В период применения для производства бетона вяжущих с относительно невысокими техническими свойствами, в том числе невысокой прочностью, приготовляли бетонные смеси с минимально возможным содержанием воды, уплотняя ручным трамбованием. Такой весьма трудоемкий способ использовали для уплотнения смеси типа «влажной земли». С развитием цементной промышленности и выпуском высококачественного цемента стали применять литые смеси со значительным избытком воды против необходимого для протекания химических процессов.
Опыт применения каждого вида смеси показал их достоинства и недостатки. Так, недостатком смесей, уплотняемых ручным или механическим трамбованием, является использование их только в неармированных сооружениях. Отсюда естественно распространение жестких смесей, допускающих уплотнение вибраторами с пригрузом. Качество бетонов из таких смесей высокое.
Применение литых бетонных смесей, самоуплотняющихся под действием силы тяжести песка и гравия (щебня), резко уменьшилось в силу их недостатков: избыток воды приводит к получению неоднородных по высоте конструкций; в верхних слоях в большом количестве собирается растворная часть, обогащенная цементным камнем из мелких фракций цемента, с большим водоцементным отношением, чем обусловлено подбором состава. Из-за отделения воды в процессе седиментации цементной суспензии цементного теста, разбавленного избытком воды, сцепление бетона с арматурой также резко снижается. Путем введения минеральных добавок (в частности, бентонитовой глины, состоящей из минералов группы монтмориллонита Al203-4Si02-nH20 и бейделита Al203-3Si02×nH20) с высокой водоудерживающей способностью литые бетонные смеси имеют те же строительные свойства, что и глинистое тесто, однако вследствие ухода части воды в физически связанное состояние с поверхностью минералов глины, в значительной мере устраняется седиментация цементного теста и расслоение смеси, повышаются технические свойства бетонов. Указанное направление заслуживает внимания и дальнейших разработок.
Малопластичные бетонные смеси получили в строительстве широкое распространение. И в этом случае возникает необходимость использовать свойство смесей распределяться в опалубке с меньшей затратой труда, гарантией заполнения формы любой сложности и получения бетона с техническими свойствами, обеспечивающими проектные требования.
Средне- и высокопластичные бетонные смеси с целью отделения из уже уложенной смеси части воды подвергают вибровакуумированию, а для изделий цилиндрической формы (труб и опор) — центрифугированию. Вибровакуумирование можно разделить на следующие этапы: предварительное распределение смеси с помощью вибрирования; собственно процесс отбора части воды и доуплотнение смеси при помощи вакуум-щитов, отсос воды из бетонной смеси, отделившейся при таком разрежении и обжатии, вибрирование смеси с оставшимся количеством воды для устранения вертикальных капилляров, получившихся при вакуумировании. Для практических целей разработана технология производства таких работ и средства ее осуществления. Но этот способ из-за значительной трудоемкости не нашел широкого применения, несмотря на высокий технический эффект в самых различных случаях (от изготовления небольших деталей из железобетона до крупных гидротехнических комплексов).
Центрифугирование имеет ограниченную область применения, так как связано с формованием конструкции цилиндрического очертания.
Опыт вакуумирования под стеклянным колпаком цементного теста в формах-восьмерках показывает, что неодинаковые составы теста (например, по химико-минералогическому составу) по-разному отдают воду. В одном случае, не теряя связности, оно выгибается подобно резине, выходя из формы; при извлечении воздуха из-под стеклянного колпака тесто отдает влагу, которая превращается под колпаком в водяную пыль. При снятии разрежения тесто вновь заполняет форму, несколько уменьшившись в объеме.
В другом случае из теста вода выделяется крупными каплями. Несомненно, столь характерная резиноподобность теста связана с наличием в нем большого объема коагуляционных структур. При этом надо отметить, что ошибочно представление о возможности отбора любого количества воды от уплотняемой таким образом бетонной смеси, независимо от того, сколько ее введено при перемешивании.
Следовательно, при любом методе уплотнения увеличение содержания воды развивает пористость не только в структуре цементного камня, но и в текстуре растворной части бетона и в контактной зоне между цементным камнем и поверхностью зерен заполнителя. Любой из методов отбора воды, введенной для увеличения пластичности смеси, не позволяет извлечь всю введенную воду, и с этим надо считаться при подборе состава бетона.
Среди широкого круга работников, связанных с бетонными работами, преобладает неверное мнение о возможности компенсировать недостатки смесей с повышенным содержанием воды увеличением расхода цемента без учета изменения других технических свойств. Действительно, вода — универсальный пластификатор и увеличение ее содержания обеспечивает известную простоту распределения смеси в формах, ее уплотнение при незначительных усилиях.
