Строительство

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Тяжелый бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам укладки ее.

 Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из новообразований, образовавшихся при взаимодействии вяжущего с водой, непрореагированных частиц клинкера, заполнителя, воды, вводимых специальных добавок и вовлеченного воздуха. Ввиду наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами.

Определяющее влияние на эти свойства будут оказывать количество и качество цементного теста, которое, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы.

В процессе гидратации цемента количество гелеобразных новообразований растет, увеличивается дисперсность твердой фазы, повышается клеящаяся способность цементного теста и его связующая роль в бетонной смеси.

Цементное тесто относят к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью. Определенная структура цементного теста создается за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды. Пленки жидкой фазы в структуре цементного теста придают ему свойство пластичности. Структурная вязкость цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии. Поведение структурированных систем при приложении внешних сил в отличие от жидких тел

резко меняется.

В зависимости от значения действующих внешних сил вязкость структурированных систем изменяется, часто на 2...3 порядка даже при постоянной температуре.

Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства под действием внешних сил и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. Это свойство широко используют в технологии бетона, например Для формования изделий из жестких смесей путем вибрации. Для  получения  изделий  высокого качества  необходимо,  чтобы бетонная смесь имела консистенцию соответствующую методам ее укладе и уплотнения. Консистенцию бетонной смеси оценивают показателями ее подвижности или жесткости.

Подвижность бетонной смеси — способность ее растекаться под собственной массой. Для определения подвижности используют конус ( 6.4), который   послойно   в  три   приема  за полняют бетонной смесью, уплотняя штыкованием.   После   уплотнения   п следней   форму   снимают.   Образова щийся при этом конус бетонной смес под действием собственной массы осе? дает.   Величина   осадки   конуса    (см) служит оценкой подвижности бетонной смеси. По этому показателю различают смеси подвижные (пластичные) с осадкой конуса 1...12 см и более и жесткие, которые  практически  не  дают  осадки конуса, однако при воздействии вибрации   последние  обладают  различными формовочными свойствами. Для оценки жесткости этих смесей  используют свои методы. Показатель жесткости бетонной смеси определяют на специальном приборе ( 6. 5), который состоит из цилиндрического сосуда с внутренним диаметром 240 мм и высотой 200 мм с закрепленным на нем устройством для измерения осадки бетонной

смеси в виде направляющего штатива, штанги и металлического писка и шестью отверстиями. Прибор устанавливают на вибро-'плошадку и плотно к ней прикрепляют. Затем в сосуд помещают металлическую форму-конус с насадкой, который с помощью специального кольца-держателя закрепляют в приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси. Затем удаляют форму-конус, поворачивая штатив, устанавливают на поверхности бетонной смеси диск и включают виброплощадку. Вибрирование с амплитудой 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска. Время вибрирования (с) и определяет жесткость бетонной смеси.

На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание воды и цементного теста, крупность заполнителей, форма зерен, содержание песка. Бетонные смеси одного и того же состава, но на разных цементах обладают разной во до-потребностью. Чем она выше, тем меньше подвижность или больше жесткость смеси. Бетонные смеси на портландцементах с гидравлическими добавками имеют подвижность меньшую, чем смеси на портландцементе при одном и том же количестве воды, взятой для приготовления смеси.

С увеличением содержания воды при неизменном расходе цемента подвижность бетонной смеси возрастает, но прочность бетона уменьшается. С увеличением содержания цементного теста подвижность бетонной смеси также повышается при сохранении практически той же прочности после затвердевания. Это объясняется тем, что при более высоком содержании цементного теста оно не только заполняет пустоты и обволакивает зерна заполнителей, но и раздвигает их, создавая между ними обильные прослойки, уменьшающие трение между зернами, а это повышает подвижность смеси.

При более крупных заполнителях суммарная поверхность зерен получается меньше; следовательно, при том же количестве цементного теста прослойки его между зернами заполнителей оказываются толще, что увеличивает подвижность бетонной смеси.  Увеличение количества песка сверх оптимального, установленного опытом, уменьшает подвижность бетонной смеси вслед. ствие возрастания суммарной поверхности заполнителей.

Форма зерен влияет на подвижность смеси — при округлой и гладкой поверхности зерен заполнителей суммарная поверх-ность их и трение между ними меньше, чем при острогранной форме и шероховатой поверхности. Поэтому бетонная смесь с гравием и окатанным песком подвижнее, чем смесь с щебнем и горным песком.

