Лекции по дисц. ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА, СТРОИТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГРОЗНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.Д.МИЛЛИОНЩИКОВА
Кафедра «Технология строительного производства»
С-А.Ю. Муртазаев
М.С. Сайдумов
С.А. Алиев
ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА
Часть I
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине:
«Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Для студентов направления «Строительство» - 270800
Грозный – 2014
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Грозненский государственный
нефтяной технический университет им. акад. М.Д. Миллионщикова»
Составители:
Муртазаев Сайд-Альви Юсупович – заведующий кафедрой «Технология строительного производства»,
док. техн. наук, проф.
– канд. техн. наук, доц. каф. «ТСП»
Сайдумов Магомед Саламувич
– канд. техн. наук, доц. каф. «ТСП»
Алиев Саламбек Алимбекович
Рецензент:
Абуханов Абдурахман
Залимханович
– зав. каф. «ТГВ», канд. техн. наук,
проф.
Муртазаев С-А.Ю.
Технология бетона. Учебное пособие: конспект лекций / С-А.Ю. Муртазаев, М.С. Сайдумов, С.А. Алиев. – Грозный, ФГУП «Издательскополиграфический комплекс «Грозненский рабочий», 2014. – 183 с.
Учебное пособие рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «Технология строительного производства»
Протокол № 11 от 28 июня 2014 г.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Содержание
Введение
Лекция № 1 – ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ
1.1 Основные понятия о бетонах
1.2 Классификация бетонов
5
6
Лекция № 2 – МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА
2.1 Вяжущие вещества для бетонов
2.2 Заполнители для бетона
2.3 Вода для приготовления бетонной смеси
2.4 Добавки к бетонам
Лекция № 3 – СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
3.1 Структура бетонной смеси
3.2 Свойства бетонной смеси
3.3 Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от различных факторов
Лекция № 4 – СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА
4.1 Формирование структуры бетона
4.2 Структура бетона
Лекция № 5 – СВОЙСТВА БЕТОНА
5.1 Прочность бетона
5.2 Деформативные свойства бетона
5.3 Плотность, проницаемость и морозостойкость бетона
5.4 Коррозия бетона и меры борьбы с ней
Лекция № 6 – СВОЙСТВА ЛЕГКИХ И МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ
6.1 Легкие бетоны на пористых заполнителях
6.2 Ячеистые бетоны
6.3 Мелкозернистые бетоны
Лекция № 7 – ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА
7.1 Твердение бетона при нормальных температурах
7.2 Твердение бетона при повышенных температурах, ускорение
твердения
7.3 Твердение бетона при отрицательных температурах
Лекция № 8 – ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
8.1 Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителями
8.2 Порядок расчета состава бетона
8.3 Экспериментальная проверка состава бетона
8.4 Определение производственного состава бетона
8.5 Определение состава бетона по графикам и номограммам
3
8.6 Определение состава бетона с химическими добавками
8.7 Особенности определения состава особых разновидностей тяжелого бетона
Лекция № 9 – ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕГКОГО И МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНОВ
9.1 Проектирование состава бетона на пористых заполнителях
9.2 Проектирование состава поризованного легкого бетона
9.3 Проектирование состава крупнопористого легкого бетона
9.4 Проектирование состава ячеистого бетона
9.5 Проектирование состава мелкозернистого бетона
Лекция № 10 – СОСТАВ И СВОЙСТВА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
БЕТОНОВ
10.1 Общие понятия и сведения о многокомпонентных бетонах
10.2 Состав и свойства многокомпонентных бетонов
10.3 Прочность многокомпонентных бетонов
Список использованных источников литературы
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Введение
Полный курс дисциплины «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», условной разделённый на две части: первая – «Технология бетона», вторая
– «Технология строительных (бетонных и железобетонных и др.) изделий и конструкций», студенты проходят в два семестра.
В данном учебном пособии рассмотрены основные вопросы первой части дисциплины «Технология бетона, строительных изделий и конструкций», а именно технологии бетона: классификация бетонов, материалы и технология их приготовления, основные процессы структурообразования, методики разработки рецептуры, специальные виды бетонов, свойства бетонной смеси, цементного камня и бетона.
Настоящий конспект лекций «Технология бетона» рассчитан для бакалавров
профили подготовки «Производства строительных материалов, изделий и конструкций» направления 270800 – «Строительство».
5
Лекция № 1 – ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ
Вопросы:
1.1 Основные понятия о бетонах;
1.2 Классификация бетонов.
1.1 Основные понятия о бетонах
Основным материалом для возведения разнообразных строительных
конструкций в настоящее время и в обозримом будущем является бетон. Это
связано с расширением понятия «бетон».
Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в
результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из
вяжущего вещества с водой (реже без воды), мелкого и крупного заполнителей,
взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.
Бетон — один из древнейших строительных материалов. Из него построены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии. Древнего
Рима и в других местах. Однако использование бетона и железобетона для
массового строительства началось только во второй половине XIX в., после
получения и организаций промышленного выпуска портландцемента, ставшего
основным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций.
Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало
повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-х годах способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что
позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность.
Проблемы технологии тяжелых бетонов получают развитие в работах
Ю.М. Баженова, Б.Г. Скрамтаева, И.Н. Ахвердова, A.Е. Шейкина и многих
других ученых.
В настоящее время в строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти
бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона: в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит (Для особых видов
бетона используют органические вяжущие вещества: битумы, полимеры и
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
мономеры).
Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического
взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, изменяя
его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и
внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при
твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и
конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные
горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85...90 %, а цемент – 10...15 % от массы бетона.
В последние годы в строительстве широко используют легкие бетоны,
получаемые на искусственных пористых заполнителях. Пористые заполнители
снижают плотность бетона, улучшают его теплотехнические свойства. Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные
химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной
смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение
бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.
Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярнопористыми телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние процессы взаимодействия составляющих бетона, так и
воздействие окружающей среды.
В течение длительного времени в бетонах происходит изменение поровой структуры, наблюдается протекание структурообразующих, а иногда и деструктивных процессов и как результат — изменение свойств материала. С
увеличением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяются не
только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения
бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании состава бетона и
производстве конструкций на его основе.
На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т.
д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую
плотность и непроницаемость бетонов. Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок и технологических приемов позволяет получать бетоны с
самыми разнообразными свойствами.
Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих
напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон. В
железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением
между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициента7
ми линейного расширения.
Бетон предохраняет арматуру от коррозии. Бетонные и железобетонные
конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства —
монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке — сборный бетон и железобетон.
Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят
химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной
смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение
бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют в требуемом направлении и другие свойства бетона.
Таким образом, бетон — основной строительный материал. Ему можно
придавать в широких пределах разнообразные свойства: прочность, плотность,
теплопроводность и т. д.
Основными направлениями развития технологии бетона при этом будут
следующие: повышение эффективности и качества сборных железобетонных
конструкций и изделий, снижение их металлоемкости и трудоемкости их производства; разработка и организация массового производства эффективных
видов вяжущих веществ, арматурной стали, высококачественных заполнителей, комплексных химических добавок; коренное улучшение технологии производства железобетонных и бетонных конструкций путем массового внедрения новых более современных технологических процессов, высокопроизводительного автоматизированного оборудования, роботов и манипуляторов, совершенных систем контроля и управления качеством готовых изделий на основе развития методов прогнозирования свойств бетона, широкого использования вычислительной техники; применение ресурсосберегающих и безотходных технологий; широкое использование вторичных продуктов и отходов
промышленности, использование всех резервов производства с целью экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
1.2 Классификация бетонов
В настоящее время в строительстве используются различные виды бетона. Разобраться в их многообразии помогает классификация по свойствам, используемым материалам или назначению. Основные понятия о бетоне даны в
ГОСТе 25192 «Бетоны. Классификация и общие технические требования».
Бетоны классифицируются по следующим признакам: основному назначению; виду вяжущего; виду заполнителей; структуре; условиям твердения.
По назначению бетоны подразделяют на:
- конструкционные;
- специальные (жаростойкие, химически – стойкие, декоративные,
радиационно-защитные, теплоизоляционные и др.).
По виду вяжущего бетоны подразделяются на:
- цементные;
- известковые (силикатные);
- полимербетоны;
- полимерцементные;
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
- шлаковые;
- гипсовые;
- специальных вяжущих.
По виду применяемых заполнителей бетоны подразделяются на:
- бетоны на плотных заполнителях;
- бетоны на пористых заполнителях.
По структуре бетоны могут быть:
- плотной структуры;
- поризованной структуры;
- ячеистой структуры;
- крупнозернистой структуры.
По условиям твердения бетоны делятся на бетоны, твердевшие:
- в естественных условиях;
- в условиях тепло-влажностной обработки (ТВО) при атмосферном
давлении;
- в условиях ТВО при повышенном давлении.
Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину которой
влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетона. По
плотности бетоны делят на:
- особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м3);
- тяжелые (1800-2500 кг/м3);
- легкие (500-1800 кг/м3);
- особо легкие (менее 500 кг/м3).
Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях —
стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и
магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон).
В строительстве наиболее широко используют обычный тяжелый бетон
плотностью 2100-2500 кг/м3 на плотных заполнителях из горных пород (граните, известняке, диабазе и др.). Бетон плотностью 1800-2000 кг/м3 получают на
щебне из горных пород плотностью 1600-1900 кг/м3 или без песка (цементное
тесто и крупный заполнитель — такой бетон называют крупнопористым).
Легкие бетоны получают на пористых заполнителях (керамзите, аглопорите, вспученном шлаке, пемзе, туфе и др.). Применение легких бетонов
уменьшает массу строительных конструкций, удешевляет строительство, поэтому их производство развивается опережающими темпами.
К особо легким бетонам относят ячеистые бетоны, которые получают
вспучиванием смеси вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов (газобетон, пенобетон), и крупнопористый бетон на легких
заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем, по существу, является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.
Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства,
является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны: цементные,
силикатные, гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные
бетоны и специальные бетоны.
Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее
9
широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65 % общего объема производства), применяемые для различных видов конструкций и условий их эксплуатации, успешно используются бетоны на шлакопортландцементе (20- 25%
общего объема производства) и пуццолановом цементе.
К разновидностям цементных бетонов относят: декоративные бетоны,
изготовляемые на белом и цветных цементах; бетоны для самонапряженных
конструкций, изготовляемые на напрягающем цементе; бетоны для специальных целей, изготовляемые на особых видах цемента — глиноземистом, безусадочном и т. д.
Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.
Гипсовые бетоны, изготовляемые на различных сортах гипса, используют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки
зданий. Разновидность этих бетонов — гипсоцементно-пуццолановые бетоны,
обладающие повышенной водостойкостью и более широкой областью применения (объемные блоки санитарных узлов, конструкции малоэтажных домов и
др.).
Шлакощелочные бетоны только начинают применяться в строительстве.
В качестве вяжущего таких бетонов используют молотые шлаки, затворенные
щелочными растворами.
Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные и др.) или мономеры, например фурфуролацетоновый, отверждаемые в
бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для
службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирания, кавитации и т. д.).
Бетоны изготовляют и на смешанном связующем, состоящем из цемента
и полимерного вещества. Такие бетоны называют полимерцементными. В качестве полимера используют, например, водорастворимые смолы и латексы.
Свойства бетонов на неорганических вяжущих можно улучшать путем
пропитки мономерами с последующим их отверждением в порах и капиллярах
бетона. Подобные материалы называют бетонополимерами.
Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ.
Например, для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое
стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее и другие вяжущие.
Для некоторых бетонов используют специальные вяжущие вещества либо
придающие бетону особые свойства, либо получаемые на основе отходов промышленности, что имеет важное значение для охраны окружающей среды и
экономии цемента. В качестве специальных вяжущих используют стеклощелочные, нефелиновые шлаковые и др.
Бетоны применяют для различных видов конструкций, изготовляемых
на заводах сборного железобетона, или для конструкций, возводимых непосредственно на месте их будущей эксплуатации, — монолитный бетон (в гидротехническом, дорожном и других видах строительства).
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
В зависимости от области применения бетона различают: обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостовых и других типов конструкций); гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопровод-но-канализационных сооружений и т. д.; бетон для ограждающих конструкций (легкий бетон для стен зданий); бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий; бетон
специального назначения (жароупорный кислотостойкий, для радиационной
защиты и др.).
В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям. Бетоны для обычных железобетонных конструкций должны
иметь заданную, прочность, главным образом при сжатии. Для конструкций,
находящихся на открытом воздухе, важна еще и морозостойкость. Бетоны для
гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой,
стойкостью против выщелачивающего действия фильтрующих вод, в ряде случаев стойкостью по отношению к действию минерализованных вод и незначительно выделять теплоту при твердении. Бетоны для стен отапливаемых зданий
и легких перекрытий должны обладать необходимой прочностью и теплопроводностью; бетоны для полов — малой истираемостью и достаточной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий — еще и
морозостойкостью.
К бетонам специального назначения предъявляются требования, обусловленные особенностью их службы.
Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие: до
затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью, не
расслаиваться); бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию; расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными.
Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям,
можно при правильном проектировании состава бетона, надлежащих приготовлении, укладке и уплотнении бетонной смеси, а также при правильном выдерживании бетона в начальный период его твердения.
Если вид и требования к свойствам бетона устанавливают в зависимости
от вида и особенностей конструкции (или изделия) и условий ее эксплуатации,
то требования к бетонной смеси определяются условиями изготовления конструкции, ее технологическими особенностями (густотой армирования, сложностью формы и др.), применяемым оборудованием.
Особенностью изготовления бетонных и железобетонных конструкций
является то, что о качестве материала нельзя судить заранее. Необходимые
свойства бетон приобретает в процессе изготовления конструкции. Отсюда
важное значение имеют правильный выбор материалов, проектирование состава бетона с учетом принятой технологии изготовления конструкций, соблюдение технологических режимов, пооперационный контроль производства.
11
Бетоны относятся к искусственным каменным конгломератам, являющимся разновидностью композиционных материалов, поэтому для разных бетонов свойственны как свои собственные, частные, так и общие закономерности. Современные технологические и технико-экономические расчеты в
области бетонов основываются на зависимостях, связывающих состав и структуру бетона с его свойствами. Эти зависимости учитывают физико-химическую
природу бетона, но в большинстве своем получены экспериментальным путем.
Они должны проверяться для конкретных условий производства и при необходимости уточняться.
Бетон — сложный материал, свойства которого могут заметно изменяться в процессе выдерживания и эксплуатации. Только глубокое понимание
природы этого материала, закономерностей, управляющих формированием его
структуры и свойств, может обеспечить рациональное и эффективное его применение в строительных конструкциях различного назначения.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Лекция № 2 – МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА
Вопросы:
2.1 Вяжущие вещества для бетонов;
2.2 Заполнители для бетона;
2.3 Вода для приготовления бетонной смеси;
2.4 Добавки к бетонам.
Качество бетона в большей степени зависит от используемых материалов.
Правильный выбор материалов для бетона, учитывающий как требования к бетону, так и свойства самих материалов, имеет важное значение в технологии
бетона. При этом должна достигаться максимальная экономия цемента и трудовых затрат на производство бетона.
2.1 Вяжущие вещества для бетонов
Вяжущие вещества — это минеральные (неорганические) и органические
вещества, применяемые для изготовления бетонов и строительных растворов,
скрепления (омоноличивания) отдельных элементов строительных конструкций, гидроизоляции (создания водонепроницаемых покрытий).
Для приготовления бетона строительных конструкций наиболее широко
используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании
с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны
схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Различают неорганические вяжущие вещества водного (цементы) и воздушного (известь, гипс
и др.) твердения.
Наиболее широкое применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в
воде (лучше всего) или на воздухе; это —порошок серого цвета, получаемый
тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер получают путем равномерного обжига до спекания тщательно дозированной сырьевой смеси, содержащей около 75-78 % СаСО3 и 22-25 % (Si02+Al203+Fe203).
В результате обжига сырья при температуре 1200—1450 °С образуются
клинкерные минералы. Ориентировочное содержание различных минералов в
портландцементе составляет: 37-60% 3CaO·Si02 (условное обозначение C3S);
15-37% 2CaO·Si02 или C2S; 5-15% 3СаО·А1203 или С3А; 10-18 % 4CaO·Al203·F203
или C4AF.
Основное влияние на качество цемента оказывает высокое содержание
трехкальциевого силиката (так называемого алита), который обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности.
Двухкальциевый силикат (белит) — медленнотвердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трехкальциевый алюминат твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Изменяя минералогический состав цемента, можно варьировать его качество.
Цементы высоких марок и быстротвердеющие изготовляют с повышенным
13
содержанием трехкальциевого силиката (алитовые цементы). Цементы с высоким содержанием белита (белитовые) — медленнотвердеющие, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет
может оказаться достаточно высокой.
Основное свойство, характеризующее качество любого цемента, — его
прочность (марка). Марка цемента соответствует пределу прочности при сжатии половинок балочек 4х4х16 см из раствора 1:3 по массе с нормальным Вольским песком, твердевших 28 сут в воде при температуре 20±2 °С (первые сутки
после изготовления до распалубки образцы твердеют во влажном воздухе). Растворная смесь должна иметь расплыв конуса на встряхивающем столике 106115 мм. У большинства цементов это достигается при В/Ц = 0,4.
Действительную прочность цемента называют его активностью. Например,
если прочность контрольных образцов окажется 44 МПа, то его активность будет 44 МПа, а марка 400.
При проектировании состава бетона лучше использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента.
Повышение прочности цемента на 1 МПа приводит к снижению расхода цемента на 2-5 кг/м3, причем более заметное снижение наблюдается в высокопрочных бетонах.
Цементная промышленность выпускает в основном цементы марок 400550, а по особому заказу — марки 600.
Помимо требований прочности к цементам предъявляются и другие требования, причем наиболее важными из них являются нормальная густота и сроки
схватывания.
Нормальной густотой называют то содержание воды (%), которое необходимо добавить к цементу, чтобы получить определенную консистенцию цементного теста. Нормальная густота портландцементов составляет 22-27 %,
пуццолановых портландцементов — 30 % и более.
Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по
глубине проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец
процесса превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало схватывания при температуре 20 °С наступало не ранее, чем через 45
мин, а конец завершался не позднее, чем через 10 ч с момента затворения цемента водой. В действительности начало схватывания цемента наступает через
1-2 ч, а конец — через 5-8 ч.
Сроки схватывания цемента можно регулировать путем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок. Например, хлористый кальций ускоряет гидратацию и схватывание цемента, поверхностно-активные вещества, например сульфитно-спиртовая бражка, — замедляют. Сроки схватывания уменьшаются также при повышении температуры бетона, уменьшении водоцементного отношения.
На некоторых цементных заводах производят помол горячего цементного
клинкера, в результате чего температура цемента составляет 150 °С и выше.
Это вызывает дегидратацию гипса с образованием как полугидрата гипса, так и
полностью обезвоженного сульфата кальция (ангидрита в растворимой форме).
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Быстрая гидратация полуводного гипса и ангидрита при затворении цемента
водой может вызвать преждевременное загустевание цементного теста или бетонной смеси, которые при дальнейшем перемешивании вновь разжижаются.
Это явление получило название ложного схватывания цемента. Высококачественные цементы не должны иметь ложного схватывания. Если же оно наблюдается, то для нейтрализации этого явления в бетонную смесь можно вводить
небольшое количество сульфитно-дрожжевой бражки и увеличивать время перемешивания бетонной смеси.
Истинная плотность портландцемента без добавки составляет 3,05-3,15
3
г/см .
Схватывание и твердение цемента — экзотермические процессы. Практически 1 кг цемента марки 300 выделяет в бетоне за 7 сут с момента затворения
цемента водой не менее 170 кДж теплоты, 1 кг цемента марки 400 — не менее
210 кДж.
Виды цемента. Основу большинства цементов составляет портландцементный клинкер. Нормируя его минералогический состав и вводя минеральные или органические добавки, получают различные цементы, несколько отличающиеся по свойствам, применяемые в разных областях строительства.
Портландцементом (ПЦ) называют цемент, не содержащий в своем составе минеральных добавок, кроме гипса.
Быстротвердеющий цемент — разновидность портландцемента с добавками.
Шлакопортландцемент получают в результате совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака Шлакопортландцемент отличается от портландцемента более медленным схватыванием и
замедленным твердением в первые 7-10 сут.
Пластифицированный портландцемент получают при совместном тонком
измельчении портландцементного клинкера и пластифицирующей добавки.
Этой добавкой служат модифицированные концентраты сульфитно-спиртовой
барды (отходы гидролизно-спиртовой промышленности), содержащей 0,10,25% сухого вещества от массы цемента. Сульфитно-спиртовая барда — поверхностно-активное вещество, препятствующее коагуляции цемента в воде и
создающее на частицах цемента смазывающие оболочки.
Гидрофобный портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с поверхностно-активной гидрофобизирующей (т. е. не смачиваемой водой) добавкой. Такой добавкой служит
мылонафт или асидол, т. е. нефтяные продукты, которые берут в количестве 0,10,15 % массы цемента. Гидрофобный цемент, в отличие от обыкновенного, имеет следующие особенности: пониженные водопоглощение и водонепроницаемость и повышенную морозостойкость в бетоне.
Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) выпускают марки 400. Сульфатостойкость цемента обеспечивается нормированием его минералогического состава, в котором ограничивается содержание менее стойких к сульфатной
агрессии минералов.
Сульфатостойкий портландцемент с добавками (СПЦД) получают сов15
местным помолом портлаидцементного клинкера специального состава (С3А< 5
%, C3A + C4AF<22 %) и тонкомолотой активной минеральной добавки. В качестве добавки используют трепел, опоку, диатомит (5-10 %) или доменный гранулированный шлак (10-20 %).
Сульфатостойкий шлакопортландцемент (СШПЦ) получают, ограничивая
содержание в клинкере С3А<8 %, и выпускают марок 300, 400. Сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также для сооружений,
которые подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод, часто при
одновременном многократном замерзании и оттаивании или многократном
увлажнении и высыхании.
Пуццолановый портландцемент (ППЦ) также относится к группе сульфатостойких цементов. Этот цемент получают путем совместного помола портлаидцементного клинкера, содержащего С3А<8 %, с активной минеральной добавкой, которую вводят в большем количестве, чем в обычный портландцемент
с добавкой.
Специальные виды цемента и вяжущих. С каждым годом увеличивается
номенклатура цементов, используемых для приготовления бетона. Специальные
цементы придают бетону особые свойства, расширяют возможности его применения в строительстве.
Белый портландцемент получают помолом маложелезистого отбеленного
клинкера, приготовленного по специальной технологии, предотвращающей его
загрязнение, с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой диатомита.
Цветные портландцементы получают совместным помолом белого цемента,
гипса и пигмента.
Белый и цветные цементы предназначены для получения цветных бетонов,
архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ.
Напрягающий цемент, предложенный В.В. Михайловым, получают совместным помолом портландцементного клинкера и напрягающего компонента,
который включает глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие вещества, гипс и известь. Среднее соотношение между компонентами 65:20:10:5.
Напрягающий цемент целесообразно применять для изготовления самонапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и
водопроводов большого диаметра и других подобных конструкций.
Расширяющиеся или безусадочные цементы могут использоваться для
приготовления водонепроницаемых бетонов. Особенностью этих цементов является наличие составляющих, увеличивающихся в объеме в результате физико-химических процессов, происходящих при твердении цемента.
Фосфатные цементы могут применяться для изготовления жаростойких и
других специальных бетонов. Твердение этих цементов происходит за счет
взаимодействия некоторых тонкоизмельченных оксидов (диоксида титана, оксида меди, магния, цинка и др.) и специальных составов с фосфорной кислотой.
Кислотоупорный цемент предназначается для изготовления кислотостойких изделий. Он состоит из тщательно перемешанного молотого кварцевого
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
песка и кремнефтористого натрия. Затворяют этот цемент на жидком стекле.
Известь. Для производства силикатных бетонов, получивших в последние
годы широкое применение в строительстве, в качестве вяжущего используют
воздушную известь.
Воздушная известь — простейшее вяжущее, получаемое умеренным обжигом карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, отходов химических производств и др.), содержащих не более 8% глинистых примесей. В строительстве применяют негашеную известь, основной частью которой является
безводная окись кальция СаО, и гашеную, получаемую в результате соединения
негашеной извести с водой и состоящую в основном из гидрата окиси кальция
Са(ОН)2. В воздушную известь можно вводить минеральные добавки — молотые горные породы или отходы промышленного производства (доменные и топливные шлаки, золу, вулканические туфы, опоки и пемзы, кварцевые пески,
гипсовый камень).
При твердении на воздухе прочность известковых растворов и бетонов невелика — в возрасте 28 сут составляет 0,5-3,0 МПа. Прочность материала может быть заметно повышена путем автоклавной обработки при давлении 0,8
МПа и температуре 175 °С, в результате чего при взаимодействии извести с
кремнеземом заполнителя образуются сравнительно прочные гидросиликаты.
Этот прием используют для получения автоклавного силикатного бетона, прочность которого составляет 20-50 МПа (и может быть еще выше), а также для
производства ячеистых бетонов.
Гипс и вяжущие на его основе. Строительный гипс — вяжущее вещество,
твердеющее на воздухе. Строительный гипс получают из природного двуводного гипса, нагревая его при температуре 150-170 °С до превращения в полуводный гипс. При смешивании гипса с водой получают тестообразную массу, которая быстро схватывается, переходя из жидкого состояния в твердое, затем твердеет на воздухе, постепенно набирая прочность. Гипс — быстросхватывающееся вяжущее. Начало схватывания гипса должно наступать не ранее 4 мин, а конец — не ранее 6 мин и не позднее 30 мин после затворения гипса водой.
По качеству строительный гипс делят на два сорта.
При специальной обработке двуводного гипса получают высокопрочный
гипс, прочность которого составляет 15-30 МПа, а сроки схватывания 15-20
мин.
Ценные свойства гипса — быстрое схватывание, получение гладких поверхностей изделий правильной формы, так как при затвердевании гипс немного расширяется и плотно заполняет формы. Недостаток гипса — малая водостойкость.
Еще большей водостойкостью обладает гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГПЦВ), изученное А.В. Волженским и его учениками. Оно состоит из
50-80 % полуводного гипса и 20-50 % пуццоланового портландцемента или
портландцемента с активной минеральной добавкой. Выпускают ГПЦВ марок
100, 150, 200.
На основе ГПЦВ можно получить быстротвердеющие бетоны марок М150М250.
17
Недостаток ГПЦВ — необходимость защиты стальной арматуры в изделии
от коррозии с помощью соответствующих покрытий.
2.2 Заполнители для бетона
В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный заполнитель, зерна которого крупнее 5 мм, подразделяют на гравий и щебень. Мелким
заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок. Щебень получают путем дробления горных пород. Чаще всего в строительстве используют известняковый и гранитный щебень. Гравий представляет собой рыхлую смесь выветрившихся горных пород. Обычно встречаются гравийнопесчаные смеси с зернами различной крупности. Для легких бетонов применяют естественный щебень из пористых горных пород (туфа, пемзы и др.) или
чаще изготовляют специальный искусственный заполнитель (керамзит, аглопорит, шлаковую пемзу и др.).
Песок представляет собой рыхлую смесь мелких зерен, образовавшуюся в
результате выветривания изверженных (реже осадочных) горных пород. Иногда
песок получают дроблением горных пород, однако такой песок гораздо дороже
естественного и применяется обычно только для специальных целей.
Зачем же нужны заполнители?
☻Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и, следовательно, позволяют резко сократить расход цемента или других вяжущих, являющихся
наиболее дорогой и дефицитной составной частью бетона.
☻Цементный камень при твердении претерпевает объемные деформации.
Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций
возникают внутренние напряжения и трещины. Мелкие трещины могут быть
невидимы невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и долговечность цементного камня. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку.
☻Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность и
модуль упругости бетона (т. е. уменьшает деформации конструкций под
нагрузкой), уменьшает ползучесть (т. е. пластические необратимые деформации бетона при длительном действии нагрузки).
☻Легкие пористые заполнители уменьшают плотность бетона и его теплопроводность, делают возможным применение такого бетона в ограждающих
конструкциях, для теплоизоляции.
☻Специальные особо тяжелые и гидратные заполнители делают бетон
надежной защитой от проникающей радиации (на атомных электростанциях и
т. п.).
☻В силикатных бетонах заполнитель помимо своего обычного назначения
играет особо важную роль, так как его зерна с поверхности вступают во взаимодействие с вяжущим веществом и от их минералогического состава и удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.
Стоимость заполнителя составляет 30—50 % (а иногда и более) стоимости
бетонных и железобетонных конструкций, поэтому применение более доступных и дешевых местных заполнителей в ряде случаев позволяет снизить стои-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
мость строительства, уменьшает объем транспортных перевозок, обеспечивает
сокращение сроков строительства.
Правильный выбор заполнителей для бетона, их разумное использование
— одна из важных задач технологии бетона. К заполнителям для бетона предъявляются требования, учитывающие особенности их влияния на свойства бетона. Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой
состав, прочность и чистота заполнителя.
Зерновой состав показывает содержание в заполнителе зерен разной крупности. Он определяется просеиванием пробы заполнителей через стандартные
сита с отверстиями 0,14-70 мм и более. Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, если зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров, например 5-10 или 20-40 мм. Заполнитель характеризуют
наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры
наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя.
С зерновым составом непосредственно связана пустотность заполнителя,
определяемая возможностью его плотной укладки. На пустотность влияет также форма его зерен. Пустотность заполнителя — важная характеристика, так
как в известной мере определяет расход цемента (чем больше пустот, тем больше требуется цемента для их заполнения) и другие свойства бетона.
Прочность заполнителя определяется прочностью горной породы, из которой он получен. Заполнители из прочных горных пород (гранита, диабаза и др.)
обладают высокой прочностью (80 МПа и выше). Заполнители из осадочных
пород, например из известняка, имеют прочность 30 МПа и выше.
Морозостойкость щебня и гравия зависит от его строения. Морозостойкость определяют путем испытания заполнителя на попеременное замораживание и оттаивание в воде, либо испытанием в растворе сернокислого натрия
(ускоренный способ).
Морозостойкость щебня изменяется от Мрз 15 до Мрз 300 и выше и зависит от строения породы.
Песок целесообразно применять с шероховатой поверхностью, так как такой песок лучше сцепляется с цементным камнем и способствует повышению
прочности бетона. Желательно, чтобы песок был как можно чище, так как его
промывка сложна и дорога. Обычно предпочитают речной песок.
2.3 Вода для приготовления бетонной смеси
Для приготовления бетонной смеси используют водопроводную питьевую,
а также любую воду, имеющую водородный показатель рН не менее 4 (т. е. некислую, не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет). Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на S04) и всех солей более
5000 мг/л. В сомнительных случаях пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять путем сравнительных испытаний образцов,
изготовленных на данной воде и на обычной водопроводной.
Для приготовления бетонной смеси можно применять морскую и другие
соленые воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Исключением
19
является бетонирование внутренних конструкций жилых и общественных зданий и надводных железобетонных сооружений в жарком и сухом климате, так
как морские соли могут выступить на поверхности бетона и вызвать коррозию
стальной арматуры.
Для поливки бетона следует использовать воду такого же качества, как и
для приготовления бетонной смеси.
2.4 Добавки к бетонам
Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента
применяют различные добавки в бетон. Их подразделяют на две группы. К первой относятся химические вещества, добавляемые в бетон в небольшом количестве (0,1-2,0 % массы цемента) для изменения в нужном направлении свойств
бетонной смеси и бетона. Ко второй относят тонкомолотые материалы, добавляемые в бетон в количестве 5-20 % и более для экономии цемента или для получения плотного бетона при малых расходах цемента. К тонкомолотым добавкам относят золы, молотые шлаки, пески, отходы камнедробления и некоторые
другие материалы, придающие бетону специальные свойства (повышающие его
плотность, жаростойкость, изменяющие электропроводимость, окрашивающие
и др.). В последнее время наибольшее применение находят химические добавки. Эти добавки классифицируют по основному эффекту действия:
1. Добавки, регулирующие свойства бетонных смесей: пластифицирующие,
т. е. увеличивающие подвижность бетонной смеси; стабилизирующие, т. е. предупреждающие расслоение бетонной смеси; водоудерживающие, уменьшающие
водоотделение;
2. Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона: ускоряющие схватывание, замедляющие схватывание, ускоряющие твердение, обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (противоморозные);
3. Добавки, регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона: воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие
(воздухоудаляющие и кольматирующие поры бетона) добавки — регуляторы
деформаций бетона, расширяющие добавки.
4. Добавки, придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие, т. е. уменьшающие смачивание бетона; антикоррозионные, т. е. повышающие стойкость в агрессивных средах; ингибиторы коррозии стали, повышающие защитные свойства бетона к стали; красящие; повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства.
В качестве пластифицирующих добавок широко применяют поверхностноактивные вещества (ПАВ), нередко получаемые из вторичных продуктов и отходов химической промышленности.
Воздухововлекающие добавки используют главным образом в бетонах, от
которых требуется повышенная морозостойкость, и в строительных растворах.
Воздухововлечение в бетонную смесь несколько понижает прочность бетона.
Так, по опытным данным, 1 % вовлеченного воздуха снижает прочность бетона
на сжатие на 3 %.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относят также кремнийорганические жидкости: метилсиликонат натрия (ГКЖ-Н), этилсиликонат натрия
(ГЖК-10) и этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ-94). Применяют их для
увеличения стойкости бетонов и растворов в агрессивной среде, для повышения
долговечности бетона, а также в качестве гидрофобизаторов поверхности ячеистых бетонов.
В последнее время разработаны и внедряются в строительство новые химические добавки—суперпластификаторы. Эти добавки резко увеличивают подвижность и текучесть бетонной смеси и существенно улучшают строительнотехнологические свойства бетона. В большинстве суперпластификаторы —
синтетические полимерные вещества, которые вводят в бетонную смесь в количестве 0,1-1,2 % массы цемента.
Действие суперпластификаторов, как правило, ограничено 2-3 ч с момента
введения их в бетонную смесь.
В качестве ускорителей твердения применяют хлорид кальция, сульфат
натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция и др. При этом необходимо учитывать
побочное действие этих добавок. Например, хлорид кальция способствует коррозии арматуры, поэтому нормы ограничивают его максимальную дозировку в
железобетоне (менее 2%) и не допускают его применения в конструкциях с
тонкой и преднапряженной арматурой, эксплуатирующихся в неблагоприятных
условиях. Сульфат натрия может вызвать появление высолов на поверхности
конструкций, что потребует специальных предохранительных мер.
В качестве противоморозных добавок применяют поташ, хлорид натрия,
хлорид кальция и др. Эти добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердению бетона при отрицательных температурах: чем ниже температура твердения, тем выше обычно дозировка добавки (до 10 % массы цемента и
больше).
В качестве газообразующей добавки широко используют алюминиевую
пудру (ПАК) и ГКЖ-94.
Большинство добавок растворимы в воде и их вводят в бетономешалку в
виде предварительно приготовленного раствора. Некоторые добавки вводят в
виде эмульсии.
21
Лекция № 3 – СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
Вопросы:
3.1 Структура бетонной смеси;
3.2 Свойства бетонной смеси;
3.3 Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от различных факторов.
3.1 Структура бетонной смеси
Бетонную смесь, представляющую собой сложную многокомпонентную
полидисперсную систему, получают непосредственно при затворении водой
смеси цемента с заполнителем. В нее входят тонкодисперсные частицы цемента,
более крупные зерна мелкого и крупного заполнителя, вводимые в ряде случаев
специальные добавки, вода и вовлеченный в процесс приготовления смеси воздух.
Свойства бетонной смеси имеют большое значение для технологии бетонных и железобетонных конструкций, так как определяют условия их формования и в известной мере их конечное качество.
По своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение
между вязкими жидкостями и твердыми телами.
Свойства бетонных смесей зависят от их структуры и свойств составляющих и обладают особенностями, из которых существенное значение имеют:
способность как бы псевдоразжижаться или становиться более подвижной под
влиянием механических воздействий; постоянно изменять свойства (терять подвижность) под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды вплоть до схватывания системы и превращения ее в твердое тело.
Бетонную смесь удобно рассматривать как систему, состоящую из двух
компонентов — цементного теста и заполнителя. Основным структурообразующим компонентом бетонной смеси является цементное тесто, в состав которого входят цемент, вода, в ряде случаев тонкомолотые минеральные добавки или
золы.
Свойства цементного теста зависят от соотношения между твердой и жидкой фазами: с увеличением содержания воды повышается подвижность цементного теста, уменьшается его пластическая прочность. Вода в бетонной
смеси находится в различных состояниях (табл. 3.1).
Небольшая часть воды вступает в химическое взаимодействие с цементом
и находится в химически связанном состоянии. Относительное количество этой
воды постепенно увеличивается, однако к моменту схватывания не превышает
5 %. Другая часть воды под действием адсорбционных сил оказывается физикохимически связанной на поверхности твердой фазы.
Количество физико-химически связанной воды также меняется в процессе
гидратации цемента, которая обычно сопровождается увеличением удельной
поверхности твердой фазы. В свежеприготовленном цементном тесте относительное содержание этой воды составляет 3-5 %, увеличиваясь к моменту схватывания до 25 % общего содержания воды.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Т а б л и ц а 3.1. Классификация воды в бетонной смеси
№
п.п.
1
2
3
Характер связи
Химическая (в
точных
количественных соотношениях)
Физико-химическая,
адсорбционная
Механическая,
структурная
Условия и причины
образования связи
Гидратация
и
кристаллизация из
раствора
Адсорбция в зоне
действия молекулярных
силовых
полей твердой фазы
Захват воды в
тонкие щели, капилляры, поры
Ориентировочное относительное содержание воды, %
общего количества воды
в свежепригов период
товленной сме- схватывания
си
цемента
1-2
4-5
3-5
20-25
93-95
70-75
Основное количество воды в цементном тесте находится в межзерновом
пространстве, размеры отдельных пор и полостей которого могут изменяться от
1 до 50 мкм и больше, что в десятки и сотни раз больше, чем толщина даже
слабо связанных сольватных пленок воды. Вследствие действия капиллярных
сил и образования геля в процессе гидратации цемента вода в межзерновом
пространстве физико-механически связана со структурой цементного камня.
Часто ее также называют свободной, подразумевая, что она не связана химически и не испытывает воздействие молекулярных сил твердой фазы.
Относительное количество свободной воды составляет около 95 % общего
объема воды сразу после приготовления цементного теста и уменьшается до 6570 % к моменту схватывания. Именно свободная вода оказывает наибольшее
влияние на подвижность цементного теста. Введение заполнителя в цементное
тесто существенно влияет на свойства материала. Поверхность заполнителя
оказывает воздействие на прилегающие слои цементного теста. За счет адсорбционных, молекулярных и капиллярных сил эти слои теряют подвижность. Однако при этом взаимодействие охватывает мельчайшие частицы цемента, и зона
воздействия заполнителя на цементное тесто увеличивается (рис. 3.1). Толщина
зоны воздействия зависит от свойств заполнителя и цемента и в среднем составляет около 10-15 мкм. Влияние заполнителя возрастает с увеличением его
содержания или удельной поверхности.
В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителем
можно выделить три основных типа структуры бетонной смеси (рис. 3.2). В
структуре первого типа зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически не взаимодействуют между собой. Зерна оказывают влияние
23
лишь на прилегающую зону цементного теста, а суммарное действие их прямо
пропорционально содержанию зерен заполнителя и их удельной поверхности.
Рис. 3.1 – Влияние
заполнителя на воду (а) и
на цементное тесто (б)
Рис. 3.2 – Типы структур бетонной смеем
и их влияние на водопотребность В равноподвижной смеси: I – с плавающим заполнителем: II – с плотной упаковкой заполнителя; III
– крупнопористая с недостатком цементного
теста
В структуре второго типа цементного теста меньше, оно лишь заполняет
поры между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен
слоем обмазки, толщина которой в местах контакта зерен заполнителя равна 1-3
средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны воздействия отдельных зерен заполнителя начинают перекрывать друг друга — возникает трение
между зернами заполнителя. Для придания смеси той же подвижности, что и в
структуре первого типа, требуются более интенсивные воздействия или увеличение подвижности цементного теста за счет изменения В/Ц в большей мере,
чем это было свойственно для структур первого типа.
В структуре третьего типа бетонной смеси цементного теста мало, оно
только обмазывает зерна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зернами заполняет лишь частично.
Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства
и влияние на них различных факторов.
Обычные бетонные смеси относятся ко второму типу структур. Подобные
структуры отличаются высокой эффективностью и позволяют получать нерасслаиваемые бетонные смеси заданной подвижности при минимальном расходе
цемента.
3.2 Свойства бетонной смеси
Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее качество бетона, конструкции и изделия, поэтому очень важно хорошо знать свой-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ства бетонной смеси, зависимость их от различных факторов, уметь получать
бетонную смесь заданных свойств, умело управлять процессами приготовления,
укладки и затвердевания бетонной смеси.
Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость, или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя при этом монолитность и однородность. Удобоукладываемость определяется подвижностью (текучестью) бетонной смеси в
момент заполнения формы и пластичностью, т. е. способностью деформироваться без разрыва сплошности.
Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют ее реологические характеристики: предельное напряжение сдвига, вязкость
и период релаксации. Для определения этих свойств применяют вискозиметры
(рис. 3.3).
Рис. 3.3 – Схемы приборов для определения реологических свойств цементного теста и бетонной смеси: а — измерение скорости истечения смеси через отверстие; б — измерение глубины проникания конуса; в — скорость погружения шарика; г — усилие выдергивания; д — усилие вращения коаксиальных цилиндров
Для полной оценки бетонной смеси и правильной организации производства бетонных и железобетонных изделий и конструкций необходимо знать и
другие свойства смеси: ее уплотняемость, однородность, расслаиваемость, изменение объема в процессе затвердевания, воздухововлечение, первоначальную
прочность (для жестких бетонных смесей при использовании немедленной распалубки изделий).
Особенность бетонной смеси состоит в постоянном изменении ее свойств (в
большей или меньшей степени) от начала приготовления до затвердевания, что
обусловливается сложными физико-химическими процессами, протекающими
в бетонной смеси и бетоне.
Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказывает расход воды,
так как он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие сил сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей системы.
В процессе гидратации цемента (до момента затвердевания) появляется все
большее количество гелеобразных гидратных соединений новообразований, что
способствует повышению клеющей и пластифицирующей способности цементного теста и его связующей роли в бетонной смеси. Вместе с тем постепенно
уменьшается подвижность смеси.
25
Цементное тесто относят к так называемым структурированным системам,
которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры.
Поведение структурированных систем при приложении внешних сил существенно отличается от поведения жидких тел. Если вязкость жидкости (истинная ньютоновская) постоянна и не зависит от прикладываемого давления
