В.Т. Перцев, а.А. Леденев Методологические подходы к исследованию реологических свойств строительных смесей

Приведены результаты анализа методов экспериментальной оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей. Представлены методологические подходы к исследованию реологических свойств, позволяющие описать процессы, протекающие в микроструктуре смесей при внешних механических воздействиях.

Ключевые слова: реологические свойства, бетонные смеси, растворные смеси.

V.T. Pertsev, A.A. Ledenev

Methodological approaches to research rheological properties of building mixes

Results of the analysis of methods of an experimental estimation rheological properties concrete and mortar mixes are resulted. Methodological approaches to research rheological the properties are presented, allowing to describe the processes proceeding in a microstructure of mixes at external mechanical influences.

Keywords: rheological properties, concrete mixes, mortar mixes.

Введение. Актуальность разработки методологических подходов к исследованию реологических свойств строительных смесей предопределяется расширением в практике строительства смесей, имеющих широкий диапазон свойств: от жестких и малоподвижных, до высокоподвижных и самоуплотняющихся, в том числе модифицированных различными видами добавок. Применяемые на практике методы с использованием стандартных технических характеристик, не всегда позволяют адекватно оценить проявление реологических свойств строительных смесей, что может провести к получению ошибочных оценок их реологического поведения при внешних механических воздействиях, происходящих при реализации технологических процессов перемешивания, транспортирования, формования и др.

Теоретическая часть. Согласно существующим представлениям, для описания реологического поведения строительных смесей, как многофазных структурированных систем, используют классические модели, основанные на представлении о непрерывности упруго-вязко-пластичной среды. В данном случае процессы деформации и течения описывают уравнениями механики сплошной среды с использованием моделей выражающих обобщенные законы: модель упругого поведения Гука; модель вязкого течения Ньютона; модель пластичности Сен-Венана [1, 2]. Для описания более сложных систем: растворных, бетонных и других строительных смесей могут быть использованы различные комбинации простых тел.

В классической реологии представление о поведении растворных и бетонных смесей при воздействии на них внешних сил дают реологические кривые (рис. 1) [1 – 3].

Условно на кривой могут быть выделены три основные области (рис. 1). В первой области при напряжениях сдвига от нуля до предельного напряжения сдвига τ₀ смесь проявляет упругие свойства. Во второй, лежащей в диапазоне τ₀ – τ₁ система обладает структурой с практически не нарушенными связями с максимальной эффективной вязкостью η_max.

________________________________________________________________________________

© Перцев В.Т., 2017

В третьей, при напряжениях τ ≥ τ₁ происходит полный разрыв связей и разрушение структуры с достижением при определенных величинах τ > τ₂ минимальных величин эффективной вязкости η_min.

Рис. 1. Реологические кривые течения бетонной смеси: η_А – эффективная вязкость;

τ₀ – предельное напряжение сдвига; τ₁ – напряжение сдвига, соответствующее разрушению структуры;

τ₂ – напряжение сдвига, соответствующее предельно разрушенной структуре

В общем случае течение растворных и бетонных смесей может быть описано уравнением Балкли-Гершеля [4]

где – предел текучести или предельное напряжение сдвига; – эффективная вязкость; – градиент скорости сдвига; n – показатель псевдопластичности, при n > 1 уравнение описывает дилатантные жидкости; при n < 1 – неньютоновские жидкости.

Из рассмотренных положений следует, что для оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей важно знать такие характеристики, как , , , , .

На практике в качестве основных характеристик используют технические показатели, позволяющие оценить реологические свойства смесей применительно к условиям их использования в строительстве. В этом случае определяют не фундаментальные реологические характеристики в физических единицах: напряжение сдвига, предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость, а их обобщенные показатели, такие как консистенцию вяжущего теста, удобоукладываемость растворной или бетонной смеси и т.п. При этом важное научно-практическое значение имеет соответствие показателей реологических характеристик в физических единицах с их техническими показателями, определяемыми эмпирическими методами.

Анализ существующих методов экспериментальной оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей показал, что большинство из используемых методов, характеризуют только один параметр, который соотносится либо с предельным напряжением сдвига, либо с вязкостью или некоторой плохо определенной комбинацией обеих величин (табл. 1 – 3). Оставшийся неизмеренным реологический параметр не может быть рассчитан на основании измеренного параметра, то есть может быть скорее оценен, чем вычислен. Используя два экспериментальных метода, один из которых связан с предельным напряжением сдвига, а другой с вязкостью, можно получить лучшее описание течения бетонной смеси [5].

Таблица 1

Методы оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей,

связанные с определением предельного напряжения сдвига

Вид метода	Тип прибора, характеристика метода	Схема приборов
метод измерения оползания	конус Абрамса по ГОСТ 10181-2000; определяется начало течения смесей; измеряемый параметр – осадка или расплыв конуса
метод измерения погружения (пенетрация, пластометрия)	методы проникающего прута: Келли-Бола, Виката, Вигмора; конический пластометр МГУ, конус СТРОЙЦНИЛа; измеряемый параметр – глубина проникновения объекта

Таблица 2

Методы оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей,

связанные с определением эффективной вязкости

Вид метода	Тип прибора, характеристика метода	Изображение приборов
вибрационные методы	методы, основанные на определении скорости погружения или всплывания шарика
	методы переформовки и уплотнения: метод Вебе (ГОСТ 10181-2000), ЛЦЛ-метод и метод Фритча; измеряется способность смеси изменять свою форму при вибрации.
методы, основанные на действии силы тяжести	метод оценки конуса течения, способ наполнения, метод Оримета; используются приборы, основанные на определении скорости истечения смеси через капилляр, трубку или отверстие; измеряется время течения смеси

Были предприняты экспериментальные шаги для создания методов, которые позволяют реализовать измерение обоих параметров в фундаментальных единицах. Для этого применяются реометры, которые позволяют исследовать сдвиг при различных скоростях, а также модифицированный экспериментальный метод оползания конуса (табл. 3).