Наиболее экономичными являются жесткие бетонные смеси так как они требуют меньшего расхода цемента, чем подвижные.' Подвижность бетонной смеси следует выбирать более низкую, но в то же время она должна обеспечивать удобную и качественную укладку смеси. При выборе подвижности бетонной смеси учитывают размеры конструкции, простоту армирования и способы укладки и уплотнения смеси  

Введение в бетонную смесь ПАВ, например СДБ, повышает подвижность бетонной смеси и уменьшает ее водопотребность. Положительное воздействие на подвижность смеси оказывают суперпластификаторы (С-3, 10-03, 40-03 и др.). Их эффективность выше в подвижных смесях, они позволяют снизить водопотребность смеси на 20...25%.

Вместе с тем следует учитывать, что подвижность смеси со временем уменьшается вследствие физико-химического взаимодействия цемента с водой.

• Твердение бетона и формирование его структуры. Структура бетона образуется в результате затвердевания бетонной смеси и его превращения в камень.

Уплотненная бетонная смесь в начальный период гидратации цемента сохраняет способность к пластическим деформациям. Со временем количество новообразований цементного камня увеличивается, система уплотняется и твердеет, образуется прочный камень определенной структуры. Время формирования струкpbi и свойств бетона зависит от состава и применяемых материалов. На формирование структуры оказывают влияние вид цемента, химические добавки, В/Ц, температура бетонной смеси, влажность среды и др.

Введение в бетон пластифицирующих добавок, например СДБ, замедляет схватывание цемента в начальный период; повышение температуры ускоряет процесс схватывания и твердения.

Структура затвердевшего тяжелого бетона представляет собой цементный камень с размещенными в нем зернами заполнителя, с множеством пор и пустот разных размеров и происхождения.

Макроструктура бетона может быть представлена системой щебень — цементно-песчаный раствор.

Макроструктура представляет строение системы песок — цементный камень, микроструктура — тонкое строение цементного камня. Микроструктура цементного камня в бетоне состоит из новообразований, непрореагировавших зерен цемента и микропор. С увеличением возраста бетона микроструктура меняется в результате гидратации цемента и роста новообразований, пористость уменьшается, меняются распределение пор и их размеры, бетон становится плотнее и прочнее. Прочность бетона растет неравномерно, в первые 7 сут после затворе-ния она нарастает быстро, а в дальнейшем замедляется. Скорость нарастания прочности бетона зависит от вида цемента.

В первые дни твердения прочность бетона на быстротвер-деющих цементах выше, чем, например, на белитовых цементах.

Для твердения бетона необходима теплая и влажная среда. При повышенной температуре и влажной среде (в горячей воде с температурой 80 °С, во влажном паре с температурой до 100 °С или в автоклаве при температуре 175 °С и среде насыщенного водяного пара высокого давления) твердение протекает значительно быстрее, чем в нормальных условиях.

Твердение бетона при температуре ниже 15 °С замедляется, а при температуре ниже 0°С практически прекращается. Изложенное выше имеет важное значение при изготовлении сборных железобетонных изделий на заводах, а также при бетонировании в зимнее время.

Кроме прогрева бетона паром или электрическим током для ускорения применяют химические добавки, например хлористый кальций и др.

Все вышеизложенное оказывает влияние на твердение бетона, формирование его структуры и, следовательно, свойств бетона.

• Прочность бетона. В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основными факторами при этом оказываются активность цемента и водоцементное отношение.

Для получения удобоук-ладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно   принимают   В/Ц =

=0,4..,0,7, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, что ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Исходя из этого, прочность бетона можно повысить путем уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.

Всесторонние исследования советских ученых (Н. М. Беляева, Б. Г. Скрамтаева и др.) расширили и уточнили выводы И. Г. Ма-люги о влиянии различных факторов на свойства бетона и установили зависимости, графически изображенные на  6.6 или представленные в виде следующих формул:

при В/Ц > 0,4 (Ц/В < 2,5) R6 = АЯЦ(Ц/В —0,5); при В/Ц < 0,4 (Ц/В > 2,5) R6 = Л,/?ц (Ц/В + 0,5),. где Rt — предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут нормального твердения, Па; R^ — активность цемента; Ц/В — цементно-водное отношение — отношение массы цемента к массе воды в единице объема бетонной смеси за вычетом воды, поглощаемой заполнителями; А, А\ — безразмерные коэффициенты, зависящие от свойств и качества применяемых материалов

К высококачественным материалам относятся щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности (заполнители должны быть чистые, промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций) и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. К рядовым ятериалам относятся заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высоко-барочный шлакопортландцемент. Материал пониженного качества — крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, отвечающие пониженным требованиям, и цементы низкой активности.