(вязкость жидкости меняется только с изменением температуры), то вязкость
структурированных систем изменяется даже при постоянной температуре в несколько раз (нередко на два-три порядка) в зависимости от внешних сил, действующих на систему. Вязкость зависит от напряжения сдвига системы или
скорости сдвиговых деформаций.
Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначальной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, в результате возрастает способность системы к деформациям (течению), увеличивается
ее подвижность.
Способность структурированных систем изменять свои реологические
свойства под влиянием механических воздействий и восстанавливать их после
прекращения воздействия называется тиксотропией. В технологии бетона это
свойство широко используют для формирования изделий из малоподвижных и
жестких смесей путем воздействия на них вибраций, встряхиванием, толчками.
Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее внешних сил дает полная реологическая кривая (рис. 3.4), которую можно разделить
на три участка.
Рис. 3.4 – Изменение вязкопластических свойств бетонной смеси в зависимости от напряжений сдвига: а — изменение структурной вязкости;
б — изменение скорости деформации течения (α0 и αт — углы, характеризующие коэффициенты вязкости системы)
На первом участке при небольших напряжениях сдвига τ сохраняется неразрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризующаяся
наибольшей вязкостью ŋ0. После достижения критического напряжения τ1 соответствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры,
которое продолжается до полного разрушения при предельном напряжении τ 0.
На втором участке по мере разрушения системы эффективная вязкость бетонной смеси постоянно падает при увеличении напряжений сдвига. После того
как система предельно разрушена, бетонная смесь приобретает наименьшую
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
вязкость (так называемую пластическую вязкость ŋт — третий участок кривой),
которая не зависит от действующих напряжений и не изменяется при их увеличении.
Как показали исследования, реологическая модель невибрируемой бетонной смеси может быть описана уравнением Шведова — Бингама:
τ = τ0 + ŋт (dv/dx),
(3.1)
где τ — напряжение сдвига; τ0 — предельное напряжение сдвига; ŋт —
пластическая (остаточная) вязкость системы, которая может рассматриваться
как коэффициент пропорциональности (коэффициент вязкости) между напряжением и скоростью сдвига; dv/dx — градиент скорости сдвига.
Это уравнение характеризует поведение бетонной смеси при транспортировании по трубам с помощью бетононасосов и при укладке очень подвижной
смеси некоторыми безвибрационными способами.
При вибрировании бетонной смеси ее начальная структура предельно разрушается, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума, в
полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения и предельное
напряжение сдвига становится очень малым. В этих условиях поведение бетонной смеси с определенной степенью приближения можно описать уравнением
Ньютона:
τ = ŋт (dv/dx),
(3.2)
С повышением содержания в бетонной смеси крупного заполнителя и
уменьшения содержания воды или отсутствием сплошной среды из цементного
теста сопротивление сдвигу значительно увеличивается.
В системе не только повышается вязкое трение, но и возникает внутреннее
сухое трение между зернами заполнителя. Для описания поведения таких смесей применяют уравнение Кулона:
τ = σ tgφ + ŋст ,
(3.3)
где σ — нормальное напряжение; φ — угол внутреннего трения; ŋст — структурная вязкость системы.
Рассмотренные выше выражения полезны при рассмотрении вопросов
транспортирования бетонной смеси, выгрузке смеси из бункеров, формовании
изделий и т. д.
Однако на практике часто приходится решать другую задачу — о подборе
состава бетонной смеси. Для решения подобных задач необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси и ее реологическими свойствами. Для
оценки последних в производственных условиях применяют упрощенные методы, получая технологические характеристики бетонной смеси (показатель
жесткости, осадку конуса и др.), которые характеризуют поведение смеси в
определенных условиях и служат для ориентировочной оценки способности
смеси к формоизменению и уплотнению при тех или иных условиях воздействия.
Для определения подвижности, т. е. способности смеси расплываться под
действием собственной массы и связанности бетонной смеси, служит стандартный конус. Он представляет собой усеченный, открытый с обеих сторон конус
27
из листовой стали толщиной 1 мм. Высота конуса 300 мм, диаметр нижнего основания 200 мм, верхнего — 100 мм. Внутреннюю поверхность формы-конуса
и поддон перед испытанием смачивают водой. Затем форму устанавливают на
поддон и заполняют бетонной смесью в три приема, уплотняя смесь штыкованием. После заполнения формы и удаления излишков смеси форму тотчас снимают, поднимая ее медленно и строго вертикально вверх за ручки. Подвижная
бетонная смесь, освобожденная от формы, дает осадку или даже растекается.
Мерой подвижности смеси служит величина осадки конуса, которую изменяют
сразу же после снятия формы (рис. 3.5). Из каждого замеса пробу берут два раза, измеряют осадку конуса и принимают средний результат.
Рис. 3.5 – Определение
подвижности бетонной
смеси при помощи конуса:
а — общий вид конуса;
б — жесткая смесь;
в — малоподвижная;
г — подвижная;
д — очень подвижная;
е – литая смесь
В зависимости от осадки конуса различают бетонные смеси с подвижностью от П1 до П5: малоподвижные (пластичные) бетонные смеси П1; умеренно
подвижные П2; подвижные П3; очень подвижные П4; литые смеси П5 (табл.
3.2). При малых расходах воды бетонные смеси не показывают осадки конуса,
однако при приложении внешнего силового воздействия такие смеси (в зависимости от расхода воды и состава бетона) обладают различными формовочными
свойствами. Такие смеси называют жесткими. Для оценки их свойств используют специальный прибор, с помощью которого определяют растекаемость бетонной смеси при вибрировании.
Прибор состоит из цилиндрического сосуда высотой 200 мм с внутренним
диаметром 240 мм, на котором закреплено устройство для измерения осадки бетонной смеси в виде направляющего штатива, штанги и металлического диска
толщиной 4 мм с шестью отверстиями (рис. 3.6).
Прибор устанавливают на виброплощадку и плотно прикрепляют к ней.
Затем в сосуд помещают металлическую форму-конус с насадкой для наполнения бетонной смесью.
Размеры формы-конуса такие же, как при определении подвижности бетонной смеси, т. е. высота 300 мм, нижний диаметр 200 мм, верхний диаметр
100 мм. Форму-конус с помощью специального кольца-держателя закрепляют в
приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси, уплотняя ее штыкованием
(25 раз каждый слой). Затем укрепляют форму-конус, поворачивают штатив,
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
устанавливают на поверхности бетонной смеси диск и включают виброплощадку. Вибрирование при амплитуде 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не
начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска. Полученное
время вибрирования — показатель жесткости бетонной смеси.
Рис. 3.6 – Стандартный прибор
для определения жесткости бетонной смеси: 1 – форма; 2 – упоры
для крепления конуса; 3 – конус; 4
– воронка; 5 – штанга; 6 – направляющая втулка; 7 – втулка для
крепления диска; 8 – диск с шестью
отверстиями: 9 – штатив; 10 – зажим штатива
Таблица 3.2 – Классификация бетонных смесей
по жесткости и подвижности
Норма удобоукладываемости по показателю:
Марка по удобоподвижности, см
укладываемости
жесткости, с
осадка конуса расплыв конуса
Сверхжесткие смеси
СЖ3
Более 100
СЖ2
51-100
СЖ1
50 и менее
-
Ж4
Ж3
Ж2
Ж1
П1
П2
П3
П4
П5
Жесткие смеси
31-60
21-30
11-20
5-10
Подвижные смеси
4 и менее
1-4
5-9
10-15
16-20
21 и более
26-30
31 и более
Примечание: СЖ1-СЖ3 – сверхжесткие бетонные смеси; Ж1-Ж4 – жёсткие бетонные
смеси; П1 – малоподвижные (пластичные) бетонные смеси; П2 – умеренно подвижные; П3 –
подвижные; П4 – очень подвижные; П5 – литые смеси.
29
В лабораториях иногда используют упрощенный способ определения
жесткости бетонной смеси, предложенный Б.Г. Скрамтаевым. По этому способу испытание проводят следующим образом. В обычную металлическую форму
для приготовления кубов размером 20х20х20 см вставляют стандартный конус.
Предварительно с него снимают упоры и немного уменьшают нижний диаметр,
чтобы конус вошел внутрь куба (рис. 3.7).
Рис. 3.7 – Определение удобоукладываемости бетонной смеси упрощенным способом: а – общий вид прибора; б – бетонная смесь до вибрирования; в –
то же после вибрирования: 1 – конус; 2 – форма куба;
3 – бетонная смесь; 4 – виброплощадка
Наполняют конус также в три слоя. После снятия металлического конуса
бетонную смесь подвергают вибрации на лабораторной площадке. Вибрация
длится до тех пор, пока бетонная смесь не заполнит всех углов куба и ее поверхность не станет горизонтальной.
Продолжительность вибрирования (с) принимают за меру жесткости (удобоукладываемости) бетонной смеси.
3.3 Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от различных факторов
Технологические свойства бетонной смеси определяются ее составом и
свойствами используемых материалов
Цементное тесто придает бетонной смеси связанность, способность растекаться и плотно заполнять форму. Чем выше содержание цементного теста, чем
более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бетонной
смеси. Введение в цементное тесто заполнителя уменьшает подвижность смеси,
причем тем в большей степени, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность.
При изменении расхода цемента в бетоне от 200 до 400 кг/м3 при постоянном расходе воды, изменение подвижности бетонной смеси не наблюдается.
Подвижность смеси изменяется только при изменении расхода воды. Увеличение содержания цемента в бетонной смеси повышает толщину обмазки зерен заполнителя цементным тестом.
Если цементное тесто взять только в количестве, необходимом для заполнения пустот между заполнителями, то бетонная смесь получается жесткой,
неудобоукладываемой. Чтобы смесь стала подвижной, следует не только за-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
полнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного теста. В зависимости от свойств заполнителя и соотношения между песком
и щебнем минимальное содержание цементного теста в бетонной смеси, обеспечивающее ее нерасслаиваемость и качественное уплотнение, составляет от
170-200 л в жесткой смеси до 220-270 л в подвижной и литой смесях.
Влияют на подвижность бетонной смеси и свойства цемента. Применение
цемента с более высокой нормальной густотой понижает подвижность бетонной смеси (при постоянном расходе воды).
С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси увеличивается (но если расход цемента остается постоянным, то прочность бетона понижается).
Подвижность бетонной смеси существенно зависит от крупности зерен заполнителя. С увеличением крупности зерен их суммарная поверхность уменьшается, снижается их влияние на цементное тесто, в результате подвижность
бетонной смеси возрастает. Пыль, глинистые и другие загрязняющие примеси
обычно снижают подвижность жирной бетонной смеси.
Подвижность зависит также от соотношения между песком и щебнем.
Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста максимальная.
Повышение подвижности, или снижение водопотребности бетонной смеси,
или уменьшение расхода цемента может быть достигнуто применением пластифицирующих добавок, например сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ) в количестве от 0,1 до 0,3 % массы цемента (в зависимости от его минералогического
состава и удельной поверхности). Еще более эффективно действие суперпластификаторов, например С-3, которые позволяют очень значительно изменять
подвижность и водопотребность пластичных бетонных смесей (на 20-40 %
больше, чем СДБ).
Подвижность бетонной смеси с течением времени постепенно уменьшается
вследствие физико-химического взаимодействия цемента и воды. Особенно
сильно ухудшается удобоукладываемость жесткой бетонной смеси, поэтому такую смесь следует укладывать в формы как можно быстрее. При определении
состава бетона в зависимости от заданной подвижности бетонной смеси устанавливают расход воды. Для этого используют зависимость подвижности бетонной смеси от расхода воды и других факторов. Ориентировочно расход воды
можно подбирать по таблицам и графикам (рис. 3.8), полученным опытным путем, с последующей проверкой состава бетона пробным затворением.
При переводе показателя жесткости, полученного по способу
Б.Г. Скрамтаева, в показатель жесткости по техническому вискозиметру используют переходной коэффициент, равный 2, т.к. значение по методу
Б.Г. Скрамтаева получается 2 раза меньше, чем по стандартному техническому
вискозиметру.
31
Рис. 3.8 – График водопотребности В пластичной (а) и жесткой (б) бетонной смеси, изготовленной с применением портландцемента, песка средней
крупности (водопотребность 7 %) и гравия наибольшей крупности:
1 – 80 мм; 2 – 40 мм; 3 – 20 мм; 4 – 10 мм; Ж1 – удобоукладываемость по
техническому вискозиметру; Ж2 – то же, по способу Б.Г. Скрамтаева
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Лекция № 4 – СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА
Вопросы:
4.1 Формирование структуры бетона;
4.2 Структура бетона.
4.1 Формирование структуры бетона
Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее
формирование оказывает схватывание и твердение цемента.
Цементное тесто, приготовленное путем смешивания цемента с водой,
вначале (в течение 1-3 ч после затворения) пластично и легко формуется. Потом наступает схватывание, заканчивающееся обычно через 5-10 ч после затворення; в период схватывания цементное тесто загустевает, утрачивая подвижность, но его механическая прочность еще невелика. Переход цементного теста
в твердое состояние означает конец схватывания и начало твердения, которое
характерно возрастанием прочности. Твердение при благоприятных условиях
длится годами - вплоть до полной гидратации цемента.
В начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза трехкальциевого силиката выделяется гидрат окиси кальция, образуя пересыщенный раствор. В этом растворе находятся ионы сульфата, гидроксида и
щелочей, а также небольшое количество кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация ионов кальция и сульфатионов наблюдается непродолжительное время после затворения, так как в течение нескольких минут из раствора начинают осаждаться первые новообразования — гидроокись кальция и
эттрингит (Са6[Al(OH)6]2·24H2O·(SO4)3·2H2O).
Химические реакции. Химические реакции начинаются сразу после затворения цемента водой. Уже в начальной стадии гидратации цемента происходит быстрое взаимодействие алита с водой, сопровождающееся образованием
гидросиликата кальция и гидроксида:
2(3CaO-SiO2) + 6Н2О = 3CaO·2SiО2·3H2О + 3Са(ОН)2.
После затворення гидроксид кальция образуется из алита, так как белит
гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой выделяется
меньше Са (ОН)2, что видно из уравнения реакции:
2(2CaO·SiО2) + 4Н2О = 3CaO·2SiО2·3H2O + Са(ОН)2.
Гидросиликат кальция 3CaO·2SiО2·3H2О образуется при полной гидратации чистого трехкальциевого силиката в равновесии с насыщенным раствором
гидроксида кальция. Молярное соотношение CaO/SiО2 в гидросиликатах, образующихся в цементном тесте, может изменяться в зависимости от состава материала, условий твердения и других обстоятельств. Поэтому применяется тер33
мин C-S-H для всех полукристаллических и аморфных гидратов кальциевых
силикатов, относимых к гелевой фазе.
Гидросиликаты кальция низкой основности, имеющие состав (0,8-1,5)
CaO·SiО2·(1-2,5)H2О обозначаются (по Тейлору) формулой C-S-Н (I), гидросиликаты более высокой основности (1,5-2) CaО·SiО2·nH2О – формулой C-S-H
(II). Образование низкоосновных силикатов кальция повышает прочность цементного камня; при возникновении высокоосновных гидросиликатов его
прочность меньше. При определенных условиях, например при автоклавной
обработке (в среде насыщенного пара при давлении 0,8-1,3 МПа и температуре
175 - 200 °С), образуется тоберморит 5CaO·6SiО2·5H2О, характеризующийся
хорошо оформленными кристаллами, которые упрочняют цементный камень.
Основной алюмосодержащей фазой в портландцементе является трехкальциевый алюминат 3СаО·Аl2О3. Он представляет самую активную фазу среди
клинкерных минералов. Немедленно после соприкосновения 3СаО·Аl2О3 с водой на поверхности непрореагировавших частиц образуется рыхлый слой метастабильных (неустойчивых) гидратов 4СаО·Аl2О3·19Н2О и 2СаО·Аl2О3·8Н2О в
виде тонких гексагональных пластинок, образующих по терминологии Р. Кондо
и М. Даймона «структуру карточного домика». Рыхлая структура гидроалюминатов ухудшает морозостойкость, а также стойкость против химической коррозии. Это одна из причин ограничения количества трехкальциевого алюмината в
специальных портландцементах, применяемых для морозостойких бетонов.
Стабильная форма - шестиводный гидроалюминат 3СаО·Аl2О3·6Н2О, кристаллизующийся в кубической форме, образуется в результате быстро протекающей химической реакции:
3СаО·Аl2О3 + 6Н2О = ЗСаО·Al2О3·6Н2О.
Для замедления схватывания при помоле клинкера добавляют небольшое
количество природного гипса (3-5% массы цемента). Сульфат кальция играет
роль химически активной составляющей цемента, реагирующей с трехкальциевым алюминатом при затворении цемента водой и связывающей его в гидросульфоалюминат кальция (минерал эттрингит) в начале гидратации портландцемента.
3CaOAl2О3 + 3(CaSО4·2H2О) + 26Н2О = 3СаО·Аl2О3·3СаSО4·32Н2О.
В насыщенном растворе Са(ОН)2 эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии, осаждаясь на поверхности частиц
3СаО·Аl2О3, замедляет их гидратацию и продлевает схватывание цемента. Кристаллизация Са(ОН)2 из пересыщенного раствора понижает концентрацию гидроксида кальция в растворе и эттрингит уже образуется в виде длинных иглоподобных кристаллов. Кристаллы эттрингита и обусловливают раннюю прочность затвердевшего цемента. Эттрингит, содержащий 31-32 молекулы кристаллизационной воды, занимает примерно вдвое больший объем по сравнению
с суммой объемов реагирующих веществ (С3А и сульфат кальция). Заполняя
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
поры цементного камня, эттрингит при оптимальной дозировке гипса повышает
его механическую прочность. Структура затвердевшего цемента улучшается
еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в виде рыхлых гидроалюминатов кальция. Эттрингит взаимодействует с 3СаО·Al2О3,
оставшимся после израсходования добавки гипса, с образованием моносульфата кальция
2(3СаОАl2О3) + 3СаО·Al2О3·3СаSО4·32Н2О + 22Н2О =
3(3CaO·AI2О3CaSО4·18H2O)
В результате введения в портландцемент сульфата кальция гндроалюминаты кальция заменяются гидросульфоалюминатом.
Четырехкальциевый алюмоферритпри взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и гидроферрит
4CaO·Al2О3Fe2О3 + mH2O = 3CaOAI2О3·6H2О + CaOFe2О3·nH2О.
Гидроалюминат связывается добавкой гипса, как указано выше, а гидроферрит входит в состав цементного геля.
Схематически процесс преобразований, происходящих в системе цементвода в процессе гидратации цемента, показан на рис. 4.1.
Приблизительно через 1 ч наступает вторая стадия гидратации, для которой характерно образование очень мелких гидросиликатов кальция. Вследствие
того, что в реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен цемента, вновь образующиеся гидратные фазы характеризуются очень тонкой гранулометрией, размер зерен цемента уменьшается незначительно. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен. С увеличением количества новообразова¬ний и плотности их упаковки пограничный
слой становится малопроницаем для воды примерно в течение 2— 6 ч. Вторую
стадию замедленной гидратации принято называть «скрытым периодом» гидратации цемента.
Третья стадия процесса гидратации характеризуется началом кристаллизации гидроокиси кальция из раствора. Этот процесс происходит очень интенсивно. Гидросиликат кальция и эттрингит могут расти в виде длин¬ных волокон, которые проходят через поры и разделяют их на более мелкие, происходит
формирование «основной» структуры цементного камня.
Четвертая и пятая стадии процесса гидратации характеризуются замедленными реакциями, которые продолжаются до полной гидратации цемента.
В эти периоды меняется характер пористости цементного камня в результате того, что образовавшиеся поры заполняются продуктами гидратации.
Структура затвердевшего це¬ментного камня уплотняется и образовавшийся
ранее эттрингит может перейти в моносульфат.
35
Рис. 4.1 – Схема процесса преобразовании в структуре цементного теста и
камня при гидратации цемента: а – цементные зерна в воде – начальный период
гидратации; б – образование гелевой оболочки на цементных зернах - скрытый
период гидратации; в – вторичный рост гелевой оболочки после осмотического
разрушения первоначальной оболочки, образование волнистых и столбчатых
структур на поверхности зерен и в порах цементного камня - третий период
гидратации; г – уплотнение структуры цементного камня при последующей
гидратации цемента.
Лохер и Рихартц представили процесс гидратации цемента в виде схемы
(рис. 4.2), которая согласуется с экспериментальными данными изучения
начального периода структурообразования по изменению предельного напряжения сдвига и скорости прохождения ультразвука. Кривая нарастания структурной прочности имеет два характерных участка. Первый участок характеризуется тем, что продукты взаимодействия цемента с водой гелеобразны — это
особо мелкие частицы волокнистой, войлокообразной и пластинчатой формы,
которые возникают в поровом пространстве между зернами цемента, заполненном сначала водой затворения. Возникшая пористая матрица постепенно
упрочняется и заполняется продуктами дальнейшей гидратации.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 4.2 – Схемы процесса гидратации цемента (а) и структурообразования
(б) цементного камня: 1 — образование длинных кристаллов; 2 — эттрингит;
3 — изменение пористости; 4 — образование коротких волокон;
5 — моносульфат; 6 — неустойчивая структура; 7 — формирование основной
структуры, уплотнение структуры; 8 — стабильная структура
Время от начала затворения до момента резкого возрастания прочности
называется периодом формирования структуры. Плотность и пористость образующейся к концу периода твердой матрицы зависят главным образом от концентрации цемента в цементном; тесте, т. е. от В/Ц теста. Таким образом, матрица, образующаяся из первичных продуктов гидратации цемента, представляет собой «первоначальный каркас», оказывающий решающее влияние на будущую структуру цементного камня.
Дальнейшее упрочнение структуры происходит за счет роста новообразований внутри сложившейся матрицы и соответствует третьей стадии гидратации. К
концу формирования структуры цементное тесто превращается в камень, совершается довольно резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.
Как указывалось, заполнитель, введенный в цементное тесто, вследствие
проявления поверхностных сил влияет на свойства бетонной смеси, например,
37
уменьшает ее подвижность и сокращает период формирования структуры (рис.
4.3), причем чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность, тем
больше его влияние. Это аналогично уменьшению В/Ц, поэтому для расчета
условно можно принять, что свойства бетонной смеси определяются несколько
меньшим В/Ц, чем В/Ц затворения. Определить количество воды, как бы отвлекаемой заполнителем, можно по изменению свойств бетонной смеси, вводя понятие об условном истинном В/Ц, которое имело бы цементное тесто, если бы
оно характеризовалось теми же свойствами, что и бетонная смесь (подвижностью, сроками схватывания и т.д.).
Рис. 4.3 - Зависимость продолжительности периода формирования структуры,
определяемого по скорости ультразвука, от состава цементного теста и раствора:
1 — цементное тесто с В/Ц=0,3; 2 — раствор на песке Вольского месторождения
с В/Ц=0,3; 3 — то же. с В/Ц=0,38; 4 — раствор на керамзитовом песке с В/Ц=0,7
Кроме того, заполнитель может создавать жесткий каркас, упрочняющий
структуру на первой стадии ее формирования. Наличие заполнителя существенным образом влияет и на условия твердения цементного камня. В бетоне
взаимодействие цемента с водой и его твердение происходит в тонких прослойках между зернами заполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживаюшую способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического
каркаса цементного камня, влияет на изменение температуры и влажности в
твердеющем цементном камне. Таким образом, заполнитель оказывает существенное влияние на формирование структуры цементного камня и бетона. Это
обычно учитывается при определении свойств и проектировании состава бетона.
Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на три периода — первый, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон, второй, во время которого структура бетона постепенно упрочняется и третий, когда структура стабилизируется
и почти не изменяется со временем (рис. 4.4).
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 4.4 – Расчетные периоды структурообразования цементных систем:
1 - образование первоначальной структуры; 2 - упрочнение структуры;
3 - стабилизация структуры
Граница между первым и вторым периодами находится в точке А, местоположение которой определяется таким образом, что к этому моменту первоначальная структура бетона уже возникла и в дальнейшем происходит лишь ее
упрочнение. В этом случае изменение прочности бетона во втором периоде подчиняется логарифмическому закону, что позволяет более точно прогнозировать
изменение свойств бетона во времени. В общем виде прочность бетона будет
описываться выражением
R  R0  R ,
(4.1)
где R0 — прочность первоначальной структуры бетона;
ΔR=f(t, T) — прочность бетона, приобретаемая в процессе последующего
твердения.
При очень слабой первоначальной структуре значением R0 можно пренебречь. Величина ΔR зависит от времени и температуры твердения. Продолжительность первоначального твердения, составляющую несколько часов, обычно
не учитывают, когда определяют прочность бетона при нормальном твердении.
Но при прогнозировании прочности бетона при тепловой обработке, сроки которой соизмеримы с продолжительностью первоначального твердения, последнюю необходимо учитывать в расчетах. В последующих главах приведены формулы, позволяющие определить прочность бетона в различном возрасте и при
разных условиях твердения.
В процессе формирования структуры бетона и ее последующего твердения
изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение (рис. 4.5), электропроводность и т. д.
39
Рис. 4.5 – Изменение пористости (1) и тепловыделения (2) бетона в процессе твердения
Процессы формирования структуры сопровождаются объемными изменениями. В зависимости от условий твердения бетон может либо увеличиваться,
либо уменьшаться в объеме; последнее происходит чаще и носит название
усадки. Все эти изменения более значительны на первоначальном этапе формирования структуры и, особенно, в период превращения псевдожидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно затухают с возрастом бетона.
Изменение свойств бетона определяются главным образом гидратацией
цемента, поэтому свойства последнего оказывают на эти закономерности решающее влияние.
Процесс гидратации является ведущим, и его протекание определяет изменение структуры и свойств бетона. Другие факторы (например, состав бетона,
свойства заполнителя и т. д.) хотя и влияют на изменение структуры и свойства
бетона, но их влияние на кинетику изменения свойств бетона является вторичным и обусловливается в известной мере их воздействием на процессы гидратации цемента и структурообразование цементного камня. Постепенное затухание изменений свойств бетона во времени и их стабилизация объясняются постепенным затуханием процесса гидратации цемента.
4.2 Структура бетона
Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании, поэтому если
классифицировать структуры бетона по содержанию цементного камня и его
размещению в бетоне, то можно также выделить три типа структур, рассмотренных выше.
Однако на свойства бетона определяющее влияние имеет его плотность
или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а
также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют
его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ее плотности.
На рис. 4.6 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая.
Рис. 4.6 – Основные типы макроструктуры бетона:
I — плотная; II — плотная с пористым заполнителем: III — ячеистая;
IV—зернистая; Rб — средняя прочность структуры; R1 и R2 — прочности составляющих бетона
Плотная структура в свою очередь может иметь контактное расположение
заполнителя, т.е. его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, т. е. его зерна
находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит
из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно
прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем,
что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности
сыпучего материала.
Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой,
наименьшей — с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те в свою очередь менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.
Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или
других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую
глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов
здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные
поры. Иногда для анализа и построения технологических расчетов условно
принимают макроструктуру, состоящую из двух элементов — крупного заполнителя и раствора, в котором объединяются цементный камень и песок.
Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении
41
под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает
бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителем). Проф. В. Н. Юнгом подобная структура была образно названа «микробетоном».
Цементный камень — основной компонент бетона, влияющий на его свойства и долговечность. В свою очередь свойства цементного камня зависят от
его минералогического состава, определяющего силу химического взаимодействия между элементами структуры и микроструктуры. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы
микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуру
(рис. 4.7). В технологии бетона используются различные вяжущие вещества,
применяются разные условия твердения бетона, поэтому в бетонах могут встречаться разные типы микроструктуры цементного камня.
а)
б)
в)
г)
Рис. 4.7 – Микроструктура цементного камня и бетона, полученная на электронном сканирующем микроскопе: а, б — структуры цементного камня;
в, г — структуры зоны контакта цементного камня с заполнителем
Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и
ряда других причин, микроструктура цементного камня может несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным
камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента.
Определенное влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура
заполнителя, особенно—легкого пористого. На рис. 4.7 показаны некоторые
микроструктуры контактной зоны бетона, а на рис. 4.8 — изменение свойств материала в контактной зоне. Приведенные данные показывают, что рассмотренная выше классификация структур применима как к макроструктуре, так и микроструктуре бетона, а также подтверждают, что при рассмотрении бетонов особое внимание надо обратить на контактную зону цементного камня и заполнителя.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 4.8 – Изменение микротвердости Нμ цементного камня в контактной
зоне у поверхности заполнителя: 1 – гранита; 2 – кварца
Структура бетона, как правило, изотропна, т. е. ее свойства по разным
направлениям приблизительно одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, т. е. ее свойства в одном
направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении. Примером может служить бетон на заполнителе с лещадными зернами, ориентированными в определенном направлении (рис. 4.9).
Рис. 4.9 – Прочность бетона с лещадным заполнителем
Для различных видов бетонов характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных — плотная
структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые — зернистую. Конечно, подразделение на приведенные
типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большой сложностью, например в плотной структуре тяжелого бетона цементный
камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бето43
на поры наблюдаются не только в заполнителе, но и в цементном камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре могут соединяться между собой капиллярами и т. д.
Однако представление о различных типах структур позволяет более четко
проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.
Бетоны являются искусственными каменными материалами. Известно, что
прочность подобных материалов зависит от их плотности, так как она в известной мере определяет плотность упаковки структурных элементов, объем и характер дефектов (пор, микротрещин и др.).
В общем виде зависимость прочностей бетона от его плотности может быть
представлена выражением:
(4.2)
R  R ( /  ) n
1
1
где R1 — прочность материала при плотности γ1; n — показатель степени,
зависящей от структуры материала.
Если принять, что R1/ γ1n =A — характеристика данного материала, численно равная его прочности при плотности, равной 1, то выражение (4.2) можно
записать в виде
(4.3)
R  А n
Выражение (4.3) показывает, что прочность пористого материала пропорциональна его плотности. Показатель степени п для материалов разной структуры может колебаться от 2 до 6. Для материалов ячеистой структуры его ориентировочно можно принять равным 2. Для материалов зернистой структуры
показатель степени п зависит от формы зерен составляющих материалов и
прочности их контактов. В среднем его можно принимать равным 4 (при колебаниях от 3 до 6).
Зависимость прочности бетонов от его структуры показана на рис. 4.10.
Рис. 4.10 – Зависимость прочности Rб ячеистой (1) и зернистой (2)
структур бетона от относительной
плотности γ/ρ
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
При одинаковой относительной плотности прочность материала зернистой
структуры значительно ниже, чем ячеистой, поэтому кроме величины пористости материалов для окончательного суждения о прочности и других свойствах
бетона необходимо знать характер пористости, определяемый его структурой.
Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на
суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам цементный
камень и заполнитель, отдельные зерна заполнителя и отдельные микрообъемы
цементного камня. Контактная зона, как и основной массив цементного камня,
также неоднородна, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала.
На рис. 4.11 показано возможное изменение прочности бетона по сечению.
Кроме того, структура и свойства бетона могут колебаться в незначительных
пределах в разных изделиях и образцах, даже изготовленных из одного и того
же состава.
Рис. 4.11 – Неоднородность
структуры и прочности бетона по сечению образца или
изделия
Неоднородность структуры и свойства требуют применения к оценке бетона вероятностно-статистических методов и должны учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций.
45
Лекция № 5 – СВОЙСТВА БЕТОНА
Вопросы:
5.1 Прочность бетона;
5.2 Деформативные свойства бетона;
5.3 Плотность, проницаемость и морозостойкость бетона;
5.4 Коррозия бетона и меры борьбы с ней.
5.1 Прочность бетона
Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих в результате нагрузки или других
факторов. Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние
напряжения: сжатия, растяжения, изгиба, среза и кручения.
Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжатию,
значительно хуже — срезу и еще хуже — растяжению (в 5—50 раз хуже, чем
сжатию), поэтому строительные конструкции обычно проектируют таким образом, чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходимости
восприятия растягивающих усилий конструкции армируют. В железобетонных
конструкциях напряжения растяжения и среза воспринимаются стальной арматурой, обладающей высоким сопротивлением этим видам нагрузки.
Разрушение в физическом понимании состоит в отделении частей тела
друг от друга. Дефекты в материале приводят к облегчению процесса разрушения, т. е. они понижают прочность материала.
Особенностью поведения под нагрузкой хрупких материалов, а следовательно, и бетона является то, что при сжатии они разрушаются от растягивающих напряжений, возникающих в направлениях, перпендикулярных действию
сжимающей нагрузки, или от напряжении среза, действующих по определенным плоскостям.
Прочность бетона является интегральной характеристикой, которая зависит от свойств компонентов бетона, его состава, условий приготовления, твердения, эксплуатации и испытания. В свою очередь с прочностью бетона связан
и ряд других его свойств.
Прочность бетона определяется испытанием его образцов под нагрузкой.
Установлено, что наблюдается два вида поверхности разрушения
(рис. 5.1). В первом случае, когда прочность заполнителя при растяжении выше
прочности раствора или цементного камня, разрушение происходит по раствору и в обход зерен заполнителя. Во втором случае, когда прочность заполнителя ниже прочности раствора, разрушение происходит по раствору и зернам заполнителя. Может быть и смешанное разрушение, когда прочности зерен заполнителя и раствора близки между собой и в разных участках структуры более
прочным оказывается либо заполнитель, либо раствор.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 5.1 – Характер разрушения бетона: а — по цементному раствору без разрушения заполнителя; б — с разрывом зерен заполнителя; в — смешанное разрушение (поверхность разрушения показана пунктиром)
Если обобщить результаты и выводы ряда исследователей, то современные
представления о процессе разрушения бетона можно свести к нескольким основным положениям:
1. Разрушение бетона происходит постепенно. Вначале возникают перенапряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Развитие этого
процесса сопровождается перераспределением напряжений и вовлечением в
трещинообразование все большего объема материала, вплоть до образования
сплошного разрыва того или иного вида, зависящего от формы образца или
конструкций, ее размеров и других факторов. На последней стадии нагружения
процесс микроразрушений становится неустойчивым и носит лавинный характер.
2. Разрушение бетона при сжатии обусловлено развитием микротрещин
отрыва, направленным параллельно действующему усилию. Происходит кажущееся увеличение объема образца, но в действительности нарушается сплошность материала. Процесс развития микротрещин определяется структурой бетона, в частности размером и числом дефектных мест в ней, а также видом и
режимом приложенной нагрузки.
3. Большое влияние на процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне. Облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и
микротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность. Степень влияния этого фактора зависит от скорости приложения нагрузки.
4. Прочность и деформативность бетона определяется главным образом
структурой и свойствами цементного камня, который скрепляет зерна заполнителя в монолит. Структура и свойства цементного камня зависят от его минералогического состава, водоцементного отношения, тонкости помола цемента, его
возраста, условий приготовления и твердения введенных добавок. В последнее
47
время было показано, что путем применения тех или иных технологических
приемов, например виброперемешивания или введения добавок, можно значительно изменить прочность и деформативность бетона. В отдельных случаях
свойства бетона изменялись в 1,5—2 раза. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя, а также от его состава. Прочность бетонов,
приготовленных на цементе одинакового качества, при постоянном водоцементном отношении, но на разных заполнителях, может отличаться в 1,5—2 раза.
При испытании бетонного образца в прессе напряжения возникают не
только в образце, но и в плитах пресса. Между плитами пресса и образцом
обычно действуют силы трения.
Действие плит пресса, уменьшая деформации слоев бетона, прилегающих к
ним, как бы оказывает на них поддерживающее влияние и предохраняет от разрушения. Это явление принято называть эффектом обоймы, поэтому кубы бетона имеют обычно характерную форму разрушения (рис. 5.2, а), когда
наибольшие деформации и разрушения наблюдаются в среднем сечении образца. Образец после испытания как бы представляет две сложенные вершинами
усеченные пирамиды.
Можно изменить условия взаимодействия пресса и образца и тем самым
изменить напряженное состояние, возникающее в образце, и результаты испытания. Например, если с помощью какой-либо смазки ликвидировать трение
между плитами пресса и образцом, то меняется характер разрушения (рис. 5.2,
б), образец как бы раскалывается системой параллельных вертикальных трещин
и вследствие отсутствия поддерживающего влияния эффекта обоймы прочность
снижается на 20-30%.
Рис. 5.2 – Характер разрушения бетонных кубов при различных условиях испытания: а - обычная схема испытания (пунктиром показана ориентировочная область влияния эффекта обоймы; б - при смазке опорных поверхностей; в - при
применении податливых прокладок; R1 - прочность бетона;
Е - модуль упругости
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Смазка вносит неопределенность в условия испытания, увеличивает разброс результатов, поэтому был принят другой путь определения действительной прочности бетона, исключающий поддерживающее влияние эффекта обоймы, а именно испытание призм.
Если между плитами пресса и образцом поместить достаточно толстую
прокладку, модуль деформации которой меньше модуля деформации бетона, то
в ней возникают растягивающие деформации, превышающие деформации бетона, вследствие чего прокладки будут способствовать разрыву бетона, и прочность контрольных кубов может оказаться на 35—50 % меньше, чем при испытании по стандартной методике (рис. 5.2, в).
Вследствие действия эффекта обоймы значительное влияние на результаты
испытаний оказывают размер и форма контрольного образца. Эффект обоймы
проявляется только в тонком слое бетона, прилегающем к плитам пресса, поэтому чем сильнее раздвинуты плиты пресса, т.е. чем больше размер образца,
тем меньше проявляется эффект обоймы, и при испытании фиксируются меньшие значения прочности образцов, приготовленных из одного и того же бетона
и твердевших в совершенно одинаковых условиях. При определении марки бетона используют обычно приведенные ниже средние переводные коэффициенты, позволяющие перевести прочность бетона, полученную испытанием кубов
разных размеров, на прочность кубов размером 15X15X15 см.
Еще в большей мере проявляется зависимость прочности бетона от его
размеров при испытании призм. Если изменять расстояние, между плитами
пресса в широких пределах, варьируя величину h/a (рис. 5.3), то прочность может изменяться в несколько раз — в тонких образцах она будет в 2—3 раза
больше, чем в высоких призмах. Прочность призм из тяжелого бетона на 20—
30 % меньше прочности, получаемой при испытании кубов.
Рис. 5.3 – Влияние размеров образца на прочность бетона
49
Однако то, что при испытании образцов различных размеров получаются
разные показатели прочности, объясняется не только эффектом обоймы. Здесь
проявляются и другие факторы. Чем больше образец, тем выше вероятность появления в нем крупных дефектов, снижающих прочность бетона.
При изготовлении образцов разных размеров на конечный результат определения прочности оказывают влияние и технологические факторы. В таких
образцах возможны различная степень уплотнения структуры, твердение в неодинаковых температурно-влажностных условиях, возникают различные
напряжения от усадки и действия внешних факторов и т. д. Все это может повлиять на формирование структуры бетона и прочность контрольных образцов.
Марка тяжелого бетона определяется пределом прочности (в 10-1 МПа) при
сжатии стандартных бетонных кубов 15X15X15 см, изготовленных из рабочей
бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 сут после
твердения в нормальных условиях (температура 15—20 0С, относительная
влажность окружающего воздуха 90—100 %).
Строительными нормами и правилами для тяжелых бетонов установлены
следующие марки: М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400,
М450, М500, М600 и выше (через М100).
Кубы размером 15X15X15 см применяют в том случае, когда наибольшая
крупность зерен заполнителя 40 мм. При другой крупности заполнителя можно
использовать кубы иных размеров, однако размер ребра контрольного бетонного образца должен быть примерно в 3 раза больше максимальной крупности зерен заполнителя. Для определения марки бетона на кубах с размерами, отличными от 15X15X15 см, вводят следующие переходные коэффициенты, на которые умножается полученная в опытах прочность бетона:
Размер куба, см . 7x7x7 10х10х10 15x15x15
Коэффициент
0,85
0,95
1,00
20x20x20
1,05
Марку легкого бетона определяют также при сжатии кубов 15X15X15 см.
При испытании кубов других размеров переходный коэффициент не вводится.
Для легких бетонов установлены марки: М25, М35, М50, М75, М100, М150,
М200, М250, М300, М350, М400.
При изготовлении сборных железобетонных конструкций, а также при
срочных работах, когда используются быстротвердеющие цементы или применяют различные способы ускорения твердения бетона, прочность его определяют в более короткий срок твердения, например в возрасте 1, 3 и 7 сут. Наоборот, бетоны на медленнотвердеющих цементах, применяемые в монолитных
массивных сооружениях, могут иметь расчетные сроки твердения, превышающие 28 сут (60, 90 и 180 сут). Увеличение расчетного срока твердения бетона
обычно ведет к экономии цемента.
Европейским стандартом показателя прочности является класс бетона.
Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с
обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяют на классы: В1; В1,5; В2; В2,5;
В3,5; В5; В7,5; B10; B12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (в МПа), контролируемой на производстве для образцов 15X15X15 см (при нормативном коэффициенте вариации 13,5 %) следует применять формулу: RбСР = В/0,778.
Например, для класса В5 получим среднюю прочность RбСР = 6,43 МПа, для
класса В40 — RбСР = 51,4 МПа (Приложение А).
Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента или
уменьшением водоцементного отношения.
Графически зависимость прочности бетона от водоцементного отношения
изображается в виде гиперболических кривых (рис. 5.4).
Рис. 5.4 – Зависимость прочности
бетона от В/Ц и RЦ (1:ni – отношение
массы цемента к массе заполнителя,
RЦ 1 > RЦ 2)
В течение первого месяца связывается не более 20 % воды от массы цемента. Вместе с тем для придания бетонной смеси пластичности в бетон добавляют воды значительно больше (40—70 % массы цемента, В/Ц = 0,4-0,7), так
как при В/Ц=0,2 бетонная смесь почти сухая, и ее нельзя качественно перемешать и уложить. Избыточная вода, не вступающая в химические реакции с цементом, остается в бетоне в виде водяных пор и капилляров или испаряется,
оставляя воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор
и чем больше их, т. е. чем больше В/Ц, тем ниже прочность бетона (Приложение Б).
5.2 Деформативные свойства бетона
В процессе приготовления, твердения, эксплуатации и испытаний под действием различных причин в бетоне происходят объемные изменения, возникают
деформации материала.
Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона
(усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия механических нагру51
зок, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузок и
от длительного действия (ползучесть бетона); температурные деформации бетона.
После укладки бетонной смеси может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Этот процесс наиболее
ярко проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси
может выделяться вода, изменяться объем смеси. При значительной высоте изделия осадку можно наблюдать невооруженным глазом, так как деформации
бетона весьма значительны и превосходят величину обычной усадки затвердевшего бетона в десятки раз.
На рис. 5.5 показан характер развития первоначальной усадки. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30—90 мин.
Рис. 5.5 – Зависимость первоначальной усадки ∆εП.У от времени t, прошедшего с
момента укладки бетонной литой (1) и подвижной (2) смеси
Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и
свойств использованных материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие
величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси.
На величину первоначальной усадки могут оказать влияние форма, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки.
При воздействии на бетонную смесь давления, которое часто применяется
при формовании железобетонных изделий, проявляется упругое последействие
бетонной смеси. Это приводит к тому, что после снятия нагрузки материал несколько расширяется. Сжимаемость бетонной смеси зависит от ее состава и
применяемых материалов. Особенно большое влияние на сжимаемость оказывает вовлеченный воздух: чем больше воздуха, тем сильнее сжимаемость. Если
при применении давления воздух и вода могут удаляться из смеси, то упругое
последействие будет слабым. Если же воздух сохраняется в бетонной смеси, то
деформация упругого последействия будет весьма значительной. Деформации
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
первоначальной усадки и упругого последействия необходимо учитывать при
формовании бетонных и железобетонных изделий, так как они влияют на окончательные размеры изделия и качество его открытых поверхностей.
Процесс твердения бетона сопровождается изменениями его объема.
Наиболее значительным является уменьшение объема при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, получившее
название усадки бетона. При твердении в воде или во влажных условиях
уменьшение объема бетона может не происходить, а в ряде случаев наблюдается даже его незначительное расширение.
Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная усадка
складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформации,
названные так по виду определяющего фактора.
Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня
меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрата окиси кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.
Усадка бетона зависит от его состава и свойств использованных для него
материалов.
Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной
усадке (усадка поверхностных слоев материала выше) и может вызвать появление усадочных трещин.
Деформации бетона при приложении нагрузки зависят от его состава,
свойств составляющих материалов и вида напряженного состояния. Диаграмма
сжатия бетона имеет криволинейное очертание, причем кривизна увеличивается с ростом напряжений (рис. 5.6).
Рис. 5.6 – Диаграмма сжатия бетона: εУ – упругая составляющая
деформации;
εПЛ – пластическая деформация;
εПП – псевдопластическая деформация
53
Деформация бетона включает упругую εУ, пластическую εПЛ и псевдопластическую εПП части (см. рис. 5.6):
 б  У   ПЛ   ПП .
О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его
модулю деформации, т. е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее
деформативен материал.
Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под
нагрузкой имеют предельные деформации, при которых начинается разрушение
бетона.
Под ползучестью бетона понимают его способность деформироваться во
времени при длительном действии постоянной нагрузки.
Деформации ползучести наиболее заметно развиваются в первые сроки после приложения нагрузки и постепенно затухают, но они наблюдаются иногда у
бетона в возрасте одного года и больше.
Полная деформация ползучести может значительно превосходить деформации, получаемые бетоном в момент загружения.
Ползучесть бетона зависит от еще большего числа факторов, чем его усадка, причем большинство факторов действует на деформации ползучести подобно их влиянию на деформации усадки. На ползучесть бетона влияют расход и
вид цемента, водоцементное отношение, вид и крупность заполнителя, степень
уплотнения бетона, степень гидратации цемента к моменту приложения нагрузки, температура и влажность окружающей среды и бетона, а также размеры
