Дисциплина (курс) ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА, СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ Литература:

Дисциплина (курс)
ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА, СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
Литература:
1. Баженов Ю.М. «Технология бетона» АСВ, Москва, 2002
2. Звездов А.И., Малинина Л.А., Руденко И.Ф. «Технология бетона и Ж.Б. в вопросах и
ответах. 2005
3. Батраков В.Г. «Модифицированные бетоны. Теория и практика». Москва, 1998
4. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. «Модифицированные
высококачественные бетоны» АСВ, 2006
5. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. «Коррозия бетона и
железобетона, методы их защиты», М.1980
6. Баженов Ю.М. «Способы определения состава бетона различных видов» Москва,
1975
7. Баженов Ю.М., Алимов Л.А., Воронин В.В., Магдеев У.Х. «Технология бетона,
строительных изделий и конструкций». Изд. АСВ, М., 2004
8. Энциклопедия «Стройиндустрия и промышленность строительных материалов».
Москва СИ, 1996.
9. Несветаев Г.В. «Бетоны» Р-на-Д, «Феникс» 2011
10. Дворкин Л.И., Дворкин О.П. «Основы бетоноведения» (690) стр. ООО «Строй-бетон»
С-Петербург, 2006
ВВЕДЕНИЕ.
В настоящем курсе мы рассмотрим основы бетоноведения, технологии бетона и
строительных композитов гидратационного твердения.
Бетоноведение – наука, изучающая физические и физико-химические основы
формирования структуры, свойства бетонов различных видов и их изменения при
воздействии эксплуатационных факторов.
Современное строительство немыслимо без бетона. Более 2 млрд. м3 в год – таков
сегодня мировой объем его применения. Это один из самых массовых строительных
материалов, во многом определяющий уровень развития цивилизации. Он применяется в
самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой,
имеет неограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость. К этому следует
добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и
доступность технологии, возможность широкого использования местного сырья и
утилизации техногенных отходов при его изготовлении, сравнительно малую энергоёмкость,
экологическую безопасность и эксплуатационную надежность.
Бетон – один из древнейших строительных материалов. Из него построены галереи
египетского лабиринта (3600 лет до н.э.), часть Великой Китайской стены (III век до н.э.),
ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в др. местах. Но для массового
строительства использование бетона и ж/б началось только во второй половине XIX в., после
получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным
вяжущим веществом для бетонных и ж/б конструкций. Этому способствовали научные
разработки русских профессоров Шуляченко А.Р. (производство высококачественных
цементов), Белелюбского Н.А. (внедрение ж/б конструкций в строительство), Малюш И.Г.
(обосновал основные законы бетона).
В начале XX века появляется много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них
наиболее важными были работы Р.Фере (Франция), О.Графа (Германия), И. Боломе
(Швейцария), Д.Абрамса (США).
В 30-ые годы прошлого века организаторы ленинградской научной школы по бетону
профессора Н.М. Беляев и И.П. Александрин внедрили в практику строительства первые
научные методы подбора состава бетона, значительно повысившие его качество, а ученые
московской школы бетона Б.Г. Скромтаев, Н.А. Попов, С.А. Миронов, С.В. Шестопёров,
П.М. Миклашевский и др. разработали методы зимнего бетонирования и тем самым
обеспечили круглогодичное возведение бетонных и ж/б конструкций, создали ряд новых
видов бетонов, разработали способы повышения долговечности бетона.
Невиданный рост объема производства и применения сборного железобетона в СССР
произошел в результате реализации постановления ЦК КПСС и Сов. Сина СССР от 19
августа 1954 года «О развитии производства железобетонных конструкций и деталей для
строительства». В стране за несколько лет была создана развитая промышленность сборного
ж/б, насчитывавшая около 600 предприятий общей мощностью свыше 150 млн. м3 изделий,
которая обеспечивала все виды строительства широкой номенклатурой изделий и
конструкций. Объем производства вырос за эти годы более чем в 65 раз, и Советский Союз
вышел на первое место в мире по производству сборного железобетона, намного опередив
наиболее развитые кап. страны. (В числе первенцев реализации этого Постановления
является и наш Завод ЖБИ им. Ленинского комсомола – ныне Завод ЖБИ «Бетфор» сданный в эксплуатацию в мае 1957 года).
Создание промышленности сборного ж/б сопровождалось созданием новых видов
вяжущих веществ и бетонов, производством и широким применением химических добавок и
модификаторов структуры и свойств бетона, активных минеральных компонентов,
совершенствованием способов проектирования составов бетона и его технологии.
Создана сеть научных учреждений: НИИЖБ (по проблемам проектирования и
производства ЖБК), ВНИИ железобетон (по заводскому производству сборного ж/б),
кафедры и лаборатории ВУЗов и ряд отраслевых НИИ и лабораторий.
Плеяда ученых – всех не перечислишь…
В начале 90-х годов XX столетия производство сборного и монолитного бетона и
железобетона значительно сократилось (завод ЖБИ «Бетфор» с 600 тыс. м3 до 100 тыс м3),
но в последнее время наметился новый рост производства, возросло разнообразие видов
бетона и изделий из него, появились новые технологии (например, «Бетфор» экструзионное, безопалубочное формование плит пустотного настила – реконструкция в
цехе №9).
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ.
1.1 Общие положения.
Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате
затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси из
минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого и крупного
заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют
бетонной смесью.
В строительстве в основном используют бетоны, изготовленные на неорганических
вяжущих веществах (цементах, извести, гипсе). Эти бетоны затворяют водой.
Неорганические вяжущие вещества и вода являются активными составляющими бетона; в
результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна
заполнителя в единый монолит.
Заполнители не вступают в химическое взаимодействие с составляющими бетона (за
исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому
заполнители называют еще инертными материалами. Они существенно влияют на структуру
и свойства бетона, играя роль скелета, костяка, значительно уменьшают деформацию бетона
при твердении и при воздействии нагрузки и внешней среды. В качестве заполнителей
используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.).
Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, т.к. заполнители и вода
составляют 85-90 %, а цемент – 10-15 % от массы бетона. Для снижения плотности бетона и
улучшения его теплотехнических свойств используют искусственные (керамзит; азерит –
новый, с 1987г Норильск; аглопорит; термозит; граншлак полусухой грануляции,
вспученный вермикулит и перлит, вспученный полистирол и др.) и природные (туф, пемза,
ракушечник и др.) пористые заполнители.
Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные
химические добавки и активные минеральные компоненты, которые ускоряют или
замедляют схватывание бетонной смеси, делают её более пластичной и удобоукладываемой,
ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозоустойчивость и др. свойства.
Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярно-пористыми
телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние
процессы взаимодействия составляющих бетона, так и взаимодействие окружающей среды.
С увеличением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к
воздействию окружающей среды.
На органических вяжущих веществах (битум, синтетические полимерные смолы и др.)
бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и
непроницаемость бетонов.
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 растягивающее напряжение, а сжимающие напряжения
передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим
сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами
линейного расширения.
Бетон предохраняет арматуру от коррозии при обеспечении определенной величины
защитного слоя бетона.
Применение химических добавок и различных дисперсных минеральных компонентов
в сочетании с соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять
его технологией на всех этапах и получать бетоны заданной структуры и свойств.
1.2. Классификация бетонов
Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества, структуре,
технологическим особенностям и назначению.
1. По плотности. Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину
которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов.
Различают:
- особо тяжелые с ρ ˃ 2500 кг/м3, приготовляемые на тяжелых заполнителях: железной
руде (лимоните Fe2(OH)3 или магнетите – магнитном железняке FeFe2O4), барите (тяжелый
шпат, BaSO4, ρ = 4,3….4,5 г/см3), стальных опилках или стружке (сталебетон);
- тяжелые с ρ = 1800…2500 кг/м3 – 2100…2500 кг/м3 получают на плотных
заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.), а ρ =1800…2000 кг/м 3
получают на щебне из горных пород с плотностью 1600…1900 кг/м3 или без песка
(крупнопористый бетон);
- легкие с ρ = 600…1800 кг/м3 на пористых заполнителях (керамзит, азерит,
аглопорит, термозит, вспученные вермикулит или перлит, туф, пемза и др.);
- особо легкие с ρ ≤ 600 кг/м3 – ячеистые бетоны (газо- пенобетоны, силикаты),
крупнопористый бетон на легких заполнителях и полистиролбетон. В ячеистых бетонах
заполнителем по существу является воздух (пенобетоны) или газ – Н2 или О2 (газобетоны),
находящиеся в искусственно созданных ячейках.
2. По виду вяжущего вещества различают бетоны цементные, силикатные, гипсовые,
шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные и специальные
- Цементные бетоны изготавливаются на различных цементах: портландцементе и
его разновидностях (~65%от общего объема производства), шлакопортландцементе (~
20…25%) и пуццолановом цементе. К цементным бетонам относятся и их разновидности:
декоративные бетоны (на белом и цветных цементах), бетоны на самонапряженных
конструкциях (на напрягающем цементе), бетоны для специальных целей (на глинозёмистом
и безусадочном цементах).
-силикатные бетоны готовят на основе извести и кварцевого песка , обязательно
применять автоклавный способ твердения – при высокой температуре (173…200 ° )
и
давлении насыщенного водяного пара 8…12 ати (0.8…1,2 МПа), только в таких условиях
происходит химическое взаимодействие между Ca(OH)2 и кремнезёмом SiO2 с образованием
гидросиликатов Ca.
- гипсовые бетоны применяются для внутренних перегородок, подвесных потолков и
элементов отделки зданий. Разновидность – гипсоцементнопуццелоновые бетоны,
обладающие повышенной водоустойчивостью и более широкой областью применения
(объемные блоки сантехкабин, конструкции малоэтажных домов).
- шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворенных щелочными
растворами. Эти бетоны – самые «молодые», они ещё только начинают применяться в
строительстве.
- полимербетоны изготавливают на различных видах полимерного связующего
(смолы полиэфирные, эпоксидные, акриловые, карбамидные и др.), или мономерах
(например, фурфуролацетоновый) отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок.
Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях
воздействия (например, истирание).
- полимерцементные бетоны изготавливают на смешенном вяжущем, состоящем из
цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и латексы – винилацетат,
винилхлорид, стирол).
- специальные бетоны готовят с применение особых вяжущих веществ:
-для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с
кремнефтористым натрием, фосфатные, магнезиальные и др. связующие;
-в качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые,
стеклощелочные и др. полученные из отходов промышленности.
3.По структуре различают:
- крупнозернистый бетон олитной структуры;
- мелкозернистый бетон (без щебня или гравия);
- малощебёночный бетон (уменьшено содержание щебня);
-крупнопористый (беспесчаный) бетон;
- ячеистый бетон (в структуре имеется большое количество воздушных или газовых
пузырьков).
4. В зависимости от используемой технологии изготовления изделий и конструкций
различают бетоны:
- из жестких бетонных смесей, позволяющие выполнить немедленную распалубку
изделий;
- из литых бетонных смесей – для изготовления изделий и конструкций способом
литья в форму, опалубку;
- безусадочные;
для зимнего бетонирования
- быстротвердеющие;
твердеющие при отрицательной
- пропаренные;
температуре
- автоклавные;
- многокомпонентные – вводятся комплексы химических добавок;
- высококачественные – приготавливаются на композиционных вяжущих веществах с
использованием низких значений В/Ц, специальных комплексов добавок, особо тонких
минеральных наполнителей, расширяющихся компонентов и интенсивной регулируемой
технологии. Эти бетоны высокопрочны и долговечны.
5. В зависимости от области применения и назначения различают:
- обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок,
перекрытий, мостовых конструкций и др.);
- гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов;
- легкий бетон для ограждающих конструкций;
- бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной
защиты , бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий и пр.).
В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным
требованиям:
- бетоны для обычных ж/б конструкций должны иметь заданную прочность, главным
образом при сжатии;
- для конструкций, находящихся на открытом воздухе, важна морозостойкость;
- бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью,
водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой,
стойкостью против выщелачивания фильтрующимися водами и действия минерализованных
вод, должны незначительно выделять теплоту при твердении;
- бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны обладать
необходимой прочностью, теплопроводностью;
- бетоны для полов должны обладать малой истираемостью и достаточной
прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий ещё и
морозоустойчивость.
2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА
2.1. Вяжущие вещества (неорганические)
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)
твердения.
2.1.1. Виды цементов на основе портландцементного клинкера.
Наиболее широкое применение в производстве бетонов получил портландцемент.
ПЦ – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее лучше всего в воде или на воздухе.
Это порошок серого цвета, полученный тонким помолом цементного клинкера с
добавлением двуводного гипса. Клинкер получают путем равномерного обжига до спекания
(1200…1450 °С) тщательно отдозированной сырьевой смеси (глина, известняк, добавки Fe),
содержащей 75…78 % CaCO3 b 22///25 % окислов SiO2, Al2O3, Fe2O3.
При обжиге образуются клинкерные минералы:
Алит 3CaO·SiO2 (C3S) – 37…60 %;
Белит 2CaO·SiO2 (C2S) – 15..37 %;
3CaO·Al2O3 (C3A) – 5…15 %;
Целит 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) – 10…18 %.
Основное влияние на качество цемента оказывает высокое содержание влита, который
быстро твердеет и дает высокую прочность. Белит – медленно твердеющее гидравлическое
вяжущее вещество средней прочности. C3A твердеет быстро, но имеет низкую прочность.
Соотношение между минералами цементного клинкера можно целенаправленно изменить,
меняя соотношение между оксидами в сырьевой шихте.
При помоле к цементному клинкеру можно добавлять 10…20 % гранулированных
доменных шлаков или активных кремнезёмистых добавок.
ПЦ с добавками выпускается около 60 % от общего объема выпускаемых цементов. В
маркировку цемента вводится дополнение «Д», например: ПЦ 400-Д20 – означает:
портландцемент марки 400 с добавкой в 20 % (не считая гипса). Марки: 400, 500, 550, 600
для чистого ПЦ и ПЦ с добавками.
БТЦ (быстро твердеющий цемент) – разновидность ПЦ с добавками. Для обеспечения
быстрого твердения клинкер должен содержать C3S ˃ 50 %, (C3S + C3A) ˃ 60 %, тонкость
помола 3500 см2/г, марки 400 и 500. Через 3 суток твердения прочность на сжатие у БТЦ
меньше 25 МПа.
ШПЦ (шлакопортланд цемент) – совместный помол
ПЦ-клинкера и
гранулированного доменного шлака (21…60 %).
ШПЦ от ПЦ более медленным
схватыванием (начало схватывания через 4…6ч, конец схватывания – через 10…12ч) и
медленном твердении в первые 7…10 суток, ρист = 2,9…3,0 г/см2. Режим ТВО (тепловлажностной обработки) бетонов на ШПЦ проводится при более высокой температуре (до
95°С), чем на ПЦ (max80 °С). Марки 300, 400, 500.
Сульфатостойкий ПЦ (СПЦ) имеет ограниченное содержание менее стойких к
сульфатной агрессии минералов (C3S < 50 %, Σ C3A + C4AF < 22 %, C3A < 5 %). Марка 400.
Сульфатостойкий ПЦ с добавкой (СПЦД) получают совместным помолом ПЦклинкера специального состава (см. в СПЦ выше) и активной минеральной добавки: трепела,
опоки, диатомита (5…10 %) или доменного граншлака (10…20 %). Добавка связывает
выделяющийся при гидратации C3S Ca(OH)2, что способствует повышению
сульфатостойкости цемента, поэтому возможно использование клинкекра с высоким
содержанием C3S. Марки 400 и 500.
Сульфатостойкий шлакопортландцемент (СШПС) получают, ограничивая содержание
в клинкере C3A < 8 %. Марки 300 и 400.
Все сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и ж/б конструкций,
эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также сооружений, которые
подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод при одновременном многократном
замерзании и оттаивании или увлажнении и высыхании.
Пуццолановый ПЦ (ППЦ) также относится к группе сульфатостойких цементов.
Получают путём совместного помола ПЦ-клинкера C3A < 8 %. C3A < 8 % с активной
минеральной добавкой (20…30 % для трепела, опоки, диатомита и 25…40 % - для туфа,
трасса, пемзы); ρ = 2,8…2,9 г/см3, нормальная густота цемента 30…40 % (у ПЦ – 22…27 %).
В первые недели твердеет медленнее, чем чистый ПЦ, но после 6 мес. твердения выравнивается прочность.
Белый ПЦ получают
помолом маложелезистого отбеленного клинкера по
специальной технологии с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой
диатомита. Марки 300, 400 и 500 по прочности и три сорта по степени белизны: высший, Б ЦI, БЦ-II.
Цветные ПЦ получают совместным помолом клинкера белого цемента, гипса и
пигмента, содержание которого должно быть не больше 15 % - для минерального
(синтетического или природного) и не более 0,3 % - для органического. Применяется для
получения цветных бетонов, архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения
отделочных работ.
Напрягающий цемент (НЦ) получают совместным помолом ПЦ – клинкера и
напрягающего комплекта (глинозёмистый шлак, гипс, известь).НЦ обладает способностью
значительно расширяться в объеме (до 4 %) после достижения цементным камнем
сравнительно большой прочности15…20 МПа, что позволяет применять этот цемент для
приготовления самонапряженного железобетона. Бетоны на основе НЦ обладают высокой
прочность, водо- и газонепроницаемостью и морозостойкостью. Марки цемента 400 и 500,
(начало схватывания 2 мин, конец схватывания 6 мин. – быстро схватывается и быстро
твердеет).
Расширяющиеся или безусадочные цементы получают совместным помолом ПЦклинкера алитового (C3S 60…65 %), высокоглинозёмистого шлака или глинозёмистого
клинкера (5…7 %), гипса двуводного (7…10 %) и активной минеральной добавки (20…25 %
трепела, опоки или бентонита). Расширяющий эффект происходит до схватывания цемента,
что обеспечивает расширение цементного теста в пластическом состоянии. Марки цемента
400, 500 и 600. Нормально схватывается и твердеет.
2.1.2. Специальные цементы
Фосфатные цементы – вяжущий эффект происходит за счет взаимодействия
различных измельчённых оксидов (CuO, SiO2, MgO, TiO2, Al2O3, ZnO, FeO и др.) с
фосфорной кислотой и фосфатами. Вяжущие свойства проявляются как при комнатной
температуре, так и при термообработке до 100…800 ° С. Применяются для приготовления
жаростойких и огнеупорных бетонов.
Кислотоупорный цемент (КУЦ) состоит из тщательно перемешанной смеси молотого
кварцевого песка (94…96 %) и кремнефтористого натрия (4…6 %) затворённой водным
раствором жидкого стекла (натриевого или калиевого силиката Na2O · n SiO2, K2O · n SiO2 с
плотностью 1.32…1.5 г/см3) в количестве 25…30 % от массы песка. Жидкое стекло твердеет
на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезёма под воздействием
углекислого газа. Входящий в состав КЦ кремнефтористый натрий является катализатором
твердения, повышающим водостойкость и кислотоупорность затвердевшего материала.
Применяют для изготовления кислото- и жаростойких бетонов. Щёлочи, кипящая вода и пар
водяной легко разрушают КУЦ.
Глинозёмистый цемент – быстротвердеющее, нормально схватывающееся
гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого помола обожжённой до
плавления или спекания сырьевой смеси, состоящей из смеси бокситов (Al2O3·nH2O) и
известняков (извести). Состоит в основном из однокальциевого алюмината CaO·Al2O3CA
который схватывается медленно, но твердеет очень быстро через 24 часа R = 20…30 МПа.
Марки определяют в возрасте 3 суток 400, 500, 600; при твердении в первые сутки
выделяется большое количество теплоты, пропаривать при повышенных температурах
нельзя (разрушается камень).
Цемент высокоглинозёмстый – продукт тонкого измельчения обожжённый до
спекания (1500° С) сырьевой смеси, составленной из чистых Al2O3 и CaCO3. Н.с. ˃ 30…15
мин, к.с. – 10…15 час. Марки (через 3 суток) 250 и 350. Огнеупорность 1580…1750° С
жаростойких растворов и бетонов.
Цемент
гипсоглинозёмистый
расширяющийся
–
совместный
помол
высокоглинозёмистого шлака (до 70 %) и гипса (до30 %). Н.с. ˃ 10 мин., к.с. – 4 часа. Марки
300, 400, 500, прочность через 3 суток ˃ 28 МПа. Используется для гидроизоляции шахт,
туннелей, подвалов, зачеканки.
Шлакощелочной цемент – продукт тонкого измельчения гранулированного шлака
(95…85 %) со щелочным компонентом (5…15 %) (NaOH, KOH, сода кальцинированная,
растворимое стекло, алюминатные соли натрия NaAlO2 и калия KAlO2). Марки от 400 до
1000, прочность на сжатие раствора 1:3 в 28 сут. возрасте; через сутки – до 20…30 МПа.
2.1.3. Свойства цементов
Прочность – основное свойство любого цемента. Колеблется от 30 до 60 МПа – при
сжатии и от 4,5 до 6,5 МПа – при изгибе. Цементы с R = 40…50 МПа, к марке 400 и т.д. В
строительстве применяют цементы марок 300, 400, 500, 550, 600.
Действительную прочность цемента называют его активностью. Пример: если
прочность контрольных образцов 44 МПа, то активность этого цемента будет 44 МПа, а
марка – 400. Использование при проектировании показателя активности цемента
обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Повышение прочности цемента
на 1 МПа приводит к снижению расхода цемента на 2…5 кг/м3.
Цементная промышленность выпускает в основном цементы М 400…550, а по
особому заказу М 600. Прочность цемента высоких марок нарастает быстрее, чем цементы
