Правило постоянства водопотребности
Теоретическим обоснованиям правила постоянства водопотребности (ППВ) в бетоноведении уделялось значительно меньше внимания чем правилу В/Ц.
Правило постоянства водопотребности было установлено примерно одновременно (в начале 30-х годов прошлого столетия) и независимо друг от друга В.И. Сорокером в СССР и Ф.Р. Макмилланом в США. Ими было найдено, что при неизменном водосодержании расход цемента в пределах 200…400 кг/м3 не влияет существенно на удобоукладываемость бетонных смесей. Первоначально ППВ распространяли лишь на малоподвижные смеси, а затем оно нашло экспериментальное подтверждение для жестких и подвижных бетонных смесей. Основываясь на ППВ, сначала С.А.Миронов, а затем и другие авторы предложили графики и таблицы для ориентировочного определения водосодержания бетонных смесей в зависимости от показателей осадки конуса и жесткости. Эмпирические рекомендации по определению водосодержания бетонных смесей с учетом ППВ в настоящее время являются обычными в методиках проектирования составов тяжелых бетонов, рекомендуемых в большинстве стран.
Признавая ППВ, различные авторы, вместе с тем, приводят различные значения предельных расходов цемента, в диапазоне которых это правило справедливо. Так, большинство авторов верхний предел применимости ППВ принимает 400 кг/м3, В.П.Сизов считает, что оно справедливо до 350 кг/м3, а А.Е.Десов – до 300 кг/м3. По мере увеличения жесткости понижаются как нижний, так и верхний предельные расходы цемента. Даже в пределах одной жесткости предельный расход цемента колеблется в пределах от 280 до 380 кг/м3. Неучет существенных колебаний верхнего предельного расхода цемента, обусловленного ППВ, в принятых методиках проектирования составов огрубляет предварительный расчет водопотребности бетонных смесей. Колебания нижнего предельного расхода цемента от 200 до 140 кг/м3 на расчетах составов практически не сказываются, поскольку они совпадают с диапазоном минимальных расходов цемента в обычных бетонах.
Существенная стабилизация верхнего предела области ППВ и учет особенностей применяемых цементов, как показано В.И.Сорокером и В.Г.Довжиком, достигается при выражении его через критическое В/Ц ((В/Ц)кр) равное в среднем 1,68 Кн.г, где Кн.г - В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста.
Правило постоянства водопотребности (ППВ) исходит из несколько упрощенной картины изменения реологических свойств бетонной смеси с изменением В/Ц. Как показано было А.Е.Десовым, логарифм вязкости бетонной смеси линейно изменяется практически во всем диапазоне В/Ц. Однако если с изменением В/Ц от 0,8 до 0,5 вязкость изменяется от 10 до 100 Пз, то при изменении В/Ц от 0,5 до 0,2 она возрастает от 100 до 10000 Пз т.е. на порядок выше. В еще большей мере с ППВ согласуется изменение предельного напряжения сдвига. По данным И.М.Грушко, полученным для растворных смесей, на участке ППВ сопротивление сдвигу составляет 102 Па, за его пределами оно возрастает до 2.104 Па и более.
Предельное напряжение сдвига и вязкость бетонных смесей, определяющие показатели их удобоукладываемости, однозначно зависят при использовании неизменных материалов от толщины слоя цементного теста на зернах заполнителя и В/Ц. Этот вывод подтверждается как экспериментально, так и теоретически. Бетонные смеси можно рассматривать как грубодисперсные структурированные системы, реологические свойства которых определяются как количеством, так и вязкостью дисперсионной среды, выполняющей роль своеобразной гидродинамической “смазки”. Такой смазкой служит бингамовская жидкость – цементное тесто.
Для вязкости концентрированных дисперсных систем предложен ряд уравнений, модифицировавших известную формулу Эйнштейна.
Из уравнений видно, что вязкость цементного теста с увеличением Ц/В увеличивается по экспоненциальному закону и вызывает соответствующее увеличение вязкости бетонной смеси. При Ц/В=const вязкость бетонной смеси уменьшается с возрастанием.
С изменением Ц/В до некоторого (Ц/В)кр увеличение вязкости компенсируется увеличением толщины пленки цементного теста, что способствует формированию определенной области стабильности водопотребности бетонной смеси.
Уравнение аналитически подтверждает гипотетический вывод В.И.Сорокера и В.Г.Довжика о том, что “в определенных пределах изменения количества цементного теста и его вязкости взаимно компенсируют друг друга и вязкость всей системы, а следовательно удобоукладываемость остаются неизменными”.