образца и относительная величина напряжений в бетоне. Ползучесть бетона
увеличивается при повышении содержания цемента, увеличении водоцементного отношения, уменьшении крупности заполнителей и повышении их деформативности, например при применении пористых заполнителей.
Ползучесть бетона оценивается мерой ползучести С, определяемой при
приложении единичной нагрузки:
С   ПОЛН /  ,
где εПОЛН — полная деформация ползучести; σ – напряжение.
Бетон, как и другие материалы, расширяется при нагревании и сжимается
при охлаждении. В среднем температурный коэффициент линейного расширения бетона α составляет 10·10-6. Однако в действительности он колеблется в зависимости от состава бетона и свойств заполнителей и вяжущего. С увеличением содержания цементного камня коэффициент α увеличивается. Например, в
одном из опытов раствор состава 1:3 имел α = 10,4·10-6, а цементный камень —
α=13,1·10-6. Определённое влияние на коэффициент α оказывает вид заполнителя.
Например, бетон на граните в опытах показал α = 9,8·10-6, бетон на керамзите — α = 7,4·10-6, бетон на известняке — α = 8,6·10-6. Зависимость коэффициента α бетона от коэффициента α заполнителя приведена на рис. 5.7.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 5.7 – Зависимость температурного коэффициента линейного
расширения бетона αб состава 1:6 от
коэффициента линейного расширения
заполнителя αЗ: 1 – водное твердение;
2 – воздушное твердение
Изменение температуры в пределах 0-500С мало влияет на коэффициент а
сухого бетона, если при этом в бетоне отсутствуют физико-химические превращения. При изменении температуры влажного бетона температурные деформации складываются с влажностной усадкой или расширением. При замерзании влажного бетона существенное влияние на его деформации оказывает образование льда в порах и капиллярах материала.
В ряде случаев вместо деформации сжатия при остывании бетона ниже 0°С
могут наблюдаться деформации расширения, вызываемые давлением образующего льда.
Температурные деформации бетона близки к температурным деформациям
стали, что обеспечивает их надежную совместную работу в железобетоне при
различных температурах окружающей среды.
5.3 Плотность, проницаемость и морозостойкость бетона
Плотность бетона. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность, такой бетонной смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме
асболютных объемов материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха.
Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивают коэффициентом
уплотнения:
kУПЛ   Д /  Р ,
где γД и γР — соответственно действительная и расчетная плотности бетонной смеси.
Обычно стремятся получить коэффициент kУПЛ ≈ 1, но вследствие воздухововлечения в бетонную смесь при вибрации и влияния других факторов kУПЛ часто составляет 0,96—0,98.
В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется,
поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пори55
стость бетона (в %) можно определить по формуле
П
В  Ц
100 ,
1000
где В и Ц — расход воды и цемента, кг/м3 бетона; ω — содержание химически связанной воды, % массы цемента
В возрасте 28 сут цемент связывает приблизительно 15 % воды от массы
цемента. Например, если в 1 м3 бетонной смеси содержится 320 кг цемента и
180 л воды, то пористость бетона:
П
180  1,15  320
100  13,2 %
1000
а плотность: 100 – 13,2 = 86,8 %.
Плотность бетона может быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что, как уже говорилось, достигается введением в смесь специальных добавок — пластификаторов, уплотнением бетонной смеси вибрацией,
центробежным или другими механизированными способами. Часть свободной
воды из бетонной смеси можно при укладке удалить вакуумированием или
прессованием.
Плотность бетона — его важнейшее свойство, в значительной степени
определяющее его прочность, непроницаемость и долговечность.
Проницаемость бетона. Для бетона гидротехнических и других сооружений важной характеристикой является его проницаемость. Она также в известной мере определяет способность материала сопротивляться воздействию
увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред. Для практики наибольшее значение имеет водопроницаемость бетона.
Проницаемость бетона зависит от его пористости, структуры пор и свойств
вяжущего и заполнителей. Бетон— капиллярно-пористый материал, как бы
пронизанный тончайшей сеткой пор и капилляров различных размеров. Мелкие
поры и капилляры (микропоры) размером менее 10-5 см, к которым относятся, в
частности, поры цементного геля, практически непроницаемы для воды.
Микропоры и капилляры размером более 10-5 см доступны для фильтрации
воды, которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности
или осмотического эффекта, поэтому проницаемость бетона зависит от объема
и распределения макропор и капилляров в бетоне.
Ориентировочно объем макропор VМП, %, можно вычислить по формуле
VМП 
В  2Ц
100 .
1000
Объем макропорв бетоне колеблется от 0 до 40 %. Макропористость бетона
уменьшается при понижении В/Ц, увеличении степени гидратации цемента,
уменьшении воздухововлечения в бетонную смесь, применении химических добавок, уплотняющих структуру бетона.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Зависимость между проницаемостью и макропористостью показана на
рис. 5.8.
Рис. 5.8 – Зависимость коэффициента проницаемости бетона от объема
макропор VМП
При увлажнении бетона мельчайшие поры и капилляры заполняются водой, которая под действием поверхностных сил значительно теряет свою подвижность и как бы закупоривает эти капилляры. Наступает, как говорят,
«кольматация» пор и капилляров, что приводит к уменьшению проницаемости
бетона.
С увеличением возраста бетона изменяется характер его пористости, постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами
гидратации цемента, и в результате уменьшается проницаемость бетона.
Проницаемость бетона можно оценивать коэффициентом проницаемости,
который измеряется количеством воды, прошедшей через 1 см2 образца в течение 1 ч при постоянном давлении:
kПР  VВ / Ft ( P1  P2 ) ,
где VВ — количество воды, прошедшей через образец; F — площадь образца; t — время; Р1—Р2 — градиент давления.
Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, поэтому для их оценки используют другое понятие — марку по водонепроницаемости, например, В2, В4
и т.д. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды.
При испытании с одной стороны образца, соприкасающегося с водой, создают давление, медленно его повышая. Наблюдая за другой стороной образца,
отмечают, при каком давлении на поверхности бетона появляются влажные
пятна или отдельные капли воды. Это давление определяет марку бетона по водонепроницаемости.
Большое значение для повышения непроницаемости бетона имеют его однородность и сохранение сплошности материала в процессе его твердения и
эксплуатации. Появление микротрещин вследствие усадки бетона от действия
нагрузки при переменном увлажнении и замораживании или высыхании или от
57
действия других факторов может существенно снизить непроницаемость бетона.
Объем и характер пористости оказывают решающее влияние и на газопроницаемость бетона. Кольматация пор влагой или продуктами химических реакций существенно понижает газопроницаемость бетона. Газопроницаемость играет существенную роль в процессах коррозии бетона и стали при воздействии
атмосферных факторов.
Для повышения непроницаемости бетона помимо рационального подбора
состава и тщательно организованного производства изделий и конструкций
применяют специальные методы (табл. 5.1).
Таблица 5.1 – Методы понижения проницаемости бетона
Степень понижения
Метод
проницаемости бетона, раз
Введение при приготовлении бетона:
- органических, гидрофобных добавок;
2-10
5- неорганических добавок;
1000
- специальных загустевающих веществ или термопластических полимеров.
10-500
Пропитка бетона после изготовления специальными
веществами
50-1000
Гидрофобизация поверхностных слоев бетона
2-10
Покрытие поверхности бетона специальными пленкообразующими составами
Пропитка бетона мономером с последующей его полимеризацией
10-100
50-1000
Введение добавок или специальных веществ при приготовлении бетона —
сравнительно простое и достаточно эффективное мероприятие. Известно много
добавок, применяемых для этих целей. Хорошо зарекомендовали себя добавки
типа ПАВ, т.е. поверхностно-активные вещества, водорастворимые смолы, некоторые латексы, эмульсии (например, битумные эмульсии) и суспензии.
Проницаемость затвердевшего бетона может быть существенно уменьшена
путем его пропитки петролатумом, жидким стеклом, серой, парафином и другими веществами, кольматирующими поры и капилляры бетона. Особенно эффективна пропитка бетона мономерами или составами на их основе с последующей полимеризацией пропитывающего вещества в теле бетона. Практически
непроницаемы полимербетоны.
Морозостойкость бетона. Под морозостойкостью бетона понимают его
способность в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Основной причиной, вызывающей разрушение бетона в этих условиях является давление на стенки пор и устья микротрещин, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивает-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ся в объеме более чем на 9 %; расширению воды препятствует твердый скелет
бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость
замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры
бетона и к его разрушению. Сначала начинают разрушаться выступающие грани, затем поверхностные слои, и постепенно разрушение распространяется в
глубь бетона.
Для испытания бетона на морозостойкость применяют метод попеременного замораживания и оттаивания.
Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5%, а его прочность снижается не более чем
на 25%. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости,
например Мрз 100, Мрз 200 и более, которая назначается в зависимости от
условий эксплуатации конструкции.
Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера
пористости, так как последний будет определять объем и распределение льда,
образующегося в теле бетона при отрицательных температурах, и, следовательно, возникающие напряжения и интенсивность процесса ослабления структуры
бетона.
Существует два способа повышения морозостойкости бетона:
а) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проницаемости для воды, например за счет снижения В/Ц, применения добавок,
гидрофобизирующих стенки пор, или кольматации пор пропиткой специальными составами;
б) создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор (более 20 % объема замерзающей воды),
незаполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под давлением, возникающим при ее замерзании.
Зависимость морозостойкости от водоцементного отношения приведена на
рис. 5.9. Обычно для получения достаточно морозостойкого бетона В/Ц должно
быть не менее 0,5.
Рис. 5.9 – Зависимость морозостойкости Мрз обычного бетона (1) бетона с
вовлеченным воздухом (2) от В/Ц
59
Эффективным и сравнительно простым способом повышения морозостойкости является применение воздухововлекающих добавок. Они должны обеспечивать получение воздушных пор возможно меньшего размера, так как это
способствует повышению морозостойкости бетона при наименьшем снижении
его прочности вследствие воздухововлечения. Оптимальный объем вовлеченного воздуха обычно составляет 4-6 % и определяется расходом цемента, воды
и крупного заполнителя. Этот объем увеличивается при понижении крупности
заполнителя и повышении расхода цемента.
В бетоне с воздухововлекаюшими добавками удельная поверхность пор
составляет приблизительно 1000 - 2000 см-1, размер пор колеблется в пределах
0,005 - 0,1 см, а расстояние между отдельными порами не превышает 0,025 см.
5.4 Коррозия бетона и меры борьбы с ней
На бетонные и железобетонные конструкции, эксплуатируемые в промышленных, гражданских, жилых, сельскохозяйственных зданиях, могут действовать агрессивные среды. Долговечность конструкции определяется стойкостью
как бетона, так и арматуры к воздействию на них агрессивной среды.
Степень агрессивного воздействия на бетонные и железобетонные конструкции определяется: для жидких сред — наличием и концентрацией агрессивных агентов, температурой, напором или скоростью движения жидкости у
поверхности; газовых сред — видом и концентрацией газов, растворимостью их
в воде, влажностью и температурой среды; твердых сред (соли, аэрозоли, пыли)
— дисперсностью, растворимостью в воде, влажностью окружающей среды.
Степень их агрессивного воздействия на бетон определяется специальными
нормами по антикоррозионной защите строительных конструкций (СНиП II-2873). В зависимости от глубины разрушения бетона при коррозии различают
слабо-, средне- и сильноагрессивные среды (табл. 5.2).
Таблица 5.2 – Допустимая глубина разрушения бетона за 50 лет
эксплуатации
Глубина разрушения бетона, см, в
конструкции
Степень агрессивности воды — среды
железобетонной
бетонной
Неагрессивная
Слабоагрессивная
Среднеагрессивная
Сильноагрессивная
1
1-2
2-4
Более 4
2
2-4
4-6
Более 6
При воздействии на бетон агрессивной среды может происходить его разрушение. Разрушение конструкции в данном случае наступает вследствие недостаточной стойкости бетона. При проектировании конструкции необходимо
учитывать состав агрессивной среды, условия службы конструкции, правильно
выбрать материалы и назначить плотность бетона, чтобы обеспечить заданную
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
долговечность конструкции.
При проектировании железобетонных конструкций надо также уделять
внимание сохранности арматуры в бетоне. При воздействии на бетон жидких
сред, не содержащих агрессивных по отношению к стали ионов [С1-, SO22 - и
др.], в первую очередь, как правило, разрушается бетон. В условиях газовоздушной среды (при повышении относительной влажности воздуха >60%), а
также при воздействии на конструкцию жидких или твердых сред, содержащих
агрессивные по отношению к стали ионы (например, С1 -), возможно развитие
коррозии арматуры. Разрушение железобетонной конструкции в данном случае
может наступить вследствие коррозии арматуры. Продукты ржавчины накапливаются на арматуре, давят на бетон, вызывают появление трещин, а затем и
отслоение защитного слоя. Наибольшую опасность вызывает применение высокопрочных арматурных сталей, подверженных коррозионному растрескиванию.
В этом случае возможен обрыв напряженной арматуры.
Москвиным В. М. предложена классификация основных видов коррозии.
На основе полученных экспериментальных данных, процессы, протекающие
при коррозии бетона, были разделены на три основных вида.
В первую группу (коррозия I вида) объединены все те процессы коррозии,
которые возникают в бетоне при действии мягких вод, когда составные части
цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой. Особое развитие коррозия бетона I вида получает при фильтрации воды через бетон.
Ко второй группе (коррозия II вида) относятся те процессы коррозии, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в реакцию с составляющими цементного камня. Продукты
реакции при этом легко растворяются и уносятся водой либо в виде аморфной
массы, не обладающей вяжущими свойствами, либо остаются на месте реакции.
Эта группа включает процессы, возникающие при действии кислот и магнезиальных солей.
В третью группу (коррозия III вида) входят те процессы коррозии, при
развитии которых в порах и капиллярах бетона происходит накопление малорастворимых солей; причем их кристаллизация вызывает возникновение значительных напряжений в стенках пор и капилляров и приводит к разрушению
структурных элементов бетона. Сюда могут быть отнесены процессы коррозии
при действии сульфатов, когда разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гидросульфоалюмината кальция.
В естественных условиях обычно наблюдается воздействие на бетон ряда
факторов, но обычно один из них является ведущим.
Коррозия I вида наиболее опасна в тонкостенных конструкциях и конструкциях, работающих под напором воды, когда составные части цементного
камня могут растворяться и вымываться водой. Наиболее легко растворимым
продуктом гидратации цемента является гидрат окиси кальция.
Выщелачивание гидроокиси кальция из бетона приводит к потере прочности растворной части бетона. При потере бетоном 33 % СаО наступает его разрушение. Скорость коррозии бетона прямо пропорциональна скорости течения
воды, омывающей этот бетон, но до определенных пределов.
61
Стойкость бетона может быть повышена путем введения в цемент активной гидравлической добавки (трепела, трасса и др.), которые способны связывать Са(ОН)2 в нерастворимые соединения и уменьшать тем самым степень
выщелачивания СаО. Кроме того, добавки снижают водонепроницаемость бетона.
Для повышения стойкости бетона при коррозии I вида используют: а) бетоны повышенной плотности; б) естественную или искусственную карбонизацию поверхностного слоя бетона; в) специальные цементы, в частности пуццолановые; г) гидроизоляцию поверхности бетона; д) облицовку или пропитку бетона.
При коррозии II вида последовательность разрушения бетона отсутствует.
В поверхностных слоях бетона, соприкасающихся с внешней средой, идет разрушение структурных элементов гидратированного цементного камня, а иногда
и негидратированных зерен цементного клинкера. Новообразования не обладают вяжущими свойствами и достаточной плотностью, чтобы воспрепятствовать
дальнейшему проникновению агрессивной среды. Они смываются, растворяются и обнажаются более глубокие слои бетона.
Скорость разрушения цементного камня будет зависеть от растворимости
солей кальция.
К защитным мероприятиям для бетона в этом случае следует отнести выбор специального вяжущего и надежную изоляцию поверхности в виде покрасок, облицовок и т.д.
Коррозия III вида характеризуется образованием в порах и капиллярах бетона малорастворимых солей, вызывающих значительные напряжения, способствующие разрушению структуры бетона. Такими продуктами при воздействии
сульфатов на бетон являются гипс и гидросульфоалюминат кальция, встречающийся в двух модификациях:
3СаО·А12О3·3СаSO4(30–32)H2O
и
3СаО·А12О3·3СаSO4(8–12)H2O.
При коррозии III вида в начальных стадиях идет уплотнение бетона за счет
кристаллических новообразований солей. В плотном бетоне пополнение солей
идет медленнее, процесс коррозии можно распознать иногда через несколько
лет. В пористом бетоне процесс протекает интенсивнее, и через несколько
недель или месяцев проявляется в полную силу.
Микро- и макропористость, наличие открытых пор — все это играет большую роль в развитии процесса коррозии III вида, но не меньшее значение имеет
размер поверхности соприкосновения цементного камня с агрессивной средой
и, конечно, их химический состав.
При коррозии III вида вначале на поверхности бетона образуется тонкая
пленка из кристаллов гипса, затем происходит постепенное образование скоплений кристаллов гипса и ГСАК (гидросульфоалюминат кальция) в виде прожилок в более глубоких слоях цементного камня.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Образовавшиеся кристаллы гипса и ГСАК оказывают большое давление на
стенки пор цементного камня и вызывают местные разрушения, т. е. образование трещин, параллельных поверхности. С образованием этих трещин начинается постепенное разрушение бетона.
Основные мероприятия по борьбе с коррозией бетона III вида: выбор цемента в зависимости от условий службы конструкции и степени агрессивности
среды; введение воздухововлекающих, пластифицирующих и повышающих
растворимость Са(ОН)2 и CaSО4 добавок типа СаС12, СНВ, СДБ, кремнийорганических; повышение плотности бетона различными способами, в том числе
применением низких В/Ц и уплотняющих добавок.
Если указанные средства не могут обеспечить защиту, необходимо прекратить доступ воды к поверхности бетона, т.е. применить поверхностную защиту.
Коррозия арматуры в бетоне. Защитное действие бетона по отношению к
арматуре определяется способностью цементного камня пассивировать сталь.
Известно, что в подавляющем большинстве случаев коррозия металлов происходит по электромеханическому механизму, для осуществления которого необходимы следующие условия:
1) наличие разности потенциалов на поверхности металла;
2) наличие электролитической связи между участками поверхности металла с различными потенциалами;
3) активное состояние поверхности на анодных участках, где осуществляется растворение металла по реакции:
nH2O + Me → Me + nH2O·e– ;
4) наличие достаточного количества деполяризатора, в Частности кислорода, необходимого для ассимиляции на катодных участках поверхности металла
избыточных электронов:
4 e– + O2 + 2H2O → 4(OH)–.
Первое условие всегда выполняется, поскольку технические металлы имеют неоднородную структуру. Неодинаковы и условия контакта стали с бетоном,
представляющим собой капиллярно-пористое тело с активной и гидрофильной
внутренней поверхностью. Поэтому можно полагать, что 2–4-ое условия коррозионного процесса в бетоне также имеют место. Действительно, бетон почти
всегда содержит кроме химически связанной в процессе гидратации цемента
физически связанную, т. е. капиллярную и осмотическую воду. Количество физически связанной воды в бетоне, которая, в отличие от химически связанной,
может служить электролитом — проводником зарядов между анодными и катодными участками поверхности стали.
Скорость коррозии стали зависит от степени агрессивности воды — среды,
которая для этого случая может оцениваться рН, и содержания кислорода
(рис. 5.10). Отсутствие коррозии стали в бетоне объясняется ее пассивностью в
щелочной среде, т.е. неспособностью к растворению по приведенной выше реакции. Если же по той или иной причине поверхность арматуры остается активной или неполностью пассивируется при изготовлении конструкции либо теряет
пассивность в процессе эксплуатации конструкции, то происходит коррозия арматуры в бетоне.
63
Рис. 5.10 – Зависимость скорости коррозии VК стали от рН растворов при
содержании кислорода: 1 — высоком;
2 — среднем; 3 — низком; 4 — при
отсутствии кислорода
Особое внимание следует уделить влиянию добавок хлористых солей, поскольку даже несмотря на высокое значение рН поровой жидкости в цементных
бетонах нормального твердения, присутствие в ней ионов хлора нарушает пассивное состояние поверхности стали (рис. 5.11).
Рис. 5.11 – Кинетика коррозии стали PСТ в образцах: 1 — не пропаренных;
2 — то же, с добавкой 2 % СаС12 и 1 % NaNO3; 3 — то же, с добавкой 2 %
CaCl2; 4 — пропаренных с добавкой 2 % СаС12
Однако многие среды, не агрессивные или слабоагрессивные к бетону,
агрессивны к стали. Типичной в этом отношении является воздушно-влажная
среда, которая вызывает коррозию арматуры в бетоне, если последняя по той
или иной причине не является пассивной.
Обеспечить сохранность арматуры в тяжелых и легких бетонах можно повышением плотности самих бетонов, уменьшением их проницаемости, повышением их защитных свойств путем введения ингибирующих и уплотняющих добавок. Однако существуют бетоны, которые не могут обеспечить сохранность
арматуры, так как имеют пониженное рН поровой жидкости бетона. К таким
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
бетонам относятся цементные бетоны или силикатные бетоны автоклавного
твердения, бетоны на гипсоцементно-пуццолановом вяжущем и др. Сохранность арматуры в таких бетонах обеспечивается нанесением на арматуру специальных покрытий: цементно-битумных, цементно-полистирольных, цементно-латексных.
Если названных мер защиты недостаточно для обеспечения долговечности
железобетонной конструкции, то необходимо применять специальные защитные покрытия по бетону, которые рекомендуются строительными нормами и
правилами по антикоррозионной защите строительных конструкций.
65
Лекция № 6 – СВОЙСТВА ЛЕГКИХ И МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ
Вопросы:
6.1 Легкие бетоны на пористых заполнителях;
6.2 Ячеистые бетоны;
6.3 Мелкозернистые бетоны.
6.1 Легкие бетоны на пористых заполнителях
Для приготовления легких бетонов используют различные виды пористых
заполнителей: искусственные — керамзит, аглопорит, перлит, шлаковую пемзу
и др. и естественные — туф, пемзу и др. Легкие бетоны на пористых заполнителях применяют в ограждающих конструкциях и для снижения собственной
массы несущих Конструкций. Поэтому для этих бетонов наряду с прочностью
очень важное значение имеет их плотность.
По плотности различают особо легкие теплоизоляционные бетоны с
плотностью в высушенном состоянии менее 500 кг/м3 и легкие бетоны с плотностью 500-1800 кг/м3. Прочность особо легких бетонов редко бывает более 1,5
МПа. Прочность легкого бетона может изменяться от 2,5 до 30 МПа и выше.
Обычно легкие бетоны подразделяют на конструкционно-теплоизоляционные с
плотностью 500-1400 кг/м3 и прочностью 2,5-10 МПа и конструкционные с
плотностью 1400-1800 кг/м3 и прочностью 10-30 МПа.
По структуре различают плотные или обычные легкие бетоны, в которых
раствор на тяжелом или легком песке полностью заполняет межзерновые пустоты крупного заполнителя (обычно с некоторой раздвижкой его зерен), поризованные легкие бетоны, в которых растворную часть вспучивают с помощью
пено- или газообразующих добавок, и крупнопористые легкие бетоны, в которых не содержится песок и сохраняются межзерновые пустоты. В строительстве используют главным образом легкие бетоны с крупностью пористого заполнителя до 20-40 мм, однако применяют и мелкозернистые легкие бетоны.
Прочность легких бетонов, как и тяжелых, зависит от цементно-водного
отношения, так как оно определяет свойства цементного камня, скрепляющего
все составляющие бетона в единый монолит.
Однако пористые заполнители вследствие особенностей своей структуры
имеют невысокую прочность, обычно ниже прочности цементного раствора.
Введение их в бетон приводит к снижению его прочности по сравнению с
обычным тяжелым бетоном на прочных плотных заполнителях, причем тем в
большей степени, чем больше содержание заполнителя и меньше его плотность. В результате кривые зависимости прочности легкого бетона от цементноводного отношения располагаются ниже кривых обычного бетона, и бетоны на
заполнителях разной прочности имеют различные кривые: RБ = f (Ц/В)
(рис. 6.1).
Важной особенностью легких бетонов на пористых заполнителях является то обстоятельство, что каждый крупный заполнитель позволяет получать бетоны только до определенной прочности, по достижении которой дальнейшее
повышение прочности раствора, например за счет уменьшения водоцементного
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
отношения, не приводит к заметному повышению прочности бетона (рис 6.2).
Рис. 6.1 – Зависимость прочности обычного 1 и легкого 2, 3 бетонов на
пористом заполнителе от цементно-водного отношения
Рис. 6.2 – Влияние прочности керамзитового гравия и раствора на прочность керамзитобетона: а — обобщенная зависимость: 1 — бетон на гранитном
щебне; 2, 3 — бетон на пористом заполнителе; I — зона возрастания прочности
бетона; II — зона максимальной прочности бетона; б — результаты экспериментов; прочность керамзита, МПа: 1 — 7; 2 — 5; 3 — 4; 4 — 3; 5 — 2
Зависимость RБ = f(RР) имеет две зоны. В зоне I повышение прочности
раствора приводит к увеличению прочности бетона, хотя в несколько меньшей
степени чем при применении прочных плотных заполнителей. Здесь проявляется соответственно и влияние водоцементного фактора. В зоне II повышение
прочности раствора не приводит к заметному увеличению прочности бетона,
так как слабый заполнитель и хрупкость тонкого цементного каркаса этому
препятствуют. Дальнейшее повышение прочности раствора в этом случае экономически нецелесообразно, так как в равноподвижных бетонных смесях оно
достигается за счет увеличения расхода цемента, не приводя к существенному
67
улучшению свойств бетона. Для получения легкого бетона разных марок следует так выбрать прочность заполнителя, чтобы обеспечить рациональное использование цемента, т.е. получить бетоны, соответствующие зоне I. Лишь в
случае предъявления к бетону особых требований по плотности рационально
применение бетонов, соответствующих зоне II.
Существенное влияние на прочность легких бетонов оказывает содержание в нем крупного пористого заполнителя, обычно указываемая как относительная величина (объем легкого заполнителя, содержащийся в 1 м3 бетона).
Влияние концентрации заполнителя зависит от соотношения его прочности и
прочности раствора.
Обычно при достаточно высокой прочности раствора в конструкционных
легких бетонах увеличение концентрации заполнителя приводит к уменьшению
прочности бетона. При малой разнице в прочности раствора и бетона, например
в конструкционно-теплоизоляционных легких бетонах, максимальная прочность
достигается при определенной оптимальной концентрации заполнителя
(рис. 6.3).
Рис. 6.3 – Влияние концентрации легкого заполнителя φ
на прочность бетона Rб:
Ц
1 – RР RК = 5,7;
Ц
2 – RР RК = 7,5;
Ц
3 – RР RК = 10,6
Ц
( RК – прочность керамзита в цилиндре).
При определении состава легкого бетона на пористых заполнителях приходится учитывать все три особенности влияния заполнителя на прочность бетона, поэтому расчет проводят не на основе какой-либо единой формулы или
графика, а на основе данных ряда таблиц и поправочных коэффициентов, составленных с учетом этих особенностей.
Введение пористого заполнителя изменяет и деформативные свойства бетона. Уменьшается модуль упругости бетона, причем тем в большей степени,
чем деформативнее заполнитель и выше его содержание.
Важным свойством легкого бетона является его теплопроводность, которая определяет толщину ограждающих конструкций. Теплопроводность легкого
бетона возрастает с увеличением его плотности (рис. 6.4). Увеличение содержания легкого заполнителя, уменьшение его плотности приводит к понижению
теплопроводности легкого бетона, т. е. улучшает его теплофизические свойства.
Однако при этом уменьшается и прочность бетона, поэтому на практике приходится искать такое оптимальное соотношение в свойствах исходных материалов
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
и бетона и так выбирать состав бетона, чтобы его необходимые свойства достигались наилучшим образом при минимально возможном в заданных условиях
расходе цемента.
Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при
введении их в бетонную смесь отсасывают из цементного раствора часть воды.
Наиболее интенсивно этот процесс происходит в первые 10-15 мин после приготовления бетонной смеси, причем количество воды, поглощаемой заполнителем,
зависит от состава бетонной смеси: оно увеличивается в литых и подвижных
смесях при высоких значениях водоцементного отношения и уменьшается в
жестких бетонных смесях при низких значениях водоцементного отношения.
Обычно водопоглощение пористого заполнителя в бетонной смеси на 3050 % ниже его водопоглощения в воде так как на первое оказывает влияние водоудерживающая способность цементного теста.
Рис. 6.4 – Зависимость коэффициента теплопроводимости λ легкого бетона на пористом заполнителе от плотности ρ бетона.
Чтобы компенсировать влияние водопоглощения пористого заполнителя и
сохранить подвижность бетонной смеси, приходится увеличивать расход воды
(рис. 6.5). Степень повышения водопотребности бетонной смеси будет зависеть
от расхода легкого заполнителя его водопотребности: чем выше водопотребность. заполнителя и расход, тем больше расход воды для получения определенной подвижности бетонной смеси.
69
Рис. 6.5 – Водопотребность В бетонной смеси на гравии 1 и керамзите 2 с
одинаковой предельной крупностью 20 мм.
Водопоглощение пористого заполнителя существенно влияет также на
водоудерживающую способность бетонной смеси, уменьшает склонность к
расслаиванию у литых и подвижных смесей и позволяет применять смеси с высоким водоцементным отношением. Это имеет большое значение для получения конструктивно-теплоизоляционных легких бетонов. Вместе с тем легкобетонные смеси жесткой консистенции склонны к расслаиванию при вибрировании. Пористые заполнители вследствие своей способности к влагообмену с цементным тестом в большей мере, чем обычные плотные заполнители, влияют
на процессы его структурообразования. На первом этапе пористые заполнители, отсасывая влагу, способствуют получению более плотного и прочного
контактного слоя цементного камня. На втором этапе при уменьшении количества воды в цементном камне вследствие гидратации цемента пористые заполнители возвращают ранее поглощенную воду, создавая благоприятные условия для протекания гидратации цемента и уменьшая усадочные явления в цементном камне. Высокая шероховатость- поверхности лёгких заполнителей
обеспечивает хорошее сцепление между цементным камнем и заполнителем, а
значительная деформативность заполнителя способствует уменьшению отрицательного влияния на структуру бетона усадки цементного камня, предотвращает появление усадочных микротрещин.
В результате в легких бетонах на пористых заполнителях цементный камень может обладать достаточной плотностью и однородностью, что существенно уменьшает его проницаемость, повышает тем самым долговечность бетонных и железобетонных конструкций и их стойкость в некоторых агрессивных средах.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Пористый щебень и песок состоят из зерен неправильной формы с сильно
развитой поверхностью и обладают вследствие этого увеличенным объемом
межзерновых пустот. Для заполнения этих пустот и создания достаточной
смазки между зернами заполнителя с целью получения нерасслаиваемых и удобообрабатываемых бетонных смесей требуется в 1,5-2 раза больше цементного
теста, чем при применении плотных тяжелых заполнителей.
Применение заполнителей высокой пористости, но с уменьшенным водопоглощением вследствие придания материалу особой структуры или специальной обработки поверхности заполнителя гидрофобизаторами или веществами,
создающими на ней малопроницаемую пленку или тонкий внутренний слой,
позволяет уменьшить водопотребность бетонной смеси, сократить расход цемента, повысить прочность и улучшить другие свойства бетона на пористых заполнителях. Однако такие мероприятия обычно повышают стоимость бетона, и
целесообразность их применения должна определяться технико-экономическим
расчетом.
6.2 Ячеистые бетоны
Ячеистые бетоны — это особо легкие бетоны с большим количеством (до
85 % общего объема бетона) мелких и средних воздушных ячеек размером до 11,5 мм. Пористость ячеистым бетонам придается механическим или химическим путем. В первом случае тесто, состоящее из вяжущего и воды, нередко с
добавлением мелкого песка, смешивают с отдельно приготовленной пеной. При
затвердевании получается пористый материал, называемый пенобетоном. Во
втором случае в вяжущее вводят специальные газообразующие добавки. В результате в тесте происходит реакция газообразования, оно вспучивается и становится пористым. Затвердевший материал называют газобетоном.
Ячеистые бетоны по плотности и назначению делят на теплоизоляционные
с плотностью 300-600 кг/м3 и прочностью 0,4-1,2 МПа и конструкционные с
плотностью 600-1200 кг/м3 (чаще всего около 800 кг/м3) и прочностью 2,5-15
МПа.
В нашей стране широко развивается производство изделий из автоклавных ячеистых бетонов, т. е. твердеющих в автоклавах при пропаривании под
давлением 0,8-1,0 МПа. Автоклавные ячеистые бетоны изготовляют из следующих смесей: а) цемента с кварцевым песком, при этом часть песка обычно
размалывают; б) молотой негашеной извести с кварцевым частично измельченным песком; такие ячеистые бетоны называют пеносиликатами или газосиликатами; в) цемента, извести и песка в различных соотношениях.
Песок в этих изделиях может быть заменен золой. Тогда получают пенозолобетон или газозолобетон. Портландцемент применяют алитовый
(C3S>50%), низко- и среднеалюминатный (С3А = 5-8 %) с началом схватывания
не позднее чем через 2 ч; по остальным показателям он должен удовлетворять
требованиям ГОСТ 10178-76.
Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения применяют цемент марки не менее 400. При этих условиях достигается в короткий срок необходимая
устойчивость ячеистой массы до ее тепловлажностной обработки. Применять
71
пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент, отличающиеся замедленными сроками схватывания, без опытной проверки не рекомендуется. Они
могут быть также причиной повышения усадки ячеистой массы после заполнения формы.
Для автоклавного ячеистого бетона наиболее целесообразно использовать
портландцемент совместно с известью-кипелкой (смешанное вяжущее) в отношении 1:1 по массе. Для приготовления автоклавных ячеистых бетонов применяют известь с содержанием активной СаО не менее 70 %, MgO не более 5 %,
высокоэкзотермическую с температурой гашения около 85 °С. Тонкость помола
молотой извести-кипелки, характеризуемая удельной поверхностью частиц,
должна быть не ниже 3500-4000 см2/г.
В качестве кремнеземистого компонента рекомендуется применять чистые кварцевые пески, содержащие не менее 90 % кремнезема, не более 5 %
глины и 0,5 °/о слюды. Песок в зависимости от плотности ячеистого бетона
должен иметь удельную поверхность 1200— 2000 см2/г.
Зола-унос, применяемая вместо молотого песка, отличается неоднородностью химико-минералогического состава. Зола характеризуется высокой пористостью и дисперсностью. Эти особенности свойств золы способствуют повышенной влагоемкости и замедленной водоотдаче бетона, его пониженной трещиностойкости. К преимуществам золы по сравнению с песком можно отнести
возможность применения ее в отдельных случаях без предварительного размола. Это позволяет получать изделия меньшей плотности, чем с кварцевым песком. Зола-унос должна содержать кремнезема не менее 40%; потеря в массе при
прокаливании в золах, получаемых при сжигании антрацита и каменного угля,
не должна превышать 8 %, в остальных золах — 5%; удельная поверхность —
2000-3000 см2/г.
Другие
кремнеземистые
алюмосиликатные
и
кальциевоалюмосиликатные компоненты (трепел, трассы, опока и др.), характеризующиеся повышенной водопотребностью, для таких бетонов почти не используют.
Для образования ячеистой структуры бетона применяют пенообразователи и газообразователи. В качестве пенообразователей используют несколько
видов поверхностно-активных веществ, способствующих получению устойчивых пен.
Клееканифольный пенообразователь приготовляют из мездрового или
костного клея, канифоли и водного раствора едкого натра. Этот пенообразователь при длительном взбивании эмульсии дает большой объем устойчивой пены. Он несовместим с ускорителями твердения цемента кислотного характера,
так как они вызывают свертывание клея. Хранят его не более 20 сут в условиях
низкой положительной температуры.
Смолосапониновый пенообразователь приготовляют из мыльного корняи воды. Введение в него жидкого стекла в качестве стабилизатора увеличивает
стойкость пены. Этот пенообразователь сохраняет свои свойства при нормальной температуре и влажности воздуха около 1 мес.
Алюмосульфонафтеновый пенообразователь получают из керосинового
контакта, сернокислого глинозема и едкого натра. Он сохраняет свои свойства
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
при положительной температуре до 6 мес.
Пенообразователь ГК готовят из гидролизованной боенской крови марки
ПО-6 и сернокислого железа. Его можно применять с ускорителями твердения.
Этот пенообразователь сохраняет свои свойства при нормальной температуре
до 6 мес.
Расход пенообразователя для получения пены составляет, % от количества воды: клееканифольного 8-12, смолосапонинового 12-16, алюмосульфонафтенового 16-20 и пенообразователя ГК 4-6. Смесь из двух пенообразователей
(например, ГК и эмульсии мыльного корня в соотношении 1:1) позволяет получить более устойчивую пену, но это несколько усложняет технологию.
В качестве газообразователи в производстве газобетона и газосиликата
применяют алюминиевую пудру, которую выпускают четырех марок (ГОСТ
5494-71). Для производства газобетона используют пудру марки ПАК-3 или
ПАК-4 с содержанием активного алюминия 82 % и тонкостью помола 50006000 см2/г.
Расход алюминиевой пудры зависит or плотности получаемого газобетона и составляет 0,25-0,6 кг/м3.
При производстве алюминиевой пудры для защиты ее от окисления вводят парафин, который обволакивает тонкой пленкой каждую частицу алюминия, придавая ему гидрофобность. Такая пленка препятствует осаждению пудры в воде и образованию водной суспензии, поэтому алюминиевую пудру (слои
толщиной 4 см) предварительно в течение 4-6 ч прокаливают в электрических
печах при температуре 200-220 °С.
Применяют также способ приготовления суспензии с растворами ПАВ
(канифольного мыла, мылонафта, сульфанола, ГК и др.). которые придают чешуйкам пудры гидрофнльность. Обработка пудры растворами СДБ или смолосапонниового пенообразователя замедляет газообразование, уменьшает количество выделяемого газа, приводит к меньшим дефектам структуры бетона.
Расход поверхностно-активной добавки (в пересчете на сухое вещество) составляет около 5 % массы пудры.
Для замедления скорости гашения молотой извести-кипелки добавляют
двуводный гипс. Он должен иметь тонкость помола, характеризуемую остатком
на сите № 02 не более 3%. Допускается применять полуводный гипс вместе с
добавкой поташа. Использование для этой цели других добавок (кератинового
замедлителя, животного клея, поверхностно-активных добавок) менее эффективно.
При определении состава ячеистого бетона необходимо обеспечить его
заданную плотность и наибольшую прочность при минимальных расходах порообразователя и вяжущего вещества. При этом структура ячеистого бетона
должна характеризоваться равномерно распределенными мелкими порами правильной шаровидной формы.
Плотность ячеистого бетона и его пористость зависят главным образом от
расхода порообразователя и степени использования его порообразующей способности. Некоторое влияние на них оказывают температура смеси и количество воды, принятое для затворения смеси, т.е. водотвердое отношение В/Т (от73
ношение объема воды к массе вяжущего вещества и кремнеземистой добавки).
Увеличение В/Т повышает текучесть смеси, а следовательно,, улучшает
условия образования пористой структуры, если обеспечивается достаточная
пластическая прочность смеси к концу процесса газообразования.
На рис. 6.6 приведена зависимость прочности ячеис¬того бетона от его
плотности.
Рис. 6.6 – Зависимость прочности ячеистого бетона Rб от его
плотности ρб
Прочность ячеистого бетона зависит также от характера его пористости,
размеров и структуры пор и прочности межпоровых оболочек. С увеличением
В/Т до оптимального значения, обеспечивающего наилучшие условия формирования структуры смеси, прочность ячеистого бетона повышается, прочность
оболочек в свою очередь зависит от оптимального соотношения основного вяжущего и кремнеземистого компонента, В/Т, а также условий тепловлажностной обработки. Из этого следует, что применение смесей с минимальным значением В/Т при условии образования высококачественной структуры (например, вибровспучиванием) позволяет получить ячеистый бетон более высокой
прочности.
6.3 Мелкозернистые бетоны
В последние годы активно внедряются в строительство мелкозернистые
песчаные бетоны. Ранее их применение сдерживалось некоторыми особенностями структуры и свойств. Применение в качестве заполнителя только песка
вызывало значительное увеличение удельной поверхности заполнителя и его
пустотности. Для получения равноподвижных бетонных смесей слитной структуры по сравнению с бетоном на крупном заполнителе требовалось на 15...25%
увеличивать расходы воды и цемента. В свою очередь в последующем это приводило к увеличению усадки бетона. Существовавшие жесткие требования по
ограничению расхода цемента в бетоне сдерживали применение мелкозернистых бетонов в строительстве, хотя в ряд регионов (Заполярье, гг. Бухара, Ташкент и др.) учитывая специфические условия строительства мелкозернистые бе-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
тоны с успехом использовались для возведения различных сооружений и зданий.
В современных условиях изменились технические и экономические предпосылки использования бетонов в строительстве. Появились и с каждым годом
все шире применяются в технологии бетона композиционные вяжущие, суперпластификаторы и другие эффективные модификаторы структуры и свойств бетона, тонкодисперсные минеральные наполнители, новое эффективное оборудование. Решающим фактором в рыночной экономике стало качество и стоимость материала, скорость возведения объектов, расширение возможностей архитектурно-строительных решений на основе применения новых бетонов. Экономия цемента отошла на второй план, перестала быть самодовлеющим фактором. Вместе с тем новые технико-технологические возможности, особенно переход от обычных бетонов к многокомпонентным составам с широким использованием суперпластификаторов, тонкодисперсных наполнителей и других добавок, позволили свести к минимуму повышение расхода воды и цемента в
мелкозернистых смесях и резко уменьшить усадку материала, получая в ряде
случаев безусадочные мелкозернистые бетоны.
Мелкозернистость структуры материала обладает рядом достоинств, среди которых можно назвать следующие:
 возможность создания тонкодисперсной однородной высококачественной структуры без крупных включений крупных зерен иного строения;
 повышенная эффективность модификации материала химическими и
минеральными добавками;
 высокая тиксотропия и способность к трансформации бетонной смеси;
 высокая технологичность - возможность формирования конструкций и
изделий методом литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга и другими;
 легкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам;
 возможность широкого применения сухих смесей с гарантией высокого
качества;
 возможность получения материалов с различными комплексами
свойств;
 возможность получить новые архитектурно-конструкционные решения: тонкостенные и слоистые конструкции, изделия переменной плотности,
гибридные конструкции и т.д.;
 возможность широкого применения местных материалов и, как правило, более низкая себестоимость по сравнению с классическим крупнозернистым
бетоном.
Наибольший техно-экономический эффект достигается при применении
мелкозернистых бетонов для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций. Армируя этот бетон стальными сетками, получают армоцемент - высокопрочный материал для тонкостенных конструкций. Вводя в мелкозернистый бетон фибру - дисперсные волокна, получают фибробетон, обладающий
повышенной прочностью при растяжении. Применяя композиционные вяжу75
щие вещества и комплексы специальных добавок - модификаторов структуры и
свойств, получают композиционные многокомпонентные мелкозернистые бетоны. В зависимости от выбора вяжущего и добавок получают разные специальные бетоны: изоляционные, декоративные, электропроводящие или электроизоляционные и другие.
Мелкозернистый бетон можно также использовать для изготовления железобетонных конструкций в районах, где отсутствуют щебень и гравийнопесчаная смесь.
Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что
и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет
некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и
удельная поверхность твердой фазы.
На рис. 6.7, а показаны зависимости прочности песчаного бетона от его
состава.
Рис. 6.7 – Зависимость прочности песчаного бетона от его состава (а)
и от В/Ц (б): 1 – В/Ц = 0,3;2 - В/Ц = 0,4; 3 - В/Ц = 0,5; 4 – Ц/П = 1:0;
5 – Ц/П = 1:2; 6 – Ц/П = 1:4; 7 – обычный бетон (для сравнения)
При В/Д = 0,3 зависимость прочности такого бетона от расхода цемента
прямолинейна: уменьшение расхода цемента приводит к резкому снижению
прочности бетона, так как при малом содержании цемента смесь становится
менее удобообрабатываемой, хуже уплотняется, а ее плотность и соответственно прочность постепенно уменьшаются. Наивысшую прочность показывает в этом случае цементный камень.
При более высоких значениях водоцементного отношения (В/Ц=0,4 и
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
выше) наивысшая прочность бетона достигается при определенном оптимальном соотношении между цементом и песком. При этом соотношении достигается максимальная плотность бетонной смеси. При меньших расходах цемента
удобообрабатываемость смеси постепенно снижается, что затрудняет ее укладку и приводит к постепенному понижению прочности и плотности бетона.
При более высоком содержании цемента возрастает количество избыточной воды в бетоне, соответственно увеличивается пористость и понижается
прочность.
Для каждого состава бетона имеется оптимальное значение В/Ц, при котором получаются наивысшие прочность и плотность бетона (рис. 6.7, б). Если
построить обобщенную зависимость прочности песчаного бетона разного состава от водоцементного отношения для оптимальных или средних значений
прочности, достигаемых при разных соотношениях между песком и щебнем, то
кривые, выражающие эти зависимости, будут иметь более крутой наклон и будут пересекаться с подобными кривыми для обычного бетона при В/Ц, близких
к 0,4 (рис. 6.8).
Рис. 6.8 – Обобщенная зависимость прочности мелкозернистого (1) и обычного (2) бетона на
портландцементе М400 от цементно-водного фактора
При более низких В/Ц в случае хорошего уплотнения можно получить
песчаные бетоны с прочностью выше, чем у обычных бетонов на крупном заполнителе. Однако такие бетоны требуют большого расхода цемента и могут
применяться только для специальных конструкций при соответствующем технико-экономическом обосновании. При более высоких В/Ц песчаные бетоны
обычно имеют прочность ниже, чем обычные бетоны на прочном крупном заполнителе. Степень понижения прочности зависит от качества применяемых
материалов и технологии уплотнения бетонной смеси.
Это обусловлено тем, что в мелкозернистом бетоне обычно содержится
больше цемента и воды, чем в обычном бетоне, что повышает его пористость,
особенно при повышенных значениях В/Ц. На пористость мелко-зернистого бетона также влияет степень его уплотнения и другие технологические факторы.
77
Бетоны уплотняются под действием сил тяжести, которые обеспечивают
более плотную упаковку частиц твердой фазы. Этому в определенной степени
препятствует действие поверхностных сил, связывающих твердые частицы в
подвижный монолит. Действие внешних сил, ослабляя внутренние связи и
обеспечивая перемещение частиц, способствует уплотнению бетонной смеси.
В мелкозернистом бетоне зерна песка имеют малые размеры и вес, что
снижает их воздействие на уплотнение бетонной смеси, хотя с другой стороны,
малые размеры зерен песка способствуют их взаимному перемещению и облегчают перемещение слоев бетона между собой, транспортирование и распределение цементно-песчаной смеси в форме.
Повышенная удельная поверхность песка усиливает действие поверхностных сил, затрудняющих уплотнение смеси и способствующих в отдельных
случаях агрегированию частиц твердой фазы.
Все это требует особого внимания к уплотнению бетона и применения
приемов, повышающих тиксотропию бетонной смеси, либо использования более интенсивных и эффективных приемов внешнего воздействия на бетонную
смесь при его уплотнении.
Применение разных цементов и песков и разнообразие технологиче-ских
приемов приготовления и уплотнения мелкозернистого бетона изменя-ет положение прямой Rб = f(Ц/B) в поле "прочность - цементно-водное отношение",
что обычно учитывают соответствующими коэффициентами в формуле прочность бетона.
В ряде случаев при приготовлении цементно-песчаной смеси и уплотнении ее обычным вибрированием в нее вовлекается определенное количество
воздуха, распределенного в виде мельчайших пузырьков по всему объему смеси. Вовлечение воздуха, которое может достигать 3—6 % и более, повышает
пористость бетона и снижает его прочность. Воздухововлечение увеличивается
с повышением жесткости смеси, поэтому при необходимости получить плотные
и прочные песчаные бетоны следует применять такие методы их уплотнения,
которые сводили бы воздухововлечение к минимуму.
Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня.
При невысоком содержании цемента в смесях более тощих, чем 1:3, цементного
теста может не хватить для обмазки зерен песка и заполнения всех пустот. В
этом случае возникает дополнительный объем пор, обусловленный нехваткой
цементного теста, что вызывает увеличение общей пористости бетона и снижение его прочности. Этим обстоятельством объясняется сложность получения
достаточно прочных песчаных бетонов при невысоких расходах цемента (200—
300 кг/м3), характерных для обычного бетона. Учитывая изложенные выше особенности влияния различных факторов на прочность песчаного бетона, обобщенную зависимость можно представить в следующем виде:
 Ц