низких марок. Например: цемент М500 уже через 3 суток имеет прочность R=20…25 МПа,
поэтому цементы высоких марок являются не только высокопрочными, но и быстро
твердеющими. Применение таких цементов обеспечивает быструю распалубку конструкций
и сокращает сроки их изготовления.
При длительном хранении цемента происходит некоторое снижение прочности
цемента, особенно если он недостаточно защищен от воздействия влаги и углекислого газа
из воздуха. Через 3 месяца хранения цемента снижение прочности может составить 10…20
% от его марки. При использовании лежалого цемента время перемешивания бетонной смеси
увеличивают в 2…4 раза, или применяют активацию цемента.
Нормальная густота Н.г – количество воды, выраженное в процентах к массе цемента,
необходимой для получения теста определённой пластичности: пестик в приборе Вика не
должен доходить на 5…7 мм. до пластинки, на которой установлено кольцо, заполненное
цементным тестом. Портландцементы (ПЦ) имеют Н.г.=22…27 %, пуццолановые ПЦ - 30 %
и более. Н.г. увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок
(трепел, опоки). Наименьшую Н.г. имеют чистые клинкерные цементы.
Н.г. влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше Н.г. цемента, тем меньше
водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определённой подвижности
(жёсткости) смеси. Сокращение расхода воды приводит к уменьшению расхода цемента.
Сроки схватывания – физико-химическая характеристика цемента, выражающая в
двух периодах времени с момента затворения его водой в тесто, которое называют началом и
концом схватывания (загустевание). Оба периода времени определяются с помощью прибора
Вика по глубине погружения стандартной иглы в тесто нормальной густоты помещенное в
кольцо прибора. Начало схватывание указывает продолжительность времени, в течении
которого можно без ущерба для качества производить технологические операции по
формированию и уплотнению растворной и бетонной смеси на основе данного цемента.
Конец схватывания указывает на приближение и завершение практического времени, когда
технологические операции должны быть закончены. По стандарту начало схватывания не
менее 45 минут, конец схватывания не более 10 часов с момента затворения цемента водой.
В действительности начало схватывания наступает через 1..2 часа, а конец схватывания через
5…8 часов.
Для регулирования сроков схватывания в цемент при его производстве вводят гипс и
другие химические добавки, а при приготовлении бетонной смеси – ускорители или
замедлители схватывания.
Ложное схватывание цемента – преждевременное загустевание цементного теста
возможно тогда, когда к потребителю поступил цемент с завода-изготовителя без
вылёживания (магазинирования), в таком цементе содержится полуводный гипс или даже
ангидрит (CaSO4), образовавшийся в результате дегидратации двуводного гипса при помоле
горячего клинкера. Для нейтрализации ложного схватывания в бетонною смесь вводят
небольшое количество СДБ или другие ПАВ (поверхностно-активные вещества) и
увеличивают время перемешивания бетонной смеси.
Тонкость помола цемента определяется просеиванием навески через стандартное
сито №008 (размер ячеек 80 мкм -0,08 мм, около 4900 отверстий на 1 см2), через которое
должно пройти не менее 85 % общей массы цемента. Средний размер частиц цемента
составляет 15…20 мкм.
Тонкость помола характеризуется также удельной поверхностью зерен, содержащихся
в 1 г цемента. Удельную поверхность на приборе Товарова. Цемент среднего качества имеет
уд. Поверхность ~ 2500 см2/г, высокого качества – 3500 см2/г и более.
Истинная плотность ПЦ без добавок ρ = 3,05…3,15 г/см2. Насыпная плотность в
рыхлом состоянии (свеженасыпанном) ρнас. ρ = 900…1000 кг/м3,
в уплотненном
3
(слежавшемся) состоянии 1300 кг/м .
Экзотермия цемента – выделение тепла при схватывании и твердении цемента. 1 кг
цемента М 300 выделяет в бетоне за 7 суток с момента затворения цемента водой не менее
170 кДж, 1 кг цемента М 400 – не менее 210 кДж. Тепловыделение зависит от
минералогического состава цемента, типа введённых добавок и тонкости помола;
наибольшее тепловыделение у C3A и C3S.
2.1.4. Воздушные вяжущие вещества
Известь. Применяется в производстве силикатных бетонов. Получается умеренным
обжигом известняка, мела, ракушечника, содержащих не более 8 % глинистых примесей. В
строительстве применяют негашеную известь, основной частью которой является CaO, и
гашеную, получаемую в результате химического соединения негашеной извести с водой и
состоящую в основном из Ca(OH)2.
По качеству (содержанию активных CaO+MgO) известь делится на 3 сорта
соответственно 90, 80, 70 %. Различают известь быстрогасящуюся (до 20 мин) и медленно
гасящуюся (более 20 мин).
При твердении на воздухе прочность известковых растворов и бетонов в возрасте 20
суток достигает всего 0,5…3 МПа, а при автоклавной обработке (давление пара 0,8 МПа, t =
175°С) 20…50 МПа (за счет образования гидросиликатов кальция при взаимодействии
Ca(OH)2 и SiO2.
Строительный гипс получают термической обработкой природного двуводного
гипсового камня при температуре 140…170° С, в результате получается полугидрат сульфата
кальция.
Строительный гипс характеризуется высокой водопотребностью (55…60%) и
сравнительно низкой прочностью (2…7 МПа). Все гипсовые вяжущие являются
быстросхватывающимися (2…20 мин) и быстротвердеющими. Столярный клей, СДБ, борная
кислота и др. добавки замедляют схватывание.
По прочности гипс делят на 12 марок от Г-2 до Г-25, в строительстве используют гипс
марок Г-4…Г-7.
Гипс плохо сцепляется с заполнителем и сталью, которая в нем корродирует и требует
специальной защиты, но хорошо сцепляется с древесиной и его целесообразно армировать
деревянными рейками.
Плотность затвердевшего гипса ρср=1200…1500 кг/м3 из значительной пористости
(60…30%). При увлажнении затвердевший гипс теряет свою прочность (в2…3 раза), поэтому
гипсовые изделия целесообразно применять в сухих помещениях или же защищать их от
увлажнения.
Гипсоцементнопуццолановые вяжущие – продукт смешивания полуводного гипса
(50…70%), портландцемента (10…25%) и активной минеральной добавки (10…25% трепела,
диатомита и др.). Эти вяжущие относятся к гидравлическим и имеют более высокую
водостойкость (80…90%), нежели гипс: предложены профессором А.В. Волжинским. В
заводской технологии используется для формования объемных санитарно-технических
кабин.
2.1.5.Композиционные вяжущие вещества
Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) положили начало развитию технологии
композиционных вяжущих веществ, (предложены и разработаны отечественными учеными).
Совместный помол ПЦ с повышенной дозировкой суперпластификатора и в ряде случаев с
активной минеральной добавкой позволил получить ВНВ с самыми различными свойствами
(См. таблицу «Свойства ВНВ»).
Свойства ВНВ
Вид вяжущего
Портландцемент
ВНВ-100
ВНВ-50
ВНВ-30
Состав связующего
ПЦ
Минеральный
компонент
100
100
50
50
30
70
Нормальная
густота, %
Прочность при
сжатии, МПа
28
14
17
21
50
95
60
45
Помол повышает удельную поверхность цемента до 4000…5000 см2/г,
суперпластификатор снижает водопотребность Н.г. (до 14…21%) и повышает прочность
бетона почти в 2 раза, ускоряет твердение его в ранние сроки, улучшает реологические
свойства цемента и бетонной смеси.
Реологические свойства цементного теста , оцениваемые по его нормальной густоте,
оказывают существенное влияние не только на подвижность бетонной смеси, но и на
прочность бетона, приготовленного на этом цементе. Цементы с меньшей Н.г. позволяют
получать равноизопластичные бетонные смеси при пониженном В/Ц, что обеспечивает
большую плотность структуры бетона и его прочность (см. график).
ΔRц,%
100
80
60
40
20
0
0
25
-ΔНГ,
%
50
Табл. Относительное увеличение прочности цемента
ΔRЦ при относительном уменьшении Н.г. цемента –ΔНГ (в %)
Для полного твердения цемента необходимо 15…17 % воды от веса цемента (такое
количество воды вступает в химическую реакцию гидратации минералов цементного
клинкера), значит, ниже этого показателя снижать дозировку воды нельзя. Вся «лишняя»
вода сверх химически связанной обеспечивает требуемую подвижность бетонной смеси для
её укладки, но, в конечном счете, снижает прочность бетона и его долговечность.
Эффект сухой добавки суперпластификатора, введенной при помоле цемента, выше,
чем введение её непосредственно в бетонную смесь (в цемент возможно большое введение
суперпластификатора, чем при введении его в бетонную смесь, когда молекулы воды,
занимая часть поверхности зёрен цемента, уменьшают дозу суперпластификатора на их
поверхности).
2.2.Заполнители для бетона
2.2.1. Роль заполнителей в бетоне
Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают влияние на свойства
бетона, его долговечность и стоимость. Заполнители резко сокращают расход цемента,
наиболее дорогого и дефицитного компонента, улучшают технические свойства бетона.
Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль
деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой и ползучесть бетона
- необратимой деформации, возникающей при длительном действии нагрузки. Заполнитель
уменьшает усадку бетона, способствую получению более долговечного материала. Усадка
цементного камня при его твердении достигает 1..2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных
деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины. Заполнитель
воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает усадку бетона по
сравнению с усадкой цементного камня.
Пористые заполнители уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его
теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, радиоэкранирующих и
др.) роль заполнителя очень велика, так как его свойства во многом определяют специальные
свойства этих бетонов.
В силикатных бетонах зёрна заполнителя 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 % от стоимости конструкций, поэтому
желательно применять более дешевые местные заполнители, что уменьшает объем
транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроков строительства и снижения его
стоимости. Правильный выбор заполнителей для бетонов, их разумное использование – одна
из важных задач технологии бетона.
2.1.5. Свойства заполнителей
Зерновой состав. В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный
заполнитель (больше 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем
является естественный или искусственный песок. Заполнитель представляет собой
совокупность отдельных зерен, то есть является зернистым материалом, для которых
имеется ряд общих закономерностей.
Зерновой состав показывает содержание заполнителя зерен разной крупности. Он
определяется просеиванием пробы заполнителей через набор стандартных сит с величиной
отверстий от 0,16 до 70 мм и более. Различают:
-рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров;
-фракционированный заполнитель, когда зерна заполнителя разделены на отдельные
фракции, включающие зерна близких между собой размеров (5…10, 20…40 и т.п.).
Размеры наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя характеризуют
наименьшую или наибольшую крупность (Днаим.; Днаиб.). Содержание зерен мельче или
крупнее предельных размеров должно быть не более 5 %.
Зерновой состав называют непрерывным, если в нем встречаются зерна всех размеров
– от наименьшего до наибольшего, и прерывистым – если отсутствуют зерна к-л
промежуточного размера.
Наиболее эффективным является непрерывный зерновой состав заполнителей. Смеси
с прерывистым составом требуют увеличение расхода цемента, с клоны к расслоению.
На практике зерновой состав заполнителя подбирают, используя реальные песок и
щебень и устанавливая такое соотношение между ними, чтобы кривая зернового состава по
возможности приближаясь к идеальной кривой. Некоторые ухудшения зернового состава
компенсируется или незначительным повышением расхода цемента, или более эффективным
способом уплотнения бетонной смеси, при этом достигается заметное упрощение
технологии и снижения стоимости бетона. Правильный выбор зернового состава
уплотнителя или соотношения между песком и щебнем может быть сделан только с учетом
состава бетона, с учетом содержания цемента и воды. В бетонах с расходом цемента
200…300 кг/м3 при подвижной бетонной смеси наилучшие результаты обеспечивает
зерновой состав, близкий к идеальным кривым просеивания, а в бетонах высокой прочности
(с повышенным расходом цемента) и в жестких бетонных смесях долю песка и мелких
фракций заполнителя целесообразно несколько уменьшать.
Пустотность заполнителя – непосредственно связана с зерновым составом и формой
его зерен, определяется возможностью его плотной укладки. Чем больше пустот, тем больше
расход цемента для их заполнения. Пустотность колеблется в пределах 35…48% и не зависит
от крупности его зерен, если их размер одинаков. Снизить пустотность до 20…30% можно:
1) Изменяя форму зёрен (кубы, шары, октаэдры и т.д.;
2) Применяя смесь, состоящую из зерен разной крупности (основной прием), когда
пустоты крупного заполнителя замещаются зернами мелкой фракции.
Наиболее качественной будет бетонная смесь на заполнителях, от дозированных
пофракционно (и мелкий и крупный) – со значительной экономией цемента. Увеличение
пустотности вызывает применение зерен удлиненной формы (игольчатых, лещадных).
Необходимо добиться такого соотношения между песком и щебнем, чтобы песок
полностью заполнил пустоты между зернами крупного заполнителя с учетом некоторой их
раздвижки зернами песка:
П
‫׀‬
𝜌П
= Потнос.щ ∙
Щ
‫׀‬
𝜌Щ
∙ 𝛼, решая получим:
П
Щ
‫׀‬
= Пот.щ. ∙
𝜌П
‫׀‬
𝜌Щ
∙𝛼
П,Щ – расходы песка и щебня, кг;
‫׀‬
‫׀‬
𝜌П , 𝜌Щ - насыпная плотность песка и щебня, кг/м3;
Потнос.щ.- относительная пустотность щебня;
𝛼- коэффициент раздвижки зерен, 𝛼 =1.1 и более;
Пустотность песка, гравия и щебня определяется по формулам:
‫׀‬
Для песка: Пот.П. =
𝜌П −𝜌П
𝜌П
‫׀‬
=1−
Для плотного щебня: Пот.Щ.пл. =
𝜌П
;
𝜌П
𝜌
‫׀‬
Щ−𝜌
Щ
𝜌Щ
‫׀‬
=1−
𝜌Щ
𝜌Щ
;
‫׀‬
Для пористого щебня: Пот.Щ.пор. =
к
𝜌Щ
−𝜌Щ
к
𝜌Щ
;
где: Пот.П, Пот.Щ.пл., Пот.Щ.пор. – относительная пустотность песка, щебня плотного и
щебня пористого;
𝜌П , 𝜌Щ - истинная плотность песка, плотного щебня
‫׀‬
‫׀‬
𝜌П , 𝜌Щ - насыпная плотность песка, щебня;
‫׀‬
к
𝜌Щ
, 𝜌Щ - средняя плотность в куске и насыпная плотность пористого щебня.
Пористость зерен заполнителя определяется по формулам:
Пз.Щ = 1 −
к
𝜌Щ
𝜌Щ
, где
Пз.Щ - относительная пористось зерен щебня;
к
𝜌Щ
- средняя плотность зерен щебня;
𝜌Щ - истинная плотность щебня.
Удельная поверхность зерен заполнителя влияет на свойства бетона бетонной смеси.
Уп.- величина суммарной поверхности зерен заполнителя, отнесённая к единице его объема
или массы (см2/см3, см2/л или см2/г, м2/кг). Поверхность зерен обратно пропорциональна
диаметру зерен. С уменьшением размера зерен их поверхность возрастает. Очень
значительно возрастает удельная поверхность при диаметре зерен меньше 1 мм.
Ориентировочно Уп можно определить по частным остатках на ситах при рассеве
песка и щебня (гравия). Существуют приборы, позволяющие определить У п непосредственно
опытным путем. Уп природных среднезернистых песков – 50…100 см2/г.
С увеличением Уп заполнителя приходится увеличивать расход воды и цемента,
чтобы получить бетон заданной прочности.
Прочность заполнителя определяется прочностью горной породы, из которой он
получен, и крупностью зерен. При дроблении или выветривании породы разрушение
происходит по более слабым местам структуры и с уменьшением размера зерен прочность
их как бы повышается. Естественные пески обладают Rсж., Rраст более высокой, чем
прочность раствора или прочность цементного камня. Прочность крупных заполнителей из
прочных горных пород (гранита, диабаза и др.) должна превосходить по прочности раствор
(примерно в 1,5-2 раза). Прочность пористых заполнителей может быть равна или меньше
прочности раствора. Зависимость прочности бетона от прочности раствора указана на рис.
Rб,
МПа
30
1
2
20
3
10
0
0
10
20
Rр,
МПа
30
Рис. Зависимость прочности бетона Rб от прочности
его растворной части при применении заполнителей:
1- высокопрочных гранитных; 2-средней прочности;
2- слабых (керамзитовый гравий
Выводы: для линии 1-Rб на гранитном щебне несколько выше Rр;
для линии 3 – при применении менее прочного крупного заполнителя Rб при
увеличении Rр возрастает лишь до определённых значений и дальнейшее повышение Rр не
приводит к повышению Rб. Предельно допустимая Rб тем ниже, чем меньше прочность
крупного заполнителя.
Чистота заполнителей. Пылевидные (меньше 0,14 мм) и особенно глинистые примеси
создают на поверхности зерен заполнителя плёнку, препятствующую сцеплению их с
цементным камнем. В результате прочность бетона значительно снижается (иногда на
30…40 %). Для песка содержание пылевидных частиц должно быть не более 10 %, а
глинистых, илистых и пылевидных примесей, определяемых отмучиванием – не более 3 %
по массе: для гравия – не более1 %; для щебня – 1-2% для бетонов М300 (В25) и более и
2…3% - для бетонов более низких марок.
Водопотребность песка – технологическая характеристика заполнителя. В.п.
показывает сколько требуется добавить воды при введении песка в цементное тесто, чтобы
сохранить показатель подвижности. В начале устанавливают
В
С
цементного теста (В/Ц)Ц, при
котором оно показывает на встряхивающем столике расплыв конуса 170 мм, что
приблизительно соответствует его нормальной густоте. Затем определяют (В/Ц)р растворной
смеси Ц:П=1:2 на исследуемом песке, при котором она имеет тот же расплыв конуса 170 мм.
Водопотребность песка находят по формуле:ВП =
(В/Ц)р −(В/Ц)Ц
2
100%
В.п. стандартного вольского песка – 4 %, строительных песков 4…14%, крупного
заполнителя 1…10%, крупнозернистого песка – 4…6%, пеки средней крупности – 6…8%,
мелкозернистые пески – 8…10%, и очень мелкие больше 10%. Показатели
водопотребности заполнителей позволяют более точно определить расход воды в бетонных
смесях разной консистенции.
2.3. Добавки к бетонам.
2.3.1. Некоторые понятия о модифицировании материалов.
Модификация (от позднелатинского modification –изменение), видоизменение.
Для получения бетонов с заданными строительно-технологическими свойствами
необходимо установление закономерностей в регулировании параметров цементных систем
на стадии взаимодействия с водой. Одним из наиболее перспективных и эффективных
направлений в целенаправленном изменении этих параметров является широкое
использование различных органических и неорганических соединений в качестве
специальных добавок к бетону. Вводимые в наибольших количествах – десятых и сотых
долей процента по отношению к массе цемента – они существенно влияют на химические
процессы твердения бетона, обеспечивают улучшение его механических и физикотехнических свойств, в том числе плотности, водонепроницаемости, морозостойкости,
коррозионной стойкости и др. Эти добавки именуются модификаторами бетонной смеси и
затвердевшего бетона.
Под модифицированием подразумевается такое воздействие, при котором
существенно изменяется структура и свойства материала путем введения в его состав
определённых веществ при практически неизменном количестве основных составляющих.
Применительно к цементным системам под модификаторами подразумеваются
вещества, улучшающие технологические свойства бетонных (растворных) смесей и
строительно-технические свойства бетонов (растворов).
Основными целями введения модификаторов в цементные системы являются:
- снижения вязкости цементно-водных суспензий для улучшения технологических
свойств бетонной смеси;
- изменение структуры сформированного цементного камня и бетона с целью
у3величения их прочности и стойкости к многократным физическим воздействиям;
- регулирование скорости процессов гидратации цементов и твердения бетонов.
2.3.2. Механизм твердения минеральных вяжущих веществ характеризуется
возникновением структур с фазовыми контактами.
При затворении водой цементные составляющие (первичная фаза) растворяются с
образованием насыщенного по отношению к ним раствора. В результате реакций между
компонентами вяжущего и водой возникают новообразования, менее растворимые, чем
исходные. Раствор вследствие этого становится пересыщенным по отношению к продуктам
гидратации, которые выпадают в виде кристаллов новообразований различной формы. При
заполнении ими всего объёма системы возникает коагуляционная структура. Затем,
благодаря кристаллизации новой фазы между элементами коагуляционного каркаса –
фазовых кристаллизационных контактов – происходит образование цементного камня
прочной кристаллизационной структуры.
Формирование прочности цементного камня зависит от кинетики превращения
коагуляционных структур в конденсационно-кристаллизационные, образующиеся при
переходе гидросиликатного геля из метастабильного (относительно устойчивого) состояния
в термодинамически равновесное.
Кристаллизационное структурообразование в твердеющих системах осуществляется
внутри пористых диффузионных плёнок вокруг частиц исходных минералов и путем
организованной кристаллизации на поверхности или в объёме системы.
Основу прочности структуры цементного камня составляют кристаллы и сростки
кристаллов гидратных новообразований размером 10-7…10-5см, закономерно связанные друг
с другом фазовыми контактами срастания в ближнем и незакономерно (точечными,
скользящими, механическими контактами) в дальнем порядке. Большое значение имеет
также наличие в твердеющей системе субмикрокристалликов новообразований размерами
менее 10-7см, свободно и равномерно распределённых в массе цементного камня, которые
являются в силу своей метастабильности дополнительным источником «сшивающих» связей
сложной многоминеральной поликристаллической системе – твердеющем цементном тесте.
Рост отдельных сросшихся между собой кристаллов сопровождается возникновением
кристаллизационного давления и внутренних напряжений в структуре. Внутреннее
напряжение релаксирует (ослабляется) за счет частичного слома структуры. Таким образом,
нарастание прочности в системе при гидратации вяжущего есть результат двух процессов –
создание и разрушение структуры.
2.3.3. Особенности гидратации и структурообразования цементного камня в
присутствии модификаторов.
Введение модификаторов (ПАВ - поверхностно-активных веществ) в цементную
систему затрудняет образование фазовых контактов между кристаллами, что связано с
появлением на поверхности тел (в результате адсорбции) двухмерных структур, состоящих
из ориентированных полярными группами к гидрофильным поверхностям дифильных
молекул ПАВ.
В результате:
- замедляется диффузия ионов, что затрудняет образование фазовых контактов;
- изменяется степень гидратации клинкерных минералов;
- стабилизируются зародыши гидратной фазы;
- возможно, образуются комплексные соединения при первоначальном воздействии, в
результате чего временно задерживаются гидратация минералов цементного клинкера;
- образуется за счет первоначального замедления гидратации больше
длинноволокнистых гидросиликатов кальция, что приводит к повышению прочности за счет
