона. – М.: Госстройиздат,
1958.
10. Ребиндер П.А. Физико-химические представления о механизме
сзватывания и твердения минеральных вяжущих. / Труды совещания по
химии цемента. – Промстройиздат, 1956.
188
Аннотация.
В
данной
статье
рассмотрены
вопросы,
связанные
с
характеристиками и структурой бетонной смеси, которые вызывают
появление различий в прочностных показателях и показателях
водонепроницаемости
бетонной
обделки
подземного
сооружения.Вскрытие процессов разуплотнения бетонной смеси за
опалубкой позволяет усовершенствовать рецептуру бетона вторичных
обделок подземных объектов.
This article concerns questions connected with the characteristics and
structure of a concrete mix, which causes the differences in the strength
properties and parameters of water resistance of underground
constructionsconcrete lining. The opening of the processes of disintegration of
concrete mixture for formwork allows improving the formulation of concrete
secondary lining of underground objects.
Ключевые слова.
бетонная смесь, водоцементное отношение, цементный гель,
виброуплотнение, тиксотропное разжижение, опалубка
concrete mix, water-cement ratio, cement gel, vibroplatta, thixotropic
liquefaction, formwork
189