R П . Б .  АRЦ 
 0,8 
 В  ВВ

где В, Ц — соответственно расходы воды и цемента, кг/м3; ВВ — объем
вовлеченного воздуха, л; А — эмпирический коэффициент (для материалов вы-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
сокого качества А = 0,8; для материалов среднего качества А = 0,75 и низкого
качества А = 0,65).
Целесообразно определять действительную величину коэффициента А
путем непосредственных испытаний, так как качество материала, в частности
качество песка, может значительно повлиять на его значение. В песчаном бетоне применение мелкого песка с повышенными удельной поверхностью и пустотностью приводит к необходимости увеличения расхода воды с целью сохранения заданной подвижности бетонной смеси и заметно снижает прочность бетона (рис. 6.9), в том числе заметно снижает максимально достижимую прочность бетона для определенного состава. Степень снижения прочности бетона
зависит как от качества песка, так и "от состава бетона, увеличиваясь с уменьшением расхода цемента.
Рис. 6.9 – Влияние мелкого песка на
Рис. 6.10 – Удельный расход цемента в
прочность песчаного бетона:
мелкозернистых бетонах различных
1– снижение максимально достижимых составов: 1 – сравнение при оптимальзначений прочности бетона (при опти- ных В/Ц; 2 – сравнение при одинакомальных В/Ц); 2 – снижение прочности вой консистенции; 3 – зона оптимальравноподвижных смесей (расплыв коных составов
нуса на встряхивающем столике 130
мм)
Если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5—10 %, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25— 30 %, а максимальная прочность песчаного бетона состава 1:2—
1:3, которой можно достигнуть при определенной интенсивности уплотнения,
иногда снижается в 2—3 раза, поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более
79
крупными высевками от дробления камня, мелким гравием. Однако при применении комплекса химических и минеральных добавок можно получить достаточно эффективные бетоны на мелких и даже тонких песках.
Состав мелкозернистого бетона и качество песка определяют эффективность использования цемента в бетоне. На рис. 6.10 приведен удельный расход
цемента на единицу прочности в мелкозернистых бетонах разных составов на
песке средней крупности. Наиболее экономичными в этом случае являются составы 1:2-1:3, обладающие, как правило, и наибольшей плотностью. Для мелкозернистого бетона на мелком песке оптимальными оказываются составы 1:11:1,5, а минимальный удельный расход цемента увеличивается до 12 кг/МПа.
Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на изгиб
(рис. 6.11), водонепроницаемостью и морозостойкостью, поэтому его можно
использовать для дорожных покрытий в районах, где нет хорошего щебня, труб
и гидротехнических сооружений. Поскольку в мелкозернистом бетоне отсутствует крупный щебень, для определения его прочности рационально использовать образцы меньших размеров чем для обычного бетона: кубы 3x3x3 см,
5x5x5 см, 7x7x7 см и балочки 4x4x16 см (как при испытании цемента). Призменная прочность мелкозернистого бетона в среднем составляет 0,85 R КУБ с
учетом испытания бетона в образцах малых размеров.
Рис. 6.11 – Зависимость прочности бетона на изгиб и растяжение от его
прочности на сжатие:
1 — RИЗГ обычного бетона;
2 — RИЗГ песчаного бетона;
3 — RР песчаного бетона
Рис. 6.12 – Водопотребность бетонной смеси с осадкой конуса 2...4 см: 1
- цементно-песчаная смесь разного
состава на песке средней крупности; 2
– обычная бетонная смесь на гравии с
предельной крупностью 10 мм.
Меньшая крупность и повышенная удельная поверхность заполнителя
(песка) увеличивают водопотребность бетонной смеси (рис. 6.12), способству-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ют вовлечению в бетонную смесь воздуха при вибрировании.
Водопотребность цементно-песчаной смеси, как и водопотребность
обычного бетона определяется не только требуемой подвижностью, но и ее составом. Например, для получения бетонной смеси с осадкой конуса 2 см при
применении песка средней крупности расход воды для состава бетона 1:3 равен
260 л/м3, а для состава бетона 1:2 —300 л/м3.
В результате для получения равнопрочного бетона и равноподвижной бетонной смеси в мелкозернистом бетоне на 20—40 % возрастает расход цемента
по сравнению с обычным бетоном. Для снижения расхода цемента следует
применять химические добавки, эффективное уплотнение песчаных бетонных
смесей и крупные пески с оптимальным зерновым составом. В цементнопесчаных смесях с высоким содержанием цемента полезно использовать СДБ
или комплексную добавку, состоящую из СДБ и ускорителя твердения цемента.
Хорошее уплотнение цементно-песчаной смеси достигается прессованием,
трамбованием, укаткой роликами, вибрированием с пригрузом или вибровакуумированием. Например, при вибрировании образцов мелкозернистого бетона
на цементе марки 400 состава 1:2 в возрасте 28 сут достигнута максимальная
прочность 55 МПа при плотности 2,3 т/м3 а при трамбовании прочность бетона
повысилась до 77 МПа при плотности 2,4 т/м3.
Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций обычно
применяют цементно-песчаную смесь малоподвижной консистенции составов
1:3-1:4, а для изготовления армоцемента — более жирные составы 1:2. При
формировании изделий в двусторонней опалубке применяют литые цементнопесчаные смеси. При прессовании или вибрировании с пригрузом используют
жесткие бетонные смеси.
Испытания мелкозернистого бетона целесообразно проводить на образцах малого размера. Его прочность можно оценить испытанием половинок балочек 4х4х16 см, а подвижность бетонной смеси — расплывом конуса на
встряхивающем столике, как при испытании цемента в пластичном растворе,
или жесткости при вибрировании малого конуса (h = 10 см) в форме 10X10Х10
см (по аналогии со способом Б.Г. Скрамтаева для обычного бетона). Испытания
на встряхивающем столике позволяют оценить подвижность малопластичных
смесей, наиболее употребительных при изготовлении тонкостенных конструкций, с большей степенью точности, чем другие методы.
Большое значение при определении состава цементно-песчаного бетона
для армоцементных конструкций имеет правильная оценка цементно-песчаной
смеси в условиях густого армирования стальной тканой сеткой. Такая оценка
может быть сделана путем определения формуемости армоцемента, под которой подразумевается способность цементно-песчаной смеси плотно укладываться в данных условиях и которая, по существу, характеризует длительность
процесса изготовления армоцементной конструкции.
Формуемость армоцемента можно определить на приборе, показанном на
рис. 6.13. Она зависит от подвижности цементно-песчаной смеси и схемы армирования. Прибор состоит из нижней и верхней прижимных рамок, соединяемых на болтах, между которыми может набираться любая схема армирования.
81
Нижняя рамка имеет лапки для крепления к обычной металлической форме. На
верхнюю рамку с помощью кронштейнов крепится металлический полый цилиндр. Нижнее отверстие цилиндра закрывается задвижкой. Формуемость армоцемента определяют двумя способами: на проход и на расплыв; в последнем
случае под нижней прижимной рамкой укладывают пластинку из оргстекла.
Для определения формуемости прибор закрепляют с помощью лапок на
обычной форме размером 15х15х15 см, установленной на вибростоле. В металлический цилиндр помещают навеску цементно-песчаной смеси 300 г, которая
позволяет определить формуемость на проход и по расплыву при различном
армировании (при толщине пакета до 5 см).
Рис. 6.13 – Схема прибора для определения формуемости армоцемента: 1
- стальной цилиндр;
2 - задвижка; 3 -арматурная сетка;
4 - фиксирующие рамки; 5 - захваты
для крепления прибора к стандартной
форме 15x15x15 см;
6 - пластинка для оргстекла.
Смесь предварительно уплотняют штыкованием или вибрированием, закрывая нижнее отверстие цилиндра. После этого задвижку вынимают и включают вибратор. Отрезок времени (с), необходимый для вытекания навески цементно-песчаной смеси из цилиндра, что соответствует моменту, когда уровень
цементно-песчаной смеси выравнивается с нижним краем цилиндра, определяет формуемость армоцемента. В зависимости от того, каким способом проводилось испытание, можно получить два значения формуемости — на проход и на
расплыв. Наибольшее значение для армоцемента имеет формуемость на проход, которая обычно используется при проектировании его состава.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Лекция № 7 – ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА
Вопросы:
7.1 Твердение бетона при нормальных температурах;
7.2 Твердение бетона при повышенных температурах, ускорение твердения;
7.3 Твердение бетона при отрицательных температурах.
7.1 Твердение бетона при нормальных температурах
При изготовлении изделий на полигонах и при возведении сборномонолитных и монолитных конструкций бетон твердеет в нормальных условиях
при температуре 15—20°С. Рост прочности бетона в этом случае определяется
минералогическим составом и тонкостью помола цемента, составом бетона, в
первую очередь В/Ц, химическими добавками. Нарастание прочности ускоряется, если применяются быстротвердеющие цементы, добавки— ускорители
твердения, бетоны с низким водоцементным отношением.
Большое значение имеет организация ухода за твердеющим бетоном в раннем возрасте, особенно обеспечение надлежащей влажности среды. Для этого
бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, который постоянно
увлажняют, используют маты из синтетических материалов, устраивают покрывающие водные, бассейны или используют другие способы, предохраняющие
бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цемента и роста прочности бетона. При быстром высыхании бетона в раннем возрасте
возникают также значительные деформации усадки, появляются микротрещины. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная прочность. Исправить структуру созданием благоприятных условий в последующем
не удается, поэтому правильный уход за бетоном в раннем возрасте является
необходимым условием получения доброкачественного бетона.
Рост прочности бетона в благоприятных условиях продолжается длительное
время. Для ориентировочного определения прочности бетона в любом возрасте
используют формулу
Rn  R28 (lg n / lg 28) ,
(7.1)
где Rn — прочность бетона на сжатие в любом возрасте; R28 — прочность бетона в возрасте 28 сут; lg n — десятичный логарифм возраста бетона.
Эта формула дает удовлетворительные результаты начиная с n>3 для бетонов, приготовленных на рядовом портландцементе средних марок.
Действительная прочность может отличаться от расчетной, ее следует определять по результатам испытания контрольных образцов, выдержанных в условиях, аналогичных условиям твердения бетонных конструкций или испытанием
бетона, взятого непосредственно из конструкции.
Для более точной оценки прочности бетона в разном возрасте необходимо
учитывать минералогический состав цемента.
По интенсивности нарастания прочности бетона при нормальной температу83
ре современные цементы можно условно подразделить на четыре типа
(табл. 7.1).
При этом цементы, обеспечивающие более быстрое нарастание прочности
бетона в раннем возрасте, резко замедляют прирост прочности в длительные
сроки твердения. Наоборот, бетоны на цементах III—IV типа, медленно твердеющие вначале, показывают заметный рост прочности в течение длительного
времени. При благоприятных условиях прочность бетона на этих цементах к
полугодовому возрасту возрастает в 1,5—1,8 раза по сравнению с прочностью в
возрасте 28 сут, причем отмечается и рост прочности в дальнейшем в течение
нескольких лет, хотя и более медленными темпами.
Данные табл. 7.1 показывают, что обычно используемая для описания кинетики твердения бетона формула (7.1) дает более надежные результаты при
применении цемента III типа. В других случаях необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие особенности твердения бетонов на разных
цементах.
Приведенные в табл. 7.1 коэффициенты k28-90 и k28-180 соответствуют нормальным условиям хранения (Т = 15—20°С, W = 90—100 %) небольших образцов. При понижении температуры и влажности твердение бетонов резко замедляется.
При изготовлении конструкций не всегда удается обеспечить требуемую
влажность в течение всего срока твердения бетона, так как отделочные, монтажные и другие работы часто требуют не только уменьшения влажности бетона, но даже высушивания его поверхности. В этих условиях нельзя пользоваться формулой (7.1) или значениями коэффициентов, приведенными в табл. 7.1.
Ориентировочно можно считать, что при твердении на открытом воздухе для
цементов I и II типа k28-90 = 1,05; k28-180 = 1,1; для цементов III типа k28-90 = 1,05;
k28-180 = 1,25; для цементов IV типа k28-90 =1,1; k28-180 =1,3.
Способность бетона к длительному твердению можно использовать для
экономии цемента. В ряде случаев конструкция воспринимает расчетные
нагрузки в более поздние сроки, чем 28 сут. В благоприятных условиях твердение бетона продолжается и к моменту передачи на конструкцию эксплуатационной нагрузки прочность бетона часто превышает требуемую проектом. В подобных случаях, назначая более длительные сроки (90 или 180 сут) достижения
бетоном проектной прочности, можно уменьшить R28 и сэкономить цемент, так
как для получения бетона меньшей прочности требуется более низкий расход
цемента.
7.2 Твердение бетона при повышенных температурах,
ускорение твердения
Для ускорения твердения бетона при производстве сборных железобетонных конструкций используют различные способы: механические — повышение
удельной поверхности цемента или активизация бетонной смеси; химические —
введение добавок (СаС12, ННК и др), ускоряющих твердение; тепловые — пропаривание и электропрогрев. Тепловые способы, позволяющие сократить сроки
твердения бетона в 10-20 раз, получили. наибольшее распространение на заво-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
дах сборного железобетона.
Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температуры бетона активизирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение
бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента, твердеющего
при разных температурах, практически одинаков. Рост прочности бетона при
нагреве может, как и при нормальном твердении, выражаться логарифмической
зависимостью, однако со своими коэффициентами. По данным ВНИИжелезобетона:
(7.2)
R  A(lg t  lg t 0 ) ,
где А — параметр, характеризующий поведение данного цемента при пропаривании в принятых условиях испытания, МПа; t — время тепловой обработки, включающее период изотермической выдержки t1 и часть времени разогрева
и охлаждения, в течение которого температура образцов превышает 60 °С, ч; в
среднем t = t1 + 3; t0 — индукционный период твердения, ч (предварительный
период до начала образования прочной структуры).
Формула (7.2) была выведена для бетона на специально изготовленных цементах различного минералогического состава при прогреве его по режиму 3 +
t1 + 2 ч с предварительной выдержкой 2 ч и испытании через 6 ч после извлечения из пропарочной камеры. Опыты позволили установить значения А и t0 (при
графических построениях зависимости; рис. 7.1) и тем самым уточнить влияние
минералогического состава цемента на прочность бетона при пропаривании
(табл. 7.2).
Параметр А можно определить как значение прочности R при t =10 t0
например, для цементов I группы он будет приблизительно равен 25, II группы
— 20, III группы — 17,5. Полученные значения А и t0 в других условиях могут
отличаться от приведенных выше, но их можно определить путем испытания
бетона при 2-3 режимах и ввести в расчеты действительные значения параметров для данных конкретных условий.
Приведенные данные показывают, что минералогический состав цемента
оказывает заметное влияние на прочность бетона. В первые часы пропаривания
наиболее высокую прочность показывают бетоны на цементах II и III групп,
причем тем более высокую, чем больше в клинкере C3S. Прочность бетонов на
цементах I группы в этот период значительно меньше и только к 3-4 ч достигает, а затем становится больше прочности бетонов на цементах III группы, а к 6-7
ч и бетонов на цементах II группы. После этого рост прочности цементов I
группы продолжается практически до 20-24 ч изотермической выдержки, тогда
как рост прочности цементов II группы практически прекращается к 9—10 ч
изотермической выдержки, а цементов III группы к 7-9 ч. Предельные значения
прочности бетона, которые могут быть получены в процессе тепловой обработки, зависят от вида цемента. В табл. 7.3 приведены данные ВНИИжелезобетона,
показывающие отношение предельной прочности бетона при Ц/В = 2-2,5 к активности цемента при пропаривавши, а также время тепловой обработки, при
которой достигаются эти значения.
85
Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработки,
достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то
практически нецелесообразно проводить обработку до получения предельной
прочности. Обычно тепловую обработку заканчивают при 70-80 % прочности
бетона от предельных значений.
Таблица 7.1 – Классификация цементов по скорости твердения
Тип
цемента
I
II
III
IV
Минералогическая характеристика
Алюминатный
цемент
(С3А > 12 %)
Алитовый цемент (C3S > 50
%, С3А < 8 %)
Цемент со сложной минералогической
характеристикой
(пуццолановый, портландцемент с содержанием C4AF > 14 %,
шлакопортландцемент
при
содержании шлака 30-40 %)
Белитовый портландцемент
и шлакопортландцемент при
содержании шлака более 50 %
Для сравнения Rn  R28 
lg n
lg 28
k 7... 28 
R7
R28
k 28... 90 
R90
R28
k28... 180 
R180
R28
0,65-0,8
1-1,05
1-1,1
0,6-0,7
1,05-1,2
1,1-1,3
0,5-0,6
1,2-1,5
1,3-1,8
0,45-0,5
1,6-1,7
1,85
0,58
1,35
1,55
В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост прочности бетона после обработки и достижение в возрасте 28 сут заданной марки, а время
прогрева сокращается в 2-3 раза по сравнению с тем временем, которое потребовалось бы для получения предельной прочности.
Рис. 7.1 – Зависимость прочности
бетонов, приготовляемых на цементах
I – III минералогических групп (соответственно кривые 1-3) и одинаковой
активности от времени пропаривания
(масштаб полулогарифмический)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Таблица 7.2 – Параметры А и t0 для цементов разного минералогического
состава
Минералогический состав ОтносительПредел лицементе, %
Группа цемента
ное значение t0, ч
нейности
А, %
функции, ч
C3S
С3А
I — низкоалюминатные
II — среднеалюминатные
III — высокоалюминатные
60
50
60-65
50
55
40-50
2-3
2-3
8
8
11-22
11-12
12,5
9,6
10,0
9,5
8,5
7,0
0,60
0,45
0,15
0,2
0,15
0,18
20-25
20
9-10
9-10
9
7-8
Таблица 7.3 – Влияние минералогического состава цемента на предельную
прочность бетона при пропаривании
Вид цемента
Портландцемент:
I группы
II группы
III группы
ОБЩ
Шлакопортландцемент:
с 30 % шлака
с 50% шлака
Отношение пре- ОриентироСредняя
Продолжительность
дельной проч- вочное время
активность
изотермической
достижения
ности
бетона
к
цемента,
выдержки для допредельной
активности
МПа
стижения 0,8RПР, ч
прочности, ч
цемента
32,5
35
27,5
1,45
1,15
1,10
27-33
15-18
10-12
12
6
4
39
1,05
12-15
3
24
17
1,55
1,85
25-30
27-33
8
14
При этом предполагается, что пропаривание начнется приблизительно через
2 ч после формования изделия, а подъем температуры будет плавным (в течение 3 ч до 80 °С). Применение более коротких режимов, чем те, которые указаны в табл. 7.3, приводит к перерасходу цемента.
Если рассмотреть суммарное влияние цемента на прочность бетона при
пропаривании и на продолжительность тепловой обработки, то наиболее подходящими цементами для этого случая считают шлакопортландцементы, особенно с большой добавкой шлака, и среднеалюминатные цементы с повышенным содержанием C3S. Следует заметить, что на характер нарастания прочности бетона при тепловой обработке влияют состав бетона и ряд других факторов. В частности, ускорению твердения при пропаривании и других видах тепловой обработки содействует уменьшение водоцементного отношения в бетоне.
87
При тепловой обработке бетона происходят сложные физико-химические
процессы. Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся новообразования цементного камня как бы закрепляют расширившийся объем бетона.
При охлаждении бетон сжимается, однако возникшая структура препятствует
этому и в бетоне наблюдаются остаточные деформации, т. е. его объем после
тепловой обработки оказывается больше, чем первоначальный. Увеличение
объема приводит к повышению пористости бетона и понижению его прочности.
Кроме того, при прогреве могут возникать микротрещины и другие дефекты,
которые, незначительно изменяя пористость бетона, могут заметно понизить
его прочность.
При длительном твердении наивысшую прочность показывает бетон, объем
которого при данном количестве материалов является наименьшим, т. е. в этом
случае плотность новообразований цементного камня будет наибольшей. Этим
требованиям соответствуют укладка и первоначальное твердение бетона при
температуре 0 - 4 °С, так как при 4 0С плотность воды наибольшая.
Уменьшение предельно достижимой прочности при тепловой обработке будет зависеть от ее режима. При нагреве в меньшей мере расширяются цемент,
песок и щебень, температурный коэффициент линейного расширения а которых колеблется в пределах от 8·10-6 до 12·10-6 (температурный коэффициент
объемного расширения β = 3α, т. е. в 3 раза больше).
Температурный коэффициент объемного расширения воды на два порядка
больше и зависит от ее температуры:
Температура, °С 20—40 40-60 60—80 80—10
β·10-4
3,02
4,58
5,87
6,88
При нагреве объем воды соответственно увеличивается:
Температурный интервал нагрева, °С 20-40 20-60 20-80 20-100
Увеличение объема воды, %
0,6
1,5
2,7
4,1
Еще в большей мере, если нет препятствий, расширяется при нагреве воздух
или пар. На рис. 7.2 показано увеличение объема газообразной фазы в бетоне,
которое в условиях свободного расширения при нагреве до 80 °С должно превышать первоначальный объем в 2 раза.
В действительности этого не происходит, так как структура бетона препятствует свободному расширению газообразной фазы. В результате в бетоне возникает внутреннее давление (в пузырьках воздуха и пара), которое может достигать 0,01-0,015 МПа. Избыточное давление зависит от строения бетона. При
определенном давлении сплошность строения нарушается — пар выходит из
бетона, избыточное давление далее не растет и даже снижается, однако при
этом может значительно ухудшиться структура бетона.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 7.2 – Расширение газовой
фазы в бетоне: 1 – вследствие расширения воздуха без парообразования
при давлении в порах 0,1 МПа; 2-4 –
вследствие расширения воздуха с парообразованием при давлении в порах
соответственно 0,1; 0,11 и 0,15 МПа
Важное значение при твердении имеет и контракция цементного камня. Дополнительный объем пор, возникающий вследствие контракции, является тем
резервным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении, поэтому контракция способствует уменьшению дефектности структуры бетона.
Возникновение избыточного давления в бетоне зависит от режима прогрева.
Обычно бетон нагревается с поверхности, поэтому и избыточное давление в
первую очередь возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыточное давление бывает очень небольшим, так как миграция влаги из области с повышенным давлением в более холодные части изделий и диффузия пара способствуют уменьшению избыточного давления. При очень быстром нагреве эти
факторы не успевают проявляться в должной мере и избыточное давление резко
возрастает, что в ряде случаев может привести к непоправимым дефектам и
браку, в частности к вспучиванию верхней поверхности изделий.
Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при его нагреве, особенно вследствие
нагрева воды и газообразной фазы. Наибольшие изменения в структуре возникают, если нагрев начинается сразу же после окончания формования изделия,
когда прочность мала и не оказывает противодействия расширению составляющих бетона, а температурные деформации ничем не ограничены (пропаривание изделия в открытой форме или на поддоне). При этом чем быстрее растет
температура бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается
остаточная деформация. Если нагрев начинается после того, как бетон схватится и достигнет определенной прочности, то температурные деформации резко
уменьшаются, так как образовавшаяся структура противодействует расширению воды и газообразной фазы. Разрыхление структуры и остаточные деформации резко уменьшаются (рис. 7.3), свойства бетона улучшаются.
89
Рис. 7.3 – Деформация бетона ε при
нагреве в зависимости от продолжительности предварительной выдержки
t: 1 – деформация во время изотермического прогрева при t = 80 0С; 2 –
остаточная деформация
Для получения наилучших результатов необходимо, чтобы прочность
структуры в процессе нагрева всегда превосходила внутренние напряжения в
бетоне.
В наименьшей степени бетон расширится в том случае, когда возрастет
только объем твердой фазы. Расширение же воды будет компенсировано за счет
воздушных пор, а давление газообразной фазы погашено сопротивлением
структуры бетона. В этом случае ориентировочно дополнительный объем (по
существу, дополнительный объем pop) при нагреве до 80 °С составит,
V1  t  3 10 6  60  1,8 10 3 ,
или 1,8 л/м3 бетона (0,18 %).
В том случае, если расширение воды не будет компенсировано, то дополнительный объем бетона за счет расширения воды увеличится на ΔV2 = 0,2·500·106
·60 = 6·10-3, или на 6 л/м3 бетона (0,6 %). При расчете принято, что вода занимает 7Б часть объема бетона (ориентировочный расход 200 л/м3), а средний температурный коэффициент объемного расширения в интервале от 20 до 80°С приблизительно равен 500·10-6. Суммарный дополнительный объем от расширения
воды и твердой фазы составит 0,78%. Если увеличение объема бетона при тепловой обработке больше этой величины, то это показывает, что на его приращение оказали влияние газообразная фаза и избыточное давление, которое не было
компенсировано сопротивлением структуры бетона. Естественно, что в этом
случае количество дефектов в структуре увеличится, а прочность бетона
уменьшится.
При организации контроля за расширением бетона в процессе тепловой обработки можно считать, что
ΔV = V2 – V1,
где V1 — первоначальный объем бетона, равный для куба а3 (здесь а — сторона куба); V2 — объем бетона после расширения, равный (а+х)3 (здесь х —
удлинение стороны куба: x=αaΔt);
ΔV = а3 + 3а2х + 3ах2 + х3 – а3 ≈3а2х ≈ 3αt а3,
так как 3ах2 и х3 пренебрежимо малы по сравнению с 3а2х. Поскольку а3 = V,
то линейная температурная деформация бетона αt=ΔV/3.
Применительно к рассмотренным выше примерам линейная деформация
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
должна составлять при тепловом расширении твердой фазы 0,18:3 = 0,06 %, или
0,6мм/м; при расширении твердой фазы и воды 0,78:3 = 0,26, или 2,6 мм/м.
Приведенные на рис. 7.3 данные показывают, что на практике вследствие сопротивления структуры бетона деформации всегда меньше.
При охлаждении в бетоне возникают напряжения вследствие того, что образовавшаяся структура препятствует его температурному сжатию. В результате
бетон не может уменьшиться до первоначальных размеров, а возникшие внутренние напряжения постепенно релаксируются, но оказывают некоторое влияние на его последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона,
особенно при испытании сразу же после охлаждения, а также его усадку.
Пористость в процессе тепловой обработки увеличивается главным образом
за счет капиллярных пор, так как поры геля, образующиеся при твердении цементного камня, обычно появляются и развиваются несколько позже, чем происходит основное расширение бетона при нагревании. Кроме того, дополнительный объем, необходимый для компенсации давления в порах геля, очень
мал и обычно для этого вполне достаточно объема пор, возникающих при контракции цементного камня. Так как при пропаривании увеличивается объем капиллярных пор, то снижается морозостойкость и ухудшаются другие свойства
бетона. Применение жестких закрытых форм, ограничивающих расширение бетона, способствует улучшению его качества.
Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает также процесс теплообмена при тепловлажностной обработке. В этих условиях в изделиях возникают градиенты температур и влажности, под действием которых влага
и газообразная фаза перемещаются в бетоне, разрыхляя его структуру. В некоторых случаях (при неправильных режимах тепловой обработки) влага может
испаряться из бетона, замедляя гидратацию цемента, оставляя сквозные капилляры, резко повышающие проницаемость бетона и ухудшающие его долговечность.
При тепловой обработке надо стремиться, чтобы градиенты температуры и
влажности были минимальными или во всяком случае ниже предельных, при
которых начинается заметная деструкция бетона. Значения предельных градиентов зависят от прочности структуры бетона к моменту начала нагрева и других факторов и могут определяться опытным путем. Уменьшению деструкции
вследствие тепломассообмена способствует применение горячих бетонных смесей, когда изделие формуют из заранее разогретой до определенной температуры бетонной смеси.
Опыты подтверждают высказанные выше положения. В табл. 7.4 приведены
данные Л.А. Малининой. Образцы из тяжелого бетона состава 1:1,87:2,77 при
В/Ц = 0,45 на белгородском портландцементе пропаривались при 80°С по режиму 1+6 ч, а затем остывали вместе с камерой. Прогрев начинали через 1 ч после изготовления образцов.
Несколько более высокая прочность пропаренных без деформаций (первая
строчка) образцов по сравнению с бетоном нормального твердения в возрасте
28 сут объясняется более глубокой гидратацией цемента при прогреве.
Опыты подтверждают большое влияние на структуру и прочность бетона
91
его теплового расширения и тепломассообмена. Для ориентировочных расчетов
можно принять, как и при нормальном твердении, что 1 % увеличения пористости снижает прочность бетона в возрасте 28сут на 5 %.
Таблица 7.4 – Влияние условий тепловой обработки на степень развития деструктивных процессов в бетоне
Теплофизический
Прочность на
процесс
сжатие,
Пористость
Условия твердеRСЖ
тепловое
внешний
, МПа в возрасте
ния
%
от
R
28 сут, %
расшире- массооб28
ние
мен
1 сут
28 сут
В термокомпенсированной закры47,3
56,6
ОтсутОтсуттой форме, не изме14,8
ствует
ствует
103
123
няющей
размеры
при нагреве
В закрытой фор- Ограниме
чено во
36,3
49,5
Отсутвсех
16,5
ствует
79
108
направлениях
В открытой фор- ОграниИмеется с
ме
чено в
31,3
44,5
одной подвух
17,6
верхно97
68
направстью
лениях
В форме на подНе
Не
18
26,6
доне
ограниограниче24,8
53
39
чено
но
В пленке на подПрактиче24
36,3
Не оградоне
ски отсут22,0
97
52
ничено
ствует
Твердение 28 сут Практи46
Отсутпри 20 ОС в герме- чески от–
15,5
ствует
100
тичной форме
сутствует
Проведенный анализ поведения бетона при прогреве позволяет наметить
технологические приемы, использование которых обеспечивает повышение качества бетона в условиях тепловой обработки (табл. 7.5).
Наиболее распространенным видом тепловлажностной обработки является
пропаривание бетона. Прочность бетона после пропаривания определяется режимом пропаривания, видом и активностью цемента и составом бетона.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Таблица 7.5 – Способы снижения влияния деструктивных процессов в бетоне
при подъеме температуры
Технологический прием
Физическая сущность приема
Тепловлажностная обработка в паровоздушной или паровой среде с избыточным давлением (в автоклавах и напорных
пропарочных камерах)
Создаваемое в паровоздушной среде
давление уравновешивает избыточное
давление, возникающее в бетоне, препятствует его свободному расширению,
уменьшает
внутренний
массообмен,
уплотняет структуру бетона в целом
Ограничивает свободное тепловое расширение бетона, устраняет внешний массообмен
Избыточное давление, образующееся в
бетоне, компенсируется внутриобъемным
вакуумом; возникающим напряжениям
противодействует прочность сформировавшейся структуры бетона. В результате
температурные деформации прогреваемого бетона не превышают температурных деформаций затвердевшего бетона
Приводит к развитию контракционных
явлений и появлению начальной «критической» прочности бетона, что способствует сопротивлению бетона внутренним
напряжениям, возникающим при нагреве,
и их уменьшению.
Уменьшает избыточное давление в бетоне, позволяет регулировать внешний и
внутренний тепломассообмен.
Ограничивает содержание воды и воздуха, ускоряет рост прочности бетона и
возникновение контракционных явлений.
Устраняет температурно-влажностный
градиент по сечению изделий, ускоряет
процессы гидратации цемента.
Тепловая обработка в закрытых металлических формах
Пропаривание с подъемом
температуры в прогрессивно
возрастающем темпе или по
ступенчатому графику так,
чтобы внутренние напряжения
не превышали прочности бетона в данное время
Предварительное выдерживание
Тепловлажностная обработка в среде с переменной относительной влажностью
Применение жестких хорошо
уплотненных бетонных смесей
и все способы ускорения твердения бетонов в начальный период прогрева (твердения)
Предварительный электро- и
пароразогрев бетонной смеси
до формования изделий
Ограничение температуры
нагрева, (например, ниже 80
°С)
Уменьшает расширение составляющих
бетона, особенно газообразной фазы, которая резко возрастает после 80 °С и тем
самым снижает избыточное давление в
бетоне и возникающее внутреннее давление
93
Обобщение опытных данных позволяет установить приближенную зависимость прочности бетона, пропаренного при оптимальном режиме, от водоцементного отношения (табл. 7.6).
Таблица 7.6 – Зависимость прочности пропаренного бетона от В/Ц
Прочность бетона, % от его марки
В/Ц
через 4 ч после пропари- через 28 сут после прования
паривания
0,6 и более
60-65
85-95
0,4-0,5
65-70
95-105
Менее 0,4
70-85
100-110
Цементы среднеалюминатные с высоким содержанием алита показывают
относительную прочность на 0,05 выше предельных в табл. 7.6 значений. Проектирование состава бетона обычно проводят в предположении, что бетон после пропаривания набирает 70 % марочной прочности. Как показывает табл. 7.6,
это может быть вполне достигнуто при правильном выборе режима твердения.
При необходимости получения после пропаривания 100 %-ной прочности
следует проектировать состав бетона более высокой марки, что вызывает увеличение расхода цемента, поэтому получение 100 %-ной прочности бетона
должно назначаться только в исключительных случаях, например для наружных конструкций, изготовляемых и вводимых в действие в зимний период.
Предварительная выдержка бетона до тепловой обработки повышает конечную прочность бетона, позволяет применять более форсированные режимы, что
сокращает длительность тепловой обработки. Обычно для бетонов из подвижных смесей рекомендуется выдержка в течение 3—6 ч, из жестких смесей — не
менее 2-3 ч, а из особо жестких —1-2 ч. Чем выше марка бетона и ниже В/Ц,
тем короче предварительная выдержка. Введение добавок — ускорителей твердения сокращает, а поверхностно-активных добавок удлиняет предварительную
выдержку. Например, при введении в бетон до0,2% СДБ предварительную выдержку увеличивают до 4-6 ч.
Предварительная выдержка необходима при прогреве изделий без форм или
с большой открытой поверхностью.
Если изделия находятся в герметичных формах или в кассетах, где металлическая, закрытая со всех сторон форма препятствует температурному расширению бетона, то предварительной выдержки не требуется, и допустим быстрый
подъем температуры. Более того, в формах сложной конструкции с большим
количеством закладных деталей немедленный прогрев бетона сразу же после
формования полезен, так как иначе усадочные явления и деформации металла
форм при .прогреве могут вызвать появление в изделии трещин.
Скорость нагрева бетона зависит от состава бетона, конструкции форм, вида
изделия и других факторов. Она должна быть такой, чтобы свести к минимуму
деструктивные процессы. Обычно для тонкостенных изделий скорость подъема
температуры не должна превышать 25 °С/ч, для более массивных изделий — 20
°С/ч. Для изделий из жестких смесей с низким В/Ц (менее 0,45) скорость подъ-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ема температуры может составлять 30-35 °С/ч, для изделий в закрытых металлических формах — 40-60 °С/ч. Получение бетона хорошего качества обеспечивают ступенчатые режимы или режимы с прогрессивно возрастающей скоростью. В первом случае за 1-1,5 ч температуру поднимают до 35-40 °С, выдерживают изделия при этой температуре в течение 1-2 ч, а затем за 1 ч поднимают
температуру до температуры изотермического прогрева. Во втором случае в
первый час температуру поднимают до 10 0С, во второй — на 15-20 °С, в последующие часы — на 20-30 °С и так до максимальной.
Оптимальной температурой изотермического прогрева для бетона на портландцементе является температура 80-85 °С. Дальнейшее повышение температуры не приводит к росту прочности бетона, хотя и может несколько ускорить
его твердение в первые часы. При этом замедляется рост прочности после пропаривания, в результате пропаренный бетон в возрасте 28 сут имеет меньшую
прочность, чем бетон нормального твердения.
Для бетонов на шлакопортландцементе и пуццолановых цементах оптимальной
является температура 90-95°С.
На рис. 7.4 приведены графики ориентировочных зависимостей относительной прочности бетона от температуры и длительности изотермического прогрева. По графикам можно назначать продолжительность изотермического прогрева. Скорость остывания бетона обычно не должна превышать 30°С/ч, выгружать
изделия из пропарочной камеры желательно при перепаде температур между
поверхностью бетона и окружающей средой не более 40 °С, так как иначе в изделии могут возникнуть значительные деформации. После тепловой обработки
изделия выдерживают в цехе в течение 4-6 ч для остывания.
Для получения морозостойких бетонов следует применять более мягкие режимы: увеличивать предварительную выдержку, подъем температуры проводить со скоростью 10-15°С/ч, уменьшать температуру изотермического прогрева до 60-80 °С; понижать температуру бетона со скоростью не более 10-15°С/ч.
Рис. 7.4 – Кривые нарастания прочности портландцемента (а) и шлакопортландцемента (б) при пропариваыии (цифры на кривых обозначают температуру
в °С изотермической выдержки)
95
Рис. 7.5 – Влияние времени выдержки t на изменение подвижности
горячих бетонных смесей на цементах:
1 – низкоалюминатных; 2 – среднеалюминатных; 3 – высокоалюминатных
Для устранения вредного влияния на структуру бетона температурного
расширения составляющих при нагреве и для некоторого сокращения продолжительности тепловой обработки в последнее время на некоторых заводах
практикуют предварительный разогрев бетона электрическим током или паром
и формование изделий из горячих бетонных смесей. При этом резко уменьшаются температурные градиенты в теле изделия, что способствует повышению
качества бетона. В некоторых случаях можно после горячего формования ограничиться термосным выдерживанием, в других — применить более сокращенный режим прогрева для получения требуемой прочности.
Для прогрева бетонной смеси требуется следующее ориентировочное количество тепла:
Q  V    c  (TK  TH ) ,
где Q — количество тепла, кДж; V — объем разогреваемой бетонной смеси,
3
м ; γ — плотность бетонной смеси, кг/м3; с — удельная теплоемкость бетонной
смеси, ориентировочно принимаемая 1,05 кДж/(кг·°С); ТК—конечная температура разогрева (обычно 80—90 °С), но иногда и меньшая, если бетон нагревается до более высоких температур уже непосредственно в форме, 0C; ТН —
начальная температура бетонной смеси, 0С.
Экзотермией цемента при быстром начальном разогреве можно пренебречь.
В среднем для разогрева 1 м3 бетонной смеси требуется примерно 125—170 Дж.
При разогреве смеси электрическим током требуемая мощность Р, Вт, определяется по формуле
Р  Q  0,864t ,
(7.4)
где t — продолжительность разогрева, ч.
При разогреве бетонная смесь загустевает. На рис. 7.5 показана зависимость
загустевания бетонной смеси от времени выдержки ее до укладки. Наиболее
заметно густеют смеси на высокоалюминатных цементах. Соответственно изменяются и сроки схватывания бетона. Кроме того, для получения заданной подвижности необходимо увеличивать расход воды на 10—15 %. Это, хотя и в
меньшей мере, чем в обычных смесях, снижает прочность бетона. Для сохранения заданной прочности бетона приходится несколько повышать расход цемента.
Применение комплексных добавок, состоящих из компонентов, способствующих ускорению разогрева и твердения, а также пластифицирующих бетонную
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
смесь, позволяет в ряде случаев получить бетоны с тем же расходом цемента,
что при обычном изготовлении изделий.
Нарастание прочности горячих бетонных смесей зависит от температуры
разогрева и выдерживания, водоцементного отношения и других факторов.
Обычно рост прочности предварительно разогретого бетона в раннем возрасте
происходит более быстро, чем при пропаривании, а затем выравнивается и при
обычно применяемых режимах, когда требуется получить 70 % марочной прочности, сокращение продолжительности тепловой обработки при горячем формовании не превышает 10—; 15 % (с учетом применения бетонов повышенной водопотребности).
7.3 Твердение бетона при отрицательных температурах
При пониженной температуре прочность бетона нарастает медленнее, чем
при нормальной. При температуре бетона ниже 0°С твердение практически
прекращается, если только в бетон не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды. Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший, после оттаивания продолжает твердеть, причем, если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, прочность его постепенно нарастает (рис. 7.6).
Интенсивность нарастания прочности зависит от температуры среды. Повышение температуры ускоряет твердение бетона, особенно в условиях влажной среды. Прочность бетона в возрасте до 28 сут, твердеющего при температурах 5—
35 °С, может быть приблизительно определена по табл. 7.7.
Бетон, укладываемый зимой, должен приобрести прочность, достаточную
для распалубки, частичной нагрузки или даже для полной загрузки сооружения.
Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение
его прочности после оттаивания и в процессе дальнейшего твердения по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Это объясняется тем, что свежий бетон насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи
между поверхностью заполнителей и слабым цементным камнем. Прочность бетона тем ближе к нормальной, чем позже он был заморожен. Кроме того, из-за
раннего замораживания значительно уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в железобетоне.
Рис. 7.6 – Относительная прочность RБ бетона в зависимости от его
возраста t в момент замораживания
(В/Ц = 0,6): 1 – бетон незамороженный; 2 – бетон, замороженный в возрасте 7 сут; 3 – то же, 3 сут; 4 – то же.
1 сут; 5 – то же, 6 ч.
При любом способе производства работ бетон следует предохранить от замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая
97
обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохранение в последующем при положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона (табл. 7.8).
Таблица 7.7 – Относительная прочность бетона на портландцементе средней
марки в разные сроки твердения при разных температурах
Средняя температура твердения, ОС
Сроки твердения,
сут
5
10
15
25
35
3
5
7
10
15
28
0,15
0,25
0,35
0,45
0,55
0,80
0,20
0,32
0,44
0,52
0,65
0,92
0,30
0,45
0,60
0,70
0,80
1,00
0,37
0,54
0,70
0,77
0,85
1,05
0,45
0,60
0,72
0,77
0,85
–
При использовании быстротвердеющего высокопрочного цемента необходимое время выдерживания сокращается примерно в 1,5 раза. Если к бетону
предъявляются высокие требования по водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной прочности, так как замораживание при минимальной прочности, не сказываясь заметно на прочности бетона при сжатии, может несколько нарушить
структуру и ухудшить его особые свойства.
При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде в течение срока, устанавливаемого в зависимости от заданной прочности.
Таблица 7.8 – Минимальная прочность, которую должен приобрести бетон к
моменту замерзания
Минимальная прочность,
Время выдерживания
Класс (марка)
не менее
бетона на портландцебетона
менте при 15-20 °С, сут
% от R28
МПа
В7,5 (М100)
5,0
5,0
5-7
В15 (М200)
4,0
7,0
3-5
В22,5 (М300)
3,5
10,0
2-2,5
В30 (М400)
3,0
12,0
1,5-2
В40 (М550)
2,5
12,5
1-2
Это достигается двумя способами: 1) использованием внутреннего запаса
тепла бетона; 2) дополнительной подачей бетону тепла извне, если внутреннего
тепла недостаточно.
При первом способе необходимо применять высокопрочный и быстротвердеющий портландцемент, использовать ускорители твердения цемента — хлористый кальций и др., уменьшать количество воды в бетонной смеси, вводя в
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
нее пластифицирующие воздухововлекающие добавки. Все это даст возможность ускорить сроки твердения бетона при возведении сооружений и добиться
того, чтобы бетон приобрел достаточную прочность перед замораживанием.
Внутренний запас тепла в бетоне создают путем подогревания материалов,
составляющих бетонную смесь; кроме того, в твердеющем бетоне тепло выделяется при химической реакции, происходящей между цементом и водой (экзотермия цемента). В зависимости от массивности конструкций и температуры
наружного воздуха подогревают или воду для бетона (до 90°), или воду и заполнители — песок, гравий, щебень (до 50 °С). Бетонная смесь при выходе из
бетоносмесителя должна иметь температуру не выше 40 °С, так как при более
высокой температуре она быстро густеет. Минимальная температура бетонной
смеси при укладке в массивы должна быть не ниже 5 °С, а при укладке в тонкие
конструкции — не ниже 20 °С.
В последнее время применяют новый способ — электроподогрев бетонной
смеси в специальном бункере непосредственно перед укладкой в конструкцию.
В этом случае электрический ток пропускают через бетонную смесь и разогревают ее до 50-70 °С.
Разогретую смесь надо сразу же укладывать и уплотнять, так как она быстро
густеет.
В процессе твердения цемент выделяет значительное количество тепла. Это
тепло выделяется главным образом в первые 3-7 сут твердения. Чтобы сохранить тепло в бетоне на определенный срок, необходимо покрыть опалубку и все
открытые части бетона хорошей изоляцией (матами из минеральной ваты, пенопласта, опилками, шлаком и т.д.), толщина которой определяется теплотехническим расчетом.
Этот способ зимнего бетонирования называют способом термоса, так как
подогретая бетонная смесь твердеет в условиях теплоизоляции. Применение
данного способа рационально, если тепло, необходимое для его первоначального твердения, сохраняется в бетоне по крайней мере 5-7 сут. Это
возможно только при массивных или тщательно изолированных средних по
толщине конструкциях, имеющих отношение охлаждающейся поверхности бетона к его объему, так называемый модуль поверхности, не более 6.
Конструкции более тонкие или со слабой теплоизоляцией, а также возводимые при очень сильных морозах следует бетонировать с подачей тепла извне.
Существуют три разновидности этого способа. Первая разновидность — обогрев бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой, окружающей бетон, или по трубам, находящимся внутри бетона или установленным в опалубке. Обычная температура пара 50-80 °С. При этом бетон твердеет быстро,
достигая в течение 2 сут такой прочности, которую он приобретает через 7 сут
при нормальном твердении.
Вторая разновидность — электропрогрев, который осуществляют, пропуская через бетон электрический переменный ток. Для этого стальные пластинки
— электроды, соединенные с электрическими проводами, укладывают сверху
или с боковых сторон конструкции бетона в начале его схватывания. При электроподогреве в колонне или балке в бетон закладывают продольные электроды
99
или вбивают короткие стальные стержни для присоединения проводов. После
затвердения бетона выступающие концы этих стержней срезают. Пластинчатые
электооды применяют главным образом для подогрева плит и стен, продольные
электроды и поперечные короткие стержни — для балок и колонн.
В начале подогрева обычно подается ток низкого напряжения (50-60 В), получаемый путем трансформирования обычного тока 220 В. Сырой бетон при
пропускании тока разогревается и затвердевает. По мере затвердения бетона его
электрическое сопротивление возрастает и напряжение приходится повышать.
Нагревать бетон следует медленно, чтобы избежать высушивания и появления в
нем трещин (повышать температуру нужно не более чем на 5 °С в час), и доводить температуру бетона до 60 °С. При этих условиях бетон в течение 36-48 ч
твердения приобретает прочность, не меньшую, чем за 7 сут нормального твердения. При бетонировании массивных сооружений зимой целесообразно применять электропрогрев только поверхностного слоя бетона (так называемый
периферийный электропрогрев), чтобы предохранить его от преждевременного
замерзания.
Третья разновидность бетонирования с подачей тепла — обогрев воздуха,
окружающего бетон. Для этого устраивают фанерный или брезентовый тепляк,
в котором устанавливают временные печи, специальные газовые горелки (при
этом нужно строго соблюдать противопожарные правила), воздушное отопление (калориферы) или электрические отражательные печи. В тепляках ставят
сосуды с водой, чтобы создать влажную среду для твердения, или поливают бетон. Этот способ дороже предыдущего и применяется при очень низких температурах, малых объемах бетонирования, а также при отделочных работах.
Кроме описанных выше способов зимнего бетонирования, требующих подогрева составляющих бетона или самого бетона, в нашей стране применяют холодный способ зимнего бетонирования, при котором материалы не подогревают, но в воде для приготовления бетона растворяют большое количество солей:
хлористого кальция (СаС12), хлористого натрия (NaCl), нитрита натрия
(NaNО3), поташа (К2СО3). Эти соли снижают точку замерзания воды и обеспечивают твердение бетона на морозе, хотя и очень медленное. Количество соли,
добавленное в бетон, зависит от ожидаемой средней температуры твердения бетона (табл. 7.9).
Бетонная смесь с добавкой поташа быстро густеет и схватывается, что затрудняет ее укладку в опалубку.
Для сохранения удобоукдадываемости бетонной смеси с поташом в нее добавляют сульфитно-спиртовую барду или мылонафт. Для приготовления бетонной смеси с противоморозными добавками можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с температурой до – 5 °С.
Прочность бетона на портландцементе с добавками, твердеющего на морозе, может быть определена ориентировочно по табл. 7.10. Бетон с добавкой
нитрита натрия при температуре – 5 °С твердеет медленнее, а при температуре
ниже – 10 °С — почти так же, как бетон с добавкой хлористых солей.
Способ зимнего бетонирования с применением противоморозных добавок
прост и экономичен, но большое количество соли, вводимой в бетон, может
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ухудшить структуру, долговечность и некоторые особые свойства. При эксплуатации конструкции во влажных условиях имеется опасность коррозии арматуры
от действия хлористых солей (нитрит натрия и поташ коррозии не вызывают).
Таблица 7.9 – Рекомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне (в расчете на безводную соль)
Содержание добавок в бетоне, % от массы цемента
Температура твердения
бетона, °С, до
NaCl + CaCl2
NaNO3
К2СО3
–5
– 10
– 15
– 20
– 25
3+0 или 0+3
3,5 + 1,5
3,5 + 4,5
–
–
4-6
6-8
8-10
–
–
5-6
6-8
8-10
10-12
12-15
Таблица 7.10 – Прочность бетона с противоморозными
добавками, % от R28
Относительная прочность бетона, %
Температура
Добавка
твердения бето- от R28, при твердении на морозе, сут
на, ОС
7
14
28
Хлористые соли
–5
36
65
80
– 10
26
35
45
– 15
15
25
35
Поташ
–5
– 10
– 15
– 20
– 25
50
30
25
22
20
65
50
40
35
30
75
70
60
55
50
Кроме того, образующиеся в процессе твердения бетона с добавками едкие
щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в
некоторых заполнителях, и вызывать коррозию бетона, поэтому бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, в конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях, при наличии реакционноспособного кремнезема в зернах заполнителя,
а бетон с хлористыми солями — в железобетонных конструкциях.
Для различных расчетов по зимнему бетонированию (определение времени
остывания бетона, требуемых свойств теплозащиты, средней температуры бетона и др.) широко используют уравнение теплового баланса:
t
2520 (TБ . Н .  Т Б . К . )  ЦЭ
(7.5)
,
где t — продолжительность остывания, ч; ТБ.Н. — температура свежеуложенного бетона; ТБ.К. — температура бетона, до которой продолжается его остываkM (TБ .СР .  Т В.СР )
101
ние (для бетона без добавки в расчетах термосного выдерживания- обычно
принимают ТБ.К. = 0°С); Ц — расход цемента, кг/м3; Э — тепловыделение цемента, кДж/кг; k — коэффициент теплопередачи от бетона через опалубку в
окружающую среду, кВт/(м2·°С); М — модуль поверхности конструкции: М =
F:V, м-1; ТБ.СР. — средняя температура бетона за период остывания; ТВ.СР. —
средняя температура воздуха за период остывания (по прогнозу погоды).
Коэффициент теплопередачи определяют по формуле
k
1
n
0,05   hi / i
(7.6)
i 1
где hi — толщина каждого слоя изоляции, м; λi — теплопроводность изоляционного слоя, кВт/(м·ч·°С).
Теплопроводность для стали 58, для сосны 0,175, для снега 0,35 Вт/(м·°С).
Если опалубка воздухопроницаема, в ней имеются щели и неплотности, то значение коэффициента теплопередачи увеличивается в 1,5-2,0 раза.
Тепловыделение портландцемента в возрасте 28 сут примерно составляет:
для марки 500-500 кДж/кг, марки 400-420, марки 300-340 кДж/кг. Шлакопортландцемент и пуццолановый цемент выделяют теплоту на 15-20 % меньше. Для
ориентировочных расчетов принимают тепловыделение цемента к определенному сроку пропорционально его относительной прочности. Например, для цемента марки 400 тепловыделение к возрасту 7 сут при нормальном твердении
составит 0,6·420 = 252 кДж/кг.
Среднюю температуру бетона ориентировочно определяют в зависимости от
модуля поверхности:
при М < 8 ТБ.СР. = ТБ.Н. / 2;
при М >8 ТБ.СР. = ТБ.Н. / 3.
Более точные теплотехнические расчеты для зимнего бетонирования выполняются на основе современной теории тепло- и массообмена с использованием ЭВМ.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Лекция № 8 – ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Вопросы:
8.1 Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителями;
8.2 Порядок расчета состава бетона;
8.3 Экспериментальная проверка состава бетона;
8.4 Определение производственного состава бетона;
8.5 Определение состава бетона по графикам и номограммам;
8.6 Определение состава бетона с химическими добавками;
8.7 Особенности определения состава особых разновидностей тяжелого бетона.
В результате проектирования состава бетона должно быть определено такое соотношение между используемыми материалами, при котором будет гарантирована прочность бетона в конструкции с учетом технологии ее изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона
(минимальный расход цемента).
Проектирование состава бетона включает: а) назначение требований к бетону исходя из вида и особенностей службы и изготовления конструкций; б)
выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства; в) определение предварительного состава бетона; г) проверку состава в пробных замесах; д) контроль за бетонированием; е) корректировку состава в процессе производства при колебаниях свойств заполнителя
и других факторов.
8.1 Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителями
Одним из основных факторов, определяющих экономичность состава бетона
(по расходу цемента), а также его высокое качество, является правильный выбор соотношения между мелким и крупным заполнителями.
На рис. 8.1 показана зависимость различных свойств бетонной смеси от соотношения между песком и крупным заполнителем r = П/Щ.
Рис. 8.1 – Влияние соотношения r между песком и щебнем (гравием) на основные
свойства бетона, бетонной смеси и смеси заполнителей: ЦТ — абсолютный объем цементного теста; δ1, δ2 — толщина прослойки
цементного камня; VЗ — объем пустот в
смеси заполнителя: S — суммарная поверхность заполнителя: ОК1 и OK2 — подвижность бетонной смеси: RБ1, RБ2 — пределы
прочности бетона, соответствующие оптимальным значениям ЦТ1 и ЦТ2, причем
ЦТ2 > ЦТ1
103
Пустотность смеси заполнителей при определенном r имеет минимальное
значение. Удельная поверхность заполнителей уменьшается с уменьшением r.
Подвижность бетонной смеси и прочность бетона при определенном r достигают максимума, причем наивысшая прочность, как правило, соответствует
наибольшей подвижности бетонной смеси, так как при прочих равных условиях
такая бетонная смесь укладывается наиболее плотно. Таким образом, оптимальное соотношение r имеет бетонная смесь наибольшей подвижности
(наилучшей удобоукладываемости).
Подвижность или удобоукладываемость бетонной смеси зависит от многих
факторов, главным из которых при данных материалах можно считать консистенцию цементного теста, соотношение между цементным тестом и заполнителем, между песком и щебнем (гравием).
При определенной консистенции цементного теста его влияние на внутреннее
трение бетонной смеси и, следовательно, на его подвижность будет определяться толщиной прослоек цементного теста между зернами заполнителя.
Наибольшим внутренним трением или минимальной подвижностью при прочих равных условиях обладает бетонная смесь, в которой цементное тесто
лишь заполняет пустоты заполнителя. С дальнейшим увеличением содержания
цементного теста подвижность бетонной смеси возрастает.
Толщину δ, м, слоя цементного теста между зернами заполнителя определяют по формуле
δ = (ЦТ – VЗ)/SСМ,
(8.3)
где ЦТ — содержание цементного теста, л; VЗ — объем пустот в заполнителе, л; SСМ — удельная поверхность смеси заполнителей, м2/л.
При увеличении удельной поверхности заполнителя подвижность бетонной
смеси уменьшается даже при одинаковой толщине прослоек цементного теста.
Подвижность бетонной смеси зависит от критерия
N   / S СМ ,
или
N = (ЦТ – VЗ)/S2СМ,
(8.4)
Чем больше критерий N, тем выше подвижность бетонной смеси при определенной консистенции цементного теста. Критерий N можно определить, зная
пустотность и удельную поверхность смеси заполнителя и вычисляя изменение
этих характеристик для разных значений r.
При определении r объем пустот заполнителя вычисляют по формулам (2.2)
и (2.3) после предварительного определения:
VП  rVЗ /(1  r ) и VЩ  VЗ  VП .
Удельную поверхность смеси заполнителей находят по формуле
SСМ  (rП S П  S Щ ) /(1  r )
где SЩ — вычисляют по формуле (2.4).
,
(8.5)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Вычисления проще производить, пользуясь абсолютными объемами материалов, применяя коэффициент ПА и считая вначале V3 = 1. Тогда объем пустот и
удельная поверхность заполнителя при равном содержании цементного теста
составят:
(8.6)
VП . Х .  VП1VЗ. Х .
S Х  SСМ VЗ.Х .
(8.8)
где VЗ. Х .  1  ЦТ
Таким образом, расчетом можно определить ориентировочные оптимальные
значения r на основе критерия N. Это определение заключается в нахождении
такого r, которому соответствует максимальное значение N или наибольшая
подвижность бетонной смеси при данной консистенции цементного теста. Однако следует учитывать, что в действительности критерий r подчиняется несколько более сложной зависимости: с увеличением ЦТ уменьшается роль SCM
и возрастает роль δ, поэтому фактически оптимальные значения r при высоких
значениях ЦТ (ЦТ > 320 л/м3) получаются несколько более высокими, чем по
расчету.
На рис. 8.2 представлены результаты теоретического и опытного определения оптимального соотношения r для бетона на гранитном щебне и песке средней крупности. Опыт подтверждает результаты расчета. Как видно соотношение r в бетоне непостоянно: с увеличением содержания цементного теста оптимальное значение r уменьшается, т. е. сокращается доля песка в смеси заполнителей.
Рис. 8.2 – Зависимость оптимального соотношения r
между песком и щебнем (гравием) от расхода цементного
теста на 1 м3 бетона:
1 — опытная кривая; 2 — расчетная кривая
Для бетонов низких и средних марок, для которых объем цементного теста
не превышает 300 л/м3, наиболее пригодна смесь песка и щебня с минимальной
пустотностью. В этом случае достигается наибольшая толщина прослойки цементного теста и наивысшая подвижность бетонной смеси. В высокопрочных
бетонах при высоких расходах цемента желательно использовать смеси с
меньшим содержанием песка. При применении в этом случае смесей с мини105
мальной пустотностью в бетоне оказывается избыточное количество песка. В
результате снижается подвижность бетонной смеси и для получения заданной
подвижности требуется перерасход цемента.
В рассматриваемом методе определения состава бетона соотношение между
песком и щебнем устанавливают с учетом коэффициента раздвижки α. Зная r,
можно определить по формуле α:
ЦТ