Приведенные выше зависимости прочности бетона от различ-нь1х факторов, выраженные в виде формул и графиков, позво-лЯют определить ориентировочную прочность бетона в 28-суточ-ном возрасте при известном водоцементном отношении, марке цемента и виде заполнителя.

Наряду с активностью и качеством цемента, водоцементным отношением и качеством заполнителей на прочность бетона в значительной степени влияют степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона.

Прочность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона до тех пор, пока она больше проектируемой марки бетона. Применение низкопрочных заполнителей с прочностью ниже требуемой марки бетона может существенно снизить   прочность   последнего   или   потребует   высокого   расхода

цемента.

Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличие от гравия зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем, а бетон, приготовленный на щебне при прочих равных условиях, имеет большую проч-яость, чем бетон на гравии.

На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента (см. гл. 5) и начальное количество воды в бетонной смеси. Последнее определяет подвижность (или жесткость) ее. Жесткие бетонные смеси (с низким содержанием воды) обеспечивают более быстрое твердение бетона, чем подвижные.

Прочность тяжелого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7... 14 сут прочность бетона растет быстро, затем к 28 сут рост прочности замедляется и постепенно затухает; во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения средняя прочность бетонных образцов в 7-суточном возрасте составляет 60...70% прочности 28-суточных образцов, в 3-месячном возрасте — на 25%, а в 12-месячном — на 75% выше, чем у образцов в 28-суточном возрасте.

Прочность бетона со временем изменяется примерно по логарифмическому закону; исходя из этого при расчетах прочности бетона для разных сроков пользуются формулой

Rn = R2i\gn/\g2%, где Rn — прочность бетона в возрасте суток, Па; /?28 — прочность бетона в возрасте 28 сут, Па.

Эта формула применима для ориентировочных расчетов прочности бетона на портландцементах средних марок в возрасте более 3 сут. Действительную прочность бетона в конструкции устанавливают только испытанием контрольных образцов, приготовленных из рабочей бетонной смеси.

Большое влияние на рост прочности бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха 90... 100% и температура (20±2) °с. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, что может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с ее понижением.

Качество бетона по прочности характеризуется его классом (маркой), который определяется величиной предела прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси после твердения их в течение 28 сут в нормальных условиях (МПа). Тяжелые бетоны подразделяют-на классы (марки) В7,5(100); В12,5(150); В15(200); В25(300); В30(400); В40(500); В45(600). Превышение класса (марки) бетона от заданной проектной прочности свыше 15% не допускается, так как это влечет перерасход цемента. При испытании образцов в виде кубов размером 150X150X150 мм применяют щебень наибольшей крупности зерен 40 мм.

Класс (марка) бетона определяется также по пределу прочности на растяжение при изгибе образцов-балочек.

Качество бетона нельзя достаточно полно оценить по его средней прочности или марке. На практике имеет место отклонение от этой величины. Колебания в активности цемента, свойства заполнителей, дозировка материалов и другие факторы приводят к неоднородности структуры и к колебанию свойств бетона.

Более полное представление о качестве бетона можно получить при одновременном учете средней прочности бетона и его однородности, которая определяется на основе статистического анализа коэффициентом вариации v прочности. Он равен отношению среднего квадратического отклонения отдельных результатов испытаний прочности бетона к его средней прочности. Коэффициент вариации прочности бетона колеблется от 0,05 до 0,2. При хорошо налаженной технологии на предприятиях значение v не превышает 10%.

При проведении статистического контроля качества бетона, где его прочность определяется большим количеством испытаний, расчет конструкций может проводиться не по средней, а по гарантированной прочности бетона.

Для конструкций, проектируемых с учетом требований СТ СЭВ 1406—78 и СНиП 2.03.01—84, прочность бетона характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной  прочности   на   сжатие   с  обеспеченностью   0,95.

При переходе от класса бетона В к средней прочности бетона (гМПа). контролируемой на производстве для образцов с ребром 150 мм (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%), можно применять формулу Rf = В/0,778. Для класса В10 средняя п0очность бетона будет Rf = \2,9 МПа, для класса В50 Rf = ^64,3 МПа.