Таблица 3

Методы оценки реологических свойств бетонных и растворных смесей,

связанные с определением эффективной вязкости и предельного напряжения сдвига

Вид метода	Тип прибора, характеристика метода	Изображение приборов
методы с применением реометров с коаксиальными цилиндрами	двухточечный метод Таттерсаля, метод Берта; измеряется вращательный момент и сопротивление приводу
	реометр BTRHEOM; прибор состоит из емкости с зубчатым дном и вращающего верхнего колеса; используется для испытаний высокоподвижных и литых бетонных смесей
	вискозиметры ротационного типа; предназначены для цементного теста и растворных смесей
метод измерения оползания при механических воздействиях	модификация метода конуса по DIN 1045; определяется диаметр расплыва бетонной смеси при поднимании и опускании металлического листа

Следует отметить, что такие реологические параметры как напряжение сдвига, предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость являются интегральными. Эти показатели макрореологических свойств не всегда дают полного представления об истинных физических процессах, которые протекают в структуре смесей, что может приводить к получению ошибочных оценок их поведения.

Основные структурные особенности, присущие практически всем классам строительных смесей, являющихся обводненными дисперсно-зернистыми системами – это многофазность и полидисперсность (рис. 2). Совмещение грубодисперсных компонентов и микрогетерогенных составляющих предопределяет некоторую неоднозначность в оценке реологического поведения этих систем. Вне всякого сомнения, что общие реологические результаты являются следствием протекающих процессов на микро- и мезо- масштабных уровнях. В связи с этим современные задачи реологии сводятся к выявлению связи деформации от напряжения, основываясь на микрореологических исследованиях физико-химического строения различных смесей. Особенную актуальность эта задача получает в связи с применением смесей, содержащих тонкодисперсные, органоминеральные, в том числе и наноразмерные добавки. В таких системах вследствие развитой удельной поверхности компонентов проявляются межчастичные взаимодействия, способствующие формированию неоднородной, агрегированной фрактально-кластерной структуры. Формирование и переформирование агрегатов в этой структуре оказывает значительное влияние на реологические характеристики систем.

Рис. 2. Макроструктура (а) и микроструктура (б) бетонной смеси

Как уже отмечалось классические макрореологические модели упруго-вязко-пластичной среды, применяемые для описания поведения реальных систем и построенные на допущениях, исходящих из представлений о сохранении постоянства внутренней структуры вещества независимо от величины и скорости деформации, не всегда дают достаточно полное описание течения концентрированных дисперсно-зернистых систем. Вполне возможны случаи, когда эти макрореологические представления перестают быть справедливыми.

Проведенные исследования позволили уточнить механизм течения концентрированных дисперсно-зернистых систем в условиях сдвиговых напряжений (рис. 3) [6 – 8].

Рис. 3. Модель реологического течения дисперсно-зернистой системы:

η_эфф – эффективная вязкость системы; τ₀ – предельное напряжение сдвига;

I, II, III – виды образующихся структур

Согласно представленной микрореологической модели (рис. 3), первоначально сложившаяся структура системы в виде бесконечного кластера при напряжениях больших предельного напряжения сдвига разрушается на отдельные крупные агрегаты, что сопровождается снижением эффективной вязкости (рис. 3, т. 1 – т. 2). Максимальное разжижение достигается за счет разрыва связей между агрегатами (рис. 3, т. 2 – т. 3). С ростом напряжения сдвига и при полном разрыве связей агрегаты разбиваются на более мелкие кластеры или даже индивидуальные частицы, что приводит к увеличению внутреннего трения и соответственно повышению эффективной вязкости (рис. 3, т. 3 – т. 4). При дальнейшем нарастании напряжений сдвига вновь происходит снижение вязкости в результате разрыва сплошности системы (рис. 3, т. 4 – т. 5).

Экспериментальная часть. Результаты экспериментальных исследований, проведенных с использованием ротационной вискозиметрии, показали, что подобный механизм течения наблюдается и в рассмотренных обводненных дисперсиях (рис. 4). Отмечается наличие участков с минимальной величиной эффективной вязкости (рис. 4, т. 2 – т. 3) и рост эффективной вязкости при дальнейшем увеличении напряжений сдвига (рис. 4, т. 3 – т. 4) с последующим ее снижением при разрыве сплошности систем (рис. 4, т. 4 – т. 5).

а) б)

τ₀

η_{эфф min}

Рис. 4. Реологические кривые обводненных дисперсных систем: 1 – «молотый известняк-вода»;

2 – «молотый песок-вода»; 3 – «молотый шлак-вода»; 4 – «молотый цемент-вода»;

5 – «зола-вода» при В/Т = 0,32; S_уд = 500 м²/кг

Таким образом, экспериментально установлено, что проявление реологических свойств дисперсных систем является следствием динамики на меньших масштабных уровнях. Показано, что изменение реологических характеристик обводненных дисперсных систем: предельного напряжения сдвига, эффективной вязкости, напряжения сдвига, соответствующего предельно разрушенной структуре, определяется видом и свойствами частиц твердой фазы минеральных компонентов.

Заключение. Представленные методологические подходы к исследованию реологических свойств дают возможность описать процессы, протекающие в микроструктуре строительных смесей при внешних механических воздействиях. Полученные данные позволят установить взаимосвязь структурных изменений с фундаментальными реологическими параметрами строительных смесей в физических единицах и применяемыми на практике техническими показателями.