П
  1000r Щ
Щ Щ
1000  ЦТ 
(8.8)
ПЩ  Щ
Если ρП = ρЩ, то формула (8.8) примет вид

ЦТ  1000r   Щ
1000  ЦТ  П Щ   Щ
(8.9)
По этим формулам и по результатам опытов были определены ориентировочные значения α в бетоне на среднем и мелком песке (табл. 8.4).
Таблица 8.4 – Расчетные и опытные значения коэффициента α
Бетон на мелком песке
Бетон на среднем песке
Значения α
Содержание цементного теста,
л/м3
расчетные
220
280
350
1,12
1,32
1,54
Значения α
действительные
Содержание
цементного
теста, л/м3
расчетные
действительные
1,10
1,28
-
220
280
350
1,24
1,43
1,54
1,23
1,39
1,51
По данным табл. 8.4 видно, что оптимальные значения коэффициента α в
пластичной бетонной смеси зависят от содержания в бетоне цементного теста и
от крупности песка: они возрастают с увеличением ЦТ и крупности песка.
По другим опытам было установлено, что оптимальный коэффициент а для
жесткой бетонной смеси при расходе цемента 200-400 кг/м3 равен 1,05-1,15.
Физический смысл изменения коэффициента α в зависимости от состава бетона и консистенции бетонной смеси заключается в следующем. В жесткой бетонной смеси содержится относительно небольшое количество цементного теста высокой вязкости, поэтому опасность водоотделения и расслоения отсутствует. В этих условиях наилучшая удобоукладываемость бетонной смеси и
прочность бетона достигаются при минимальной раздвижке зерен щебня (гравия), так как при этом расход песка и суммарная площадь поверхности заполнителей являются также минимальными. В результате зерна заполнителей
укладываются наиболее плотно, обеспечивая хорошее качество бетона. С уве-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
личением количества воды для придания бетонной смеси большей подвижности
абсолютный объем цементного теста возрастает, а его вязкость понижается.
Чтобы избежать водоотделения и расслоения бетонной смеси и обеспечить ее
связанность, необходимо увеличить коэффициент α, сохраняя тем самым, а
иногда даже увеличивая (при высоких значениях В/Ц) соотношение между песком и щебнем (гравием).
Необходимая величина изменений коэффициента α в зависимости от различных факторов была выявлена опытным путем. Было установлено, что наиболее
достоверной является зависимость коэффициента α от объема цементного теста
в пластичной бетонной смеси α = f (ЦТ). Зависимость коэффициента α от расхода цемента наблюдается только при сравнении бетонов с определенным водоцементным отношением (рис. 8.3), так как в этом случае увеличение расхода
цемента приводит и к повышению содержания цементного теста в бетоне.
Рис. 8.3 – Зависимость коэффициента раздвижки зерен α от
расхода цемента Ц
Однако для приближенного определения состава бетона, если принять в расчет лишь его наиболее употребительные составы, то можно установить увеличение коэффициента α с повышением расхода цемента (см. пунктирную линию
на рис. 8.3).
При постоянном расходе цемента увеличение водоцементного отношения ведет к увеличению расхода воды и объема цементного теста и соответственно к
повышению оптимальных значений коэффициента α. Вид и нормальная густота
цемента практически не влияют на оптимальные значения коэффициента α.
Подвижность пластичной бетонной смеси также практически не влияет на
коэффициент α, если абсолютный объем цементного теста при этом сохраняется постоянным.
Уменьшение крупности песка при прочих равных условиях вызывает уменьшение оптимальных значений α. Это объясняется тем, что более мелкие пески с
повышенной удельной поверхностью обладают более высокой водоудерживающей способностью и позволяют получать связанную и нерасслаиваемую бетонную смесь при меньшем расходе песка.
Крупность щебня влияет на коэффициент α незначительно, что позволяет не
учитывать этот фактор при выборе оптимальных значений коэффициента α.
107
Однако даже при постоянном α расход щебня в бетоне будет зависеть от его
крупности: с увеличением предельной крупности он будет возрастать, так как
будет, как правило, повышаться плотность щебня. Соответственно будут
уменьшаться значение r и расход песка в бетоне.
Форма зерен крупного заполнителя практически не влияет на оптимальные
значения коэффициента α, т. е. для бетона на щебне и гравии можно применять
одинаковые значения α. Повышение содержания песка в смеси заполнителей
при применении щебня объясняется тем, что при той же предельной крупности
гравий, как правило, имеет меньшую пустотность, чем щебень. В результате
при равных коэффициентах α в бетоне на гравии содержится меньше песка, чем
в бетоне на щебне.
Введение в бетонную смесь химических добавок практически не изменяет
оптимальных значений коэффициента α, если водоудерживающая способность
бетонной смеси достаточна. Если же при введении пластификаторов и суперпластификаторов получаются литые бетонные смеси и возникает опасность их
расслоения, то коэффициент α повышают, чтобы увеличить содержание песка и
улучшить водоудерживающие свойства смеси. При введении воздухововлекающих добавок как бы увеличивается объем цементного теста за счет мельчайших пор вовлеченного воздуха, что необходимо учитывать, несколько увеличивая оптимальные значения α или назначая α исходя из суммарного объема, занимаемого цементным тестом и вовлеченным воздухом.
Приведенные результаты исследований, установившие влияние различных
факторов на коэффициент α, показывают, что для жестких бетонных смесей
при расходе цемента менее 400 кг/м3 α следует принимать 1,05-1,15 (в среднем
1,1).
Меньшее значение — 1,05 принимается в случае использования мелких песков. Для жирных составов жестких смесей Ц > 400 кг/м3) коэффициент α
назначают по графику (рис. 8.4), при этом уменьшают его значение на 0,05-0,1.
Рис. 8.4 – Зависимость коэффициента раздвижки зерен α от расхода цементного теста на I м3 бетона (на
щебне). При уменьшении модуля
крупности песка МКР на 1 коэффициент α уменьшается на 0,1-0,15, однако
он не доджей быть менее 1,1.
Для пластичных бетонных смесей оптимальные значения коэффициента α
наиболее точно могут быть установлены на основе зависимости α = f (ЦТ), которая приведена на рис. 8.4. Для расчетов более удобно использовать данные
табл. 8.5, при определении которых зависимость α = f (ЦТ) была преобразована
в зависимость α = f (Ц, В/Ц), более удобную для использования в расчетах. В
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
табл. 8.5 приведены также рекомендации по введению поправок, учитывающих
крупность песка.
Таблица 8.5 – Оптимальные значения коэффициента α для пластичных бетонных смесей (ВП = 7%)
Коэффициенты α при В/Ц, равном
Расход цемента,
кг/м3
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
250
1,26
1,32
1,38
300
1,30
1,36
1,42
350
1,32
1,38
1,44
400
1,31
1,40
1,46
500
1,44
1,52
1,56
600
1,52
1,56
700
1,60
1,64
800
1,68
П р и м е ч а н и я : 1. При других значениях Ц и В/Ц коэффициент α находят
интерполяцией. 2. При использовании мелкого песка с водопотребностью более 7 % коэффициент α уменьшают на 0,33 на каждый процент увеличения водопотребности песка. Если применяется крупный песок с В П < 7 %, коэффициент α увеличивают на 0,03 на каждый процент уменьшения ВП.
Незначительные отклонения коэффициента α от оптимального значения
практически не сказываются на свойствах бетона и бетонной смеси, поэтому
его отклонения на ±0,05 при определении состава бетона вполне допустимы.
В некоторых особых случаях коэффициент α определяют исходя не только
из условий получения определенной прочности бетона и подвижности бетонной смеси, но с учетом дополнительных требований. В этих случаях возможна
определенная корректировка коэффициента α.
Например, для бетона тонкостенных конструкций или для декоративных бетонов несколько увеличивают коэффициент α, чтобы гарантировать хороший
внешний вид лицевых поверхностей бетона.
При необходимости оптимальные значения коэффициента α можно устанавливать по результатам определения подвижности бетонной смеси, которая
наиболее показательно откликается на изменения коэффициента α.
8.2 Порядок расчета состава бетона
Состав бетонной смеси выражают двумя способами:
1. Соотношением по массе (реже по объему, так как это менее точно) между
цементом, песком и гравием (или щебнем) с обязательным указанием водоцементного отношения и активности цемента. Количество цемента принимают за
1, поэтому соотношение между составными частями бетона записывают в виде:
1:х:у с указанием В/Ц (например, 1 : 2 : 4 по массе при В/Ц = 0,6).
2. Расходом материалов по массе (кг) на 1 м3 уложенной и уплотненной бе109
тонной смеси, например:
Цемент
280
Песок
700
Щебень 1250
Вода
170
И т о г о : 2400
Различают нормальный (лабораторный) состав бетона, устанавливаемый для
сухих материалов, и производственный (полевой) — для материалов в естественно-влажном состоянии. Лабораторный состав бетона определяют расчетно-экспериментальным путем. Состав бетона предварительно рассчитывают, по
абсолютным объемам, используя формулы для определения расхода воды, цемента, песка и щебня (гравия), выведенные на основании рассмотренных выше
зависимостей, а затем уточняют пробными затворениями.
Порядок расчета состава бетона следующий: 1. Определяют В/Ц (или Ц/В) в
зависимости от требуемой прочности, срока и условий твердения бетона. Водоцементное или цементно-водное отношение находят путем предварительных
опытов, устанавливающих зависимость прочности бетона от этого фактора и
активности цемента (с применением местных заполнителей) или ориентировочно по формулам:
а) для обычного бетона при В/Ц > 0,4
(8.10)
В / Ц  АRЦ /( RБ  А  0,5RЦ ) ;
б) для высокопрочного бетона при В/Ц < 0,4
В / Ц  А1 RЦ /( RБ  А1  0,5 RЦ )
(8.11)
Значения коэффициентов А и А1 берут из табл. 5.1 либо находят Ц/В по графикам (рис. 8.5). Формулу (8.10) следует применять, если RБ <2АRЦ, в других
случаях надо пользоваться формулой (8.11).
Рис. 8.6 – График для назначения
Ц/В в зависимости от требуемой
прочности бетона RБ и марки применяемого цемента RЦ
При расчете состава бетона иногда необходимо учитывать требования к нему
по морозостойкости, водонепроницаемости, прочности на растяжение при изгибе и пр. В этом случае для назначения В/Ц используют соответствующие зависимости, примеры которых приведены далее, но способ определения состава
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
бетона в принципе сохраняется.
2. Определяют расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси на основании результатов предварительных испытаний или ориентировочно по графикам на рис. 3.10. При этом необходимо учитывать водопоглощение крупного заполнителя, если оно более 0,5 % по массе. Графики на
рис. 3.10 составлены для расхода цемента до 400 кг/м3 с применением гравия и
песка средней крупности с водопотребностью 7%. В случае использования других заполнителей необходимо вносить соответствующие поправки, указанные в
примечании к графикам.
3. Определяют расход цемента:
Ц = В:В/Ц.
(8.12)
3
Если расход цемента на 1 м бетона окажется ниже допускаемого по СНиП
(см. табл. 8.2), то следует увеличить его до требуемой нормы или ввести тонкомолотую добавку. Последнюю обычно применяют в случае, если активность
цемента слишком высока для бетона данной марки.
4. Устанавливают коэффициент раздвижки α для пластичных бетонных смесей по графику (см. рис. 8.4) в зависимости от количества цементного теста и
крупности песка или выбирают его значение по табл. 8.5.
5. Определяют расход щебня или гравия по формуле (8.1).
6. Определяют расход песка по формуле (8.2).
7. Проверяют на пробных замесах подвижность (осадку конуса или жесткости) бетонной смеси, при необходимости вносят поправки в расчет состава бетона. Если применяют воздухововлекающие добавки, количество вовлеченного
воздуха учитывают при подсчете расхода песка.
Современная технология отличается большим разнообразием требований к
бетону, материалов для бетона и технологических приемов приготовления и
укладки бетонной смеси. Однако нет необходимости создавать для каждого
случая свой метод расчета.
Расчет состава обычного тяжелого бетона должен выполняться по рассмотренной методике. Специфические требования к бетону и материалам для него
надо учитывать путем введения соответствующих поправок.
Пример 8.1. Определить состав бетона класса по прочности на сжатие В22,5
(М300) с подвижностью бетонной смеси по осадке конуса 4-5 см. Материалы:
портландцемент активностью 37,5 МПа, песок средней крупности с водопотребностью 7% и истинной плотностью 2,63 кг/л; гранитный щебень с предельной крупностью 40 мм, истинной плотностью 2,6 кг/л.
1. Водоцементное отношение вычисляем по формуле (8.10)
В / Ц  0,6  375 /(300  0,6  0,5  375)  0,54 .
2. По графикам на рис. 3.10 ориентировочный расход воды составляет 178
л/м3.
3. Расход цемента определяем по формуле (8.12)
Ц = 178/0,54 = 330 кг/м3.
111
4.Пустотность щебня составляет
ПЩ = 1 – (ρ/γ) = 1 – 1,48/2,6 = 0,43.
По табл. 8.5 коэффициент раздвижки α = 1,38 (по интерполяции).
5.Расход щебня определяем по формуле (8.1)
Щ
1000
 1270 кг/м3.
0,43 1,38 1

1,48
2,6
6.Расход песка находим по формуле (8.2)

1270 
 330
П  1000  
 178 
  2,63  600 кг/м3.
2,6 
 3,1

Плотность бетонной смеси равна 330 + 178 + 1270 + 600 = 2378 кг/м3.
Состав проверяют и при необходимости уточняют на пробных замесах.
Пример 8.2. Определить состав бетона класса по прочности на сжатие В22,5
(М300) при жесткости бетонной смеси по техническому вискозиметру 60 с.
Материалы те же, что в примере 8.1.
1. Вычисляем водоцементное отношение по формуле (8.10)
В/ Ц 
0,6  375
 0,54 .
300  0,5  0,5  375
2. По графику на рис. 3.10 ориентировочный расход воды составляет 130
л/м3.
3. Расход цемента определяем по формуле (8.12)
Ц = 130/0,54 = 240 кг/м3.
4. Коэффициент раздвижки для жесткой бетонной смеси при умеренном расходе цемента принимаем равным α = 1,1.
5. Расход щебня определяем по формуле (8.1)
Щ
1000
 1420 кг/м3.
0,43 1,1 1

1,48
2,6
6.Расход песка находим по формуле (8.2)

1420 
 240
П  1000  
 130 
  2,63  625 кг/м3.
2,6 
 3,1

Расчетная масса бетонной смеси составляет 240+130+1420+625 = 2415 кг/м3.
Сравнив составы бетона в примерах 8.1 и 8.2, видим, что применение жесткой бетонной смеси обеспечивает заметную экономию цемента (330 – 240 = 90
кг, что приблизительно составляет 27 %).
8.3 Экспериментальная проверка состава бетона
Для экспериментальной проверки состава бетона изготовляют пробную порцию бетонной смеси и определяют ее подвижность. Вследствие особенностей
свойств применяемого цемента и местного заполнителя осадка конуса или
жесткость бетонной смеси может отличаться от заданной.
Предположим, что в примере 8.1 осадка конуса оказалась равной 0 см, т. е.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
бетонная смесь недостаточно подвижна. Для увеличения подвижности повышают расход воды примерно на 5-10 %. Одновременно прибавляют 5-10 % цемента
для того, чтобы не изменилось водоцементное отношение. Снова перемешивают бетонную смесь, измеряют осадку конуса и так до тех пор, пока не получат
требуемых показателей.
Если при первом измерении подвижность бетонной смеси превышает заданную (например, ОК = 8 см вместо 4-5 см), добавляют небольшое количество
песка и щебня (по 5-10 %). Затем уточняют состав бетона, так как первоначальный объем порции бетонной смеси увеличивается. Для этого определяют фактическую плотность бетонной смеси при способе уплотнения, принятом в производственных условиях. Испытание проводят следующим образом: пустую
форму взвешивают, проверяют ее внутренние размеры, заполняют смесью,
уплотняют и вновь взвешивают.
Плотность уплотненной бетонной смеси (кг/л) вычисляют по формуле
γб.см. = (G2 - G1)/VФ ,
где G1 и G2 — масса пустой формы и формы с бетоном, кг; VФ — внутренний
объем формы, л.
Полученное значение плотности бетонной смеси должно совпадать с расчетным (допускаемое отклонение ±2 %). Далее устанавливают фактический объем
полученной бетонной смеси в пробном замесе:
VФ = ΣG/ γФ
где ΣG — сумма масс материалов, израсходованных на пробный замес, кг;
γФ — фактическая плотность уплотненной бетонной смеси, кг/л.
Зная объем полученной бетонной смеси и расход материалов на пробный замес, определяют фактический объем материалов на 1 м3 бетона.
Объем пробного замеса зависит от числа требуемых образцов (Приложение В). Если для определения марки бетона готовят по три образца, то принимают следующий минимальный объем замеса:
Размер ребра образца, см … … … … … . 10
Объем пробного замеса, л ……………………6
15
12
20
23
30
85
Применительно к условиям примера 8.1 необходимо принять размер контрольных образцов 15х15х15 см (более 3DПР щебня), следовательно, объем замеса будет 12 л. Расход материалов на один замес составит:
цемент ......................
песок..........................
щебень......................
вода ..........................
3,96 кг (330x0,012)
7,2 кг (600x0,012)
15,25 кг (1770x0,012)
2,14 л (178x0,012)
При использовании щебня нескольких фракций следует определить расход
каждой фракции исходя из оптимального соотношения между ними. Если для
113
получения требуемой подвижности пришлось увеличить количество цемента и
воды на 10 %, то окончательный расход материалов на замес составит:
цемент ........................... 4,36 кг (3,96 + 0,4)
песок ............................. 7,2 кг
щебень .......................... 15,25 кг
вода ............................... 2,35 л (2,14+0,21)
В се го ......................................29,16 кг
Предположим, что действительная плотность бетонной смеси оказалась 2350
кг/м3, или 2,35 кг/л. Тогда объем замеса VФ = 29,16/2,35 = 12,4 л.
Фактический расход материалов на 1 м3 бетона будет равен:
Ц = 4,36:0,0124 = 350 кг; В = 190 л; П = 580 кг; Щ = 1230 кг.
Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы и затем их испытывают. На каждый срок испытания изготовляют не менее трех образцов. Образцы формуют в разборных чугунных или стальных (строганых)
формах. Размеры их необходимо строго выдерживать, не допуская отклонения
более ±1 % по граням. Углы между гранями должны составлять 90±2°. Приемы
укладки и уплотнения образцов должны соответствовать принятым на производстве. Укладку бетонной смеси в формы следует заканчивать не позднее чем
через 30 мин после ее приготовления.
При уплотнении бетонной смеси вибрированием форму заполняют с некоторым избытком, после чего ее вибрируют на лабораторной площадке (частота
колебаний 50 Гц, амплитуда колебаний вибратора под нагрузкой 0,5 мм). Лабораторную виброплощадку можно заменить поверхностным вибратором. Продолжительность вибрирования t должна определяться в соответствии с показателем жесткости t = (1,5+2) Ж, но не менее Ж+30 с.
Образцы в течение двух суток хранят в формах в помещении с температурой
16-20 °С, затем освобождают из форм, маркируют и до момента испытания
хранят в специальной камере с влажностью около 100 % или в периодически
смачиваемых песке, опилках и т.д. Перед испытанием тщательно осматривают
образцы, измеряют грани (с точностью до 1 мм), взвешивают.
При испытании прочности образец укладывают на нижнюю опорную плиту
боковыми гранями. Предел прочности при сжатии бетона вычисляют с точностью до 0,1 МПа, как среднее арифметическое результатов испытания трех образцов при условии, что наименьший результат отличается не более чем на
20 % от ближайшего показателя. При превышении этой разницы более чем на
20 % вычисление производят по двум наибольшим результатам.
Если действительная прочность бетона при сжатии отличается от заданной
более чем на ±15%, следует внести коррективы в состав бетона: для повышения
прочности увеличивают расход цемента (т.е. Ц/В), для снижения прочности —
уменьшают его.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
8.4 Определение производственного состава бетона
На производстве часто применяют при приготовлении бетона влажные заполнители. Количество влаги, содержащейся в заполнителях, должно учитываться при определении действительного расхода воды. В этом случае производят корректировку состава.
Вначале определяют содержание воды в заполнителях по формулам:
ВП = П·WП ;
(8.13)
ВЩ = Щ·WЩ ;
(8.14)
где WП, WЩ — влажность песка и щебня (гравия).
Затем устанавливают действительный расход воды: BД = B – ВП – ВЩ. Поскольку часть массы влажных заполнителей составляет вода, то необходимо
увеличить их массу, чтобы обеспечить поступление в бетон полученной расчетом массы твердого материала. Расход песка и щебня увеличивают на массу
воды, которая в них содержится, т. е. их расход в производственном составе
будет соответственно равен:
ПД = П + ВП и ЩД = Щ + ВЩ.
Расход цемента при данной корректировке состава сохраняется неизменным.
Если для условий примера 8.1 принять, что влажность песка 3 % и щебня
1 %, то содержание воды в песке — ВП = 600x0,03 = 18 л, то же в щебне — ВЩ =
127х0,01 = 12,7 л
В с е г о 30,7 ≈ 31 л.
Для сохранения В/Ц и заданной прочности бетона расход воды, полученный
при расчете, для сухих заполнителей в примере 8.1 уменьшается, а сухой песок
и гравий соответственно заменяется влажными. Тогда расход материалов в
производственном составе бетонной смеси будет следующий:
цемент ........................... 330 кг
песок ............................. 600 + 18 = 618 кг
щебень .......................... 1270 + 13 = 1283 кг
вода ............................... 177 – 31 = 146 л
В с е г о …………………………..2377 кг
Плотность бетонной смеси не изменяется.
При загрузке цемента и заполнителя в бетоносмеситель их первоначальный
объем больше объема получаемой бетонной смеси, так как при перемешивании
происходит как бы уплотнение массы: зерна цемента располагаются в пустотах
между зернами песка, зерна песка — между зернами щебня. Для оценки объема
получаемой бетонной смеси используют так называемый коэффициент выхода
бетона βб, определяемый по формуле
б 
1000
,
Ц / Ц  П / П  Щ / Щ
(8.15)
где γЦ, γП, γЩ — плотность цемента, песка и щебня.
Влияние воды при определении коэффициента выхода бетона не учитывают,
так как вода сразу же проливается в пустоты твердых материалов и на их первоначальный объем не влияет. Однако при определении коэффициента βб для
115
производственного состава используют плотность влажных заполнителей, так
как последняя может заметно отличаться, особенно для песка, от плотности сухих заполнителей.
Коэффициент выхода бетона зависит от состава бетона и свойств используемых материалов и колеблется в пределах 0,55-0,75.
При расчете расхода материалов на один замес бетоносмесителя принимают,
что сумма объемов цемента, песка и щебня (в рыхлом состоянии) соответствует емкости барабана бетоносмесителя. Тогда объем бетона VЗ, получаемый из
одного замеса, составит
VЗ = βбVб.с.
(8.16)
где Vб.с. — емкость бетоносмесителя.
Расход материалов на замес бетоносмесителя определяют с учетом получаемого объема бетона (Ц3=Ц·VЗ и т.д.).
Для рассмотренного выше примера, если γВ.П = 1,65 и γВ.Щ = 1,48 кг/дм3, получим
б 
1000
 0,67 .
330 / 1,3  618 / 1,65  1283 / 1,48
Для бетоносмесителя с емкостью барабана 500 л выход бетона из одного замеса составит 500 · 0,67 = 335 л, или 0,335 м3.
Расход материалов на один замес составит:
цемент .................. 330·0,335 = 111 кг
песок .................... 618·0,335 = 207 кг
щебень ................. 1283·0,335 = 430 кг
вода ...................... 136·0,335 = 45 л
Состав бетона можно выразить также в виде соотношения 1: х: у, т. е.
330 618 1283
:
:
= 1:1,87:3,89.
330 330 330
Для уточнения расчетных формул, особенно при больших объемах бетонных
работ, рекомендуется предварительно испытать бетон и бетонную смесь, приготовленную на предназначенных к применению материалах, выдерживая образцы в условиях, соответствующих производственным. При использовании
уточненных зависимостей для прочности бетона и подвижности бетонной смеси можно назначать состав бетона без экспериментальной проверки с последующей его корректировкой, если это потребуется, по результатам испытания
контрольных образцов, приготовленных при бетонировании конструкции или
сооружения.
Если ожидается применение одной-двух марок бетона, достаточно изготовить три пробных замеса с тремя значениями В/Ц, например 0,4; 0,55 и 0,7.
Необходимо, чтобы диапазон значений В/Ц предполагал получение бетона
прочностью на 15-20 % ниже и выше заданной марки. Подвижность бетонной
смеси подбирают в соответствии с заданием. Состав бетона для пробных затворений рассчитывают обычными методами.
По результатам испытаний, проведенных в заданные сроки, строят график
зависимости прочности бетона от Ц/В при данном цементе или уточняют коэффициенты А и С в формулах (5.4), (5.5) и (8.10), (8.11). Например, если ре-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
зультаты предварительных испытаний для бетона марки М 200 нанести на график (рис. 8.6), то коэффициент С будет соответствовать отрезку [01], а коэффициент А — отношению ординаты к абсциссе при любом значении последней: А
= [03]/[02].
Рис. 8.6 – Построение
зависимости RБ = f(Ц/В) по
результатам предварительных испытаний
8.5 Определение состава бетона по графикам и номограммам
На практике из одних и тех же материалов обычно приходится готовить бетоны различных марок с разной консистенцией бетонной смеси. При этом число
составов может достигать нескольких десятков. В этом случае нецелесообразно
проводить предварительные испытания для каждой марки бетона отдельно, рациональнее провести испытания, позволяющие построить обобщенные зависимости, связывающие прочность, подвижность, водоцементное отношение и
расход цемента. Тогда объем предварительных испытаний резко сокращается.
Наиболее часто для построения обобщенных зависимостей проводят испытания девяти серий образцов. При этом принимают три расхода цемента и три
значения водоцементного отношения. Изменение водоцементного отношения
при постоянном расходе цемента изменяет содержание воды в бетонной смеси
и тем самым изменяет ее подвижность. В результате таких испытаний получают бетонную смесь разной подвижности и бетоны разной прочности. Матрица
результатов испытаний представлена в табл. 8.6.
Таблица 8.6 – План и результаты испытания различных составов бетона
Прочность на
Расход
Жесткость
Серия
В/Ц
сжатие бетона,
цемента, кг/м3
бетонной смеси, с
МПа
1
Ц1
В/Ц1
Ж1
R1
2
Ц1
В/Ц2
Ж2
R2
3
Ц1
В/Ц3
Ж3
R3
4
Ц2
В/Ц1
Ж4
R4
5
Ц2
В/Ц2
Ж5
R5
6
Ц2
В/Ц3
Ж6
R6
7
Ц3
В/Ц1
Ж7
R7
8
Ц3
В/Ц2
Ж8
R8
9
Ц3
В/Ц3
Ж9
R9
По этим результатам можно построить графики, по которым производить
117
определение составов бетона при любом заданном значении жесткости бетонной смеси и прочности бетона. При проведении опытов принимают такие крайние значения водоцементных отношений и расходов цемента, которые обеспечивают получение результатов, полностью перекрывающих весь диапазон возможных на данном производстве марок бетона и подвижности бетонной смеси.
Определение состава бетона для пробных замесов проводится по рассмотренной выше методике.
На графиках (рис. 8.7) приведена зависимость жесткости бетонной смеси от
водоцементного отношения и расхода цемента.
По результатам испытаний строят три кривые Ж = f(В/Ц) для трех расходов
цемента. При необходимости по интерполяции можно построить дополнительные кривые для других расходов цемента.
Для зависимости прочности бетона от водоцементного отношения также
вначале по результатам опытов строят три кривые, которые при необходимости
могут быть дополнены кривыми для других значений расхода цемента
(рис. 8.8).
Рис. 8.7 – Зависимость жесткости бетонной смеси Ж от водоцементного
отношения В/Ц и расхода цемента Ц
Рис. 8.8 – Зависимость прочности бетона RБ от расхода цемента Ц и от водоцементного отношения В/Ц
На основе полученных графических зависимостей для жесткости бетонной
смеси и прочности бетона от водоцементного отношения и расхода цемента
можно построить обобщенный график, устанавливающий зависимость свойств
бетона и бетонной смеси от ее состава. Этот график представлен на рис. 8.9, на
котором приведены кривые, показывающие бетонные смеси с одинаковой
жесткостью и бетон с одинаковой прочностью, получаемые при различных
расходах цемента и различной величине водоцементного отношения.
При определении состава бетона по этому графику находят точку пересечения линий «изожесткости» и «изопрочности», соответствующих заданной жесткости бетонной смеси и прочности бетона, и принимают водоцементное отно-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
шение и расход цемента, которые соответствуют этой точке. В этом случае будет обеспечено получение бетона данной прочности при заданной подвижности бетонной смеси.
Рис. 8.9 – Зависимость прочности
бетона от В/Ц, расхода цемента и удобоукладываемости (цифры на кривых
обозначают жесткость бетонной смеси
и прочность бетона).
Для определения состава бетона могут использоваться и другие графики и
номограммы, построенные по результатам предварительных испытаний как выполняемых по простейшему плану эксперимента, рассмотренному выше, так и
проводимые по более сложным планам с построением соответствующих математических моделей.
8.6 Определение состава бетона с химическими добавками
С каждым годом расширяется номенклатура добавок, используемых для
улучшения свойств бетонной смеси и бетона. Однако это не требует применения для каждого вида добавок особых методов проектирования его состава.
Определение состава бетона в этом случае производят на основе единой методики, рассмотренной выше, с учетом влияния добавок на основные зависимости «состав — свойство», используемые в расчетах.
При этом учитывают, что добавки не изменяют характера зависимостей, в
частности зависимостей подвижности бетонной смеси от расхода воды и прочности бетона, от активности цемента и цементно-водного отношения, а только
изменяют количественное соотношение между разными факторами. Величина
подобных изменений зависит от дозировки добавки и может быть учтена на основе рекомендаций, содержащихся в технических условиях, или инструкции по
применению данной добавки или установлена по результатам предварительных
опытов.
На рис. 8.10 показано влияние добавок пластификатора и суперпластификатора на зависимость подвижности бетонной смеси от расхода воды. Введение
добавок способствует повышению подвижности смеси и уменьшает расход воды, необходимый для получения равноподвижных смесей, однако основная зависимость – осадка конуса OK = f(B) – имеет одинаковый характер и в обычном бетоне, и в бетоне с добавками.
Изменяются только положение кривой и, соответственно, получаемые по
119
ней количественные результаты. Если известно, что добавка уменьшает водопотребность бетонной смеси на 10 или 20 %, то можно построить соответствующие кривые и по ним определять расход воды, требуемый для получения заданной подвижности смеси.
При введении комплексных добавок влияние их на водопотребность бетонной смеси можно оценивать по виду и дозировке пластифицирующего компонента. При введении ускорителей твердения ориентировочно можно считать,
что зависимость подвижности смеси от расхода воды в этом случае не изменяется и определять расход воды по рекомендациям для обычного бетона без добавки.
ОК, см
В, л
1
2
3
В, л
Рис. 8.10 – Влияние добавок
на водопотребность В бетонной
смеси: 1 – бетонная смесь с суперпластификатором; 2 – то же,
с СДБ; 3 – то же, без добавки
450
600 Ц, кг/м 3
Рис. 8.11 – Влияние суперпластификатора на зависимость водопотребности бетонной смеси от расхода
цемента: 1 – бетонная смесь с суперпластификатором; 2 - без добавки
В бетонной смеси при расходе цемента от 200 до 450 кг изменение содержания цемента практически так мало сказывается на изменении водопотребности,
что этим влиянием пренебрегают. В этом случае говорят о законе постоянства
водопотребности бетонной смеси. Введение пластификаторов и суперпластификаторов не нарушает этой закономерности, но изменяет количественное значение водопотребности и пределы, в которых проявляется эта зависимость
(рис. 8.11). Введение этих добавок не только уменьшает водопотребность бетонной смеси, но и смещает верхний предел в сторону больших расходов цемента, т. е. закон постоянства водопотребности бетонных смесей сохраняется
при введении пластификаторов до расхода цемента 500-550 кг/м3, а при введении суперпластификатора до 550-600 кг/м3, поэтому при высоких расходах цемента в этом случае не надо вводить дополнительную дозу цемента, которая
рекомендована для бетонов без добавок.
Эффект воздействия суперпластификатора на бетонную смесь зависит от количества введенной добавки и минералогического состава цемента (табл. 8.7).
Однако влияние второго фактора невелико и может быть учтено соответствующей корректировкой содержания добавки: при применении алюминатных
цементов дозировка добавки увеличивается на 0,1-0,2 % массы цемента.
Сравнение пластифицирующего действия на бетонную смесь различных суперпластификаторов показало, что оно приблизительно одинаково.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Например, при содержании добавки 1 % массы цемента и расходе цемента
500 кг/м3 снижение водопотребности (величина редуцирования воды ΔВ) для
разных добавок колебалась от 23 до 25 %.
При определении состава для пробных замесов можно принимать средние
значения ΔВ, которые зависят от дозировки суперпластификатора: при дозировке 0,5 % массы цемента расход можно уменьшить на 15 %, а каждое последующее увеличение дозировки на 0,25 % снижает расход воды еще на 4-5 %.
При введении в бетонную смесь СДБ или добавок подобного класса, т. е.
близких по эффекту воздействия, для расчета ориентировочно можно использовать данные табл. 3.1 или применять условное среднее значение ΔВ = 10 % с
последующим уточнением этой величины опытным путем.
Таблица 8.7 – Влияние содержания суперпластификатора и минералогического состава цемента на эффективность его действия
Условная
группа
цемента
1
2
3
Средняя величина уменьшения расхода
Содержание в цеменводы в равноподвижных смесях при дозите, %
ровке суперпластификатора, %
C3S
49
40
33
С3А
6
7-8
10
0,50
18
17
15
0,75
23
22
19
1,00
28
27
24
1,25
33
32
29
При улучшении пластифицирующих свойств СДБ посредством модификации
ее щелочами или полимерными добавками (добавки ХДСК или ЛСТМ) значение ΔВ повышается до 12-15 %. Для воздухововлекающих добавок значение
ΔВ составляет 3-7 %.
Влияние добавок на водопотребность бетонной смеси можно учесть соответствующим коэффициентом К1, который показывает, насколько уменьшается в
бетонной смеси с добавкой расход воды В1 требуемый для получения заданной
подвижности, по сравнению с обычной бетонной смесью. Расход воды B1 = K1B.
Если известна величина снижения водопотребности бетонной смеси с добавкой
ΔВ, %, то К1 = (100 – ΔВ)/100, например, если при введении в бетонную смесь
добавки СДБ принять ΔВ ≈ 10 %, то К1 = 0,9.
Приведенные выше данные по влиянию добавок пластификаторов и суперпластификаторов на снижение водопотребности бетонной смеси относятся к
тем случаям, когда в бетонную смесь вводится оптимальная дозировка добавки.
При уменьшении содержания добавки эффективность ее воздействия на бетонную смесь уменьшается, при повышении содержания добавки по сравнению
с оптимальными значениями заметно замедляется твердение бетонной смеси,
что требует либо одновременного введения в бетонную смесь ускорителей твердения, либо применения других мероприятий, ускоряющих твердение бетона.
В результате может снизиться технико-экономическая эффективность использования добавки в бетонной смеси.
Оптимальные дозировки пластифицирующих и воздухововлекающих доба121
вок приведены в табл. 8.8 и 8.9.
При дозировке пластифицирующих добавок учитывается вид цемента, а при
выборе дозировки воздухововлекающих добавок — расход цемента.
Оптимальная дозировка суперпластификатора зависит от ожидаемого технико-экономического эффекта: вводится ли добавка для повышения подвижности
бетонной смеси, либо сокращения расхода цемента, либо для повышения прочности бетона, либо для совершенствования формования бетонных и железобетонных изделий. Эффект применения постепенно повышается с увеличением
содержания добавки, но при расходе добавки более 1,2 % массы цемента может
также наступать замедление твердения бетона, что нежелательно при изготовлении сборных железобетонных конструкций.
Таблица 8.8 – Рекомендуемое количество пластифицирующих и пластифицирующе-воздухововлекающих добавок
Добавки в расчете на сухое вещество,
% от массы цемента
Вид цемента
М, ВЛХК,
СДБ, УПБ
ГКЖ-10,
ВРП-1
ГКЖ-11
Портландцемент, быстротвердеющий портландцемент
0,15-0,25
0,10-0,20
0,005-0,01
Сульфатостойкий портландцемент
0,10-0,20
0,05-0,15
0,01-0,02
Шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент
0,20-0,30
0,10-0,20
0,01-0,03
Определение оптимальной дозировки суперпластификаторов на практике
производят опытным путем. Для расчета состава пробных замесов можно ориентировочно принимать, что для обычных бетонов оптимальная дозировка добавки составляет 0,5-0,7 %, а для высокопрочных бетонов 0,7-1,2 % массы цемента.
Таблица 8.9 – Рекомендуемое количество воздухововлекающих и газообразующих добавок
Добавки
СНВ, СПД, ЦНИПС-1,
СДО, С, ОП, ГКЖ-94
Количество в расчете на сухое вещество, % массы цемента, при расходе его, кг/м3
До 300
0,005-0,015
0,06-0,08
300-450
0,01-0,02
0,05-0,07
Более 450
0,015-0,035
0,03-0,05
При применении комплексных добавок учитывается суммарный эффект влияния добавки на бетонную смесь, а дозировки компонентов принимаются для
каждой добавки самостоятельно (табл. 8.10). Оптимальное решение по опти-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
мальной дозировке добавки принимается после проведения контрольных испытаний.
В этом случае стремятся достигнуть поставленных целей при минимально
возможном расходе добавки.
Характер зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения при
применении химических добавок также не изменяется. Введение пластификатора и суперпластификатора может несколько изменить положение кривой Rб =
f(Ц/B) по сравнению с кривой для бетона без добавки. Если добавка приводит к
дополнительному воздухововлечению в бетонную смесь, то прочность при одном и том же Ц/В несколько понижается. Если же добавка способствует получению более плотного цементного камня, то прочность несколько повышается,
а соответственно кривая Rб = f(Ц/B) располагается выше кривой для обычного
бетона (рис. 8.12). Положение кривой или значение коэффициентов в формулах
прочности бетона может быть установлено в результате предварительных испытаний. При определении состава бетона можно использовать вышеприведенные формулы (8.10), (8.11), а возможные изменения прочности бетона учитывать поправочным коэффициентом К2 = RДОБ/Rб . Если добавка не влияет на
прочность бетона в возрасте 28 сут, то коэффициент К2 = 1.
Таблица 8.10 – Рекомендуемые составы комплексных добавок
Вид добавок
СДБ+(СНВ, СПД)*
СДБ+(ГКЖ-94, ПГЭН)
СДБ+(СН, ХК, НК, ННХК)
УПБ+СН
ПАЩ-1+(СНВ, СПД)
СДБ+(СНВ, СПД) +ННК
Количество добавок в расчете на сухое вещество, % массы цемента
(0,1-0,3) + (0,003-0,03)
(0,1-0,3) + (0,05-0,1)
(0,1-0,3) + (0,3-1,5)
(0,1-0,3) + (0,5-1,5)
(0,1-0,3) + (0,005-0,02)
(0,1-0,15) + (0,001-0,03) + (0,5-1,5)
* Здесь и далее применяется один из компонентов, указанных в скобках.
Введение пластификаторов и суперпластификаторов расширяет область, в
которой наблюдается прямолинейная зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения. Для бетона с пластификаторами изменение прямолинейной зависимости наступает при Ц/В > 3,3, а для бетонов с суперпластификатором при Ц/В > 4 (см. рис. 8.12).
123
R
1
2
Rδ1
Рис. 8.12 – Влияние суперпластификатора на зависимость прочности от
Ц/В: 1 – бетон с суперпластификатором; 2 – бетон без добавки
ΔR2
ΔR1
Rδ
Ц/В
Ц/В1
Ц/В
Это влияние добавок на свойства бетона при высоких значениях Ц/В позволяет использовать при расчете высокопрочных бетонов формулу Rб=ARЦ /(Ц/В
– С), т. е. производить расчет обычного и высокопрочного бетона по единой
формуле прочности.
Если расход цемента при приготовлении бетона остается неизменным, то
суммарное влияние добавок пластификатора и суперпластификатора на свойства бетона складывается из влияния их на плотность цементного камня и тем
самым на повышение прочности бетона (при постоянном В/Ц), что учитывается
коэффициентом К2, и из эффекта, достигаемого за счет снижения расхода воды
и повышения вследствие этого Ц/В. На рис. 8.12 подобное изменение прочности показано как величины ΔR1 и ΔR2.
Можно оценить суммарное влияние добавок с помощью суммарного коэффициента К3, который представляет собой отношение прочности бетона с добавкой и пониженным В/Ц (для равноподвижной бетонной смеси) RДОБ к прочности бетона без добавки Rб.
 Ц