оптимизации структуры кристаллов;
- оптимизируется структура пористости за счет дополнительного воздухововлечения
или дисперсной газопоризации.
2.3.4.Виды добавок к бетонам и их классификации.
Добавки подразделяют на 2 вида:
- химические, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1…2% от массы цемента)
и изменяющие в нужном направлении свойства бетонной смеси и бетона;
- тонкомолотые минеральные добавки (вводят от5 до 20% и более), использующиеся
для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и
повышения стойкости бетона.
Химические добавки.
Классификация химических добавок на основе неорганических и органических
веществ и их свойства приведены в ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов и строительных
растворов. Общие технические требования». Аналогичная классификация (с некоторыми
уточнениями) приведена В.Г. Батраковым («Модифицированные бетоны….» М, 1998г,
с.32…35), а введенный с о1.09.97г и переизданный в 2003г ГОСТ 30459-2003 «Добавки для
бетонов и строительных растворов. Методы определения эффективности» устанавливает
методы определения эффективности добавок по критериям эффективности в соответствии
ГОСТ 24211-2003.
Химические добавки классифицируют по основному эффекту действия:
1. Регулирующие свойства бетонных смесей:
- пластифицирующие, то есть увеличивающие подвижность бетонной смеси;
- стабилизирующие, т.е. предупреждающие расслоение бетонной смеси;
- водоудерживающие, уменьшающие водоотделение.
2. Регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона:
- ускоряющее или замедляющее схватывание;
- ускоряющее твердение;
- обеспечивающее твердение при отрицательных температурах (противоморозные).
3. Регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона:
воздухововлекающие,
газообразующие,
пенообразующие,
уплотняющие
(кольматирующие поры бетона).
4. Добавки – регуляторы деформаций бетона, расширяющие добавки.
5. Повышающие защитные свойства бетона к стали, ингибиторы коррозии.
6. Придающие бетону специальные свойства:
- гидрофобизующие, т.е. уменьшающие смачивание бетона;
- антикоррозионные, т.е. повышающие стойкость в агрессивных средах;
- красящие, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства;
- электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные.
7.
Добавки
полифункционального
действия:
пластифицирующие
и
воздухововлекающие; газообразующие и пластифицирующие и другие так называемые
комплексные добавки (I, II, III группы и IVгруппы – суперпластификаторы).
В качестве пластифицирующих добавок широко используют ПАВ, которые делят на 2
группы: I – пластифицирующие добавки гидрофильного типа, повышающие смачиваемость
водой составляющих бетонные смеси ( в основном цемента), способствующие
диспергированию коллоидной системы цементного теста и тем самым улучшающие его
текучесть (СДБ – сульфидно-дрожжевая бражка – группы ЛСТ –лигно-сульфанаты
технические и ЛСТМ-2, ЛТМ, суперпластификаторы (С-3, 10-0,3) и добавки
водоредуцирующего действия).
II – гидрофобизующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мельчайшие
пузырьки воздуха, снижают смачиваемость составляющих бетонные смеси водой, снижают
поверхностное натяжение на границе раздела фаз (СНВ – смола нейтрализованная
воздухововлекающая, СДО – смола древесная омыленная, СПД – синтетическая
поверхностноактивная добавка и др. Воздухововлекающие добавки используют главным
образом для повышения морозостойкости бетонов и растворов и водонепроницаемости. Они
гидрофобизуют поры и капилляры бетона, а воздушные пузырьки служат резервным
объемом для замерзания воды без возникновения больших внутренних напряжений.
Ускорители твердения – ХК – хлорид кальция, СН – сульфат натрия, ННХК – нитритнитрат-хлорид кальция.
Противоморозные – П-поташ (Ca2CO3), ХН- хлорид натрия, ХК – хлорид кальция. Эти
добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердению бетона при
отрицательных температурах.
Замедлители схватывания – КП – кормовая сахарная патока, НТФ нитрилотриметиленфосфоновая кислота, ЛСТ, ГКЖ-10 и ГКЖ-94 (кремний органические
соединения).
Комплексные добавки полифункционального действия (5 групп):
I – смеси ПАВ (ЛСТ + СНВ; ПАЩ + СПД и др.) – пластифицируют, увеличивают
морозостойкость, водонепроницаемость и коррозионную стойкость.
II – смесь ПАВ и электролитов – наиболее эффективны: (ГКЖ-10 + НК, ЛСТ + ГКЖ94
+СЕ) высокая скорость твердения бетонов и последующая высокая морозостойкость и
коррозионная стойкость; (ЛСТ + ХК; ЛСТ + ННХК; ЛСТ + СН).
III – смеси электролитов (ННХК; ХК+НН (ингибитор); ННК) – сочетание ускорителей
твердения и ингибиторов (против коррозии арматуры); основное применение для зимнего
бетонирования.
IV – комплексные добавки на основе суперпластификаторов (СП):
- СП + ускоритель твердения (С-3 + СН; 10-03 + СН; С-3 + ННХК; 10-03 + ННХК и
др.) – сокращают на 20…40% время ТВО;
- СП+ воздухововлекающий компонент (С-3+СНВ; 10-3+СНВ; 10-3+ЛСТ+СНВ и др.)
– для повышения морозостойкости могут вводиться ускоритель твердения или ингибитор.
-V – многокомпонентные комплексы, предназначенные для специальных целей:
ПАК+ЛСТ+СН – для получения безусадочных и расширяющихся бетонов; битумная
эмульсия (битум БН-50%, ЛСТ-5%, вода-45%) – обладает гидрофобно-пластифицирующим
эффектом, применяется для повышения непроницаемости бетона (дозировка 5…7% от массы
цемента).
Минеральные добавки (МД). Получают из природного или техногенного сырья (золы,
молотые шлаки и горные породы, микрокремнезем и др.). Степень измельчения менее 0,16
мм. Располагаясь вместе с цементом в пустотах заполнителя, уплотняют структуру бетона. В
зависимости от дисперсности разделяются на МД – разбавители цемента и МД -
уплотнители. МД – разбавители имеют гранулометрический состав, близки к цементу (зола,
удельная поверхность 0,2…0,5 м2/г), МД – уплотнители примерно в 100 раз меньше зерен
цемента (удельная поверхность 20…30 м2/г). МД делятся на активные (взаимодействуют с
Ca(OH)2 при обычной температуре) и инертные добавки (не реагируют с Ca(OH)2 при
обычной температуре).
Природные активные минеральные добавки получают тонким измельчением
различных горных пород вулканического (туфы, пеплы, трассы) или осадочного (диатомит.
трепел, опока) происхождения. Состоят в основном из аморфных кремнезёма и глинозёма.
Золы ТЭС образуются при сжигании пылевидных (молотых) углей. Стекловидные
частицы золы осаждаются в электрофильтрах и удаляются из них (зала-унос или зола сухого
удаления) или мокрым способом (зола гидроудаления). Более высокие свойства и качество
имеют золы-уноса. Хим. Состав: 35…60%, SiO2, 15…35 % Al2O3, 1…30 % CaO, 1…20 %
Fe2O3.
Размеры частиц золы: 1…35 мкм, Sуд.=0,15…0,3 м2/г, средняя плотность 1,74…2,4
г/см3, насыпная плотность 600…1300 кг/м3.
Шлаки доменные. В тонко измельченном состоянии (удельная поверхность
2500…3500 см2/г) является эффективной минеральной добавкой в цементы и бетоны.
Степень гидравлической активности шлаков характеризует модуль основности Мо =
𝐶𝑎𝑂+𝑀𝑔𝑂
𝑆𝑖𝑂2 +𝐴𝑙2 𝑂3
или модуль активности Ма =
𝐴𝑙2 𝑂3
𝑆𝑖𝑂2
. Если модуль активности Мо ≥ 1 – то шлаки
основные, Мо < 1 – кислые. С увеличение Мо и Ма гидравлическая активность доменных
шлаков возрастает, как и с увеличением удельной поверхности тонко молотого шлака.
Добавленные к цементу, существенно влияют на структурообразование цементного камня.
Микрокремнезём – отход производства кремнийсодержащих сплавов: ферросилиция,
кристаллического кремния и др. В процессе плавления шихты и восстановления кварца при
температуре более 1800°С образуется газообразный кремний, который при охлаждении и
контакте с воздухом окисляется до SiO2 и конденсируется в виде сверхмелких частиц
кремнезёма. Содержание SiO2 в микрокремнезёме 85…98 %. Размер частичек 01…0,5мкм
Sуд.=18…25 м2/г. В сухом виде из-за сверх высокой дисперсности насыпная плотность
0,15…0,2 т/м3, затрудняет транспортирование. Расход микрокремнезёма в бетоне должен
быть не менее 5% от массы цемента (5...15%).
Органо-минеральные добавки (ОМД). Микрокремнезём отличается высокой
водопотребностью: в равноподвижных смесях на каждый килограмм введенного в смесь
микрокремнезёма расход воды возрастает на 1 литр. Поэтому его применяют совместно с
суперпластификатором (для уменьшения расхода воды).
МБ-01 (с-3 6…12% по массе + кремнезём + регулятор твердения фосфорорганический
комплексон) комплексный модификатор структуры и свойств бетона, повышающий
сохраняемость консистенции бетонной смеси, получаются бетоны Rсж.˃ 100 МПа низкой
проницаемостью и высокой долговечностью. (гранулы до 100 мкм, ρ нас.750…800 кг/м3
можно транспортировать в ж/д вагонах насыпью).
МБ-С (С-3+микрокремнезём+зола-унос
30…50% замена м/к). Замена части
микрокремнезёма более доступной золой-уноса не дает заметного снижения эффективности
добавки.
ОМД выпускаются в порошкообразном виде, что обеспечивает их введение в
бетонную смесь при её приготовлении.
2.4.Вода для приготовления бетонной смеси. ГОСТ 237.32-79 «Вода для бетонов и
растворов». Тех. условия.
3. БЕТОННАЯ СМЕСЬ
3.1. Структура бетонной смеси
Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную полидисперсную
систему, получаемую при затворении водой смеси цемента с заполнителями (спец.
добавками, вовлеченный воздух). По своим свойствам бетонные смеси занимают
промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами. Отличие от
вязких жидкостей определяется наличием структурной вязкости, а от твердых тел –
способностью к значительным необратимым пластическим деформациям течения. Благодаря
наличию внутренних сил взаимодействия между частицами твердой фазы и воды (сил
молекулярного сцепления, вязкого трения, адсорбционных и капиллярных сил) бетонная
смесь приобретает связность и определённые свойства, характерные для структурированных
вязких жидкостей.
В зависимости от соотношения между цементным тестом и заполнителями можно
выделить три основные структуры бетонной смеси (см. рис.).
Рис. Типы структур бетонной смеси:
I – смесь с плавающим заполнителем;
II – смесь с плотной упаковкой;
III – крупнопористая смесь с недостатком
Цементного теста.
I. В первой структуре зёрна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и
практически не взаимодействуют между собой; они оказывают влияние лишь на
прилегающую зону цементного теста, а суммарное действие их пропорционально
сдерживанию зёрен заполнителя и их удельной площади - Sуд.
II. Во второй структуре цементного теста меньше и оно лишь заполняет поры между
зёрнами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зёрен слоем обмазки, толщина
которого в местах контакта зёрен заполнителя равна 1…3 средним диаметрам частиц
цемента. В этих условиях зоны взаимодействия отдельных зёрен заполнителя начинают
перекрывать друг друга – возникает трение между зёрнами заполнителя. Для придания смеси
той же подвижности, что и в структуре I типа, требуется более интенсивное воздействие или
увеличение подвижности цементного теста за счет изменения В/Ц в большей мере, чем было
свойственно структурам I типа.
III. В третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только
обмазывает зёрна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зёрнами заполняет
лишь частично.
Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие её свойства и влияние
на них различных факторов:
Для структуры I решающее значение имеют свойства цемента, реологические
свойства определяются в соответствии с зависимостями характерными для вязких
жидкостей.
Для структуры II возрастает роль заполнителя и трения между его зёрнами.
Для структуры III – особо сильно влияет заполнитель, реологические свойства
должны описываться с учётом сил внутреннего (сухого) трения.
Границы между структурами условны. Самые распространенные обычные бетонные
смеси относятся ко II типу, они отличаются повышенной эффективностью, позволяют
получать нерасслаиваемые бетоны смеси заданной подвижности при минимальном расходе
цемента. Структура I типа характерна для цементно-песчаной смеси с повышенным
расходом вяжущих, применяемая для изготовления армоцементных конструкций. Структуру
III типа имеют беспесчаные бетонные смеси (для крупнопористого бетона) и некоторые
тощие составы строительных растворов.
Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе её приготовления, в
последующем при укладке или дальнейшем транспортировании по плохим дорогам может
претерпевать изменения, вызывающиеся осаждением твердых частиц под действием сил
тяжести. Перераспределение твердых частиц по объему бетонной смеси называется
расслоением (или седиминтацией). При этом различают:
- макрорасслаивание – осаждение крупных тяжелых зерен, в результате чего
уплотняется смесь в нижних частях, а вода отжимается вверх;
- микрорасслаивание – подобное явление происходит с цементными зёрнами,
развивается в пустотах между заполнителями.
Большую склонность к расслоению проявляют смеси I типа, меньшую – II типа.
Склонность к расслоению увеличивается с повышением расхода воды и В/Ц (в литых
смесях); её можно уменьшить применяя химические добавки (гидрофобные вещества,
стабилизаторы и водоудерживающие добавки)или минеральные добавки с развитой
удельной поверхностью (трепел, золы, микрокремнезём и др.).
3.2. Реологические свойства бетонной смеси. (Реология от греч. Rheos – течение,
поток и logos – учение)
Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и затвердевания
бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее качество бетона.
Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или
формуемость) – способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя
монолитность и однородность. Удобоукладываемость определяется подвижностью
\9текучестью) бетонной смеси в момент заполнения формы и пластичностью – способностью
деформироваться без разрыва сплошности.
Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях используют её
реологические характеристики:
- предельные напряжения сдвига;
- вязкость;
- период релаксации (установление термодинамического равновесия).
Для определения этих свойств применяют специальные вискозиметры. Подобные
испытания выполняют в НИИ.
В производственных условиях контролируют подвижность смеси на приборах,
позволяющих быстро и просто получить необходимую характеристику бетонной смеси.
Основное влияние на свойства бетонной смеси оказывает количество и качество
цементного теста, т.к. именно цементное тесто, являясь дисперсной системой, имеет
высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил
молекулярного сцепления и повышению связанности системы. Решающее влияние на
свойства бетонной смеси оказывает расход воды, т.к. он определяет объем и строение
жидкой фазы и развитие сил сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей
системы.
Цементное тесто относится к так называемым структурированным системам, которые
характеризуются некоторой начальной прочностью структуры, создаваемой за счет действия
сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими плёнками воды.
Начальная прочность структуры, или структурная вязкость цементного теста зависит от
концентрации твердой фазы в водной суспензии. Под воздействием внешних сил (вибрация,
встряхивание, трамбовка, прокатка и др.) первоначальная структура разрушается в
результате ослабления связи между её отдельными элементами, возрастает способность
системы к деформациям, увеличивается её подвижность. После окончания действия внешних
сил система возвращается в первоначальное состояние, восстанавливается начальная
прочность структуры, уменьшается подвижность.
Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства после
прекращения воздействия называется тиксотропией.
Существенное влияние на структурную вязкость и тиксотропию оказывает тонкость
помола цемента. Вначале с повышением тонкости помола структурная вязкость и
коэффициент тиксотропии уменьшается, при Sуд = 4500…6000 см2/г эти величины имеют
минимальное значения, а при дальнейшем увеличении тонкости помола – возрастают, т.к.
возрастают силы внутреннего сцепления за счет действия межмолекулярных и адгезионных
сил и уменьшается толщина водных прослоек.
На структурную вязкость влияет крупность заполнителя и соотношение между песком
и щебнем, а так же соотношение между водой и цементов В/Ц, и между водой и твердой
фазой В/Т.
Реологические свойства бетонной смеси не остаются постоянными и под влияние
физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии цемента и воды,
постепенно изменяются: появляется все большее количество гелеобразных гидратных
соединений новообразований, что способствует увеличению дисперсности твердой фазы,
клеящей способности цементного клея, повышению вязкости и предельного напряжения
сдвигу. Подвижность бетонной смеси постепенно и постоянно уменьшается.
3.3. Технологические свойства бетонной смеси.
На практике приходится решать задачи о подборе состава бетонной смеси,
наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкций. Для этого
необходимо знать взаимосвязь между составом бетонной смеси её реологическими
свойствами, или знать технологические характеристики бетонной смеси: показатель
жёсткости, осадку конуса (подвижность).
Для определения подвижности, то есть способности бетонной смеси расплываться под
действием собственной массы и связанности бетонной смеси служит стандартный конус.
Рис. Определение подвижности бетонной смеси с помощью конуса:а) общий вид; б)
жёсткая смесь; в) малоподвижная; г) подвижная; д) очень подвижная; е) литая.
Укладка бетонной смеси в конус освоена в три слоя, уплотняя бетонную смесь
штыкованием до 25 раз каждый слой. ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические
условия» устанавливает 5 марок по удобоукладываемости (подвижности) подвижных смесей
(всм. Осадки конуса); П1 (1…4); П2 (5…9); П3 (10…15); П4 (16…20); П5 (≥21).
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 формованными свойствами. Такие смеси называют
жёсткими. Для оценки их свойств используют стандартный вискозиметр Вебе, с помощью
которого определяют растекаемость бетонной смеси при вибрировании.
Рис. Прибор Вебе для определения жёсткости бетонной смеси:
1 – форма-цилиндр; 2 – упоры для крепления конуса; 3 – конус;
4 – воронка; 5 – штанга; 6 – направляющая втулка; 7 – втулка для
крепления диска; 8 – диск с 6 отверстиями; 9 – штатив; 10 – зажим.
Цилиндрический сосуд 1 Н-200мм, Двн=240 мм, на котором закреплено устройство
для измерения осадки бетонной смеси в виде направляющего штатива 9, штанги 5 и
металлического диска толщиной 4 мм с шестью отверстиями, помещают в металлическую
форму –конус 3 с насадкой 4 для наполнения бетонной смесью. Размеры формы-конуса
такие же, как при определении подвижности бетонной смеси. Форму-конус с помощью
кольца-держателя 2 закрепляют в приборе и заполняют 3 слоями бетонной смеси, уплотняя
её штыкованием (25 раз каждый слой). Затем снимают воронку 4 и после заглаживания
поверхности бетонной смеси снимают форму-конус, поворачивают штатив, устанавливают
на поверхности бетонной смеси диск и включают виброплощадку. Вибрирование при
амплитуде 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не начнётся выделение цементного теста из
двух отверстий диска. Полученное время вибрирования – показатель жёсткости бетонной
смеси.
ГОСТ 7473-2010 устанавливает 5 марок по удобоукладываемости жёстких смесей (в
сек): Ж1 (5…10); Ж2 (11…20); Ж3 (21…30); Ж4 (31…50); Ж5 (˃50).
В лабораториях иногда используют упрощенный способ определения жёсткости
бетонной смеси, предложенный Б.Г. Скрамтаевым. В обычную металлическую форму для
приготовления кубов размером20х20х20 см вставляют стандартный конус. Наполняют конус
в три слоя, уплотняют штыковкой (25 раз каждый слой). После снятия металлического
конуса бетонную смесь подвергают вибрации на лабораторной виброплощадке. Вибрация
длится до тех пор, пока бетонная смесь не заполнит всех углов куба и её поверхность станет
горизонтальной. Продолжительность вибрации в сек. Принимают за меру жёсткости
(удобоукладываемости) бетонной смеси. Но нужно учитывать, что показатель жёсткости,
определённый на стандартном вискозиметре, примерно в 1,5…2 раза меньше этого
показателя, полученного по способу Скрамтаева, а переходный коэффициент к показателю
на установке Вебе, принимают равным 0,7 ГОСТ 10181-2000).
Для литой смеси, определяющим показателем которой является её течение без
вибрации под действием силы тяжести, консистенцию смеси определяют по скорости её
истечения из прибора, состоящего из металлического короба сечением 10х10 см и высотой
40 см, имеющего в нижней боковой поверхности отверстие 10х10 см с шибером. Смесь
укладывается на высоту 30 см 3 слоями со штыкованием. Затем на поверхность
устанавливают диск со штангой и открывают выпускное отверстие, через которое вытекает
бетонная смесь.
3.4.Зависимость подвижности и жёсткости бетонной смеси от различных
факторов.
Технологические свойства бетонной смеси определяются её составом и свойствами
используемых материалов.
На подвижность и жёсткость бетонной смеси влияют следующие факторы:
1. Цементное тесто, придающее бетонной смеси связанность – способность
растекаться и плотно заполнять форму.
1.1.
Количество цементного теста. Чем выше содержание цементного теста, тем
больше подвижность бетонной смеси. Если цементного теста взять только в количестве
необходимом для заполнения пустот между заполнителями, то бетонная смесь получается
жёсткой, неудобоукладываемой. Для того, чтобы смесь стала подвижной, следует не только
заполнить пустоты, но и раздвинуть зёрна заполнителя прослойками из цементного теста.
Минимальное содержание цементного теста в бетонной смеси, обеспечивающее её
нерасслаиваемость и качественное уплотнение составляет от 170…200 л в жёсткой смеси, до
220…270 в подвижной и литой смесях.
1.2. Консистенция цементного теста. Чем более жидкой является консистенция
цементного теста, тем больше подвижность бетонной смеси.
2. Заполнители. Введение в цементное тесто заполнителя уменьшает подвижность
бетонной смеси и тем больше, чем выше содержание заполнителя, его удельная поверхность
и пористость. С увеличением крупности заполнителя подвижность возрастает, а пыль
глинистые и другие загрязняющие примеси снижают подвижность.
3. Вода.
С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси
увеличивается. Однако, каждая бетонная смесь обладает определенной водоудерживающей
способностью, поэтому при большем содержании воды часть её отделяется от бетонной
смеси (расслоение), что недопустимо. Изменение содержания воды – главный фактор, с
помощью которого регулируют консистенцию бетонной смеси.
4. ЦЕМЕНТ.
4.1. Расход цемента. При изменении расхода цемента в бетонной смеси от 200 до 400
3
кг/м при постоянном расходе воды изменения подвижности бетонного теста очень малы и
практически их можно не учитывать, принимая подвижность постоянной. Подвижность
смеси изменяется только при изменении расхода воды. Эта закономерность получила
название закона постоянства водопотребности. Он позволяет в расчетах использовать