Практическая оценка сооружений связывается со сроками их пуска в эксплуатацию, когда, кроме прочностных свойств бетона, другие свойства не выявляются. До тех пор пока существует такая формальная оценка качества бетона, будет перерасход цемента, сопровождаемый пониженными свойствами бетона. Это, в частности, подтверждается разрушением отдельных участков бетонных покрытий, где пренебрегали сказанным о недопустимости оценки прочности бетона без учета коэффициента использования цемента и оценки его вне определения других проектных свойств.
Кроме перечисленных, были разработаны способы: прессование, виброштампование, вибропрокат без давления и с силовым давлением, торкрет-набрызг. Кроме вибропроката, требующего повышенных расходов цемента, остальные методы по разным причинам не имеют широкого производственного применения.
Любой из существующих методов уплотнения должен обеспечить: 1) сближение на минимально возможные расстояния всех частиц смеси без ее расслоения и механического разрушения зерен заполнителя, что может произойти при высоких давлениях прессования смеси; 2) твердение с необходимым количеством воды, которое должно быть несколько большим, чем то, которое за длительный период времени уйдет в химический процесс; 3) сохранение в формуемом образце (конструкции) при последующем твердении всего количества воды затворения; 4) применение составов бетона с расходами цемента, которые применяются для приготовления высокомарочных и долговечных бетонов при качественно организованном вибрировании жестких смесей; 5) реальные возможности использования вяжущих, существующих или доступных для массового применения в перспективные сроки, из других отраслей. Разработка прогрессивных приемов уплотнения, несомненно, сложная задача, которую надо решать.
Рассмотрим широко применяемый способ уплотнения смесей вибрированием. Опыты по вибрированию были начаты в конце двадцатых — начале тридцатых годов. Существо процесса уплотнения смесей вибрированием основано на временном и обратимом тиксотропном разжижении цементного теста, которое после прекращения сотрясений вновь приобретает исходную вязкость в среде смешанных с тестом каменных заполнителей. П. М. Миклашевский еще в 1934 г., консультируя бетонные работы на строительстве канала им. Москвы и руководя исследованиями по вибрированию смесей, отметил, что бетонная смесь при вибрировании приобретает свойства тяжелой жидкости. Это подтвердилось при введении в вибрируемую смесь предложенного им прибора. Начиная с 1934 г. получили распространение разработанные в ЦБЛ строительства поверхностные вибраторы «Спартак». В этих виброплощадках дебалансы были помещены непосредственно на ось двигателя, что требовало эпизодической замены подшипников. Такая замена в полной мере была оправдана и позволила впервые в нашем строительстве перейти на массовую укладку бетонной смеси вибрированием.
Массовый переход на вибрирование бетонных пластичных смесей связан с многолетними исследованиями и разработкой теории этого вопроса. Развитие вибрирования непосредственно связано с большим вкладом в это важное дело коллективов исследователей и строителей. Попытки применить вибрирование смеси имели место в 1933 г. на объектах промышленного строительства. На строительстве канала им. Москвы в 1936 г. работало более 800 вибраторов различных типов, которыми (преимущественно поверхностными виброплощадками) было уплотнено более 55% бетонной смеси (1,6 млн. м3 бетона), на Волгострое в 1936—1940гг. весь объем смеси, превышавший 2 млн. м3, уплотнен вибраторами. Технические и экономические выгоды, получаемые при вибрировании смесей, начали находить отражение в нормативных документах, , в частности в указаниях по снижению расхода цемента на 10% против составов, уплотняемых ручным способом. Эта экономия цемента прямым образом зависела от снижения в ней дозы воды, что, в свою очередь, связано со способом уплотнения, а последнее — с подбором состава бетонной смеси и назначением необходимой пластичности-жесткости. Смесь не должна терять связности и равномерности распределения цементного теста, песка и крупного заполнителя при выгрузке из бетоносмесителя, транспортировании к месту укладки, распределении в формах (опалубке) и уплотнении.
Следовательно, для качественного производства при транспортировании работ бетонщики должны обеспечиваться смесью, стабильной по свойствам и уплотняющейся принятыми приемами. В этом отношении вибрирование позволяет работать с известным резервом в составе смеси за счет уменьшения в ней количества воды, так как необходимая при этом плотность бетона будет достигнута за счет несколько большей продолжительности вибрирования. Подбирая пластичность (жесткость) бетонной смеси, следует руководствоваться указаниями Госстроя СССР по их обязательному пластифицированию. Интенсивность воздействия вибраторов на смесь связана с амплитудой и частотой их колебания. Эффективность вибрирования принято оценивать интенсивностью колебания и продолжительностью вибрирования.