 0,5 , то
Поскольку R ДОБ  К 2 АRЦ 
 К1В

К3  К 2
1  К 2 0,5К1 B / Ц
.
1  0,5К1 B / Ц
Приведенные соображения для добавок пластификаторов и суперпластификаторов можно распространить и на случай применения добавок-ускорителей
твердения. Эти добавки, заметно изменяя твердение бетона в раннем возрасте,
практически мало влияют на его прочность в возрасте 28 сут. В отдельных случаях повышение прочности составляет не более 10-15%, поэтому и в этом случае можно полагать, что добавки-ускорители твердения не меняют зависимости
прочности бетона от цементно-водного фактора в возрасте 28 сут, а возможное
влияние их на изменение прочности можно учитывать как при случае с пластификаторами коэффициентом К2.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Добавки-ускорители твердения существенно изменяют прочность бетона в
раннем возрасте, однако влияние их на кинетику твердения бетона зависит от
вида цемента, состава бетона, условий твердения и ряда других факторов. Возможное повышение прочности бетона вследствие применения добавок в возрасте 1 сут приведено в табл. 8.11. Наилучшие результаты достигаются, когда
твердение бетона с добавками происходит при несколько повышенной температуре.
Это позволяет в раннем возрасте получить достаточно высокую относительную прочность бетона и в некоторых случаях отказаться от тепловой обработки железобетонных изделий. Добавки-ускорители твердения должны вводиться в бетонную смесь в оптимальных количествах. Обычно оптимальная дозировка добавок устанавливается из условия, что добавка оказывает еще достаточно эффективное воздействие на бетон, но при этом не вызывает побочных
отрицательных явлений.
Таблица 8.11 – Относительная прочность бетона с добавками
в раннем возрасте
Добавка
Ускоритель твердения (СаС12)
Комплексная добавка (ускоритель
твердения, суперпластификатор, антивоздухововлекающий компонент)
То же, твердение при 40 °С
Без добавки (для сравнения)
В/Ц
Относительная прочность бетона
в возрасте 1 сут на цементе марки
0,4
0,6
400
0,30
0,20
500
0,40
0,30
600
0,45
0,35
0,4
0,6
0,40
0,30
0,50
0,40
0,55
0,45
0,4
0,6
0,4
0,6
0,55
0,45
0,20
0,10
0,65
0,55
0,25
0,15
0,70
0,60
0,35
0,25
При меньшей дозировке добавки падает ее эффективность, при большей дозировке, с одной стороны, значительно понижается эффект от воздействия каждого дополнительного количества добавки, вводимого в бетон сверх оптимального, что снижает общий технико-экономическтт эффект, а с другой стороны,
могут наступить нежелательные явления, например добавка СаС12 в повышенных количествах может способствовать коррозии арматуры.
Оптимальные дозировки добавок обычно устанавливают опытным путем.
Для определения состава бетона для пробных замесов можно принимать оптимальные дозировки добавок по табл. 8.12.
125
Таблица 8.12 – Оптимальное содержание добавок-ускорителей твердения и
ингибиторов коррозии стали
Содержание добавок в расчете на
сухое вещество, % массы цемента
Вид цемента
В/Ц
ННК,
СН, ХК
НК, ННХК
НН
Портландцемент, БТЦ,
сульфатостойкий порт0,35-0,55
1,0-1,5
1,5-2,5
2,5
ландцемент
0,55-0,75
0,5-1,0
1,0-2,0
2,0
Шлакопортландцемент,
пуццолановый портланд0,35-0,55
1,5-2,0
2,0-3,0
2,5
цемент, пластифицированный
0,55-0,75
1,0-1,5
1,5-2,5
3,0
или гидрофобный портландцемент
Используя коэффициенты эффективности добавок в бетонной смеси и бетона
К1 и К2, можно существенно упростить определение состава бетона. В этом случае используют методику для обычных бетонов, вводя в расчетные формулы
соответствующий поправочный коэффициент.
Определение состава производят в следующей последовательности:
1. По известным таблицам или графикам для обычного бетона определяют
расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси и затем
устанавливают расход воды В1 для бетона с добавкой
В1 = К1В,
(8.17)
где К1 принимают в соответствии с вышеприведенными рекомендациями.
2. Определяют требуемое значение В/Ц по формуле
В / Ц  K 2 АRЦ /( RБ  0,5 K 2 АRЦ ) .
(8.18)
где К2 получают на основе предварительных опытов, либо принимают
равным 1.
3. Определяют расход цемента
Ц = В1:В/Ц.
(8.19)
4. Определяют по известным формулам расходы щебня и песка. При этом
коэффициент
раздвижки
α
при
применении
пластифицирующевоздухововлекающих и воздухововлекающих добавок можно принимать на 0,10,2 больше, чем для обычного бетона. Это обеспечивает лучшую однородность
связность материала.
Полученный состав бетона проверяют в пробных замесах.
При необходимости установить оптимальную дозировку добавки целесообразно произвести испытания бетонов 9 составов при определенном расходе
цемента, обеспечивающем заданную марку бетона, варьируя дозировки добавок и расход воды, т. е. подвижность бетонной смеси. Например, принимая
расход цемента 300 кг/м3 и подвижность бетонной смеси 1-2, 6-8, 12-14 см, из-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
готовляют и испытывают бетоны при дозировке добавки 0,5; 0,75 и 1 %. Подбор состава бетона для пробных замесов можно производить по рассмотренной
ранее методике. При определении оптимальной дозировки компонентов комплексных добавок целесообразно использовать методы математического моделирования.
Сравнение между собой эффективности действия различных добавок целесообразно делать при определенных усредненных параметрах, например при
расходе цемента 300 кг/м3, оптимальной дозировке добавки (для суперпластификатора можно применять среднюю дозировку 0,75 %) и подвижности бетонной смеси 2-3 см. Изменение эффекта воздействия при изменениях
состава бетона можно учитывать в соответствии с известными особенностями
влияния той или иной добавки на свойства бетонной смеси или бетона. Полученные в результате испытания бетона среднего состава данные о коэффициентах К1 и К2 можно использовать для определения состава бетона в пробных замесах.
Пример 8.3. Определить состав высокопрочного бетона класса по прочности на сжатие В60 (М800) при применении цемента марки 500. Подвижность
бетонной смеси 2 см, суперпластификатор 10-03, оптимальная дозировка суперпластификатора 0,75 % массы цемента. Щебень гранитный с истинной
плотностью 2,6 кг/дм3 и плотностью 1,48 кг/дм3. Песок строительный средней
крупности с истинной плотностью 2,62 кг/дм3. Коэффициент раздвижки зерен α
в этом случае может быть принят 1,25.
1. Определяем по рис. 3.10 расход воды, обеспечивающий требуемую подвижность бетонной смеси 2 см, который равен 170 кг/м3 (корректировку на
расход цемента не производим). Тогда расход воды в бетонной смеси с добавкой
B1 = 0,8·170 = 136 кг/м3.
2. Определяем требуемое значение В/Ц:
В/Ц 
1 0,65  500
 0,29 .
800  0,5 1 0,65  500
3. Определяем расход цемента:
Ц = 136:0,29 = 469 кг/м3.
4. Определяем расход добавки:
Д = 0,75·469 = 3,52 кг.
5. Определяем расход щебня:
Щ
1000
 1418 кг/м3.
0,38 1,25 1

1,48
2,6
6. Определяем расход песка
П = [1000 — (151 + 136 +545)] 2,62 = 410 кг/м3.
При приготовлении бетонной смеси добавки вводят в бетоносмеситель
вместе с водой затворения. Предварительно приготовляют водные растворы
добавок повышенной концентрации: 1—5 % для воздухововлекающих добавок
127
и ВРП-1, 5-10 % для пластифицирующих и пластифицирующихвоздухововлекающих добавок; 10-20 % концентрации для суперпластификаторов. Водные растворы добавок повышенной концентрации подают в дозатор
воды, в котором их разбавляют до получения растворов рабочей концентрации.
Дозирование растворов повышенной концентрации обычно производят через
специальный жидкостный дозатор добавок.
Концентрация раствора определяет его плотность. По плотности контролируют концентрацию раствора при его приготовлении. Эти характеристики используют при определении расхода раствора, вводимого в бетонную смесь. Зависимость плотности раствора от его концентрации для наиболее употребительных добавок представлена в табл. 8.13.
Расход раствора добавки повышенной концентрации А, л, на 1 м3 бетона
определяют по формуле
A = ЦC/KρР
(8.20)
3
где Ц — расход цемента, кг/м ;
С — дозировка добавки, % массы цемента;
К — концентрация приготовленного раствора, %;
ρР — плотность приготовленного раствора, г/см3.
Таблица 8.13 – Плотность раствора различных добавок в зависимости
от его концентрации
КонценПлотность раствора, г/см3
трация
раствора,
СДБ 10-03 С-3
СН
ХК
ННХК
СНВ
ГКЖ-10
%
2
1,009 1,007 1,008 1,016 1,015 1,018
1,005
1,012
4
6
8
10
15
20
30
40
1,017
1,025
1,033
1,043
1,068
1,091
1,144
1,202
1,014
1,021
1,028
1,035
1,057
1,080
1,140
—
1,016
1,024
1,032
1,040
1,065
1,090
1,145
—
1,035
1,054
1,072
1,092
1,141
—
—
—
1,032
1,049
1,066
1,084
1,130
1,178
1,280
—
1,035
1,052
1,070
1,087
1,131
1,175
1,263
—
1,012
1,018
1,024
1,030
1,045
1,060
1,089
1,120
1,025
1,038
1,050
1,630
—
—
—
—-
Недостающее для затворения 1 м3 бетонной смеси количество воды В2 , л,
определяют по формуле
К 