упрощенную зависимость подвижности бетонной смеси от расхода воды. Объясняется это
следующим образом: увеличение содержания цемента в бетонной смеси повышает толщину
обмазки зёрен заполнителя цементным тестом, что должно увеличить подвижность смеси по
причине увеличения количества цементного теста. Но при увеличении расхода Ц и при
постоянном расходе воды уменьшается В/Ц, что должно уменьшить подвижность смеси.
Влияние этих факторов суммируется таким образом, что изменение расхода цемента в
указанных приделах не влияет на подвижность бетонной смеси. Дальнейшее увеличение
расхода цемента сверх указанных пределов снижает подвижность бетонной смеси.
4.2. Свойства цемента. Применение цемента с более высокой нормальной густотой
понижает подвижность бетонной смеси при постоянном расходе воды. Бетонные смеси на
пуццолановом портландцементе имеют значительно меньшую осадку конуса (подвижность),
чем смеси на обычном портландцементе.
5. Водоцементное отношение. При одинаковом расходе цементного теста с
понижением В/Ц подвижность бетонной смеси уменьшается, а при увеличении В/Ц повышается. При правильном подборе В/Ц получают необходимую удобоукладываемость
бетонной смеси при минимальном расходе цемента.
6. Соотношение между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при
некотором оптимальном соотношении П/Щ, при котором толщина прослойки цементного
теса максимальная. При содержании песка в смеси заполнителей сверх этого значения
бетонная смесь делается менее подвижной, так как увеличивается суммарная поверхность
смеси заполнителей.
7. Добавки пластификаторов и суперпластификаторов
позволяют повысить
подвижность бетонной смеси и уменьшить её водопотребность. В жёстких бетонных смесях
эффективность действия пластификатора и суперпластификатора уменьшается, так как
количество воды оказывается недостаточным для обеспечения из действия.
4.Структурообразование бетона.
4.1. Формирование структуры бетона
Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной
смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на её формирование
оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.
Выделено 3 периода гидратации:
I. В начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гидролиза C3S
выделяется Ca(OH)2 образуя пересыщенный раствор. В этом растворе находятся ионы
сульфата гидрооксида и щелочей, небольшое количество кремнезёма, глинозёма и железа.
Высокая концентрация ионов кальция Ca++ и сульфат-ионов
𝑆𝑂2− наблюдается
непродолжительное время после затворения цемента водой, т.к. в течение нескольких минут
из раствора начинает осаждаться первые новообразования – гидрооксид кальция Ca(OH)2 и
эттрингит (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O).
II. Примерно через час начинается образование очень мелких гидросиликатов
кальция. В реакции принимают участие лишь поверхностные слои зёрен цемента. Вновь
образующиеся гидратные фазы (цементный гель) характеризуются очень тонкой
гранулометрией, в первую очередь появляются на поверхности цементных зёрен. С
увеличением количества новообразований и плотности их упаковки пограничный слой
становится малопроницаем для воды примерно в течение 2…6 часов. Это «скрытый или
индукционный период» гидратации цемента, в течение которого цементное тесто
представляет собой плотную суспензию. Поверхностные оболочки цементных зёрен
постепенно поглощают воду, толщина водных прослоек между зёрнами уменьшается,
постепенно понижается подвижность теста и бетонной смеси. В гелиевых оболочках
появляется осмотическое давление. Внутренние слои цементных зёрен, реагируя с водой,
стремятся расшириться. В результате наступает разрушение гелиевых оболочек, облегчается
доступ воды вглубь цементных зёрен, ускоряется процесс гидратации цемента.
III. Характеризуется началом кристаллизации Ca(OH)2 и з раствора, которая
происходит очень интенсивно. Одновременно образуются кристаллы гидросиликата кальция
и длинные волокна эттрингита. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют
их на более мелкие и создают пространственную связь, усиливая сцепления между
гидратными фазами и зёрнами цемента. С увеличение содержания гидратных фаз между
ними возникают непосредственные контакты, число их увеличивается – цементное тесто
схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.
Со временем образовавшаяся жёсткая структура постепенно уплотняется, объем пор и
их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями,
утолщаются и уплотняются гелиевые оболочки на зёрнах цемента, срастающиеся в
сплошной цементный гель с включением не прореагировавших центров цементных зёрен. В
результате возрастает прочность цементного камня и бетона (см. рис.).
Рис. Схема процесса преобразований в структуре цементного теста и камня при
гидратации цемента: а) цементные зерна в воде – начальный период гидратации I; б)
образование гелиевой оболочки на цементных зёрнах – скрытый период гидратации II; в)
вторичный рост гелиевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной
оболочки, образование волокнистых и столбчатых структур на поверхности зёрен и в порах
цементного камня – III период гидратации; г) уплотнение структуры цементного камня при
последующей гидратации цемента.
При твердении портландцемента в течение 6 месяцев химически связывается 10…11
% воды по отношению к массе цемента, а при полной гидратации количество связанной (в
лабораторных условиях) воды составляет 20…25 % (это максимум); при расчетах состава
бетонов принимают 15 % (иногда 10%).
Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объема его разных
фаз. В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную
структуру, и общий объем системы цемент – вода уменьшается (6), в то время как объем
твердой фазы (3) а счет присоединения воды увеличивается (см. рис.1).
Рис.1. Изменение объема твердой и жидкой фазы в системе цемент – вода при
гидратации цемента (при В/Ц < 0,5):
1 – объем негидратированного цемента;
2 – первоначальный объем воды;
3 – объем твердой фазы гидратированного цемента;
4 – объем гелиевой воды;
5 – объем контракционных пор;
6 – объем цементного геля вместе с порами.
Гидратированный цемент занимает объем в 2,1…2,2 раза больший, чем объем цемента
до гидратации, но меньший, чем суммарный объем цемента и связанной воды. Уменьшение
объема системы цемент – вода в процессе гидратации получило название контракции. По
величине контракции можно следить за протеканием процесса гидратации цемента и
структурообразованием бетона.
Вода в порах геля прочно удерживается поверхностными силами и поэтому не может
быть использована для гидратации ещё негидратированного цемента. Истинная плотность
воды в порах геля - 1,1…1,15. Объем воды, физико-химически связанной поверхностью
геля, примерно равен объему химически связанной воды и составляет в среднем около 50 %
от массы цемента. Поэтому, если при твердении бетона не имеется доступа воды извне, то
для полной гидратации цемента необходимо В/Ц больнее 0,5. При твердении в воде полная
гидратация цемента происходит при В/Ц равное 0,5…0,38, а при В/Ц меньше 0,38 в
цементном камне отсутствуют капиллярные поры (См. рис.2). Он весь состоит из цементного
геля, в котором обязательно сохраняются остатки негидратированного цемента. Эти остатки
способствуют уплотнению материала и повышению его прочности.
Рис.2. Изменения состава цементного камня после полной гидратации цемента в
зависимости от В/Ц:
1 – негидратированный цемент;
2 – цементный гель;
3 – капиллярная вода (поры).
4.2.Влияние заполнителя на формирование структуры бетона.
В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает
заполнитель. Введенный в цементное тесто, он, вследствие проявления поверхностных сил,
сокращает период формирования структуры. Заполнитель оказывает заметное влияние на
структурообразование бетона после затвердения бетона. Заполнитель создает жёсткий
каркас, упрочняющий структуру на первой стадии её формирования, а взаимодействие
цемента с водой и его твердение происходит в тонких прослойках между зёрнами
заполнителя при постоянном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает
водоудерживающую способность цементного теста. Ограничивает усадочные деформации,
способствует образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на
изменение температуры и влажности в твердеющем цементном камне.
Бетонная смесь должна укладываться в дело до начала схватывания. Воздействие на
неё после схватывания приводит к нарушению структуры и снижению прочности бетона.
В процессе формирования структуры бетона и её последующего твердения
изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость, тепловыделение,
электропроводность. Возможны объемные изменения: бетон либо увеличивается, либо
уменьшается 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.
Изменения свойств бетона определяется главным образом гидратацией цемента,
поэтому свойства последнего оказывает на эти закономерности решающее значение. Процесс
гидратации является ведущим и определяющим изменения структуры и свойств бетона.
Влияние других факторов (состав бетона, свойства заполнителей 1 и т.д.) вторично, так как
они только воздействуют на процессы гидратации и структурообразования.
4.3. Структура бетона.
Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру
бетона классифицируют по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне. Но
определяющее влияние на свойства бетона оказывает его плотность (или пористость). В
связи с этим целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом её плотности.
Рис. Основные типы макроструктуры бетона: а – плотная; б – плотная с пористым
заполнителем; в – ячеистая; г – зернистая; Rб – средняя плотность структуры; R1 R2 прочность составляющих бетона.
а и б – плотная структура может иметь: «плавающее» расположение заполнителя
(зёрна находятся на значительном удалении друг от друга);
- контактное расположение заполнителя (зёрна соприкасаются друг с другом через
тонкую прослойку цементного камня); плотная структура состоит из сплошной матрицы
цементного камня, в которую вкраплены зёрна заполнителя, достаточно прочно связанные с
материалом матрицы;
в – ячеистая структура – в сплошной среде твердого материала распределены поры
различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек;
г – зернистая структура – совокупность скреплённых между собой зёрен твердого
материала; пористость зернистой структуры непрерывна.
Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшую – с
зернистой, а проницаемость и водопоглащение наименьшие у плотных и самые большие – у
зернистых.
Большое влияние на свойства бетона оказывает размер зёрен заполнителя пор. В этой
связи различают макроструктуру и микроструктуру.
Макроструктура видима
невооруженным глазом (крупный заполнитель, песок, цементный камень, поры), или, более
укрупненная – крупный заполнитель и раствор, в котором объединяется цементный камень и
песок.
Микроструктура видима под большим увеличением (под микроскопом). Для бетона
большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из
непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров и по
своему строению напоминающая бетон (непрореагировавшие зёрна цемента – как
заполнитель), по Юнгу – микробетон.
Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его
свойства и долговечность, а основной составляющей цементного камня являются
гидросиликаты кальция.
Структура бетона, как правило, изотропна, то есть её свойства по разным
направлениям примерно одинаковы, можно придавать (искусственно) и анизотропность,
когда свойства структуры в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в
другом направлении – (бетон на лещадке, фибробетон).
Для различных видов
бетона характерна своя структура. Подразделение на
приведённые типы структур условно, в действительности структура бетона отличается
большей сложностью, например, в плотной структуре тяжёлого бетона цементный камень
имеет значительное количество пор, в плотной структуре лёгкого бетона поры наблюдаются
не только в заполнителе, но и в цементом камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре
могут соединяться между собой капиллярами.
Зависимость прочности бетона от его плотности может быть представлена
выражением:
𝜌
𝑅б = 𝑅1 (𝜌1 )𝑛 , где:
R1 – плотность материала при плотности ρ1;
n – показатель степени, зависящий от структуры материала, колеблется от 2 до 6, в
среднем принимают равным 4.
Структура бетона не однородна. Отдельные
объемы материала могут значительно отличаться по
своим свойствам. Вблизи зёрен заполнителя в
результате
влияния
его
поверхностных
сил
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 её в виде
отдельного структурного элемента. Сама контактная
зона, как и основной массив цементного камня, неоднородна, в ней содержатся более и
менее дефектные места, непрореагировавшие зёрна, микротрещины и другие элементы,
снижающие однородность материала (см. рис.).
Рис. Элементарная ячейка структуры бетона:
1 – зёрна заполнителя;
2 – контактная зона;
3 – зона ослабленной структуры в следствие седиментации;
4 – воздушные пузырьки;
5 – зона уплотнённой структуры;
6 – крупные седиментационные поры.
На качество структуры материала влияют различия в их структуре и свойствах и
распределение по микро- и макрообъемам, в том числе равномерность распределения
жидкой и воздушной фазы в первоначально сформированной структуре бетона (в момент
окончания схватывания). При расслоении бетонной смеси при высоких значениях В/Ц или
при её недоуплотнении при низких В/Ц в бетоне возникают дефекты которые практически
невозможно залечить в процессе последующей гидратации цемента, что ведет к снижению
прочности и долговечности бетона.
Определить границы изменения В/Ц, при которых бетонная смесь и бетон остаются
доброкачественными и не наблюдается расслоения или недоуплотнения можно, используя
понятия истинного В/Ци. Структура будет доброкачественной, если В/Ци = (0,86…1,65) НГ.
Структуру
бетона
можно
улучшить,
применяя
пластификаторы
и
суперпластификаторы, дисперсные наполнители и микронаполнители, влияющие на
нормальную густоту цементного теста. Изменяя сырье, составы и технологию, можно
получать разнообразные структуры и свойства бетона в зависимости от его предназначения.
5. Прочность бетона.
5.1.Особенности поведения бетона под нагрузкой
Качества бетона и его работы в конструкциях и сооружениях определяются его
свойствами. Важнейшее свойство – прочность.
Прочность – механическое свойство материала, выражающееся в его способности в
определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляется внутренним
напряжением и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других
факторов.
Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние напряжения: сжатие,
растяжение, изгиб, срез и кручение. Бетон относится к материалам, которые хорошо
сопротивляются сжатию, значительно хуже – сразу и еще хуже – растяжение (в 5…50 раз
хуже, чем сжатию). Поэтому строительные конструкции обычно проектирую таким образом,
чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходимости восприятия
растягивающих усилий конструкции армируют В ж/б конструкциях напряжения растяжения
и среза воспринимаются стальной арматурой, обладающей высоким сопротивлением этим
видам нагрузки. Поэтому одной из важнейших характеристик бетона является его прочность
при сжатии.
Разрушение в физическом понимании состоит в отделении частей тела друг от друга.
Дефекты в материале приводят к обеспечению процесса разрушения, т.е. понижают
прочность материала.
При разрушении бетона наблюдается два вида разрушения поверхности: 1). Прочность
заполнителя при растяжении выше прочности раствора или цементного камня, разрушение
происходит по раствору в обход зерен заполнителя.
2) Прочность заполнителя ниже прочности раствора , разрушение происходит по раствору и
по зернам заполнителя. Может быть и смешанный характер разрушения, когда прочность
зерен заполнителя и прочность раствора близки между собой и в разных участках структуры
более прочными оказываются либо заполнитель, либо раствор.
Задано до разрушения бетона в нем образуются микротрещины, возникающие из-за
неоднородности структуры бетона, поэтому разрушение бетона происходит постепенно, по
мере развития микротрещин отрыва и достижения определенной предельной деформации.
Большое значение для прочности бетона имеет сцепление цементного камня с
заполнителем, т.е. прочность контактной зоны. Разрушение бетона начинается с контактного
слоя, поэтому ухудшение его свойств резко повышает вероятность разрыва по дефектным
местам и снижает прочность бетона.
5.2. Методика испытаний.
Определяемый испытаниями показатель прочности бетона является характеристикой,
которая зависит не только от свойств материала, но и от методики испытаний. Поэтому
необходимо строго придерживаться соответствующих рекомендаций по методикам
испытаний и добиваться максимального единообразия в их проведении.
Факторы, влияющие на результаты испытаний, условно делят на три группы:
технологические, методические и статистические.
1. Технологические – связанные с приготовлением образцов и их качеством:
- параллельность граней образца;
- ровность и шероховатость граней;
- условия из0готовления образцов (способ и время уплотнения);
- расположение образца на плите пресса.
Прочность образцов, испытанных в положении на боку, может быть на 10…20 % ниже,
чем при испытании в том положении, в котором образец формовался. Поэтому образцы при
испытании нужно располагать в одинаковом положении. Кубы обычно испытывают в
положении на боку, чтобы иметь запас прочности.
2. Методические факторы – различные аспекты методики испытания:
- конструкция и особенности пресса;
- размеры образца;
- условия взаимодействия образца и пресса;
- скорость нагружения;
- влажность бетона.
А. Условия взаимодействия образца и пресса.
Между платами пресса и образцом действуют силы трения, в результате чего поверхность
бетонного образца, прилегающего к плитам пресса, имеет одинаковые с ними деформации.
Действие плит пресса, уменьшая деформации слоев бетона, прилегающих к ним, оказывает
на них поддерживающее влияние и предохраняет от разрушения. Это явление принято
называть эффектом обоймы. Поэтому кубы бетона имеют характерную форму разрушений,
когда наибольшую деформацию и разрушение наблюдаем в среднем сечении образца, а
образец после испытания представляет две сложенные вершинами усеченные пирамиды.
Характер разрушения бетонных кубов пр различных условиях
испытания: а – обычная схема испытания (пунктиром показана
ориентировочная область влияния «эффекта обоймы»;
б – при смазке опорных поверхностей;
в – при применении податливых прокладок.
Если смазать плоскости соприкосновения образца с плитами пресса, образец раскалывается
по вертикальным трещинами следствие отсутствия поддерживающего влияния «эффекта
обоймы»
показатель
прочности
его
снижается
на
20…30
%.
.Подобные испытания не применяют.
Если между плитами пресса и образцом положить достаточно толстую прокладку,
модуль деформации Епр.>Еб., то в ней возникают растягивающие деформации бетона,
следствие чего прокладки будут способствовать разрыву бетона, а показатель прочности
контрольных кубов может оказаться на 35…50 % меньше, чем при испытаниях по
стандартной методике (рис.в).
Б. Размер и форма образца. «Эффект обоймы» проявляется только в узком слое бетона,
прилегающем к плитам пресса, поэтому чем больше размер образца, тем меньше проявляется
эффект обоймы, и при испытании фиксируются меньшие значения прочности образцов,
приготовленных из одного и того же бетона к твердевших в одинаковых условиях.
. При испытании призм (h>a ~ в 2 раза) показатель прочности бетона будет на 20…30 %
меньше, чем прочность кубов. При h/а>3 уже не наблюдается изменение прочности. При
проектировании ж/б конструкций используют призменную прочность бетона как величину, в
наибольшей степени характеризующую действительную прочность бетона в конструкции.
В слабых и более деформативных бетонах влияние «эффекта обоймы» уменьшается,
поэтому для легких бетонов низких марок можно прижимать прочность бетона кубов разных
размеров одинаковой. В значительной мере структура и прочность бетона влияют и на его
призменную прочность. Соотношение Rпр./Rкуб. может изменяться для тяжелого бетона от
0ю6 до 0ю9, а для легкого бетона – от 0.65 до 1.0.
В. Влажность бетона и скорость нагружения.
Большое влияние на прочность бетона может оказать влажность бетона и скорость
нагружения. При медленном нагружении жидкая фаза, передвигаясь по капиллярам и
проникая в устья микротрещин, облегчает деформирование бетона, развитие
трещинообразования и разрушение. С повышением скорость нагружения передислокация
жидкой фазы начинает отставать от скорости трещинообразования, повышается
сопротивление жидкой фазы нагрузке, т.е. жидкая фаза не только передает давление от
нагрузки на стенки пор и капилляров, но и частично воспринимает его сама, как бы
разгружая твердую фазу.
При высокой скорости нагружения жидкая фаза практически не успевает попасть в устье
вновь образующихся микротрещин и повлиять на процесс их развития. С повышением
скорости нагружения уменьшается отрицательное действие жидкой фазы и показатель
прочности бетона повышается.
Влияние времени tmax .нагружения до разрушения
на прочность бетона Rб: 1 – сухого; 2 - водонасыщенного
Степень этого повышения определяется не только скоростью нагружения, но и содержанием
жидкой фазы в бетоне. Чем выше степень водонасыщения, тем больше жидкая фаза влияет
на свойства бетона. При быстром нагружении водонасыщенный бетон оказывается прочнее
сухого (см.рис.
Г. Конструкция и особенности пресса.
На результаты испытаний бетонных кубов большое влияние оказывает жесткость опорных
плит пресса и их толщина: при их недостаточности кубы показывают меньшую прочность
При применении жестких опорных плит достаточной толщины характер разрушения
соответствует рисунку «а» , а при применении опорных плит недостаточной жесткости
наблюдается характер разрушения, показанный на рисунке «в». Обычно на прессах
устанавливают плиты толщиной 10 см. Чтобы уменьшить влияние плит пресса до
допустимой величины, необходимо, чтобы их толщина была более 0.5 от размера ребра куба.
5.3. Прочность бетона при сжатии.
В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указывают
требования к прочности бетона – его класс или марку. При проектировании контсрукций
прочность бетона на сжатие характеризуется классами. Класс бетона определяется
величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0.95. ГОСТ 26633-91
«Бетоны тяжелые и мелкозернистые ТУ». Устанавливает 19 классов бетона от В 3,5 по В 80;
для ячеистых бетонов ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. ТУ» устанавливает 12 классов: от
В 0.5 по В 15.
На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона. Между классом
бетона и его средней прочностью имеет зависимость:

В= R (1-tv), где
В – класс бетона по прочности, МПа;

R - средняя прочность, которую следует обеспечить при производстве конструкций МПа;
T – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса
бетона;
V – коэффициент вариации прочности бетона.

Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона R (МПа), контролируемой
на производстве для образцов 15х15х15 (при нормативном коэффициенте вариации V=13,5
% и коэффициенте t=1.64 при обеспеченности 95 % по ГОСТ 26633-91 следует применять


25
В
формулу. R 
(пример: для класса В 25 R 
 32.13 )
0,778
0,778
Средняя прочность (марка) тяжелого бетона определяется пределом прочности (МПа)
при сжатии стандартных бетонных кубов 15х15х15 см., изготовленных из рабочей
бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения
в нормальных условиях (t=15…200С, Wотн.=90…100 %. В строительстве (ГОСТ 26633-91)
используют 17 марок от М 50 по М 1000. На производстве необходимо обеспечить среднюю
прочность или заданную марку бетона. Превышение заданной прочности допускается не
более 15 % (в целях экономии цемента).
Кубы 15х15х15 см. применяются, если НК зерен заполнителя 40 мм. Для другой
крупности можно использовать кубы иных размеров, но размер ребра куба д.б ~ в 3 раза
больше НКз.з.. Для определения марки бетона на кубах с другими размерами вводят
переходные коэффициенты, на которые умножают полученную прочность бетона:
Размер куба, см.
7х7х7
10х10х10
15х15х15
20х20х20
Коэффициент
0.85
0.95
1
1.05
Прочность бетона в определенный срок при твердении нормальных условиях зависит
В
главным образом от прочности (активности) цемента и водоцементного отношения ( ):
Ц
повышается с увеличением прочности цемента и уменьшением водоцементного отношения.
Эта зависимость выражена формулой:
R28=
Rц
кг
( 2 ) , где
В
см
К ( )1,5
Ц
R28 – предел прочности бетона при сжатии в 28-суточном возрасте нормального твердения;
кг/см2
Rц – активность цемента, т.е. 28-суточная прочность цементного р-ра в трамбованных
образцах состава 1:3 естественного твердения.;
К – коэффициент; для щебня К=3,5, для гравия К=4
В
- отношение расхода воды к расходу цемента по весу.
Ц
Эта расчетная формула предложена Беляевым на основании закона водоцементного
отношения, установленного в 1895 году проф. Петербуржской военно-инженерной академии
В
И.Г. Малюгой, и выраженного графической зависимостью Rб=f ( ) , из которой следует, что
Ц
прочность бетона не зависит от его состава, а определяется величиной водоцементного
отношения. Максимальной прочности соответствует оптимальное значение В/Ц. С
В
увеличением его ( ) увеличивается количество свободной воды, не участвующей в
Ц
структурообразовании, и она испаряется, оставляя поры, снижающие прочность тем
значительнее, чем больше величина В/Ц; с уменьшением – возникает недоуплотнение
бетонной смеси, сохраняются поры, снижающие прочность бетона тем значительно, чем
меньше величина В/Ц. Только при оптимальном значении В/Ц бетон имеет слитное строение
с минимальной пористостью и обладает наибольшей прочностью.
В/Ц
Зависимость прочности бетона Rб от В/Ц отношения при
Обычных (1) и оптимальных (2) структурах. Величины Ro
и В/Цо – при оптимальной структуре бетона.
В практических целях формуле Абрамса-Беляева придали выражение прямой зависимости,
приняв вместе В/Ц обратную величину – Ц/В:
R,=ARц(
Ц
 0.5) , где
В
Rб – прочность бетона в возрасте 28 сут.
Rц – активность цемента в возрасте 28 сут.
А – коэффициент заполнителей, здесь А=0.6 (среднее значение).
При введении нового ГОСТа на испытание цемента (переход с жесткого раствора на
подвижный) была проведена большая коллективная работа рядом НИИ и крупных
строительных лабораторий по испытанию различных составов бетонов, изготовленных на
разных цементах разных заводов и большом количестве разновидностей крупного мелкого
Ц
 1.4...2.5 существует
заполнителей. Опыты подтвердили, что при значении
В
прямолинейная зависимость между прочностью бетона, активностью цемента и цементноводным отношением, а формула Боломея-Сырамтаева сегодня имеет уточненный вид:
Ц
 0,5) ;
В
- для бетонов с В/Ц≥0,4 или Ц/В≤2,5
Rб=АRц (
- для бетонов с В/Ц≤0.4 или Ц/В≥2,5
Rб=А1Rц (
При В/Ц=0.4 АRц (
Ц
 0,5)
В
Ц
Ц
 0,5)  А1 Rц (  0.5)
В
В
Значения коэффициентов А и А1 в этих формулах приведены в таблице:
Материалы для бетона
А (подвижность)
Высококачественные
(заполнители
прочные, чистые, фракционно. ПЦ высокой
активности)
0.65
Рядовые (заполнители среднего качества, в
т.ч. гравий ПЦ средней активности или
ШПЦ)
0.6
Пониженного
качества
(крупные
заполнители низкой прочности и мелкие
пески, Ц низкой активности
0.55
А1 (жесткость)
0.43
0.4
0.37
В коллективном эксперименте было изучено также влияние пропаривания на прочность
бетона. Режим 2 ч. нагрев, потом 3 ч. подъем температуры до заданной + 8 ч выдержка +4ч
отключение и снижение температуры. Испытывали в возрасте 1 суток Прочность образцов
при сжатии после пропаривания в среднем составила (% от марки бетона):
В/Ц
% от R28
0.3
81
0.4
75
0.5
71
0.6…0.7
63
На основании этих данных прочность бетона в ЖБК, подвергающихся проариванию,
можно ориентировочно рассчитать по приведенным выше формулам, умножая полученную
расчетную Rб28 на 0.7.
5.4.Прочность бетона на растяжение при изгибе.
Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются
марки бетона по прочности на растяжение при изгибе, которые определяют путем испытания
балочек квадратного сечения и вычисляют на формуле:
Rизг.=α
F l
 K w ( МПа) , где
  b2
Размеры стандартных балочек.
НК
заполнителя,
мм
30
50
70
Размеры балочек, мм
сечение
длина
100х100
150х150
200х200
между
опорами,l
300
450
600
400
600
800
F – разрушающая нагрузка, Н;
а, в, l - соответствующая ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между
опорами (мм.)
α – масштабный коэффициент:
для
10х10 см.
α=0.92
15х15см.
α=1.0
20х20см.
α=1.
Допускается 7х7 f=0.85
F – разрушающая нагрузка, Н;
а, в, l - соответствующая ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между
опорами (мм.)
α – масштабный коэффициент:
для
10х10 см.
α=0.92
15х15 см.
α=1.0
20х20 см.
α=1.15
Допускается 7х7 f=0.85
Рис.2 Зависимость отношения. Rρ/Rсж. от возраста бетона.
Прочность при изгибе в несколько раз < Rсж. По ГОСТ 26633-91 установлено 19 марок
бетона по Rизг. (от Рtв5 по Рtв.100 через 5) и 19 классов на растяжение при изгибе от Вtв.0,4 по
Вtв.8.0 МПа;
Rизг. зависит от тех же факторов, что и Rcж., но соотношение Rсж./Rизг. повышается
с
увеличением Rсж. (рис.1). Rизг.=Ап  Rц1 ( Ц / В  0,2 , где R 1ц - активность цемента при изгибе;
Ап – коэффициент, для высококачественных материалов Ап=0.42, ждя рядовых Ап=0,4, для
материалов пониженного качества Ап=0.37.
С увеличением возраста бетона его Rизг. и Rр возрастает более медленно, чем Rсж., и
соотношение Rр/Rсж. уменьшается (рис.2).
5.5. Однородность бетона по прочности.
Качество бетона нельзя оценить только его средней прочностью. На практике всегда
наблюдается отклонения от этой величины. Колебания активности цемента, его нормальной
густоты, минералогического состава, свойств заполнителей, дозировки материалов, режимов
перемешивания и твердения – все это приводит к неоднородности структуры бетона.
Соответственно будут колебаться и показатели свойств бетона: прочность, плотность,
проницаемость, морозостойкость и др. Поэтому, качество бетона определяется не только его
средней прочностью но и его однородностью которая оценивается по коэффициенту
вариации прочности.
Мы уже рассматривали, что класс прочности бетона В связан с его средней прочностью