Приведем пример разрешающей возможности механизмов. По заданию отделения строительных материалов ЦНИИС в 1957 г. ВНИИСтройдормаш запроектировал вибростол с двумя частотами (2800 и около 5500) и разными амплитудами колебаний. Работа вибростола была синхронизирована. На таком опытном экземпляре удалось уплотнить сухую на вид бетонную смесь, так как в ней содержались 100 л воды при 400 кг портландцемента тонкого помола (в пересчете на 1 м3 бетона). Такого количества воды при обычных способах уплотнения не хватало для получения цементного теста нормальной густоты. При совместном синхронизированном вибрировании такая смесь, не поддающаяся уплотнению с пригрузом при раздельном вибрировании на каждой отдельной частоте, моментально разжижалась, приобретала текучесть и быстро уплотнялась. Благодаря уплотнению с пригрузом появилась возможность немедленной распалубки кубика в 8 л без разрушения при испытании сосредоточенной нагрузкой в 100 кг, передающейся через острие граненой гайки диаметром в 3 см. Такой свежеобразованный кубик можно переносить в распалубленном состоянии.
Указанный пример уплотнения пока не удается внедрить на большие модели, так как вибростолы большого размера быстро выходят из строя из-за излома сепараторов в подшипниках. Однако при принятых производственных приемах вибрирования удается добиться значительно более эффективного тиксотропного разжижения цементного теста — значительного снижения вязкости этой тяжелой жидкости. Следовательно, производственные приемы вибрирования надо совершенствовать, не останавливаясь на достигнутом. Особое внимание при эксплуатации вибростолов следует обращать на равномерность амплитуд колебания.
Технологические рекомендации по вибрированию бетонных смесей изложены в соответствующих инструкциях и указаниях, которыми необходимо руководствоваться. Технические документы содержат: 1) ориентировочные характеристики, используемые для подбора различных смесей; 2) характеристики вибраторов и их разрешающие способности; 3) общие соображения о влиянии на качество смеси вида и марки цемента и тех или иных особенностей заполнителей; 4) продолжительность вибрирования смесей; 5) правила использования вибраторов с соблюдением требований охраны труда; 6) частные случаи, встречающиеся при уплотнении бетонной смеси вибраторами, а именно: длительность перемешивания смесей разной пластичности (жесткости), указания по предотвращению смеси от расслаивания, особенности производства работы, связанные с соблюдением мер по устойчивости опалубки, на которую давит бетонная смесь, разжиженная вибрированием, выправление амплитуд на вибростолах, устройство подмостей и др.
Дальнейшее развитие способов уплотнения смеси вибрированием должно быть направлено на автоматизацию процесса уплотнения, что устранит ручной труд по переносу вибраторов, влияние вибрирования на человека, а также произвольное назначение мест стоянки вибраторов и времени вибрирования на каждой очередной позиции вибратора. Прототипом такого способа можно назвать вибрирование пакетом, составленным из внутренних вибраторов. Групповое вибрирование получило широкое применение на гидротехническом строительстве и обеспечило не только резкое повышение производительности труда, его облегчение, но и создало преимущества указанные выше.
При строительстве покрытий ныне применяемые виброуплотняющие машины (бетоноукладочные и бетоноотделочные разной конструкции) еще не обеспечивают возможность применения бетонных смесей с такой же пластичностью (жесткостью), как, например, при формовании плит на синхронизированных вибростолах. Для дорожного и аэродромного покрытий в бетонные смеси дается больше воды. Сказанное, несомненно, снижает долговечность покрытий и, в частности, качество поверхностного слоя, в котором содержится больше воды, чем в нижележащих слоях из-за частичного расслоения смеси.
Характерно, что жесткая смесь, которая легко уплотняется поверхностным вибратором конструкции 1935 г., при использовании существующих бетоноукладчиков не прорабатывается виброукладочной машиной, что видно по поверхностным раковинам на покрытии. Достигнутое в области массового применения вибрирования должно совершенствоваться. Качество вибрирования нужно оценивать по предлагаемому нами показателю — порогу жесткости бетонной смеси, характеризуемому количеством воды, которое надо дать в смесь при прочих равных условиях (качество и количество цемента, песка, крупного заполнителя, различных добавок, погодные условия и требования по комплексной марке). Чем с меньшим количеством воды смесь можно уплотнить, тем выше порог ее жесткости, следовательно, эффективнее работа вибратора, выше его разрешающая возможность.