В2  В1  А Р 1 
,
 100 
(8.21)
где В2 — расход воды, на 1 м8 бетона.
Раствор добавок из твердых или пастообразных продуктов готовят растворением их в заданном количестве воды. После полного растворения продукта
ареометром проверяют плотность полученного продукта и доводят до заданной
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
добавлением продукта или воды. Для повышения скорости растворения добавок рекомендуется подогревать воду до 40-70 °С и перемешивать растворы при
приготовлении.
При применении комплексных добавок, как правило, используют раздельные установки для приготовления и дозирования водных растворов каждого
компонента. Смешивание компонентов комплексной добавки производят непосредственно перед поступлением в бетоносмеситель в дозаторе воды. В отдельных случаях комплексные добавки приготовляют заблаговременно путем совмещения в одном растворе разных компонентов. При приготовлении комплексных добавок необходимо учитывать совместимость компонентов и жизнеспособность получаемой добавки, так как в некоторых случаях может наблюдаться
взаимодействие между компонентами, которое окажет влияние на свойства готового продукта.
Контроль количества добавки ведут по плотности ее водного раствора. При
изменении температуры вводят соответствующую поправку в показатель плотности:
ρТ = ρ20 – А(Т – 20),
(8.22)
0
где ρТ, ρ20 — плотность раствора при данной температуре и при 20 C;
А — температурный коэффициент плотности;
Т — температура раствора в момент определения его плотности, °С.
При объемном дозировании растворов добавок учитывают влияние температуры по формуле
ДТ = Д20 ρТ / ρ20
(8-23)
где ДТ и Д20 — содержание добавки в 1 л раствора, кг, соответственно при
температуре Т и 20 °С (содержание добавки можно определить по ее концентрации Д20=Кρ20).
8.7 Особенности определения состава особых разновидностей
тяжелого бетона
В зависимости от способа производства, назначения и используемых материалов тяжелый бетон можно подразделить на ряд разновидностей. Для изготовления сборных железобетонных конструкций широко применяется тепловая
обработка изделий. В этих условиях структурообразование бетона и его свойства имеют свои особенности, поэтому можно говорить о бетоне для тепловой
обработки или о пропаренном бетоне, так как пропаривание — наиболее широко применяющийся способ тепловой обработки бетона. Для снижения материалоемкости конструкций в строительстве все шире применяют высокопрочные
бетоны, для производства изделий на полигонах без тепловой обработки —
быстротвердеющий бетон. К ряду изделий и соответственно к бетонам для них
предъявляются помимо прочности требования к получению определенной морозостойкости или водонепроницаемости. Для экономии цемента в некоторых
случаях возможно использование микронаполнителей или порошкообразных
отходов промышленности, например золы, молотого шлака и др.
Определение состава различных разновидностей тяжелого бетона проводят
129
по единой рассмотренной выше методике, учитывая особенности предъявляемых к бетону требований и их зависимость от состава бетона, либо влияние
особенностей производства на структуру и свойства бетона и вытекающие отсюда требования к определению его состава.
Пропаренный бетон. Для ускорения твердения при изготовлении сборных
железобетонных конструкций применяют тепловлажностную обработку. Рост
прочности бетона при этом определяется не только активностью, но также и
минералогическим составом цемента, составом бетона, консистенцией бетонной смеси, режимом обработки, размерами изделия, условиями теплообмена и
другими факторами. Предварительно трудно учесть влияние всех факторов на
структуру и свойства бетона, поэтому определение состава пропаренного бетона, как правило, на заводах сборного железобетона проводят на основе зависимостей, полученных в результате предварительных испытаний.
Определение состава бетона для пробных замесов проводится по рассмотренной выше методике. При пропаривании бетона при температуре 80-90 °С с
подъемом температуры в течение 2 ч и с изотермической выдержкой 6-12 ч для
проведения предварительных опытов назначают два цементно-водных отношения. Их значения выбирают на основе среднего Ц/ВСР, требуемого для получения заданной марки бетона, как Ц/В±20 %. Например, если среднее значение
Ц/В = 2, то принимают меньшее значение — Ц/В = 1,8, а большее значение —
Ц/В = 2,2, Для этих значений рассчитывают составы бетона, изготовляют пробные замесы и проводят пропаривание бетона по заданному режиму. Пусть при
этом : окажется, что бетон с Ц/В = 1,8 имеет прочность 19 МПа, а бетон с Ц/В =
2,2 – 23 МПа. По результатам опытов строят прямую (рис. 8.13), по которой
определяют действительное значение Ц/В для получения заданной марки бетона. Например, если требуется получить после пропаривания прочность бетона
на сжатие, равную 70 % его марки М300, то Rб = 0,7·30 = 21 МПа, и такая прочность может быть получена при Ц/В = 2.
Рис. 8.13 – Построение кривой для
выбора Ц/В в зависимости от заданной
прочности бетона (по результатам испытания пропаренного бетона)
Если необходимо получить после пропаривания 100 % проектной марки бетона, а бетон пропаривается при температуре 80-90 °С при времени подъема
температуры 2-3 ч и продолжительности изотермического прогрева 6-12 ч, то
выбор цементно-водных отношений проводят, принимая, что прочность бетона
в возрасте 28 сут, по которой определяется среднее значение Ц/В, будет на 10
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
МП а выше его марки. Пропаренный бетон через 28 сут должен обеспечить
проектную прочность ±15 %. Если прочность бетона будет меньше, то необходимо увеличить расход цемента или сократить время прогрева.
В случае применения особых режимов прогрева, например, очень коротких
или при прогрев в особых условиях (при повышенной температуре, при дополнительном внешнем давлении и пр.) расширяют объем предварительных испытаний для того, чтобы учесть влияние всех значимых факторов и получить надежные результаты.
Для сокращения объемов эксперимента в этом случае часто используют
определение состава бетона по математическим моделям.
Если для сокращения режима тепловой обработки применяются добавки —
ускорители твердения, то продолжительность твердения бетона ориентировочно может быть установлена по формуле
tД = t — at(RД — R),
(8.24)
где tД — продолжительность режима тепловой обработки (включая и предварительное
выдерживание) бетона с добавкой, ч;
t — то же, бетона без добавки;
RД — прочность бетона с добавкой в регламентированный после тепловой обработки
срок, % от R28;
R — то же, бетона без добавки;
а — коэффициент, принимаемый равным 0,02; 0,03 или 0,04 при прочности бетона после
тепловой обработки соответственно 50, 70 и 85 % от R28.
Возможность сокращения продолжительности отдельных этапов тепловой
обработки устанавливается экспериментально. Оптимальное количество добавки — ускорителя твердения определяется по наибольшему показателю прочности при неизменном составе бетона на образцах, подвергаемых тепловой обработке. Достигаемый вследствие введения добавки прирост прочности используется для сокращения продолжительности тепловой обработки бетона.
Быстротвердеющий бетон. Получение быстротвердеющего бетона, обладающего относительно высокой прочностью в раннем возрасте (1-3 сут) при твердении в нормальных условиях, достигается применением быстротвердеющего
цемента, а также различными способами ускорения твердения цемента. К этим
способам относятся:
1) применение жесткой бетонной смеси с низкими значениями водоцементного отношения;
2) использование добавок — ускорителей твердения;
3) сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса (2-5 % массы
цемента) в шаровых мельницах, вибромельницах, бегунах или других помольных установках;
4) виброактивация цементного теста или раствора.
Наилучшие результаты получаются при проведении комплекса мероприятий,
например при применении алюминатного цемента марки 400, домолотого с 3 %
гипса, жесткой бетонной смеси с В/Ц = 0,35, добавки хлористого кальция в количестве 2 % массы цемента и виброперемешивания получали бетоны с прочностью при сжатии в первые сутки 30-50 МПа.
131
При определении состава быстротвердеющего бетона водоцементное отношение устанавливают по заданной прочности бетона в раннем возрасте с учетом выбранного способа ускорения твердения. Дальнейший расчет состава бетона производят по рассмотренной ранее методике. Окончательный состав
устанавливают по результатам предварительных опытов, которые проводят с
применением материалов и способов ускорения твердения, намеченных к использованию в производстве.
При выборе состава бетона для первых пробных замесов можно пользоваться
следующей формулой, устанавливающей прочность бетона через 1 сут при
твердении в нормальных условиях,
Rб1 = 0,65 RЦ1 (Ц/В – 1,29),
(8.25)
где RЦ1 — прочность цемента при сжатии через сутки, МПа.
Можно также пользоваться данными табл. 8.14, где показана зависимость
между прочностью бетона в раннем возрасте и различными способами ускорения твердения бетона.
Таблица 8.14 – Влияние различных способов ускорения твердения на прочность бетона в раннем возрасте
Повышение предела прочности бетона
на сжатие по сравнению с обычным бетоном на цементе марки 400-500, %, в
Способ ускорения твердения
возрасте
1 сут
2 сут
Применение БТЦ или цемента мар130-170
115-135
ки 600
Добавка 2 % СаС12 от массы цемен150-200
125-150
та
Дополнительный помол цемента с
добавкой 2—3 % гипса до удельной
200-250
150-200
2
поверхности 5000—6000 см /г
Виброактивация цемента или виб140-170
120-300
роперемешивание
Дополнительный помол цемента,
добавка 2 % СаС12 и вибропереме300-400
200-300
шивание (совместное действие)
Для расчета состава бетона используют и другие данные, например табл.
8.11, в которой приведены ориентировочные значения прочности бетона (в долях от R28) в зависимости от вида используемой добавки и условий твердения.
Экспериментальная проверка и корректировка по ее результатам состава быстротвердеющего бетона обязательны, так как, во-первых, увеличение прочности
бетона в раннем возрасте в результате применения того или иного способа
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ускорения твердения в значительной степени зависит от вида цемента, состава
бетона, и других факторов и поэтому приведенные в табл. 8.14 данные являются только ориентировочными, и, во-вторых, увеличение прочности бетона при
применении нескольких способов не является прямой суммой значений прироста прочности бетона, достигаемого каждым способом в отдельности.
Высокопрочный бетон. В современных условиях можно получать высокопрочные бетоны с прочностью на сжатие от 50 до 100 МПа и особо высокопрочные – с прочностью более 100 МПа. На практике более широкое применение получили высокопрочные бетоны классов В40 – В 60.
Для получения высокой прочности необходимо создать особо-плотную
прочную и монолитную структуру бетона. Этого можно достигнуть выполнением ряда условий, вытекающих из физических основ структурообразования
бетона:
1) применением высокопрочных цементов и заполнителей;
2) предельно низким водоцементным отношением;
3) высоким предельно допустимым расходом цемента;
4) применением суперпластификаторов и комплексных добавок, способствующих получению плотной структуры бетона;
5) особо тщательным перемешиванием и уплотнением бетонной смеси;
6) созданием наиболее благоприятных условий твердения бетона.
Для высокопрочных бетонов следует применять цементы высокой активности (RЦ ≥ 50 МПа), желательно с низкими значениями нормальной густоты. В
зависимости от назначения бетона для его приготовления целесообразно использовать цемент определенного минералогического состава. При изготовлении сборных железобетонных изделий небольших и средних размеров применяют высокопрочные тонкомолотые портландцементы с повышенным содержанием C3S и С3А и быстротвердеющие цементы. Для массивных изделий и конструкций, изготовляемых на полигонах без тепловой обработки, рекомендуются цементы с пониженным содержанием С3А и ограниченным содержанием
C3S (менее 50 %), лучше всего белитовые. Такие цементы твердеют в течение
длительного срока, обеспечивая высокую конечную прочность бетона. В первые
сутки твердения тепловыделение и усадка этих цементов небольшие и соответственно объемные деформации и вредные собственные напряжения в бетоне
также невелики. Для обеспечения более равномерного твердения могут также
использоваться пластификаторы и замедлители твердения.
Заполнители для высокопрочного бетона должны быть чистыми, обладать
хорошим зерновым составом и малой пустотностью, не содержать по возможности слабых зерен. Предел прочности крупного заполнителя должен быть на
20 % выше заданной прочности бетона. С повышением прочности бетона влияние заполнителя на структуру бетона и результаты испытаний постепенно увеличивается. Для каждого заполнителя имеется предельное значение прочности
бетона, выше которого на данном заполнителе получить бетон трудно и экономически не выгодно, так как незначительное повышение прочности бетона сопровождается значительным увеличением расхода цемента. Обычно этот предел наступает, когда прочность на растяжение бетона приближается к прочно133
сти заполнителя. Для особо высокопрочных бетонов применяют заполнители
повышенной прочности из диабаза и базальта.
Высокая плотность и прочность бетона достигаются применением предельно
низкого водоцементного отношения.
Однако с уменьшением В/Ц повышается вязкость цементного теста, ухудшаются условия приготовления и уплотнения бетонной смеси, увеличивается воздухововлечение. В результате нарушается прямолинейная зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения и после достижения определенных
значений В/Ц дальнейшее его снижение практически мало способствует повышению прочности бетона. В обычных условиях это наблюдается при В/Ц < 0,4.
Для получения высокопрочных бетонов необходимо применять более низкие
В/Ц, что требует использования специальных приемов, позволяющих плотно
укладывать бетонные смеси в этом случае. К таким приемам относится применение суперпластификаторов или комплексных добавок, содержащих повышенную дозу пластификатора, ускоритель твердения и антивоздухововлекающий компонент, либо использование особо интенсивных способов уплотнения
бетонной смеси, например трамбования, прессования или роликового проката.
В результате достигаются высокая плотность и прочность бетона. При применении суперпластификаторов прямолинейная зависимость прочности бетона от
цементно-водного отношения сохраняется до Ц/В = 4 и соответственно определять В/Ц для высокопрочного бетона можно по формуле (8.10).
Существенное значение для технологии высокопрочного бетона имеет тот
факт, что при низких В/Ц нарушается закон постоянства водопотребности бетонной смеси, т. е. при увеличении расхода цемента свыше 400 кг/м3 приходится для получения равноподвижных смесей увеличивать одновременно и расход
воды, чтобы компенсировать резкое увеличение вязкости цементного теста. Соответственно возрастает расход цемента, что приводит к ухудшению структуры
цемента, увеличению тепловыделения и усадки, к росту вредных внутренних
напряжений и деструктивных явлений. В результате снижается эффективность
использования цемента (рис. 8.14).
Рис. 8.14 – Влияние увеличения расходов цемента Ц на прирост прочности бетона ΔRБ
Дальнейшее увеличение расхода цемента сверх 550-600 кг/м3 практически
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
мало повышает прочность бетона и экономически нецелесообразно.
Для гарантированного получения плотной и прочной структуры расход цемента в высокопрочном бетоне ограничивают: для сборных железобетонных
изделий малых и средних размеров максимально допустимый расход цемента
550 кг/м3, для массивных изделий — 450 кг/м3. В высокопрочных бетонах следует особо уделять внимание снижению расхода цемента, так как при прочих
равных условиях это способствует получению более плотной и менее дефектной структуры бетона и повышению его прочности. Для снижения расхода цемента:
1) применяют более высокопрочные цементы, повышают их активность механическим или химическим путем (домол с добавкой 2-3 % гипса до удельной
поверхности 4000-5000 см2/г, активация в специальных аппаратах, введение
крентов);
2) используют специально подобранную смесь заполнителей с минимальной
пустотностью и водопотребностью;
3) вводят в бетонную смесь суперпластификаторы и комплексные добавки;
4) назначают марку бетона, если это возможно, по его прочности в большем
возрасте, чем 28 сут.
Введение суперпластификаторов особенно эффективно снижает расход цемента, так как этому способствует не только резкое повышение подвижности и
улучшение уплотняемости бетонной смеси, но и тот факт, что в этом случае
постоянство водопотребности сохраняется при высоких расходах цемента (до
550 кг/м3), т. е. в этом случае не требуется дополнительного расхода цемента
для компенсации повышенной вязкости бетонной смеси. В результате повышается эффективность использования цемента в высокопрочных бетонах.
Наилучшими условиями для твердения высокопрочного бетона являются
нормальные температура, равная 20-25 °С; влажность — 100%. С повышением
температуры и особенно при тепловой обработке в твердеющем бетоне возникают градиенты температуры и влажности, приводящие к миграции влаги, к
температурно-влажностным деформациям и неравномерной усадке цементного
камня. В результате увеличивается деструкция материала, поэтому при применении для ускорения твердения высокопрочного бетона тепловой обработки
необходимо применять более длительную предварительную выдержку, очень
мягкие режимы с постепенным подъемом и спуском температуры, снижать
температуру изотермического прогрева до 50-60 °С, обеспечивать высокую
влажность среды. Не следует назначать слишком длительные режимы прогрева, ограничивая его продолжительность моментом, когда прочность бетона достигнет 50-70 % его марки. В этом случае высокопрочные бетоны удовлетворительно твердеют в дальнейшем. Оптимальные режимы прогрева назначают по
результатам предварительных опытов.
При соблюдении рассмотренных условий прочность бетона может превышать марку цемента в 1,5-1,7 раза. В результате на цементе марки М500 можно
получить бетоны классов В40 – В60, на цементе М600 — бетоны В60 – В100.
Применение высокопрочного бетона позволяет сократить вес и материалоемкость железобетонных изделий.
135
Морозостойкий бетон. Для получения морозостойкого бетона необходимо
создать структуру материала, обладающую высокой стойкостью в условиях попеременного замораживания и оттаивания. При проектировании состава бетона
это обеспечивается введением ряда дополнительных требований: 1) правильным выбором цемента и применением морозостойких заполнителей; 2) определением В/Ц не только из условия прочности, но и из условия получения заданной морозостойкости; 3) применением пластифицирующих и воздухововлекающих добавок; 4) правильным выбором коэффициента раздвижки а, обеспечивающим надежность получения прочного и долговечного бетона; 5) применением в некоторых случаях микронаполнителей, уменьшающих тепловыделение,
объемные деформации и деструктивные явления при высоких расходах цемента
и уплотняющих структуру бетона при низких расходах цемента.
Для морозостойких бетонов допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного портландцемента, шлакопортландцемента.
Желательно применять цементы с низким содержанием С3А.
Определяющее значение для получения морозостойких бетонов имеет ограничение водоцементного отношения, которое гарантирует образование достаточно непроницаемой и прочной структуры бетона, стойкой к воздействию попеременного замораживания и оттаивания.
Максимально допустимые значения В/Ц для морозостойкого бетона устанавливают на основании данных рис. 5.16 в соответствии с заданной морозостойкостью или для изделий и конструкций гидротехнического назначения по
табл. 8.15 в соответствии с условиями службы бетона.
Таблица 8.15 – Максимально допустимые значения В/Ц, обеспечивающие
морозостойкость бетона
Железобетонные конструкции при
воздействии воды
Условия службы бетона
В частях сооружения, расположенных в
зоне переменного горизонта воды:
- в суровых климатических условиях
- в умеренных и мягких климатических
условиях
В частях сооружений, постоянно находящихся под водой:
- напорных
- безнапорных
морской
пресной
0,5
0,55
0,55
0,6
0,55
0,6
0,6
0,65
Из двух значений, найденных из условий прочности и морозостойкости, для
определения состава бетона принимают наименьшее.
При введении воздухововлекающих добавок используют рекомендации § 7.
В этом случае существенно возрастает морозостойкость бетона при средних
значениях В/Ц = 0,5-0,6, что позволяет получить морозостойкие бетоны с уме-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ренным расходом цемента. Для особо морозостойких бетонов при суровых
условиях эксплуатации (при температуре замерзания ниже — 30 °С) наряду с
введением воздухововлекающих и пластифицирующих добавок используют
низкие В/Ц (< 0,4).
Для повышения однородности бетона по морозостойкости увеличивают коэффициент раздвижки а на 0,02-0,04 по сравнению с данными табл. 8.5. В
остальном расчет состава для пробных замесов проводят по единой методике.
Водонепроницаемый бетон. При проектировании состава водонепроницаемого бетона дополнительно учитывают следующие требования: 1) выбирают
цемент, обеспечивающий высокую плотность цементного камня, и применяют
плотные заполнители с высокой адгезией к цементу; 2) определяют В/Ц не
только по условию прочности, но и из условия получения заданной непроницаемости структуры бетона; 3) увеличивают значения коэффициента раздвижки а с
целью повышения однородности по плотности бетона; 4) применяют пластифицирующие добавки и при необходимости добавки-уплотнители структуры
бетона. В остальном расход материалов устанавливается по рассмотренной ранее единой методике определения состава бетона.
Водонепроницаемый бетон можно получить на различных видах цемента.
Высокую плотность и непроницаемость цементного камня обеспечивает применение пуццоланового, пластифицированного и гидрофобного цементов. Однако
при этом необходимо учитывать, что бетоны на пуццолановом цементе обладают пониженной морозостойкостью.
Высокой адгезией к цементу обладает известняк, что позволяет успешно использовать его для водонепроницаемых бетонов. При этом целесообразно
ограничивать предельную крупность щебня, принимая DПР < 40 мм, использовать щебень нескольких фракций с минимальной пустотностью смеси и
увеличивать расход песка. Обычно в водонепроницаемых бетонах коэффициент α принимают на 0,03—0,06 больше значений, указанных в табл. 8.5.
Для получения плотной и непроницаемой структуры бетона необходимо
ограничивать водоцементное отношение. Ориентировочно можно принимать,
что В/Ц должно быть меньше значений, приведенных на рис. 5.15 для бетонов с
различным коэффициентом проницаемости. Обычно для водонепроницаемых
бетонов назначают В/Ц<0,5. При проектировании состава бетона, если имеется
возможность, целесообразно учитывать повышение непроницаемости бетона с
увеличением его возраста. Назначая марку по водонепроницаемости по результатам испытаний в более поздние сроки можно получить бетоны заданной водонепроницаемости при меньшем расходе цемента.
Корректировку состава бетона с учетом улучшающего воздействия химических добавок приводят по методике, рассмотренной в § 7, на основе результатов предварительных экспериментов. Окончательный состав обязательно проверяют в пробных замесах.
Бетон с микронаполнителями. Применение микронаполнителей целесообразно в двух случаях: 1) когда по условию прочности можно допустить большее
водоцементное отношение, чем требуется по условию долговечности бетона; 2)
когда прочность бетона можно обеспечить при меньшем расходе цемента, чем
137
требуется по условию плотности (см. табл. 8.3). Микронаполнитель можно рассматривать как составную часть вяжущего вещества, тогда количество добавки
микронаполнителя Д, существенно не изменяющей водопотребности смешанного цемента, можно рассчитать следующим образом.
Для удовлетворения требований к бетону в первом случае необходимо выдержать два условия:
1) отношение х1 = В/(Ц+Д) должно быть не менее значения, установленного
по табл. 8.3, что обеспечивает необходимую плотность бетона;
2) отношение х2 = В/Ц не должно быть больше значения, определенного по
формуле (8.10) или (8.J1), что обеспечивает необходимую прочность бетона.
В первом случае, когда по условию прочности можно допустить В/Ц больше
требуемого по долговечности, т. е. х2 > х1
x1 ≤В/(Ц + Д) и х2 ≤ В/Ц.
(8.26)
Одновременное удовлетворение условий плотности и прочности достигается
при
x1 (Ц + Д) = х2Ц,
откуда
Д
(8.27)
Ц ( х2  х1 )
,
х1
(8.28)
где Ц — расход цемента, обеспечивающий получение бетона заданной прочности, кг/м3.
Во втором случае, когда расход цемента из условия прочности можно принять меньше, чем требуется из условия долговечности, из равенства (8.27) получим
Ц = (Ц + Д) х1./х2.
(8.29)
3
При минимальном расходе вяжущего, например 250 кг/м , имеем Ц+Д=250
кг/м3, откуда
Ц  250
х1
;
х2
Д  250
х2  х1
.
х2
Введение микронаполнителей требует по возможности их предварительного
смешивания с цементом, чтобы обеспечить хорошую однородность бетона.
Это усложняет технологию бетона, поэтому применение микронаполнителей
в других случаях, кроме рассмотренных ранее, требует техникоэкономического обоснования.
Литой бетон. Литой бетон готовят при высоком расходе воды, что требует
уделять особое внимание предупреждению расслаивания бетонной смеси. Для
ее предотвращения осуществляют мероприятия, способствующие повышению
водоудерживающей способности смеси: 1) используют цементы, обладающие
достаточной водоудерживающей способностью; 2) применяют суперпластификаторы, воздухововлекающие или водоудерживающие добавки; 3) ограничивают значения В/Ц, чтобы избежать расслоения цементного теста; 4) увеличивают содержание песка в бетонной смеси, повышая значения коэффициента α.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Для приготовления литых бетонов желательно использовать портландцемент
марок 400-500 и быстротвердеющий цемент. Такие цементы вследствие оптимального гранулометрического состава зерен и высокой тонкости помола обладают хорошей водоудерживающей способностью при высоких значениях В/Ц.
Кроме того, быстрое схватывание цементного теста уменьшает возможность
его расслаивания, так как последнее может происходить только до момента затвердевания бетона.
Водоудерживающую способность цементного теста можно оценить по максимальному значению В/ЦКР, при котором еще не наблюдается его расслоения.
Ориентировочно В/ЦКР=1,65НГ, где НГ — водоцементное отношение, соответствующее нормальной густоте цементного камня.
При определении состава бетона определяют В/ЦИСТ и сравнивают с В/ЦКР.
При этом В/ЦИСТ должно быть меньше В/ЦКР, т. е. должно соблюдаться условие
В  ВП П  ВЩ Щ
 В / Ц КР ,
Ц
(8.30)
где Ц, В, П, Щ — расход цемента, воды, песка и щебня, кг/л; ВП, ВЩ — водопотребность песка и щебня.
При использовании способов, повышающих пептизацию зерен цемента или
воздухововлекающих добавок, можно принимать В/ЦКР = 1,8НГ. В этом случае
уменьшается опасность расслоения литой бетонной смеси.
Значения коэффициента раздвижки α при определении расхода щебня увеличивают на 0,1-0,2, однако окончательный расход заполнителей уточняют по
результатам пробных замесов, добиваясь высокой связанности бетонной смеси
и минимального водоотделения на поверхности опытных образцов бетона.
При применении литого бетона следует учитывать, что повышение подвижности смеси при прочих равных условиях ведет к увеличению расхода цемента,
поэтому в литом бетоне для экономии цемента целесообразно использовать суперпластификаторы и комплексные добавки на их основе, включающие, как
правило, воздухововлекающий компонент. Экономически обосновано использование литых бетонов в случае, когда бетон низкой прочности готовят на
высокопрочном цементе. Тогда расход цемента назначается по условию получения плотной структуры бетона (см. табл. 8.3) и этот расход превышает расход
цемента, который необходим для получения заданной прочности бетона. Это
позволяет увеличить расход воды и получить с использованием суперпластификаторов литые бетонные смеси без увеличения требуемого расчетом
расхода цемента. При применении цемента марок 500-600 это условие выполняется для бетонов классов ниже В15.
При необходимости бетонирования изделий сложной конфигурации с густой
арматурой и в ряде других случаев применение литых смесей оказывается целесообразным вследствие значительного снижения трудоемкости и сроков изготовления изделий и конструкций. При этом возможно использование литых
бетонов прочностью до 60 МПа. Однако во всех случаях применения литой бетонной смеси следует уделять особое внимание экономии цемента, соответствующим образом выбирая исходные материалы и используя все известные
139
приемы по сокращению расхода цемента в бетоне.
Бетон на мелком песке. Ввиду широкого распространения в природе мелких
песков и отсутствия в некоторых районах песков с удовлетворительным зерновым составом в бетоне допускается применять мелкие и тонкие пески (М K<l,5)
при условии соответствующего технико-экономического обоснования.
Мелкие пески по сравнению со средними и крупными характеризуются повышенными пустотностью и удельной поверхностью. Вследствие этого они несколько понижают прочность бетона и уменьшают подвижность бетонной смеси, что вызывает увеличение расхода цемента для получения равнопрочных и
равноподвижных бетонов.
Замена крупного песка мелким в большей степени сказывается на осадке конуса и в меньшей на удобоукладываемости бетонной смеси.
Вместе с тем мелкий песок меньше раздвигает зерна крупного заполнителя и
обладает лучшей водоудерживающей способностью, в результате уменьшается
оптимальное содержание песка в бетоне и, следовательно, в меньшей мере заметно его влияние на водопотребность бетонной смеси. При определении состава бетона на мелком песке необходимо учитывать эти особенности, ввода в
рассмотренный ранее способ определения состава обычного тяжелого бетона
следующие поправки:
1) в формуле (8.10), по которой определяется В/Ц в зависимости от прочности бетона, принимают коэффициент А = 0,55;
2) содержание мелкого песка в смеси заполнителей уменьшают, назначая
меньший коэффициент раздвижки α в соответствии с примечаниями к табл. 8.5;
3) водопотребность бетонной смеси назначают по показателю жесткости либо для более подвижных смесей по осадке конуса, обеспечивающей одинаковую удобоукладываемость и транспортабельность бетонной смеси на мелком и
обычном строительном песке. В последнем случае осадка конуса (см) при одинаковой жесткости бетонной смеси составляет:
обычный песок………..2-3
мелкий песок………….1-2
4-5
2-3
6-8
4-6
9-13
7-10
Для снижения водопотребности бетонной смеси на мелком песке желательно
использовать пластификаторы и суперпластификаторы.
Малощебеночный бетон. Малощебеночным называют бетон с пониженным
содержанием щебня или гравия. При уменьшении содержания щебня в обычном бетоне повышается водопотребность бетонной смеси (так как возрастает
удельная поверхность заполнителя), увеличивается воздухововлечение в бетонную смесь и вследствие этого несколько уменьшаются прочность бетона и
модуль деформации, возрастают усадка и ползучесть. Зависимость свойств бетона от содержания щебня носит линейный характер. Меняя содержание щебня
в бетоне, можно регулировать его свойства. Ориентировочно можно принять:
у
RМЩ .Б .
Rб
 (1  ах);
(8.31)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
где у — относительное изменение свойств бетона, например отношение
прочности или модуля деформации малощебеночного бетона к аналогичным
свойствам обычного бетона;
а — эмпирический коэффициент;
х — отношение расхода щебня в малощебеночном бетоне к оптимальному
расходу щебня в обычном бетоне.
Значения а изменяются при оценке прочности на сжатие от — 0,05 до — 0,1;
модуля деформации от — 0,2 до — 0,3; усадки — от 0,3 до 0,6.
Малощебеночный бетон используют главным образом тогда, когда для железобетонных конструкций приходится применять дорогостоящий привозной
щебень и целесообразно сократить расход щебня в бетоне. В этом случае состав бетона определяют с учетом допустимого перерасхода цемента, который
устанавливается на основе экономических расчетов. Другой случай—введение
щебня в мелкозернистый бетон с целью улучшения отдельных его свойств,
например для увеличения модуля упругости или уменьшения ползучести и
усадки.
В первом случае в зависимости от допустимого перерасхода цемента и принятого способа уплотнения по рис. 8.15 определяют добавку воды, цемента и
расход щебня и уточняют расходы воды и цемента, необходимые для получения равноподвижных и равнопрочных бетонов при данном расходе щебня.
Рис. 8.15 – График для расчета состава малощебеночного бетона: 1 – увеличение расхода цемента для получения бетонных смесей с одинаковой осадкой
конуса; 2 – то же, с одинаковой удобоукладываемостью; 3 – увеличение расхода
воды для получения бетонных смесей с одинаковой осадкой конуса; 4 – то же,
с одинаковой удобоукладываемостью
Во втором случае в зависимости от требуемого изменения свойств мелкозернистого бетона определяют необходимый расход щебня по формуле
Щ
( у  1)  1200
а
(8.32)
где у — требуемое изменение свойств бетона (у≤1+а); 1200 — средний рас141
ход щебня в обычном бетоне, кг/м3.
Затем по рис. 8.15 в зависимости от величины Щ определяют необходимое
изменение расхода воды и цемента.
Расход песка определяют по формуле (8.2). Окончательный состав бетона
уточняют по результатам пробных замесов.
Самоуплотняющийся бетон. Самоуплотняющийся бетон представляет собой материал, который способен уплотняться под действием собственного веса,
полностью заполняя форму даже в густоармированных конструкциях. Он находит все более широкое применение. Перспективным является его использование
для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. Чем же самоуплотняющийся бетон отличается от традиционно применяемого?
Особо
высокопрочные
бетоны,
модифицированные
добавкамисуперпластификаторами, начали применять в конце 60-х — начале 70-х годов
прошлого века. В частности, в 1970 году такой бетон использовался для строительства нефтяных платформ в Северном море норвежскими и британскими специалистами. Опыт применения подобного материала показал преимущества введения суперпластификаторов в бетонную смесь, однако был замечен и ряд ограничений в работе с ним. Во-первых, большинство суперпластификаторов, особенно при больших дозировках, способны замедлять схватывание бетонной смеси. Во-вторых, при ее транспортировке в течение 60–90 минут эффект от действия добавки снижается, то есть уменьшается подвижность. В-третьих, подача
смеси по трубопроводу к месту укладки на расстояние свыше 200–250 метров
стимулирует расслоение и создает неоднородность в готовом изделии. В результате время выполнения работ по бетонированию возрастает, ухудшается качество поверхности изделий, снижается прочность.
Появление новых амбициозных проектов в сфере строительства (таких, как
протяженные подвесные мосты в Японии и Китае, комплексы крупных гидротехнических и транспортных сооружений в Голландии и ряд других) повысило
требования к особо высокопрочным бетонам. При возведении таких конструкций было необходимо использование литых смесей в большом объеме. А зачастую участки бетонирования находились на большом расстоянии от места производства бетона и даже на значительном удалении от побережья (на воде).
Кроме этого, еще одной необходимостью было сокращение времени и трудозатрат на уплотнение бетонной смеси, а также повышенный набор прочности в
ранние сроки.
Решению указанных задач способствовали теоретические исследования и
практические внедрения, направленные на
- применение мультифракционного заполнителя для получения высокопрочного бетона;
- введение микро- и ультрадисперсного наполнителя для повышения прочности, коррозионной и трещиностойкости материала;
- управление реологией высокоподвижных бетонных смесей;
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
- создание новых видов химических модификаторов, регуляторов свойств
бетона.
В 1986 году проф. Окамура при разработке высокопрочного бетона обобщил опыт, накопленный в указанных областях, предложив называть получаемый
материал «самоуплотняющийся бетон».
Самоуплотняющийся бетон — Self-Compacting Concrete (SCC) — способен
уплотняться под действием собственного веса, полностью заполняя форму даже
в густоармированных конструкциях. Первая международная конференция по
изучению его свойств прошла в 1998 году с участием 150 ученых и инженеров из
15 стран. Высокая эффективность нового материала способствовала созданию
рабочей группы специалистов RILEM (1996 г.) из 8 стран для разработки рекомендаций по использованию самоуплотняющихся бетонов. В 2004 году организован технический комитет 205-DSC «Долговечность самоуплотняющегося бетона», председателем которого является проф. Шуттер. В работе этого комитета
задействованы 25 лабораторий из 14 стран. В результате исследований была разработана классификация самоуплотняющихся бетонов, определяющая их назначение и области применения (табл. 8.16).
В 1980-е годы начали разрабатывать большепролетные подвесные железобетонные мосты, размеры которых должны были стать рекордными. Самый
длинный мост — Акаши Кайкё — был открыт в апреле 1998 года в Японии. Он
соединяет друг с другом острова Хонсю и Сикоку. Мост имеет три пролета: центральный, длиной 1991 метр, и две секции по 960 метров. Общая его длина составляет 3911 метров. К началу работы над этим проектом физические лимиты
существующих материалов были исчерпаны. Поэтому новый ультра высокопрочный самоуплотняющийся бетон оказался востребованным и позволил увеличить нагрузку и пролет моста.
Для бетонирования только одной опалубки фундамента этого сооружения
потребовалось 256000 м3 бетонной смеси, в то время как высота пилонов на побережье приближается к высоте Эйфелевой башни и достигает 283 метров. Конструкция моста выдерживает скорость ветра до 80 метров в секунду и сейсмическую активность до 8,5 баллов по шкале Рихтера.
В конце прошлого века производство самоуплотняющихся бетонов стало
значительно возрастать. В Японии при возведении стен крупного водохранилища в июне 1998 года благодаря самоуплотняющемуся бетону удалось сократить
сроки строительства с 22 запланированных месяцев до 18, при этом количество
рабочих уменьшилось со 150 до 50. Самоуплотняющийся бетон применялся и в
Швеции при строительстве прибрежной линии с запада на восток в южной части
Стокгольма. Это несколько переходов с мостами, земляными насыпями, туннелями и бетонными конструкциями, общей протяженностью 16,6 км. Причем сооружения должны выдерживать воздействие грунтовых минерализованных и
морских соленых вод, а также циклические замораживания и оттаивания. Стоимость проекта составила 800 миллионов долларов.
143
Таблица 8.16 – Классификация бетонных смесей для производства
самоуплотняющихся бетонов
Наименование
Назначение и области применения
Обозначение
бетонной смеси
самоуплотняющихся бетонов
Высокоподвижная
(Flowability
Slump-flow)
SF1
(550-650 мм)
Неармированные или низкоармированные бетонные конструкции – плиты перекрытий, трубопроводы, облицовки туннелей, фундаментов.
SF2
(660-750 мм)
Большинство обычных сооружений –
колонны, стены.
SF3
(760-850 мм)
Вертикальные элементы, густоармированные конструкции сложных форм,
торкретирование.
Конструкции и изделия, к которым
VS1/VF1
предъявляются высокие требования по
(вязкость менее
качеству поверхности и не требующие
8 секунд)
дополнительной обработки.
Вязкая
(Viscosity)
Легкоформуемая
(Passing ability)
Устойчивая
к
расслоению (Segregation resistance)
VS2/VF2
(вязкость
9-25 секунд)
Конструкции невысокого класса
прочности. Ввиду повышенной расслаиваемости тиксотропные свойства
быстро изменяются за небольшой
промежуток времени, что ограничивает расстояние транспортировки.
PA 1
Вертикальные сооружения, домостроение, конструкции, армированные
с шагом от 80 до 100 мм.
PA 2
Инженерные сооружения, армированные с шагом от 60 до 80 мм.
SR1
(расслаиваемость не более
20 %)
Высотные элементы, за исключением
тонких балок, вертикальные сооружения, армированные с шагом до 80 мм.
Максимальное расстояние транспортировки менее 5 метров.
SR2
(расслаиваемость не более
15 %)
Стены и тонкостенные профили, армированные с шагом свыше 80 мм.
Максимальное расстояние транспортировки более 5 метров.
Составы бетонных смесей для самоуплотняющихся бетонов, применяемых в
различных странах мира, приведены в таблице 8.17.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Таблица 8.17 – Состав бетонной смеси для самоуплотняющихся бетонов
Расход составляющих на
Компоненты бетонной смеси
1 м3 бетонной смеси
Япония
Вода, кг
175
Портландцемент с пониженным тепловыделением, кг
530
Зола, кг
70
Мелкий заполнитель, кг
751
Крупный заполнитель, кг
789
Добавка суперпластификатор, кг
9
Европейский Союз
Вода, кг
190
Портландцемент, кг
280
Известковый наполнитель, кг
245
Мелкий заполнитель, кг
865
Крупный заполнитель, кг
750
Добавка суперпластификатор, кг
4,2
США
Вода, кг
180
Портландцемент, кг
357
Гранулированный шлак, кг
119
Мелкий заполнитель, кг
936
Крупный заполнитель, кг
684
Добавка суперпластификатор, мл
2500
Индия
Вода, кг
163
Цемент, кг
330
Зола высококальциевая, кг
150
Крупный заполнитель 10 мм, кг
309
Крупный заполнитель 20 мм, кг
455
Мелкий заполнитель, кг
917
Добавка суперпластификатор, мл
2400
145
Еще одним примером служит высокоскоростная эстакада в Мумбаи длиной
2,32 км с шириной полосы проезжей части 16,2 м. При ее строительстве впервые
в Индии использовался высокопрочный самоуплотняющийся бетон с микрокремнеземом. Проектная прочность составляла 75 МПа, подвижность бетонной
смеси достигала 70 см. Этот вид бетона также применяли при возведении атомной электростанции, строительстве мостов и туннелей метрополитенов в других
городах страны.
Для достижения высоких эксплуатационных характеристик самоуплотняющихся бетонов предъявляются очень жесткие требования к производственным
материалам (рис. 8.16). Крупность мелкого заполнителя составляет не более
0,125 мм, причем 70 % из них размером 0,063 мм. Крупный заполнитель обязательно фракционируют по размерам 10–16 мм и 16–20 мм. Также допускается
применение неорганических материалов с высокой удельной поверхностью, которые увеличивают водоудерживающую способность смеси (белая сажа, молотый асбест, бентониты). Например, 20 кг активного кремнезема заменяют 60 кг
цемента и обеспечивают равнозначную прочность, причем в ранние строки твердения прочность увеличивается, так же как трещиностойкость и водонепроницаемость бетона.
Рис. 8.16 – Кинетика роста прочности самоуплотняющего бетона в начальные сроки твердения
Важной составной частью самоуплотняющихся бетонов является полимер
нового поколения — поликарбоксилат — высокоэффективный комплексный
химический модификатор, появившийся в 1990-х годах и обозначаемый PC или
PCE. Действие пластификаторов нового типа основано на совокупности электростатического и пространственного эффекта, который достигается с помощью
боковых гидрофобных полиэфирных цепей молекулы поликарбоксилатного
эфира.
За счет этого продолжительность пластифицирующего действия поликарбоксилатов в 3–4 раза больше по сравнению с сульфомеланиновыми, сульфона-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
фталиновыми формальдегидами или лигносульфонатами. Указанная способность позволяет не только повысить подвижность раствора в ранние сроки, но и
сохранять ее в течение большего периода времени, что положительно сказывается на сроках транспортировки бетонных смесей с заводов к местам строительства.
Механизм действия нового суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и
сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис. 8.17). Только небольшая часть цементного зерна покрыта полимером, и свободной поверхности
флокулы цемента достаточно для доступа воды и протекания реакции гидратации. Отметим, что структуры полимеров различаются по длине основной цепи,
длине боковых цепей, количеству боковых цепей и ионному заряду. Поэтому
свойствами данных полимеров можно управлять, изменяя молекулярную структуру и направленно воздействуя на свойства бетона.
Рис. 8.17 – Механизм действия добавки поликарбоксилата
Проектировщики ставят своей задачей возможно более длительную эксплуатацию строительных сооружений. Например, расчетный срок службы моста
Акаши Кайкё составляет 200 лет. Бетон фундаментов и опор пилонов подвержен
воздействию не только нагрузке от самого моста и транспорта, движущегося по
нему, но и агрессивных компонентов, растворенных в морской воде. Последние,
особенно сульфат ионы, способствует развитию коррозии.
Повышенная плотность материала, отсутствие в его структуре крупных пор
и капилляров препятствуют проникновению агрессивной среды вглубь бетона,
снижая риск развития процессов коррозии. По расчетам проф. Д. Мина и
Т. Мишу кристаллизационное давление эттрингита в порах способно достигать
значений 54 МПа. Кроме того, проектная прочность зачастую превышает
100 МПа, соответственно, напряжений, возникающих от образования экспансивных фаз, недостаточно для начала трещинообразования.
Однако трещинообразование в самоуплотняющемся бетоне может развиваться не под воздействием агрессивной среды, а за счет термических напряжений, так как при возведении крупных сооружений объемы формуемых монолит147
ных конструкций зачастую составляют десятки и даже тысячи кубических метров. Известно, что в течение небольшого промежутка времени вследствие экзотермического эффекта температура бетона значительно возрастает и может превысить температуру окружающей среды. При этом для 1 м3 бетона разница температур между наружными и внутренними слоями может достигать 6–8 оС. Благодаря явлению тепловыделения в результате протекания реакций гидратации
цемента изменяется температурное поле в изделии, возникают дополнительные
внутренние напряжения, представляющие опасность для еще не сформировавшейся структуры материала. Авторами с помощью разработанной методики расчета температурных полей в бетоне проведена оценка и определено, как будет
изменяться температура по сечению материала в зависимости от объема формовки (рис. 8.18).
Рис. 8.18 – Кинетика изменения температуры внутренних слоев и наружной
поверхности бетона в процессе гидратации цемента
Также повышению температуры бетонный смеси, а, следовательно, и риску
появления сети трещин, способствует разогрев при ее транспортировке от создаваемого трения о стенки трубопровода. При увеличении температуры окружающей среды этот эффект значительно усиливается и приводит, в конечном счете, к
ухудшению качества поверхности бетонных изделий, нарушению их структуры,
долговечности и коррозионной стойкости. Для снижения внутренних напряжений и, соответственно, риска трещинообразования рекомендуется использовать
вяжущие вещества с низким тепловыделением, незначительным содержанием
щелочей, сульфатостойкий или шлакопортландцемент.
Самоуплотняющийся бетон находит все более широкое применение. Перспективным является его использование для производства сборного железобетона, устройства монолитных высокопрочных бесшовных полов, торкретбетонирования, реставрации и усиления конструкций. С одной стороны, распростране-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ние самоуплотняющихся бетонов ограничивается дороговизной добавок поликарбоксилатов. Однако использование этого материала позволяет отказаться от
виброуплотнения, что в свою очередь уменьшает энергозатраты и экономит время, улучшая санитарно-гигиенические условия труда работающих. Безвибрационная технология настолько снижает уровень шумового воздействия на человека
и окружающую среду, что заводы железобетонных изделий можно размещать в
урбанизированных городских районах.
В начале статьи мы поставили вопрос: что такое самоуплотняющийся бетон
и в чем его отличие от классического бетона? Рецептура самоуплотняющегося
бетона отличается не только вводом добавок нового поколения (поликарбоксилатов). Ее проектирование требует оптимизации гранулометрического состава и
внедрения микронаполнителей. Следовательно, прогнозирование свойств получаемых изделий ставит сложную задачу перед исследователями в области бетоноведения. Улучшение показателей качества может быть достигнуто за счет
применения математических моделей, учитывающих и описывающих реологию
литых смесей, оптимальное распределение заполнителей в структуре материала,
а также аппроксимационных статистических зависимостей, оценивающих влияние микронаполнителей на эксплуатационные характеристики сооружений. Таким образом, формируется системный подход к определению показателей качества бетона, позволяющий прогнозировать и направленно регулировать его
свойства в зависимости от целей и задач, решаемых строителями и технологами.
149
Лекция № 9 – ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕГКОГО И МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНОВ
Вопросы:
9.1 Проектирование состава бетона на пористых заполнителях;
9.2 Проектирование состава поризованного легкого бетона;
9.3 Проектирование состава крупнопористого легкого бетона;
9.4 Проектирование состава ячеистого бетона;
9.5 Проектирование состава мелкозернистого бетона.
9.1 Проектирование состава бетона на пористых заполнителях
Состав бетона на пористых заполнителях определяется расчетноэкспериментальным путем. Вначале находят предварительный состав бетона,
который затем уточняют на пробных замесах. При определении предварительного состава, бетона используют зависимости и учитывают особенности
влияния на свойства бетона и бетонной смеси различных видов пористого заполнителя.
В отличие от обычного бетона, при проектировании состава легкого бетона
необходимо наряду с прочностью бетона и удобоукладываемостью бетонной
смеси обеспечить заданную его плотность. Поскольку плотность зависит от
свойств и содержания пористого заполнителя, расходы мелкого и крупного заполнителей определяют из условия заданной плотности бетона.
Для получения составов легкого бетона при минимальных расходах цемента необходимо правильно выбрать материалы для бетона. Рекомендуется
назначать марку цемента в зависимости от проектной марки бетона в соответствии с табл. 9.1.
Таблица 9.1 – Марки цементов, принимаемые для легких бетонов
Проектная марка легкого бетона
Марка цемента
М150 М200 М250 М300 М350 М400 М500
Рекомендуемая
400
400
400
500
500
500
600
Допускаемая
300,
300,
300,
400,
400,
400,
500
500
600
500,
600
600
600
–
600
Прочность на сжатие крупного заполнителя должна быть не менее значений, указанных в табл. 9.2, а насыпная плотность крупного заполнителя должна
быть, как правило, не более значений, указанных в табл. 9.3. Между фракциями
крупного заполнителя принимают следующие соотношения:
- для фракций (5-10):(10-20) мм — 4 0 : 6 0 %,
- для фракций (5-10):(10-20):(20-40) мм — 20:30:50 %.
Среднюю прочность крупного заполнителя, определяемую сдавливанием
порции заполнителя в стальном цилиндре диаметром 120 мм, подсчитывают по
формуле
RН = 0,01(RК1х1 + RК2х2 + RК3х3)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
где RК1, RК2, RК3— прочность каждой фракции заполнителя;
х1, х2, х3 — содержание каждой фракции в смеси, % по массе.
Таблица 9.2 – Минимальная прочность крупных пористых заполнителей в
зависимости от заданной марки бетона
Прочность на сжатие заполнителя при
сдавливании в цилиндре, МПа
Марка крупного
Заданная марка безаполнителя по
пористого щебня
тона по прочности
аглопопрочности на
пористого (за исключением
на сжатие
ритового
сжатие
гравия
аглопоритового
щебня
щебня)
М 150
М 200
М 250
М 300
М350
М 400
М 500
75
100
125
150
200
250
300
1,5
2,0
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
1
1,2
1,5
1,8
2,2
2,7
3,3
6
7
8
1,0
1,2
1,4
1,6
Т а б л и ц а 9.3. Максимальная марка по насыпной плотности крупных заполнителей в зависимости от заданной плотности бетона
Плотность бетона в высушенном состоянии, кг/м3
Заполнитель
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
Пористый
гравий
Пористый
щебень
—/500
—/600
—/700 600/800 700/900
800/—
900/—
—
—/500
—/600 500/700 600/800
700/900
800/1000
П р и м е ч а н и е . Над чертой — насыпная плотность крупного пористого
заполнителя при использовании плотного песка (кварцевого и т. п.), под чертой
— насыпная плотность при использовании пористого песка, полученного в процессе дробления крупного заполнителя или отсева от него мелкой фракции.
Мелкие пористые пески, применяемые в легких бетонах марок М 150 М500, должны иметь модуль крупности 1,8-2,5 и насыпную плотность не менее
600 кг/м3. Для бетона марки М 150 допускается применение вспученного перлитового песка с насыпной плотностью более 200 кг/м3. Содержание в песке зерен размером менее 0,14 мм должно быть не более 10 % по объему. Для бетонов марок М 150 - М 200, когда активность цемента больше рекомендуемой,
можно применять до 25 % песка с содержанием зерен размером менее 0,14 мм.
Поскольку прочность легкого бетона зависит не только от активности цемента и Ц/В, но также от свойств и содержания заполнителя и подвижности бе151
тонной смеси, то при определении расхода цемента используют данные, полученные опытным путем (табл. 9.4, 9.5). Вначале по табл. 9.4 назначают расход
цемента в зависимости от заданной марки бетона, а затем по табл. 9.5 его уточняют в зависимости от свойств используемых материалов и подвижности бетонной смеси (в табл. 9.4 и далее жесткость указана по техническому вискозиметру). Расход воды назначают с учетом требуемой жесткости бетонной смеси
и вида крупного заполнителя (табл. 9.6).
Таблица 9.4 – Ориентировочный расход цемента (кг) для расчета состава
бетонов на пористых заполнителях с предельной крупностью 20 мм и плотном
песке с жесткостью бетонной смеси 20-30 с
Марка
бетона
Рекомендуемая марка
цемента
Марка пористого заполнителя по прочности зерна
75
100
125
150
200
250
300
M150
400
300
280
260
240
230
220
210
М200
400
─
340
320
300
280
260
250
М250
400
─
─
390
360
330
310
290
М300
500
─
─
─
420
390
360
330
М350
500
─
─
─
─
450
410
380
М400
500
─
─
─
─
─
480
450
М500
600
─
─
─
─
─
570
540
Таблица 9.5 – Коэффициенты изменения расходов цемента при изменении
его марки, вида песка, предельной крупности заполнителя и подвижности бетонной смеси
Характеристика
материала и подвижность бетонной смеси
Цемент марки
300
400
500
600
Песок:
плотный
пористый
Наибольшая
крупность заполнителя, мм:
40
20
10
Марка бетона
М150
М200
M250
М300
М350
М400
М500
1.15
1
0.9
─
1.2
1
0.88
─
─
1
0.85
0.88
─
1.5
1
0.9
─
1.2
1
0.88
─
1.25
1.1
0.85
─
─
1.1
1
1
1.1
1
1.1
1
1.1
1
1.1
1
1.1
1
1.1
1
1.1
0.9
1
1.1
0.9
1
1.1
0.93
1
1.07
0.93
1
1.0
0.95
1
1.05
0.95
1
1.05
0.95
1
1.05
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Жесткость, с:
20 ... 30
30 ... 50
50 ... 80
Осадка конуса,
см:
1 ... 2
2 ... 5
8 ... 12
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1
0.9
0.85
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
1.07
1.1
1.25
При этом предполагается, что в качестве мелкого заполнителя используется плотный песок. Для повышения точности определения расхода воды в значения, взятые по табл. 9.6, вводят ряд поправок, которые учитывают влияние на
расход воды других факторов.
Таблица 9.6 – Ориентировочный начальный расход воды (л/м3) для приготовления бетонной смеси с использованием плотного песка и природного крупного заполнителя
Предельная крупность, мм
Осадка конуса,
Жесткость, с
гравия
Щебня
см
10
20
40
10
20
40
8-12
235
220
205
265
250
235
3-7
220
205
190
245
230
215
1-2
10-20
205
190
175
225
210
195
20-30
195
180
165
215
200
185
30-50
185
170
160
200
185
175
50-80
175
160
150
190
175
165
В первую очередь следует учитывать водопотребность мелкого заполнителя
от свойств и расхода которого существенно изменяется водопотребность бетонной смеси. Для того чтобы при изменении плотности песка получить сопоставимые результаты, состав стандартного раствора, в отличие от состава, используемого при определении водопотребности плотных песков, назначают не
по массе, а по абсолютному объему и принимают равным 1:2,28, что ориентировочно соответствует для кварцевого песка соотношению по массе 1:2. Водопотребность (%) пористого песка определяют по формуле
В
( В / Ц )  НГ
 100
,
2,28
(9.1)
где НГ — нормальная густота цемента.
Водопотребность пористых песков в 2-3 раза больше, чем плотных песков,
например водопотребность дробленого керамзитового песка 13-16%, шлакопемзового песка 16-18 %. При среднем расходе песка 250 л/м3 по абсолютному объему изменению водопотребности песка на 1 % будет соответствовать измене153
ние расхода воды 0,02 л/л абсолютного объема песка.
Среднюю водопотребность плотного песка принимают равной 7 %. При
применении песков с другой водопотребностью в расход воды следует вводить
поправку
В1  0,02
П
 ( В  7)
(9.2)
.
На водопотребность легкобетонной смеси влияют также расход цемента и
объемная концентрация крупного заполнителя. Как и в обычном тяжелом бетоне, в конструктивном керамзитобетоне водопотребность бетонной смеси возрастает при высоких расходах цемента (низких значениях В/Ц). Ориентировочно можно считать, что при расходе цемента выше 450 кг/м3 водопотребность
возрастает приблизительно на 0,15 л/м3 на каждый 1 кг/м3 расхода цемента
сверх критического значения.
Отсюда поправка к расходу воды при высоких расходах цемента может
быть определена по формуле
В2 = 0,15·(Ц – 450).
(9.3)
Для конструктивного керамзитобетона минимальная водопотребность бетонной смеси достигается при объемной концентрации керамзита 0,35-0,4, При
большей или меньшей объемной концентрации крупного заполнителя в расход
воды вводят поправку, которую ориентировочно можно рассчитать по формуле
В3 = 2000·(φ – 0,37)2.
(9.4)
где φ=К/γз.к — объемная концентрация крупного заполнителя.
 З.П
Для определения общей водопотребности бетонной смеси указанные поправки следует прибавлять к начальному расходу воды (В0), принимаемому по
табл. 9.6 в зависимости от подвижности бетонной смеси, предельной крупности
и вида заполнителя (гравия, щебня):
В = В0 + В1 + В2 + В3
(9.5)
После определения расходов цемента и воды, соответствующих требуемой
прочности бетона и подвижности бетонной смеси, расходы крупного К и мелкого П заполнителей могут быть найдены из решения системы уравнений:
 б  1,15Ц  П  К ;
(9.6)
Ц
Ц

П
 З.П

К
 З.К
 В  1000,
(9.7)
где γб — плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3; γз.п, γз.к — плотность зерен мелкого и крупного пористых заполнителей в цементном тесте, кг/л (для
плотного песка γз.п = ρп — плотности песка); Ц, П. К и В — расходы цемента,
песка, крупного заполнителя и воды на 1 м3 бетона.
После подстановки выражения (9.5) в (9.7) можно решить систему уравнений (9.6), (9.7) и найти расходы крупного и мелкого заполнителей. Поскольку
подобные расчеты довольно трудоемки, то на практике используют таблицы
объемной концентрации крупного заполнителя в зависимости от заданной
плотности бетона, плотности зерен крупного заполнителя, начального расхода
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
воды, расхода цемента и водопотребности песка (табл. 9.7, 9.8)', заранее рассчитанные на ЭВМ по уравнениям (9.6), (9.7).
Плотность бетона,
кг/м3
Плотность зерен
крупного заполнителя в цементном
тесте, кг/дм3
Таблица 9.7 – Объемная концентрация ф крупного заполнителя для легких
бетонов на плотном песке
Водопотребность песка, %
6
8
10
Расход воды, л
1500
1
1,2
1,4
1
1,2
1,4
1,6
1
1,2
1,4
1,6
1,8
1600
1700
160
200
240
160
200
240
160
200
240
0,47
0,5
0,43
0,47
0,5
0,54
0,39
0,43
0,47
0,5
0,54
0,43
0,46
0,5
0,38
0,42
0,46
0,5
0,31
0,38
0,41
0,46
0,5
0,38
0,42
0,46
0,32
0,35
0,41
0,45
0,27
0,33
0,4
0,45
0,46
0,5
0,42
0,46
0,5
0,53
0,36
0,41
0,45
0,49
0,53
0,41
0,45
0,49
0,35
0,4
0,45
0,49
0,26
0,33
0,39
0,44
0,49
0,35
0,4
0,45
0,25
0,3
0,39
0,44
0,3
0,37
0,43
0,45
0,48
0,39
0,44
0,48
0,53
0,32
0,38
0,43
0,48
0,53
0,4
0,44
0,48
0,32
0,38
0,43
0,48
0,28
0,36
0,42
0,8
0,32
0,38
0,43
0,27
0,36
0,43
0,29
0,31
0,41
1800
1,2
0,37 0,2
0,33
1,4
0,42 0,34 0,25 0,39
0,36
1,6
0,45 0,4 0,26 0,49 0,37 0,25 0,42 0,3
1,8
0,51 0,45 0,38 0,49 0,44 0,3 0,48 0,41 0,27
2
0,5 0,44
0,49 0,42
0,48 0,44
П р и м е ч а н и е . Значения φ даны при расходе цемента 300 кг/м3, при
большем расходе цемента значения φ возрастают приблизительно на 0,01 на
каждые 100 кг/м3 цемента, при уменьшении расхода цемента значения φ соответственно сокращаются.
Для получения одного и того же значения плотности бетона даже при
неизменной плотности зерен крупного заполнителя его концентрация φ может
изменяться в 1,5-2 раза в зависимости от расходов цемента, воды и водопотребности песка.
Поскольку для обеспечения заданной плотности бетона приходится в ряде
случаев использовать составы с неоптимальной (с точки зрения удобоукладываемости смеси) объемной концентрацией крупного заполнителя, то для того,
чтобы при том не получить смесь, склонную к расслаиванию, значения ср
должны отличаться не менее чем на 0,25 и не более чем на 0,05 от оптимальных
155
значений, приведенных в табл. 9.8.
Расход крупного заполнителя определяют по формуле
К  1000     З.К ,
(9.8)
где γз.к — плотность зерен крупного: заполнителя в цементном тесте, кг/л.
Плотность зерен крупного заполнителя в цементном тесте ориентировочно
можно находить, умножая плотность зерен крупного заполнителя на коэффициент, равный 1,05 для пористого гравия и 1,1 для пористого щебня.
Расход плотного песка устанавливают в зависимости от плотности бетона
и расходов цемента и крупного заполнителя:
П   б  1,15Ц  К .
(9.9)
0,47
0,45
0,43
0,41
0,39
0,46
0,48
0,5
0,52
0,54
осадке конуса
свыше 3 см
Межзерновая пустотность
0,49
0,47
0,45
0,43
0,41
Оптимальная объемная
концентрация при
осадке конуса
1-3 см или
жесткости
10-30 с
осадке конуса
свыше 3 см
0,52
0,50
0,48
0,46
0,44
Оптимальная объемная
концентрация при
жесткости
свыше 30 с
осадке конуса
1-3 см или
жесткости
10-30 с
0,36
0,38
0,4
0,42
0,44
жесткости
свыше 30 с
Межзерновая пустотность
Таблица 9.8. Оптимальная объемная концентрация крупного заполнителя
0,42
0Г4
0,38
0,36
0,34
0,39
0,37
0,35
0,33
0,31
0,37
0,35
0,38
0,31
0,29
Плотность бетона можно регулировать, вводя в бетон пористые пески и
изменяя соотношения между плотным и пористым песком, что позволяет обеспечить оптимальную объемную концентрацию крупного заполнителя. Для
определения расхода пористого Ппор и плотного Ппл песков при выбранных значениях расхода цемента, начального расхода воды, объемной концентрации
крупного заполнителя необходимо решить систему уравнений:
П ПЛ
П
Ц
 ПОР  В  1000  1    
; (9.10)
 ПЛ . П  ПОР. П
Ц
П ПЛ  П ПОР   б  1,15Ц  1000     З.К
Если ввести условные обозначения:
А  10001    
Ц
Ц
 В0  В2  В3 ;
Q   б  1,15Ц  1000     З.К ;
СВПЛ 

1  0,02  ВППЛ  7

ПЛ
П
;
(9.11)
(9.12)
(9.13)
(9.14)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
СВПОР 

1  0,02  ВППОР  7

ПОР
З.П
;
(9.15)
то
П ПОР 
А  QСВПЛ
;
СВПОР  СВПЛ
(9.16)
П ПЛ  Q  П ПОР .
(9.17)
Состав легких бетонов на плотном песке для пробных замесов устанавливают в следующем порядке:
1. Определяют расход цемента в зависимости от заданных марок бетона и
цемента, прочности крупного заполнителя (табл. 9.4, 9.5).
2. Устанавливают начальный расход воды в зависимости от заданной жесткости или подвижности бетонной смеси, наибольшей крупности и вида крупного заполнителя (табл. 9.6).
3. Определяют объемную концентрацию крупного заполнителя в зависимости от расхода цемента и воды, заданной плотности зерен крупного заполнителя и водо-потребности песка (табл. 9.7). Если исходные данные находятся между значениями, указанными в табл. 9.7, то объемную концентрацию выбирают
по интерполяции. Если объемная концентрация крупного заполнителя превышает более чем на 0,05 оптимальное значение, указанное в табл. 9.8, то следует применить более легкие заполнители, или поризацию бетона.
4. Определяют расход крупного заполнителя по формуле (9.8).
5. Определяют расход песка по формуле (9.9).
6. Определяют расход воды по формуле (9.5).
Первоначальный состав легких бетонов на пористом или смешанном песке
устанавливают в следующем порядке:
1. Определяют расход цемента по табл. 9.4 и 9.5.
2. Устанавливают начальный расход воды с учетом водопотребности пористого песка по табл. 9.6.
3. Определяют объемную концентрацию крупного заполнителя по
табл. 9.8.
4. Устанавливают расход крупного заполнителя по формуле (9.8).
5. Определяют расход пористого песка, обеспечивающий получение заданной плотности бетона в сухом состоянии по формуле (9.16) с использованием
значений A, Q, СВПЛ, СВПОР по формуле (9.12) - (9.15) с учетом, что К =1000φγз.к
6. Определяют расход плотного песка по формуле (9.17). Если окажется,
что расход пористого или плотного песка менее 20 кг/см3, то бетон следует готовить только на песке, расход которого наибольший.
7. Подсчитывают общий расход воды
В = В0 + ВП.ПЛ + ВП.ПОР + В2 + В3,
где ВП.ПОР — поправка на водопотребнрсть пористого песка:
П
ВП . ПОР  0,02 ПОР  ВП  7 .
 З . ПОР
Для опытных замесов помимо предварительного состава, рассчитывают
еще два состава, в которых расход цемента принимают на 10—20 % меньше и
157
больше, чем полученный в исходном составе. Если на принятых материалах
нельзя получить заданную плотность бетона при допустимых значениях φ, то
диапазон варьирования расхода цемента следует уменьшить так, чтобы объемная концентрация крупного заполнителя оказалась в допустимых пределах, или
принять другие заполнители.
По результатам опытной проверки строят график Rб = ƒ(RЦ), по которому
принимают действительное значение расхода цемента и затем уточняют расходы других материалов.
Пример 9.1. Подобрать состав керамзитобетона марки М250 плотностью в
сухом состоянии 1700 кг/м3 при подвижности бетонной смеси по осадке конуса
3-7 см. Материалы: цемент марки 500, песок плотный с истинной плотностью
2,65 кг/л и водопотребностью 6,5 %, керамзитовый гравий с указанными в табл.
9.9 свойствами.
Соотношение фракций керамзита 5-10 и 10-20 мм принимаем 40:60% (по
массе). Средняя плотность зерен керамзита в цементном тесте составит
 З.К 
100
 1,22.
40
60

1,25 1,19
Средняя прочность керамзита в цилиндре составит
RК = 0,01·(5,9·40 + 5,1·60) = 5,5 МПа
По своим свойствам керамзитовый гравий удовлетворяет требованиям,
предъявляемым к материалу для получения заданных свойств бетона.
По табл. 9.4 расход цемента составляет 310 кг/м3. Поправочные коэффициенты (табл. 9.5) на цемент марки 500 равны 0,85 и на осадку конуса 3-7 см —
1,15.
Окончательный расход цемента: 310·0,85·1,15 = 305 кг/м3.
Таблица 9.9 – Характеристика керамзитового гравия
Фракция, мм Смесь заполНаименование
нителя
5-10 10-20
Объемная насыпная плотность, кг/м3
570
650
680
Плотность зерен в цементном тесте, кг/л
1,25
1,19
1,22
Пустотность
0,46
0,45
0,41
По табл. 9.6 начальный расход воды В0 = 190 л/м8.
Интерполируя, по табл. 9.7 находим объемную концентрацию керамзита:
φ = 0,38. Это значение меньше указанного в табл. 9.8 (φ = 0,4 при пустотности
керамзита 0,43 и осадке конуса бетонной смеси 3 см) и, следовательно, допустимо.
Определяем расход керамзита: К = 1000·0,38·1,22 = 465 кг/м3.
Расход песка: П = 1700 – 1,15·305 – 465 = 886 кг/м3.
Общий расход воды: В = 190 + 2000(0,38 – 0,37)2 + 0,01·885(6,5 – 7) = 186
л/м3.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Пример 9.2. Подобрать состав керамзитобетона марки М 150, плотностью
в сухом состоянии 1600 кг/м3 при жесткости бетонной смеси 30-50 с. Материалы: цемент марки 400, песок плотный с истинной плотностью 2,65 кг/л и водопотребностью 6%, песок керамзитовый с плотностью зерен в цементном тесте
1,8 кг/л и водопотребностью 14 %, щебень керамзитовый фракции 5-10 мм,
плотностью 880 кг/м3, плотностью зерен в цементном тесте 1,75 кг/л, пустотностью 0,5, прочностью в цилиндре 1,5 МПа.
По табл. 9.4 расход цемента равен 260 кг/м3. По табл. 9.5 находим поправочные коэффициенты: на пористый (смешанный) песок — 1,1 (на меньшую
крупность щебня — 1,1; на жесткость смеси — 0,9. Окончательный расход цемента Ц =260·1,1·1,1·0,9 = 283 кг/м3.
Начальный расход воды по табл. 9.6 составит В = 200 л/м3. Объемная концентрация щебня по табл. 9.8 φ = 0,38. Расход крупного заполнителя К =
100·0,38·1,75 = 665 кг/м3. Определяем расход пористого песка:
В1 = 0; В2 = 0;
283
 200  329 кг/м3;
3,1
Q  1600  1,15  283  665  611 кг/м3;
1  0,02  6  7 
СВПЛ 
 0,37;
2,65
1  0,02  14  7 
СВПОР 
 0,63;
1,8
329  611  0,73
П ПОР 
 390 кг/м3.
0,634  0,37
А  1000  (1  0,38) 
Расход плотного песка:
ППЛ = 611 — 390 = 221 кг/м3.
Определяем общий расход воды:
ВЗ.ПЛ = 0,01·221 (6 – 7) = – 2,2 л/м3;
ВЗ.ПОР = 0,02(390/1,8)(14 – 7) = 30,3 л/м3;
В = 200 — 2,2 + 30,3 = 228 л/м3.
Корректировка состава легкого бетона на пористых заполнителях по результатам опытной проверки и определение расхода материалов на замес бетоносмесителя выполняются тем же порядком как для обычного тяжелого бетона.
9.2 Проектирование состава поризованного легкого бетона
Состав легкого бетона, поризованного воздухововлекающими добавками,
подбирают в такой последовательности. Расход цемента, воды и крупного пористого заполнителя определяют по табл. 9.4-9.8 и формуле (9.8). Для трех расходов цемента (уточненного табличного значения и отличающегося от него на
±20%) по формуле (9.9) устанавливают расход песка для получения заданной
массы бетона.
Ориентировочно необходимый объем вовлеченного воздуха для получения
159
поризованного бетона слитной структуры подсчитывают по формуле
VВВ 
Ц

1 
К
П
 1000  


 В  .