R:

В= R(1  tv) , где
t – коэффициент обеспеченности класса бетона;
v – коэффициент вариации прочности бетона.
При изменении коэффициента вариации определенному классу по прочности бетона
будет соответствовать различная средняя прочность. С уменьшением v будет уменьшаться и
величина средней прочности. Например, для обесмечения класса В 20 при v=13.5 %
требуется
средняя
прочность


B
20
20
20
R  25.68( R 



 25.68) , а при V=7 %
1  tv 1  1.64  0.135 1  0.2214 0.7786

R
20
20
20
22.59
кГс


 22.59МПа или
 230.5 2
1  1.64  0.07 1  0.1148 0.8852
0.098
см
В качестве характеристики однородности бетона используют средний коэффициент
вариации прочности Vп по всем партиям за анализируемый период ГОСТ 18105-86.
n
 1 Ri
Прочность бетона в партии: Rm=
Мпа, где:
n
Ri – единичное значение прочности бетона, МПа;
n – общее число единичных значений прочности бетона в партии. За единичное значение
прочности бетона принимают среднюю прочность бетона в одной серии образцов.
Продолжительность анализируемого периода для определения характеристик
однородности устанавливают от одной недели до двух месяцев. Число единичных значений
прочности бетона за этот период д.б. > 30. По результатам испытания вычисляют
среднеквадратическое отклонение Sm и коэффициент Vm прочности для всех видов
нормируемой прочности бетона.
n
 ( Ri  Rm ) 2
i 1
Sm=
, где Ri – единичное значение прочности бетона МПа
n 1
Rm – прочность бетона в партии, МПа
.Коэффициент вариации прочности бетона Vm % в партии:
Vm=
Sm
 100%
Rm
Cредний коэффициент вариации прочности бетона Vn за анализируемый период
N
N
i 1
i 1
Vn=  Vm.i ni /  ni , где
Vm.i – коэффициенты вариации прочности бетона в каждой i-ой из N проконтролированных в
течение анализируемого периода партий бетона;
ni – число единичных значений прочности бетона в каждой i-ой из N партий бетона,
проконтролированных в течение анализируемого периода;
n
 ni - общее число единичных значений прочности бетона за анализируемый период (д.б. не
i 1
менее 30).
Пункт 1.1.ГОСТа 18105-86: «…Приемка бетона путем сравнения его фактической
прочности с нормируемой без учета характеристик однородности прочности не
допускается».
По коэффициенту вариации прочности бетона можно судить о стабильности качества
бетона, выпускаемого предприятием. Чем ниже показатель Vm, тем стабильнее качество
бетона. ГОСТом 18105 установлено 11 значений. Vn: от 6 % по 16 %;
Нормативный коэффициент вариации – 13.5 %. Предприятие, имеющие по статотчетности
Vm< 13 %, могут отпускать бетонные смеси и бетоны с показателем более низким, чем
требуемая по нормативным документам, что в конечном счете позволяет экономить цемент.
6. Деформативные свойства бетона.
В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят объемные
изменения, возникают деформации материала, которые необходимо учитывать при
проектировании конструкций. Деформации бетона можно разделить на следующие виды:
1. Первоначальная усадка бетонной смеси.
2. Усадка и расширение бетона, возникающие под действием физико-химических
процессов, протекающих в бетоне.
3. Деформации от кратковременного воздействия нагрузок, упругость бетона.
4. Деформации от длительного действия нагрузок-ползучесть бетона.
5. Температурные деформации бетона.
6.1. Первоначальная усадка бетонной смеси.
После укладки бетонной смеси в пластичных и литых смесях может происходить
седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение с изменением
объема в первые 30…90 мин. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины
первоначальной усадки. Первоначальная усадка уменьшается:
- со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста;
- при применении тонкомолотых добавок (трепел, диатомит, метилцеллюлоза);
- при высоком содержании крупного заполнителя (скелет!);
- изменение густого армирования и узких форм.
Деформации первоначальной усадки влияют на окончательные размеры изделия и
качество его открытых поверхностей.
6.2. Усадка бетона.
Наиболее значительные изменения объема бетона проявляются при твердении его в
атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, получившие название
усадки бетона. При твердении в воде или во влажных условиях уменьшение объема бетона
может не происходить, а в ряде случае наблюдается даже его незначительное расширение.
Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне
при твердении, и изменении его влажности. Суммарная величина деформаций усадки
складывается из влажностей, контракционной и карбонизационной деформаций.
Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением
влаги в образовавшемся скелете цементного камня (самая значительная в суммарной садке
бетона).
Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня
меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию Развивается в период
интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой, когда бетон еще
достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается растрескиванием материала, т.к.
происходят изменения в поровой структуре его: уменьшается объем пор, занимаемых водой,
возникают воздушные поры.
Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией Са(ОН)2 и развивается постепенно с
поверхности бетона в глубину.
Влажностная и карбонизационная усадка может привести к возникновению трещин в
бетоне (вдоль стержней арматуры, в изделиях с большой открытой поверхностью).
Усадка бетона увеличивается:
- при повышении содержания цемента и воды;
- применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей;
- при быстром высыхании бетона, особенно с поверхности.
6.3. Деформации бетона при кратковременном нагружении.
Деформации бетона при приложении нагрузки зависят от его состава, свойств
составляющих материалов и вида напряженного состояния. 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.
Для расчета железобетонных конструкций важна зависимость модуля деформации от
прочности бетона. Ориентировочно средние значения модуля деформации можно
определить по формуле:
100000
Еб=
3600
1.7 
R28
Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имею
величины предельных деформаций, при которых начинается разрушение бетона. Предельная
сжимаемость бетона изменяется в пределах 0.0015…0.003, увеличиваясь с повышением
прочности бетона. Предельная растяжимость бетона 0.0001…0.0015, т.е. в 15…20 раз
меньше его предельной сжимаемости.
6.4. Деформации ползучести.
Под ползучестью бетона понимают его способность деформироваться во времени при
длительном действии постоянной нагрузки. На ползучесть бетона влияют расход и вид
цемента, В/Ц, вид и крупность заполнителя, степень уплотнения бетона, степень гидратации
цемента к моменту приложения нагрузки, температура и влажность окружающей среды
В
размеры образца. Ползучесть бетона увеличивается при ↑ Ц, ↑
,
Ц
↓ НКз, при применении пористых заполнителей.
Исходная мера ползучести для бетона на обычном ПЦ Со=15.2∙10-7 см2/Н, на
высокопрочном цементе Со=10.2∙10-7 см2/Н.
6.5. Температурные деформации.
Бетон расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении В среднем коэффициент
линейного расширения бетона α=10∙10-6. С увеличением содержания цементного камня α↑,
(αц.к.=13.1∙10-6), заполнители снижают α (αбет.керамзит=9.8∙10-6)
Температурные деформации бетона близки к темп.деформациям стали, что обеспечивает их
надежную совместную работу в ж/б при различных температурах окружающей среды.
При замерзании влажного бетона существенное влияние на его деформации оказывает
образование льда в порах и капиллярах и вместо деформации сжатия наблюдаются
деформации расширения, вызываемые давлением образующегося льда.
7. Физические свойства бетона.
7.1. Плотность бетона.
Различают плотность бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона. Бетонная смесь
может быть почти совершенно плотной, если она правильно рассчитана, хорошо уплотнена и
не содержит вовлеченного воздуха.
Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивают коэффициентом уплотнения
Kуплю.=  д1. /  1р. , где
 д1 и  1р. - действительная и расчетная плотность бетонной смеси. Из-за воздухововлечения
при виброуплотнении kупл.=0.96…0.98.
В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии (к
28 дням - ~ 15 % от массы цемента). Остальная вода остается в порах или испаряется.
Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость (%) бетона
можно определить по формуле:
В  Ц
100% , где
П=
1000
В и Ц – расходы воды и цемента, кг/м3;
 - содержание химически связанной воды,  28  0.15
Плотность бетона является его важнейшим свойством, определяющим прочность,
непроницаемость и долговечность бетона.
7.2. Проницаемость бетона.
Для практики наибольшее значение имеет водопроницаемость бетона, которая зависит от
его пористости, структуры пор и капилляров, свойств вяжущего и заполнителей. Микропоры
(размер 10-6м.<) практически непроницаемы для воды, а макропоры
(>10-6 м) доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие действия
давления, градиента влажности или осмотического эффекта.
В
Макропористость бетона уменьшается при понижении
, увеличением степени
Ц
гидратации цемента, уменьшении воздухововлечения, применении химических добавок,
уплотняющих структуру бетона. С увеличением возраста бетона уменьшается
проницаемость бетона.
Проницаемость бетона можно оценивать коэффициентом (фильтрации) проницаемости
который измеряется количеством воды В, прошедшей через 1 см2 образца в течение 1 ч. при
постоянном давлении.
Кпр.=
В
см 3
, где
Аt ( 1   2 ) см 2 с
А – площадь образца;
t – время, ( 1   2 ) - градиент давления.
В качестве технической характеристики водопроницаемости бетона принята обратная
величина, т.е. водонепроницаемость характеризуемая маркой по водонепроницаемости.
Марка по водонепроницаемости – это минимальная величина давления воды, при котором в
стандартных условиях и на стандартных образцах отмечается проникание воды (цилиндры
диаметр 15 см и h=1.5 см). Марки установлены от W 2 и W 20 с интервалом в 2 ед. (в 2 атм.
Кгс/см2 или 0,2 МПа).
От степени водонепроницаемости зависят коррозионная стойкость, морозостойкость,
долговечность (длительная прочность) бетона.
7.3. Морозостойкость бетона. (Мрз).
Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщенном водой
состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.
Для определения Мрз бетона применяют метод попеременного замораживания к
оттаивания. Критерием Мрз является количество циклов, при котором среднее значение
прочности на сжатие уменьшилось не более 5 %. Это количество циклов определяет марку
бетона по Мрз; марок по Мрз – 11 – от F 25. по F 1000 (для тяжелого и мелкозернистого
бетона).
Способы повышения Мрз бетона:
1) Повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проникаемости для
воды, снижение В/Ц , применение гидрофобизующих стенки пор добавок, пропитка
специальными составами (кольматация – наполнение пор составами).
2) Создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного
объема воздушных пор (> 20 % от объема замерзающей воды), но заполняемых при обычном
водонасыщении бетона, но доступных для проникания воды под давлением, возникающем
при ее замерзании. Воздушные поры должны быть возможно меньшего размера, т.к. это
позволяет уменьшить на общий объем и способствует повышению Мрз бетона при
наименьшем снижении его прочности вследствие возудхововлечения.
7.4. Теплофизические свойства.
Это – теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации, огнестойкость,
огнеупорность (жаростойкость).
Теплопроводностью назывют свойство материала передавать тепло от одной поверхности
к другой. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях),
проходящей через стенку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при перепаде температур на
противоположных поверхностях в 10 С в течение 1 ч. Величина теплопроводности
обозначается λ, Вт/(м 0 С ) . Зависит от структуры бетона, его плотности, пористости,
влажности и температуры.
Структура бетона включает твердую фазу и систему воздушных пор. Теплопроводность
Вт
Вт
твердой фазы λ~1.2…1.4
, воздуха – λвоз.=0.023
, поэтому чем .> воздушная
0
м С
м 0С
пористость бетона (или ниже его плотность), тем < его теплопроводность. При заполнении
Вт
пор влагой теплопроводность бетона возрастает, т.к. λводы=0,58 0 , т.е. в 25 раз выше λ
м С
воздуха. При замораживании бетона его теплопроводность возрастает еще в большей
Вт
степени, т.к. λльда=2.3 0 , в 4 раза > λводы.
м С
С повышением температуры λбетона несколько увеличивается. Бетон с очень мелкими
закрытыми порами имеет более низкую λ, чем с крупными порами (эффект отсутствия
передачи тепла конвенцией).
Теплоемкость - физическое свойство, характеризующееся способностью материала
аккумулировать теплоту при нагревании и оценивается удельной теплоемкостью которая
обозначает количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг. материала на 10 С.
Дж.
Удельная теплоемкость (или коэффициент теплоемкости) обозначается С,
,
кг .0 С
Q
определяется по формуле: С=
, где
m(t 2  t1 )
Q – количество теплоты, затраченное на нагревание материал, Дж;
m – масса материал, кг.;
t2-t1 – разность температур после и до нагревания 0С.
Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава,
Дж
структуры и плотности и меняется в пределах 0.75…1.1∙103
. Вода имеет более
кг 0С
Дж
высокую теплоемкость 4.19∙103 кг 0С ., поэтому с повышением содержания воды в бетонной
смеси или влажности бетона их теплоемкость возрастает.
Температурные деформации рассматривались в 6.5.
Огнестойкость бетона – сопротивляемость его кратковременному действию огня при
пожаре. Бетон относится к числу огнестойких материалов. Вследствие сравнительно малой
теплопроводности бетона кратковременное воздействие высоких температур не успевает
вызвать значительные нагревания бетона и находящейся под защитным слоем арматуры.
Значительно опаснее поливка сильно разогретого бетона холодной водой при тушении
пожара, она неизбежно вызывает образование трещин, разрушение защитного слоя и
обнажение арматуры при продолжающемся действии высоких температур.
Под жаростойкостью понимают стойкость бетона при длительном и постоянном
действии высоких температур в условиях эксплуатации тепловых агрегатов(жароупорный
бетон). В таких условиях обычный бетон на ПЦ не пригоден к эксплуатации t>2500C, т.к.
при t=250…3000C происходит снижение прочности из-за разложения Са (ОН)2 и разрушения
структуры цементного камня. При t>5500 C зерна кварца в песке и гранитном щебне
начинают растрескиваться следствие перехода кварца в другую модификацию (тридимит),
что связано со значительным увеличением объема зерен кварца и образованием
микротрещин в местах соприкосновения зерен заполнителя и цементного камня.
8. Коррозия бетона и железобетона.
8.1. Особенности воздействия агрессивных сред на бетон и железобетон.
Коррозия бетона и железобетона – разрушение их в результате воздействия внешней
среды или химического и физико-химического взаимодействия компонентов бетона. В
процессе коррозии могут повреждаться как бетон, так и стальная арматура и металлические
закладные изделия. Коррозия развивается с различной скоростью в зависимости от:
- характера агрессивной среды;
- ее агрегатного состояния (твердая, жидкая, газообразная);
- химического состава и концентрации агрессивных веществ;
- влажности и температуры окружающей среды;
- скорости подвода к поверхности агрессивных веществ и удаления продуктов коррозии;
- особенности бетона (его вещественного состава, проницаемости) и стали;
- особенностей ж/б конструкции (формы, толщины, величины защитного слоя, наличия
допускаемые расчетом трещин, вида армирования, напряженного состояния);
- характера физического воздействия на бетон и ж/б (нагрев и замораживание, нагрузки
пр.).
8.2. Виды коррозии бетона в жидкой агрессивной среде
Согласно классификации, предложенной в 1952 г. проф. В.М. Москвиным, коррозия
бетона по основным признакам делится на три вида.
Коррозия 1 вида характеризуется растворением и вымыванием водой компонентов
цементного камня, в первую очередь Са (ОН)2. Процесс развивается при действии воды с
малой временной жесткостью (мягкой), особенно при фильтрации воды сквозь бетон. Вынос
> 20 % Ca (OH)2 сопровождается полным разрушением бетона.
Значительные повреждения по механизму коррозии этого вида наблюдаются в
гидротехнических сооружениях при больших градиентах напора, если бетон не имеет
необходимой высокой водонепроницаемости.
При омывании бетона водой без фильтрации скорость коррозии невелика.
Присутствие в воде солей, непосредственно не реагирующих с цементным камнем, может
увеличивать растворимость Са (ОН)2 и ускорять коррозию бетона.
Присутствие в растворе солей кальция (СаНСО3, СаСО3) и карбонизация бетона
[Ca(OH)2+CO3+H2O] снижает скорость выщелачивания и способствует уменьшению
скорости развития коррозии 1 вида.
Введение пуццолановых добавок (трепела, трасса, опоки и др.), химически связывающих
Са (ОН)2 и понижающих проницаемость бетона, повышает его стойкость к коррозии 1 вида.
Для повышения стойкости бетона к коррозии 1 вида используют:
1) бетоны повышенной плотности;
2) естественную или искусственную карбонизацию поверхности бетона;
3) специальные цементы, в т.ч. пуццолановые;
4) гидроизоляцию поверхности бетона;
5) облицовку или пропитку бетона.
Коррозия 2 вида развивается при действии вод, содержащих химические вещества,
вступающие в обменные реакции с соединениями цементного камня. При этом образуются
хорошо растворимые вещества, выносимые из бетона водой, и/или нерастворимые вещества,
не обладающие вяжущими свойствами и остающиеся на месте реакции; проницаемость
бетона повышается, а пористость снижается.
Коррозия этого вида развивается в кислотах, растворах магнезиальных солей МgCl2 и
MgSO4.
Наиболее часто встречающаяся при действии природных вод коррозия бетона – коррозия
под действием углекислых вод. Углекислота Н2СО3 присутствует, как правило, во всех
водах. Источником обогащения воды углекислотой являются биохимические процессы,
протекающие в воде и в почве. Наличие в воде ионов СО 32  сверх равновесного состояния
создает условия для растворения карбонатной пленки. Чем больше агрессивной Н 2СО3, тем
выше кислотные свойства раствора и скорость коррозии.
Действие на бетон неорганических кислот также вызывает процессы коррозии 2 вида,
которые могут переходить в коррозию 1 вида, вызывая полное разрешение цементного камня
бетона:
Са (ОН)2+2НCl (H2SO4. 2HNO3 и др.)→СаСl2[Ca(NO3)2]+2H2O
n CaO∙m SiO2+HCl+aq=n CaCl2+m Si(OA)4+aq и т.д.
Образующиеся соли либо легко растворяются и вымываются, (СаСl. Ca(NO3)2). Либо
выпадают в осадок (СаSO4).
Коррозия бетона при действии магнезиальных солей МgCl2. которые присутствуют как в
грунтовых, так и в морских водах, происходит вследствие обменных реакций с Са (ОН)2:
MgSO4+Ca (OH)2=CaSO4+Mg (OH)2↓
MgCl2+Ca (OH)2=CaCl2+Mg (OH)2↓
Так как взаимодействие магнозиальных солей с Са (ОН)2 связано с его уносом из бетона
и проникновением в глубь солей, которые способны вызывать дальнейшее разрушение
бетона, то цемент с большим запасом СаО более стоек в данный условиях.
К коррозии 2 вида наиболее стойки бетоны на портладцементе и на глиноземистом
цементе.
Для защиты от коррозии 2 вида используют:
- правильный выбор цемента;
- повышение плотности бетона;
- защита поверхности бетона специальными красками, облицовкой, клееночными
покрытиями.
Коррозия 3 вида отличается тем, что в порах и капиллярах бетона образуются и
кристаллизуются с большим увеличением объема новые соединения. Кристаллизация их
вызывает развитие высоких внутренних напряжений, растрескивание и разрушение бетона.
Коррозия в сульфатных средах сопровождается разложением силикатов и алюминатов
кальция и образованием гипса (СаSO4) и гидросульфоалюминатов (3СаО∙Аl2O3∙3CaSO4∙(3032)H2O и 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4 (8-12)H2O).
Наличие сульфатов в воде повышает растворимость составляющих цементного камня, тем
самым форсируя коррозию 1 вида, и вызывает обменную реакцию – коррозию 2 вида. При
определенных условиях развивается коррозия 3 вида. При соприкосновении с бетоном воды,
мг
содержащей сульфаты СаSO4>2100
происходит насыщение и образование СаSO4∙2H2O
л
Из числа комплексных солей, образующихся в бетоне, наибольшую опасность
представляет гидросульфоалюминат кальция (ГСАК), присоединяющий 30…32 молекулы
воды, значительно увеличивающийся в объеме. В образовании этой соли принимают участие
гидроалюминаты цементного камня и гипс, поступивший виде раствора или образовавшийся
в результате реакции между сульфатами и Са (СН)2. Чем выше концентрация SO 24  в
растворе и больше С3А в цементе, тем благоприятнее условия для образования ГСАК. При
участии в реакции С3А увеличение объема происходит ~ в 1.63 раза, а при участии С 3А и Са
(ОН)2 – в 2,27 раза.
Наибольшей стойкостью к коррозии 3 вида обладают бетоны на глиноземистом цементе. К
мероприятиям по борьбе с коррозией бетона 3 вида являются также введение
воздухововлекающих, пластифицирующих и повышающих растворимость Са (ОН) 2 к СаSO4
добавок типа Са Сl, CHB, кремнийорганических; введение тонкодисперсных
кремнеземистых добавок для связывания Са (ОН)2; повышение плотности бетона;
применение поверхностной защиты.
8.3. Прогнозирование глубины разрушения бетона при коррозии
Оценка глубины разрушения бетона необходима для прогнозирования долговечности
бетонных и ж/б конструкций.
При коррозии 1 и 2 видов происходит постепенное разрушение бетона с поверхности в
глубину материала. Интенсивность разрушения бетона зависит от механизма переноса
агрессивных сред и их взаимодействия с цементным камнем. В ненапорных подземных и
подводных конструкциях, а также в водонасыщенных наземных конструкциях k преобладает
диффузионный перенос агрессивных веществ к поверхности коррозии. Это наиболее
распространенный случай при коррозии бетона.
Скорость коррозии бетона обычно быстро развивается в первоначальный период и
постепенно затухает во времени. Изменение скорости коррозии связано с образованием на
реакционной поверхности продуктов коррозии, которые тормозят доступ к ней агрессивных
веществ.
В цементном камне при воздействии агрессивной среды происходит послойное
разрушение материала с образованием следующих зон: продуктов коррозии,
непосредственно коррозии и бетона, в котором не произошло каких-либо фазовых
превращений. С течением времени происходит постепенно передвижение зон в глубину
бетона, но даже при значительной степени разрушения материала сохраняется четкая
граница между доброкачественным бетоном и зонами коррозии.
В настоящее время еще не разработаны способы, которые позволяли бы надежно
определять глубину разрушения бетона при коррозии на основе данных о его составе и
условий агрессивного воздействия. Существующие методы прогнозирования основываются
на проведении предварительных испытаний, по результатам которых с учетом
закономерностей развития процесса коррозии при длительных сроках воздействия, когда
определяющим является диффузионный перенос реагирующих веществ, определяется
глубина коррозии бетона через заданный промежуток времени.
Для прогнозирования глубины разрушения бетона в диффузионный период, что чаще
встречается на практике, используют формулу: h1=(k t   ) /( Ц 1 CaO) . где:
k- экспериментальный коэффициент, определяется предварительными испытаниями;
t – время, для которого прогнозируется глубина разрушения, сут.;
α – поправочный коэффициент;
Ц – расход цемента в бетоне, кг/м3;
PСаО – содержание СаО в цементе (по данным хим.анализа), %
.Если прогнозируемая глубина разрушения через 50 лет превосходит 1…3 см, следует
применять специальные меры защиты: окраску специальными составами, пропитку
поверхности, кислотоупорные бетоны, полимербетоны.
8.4. Коррозия арматуры в бетоне.
Защитное действие бетона по ношению к арматуре определяется способностью
цементного камня пассивирование сталь (пассивирование металлов – переход металлов в
состояние, при котором резко замедляется коррозия). В подавляющем большинстве случаев
коррозия металлов происходит по электрохимическому механизму, для осуществления
которого необходимы следующие условия:
1). Наличие разности потенциалов на поверхности металла.
2) Наличие электролитической (ионной) связи между участками поверхности металла с
различными потенциалами.
3). Активное состояние поверхности на анодных участках, где осуществляется
растворение металла по реакции:
n H2O+Me→Me   nH 2 O  e 
4). Наличие достаточного количества деполяризатора (вещества – сильного окислителя, в
частности – кислорода), необходимого для ассимиляции (слияния) на катодных участках
поверхности металла избыточных электронов
4е  О2  2Н 2 О  4(СН ) 
Первое условие всегда выполняется, т.к. технические металлы имеют неоднородную
структуру.
Второе и четвертое условия имеют место быть, т.к. бетон – капиллярно-пористое тело с
активной и гидрофильной внутренней поверхностью. Физически связанная вода
(капиллярная и осмотическая) в бетоне может служить электролитом – проводником зарядов
между анодными «+» и катодными «-« участками поверхности стали. Количество этой воды
зависит как от структуры и пористости бетона, так и от среды и условий взаимодействия его
(среды) с конструкцией.
Для стали в бетоне, как и для открытого металла, существует некоторая критическая
влажность воздуха, ниже которой пленки влаги не могут обеспечить перемещение ионов
между анодными и катодными участками ее поверхности. Такое критическое значение
относительной влажности воздуха составляет 50…60 %, если бетон не содержит
игроскопических веществ, например, добавок хлористых солей, которые понижают это
значение. В бетоне почти всегда достаточно влаги, необходимой для протекания процесса
коррозии стали.
Недостаток кислорода может ограничивать процесс коррозии стали лишь при
практически полном насыщении бетона водой. В бетоне высокой плотности (при В/Ц<0.5)
отмечается замедление коррозии при увеличении Wотносит.>80…85 %. В большинстве случае
паровое пространство бетона способно пропустить вполне достаточное количество О 2 для
поддержания процесса коррозии арматуры.
Рис. Зависимость скорости коррозии стали vк от ρH растворов:
1 – при высоком содержании О2;
2 – при среднем; 3 – при низком; 4 – при отсутствии кислорода
Скорость коррозии стали зависит от степени агрессивности воды- среды, которая для этого
случая оценивается pН, и содержания кислорода (см.рис.) Отсутствие коррозии стали в
бетоне объясняется ее пассивностью в щелочной среде, т.е. неспособностью к растворению
по приведенных выше реакций.
Для сохранения пассивности стали в бетоне необходим ее постоянный контакт с первой
жидкостью щелочность которой должна иметь ρН≥11,8. Это условие обычно соблюдается в
плотных бетонах на портландцементе, ШПЦ, Пуц.ПЦ, которые уже при затворении водой
дают ρН≥12.6. В процессе схватывания и твердения цементного теста
ρН=13.5…13.8, а в затвердевшем бетоне ρН=12.0…12.5.
В обычном плотном бетоне на ПЦ нормального твердения существует значительный
запас Са (ОН)2 ~10…15 % от Ц. Если же цемент содержит активные гидравлические добавки
(ШПЦ, Пуц. ПЦ, то значительная часть Са (ОН)2 ими связывается.
Связывание Са (ОН)2 значительно увеличивается при тепловой обработке бетона, что
приводит к существенному снижению ρН поровой жидкости. Особенно резко падает ρН в
бетонах автоклавного твердения, где высокая прочность достигается за счет глубокого
связывания Са (ОН)2 с SiO2 молотого песка, золы, шлака. Особое внимание следует уделить
влиянию добавок хлористых солей даже в бетонах нормального твердения присутствие ио-
нов
хлора
нарушает
пассивное
состояние
поверхности
стали
(кривая
2).
, суток.
Рис. Кинетика коррозии стали.
Рст. в образцах: 1 – непропаренных; 2 – непропаренных с добавкой 2 %;
м3 – пропаренные с добавкой 2 % СаСi2
Небольшое количество СаСl2 может быть полностью связано алюминатами цемента в
слаборастворимые комплексные соли – гирохлоралюминаты.Но связывание хлоридов в
гидрохлоралюминаты резко Замедляется при тепловой обработке бетона.
Если учесть, что при этом понижается ρН поровой жидкости, то очевидно, что
применение добавок хлоридов при тепловой обработке бетона следует избегать.
Заполнители на основе шлаков и золы, содержащие водорастворимые соединения серы в
виде сульфатов и сульфидов могут нарушать пассивность стали.
При периодическом замораживании и оттаивании, увлажнении и высушивании,
нагревании и охлаждении происходит расшатывание структуры, разрыхления, вплоть до
частичного или полного разрушения бетона. Разрушающе действуют на бетона многие
жидкие и газообразные среды, вызывающие коррозию бетона. Все это вызывает разрушение
защитного слоя бетона и арматуры и прекращение его пассивирующего действия.
Образование пленки ржавчины сопровождается увеличением ее объема. Последнее вызывает
растягивающее усилие в бетоне, растрескивание и полное разрушение защитного слоя.
Трещины в защитном слое открывают доступ воздуха непосредственно к арматуре, что в
значительной степени ускоряет процесс образования ржавчины со всеми отрицательными
последствиями для долговечности железобетонной конструкции.
Обеспечить сохранность арматуры в тяжелых и легких бетонах можно:
- повышением плотности самих бетонов;
- уменьшением проницаемости бетонов;
- введением ингибирующих и уплотняющих добавок;
- нанесением на арматуру специальных покрытий (цементно-битумных цементнополистирольных, цементно-латексных – для автоклавных бетонов).
- применение специальных защитных покрытий по бетону, рекомендуемых СНиП 2.03.1185.
8.5. Коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем заполнителя.
В практике строительства известны случаи разрушения бетона вследствие реакции между
гидроксидами Na и К, содержащимися в цементе, и активной формой кремнезема
заполнителя. При этой реакции наблюдается расширение бетона и появление в нем
значительных внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин и постепенному
разрушению материала. Реакция проходит сравнительно медленно, и признаки разрушения
наблюдаются в поздние сроки.
Главную роль играют расширение и давление, создаваемые продуктом реакции – глеем
щелочных силикатов и некоторым количеством Са (ОН)2. Это давление будет зависеть от
содержания щелочей в цементе, вида заполнителя, его активности по отношению к
рассматриваемой реакции, крупности и др. Обычно в цементе содержание щелочей
колеблется от 0.4 до 1 %. При содержании < 0/6 % вероятность разрушения очень мала.
В реакцию со щелочами цемента могут вступать опал (SiO2∙nH2O, осадочный
гидротермальный; из опала состоят диатомит, трепел, опока, халцедон (разновидность
кварца микроволокнистого строения), тридимит, кристобалит и др. Наиболее
реакционноспособным является опаловый кремнезем, который встречается в некоторых
известняках.
Значительное расширение имеет место в плотных бетонах. При увеличении пористости
бетона и наличии достаточного объема пор и пустот для размещения продуктов реакции
величина расширения уменьшается.
Меры, предохраняющие бетон от этого вида коррозии:
- использовать цементы с низким содержанием щелочей ( <0/5 %);
- применять пуццолановые цементы; или
- вводить в бетон пуццолановые добавки, связывающие щелочи цемента;
- применять в бетон газообразующие или воздухововлекающие добавки для создания
резервного объема пор для продуктов реакции между щелочами цемента и заполнителем.
9. Влияние температуры на твердение бетона
9.1. Твердение бетона при нормальной температуре.
В естественных условиях. Бетон твердеет при положительной температуре выше +50
С и при достаточной влажности воздуха. В таких условиях рост прочности бетона
продолжается длительное время. Для ориентировочного определения прочности бетона в
разном возрасте используют форму:
Rn=R28
lg n
, где
lg 28
Rn, R28 - прочность бетона на сжатие в возрасте n и 28 суток;
Lgn, lg 28 – десятичный логарифм возраста бетона.
Эта формула дает удовлетворительные результаты при n>3 для бетонов, приготовленные на
рядовом ПЦ и твердевших при нарастающей tрс=15…200С. В действительности темп роста
прочности бетона будет зависеть от многих факторов:
- минералогического состава цемента;
- вида цемента (ПЦ, ВТЦ и др.);
- тонкости помола цемента;
- состава бетона;
- водоцементного отношения (В/Ц или Ц/В);
- вида и дозировки использованных химических добавок;
- температуры и влажности окружающей среды.
Таблица. Относительная прочность бетона в разном возрасте.
В/Ц
0.4
0.5
0.6
0.7
по
формуле
Относительная прочность
1
0.24
0.17
0.11
0.08
-
3
0.48
0.43
0.37
0.33
0.33
7
0.7
0.66
0.64
0.63
0.58
Rn
при n суток
R 28
28
90
1
1.15
1
1.19
1
1.21
1
1.35
1
1.35
360
1.38
1.47
1.55
1.67
1.77
Анализ таблицы показывает, что в возрасте 1…3 сут. В/Ц оказывает более заметное влияние
на прочность бетона, чем в позднем возрасте. Наиболее существенное влияние на темп
твердения бетона оказывает
минералогический состав цемента. По интенсивности
нарастания прочности бетона при нормальной температуре современные цементы делят на
четыре типа (таблица).
Таблица. Классификация цементов по скорости твердения.
Тип
цемента Минералогическая характеристика
цемента
Коэффициент роста прочности
R
R
R
Кт..28= 7
К28..90= 90
К28..191= 180
R28
R28
R28
0.65…0.80
1.0…1.05
1.0…1.1
0.60…0.70
1.05…1.2
1.1…1.3
Алюминатный, С3А>12%
Алитовый, С3S>50%, С3А<8%
Сложная
минералогич.характ-ка
(пуццолановый, ШПЦ содерж.шлака 0.50…0.60
1.2…1.5
1.3…1.8
30…40%
!У.
Белитовый
ПЦ
и
ШПЦ
при 0.45…0.50
1.6…1.7
1.85
содержании шлака >50%
0/58
1/35
1.55
lg n
По формуле Rn=R28
lg 28
Заметнее влияние на темы твердения бетона оказывают даже сравнительно небольшие
колебания температуры воздуха. Например, относительная прочность бетона в возрасте 3
суток при твердении при 50С составит 0.27 R28, а при 300С – 0.50 R28 Поэтому при
бетонировании массивных сооружений, особенно в весенне-осенний период, необходимо
учитывать колебания температуры и ее влияние на твердение бетона.
1.
П.
Ш.
9.2. Твердение бетона в зимний период.
При температуре бетона ниже 00С твердение практически прекращается, если только в
бетон не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды. В осеннее-зимний период
наблюдаются частые переходы температуры через 00С, что непосредственно отражается на
твердении бетона. Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший, после оттаивания
продолжает твердеть в теплой среде. Если бетон не был поврежден замерзающей водой в
самом начале твердения, прочность его постепенно нарастает, но отстает от роста прочности
бетона, твердевшего при нормальной температуре.
Бетон, укладываемый зимой, должен зимой же 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. Из-за раннего замораживания значительно уменьшается сцепление бетона со
стальной арматурой в железобетоне.
При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранить от
замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая
обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохранение в последующ9ем при
положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения
основных свойств бетона (табл.1).
Таблица 2. Минимальная прочность, которую бетон должен приобрести к моменту
замерзания.
Минимальная
прочность,
К28,
МПа
% от R28
МПа
10
50
5
20
40
7
30
35
10
40
30
12
50
25
12.5
• На БТЦ 1,5 раза быстрее.
Время
выдерживания
бетона на ПЦ
при t=15…200С
сут.
5…7
3…5
2…25
1.5..2
1…2
Если к бетону предъявляются высокие требования по динамическим свойствам,
водонепроницаемости и Мрз, то его следует предохранять от замерзания до достижения
марочной прочности, т.к. замораживание при минимальной прочности, не сказываясь
заметно на прочности бетона при сжатии, может нарушить его структуру и ухудшить эти
особые свойства.
При введении в бетон противоморозных добавок – он приобретает способность
медленно твердеть при отрицательных температурах, т.к. они понижают точку замерзания
воды и сохраняют жидкую фазу в бетоне. Количество добавки зависит от ожидаемой средней
температуры твердения бетона. Для приготовления бетонной смеси с противоморозными
добавками можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с
температурой до -50С.
Таблица 2. Рекомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне, % от Ц.
T0,С
-5
NaCl+CaCl2 NaNO2
нитрат Na
3+0или 0+3 4…6
К2СС3
5…6
-10
-15
-20
-25
3.5+1.5
3.5+4.5
-
6…8
8…10
-
6…8
8…10
10…12
12…
Бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять:
- в ответственных конструкциях;
- конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях;
- при наличии реакционноспособного кремнезема в зернах заполнителя;
- бетон с хлористыми солями – в железобетонных конструкциях.
9.3. Твердение бетона при повышенных температурах.
Повышение температуры бетона активизирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет
твердение бетона. Рост прочности бетона при нагреве может, как и при нормальном
твердении, выражаться логарифмической зависимостью, но со своими коэффициентами:
R=A(lg t-lg t0), где
А – параметр, характеризующий поведение цемента при пропаривании в принятых условиях
испытания, МПа.
t – время тепловой обработки включающее период изотермиче5ского прогрева t2 и часть
времени разогрева и охлаждения, в течение которого температура образков превышала 600С ,
и (t=t+3);
t0 – индукционный период твердения, и (предварительный период до начала образования
прочной структуре).
Минералогический состав цемента оказывает заметное влияние на прочность бетона
(см.рис.1). В первые часы пропаривания наиболее высокую прочность показывают бетоны на
цементах П и Ш групп, и тем более высокую, чем больше клинкере С 3S. Прочность бетонов
на цементах 1 группы в этот период значительно меньше и только к 3…4 ч. достигает, а
затем становится больше прочности бетонов на цементах Ш гр., а к 6..7 ч. достигает
прочность бетонов на цементах П гр. После этого рост прочности цементов 1 гр.
Продолжается практически до 20…24 ч. изотермической выдержки, тогда как рост
прочности цементов П гр. Практически прекращается к 6..7 ч. изотермической выдержки, а
цементов Ш гр. – к 6 ч.
Таблица 1. Параметры А и t0 для цементов разного минералогического состава.
Группа цемента
1 - низкоалюминатные
Минералогический
состав цемента, %
60
50
П - среднеалюминатные 60…65
50
Ш - высокоалюминатные 55
40…50
2…3
2…3
8
8
11…12
11…12
Относительное Значение Предел
значение А,% t0, ч.
линейности
функций, ч.
125
6.6
20..25
95
0.45
20
100
0.15
9…10
95
0.2
9…10
85
0.15
9
70
0.18
7…8
Предельные значения прочности бетона, которые могут быть получены в процессе
тепловой обработки, зависит от вида цемента (табл.2). Поскольку скорость нарастания
прочности в процессе тепловой обработке, достигая наивысших значений в первые часы,
затем резко уменьшается, то практически нецелесообразно проводить ее до получения
предельной прочности. Обычно ТВО заканчивают при прочности бетона 70…80% от
предельных значений. В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост
прочности бетона после тепловых обработок, и она достигает в возрасте 28 суток заданной
средней прочности бетона, а время прогрева сокращается в 2 …3 раза по сравнению с тем
временем, которое потребовалось бы для получения предельной прочности.
Таблица 2. Влияние минералогического состав цемента на предельную прочность
бетона при пропаривании.
Вид цемента
Средняя
активность
цемента, МПа
ПЦ 1 группы
П группы
Ш группы
ОБТЦ
32.5
35.0
27.5
38.0
Отношение
предельной
Ориентировочное
прочности
время
бетона Rпр. к достижения
активности
предельной
цемента
прочности, ч
1.45
27…33
1.15
15…18
1.10
10…12
1.05
12…15
ШПЦ: с 30%
шлака
24.0
1.55
25…30
С 50%
17.0
1.85
27…30
Применение более коротких режимов изотермической выдержки.
Продолжительность
изотермической
выдержки (80%)
для достижения
0,8 Rпр., ч.
12
6
4
3
8
14
Рекомендуемый режим тепловой обработки:
tобщ.=tв+tп+tи.+t0, ч., где
tобщ. – общая длительность режима, ч.;
tв – длительность выдержки изделий после формования до начала подъема температуры,
tв<2ч.;
tп – длительность плавного подъема температуры до изотермии до 700, 800, 900С - в
зависимости от вида цемента, tп=3 ч.;
tиз.- длительность изотермической выдержки (t=70…900С), ч.;
tиз. – по рекомендации табл.2;
t0 – длительность остывания изделий до выгрузки, ч.; t0=2…3 ч.
9.4. Соблюдение режимов ТВО
Нарушение режимов обработки может привести к резкому ухудшению свойств бетона, к
появлению трещин и др.дефектов в изделии, снижение плотность и прочность бетона.
Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся соединения цементного камня
закрепляют, фиксируют расширившийся объем бетона. При охлаждении бетон сжимается,
однако образовавшаяся структура бетона 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.
Уменьшение предельно достижимой прочности при тепловой обработке будет зависеть от
ее режима. При нагреве в меньшей мере расширяются цемент, песок и щебень, а в большей –
вода и воздух (пар), и тем больше, чем выше температура.
Структура бетона препятствует свободному расширению газообразной фазы, в результате в
бетоне возникает внутреннее избыточное давление, вызывающее нарушение сплоченности
структуры.
Возникновение избыточного давления в бетоне зависит от режима прогрева. При пропарке
бетон нагревается с поверхности, поэтому и избыточное давление в первую очередь
возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыточное давление бывает очень
небольшим, при очень быстром нагреве избыточное давление резко возрастает, что может
привести к вспучиванию верхней поверхности изделий и браку.
Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться внутренним
напряжением, 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. Чем быстрее растет температура
бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается остаточная деформация.
При охлаждении в бетоне возникают напряжения вследствие того, что образовавшаяся
структура препятствует его температурному сжатию. В результате бетон не может
уменьшается до первоначальных размеров, а возникшие внутренние напряжения постепенно
релаксируются (уменьшаются, ослабляются), не оказывают некоторое влияние на его
последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона и его усадку.
Важное значение при твердении имеет контракция (стягивание, сжимание, сжатие)
цементного камня. Дополнительный объем пор, возникающий следствие контракции,
является тем резервным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении.
Поэтому контракция способствует уменьшению дефектности структуры.
Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает процесс тепломассообмена
при ТВО. Под действием градиентов температур и влажности газообразная фаза и влага
перемещаются в бетоне, разрыхляя его структуру. При направленных режимах тепловой
обработки влага может испаряться из бетона, оставляя сквозные капилляры, резко
повышающие проницаемость бетона и ухудшающие его долговечность. Уменьшение
деструкции вследствие тепломассообмена способствует применение горячих бетонных
смесей, предварительно разогретых до определенной температуры.
Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться внутренним
напряжением. Возникающим при его нагреве, особенно следствие 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. Чем быстрее растет температура
бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается остаточная деформация.
При охлаждении в бетоне возникают напряжения следствие того, что образовавшаяся
структура препятствует его температурному сжатию. В результате бетон не может
уменьшаться до первоначальных размеров, а возникшие внутренние напряжения постепенно
релаксируются (уменьшаются, ослабляются), но оказывают некоторое влияние на его
последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона и его усадку.
Важное значение при твердении имеет контракция (стягивание, сжимание, сжатие)
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.
Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает процесс тепломассообмена
при ТВО. Под действием градиентов температур и влажности газообразная фаза и влага
перемещаются в бетоне, разрыхляя его структуру. При неправильных режимах тепловой
обработки влага может испаряться из бетона, оставляя сквозные капилляры, резко
повышающие проницаемость бетона и ухудшающие его долговечность. Уменьшению
деструкции вследствие тепломассообмена способствует применение горячих бетонных
смесей, предварительно разогретых до определенной температуры.
В процессе тепловой обработки увеличивается объем капиллярных пор, что снижает
морозостойкость бетона. Для получения морозостойких бетонов следует применять более
мягкие режимы:
- увеличивать предварительную выдержку;
- подъем температуры проводить со скоростью 10-150 в час;
- уменьшать температуру изотермического прогрева до 60…800;
- понижать температуру бетона со скоростью > 10…150 в час.
9.5. Способы снижения влияния деструктивных процессов в бетоне при ТВО.
1) Предварительная выдержка бетона до пропаривания: для подвижных бетонных смесей
3…6 ч.; чем выше жесткость бетонной смеси и ниже В/Ц, тем короче выдержка; если
изделия находятся в герметичных формах или в кассетах, то предварительная выдержка не
требуется.
2) Подъем температуры в камере: по ступенчатому режиму (за 1…1.5 ч. Температуру
поднимают до 35…400С, выдерживают изделия при этой температуре в течение 1…2 ч., а
затем за 1 час поднимают с прогрессивно-возрастающей скоростью (за 1-й час температура
до 15…200С, дальше – на 20…300 С и так до максимальной). Для тонкостенных изделий
скорость подъема температуры д.б.>250С/ч., для изделий из жестких смесей с низким В/Ц
(<0.45) – 30…350 С/ч., для изделий в закрытых металлических формах, кассетах –
40…600.С/ч
3) Изотермия: на ПЦ – 80…850С, на ШПЦ – 91…950.
4) Скорость остывания: >300C/ч., выгрузка из камеры – при перепаде температур между
поверхностью бетона и окружающей среды >400, выдержка изделий в цехе 4…6 ч. для
полного остывания.
10. Проектирование состава тяжелого бетона.
10.1. Общие сведения
Обычный тяжелый бетон является наиболее широко применяемым видом бетона,
используемый для различных изделий и конструкций гражданского и промышленного
строительства, для дорожного и гидротехнического строительства, для инженерных и
специальных сооружений.
Его изготавливают на различных цементах, мелком (песок или отсев дробления горных
пород) и крупном заполнителе (гравия или щебне из различных горных пород). Выбирая
соответствующее сырье и состав бетона, получают бетоны с требуемой Мрз,
водонепроницаемостью прочностью, скоростью твердения.
Для получения заданной прочности бетона, необходимой подвижности бетонной смеси
производят проектирование состава бетона, в результате которого определяют такое
соотношение между исходными материалами, при котором будут удовлетворены заданные
требования к бетону и бетонной смеси.
Проектирование состава бетона включает:
- назначение требований к бетону исходя из вида и особенностей службы и изготовления
конструкций;
- выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их
свойства;
- определение предварительного состава бетона,;
- проверку состава в пробных замесах;
- контроль за бетонированием;
- корректировку состава в процессе производства при колебаниях свойств заполнителя или
других факторов.
Определение предварительного состава бетона производят на основе зависимости
прочности бетона от активности цемента, цементно-водного фактора, качества
используемых материалов и зависимости подвижности бетонной смеси от расхода воды.
Подвижность (жесткость) бетонной смеси назначают в зависимости от размеров
конструкции, густоты армирования, способов укладки и уплотнения:
Конструкции и способ уплотнения
Сборные железобетонные с немедленной распалубкой,
формуемые на виброплощадках или с вибронасадком.
Перекрытия с пустотами, стеновые панели, формуемые в
горизонтальном положении на виброплощадке.
Густоармированные элементы (колонны, ригели, плиты),
изготовляемые с применением наружного или внутреннего
вибрирования.
Жесткость, с
ОК см.
30…10
-
10…5
1…4
5…3
5…9
Формуемые на ударно-вибрационных установках
Формуемые в кассетах
Центрифугированные
Гидропрессованные (трубы)
30…20
5…3
5…3
10…5
7…14
5…10
Бетонная смесь обладает необходимой удобоукладываемостью только при содержании в
ней достаточного количества цемента. Уменьшение его до определенных значений повышает
опасность расслоения бетонной смеси и может провести к появлению в смеси микропустот и
снижению прочности и долговечности.
Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси к крупности
заполнителя:
min расход Ц, кг/м3, при НК заполнителя, мм
10
20
40
70
160
150
140
130
180
160
150
140
200
180
160
150
220
200
180
160
240
220
200
180
250
230
210
190
Смесь
Особо жесткая (Ж>20с)
Жесткая (Ж=10..20с)
Малоподвижная (Д=5…10с)
Подвижная (ОК=1…10см)
Очень подвижная (ОК=10…16см)
Литая (ОК>16см)
Если при определении состава бетона окажется, что расход цемента, требуемый из условия
получения заданной прочности, ниже указанных в таблице значений, то в расчет принимают
минимальный расход цемента по таблице, или же вводят тонкомолотую добавку (золу,
молотый SiO2, известковую муку) до необходимого количества.
Для экономного расходования цемента необходимо, чтобы его марка по возможности
превышала требуемую прочность бетона.
Прочность бетона, МПа
10
15
20
30
40
50
Марка цемента
300
400
400
500
600
600
При использовании для бетона более низких марок цемента требуется слишком большой
его расход, а когда марка цемента излишне высока, может оказаться, что расход цемента
будет < min значений (необходимо вводить тонкомолотую добавку).
10.2. Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителем.
Одним из основных факторов, определяющих экономичность состава бетона (по расходу
цемента), а также его высокое качество, является правильный выбор соотношения между
П
мелким и крупным заполнителем ґ=
Щ
При определенном значении ґ:
- пустотность смеси заполнителей минимальная;
- подвижность бетонной смеси и прочность бетона достигают максимума, при этом
наивысшая прочность соответствует наибольшей подвижности бетонной смеси, т.к. такая
бетонная смесь укладывается наиболее плотно;
- удельная поверхность заполнителей уменьшается с уменьшением ґ.
Таким образом, оптимальное соотношение ґ: имеет бетонная смесь наилучшей
удобоукладываемости (наибольшей подвижности). Подвижность зависит, главным образом,
от консистенции цементного теста, соотношения между цементным тестом и заполнителем и
соотношения между песком и щебнем (гравием), а так же от количества цементного теста,
определяющего толщину прослоек цементного теста между зернами заполнителя.
В разделе 2.2 «Заполнители для бетона» уже рассматривалось, что необходимо
добиться такого соотношения между песком и щебнем, чтобы песок полностью заполнил
пустоты между зернами крупного заполнителя с учетом некоторой их раздвижки зернами
песка. Это коэффициент раздвижки зерен, который показывает, насколько объем раствора
(песка) превышает объем пустот крупного заполнителя. Подставляя в полученную формулу