10 
 Ц  З.К  З. П

(9.18)
По полученным данным определяют ориентировочный расход микропенообразователя (табл. 9.10). Готовят опытные замесы и корректируют расход воды по заданным значениям подвижности бетонной смеси. По результатам испытания образцов строят графики зависимости прочности и плотности легкого
бетона при заданных расходах цемента от расхода добавки и устанавливают оптимальный состав бетона. Этот состав проверяют в производственных условиях, вводя поправки на расход керамзита (с учетом его частичного раздробления
в смесителе).
Микропенообразователь
Требуемый
объем вовлеченного воздуха, %
Таблица 9.10 – Ориентировочный расход воздухововлекающих добавок для
приготовления поризованных легких бетонов, % от массы цемента
Песок
ЦНИИПС-1 или абиетат натрия (СНВ)
Гидролизованная
кровь (ПО-6)
4-8
8-12
4-8
8-12
дробленый керамзитовый
кварцевый
шлаковый
0,02-0,10
0,50-0,15
0,30-1,00
0,50-1,50
0,04-0,15
0,10-0,20
0,50-1,50
1,00-2,50
0,05-0,15
1-2
-
Состав беспесчаного легкого бетона, поризованного пено- или газообразующими добавками, подбирают в такой последовательности: а) устанавливают
расход заполнителя; б) определяют объем ячеистого бетона; в) рассчитывают и
уточняют в опытных замесах состав ячеистого бетона, обеспечивающий заданные подвижность бетонной смеси и прочность затвердевшего легкого бетона.
При этом бетон должен иметь плотную (слитную) структуру.
Зерновой состав пористого заполнителя устанавливают из условия получения минимальной пустотности, его плотность и прочность должны соответствовать заданным свойствам легкого бетона.
Расход (в л) пористого заполнителя определяют по формуле
VЩ 
1000
,
1  ПЩ   1
(9.19)
где ПЩ — межзерновая пустотность заполнителя; α — коэффициент раздвижки зерен заполнителя, составляющий 1,1-1,2.
Объем ячеистого бетона (л) подсчитывают из условия заполнения межзерновых пустот заполнителя с некоторым избытком по формуле
VЯЧ . Б  VЩ  П Щ   .
(9.20)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Плотность ячеистого бетона в сухом состоянии устанавливают из условия
получения заданной плотности легкого бетона по формуле
 ЯЧ .Б 
1000   б  VЩ   Щ
,
VЯЧ .Б
(9.21)
где γщ — плотность (насыпная) пористого заполнителя, кг/л.
Определение состава ячеистого бетона изложено в пункте 9.4 данной лекции. При этом прочность должна быть не менее заданной прочности легкого бетона. Учитывая, что изделия из поризованного бетона подвергаются, как правило, тепло-влажностной обработке при атмосферном давлении, для уменьшения
расхода цемента рекомендуется применять активные кремнеземистые добавки.
Для опытных замесов рассчитывают три состав^ легкого бетона с расходом пористого заполнителя, определяемым по формуле и отличающимся на ±10
%. По данным испытания опытных образцов, прошедших тепло-влажностную
обработку по заданному режиму, выявляют зависимость между прочностью
легкого бетона и плотностью ячеистого бетона. Принимают оптимальный состав, обеспечивающий получение легкого бетона заданной прочности и плотности при.наименьшем расходе цемента.
9.3 Проектирование состава крупнопористого легкого бетона
Состав крупнопористого конструктивно-теплоизоляционного бетона на легких заполнителях определяют расчет-но-экспериментальным методом. При
этом задаются маркой и плотностью бетона. Крупнопористые бетоны на легких
заполнителях отличаются высокой жесткостью, поэтому при определении их
состава контролируют нерасслаиваемость бетонной смеси.
Расход цемента для получения крупнопористого бетона устанавливают по
табл. 9.11.
Расход крупного заполнителя Щ принимают в зависимости от его пустотности ПЩ: при ПЩ=40 % Щ = 1,1 м3/м3; при ПЩ =50% Щ=1,15 м3/м3; при ПЩ
=60%, Щ=1,25 м3/м3. Для производственного состава расход заполнителя увеличивают на 5-15 % в зависимости от особенностей смесителя и прочности заполнителя (при перемешивании часть его зерен может разрушиться).
Расход воды (л) определяют по формуле
В
НГ  Ц  Щ  30
,
100
(9.22)
где НГ — нормальная густота цементного теста, %;
ω30 — водопоглощение по массе сухого крупного заполнителя за 30 мин,
%.
Плотность сухого бетона вычисляют по формуле
γб = 1,5Ц + Щ.
(9.23)
161
Таблица 9.11 – Ориентировочный расход цемента марки 300 для крупнопористого бетона на легких заполнителях
Марка бетона
Плотность заполнителя в уплотЗаполнитель
ненном состоянии, М 35
М 50
3
кг/м
Керамзитовый гравий
500-800
255-190 300-235
Аглопорит, шлаковая пемза, природные крупнопористые заполнители
500-800
215-155 250-180
Природные мелкопористые заполнители
800-1200
285-180 275-210
Для уточнения расхода цемента и воды изготовляют три опытных замеса:
один с расчетным количеством цемента и два, отличающихся от первого расходом цемента на ±15-20 %. Оптимальное количество воды принимают по составу смеси, имеющей наибольшую плотность и показатель расслаиваемости менее 10%. Если бетонная смесь имеет плотность больше заданной, в нее добавляют крупный заполнитель или заменяют его более легким. Оптимальный
состав бетона устанавливают по результатам испытания образцов на прочность
9.4 Проектирование состава ячеистого бетона
Подбор состава ячеистого бетона производят в следующей последовательности:
1) устанавливают значение С — отношение кремнеземистого компонента к
вяжущему в смеси (табл. 9.12);
2) определяют водотвердое отношение В/Т, обеспечивающее заданную текучесть растворной смеси, удовлетворяющую требованиям табл. 9.13 с учетом
температуры смеси в момент выгрузки из форм (табл. 9.14);
3) определяют количество порообразователя на замес РП;
4) устанавливают расход сухих материалов, добавок и воды на пробный
замес. При этом принимают во внимание не только свойства ячеистого бетона,
но и условия его формования — температуру вспучивания и время схватывания.
5) Для расчета количества порообразователя, необходимого для получения
ячеистого бетона заданной плотности, определяют предварительную пористость бетона ПР:
 С  
В
  W  ,
Т
 КС  
6) ПР  1  
(9.24)
7) где γс — плотность ячеистого бетона в высушенном состоянии; КС — коэффициент, учитывающий связанную воду в материале; W — удельный объем
сухой смеси.
8) Расход порообразователя РП (алюминиевой пудры или водного раствора
пенообразователя) на замес определяют по формуле:
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
П
9) РП   Р   V ;
  К 
(9.25)
10)где α — коэффициент использования порообразователя;
11)V — заданный объем ячеистобетонной смеси;
12)К — коэффициент выхода порообразователя.
Вяжущее
Цементное и цементноизвестковое
Известковое
Известково-белитовое
Известково-шлаковое
Высокоосновное зольное
Шлакощелочное
Таблица 9.12 – Значения С
Отношение кремнеземистого компонента к
вяжущему по массе в ячеистобетонной смеси
для автоклавного бе- для безавтоклавного
тона
бетона на золе-уносе
0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75
и2
0,75; 1; 1,25
3; 3,5; 4; 4,5; 5,5 и 6
–
1; 1,25; 1,5; 2
–
0,6; 0,8; 1
0,6; 0,8; 1
0,75; 1; 1,25
–
0,1; 0,15; 0,20
–
Таблица 9.13 – Текучесть ячеистобетонной смеси
Диаметр расплыва смеси, см
Заданная плотность ячеистого
бетона, кг/м3
300
400
500
600
700
800
500
600
700
800
на цементном, из- на известковом, изна высокоосноввесткововестково-шлаковом
ном зольном вяцементном, шлако- и известково-белижущем
щелочном вяжущем товом вяжущем
При литьевой технологии
38
30
—
34
25
25
30
23
23
26
21
21
22
19
20
18
17
18
При вибрационной технологии
15
—
—
13
—
—
11
—
—
9
—
—
За исходные Кс ; К; α для расчетов принимают следующие: Кс = 1,1; К =
1390 л/кг при использовании алюминиевой пудры при температуре растворной
смеси 40°С и К = 20 л/кг в случае применения пенообразователя; α = 0,85,
Исходные значения α и Кс уточняют по фактическим данным средней
163
плотности растворной смеси γфр, ячеистобетонной смеси γфя.с и ячеистого бетона
в сухом состоянии γфс.
Таблица 9.14 – Температура ячеистобетонной смеси
Температура растворной смеси, °С, в
момент выгрузки в формы
Ячеистый бетон и вяжущее
при литьевой технологии
при вибрационном
формовании
45
45
35
40
40
45
30
40
25
15
—
—
Газобетон:
- на цементе
- на известково-цементном вяжущем
- на известково-шлаковом вяжущем или высокоосновном зольном
вяжущем
- газосиликат на извести-кипелке
и известково-белитовом вяжущем
Пенобетон:
- на цементе
- на шлакощелочном вяжущем
Затем определяют фактическую пористость Пф по формуле
  ßÔ.Ñ 
Ï Ô  1  Ô  ;
(9.26)
 Ð 
уточняют коэффициент использования порообразователя по формуле

ПФ
КС ;
РП
(9.27)
и уточняют по формуле Кс — коэффициент, учитывающий связанную воду
в материале
КС 
 СФ  В 
 1   .
 ЯФ.С  Т 
(9.28)
Расход материалов на замес определяют по формулам:
 
РСУХ   С   V ;
 КС 
Р
РВЯЖ  СУХ ;
1 С
РЦ  РВЯЖ  n ;
РИ  РВЯЖ 1  n ;
Р
РИФ  И  100 ;
АФ
РВ  РСУХ  В / Т  ;
(9.29)
(9.30)
(9.31)
(9.32)
(9.33)
(9.34)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
РК  РСУХ  РЦ  РИФ  ;
(9.35)
где РСУХ — расход материалов на замес; V — заданный объем одновременно
формуемых изделий, увеличенный с учетом образования «горбушки» на 7-10 %
для индивидуальных форм и на 3-5 % для массивов; n —доля цементе в смешанном вяжущем; Рвяж — масса вяжущего; Аф — фактическое содержание
СаО в товарной извести (активность); Ри — масса товарной извести, содержащей 100 % СаО; Рк — масса кремнеземистого компонента; Рв — масса воды;
Риф— масса товарной извести; Кс — коэффициент увеличения массы за счет
связанной воды (предварительно принимают Кс = 1,1); γc — плотность ячеистого бетона, высушенного до постоянной массы.
Расход алюминиевой пудры на 1 м3 ячеистого бетона можно ориентировочно принимать по табл. 9.15.
Таблица 9.15 – Расход алюминиевой пудры в ячеистом бетоне
Плотность ячеистого Усредненный рас- Плотность ячеистого Усредненный расбетона, кг/м3
ход пудры, г
бетона, кг/м3
ход пудры, г
350
500
600
П р и м е ч а н и е . При
меньше.
690
700
360
535
800
300
470
работе с повышенным В/Т расход пудры на 10 %
При проведении опытов для получения расчетных зависимостей на реальных материалах в условиях конкретного производства для пробных замесов
можно принимать усредненные расходы материалов (табл. 9.16).
При этом для расчетов материалов на замес бетоносмесителя принимают
следующие значения В/Т: для ячеистого бетона при обычной технологии на
песке — 0,5; на золе — 0,6; для ячеистого бетона при вибротехнологии и технологии с использованием высокоэффективных пластификаторов типа С-3: на
песке — 0,3; на золе — 0,4.
цемент
песок молотый
зола-унос
доменный
шлак
гипс
Газосиликат
известь-кипелка активностью 70
%
Вид ячеистого бетона
Плотность бетона, кг/м3
Таблица 9.16 – Усредненный расход материалов для ячеистого бетона
Расход,
кг
350
500
600
700
800
72
110
130
142
162
—
—
—
—
—
247
345
415
494
564
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
3
5
6
6
7
165
Газозолосиликат
На смешанном вяжущем с применением песка
То же, с применением
золы
Газошлакобетон
Газобетон
350
500
600
700
800
350
500
600
700
800
350
500
600
700
800
350
500
600
700
800
350
500
600
700
800
72
110
130
142
162
36
90
110
130
140
49
70
80
100
120
25
35
45
50
60
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
36
90
110
120
140
80
115
130
150
170
—
—
—
—
—
140
220
260
300
350
—
—
—
—
—
247
275
325
386
446
—
—
—
—
—
145
240
256
300
326
179
236
285
336
376
247
345
415
494
564
—
—
—
—
—
190
275
325
386
436
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
140
180
244
286
340
—
—
—
—
—
3
5
6
6
7
3
4
5
6
7
3
4
5
6
7
1
1
2
2
2
2
3
4
6
6
9.5 Проектирование состава мелкозернистого бетона
Наиболее просто и точно состав цементно-песчаного бетона определяют
расчетно-экспериментальным путем. Вначале на основе определенных зависимостей рассчитывают предварительный состав бетона, обеспечивающий получение заданных подвижности цементно-песчаной смеси и прочности бетона.
Этот состав затем проверяют путем пробных затворений и если необходимо
уточняют.
Состав цементно-песчаного бетона рассчитывают в следующем порядке:
1.
Определяют водоцементное отношение, необходимое для получения заданной марки бетона:
В/ Ц 
А  RЦ
,
Rб  0,8  А  RЦ
(9.36)
где А — коэффициент, равный 0,8 для высококачественных материалов,
0,75 — для материалов среднего качества и 0,65 — для цемента низких марок и
мелкого песка; RЦ — активность цемента, МПа; Непрочность образцов — половинок балочек размером 4х4х16 см из цементно-песчаного бетона в возрасте 28
сут, выдержанных в нормальных условиях, МПа.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Формула действительна при коэффициенте уплотнения бетонной смеси
более 0,97. Если такое уплотнение не достигается, то необходимо учитывать
возможное снижение прочности бетона примерно на 5 % на каждый процент
недоуплотнения.
2.
По графикам (рис. 9.1) определяют соотношение между цементом и
песком, обеспечивающее заданную подвижность или удобоукладываемость цементно-песчаной смеси при определенном В/Ц, установленном по формуле
(9.36). На графиках показана подвижность и удобоукладываемость цементнопесчаной смеси, приготовленной на песке с модулем крупности 2,5 и водопотребностью 7 %. При применении другого песка влияние его крупности на подвижность цементно-песчаной смеси учитывают в соответствии с примечаниями к рис. 9.1 или, если неизвестна водопотребность песка, по графику на рис.
9.2.
3.
Рассчитывают расход цемента:
1000
Ц
1
Ц
 В/ Ц 
n
,
(9.37)
П
где ρц, ρп — истинные плотности цемента и песка; п — соотношение между
цементом и песком, определяемое в соответствии с указаниями п. 2.
Формула (9.37) выведена из уравнения
Ц/ρц + В + П/ρп=1000,
полученного из условия, что сумма абсолютных объемов составных частей
плотного цементно-песчаного бетона (л) равна 1 м3, или 1000 л готового плотного бетона, если в нем нет вовлеченного воздуха или объем воздушных пор
очень мал — менее 1,5 % (при уплотнении бетона прокатом, прессованием,
трамбованием, центрифугированием).
При уплотнении песчаного бетона вибрированием в него обычно вовлекается воздух (2-8 % по объему). В этом случае расход цемента определяют по
формуле
Ц
1000  ВВ
1
Ц
 В/ Ц 
П
,
(9.38)
П
где ВВ — объем вовлеченного воздуха, л: для ориентировочных расчетов
можно принять объем ВВ: для подвижной бетонной смеси на среднем и крупном песке — 20 л, то же, на мелком песке — 30 л, для жесткой смеси на среднем и крупном песке — 50 л, то же, на мелком песке — 70 л.
Действительное количество вовлеченного воздуха уточняют в опытных
замесах.
4.
Определяют расход воды:
В = Ц·В/Ц.
(9.39)
5.
Рассчитывают расход песка:
П = п·Ц.
(9.40)
167
Рис. 9.1 – График для выбора
соотношения между цементом и
песком средней крупности (водопотребность 7 %), которое обеспечивает заданную подвижность
– расплыв конуса РК и жесткость
Ж цементно-песчаной смеси при
определенном
водоцементном
отношении В/Ц:
Примечания к рис. 9.1: 1. Если применяют мелкий песок с водопотребностью свыше 7 %, содержание его уменьшается на 5 %
на каждый процент увеличения
водопотревности, при использовании крупного песка с водопотребностью ниже 7 % содержание
его увеличивают на 5 % на каждый процент уменьшения водопотревности. 2. Если водопотребность песка неизвестна, то соотношения между цементом и песком корректируют по модулю
крупности песка на основании
рис. 9.2.
Рис. 9.2 – График для корректировки соотношения Ц/П, обеспечивающего заданную подвижность цементно-песчаной смеси в зависимости
от крупности песка: 1 – МКР = 2,5; 2 –
МКР = 1,5; 3 – МКР = 0,75 (Ц/П – соотношение для песка средней крупности,
принимаемое по рис. 9.1)
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 9.3 – График для определения подвижности цементнопесчаной смеси в зависимости от
требуемой формуемости Ф армоцемента в конструкциях толщиной 2-3 см (1, 3, 5, 8, 12 – число
сеток)
6. На пробных замесах проверяют подвижность или удобоукладываемость
цементно-песчаной смеси и при необходимости вносят поправки в состав бетона. Определяют плотность свежеуложенного бетона и на контрольных образцах
проверяют прочность цементно- песчаного бетона. По плотности свежеуложенной цементно-песчаной смеси устанавливают окончательный расход материалов на 1 м3 бетона. Такое определение имеет важное значение при расчете состава цементно-песчаного бетона, так как может случиться (в тощих смесях,
при применении мелкого песка и т.д.), что цементного теста не хватит для заполнения пустот между зернами песка, и уложенный бетон будет иметь определенное дополнительное количество пор, которое необходимо учитывать при
подсчете материалов на 1,м 3 бетона, или, наоборот, окажется, что в расчете
учтено большее количество вовлеченного воздуха, чем его будет в действительности.
Пример 9.3. Определить состав бетона марки М 300 для тонкостенной железобетонной плиты с удобоукладываемостью цементно-песчаной смеси 30 с.
Материалы: портландцемент марки 400, песок обычный строительный с модулем крупности МКР = 1,5, истинной плотностью 2,63 кг/л. Условия твердения
нормальные.
1. По формуле (9.36):
В/ Ц 
0,75  400
 0,55 .
300  0,8  0,75  400
2.По графику на рис. 9.1 устанавливаем отношение Ц:П (или 1:п), которое
по интерполяции составляет 1:4,3. Вводим поправку, учитывающую крупность
песка, т. е. по графику на рис. 9.2 определяем действительное отношение 1:п
(Ц: П) для нашего песка (Мкр = 1,5), которое равно 1:3,7.
3.Расход цемента:
Ц
1000
1
3,7
 0,55 
3,1
2,63
 440 кг.
4.Расход воды: В = 440·0,55 = 240 л.
5.Расход песка: П = 3,7·400 = 1630 кг.
6.Расчетная плотность бетона:
γб = 400 + 240 + 1630 = 2310 кг/м3.
169
7.
Проводим пробные затворения. Допустим, окажется, что цементнопесчаная смесь показала заданную удобоукладываемость без корректировки состава, а действительная плотность смеси оказалась γб.д = 2210 кг/м3. Определяем
действительный расход материалов на 1 м3 песчаного бетона:
Ц = 0,96·400 = 420 кг (0,96 = 2210/2310);
В = 0,96·240 = 230 кг; П == 0,96·1630 = 1560 кг.
Другие коррективы вносим в состав после испытания контрольных образцов.
При определении состава бетона для армоцементных конструкций необходимо учитывать формуемость армоцемента. На формуемость армоцемента
большое влияние оказывает схема армирования (в частности, число сеток, расстояние между ними и размер ячейки сетки). Чем гуще армирование, тем более
интенсивным и продолжительным должно быть вибрирование для уплотнения
цементно-песчаной смеси определенной подвижности.
Формуемость армоцемента (с) следует выбирать в зависимости от принятого способа уплотнения:
Вручную ....................................
5-15
Вибрирование с частотой 50 Гц
15-40
То же, 100 Гц ........................... 40-60
Вибрирование с пригрузом ..... 60-100
При расчете состава цементно-песчаной смеси для армоцементных конструкций подвижность смеси определяют в зависимости от требуемой формуемости и заданной схемы армирования по графику рис. 9.3. График составлен
для стальной тканой сетки с ячейкой 7х7 мм; если применяют сетку с ячейкой
5х5 мм, то подвижность смеси (определяемая по графику) увеличивается на
40%, а при сетке с ячейкой 10х10 мм уменьшается на 30%.
Наибольшую крупность песка Dmax, допустимую по условиям армирования,
определяют по формуле
2
DMAX
l
 h     0,3
,
2
2
(9.41)
где h — расстояние между сетками;
l — размер ячейки стальной тканой сетки, мм.
Для экономии цемента в мелкозернистый бетон иногда вводят микронаполнители — золу, известняковую муку, молотый песок и др. Состав в этом
случае определяют обычным методом, рассматривая цемент и микронаполнитель как единое вяжущее. Активность вяжущего и его влияние на водопотребность бетонной смеси зависят от содержания и свойств микронаполнителя. Для ориентировочных расчетов можно принять, что уменьшение активности цемента пропорционально увеличению содержания микронаполнителя:
при содержании микронаполнителя 20 % активность вяжущего уменьшается на
20%.
Окончательный состав мелкозернистого бетона с микронаполнителем
уточняют по результатам пробных замесов.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Лекция № 10 – СОСТАВ И СВОЙСТВА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
БЕТОНОВ
Вопросы:
10.1 Общие понятия и сведения о многокомпонентных бетонах;
10.2 Состав и свойства многокомпонентных бетонов;
10.3 Прочность многокомпонентных бетонов
10.1 Общие понятия и сведения о многокомпонентных бетонах
В XXI веке, как утверждают ученые-бетоноведы, бетон получит развитие
как один из основных материалов для строительства. Уже сегодня применяются
более тысячи видов различных бетонов – от особо легких с плотностью 100
кг/м3 до особо высокопрочных классов В100 и выше и большое разнообразие
специальных бетонов с разными комплексами свойств.
Сравнительная простота и доступность бетонной технологии, широкая
возможность использовать местное сырье и вторичные отходы промышленности и энергетики, низкая энергопотребность производства, доступная стоимость
и широкая возможность в воплощении самых разных архитектурностроительных решений – все это является гарантией широкого применения бетона в строительстве.
Сегодня под термином "бетон" подразумевают широкую гамму различных
строительных композитов гидратационного и других видов твердения. Здесь и
обычный тяжелый бетон, и легкие ячеистые бетоны, и мелкозернистые бетоны,
растворы, мастики, и фибробетоны, и специальные бетоны, в том числе с использованием полимерных компонентов и самых различных вяжущих веществ.
Многообразие видов бетона обусловливает его успешное применение в условиях рыночной экономики и технического прогресса.
В современных условиях бетоны становятся многокомпонентными, при их
приготовлении широко используются химические модификаторы структуры и
свойств, активные минеральные ультрадисперсные компоненты и ряд других
эффективных добавок (рис. 10.1).
В современной технологии бетона с цепью управления структурообразованием, технологией производства и регулированием свойств материала используют:
 композиционные вяжущие на различной основе (на цементе, гипсе, магнезиальных вяжущих и др.), являющиеся многокомпонентными вяжущими
низкой водопотребности (ВНВ);
 комплексные модификаторы структуры и свойств, включающие в себя
различные химические модификаторы и активные минеральные компоненты, в
том числе ультрадисперсные;
 минеральное сырье заполнителей, обеспечивающее получение экономичных и долговечных бетонов;
 интенсивную технологию, обеспечивающую гомогенизацию состава и
171
создание условий оптимального взаимодействия составляющих в процессе образования структуры материала и ее упрочнения.
а)
Мелкий
заполнитель
Вяжущее
вещество
б)
Минеральный
наполнитель
(1-5 видов)
Вяжущее вещество
Волокнистые
материалы
(фибра)
Обычный
бетон
Мелкий заполнитель
Многокомпонентный
бетон
Вода
Химический
модификатор
Крупный заполнитель
Пигменты
Крупный
заполнитель
Вода
Рис. 10.1 – Составы обычного традиционного (а) и
многокомпонентного (б) бетонов
Основу современной технологии многокомпонентного бетона составляет
создание высококачественного искусственного каменного черепка (искусственного камня), отличающегося высокой дисперсностью, малой дефектностью и
устойчивостью структуры, в том числе за счет уменьшения ее перестройки в
процессе твердения.
На его основе могут создаваться самые различные качественные многокомпонентные бетоны путем вкрапления в структуру материала дополнительных составляющих и ее модификации:
 при введении различных минеральных заполнителей – высококачественные конструкционные бетоны;
 при регулировании воздушной фазы – различные виды облегченных
конструкционных бетонов и высококачественных ячеистых бетонов с повышенными теплозащитными свойствами;
 при введении тонкодисперсных минеральных наполнителей и регулировании воздушной фазы – растворы различного назначения;
 при введении дисперсных волокнистых материалов – фибробетоны с
широким регулированием свойств и возможностей;
 при введении пигментов, специальных каменных материалов и применении особой технологии – различные виды архитектурно-декоративного бетона;
 при введении отходов промышленности – получение бетонов с гарантированной экологической безопасностью одновременно с утилизацией отходов;
 при введении полимерных составляющих получение широкой гаммы Пбетонов (т.е. полимербетонов), в том числе для ремонта, реконструкции, декоративных цепей и др.;
 при введении специальных компонентов – получение особых видов высококачественных бетонов – электротехнических, защитных и др.;
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
 при введении напрягающих добавок – получение бетона для самонапряженных конструкций.
Переходом на многокомпонентную структуру бетонов из традиционно
применяемых бетонов в строительстве получают новые эффективные виды
многокомпонентных бетонов для различных видов конструкций: высокопрочные бетоны, бетоны повышенной долговечности, безусадочные, расширяющиеся и напрягающие бетоны, бетоны, приготовленные из литых бетонных смесей,
специальные бетоны, в том числе на новых композиционных вяжущих, новые
виды легких бетонов и ряд других.
Достижения строительного материаловедения позволили объединить в
единый комплекс положительные свойства разных групп бетонов. Так появился
новый класс бетонов – высококачественные бетоны. Это многокомпонентные
бетоны, в которых используются композиционные вяжущие вещества, химические модификаторы структуры, свойств и технологии, активные минеральные
компоненты и расширяющие добавки. Многокомпонентность системы позволяет управлять структурообразованием на всех этапах технологии. Высококачественные многокомпонентные бетоны – это не только высокие показатели
свойств, но и высокая технология, гарантирующая получение материала высокого качества.
Композиционные вяжущие для многокомпонентных бетонов представляют
собой продукт механохимической активации в регламентированных условиях
портландцемента или другого вяжущего с химическими модификаторами, содержащими водопонижающий компонент, и минеральными добавками. В качестве модификаторов и активных компонентов могут использоваться следующие
вещества и материалы, влияющие на реологию смеси, структуру и свойства материала, кинетику физико-химических процессов, эксплуатационную надежность:
 комплексы химических модификаторов различного назначения;
 дисперсные наполнители-разбавители;
 ультрадисперсные наполнители-уплотнители и активизаторы;
 компоненты, управляющие объемными изменениями структуры;
 компоненты, позволяющие управлять физико-химическими процессами
твердения и гарантирующие долговечность бетона;
 компоненты, придающие бетону специальные свойства;
 компоненты, позволяющие совместно с химическими модификаторами
управлять реологией бетонной смеси и процессами затвердевания;
 дисперсные волокнистые материалы;
 компоненты, регулирующие внутренее тепловыделение материала.
Современная технология бетона предлагает строителям широкое многообразие бетонов, различного назначения и технологии. В ближайшие годы это
многообразие еще увеличится.
На основе новых видов вяжущих и модификаторов получат распространение:
 особобыстротвердеющие многокомпонентные бетоны с прочностью че173
рез 3...4 часа 40...50 МПа и выше, что обеспечит значительную экономию энергоресурсов в строительстве;
 бетоны, твердеющие при отрицательной температуре до -30 0C;
 бетоны со специальными свойствами (защитные, электротехнические,
антибактерицидные, жаростойкие и др.).
С целью ресурсосбережения и улучшения теплотехнических свойств материала большое развитие в последнее время получили воздухонаполненные бетоны и изделия. Ячеистые бетоны различных способов получения, легкие бетоны на пористых заполнителях, в том числе безобжиговых и полимерных, изделия с сотовой и другими системами сложения дают возможность использовать
более совершенные технологии изготовления, большее разнообразие и многокомпонентность состава и сырья.
10.2 Состав и свойства многокомпонентных бетонов
В свое последнее десятилетие ХХ век выдал строителям новинку строительно-производственных технологий – «коктейль» из смешанных вяжущих,
прошедших совместную механохимическую обработку цементов для получения
многокомпонентных высококачественных и высокотехнологичных бетонов.
Удобные в работе с повышенными эксплуатационными свойствами, они положили основу для производства так называемых «зеленых композитов» для «зеленого строительства» и предоставляют возможность воспроизведения мельчайших деталей рельефа без образования на лицевой поверхности крупных дефектов, останков бывших пузырей – следов «защемления» воздуха, что особенно важно для декоративных изделий из архитектурного бетона.
Цементное тесто в таких многокомпонентных системах в силу своей повышенной подвижности качественно окружает своей массой арматуру и с легкостью затекает во все закоулки формовочного места.
Российские ученые разработали, запатентовали и внедрили такой новый
продукт, как бетоны на смешанных вяжущих типа вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотых многокомпонентных цементов (ТМЦ) и др. (табл.
10.1 и 10.2). Эти разработанные разновидности смешанных вяжущих отличаются экономичностью производства, более высокой прочностью и стойкостью к
внешним воздействиям, экологичностью и энергоэффективностью.
ВНВ получают путем интенсивной механохимической обработки портландцемента с минеральной добавкой в присутствии порошкообразного суперпластификатора. ВНВ характеризуется, по сравнению с обычным портландцементом, высокой дисперсностью (удельная поверхность 4000-5000 см2/г), низкой водопотребностью (нормальная густота цементного теста в среднем 18,020,0%, при том, что у портландцемента 400 и 500 НГ составляет 26,5 % и 26,0
%), активность по показателю прочности до 100 МПа.
Многокомпонентные бетоны на ВНВ отличаются высокой морозостойкостью, трещиностойкостью. Водопоглощение в 2-2,5 раза ниже, чем бетонов без
добавки и с суперпластификатором С-3. Деформации усадки и ползучести бетонов на основе ВНВ в среднем на 10-30 % ниже, чем у бетонов обычного состава.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
№
Марка ВНВ
п.п.
1
2
3
№
п.п.
1
2
3
4
5
6
7
ВНВ-100
ВНВ-50
ВНВ-30
Таблица 10.1 – Состав ВНВ
Доля минеральной
Доля портланддобавки (наполнитецемента, %
ля), %
100
50
50
30
70
Вид вяжущего
Портландцемент
М400 Д0
То же с введением 0,7% С-3
ВНВ100
ВНВ50
ВНВ30
ВНВ50
ВНВ30
Доля химического модификатора (С-3), %
0,7
0,7
0,7
Таблица 10.2 – Свойства ВНВ
Вид минеральной
Активность в
Нормальная
добавки (наполни28 суток, МПа
густота, %
теля)
RИ/RСЖ
-
27
5,37/41,7
-
23
6,68/53,4
песок строительный
то же
шлак доменный гранулированный
зола-унос
15
16
18
10,2/87,7
7,0/61,0
5,5/42,0
17
6,7/59,3
18
5,8/53,1
ТМЦ применяют при изготовлении бетона и железобетона, в том числе монолитного, в целях экономии портландцемента или получения материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. ТМЦ получают повторным помолом портландцементов с различными минеральными добавками природного и
искусственного происхождения (кварцевыми песками, известняками, перлитами, вулканическими породами, золами ТЭЦ, доменными шлаками). Их вводят в
цемент взамен части клинкера в количествах до 50 %. Оптимальная дисперсность ТМЦ составляет 4500 см2/г. Дальнейшее увеличение тонкости помола
практически не повышает прочности бетона, но значительно увеличивает расход энергии на помол.
ТМЦ позволяют увеличивать прочностные показатели бетонов, уменьшать
расход клинкерного цемента, повышая морозостойкость и водонепроницаемость. В зависимости от принятой модификации ТМЦ, экономия расходного
портландцемента составляет от 5 до 60 %. Наибольшую экономию в бетонах на
основе ТМЦ можно достичь путем применения активных минеральных добавок
– золы, шлака, перлита и суперпластификатора С-3. Такие многокомпонентные
бетоны отличаются также повышенными физико-механическими характеристиками.
Суперпластификатор С-3 и другие пластификаторы в течении первых 30-60
минут значительно влияют на подвижность бетонной смеси, которая к полутора
часам значительно снижается. Бетоны с добавлением перлита после 28 суток
175
нормативного естественного твердения продолжают набирать прочность. Через
60 суток прочность составляет от 150 до 120 %, к 90-м суткам достигает 125 %.
Для бетонов на ТМЦ оказывается более эффективной тепловая обработка
по сравнению с обыкновенными бетонами на портландцементе. Результаты
сравнительных данных при различных режимах тепловлажной обработки (ТВО)
при изотермической выдержке 80 градусов различных бетонов дают следующие
данные. Бетоны на основе ТМЦ набирают заданную прочность на 28-е сутки
после проведения ТВО. Таким образом, бетонам на основе перлита и портландцементного клинкера рекомендовано применять режимы при изотермической
выдержке от 80 градусов и более.
Органоминеральные модификаторы придают бетонам свойства удобоукладываемости и формоустойчивости. Такие бетоны имеют высокие физикомеханические свойства и находят применение при бетонировании монолитных
конструкций и специальных сооружений.
Модификаторы – это порошкообразные материалы с насыпной плотностью
от 750 до 800 кг/м3, представляющие собой гранулы размерами 40-400 мкм, эффективно влияющие на реологические, физико-механические свойства композита.
Также, в качестве многокомпонентных вяжущих могут быть использованы
гипсоцементно-пуццолановое и гипсошлаковое-цементное.
Гипсоцементно-пуццолановое вяжущее (ГЦПВ) получают, смешивая полуводный гипс (строительный или высокопрочный), портландцемент и ту или
иную кислую активную минеральную (пуццолановую) добавку.
Смеси гипсовых вяжущих веществ с портландцементом при твердении характеризуются неустойчивостью. При затворении водой они вначале интенсивно твердеют, но через 1-3 мес., а иногда и позднее возникают деформации, обуславливающие не только падение прочности, но даже разрушение системы. Такое поведение смесей гипсовых вяжущих с портландцементом при твердении –
следствие образования трехсульфатной формы гидросульфоалюмината кальция
из высокоосновных алюминатов кальция, содержащихся в портландцементе, и
сульфата кальция.
Но если в смеси гипсовых вяжущих веществ с портландцементом вводить
определенное количество пуццолановых добавок, содержащих кремнезем в активной форме, то достигается полная их стабильность и рост прочности при
длительном твердении в воздушной или водной среде без разрушительных деформаций.
В качестве пуццолановых добавок используют обычно такие материалы,
как трепел, опоки, диатомит, активные вулканические породы, глины.
Если к гипсу и портландцементу добавлять гранулированный доменный
шлак, то изготовляют гипсошлаковое-цементное вяжущее (ГШЦВ), содержащее
40-65% полуводного гипса или ангидрита, 30-50% кислого доменного шлака и
5% портландцемента.
Основная роль портландцемента сводится в данном случае к щелочной активизации вяжущих свойств шлаков. При повышенной основности доменных
шлаков возникает необходимость вводить в ГШЦВ также пуццолановые добав-
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
ки (10-15%) для снижения концентрации гидрата окиси кальция до безопасных
пределов.
Таким образом, использование смешанных вяжущих в многокомпонентных
бетонах, является оправданным и целесообразным методом решения основных
недостатков, присущих обычным бетонам.
10.3 Прочность многокомпонентных бетонов
Введение в цемент и бетон химических добавок, активных минеральных и
других компонентов в ряде случаев существенно влияет на прочность бетона и
ее зависимость от технологических факторов (В/Ц, RЦ и других). Не изменяя
общего характера зависимостей, дополнительные вещества и дисперсные минеральные компоненты влияют на пределы действия зависимостей и их положение в пространстве Rб = f (Ц/B). Наибольшее влияние на технологические зависимости и прочность бетона оказывает применение композиционных вяжущих
веществ, суперпластификаторов и дисперсных минеральных компонентов (золы, молотого шлака и других). Многокомпонентность состава позволяет эффективно управлять структурообразованием бетона и получать бетоны с большим
разнообразием свойств.
В обычных бетонах прямолинейная зависимость Rб = f (Ц/B) сохраняется
при определенных пределах изменения цементно-водного отношения (рис. 10.2,
участок 1).
При низких значениях Ц/В водоудерживающая способность бетонной смеси недостаточная и начинается ее расслоение, что приводит к снижению прочности бетона (обычно при Ц/В<1,3, хотя эта величина определяется составом
бетона и свойствами составляющих и может колебаться в определеннных пределах). Из-за отделения избыточной воды при уплотнении, если это имеет место, действительное цементно-водное отношение в бетонной смеси повышается,
несколько увеличивая прочность бетона и способствуя сохранению прямолинейной зависимости Rб = f (Ц/В) при низких значениях цементно-водного отношения. Более действенные результаты получают, если вводят в бетонную смесь
специальные водоудерживающие добавки или супертонкие минеральные компоненты. Это позволяет получить доброкачественный бетон при низких значениях цементно-водного отношения, прочность которого определяется по соответствующей прямолинейной зависимости (рис. 10.2, участок 2).
При высоких значениях цементно-водного отношения бетонная смесь приобретает высокую жесткость, ее укладка и уплотнение затруднены, возрастает
содержание воздушной фазы в бетоне, недоуплотнение смеси, что ведет к снижению прочности бетона (обычно при значениях Ц/В>2,5). Однако, если обеспечить должное уплотнение бетонной смеси, то и при высоких водоцементных
отношениях сохраняется прямолинейность зависимости Rб = f (Ц/В). Это достигается либо за счет применения при уплотнении смеси внешнего давления прессованием, штампованием, трамбованием, или введением в бетонную смесь
суперпластификаторов, или использованием вяжущих низкой водопотребности.
Последние приемы более универсальны и могут применяться как при изготовлении сборного, так и монолитного бетона и железобетона.
177
Рис. 10.2 – Зависимость прочности многокомпонентных бетонов от цементно-водного отношения Ц/В и активности вяжущего вещества: 1 – на обычном цементе; 2 – с водоудерживающими добавками; 3 – с суперпластификаторами; 4 – на вяжущем низкой водопотребности (ВНВ) марки ВНВ-100; 5 – на
ВНВ-70; 6 – на ВНВ-40; 7 – с суперпластификатором и минеральным наполнителем 30 %
На рис. 10.2. показано возможное расширение пределов прямолинейной зависимости Rб = f (Ц/B) при использовании суперпластификаторов (участок 3) и
вяжущих низкой водопотребности (участок 4). Поскольку бетонные смеси на
ВНВ обладают более низкой водопотребностью, чем бетонные смеси с суперпластификатором, они обеспечивают качественное уплотнение смеси при очень
низких водоцементньк отношениях и соответственно более высокую плотность
и прочность бетона. Максимальная прочность многокомпонентных бетонов может быть в 1,5-2 раза выше, чем максимальная прочность обычного бетона.
При применении вяжущих низкой водопотребности или суперпластификаторов в область более высоких значений цементно-водного отношения
смещается не только правая граница зависимости Rб = f (Ц/B), но и левая граница (см. рис. 10.2), при которой начинается расслоение бетонной смеси, т.е. область доброкачественной структуры бетона сдвигается в область более высоких
цементно-водных отношений. В этом случае практически невозможно получить
бетоны средней и низкой прочности.
При необходимости получить такие бетоны следует применять разбавленные ВНВ или смешанные цементы. Введение в цемент или ВНВ дисперсных минеральных компонентов (наполнителей) с удельной поверхностью близкой к удельной поверхности, цемента, разбавляет цемент и понижает его активность (рис. 10.3).
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Рис. 10.3 – Изменение прочности
цемента при замене его части минеральным наполнителем МН: 1 – при
инертном МН; 2 – при активном МН
Степень понижения активности определяется содержанием и видом компонента, его пуццоланической активностью и рядом других факторов. При введении наполнителя-разбавителя в чистоклинкерный цемент в небольших количествах может происходить определенная стабилизация структуры цементного
камня и в этом случае снижение прочности не наблюдается (рис. 10.3, кривая 2).
В зависимости от требований к прочности бетона выбирают разбавленные
ВНВ или смешанные цементы с различным содержанием наполнителя и соответственно разной активностью. На рис. 10.2 показаны зависимости Rб = f (Ц/B)
для бетонов на разбавленных ВНВ с введением в вяжущее 30% (участок 5) и
60% (участок 6) тонкомолотого кварцевого песка. Соответственно эти бетоны
имеют свои границы доброкачественности структуры. Подобное изменение положения зависимости Rб = f (Ц/B), хотя и в меньшей степени, имеют и многокомпонентные бетоны с суперпластификаторами и минеральными наполнителями (например, участок 7).
Смещение зоны доброкачественности структур в случае применения разбавленных ВНВ и комплексов «суперпластификатор-минеральный наполнитель» в область более высоких значений цементно-водного отношения
способствует получению бетонов заданной прочности, но с более высокими показателями других свойств, а также обеспечивает более эффективное использование цемента, добавок и минеральных наполнителей, в том числе из вторичных
продуктов промышленности и энергетики (зол, молотого шлака, отходов камнедробления и других).
Прочность многокомпонентных бетонов ориентировочно можно определять по одной формуле
Ц

RБ  АRЦ   С  .
В

(10.1)
При применении ВНВ и смешанных цементов необходимо уточнять коэффициенты А и С в формуле прочности (10.1), т.к. равнопластичные цементные
растворы при испытаниях цемента получаются при В/Ц, отличных от 0,4 , характерного для испытания обычного цемента. Также отличается строение структуры цементного камня, что влияет на наклон кривой Rб = f (Ц/B).
179
Список использованных источников литературы
1. Баженов, Ю.М. Мелкозернистые бетоны из вторичного сырья для ремонта и
восстановления поврежденных зданий и сооружений / Ю.М. Баженов, Д.КС. Батаев, С-А.Ю. Муртазаев [и др.]. - Грозный, 2011. - 342 c.
2. Технология бетона, строительных изделий и конструкций. Учебник для вузов. Ю.М. Баженов, Л.А. Алимов, В.В. Воронин [и др.]. - М.: Изд-во АСВ,
2004. - 256 с.
3. Муртазаев, С-А.Ю. Мелкозернистые бетоны на основе наполнителей из
вторичного сырья / С-А.Ю. Муртазаев, Д.К-С. Батаев, З.Х. Исмаилова [и
др.]. -М.: «Комтехпринт», 2009. -142 с.
4. Баженов, Ю.М. Технология бетона. -М.: Изд-во АСВ, 2007. - 526 с.
5. Дворкин, Л.И., Дворкин, О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие. -Ростов н/Д: Феникс, 2007. —
368 с.
6. Лесовик, B.C. Строительные композиты на основе отсевов дробления бетонного лома и горных пород / B.C. Лесовик, С-А.Ю. Муртазаев, М.С. Сайдумов // Грозный, МУП «Типография», 2012. - 192 с.
7. Баженов, Ю.М. Технология бетона, строительных изделий и конструкций /
Ю.М. Баженов, Л.А. Алимов, В.В. Воронин [и др.]. -М.: Изд-во АСВ, 2008. 350 с.
8. Усов, Б.А. Физико-химические процессы строительного материаловедения в
технологии бетона и железобетона: Учеб. пособие. Издательство МГОУ,
2009. -327 с.
9. Лермит, Р. Проблемы технологии бетона. Издательство ЛКИ, 2007. -296 с.
10.Баженов Ю.М. Технология бетона: Учеб. пособие для технолог. специальностей строит. вузов - 3-е изд. –М.: АСВ, 2011. -500 c.
11.Гныря, А.И. Технология бетонных работ в зимних условиях: учеб. пособие /
А.И. Гныря, С.В. Коробков. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та,
2011. – 412 с.
12.Чумаков, Л.Д. Технология заполнителей бетона. Учебное пособие. –М.:
2011. – 264 с.
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Приложение А
СООТНОШЕНИЕ МАРОК И КЛАССОВ БЕТОНА
ПО ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ
Марка бетона по
прочности
на сжатие
Класс бетона по
прочности
на сжатие
М5
М 10
М15
М25
М25
М35
М50
М75
М 100
М150
М150
М200
М250
М300
М300
М350
М350
М400
М450
М500
М600
М700
М700
М800
М900
М900
М1000
М1000
В 0,35
В 0,75
В1
В 1,5
В2
В 2,5
В 3,5
В5
В 7,5
В 10
В 12,5
В 15
В 20
В 22,5
В 25
В 25
В 27,5
В 30
В 35
В 40
В 45
В 50
В 55
В 60
В 65
В 70
В 75
В80
Условная марка бетона*, соответствующая классу бето-на по прочности на сжатие
Бетон всех
Отличие
Отличие
видов,
Ячеистый
от марки
от марки
кроме
бетон
бетона, %
бетона, %
ячеистого
14,47
-3,5
21,7
-13,2
28,94
+ 15,7
32,74
-6,5
36,17
+ 3,3
45,84
-8,1
50,64
+ 1,3
65,48
-12,7
72,34
-3,5
98,23
-1,8
108,51
+ 8,5
130,97
-12,7
144,68
-3,55
163,71
+ 9,1
180,85
196,45
-1,8
271,02
261,93
+ 4,8
294,68
-1,8
327,42
+ 9,1
327,42
-6,45
360,16
+ 2,9
392,9
-1,8
458,39
+ 1,9
523,87
+ 4,8
589,35
-1,8
654,84
-6,45
720,32
+ 2,9
785,81
-1,8
851,3
+5,7
916,8
-1,8
982,3
+1,8
1047,7
-4,6
-
* Условная марка бетона - среднее значение прочности бетона в серии образцов, кгс/см2,
приведенной к прочности образца базового размера - куба с ребром 15 см в соответствии с
ГОСТ 10180-78, при номинальном значении коэффициента вариации прочности бетона.
181
Приложение Б
ДИНАМИКА НАБОРА ПРОЧНОСТИ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
Процент от
Процент от
Возраст бетоВозраст бепроектной прочнопроектной прочна
тона
сти, %
ности, %
1 сутки
≈ 24
15 суток
81
2 сутки
≈ 28
16 суток
83
3 сутки
≈ 33
17 суток
85
4 суток
42
18 суток
87
5 суток
48
19 суток
88
6 суток
54
20 суток
90
7 суток
58
21 сутки
91
8 суток
62
22 суток
93
9 суток
66
23 суток
94
10 суток
69
24 суток
95
11 суток
72
25 суток
97
12 суток
75
26 суток
98
13 суток
77
27 суток
99
14 суток
79
28 суток
100
Прирост прочности выше заданной
2 мес.
125
3 мес.
138
6 мес.
159
12 мес.
180
24 мес.
202
Примечание: Динамика набора прочности получена на бездобавочных бетонных образцах, полученных с использованием высококачественных материалов (мытый заполнитель, цемент бездобавочный и др.).
Конспект лекций по дисциплине: «Технология бетона, строительных изделий и конструкций»
Приложение В
Расход бетонной смеси для приготовления образцов-кубов
Количество
необходимых
для изготовления образцов
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Объем бетонной смеси, м3, для приготовления
образцов-кубов с размерами, см
7х7х7
10х10х10
15х15х15
20х20х20
0,0007
0,0011
0,0014
0,0018
0,0021
0,0025
0,0028
0,0032
0,0035
0,0039
0,0042
0,0046
0,0049
0,0053
0,0056
0,0060
0,0063
0,0067
0,0017
0,0027
0,0037
0,0047
0,0057
0,0067
0,0077
0,0087
0,0097
0,0107
0,0117
0,0127
0,0137
0,0147
0,0157
0,0167
0,0177
0,0187
0,0051
0,0085
0,0118
0,0152
0,0186
0,0220
0,0258
0,0287
0,0321
0,0355
0,0388
0,0432
0,0456
0,0490
0,0523
0,0557
0,0591
0,0625
0,0114
0,0194
0,0274
0,0354
0,0434
0,0514
0,0594
0,0674
0,0754
0,0834
0,0914
0,0994
0,1074
0,1154
0,1234
0,1314
0,1394
0,1474
Примечание: Значения в таблице подобраны с небольшим запасом бетонной смеси.
Пример: Если расход материалов на 1 м3 бетона М300: Ц = 313 кг; В = 210 кг; Щ =
1299 кг; П = 507 кг,
То для изготовления, например, 6 образцов-кубов с ребром 10 см необходимо приготовить бетонную смесь объемом 0,0067 м3 (около 7 л.) (см. табл.).
Тогда расход материалов на объем 0,0067 м3 бетонной смеси пробного замеса составит, кг:
Вода В·0,0067 = 210·0,0067 = 1,407 кг
Цемент Ц·0,0067 = 313·0,0067 = 2,10 кг
Щебень Щ·0,0067 = 1299·0,0067 = 8,70 кг
Песок П·0,0067 = 507·0,0067 = 3,40 кг
183