П
=Пот.щ.• п 1   ;
Щ
щ
1
общий множитель ρ1п/щ, получим:
Взяв значение α из таблиц, можно определить значение ґ=
П
Щ
В этой формуле:
П, Щ – расходы песка, щебня, кг.;
 п1 ,  щ1 - насыпная плотность песка и щебня, кг/м2;
Пот.щ. - относительная пустотность щебня;
α – коэффициент раздвижки зерен, α=1.1 и> ( см.таблицу)
Для жестких бетонных смесей α=1.05…1.15 (в среднем 1.1 при расходе цемента <400
кг/м2.
В подвижных бетонных смесях коэффициент α зависит от объема цементного теста (или
от расхода цемента).
Таблица. Оптимальные значения коэффициента α для бетонных смесей (Вп=7 %)
подвижных.
Расход Ц,
Оптимальное значение α при В/Ц
кг/м3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
250
1.26
1.32
1.38
300
1.3
1.36
1.42
350
1.32
1.38
1.44
400
1.4
1.46
500
1.5
1.56
Примечание: 1. При других значениях Ц и В/Ц α находят интерполяцией.
2. При использовании мелкого песка с Вп>7 % α уменьшают на 0.03 на
каждый % увеличения Вп песка. Если применяется крупный песок с Вп<7% α увеличивают на
0.03 на каждый % 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.
10.3. Расчет состава бетона по методу абсолютных объемов.
Наиболее удобным для определения состава обычного тяжелого бетона является метод
расчета по абсолютным объемам, разработанный Б.Г. Скрамтаевым. В этом случае
определяется номинальный состав бетона на сухих заполнителях; расчет всех составляющих
материалов ведется на 1 м3 бетонной смеси. Порядок расчета.
1. Определяют В/Ц (или Ц/В) в зависимости от требуемой прочности, срока и условий
Ц
В
твердения бетона
или
находят путем предварительных опытов, устанавливающих
В
Ц
зависимость Rб от этого фактора и активности цемента Rц (с применением местных
заполнителей) или ориентировочно по формулам:
а) для обычного бетона при В/Ц>0,4 и Rб<2АRц
АRЦ
В

Ц Rб  А  0,5Rц
б) для высокопрочного бетона при
В
<0.4 и Rб≥2АRц
Ц
А1 Rц
В

Ц Rб  А1  0.5 Rц
Значение коэффициентов А и А1 – в таблице раздела «Прочность бетона при сжатии»
Ц
(стр.50). Можно находить
по графикам.
В
2. Определить расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси на
основании результатов предварительных испытаний или ориентировочно по графикам или
таблицам.
3. Определяют расход цемента: Ц=В:В/Ц
4. Устанавливают коэффициент раздвижки α (по таблице)
5. Определяют пустотность крупного заполнителя (щебня):
Пщ=1-
 щ1
 щк
 щ1 - насыпная плотность, кг
 щк - средняя плотность в пуске, кг/л.
Определяют расход крупного заполнителя и песка, исходя из следующих двух
положений:
а) сумма абсолютных объемов компонентов, расходуемых на 1 м2 бетона, должна
равняться 1000 л. Уплотненной бетонной смеси (небольшим объемом вовлеченного при
перемешивании и укладке бетонной смеси воздуха можно пренебречь):
Ц В П Щ
 

 1000 л.
ц 1  п щ
б) цементно-песчаный раствор должен заполнить пустоты между зернами крупного
заполнителя с некоторой раздвижкой их:
Ц

ц
В П
Щ

 Пщ  1   ,
1 п
щ
где: Ц, В, П, Щ – расходы цемента, воды, песка, щебня, кг/м3;
ρц, ρп, ρщ – истинные плотности цемента, песка, щебня, кг/л.;
Пщ – пустотность щебня (относительная);
 щ1 - насыпная плотность щебня, кг/л.;
α – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором.
Решая совместно оба эти уравнения, получаем формулу, предложенную
Б.Г. Скрамтаевым,
заполнителя, кг.:
позволяющую
Щ=
Ц
ц
необходимый
расход
крупного
1000
Пщ

Расход песка П=[1000-{
рассчитать
1
щ


1
щ
В Щ

)] п , кг.
1 щ
10.4. Экспериментальная проверка состава бетона.
На пробном замесе объемом 10…12 л. Проверяют подвижность (осадку конуса) или
жесткость бетонной смеси, и в соответствии с принятым В/Ц корректируют расход
цемента. При необходимости увеличить количество воды против расчетного
соответственно увеличивают количество воды (и цемента) против расчетного вводят
добавки заполнителей небольшими дозами в соотношении ґ до тех пор, пока
подвижность (жесткость) бетонной смеси не будет соответствовать заданной.
Затем уточняют состав бетона, так как первоначальный объем порции бетонной
смеси увеличился. Для этого определяют фактическую среднюю плотность бетонной
смеси взвешиванием ее в мерном цилиндрическом сосуде, емкость которого принимают
в зависимости от НК зерен фракции заполнителя : 1 л. – для НК≤20 мм., (диаметр 108
мм., Н=108 мм.); 5 л. – для НК=40 мм (диаметр 185 мм, , Н=185 мм) и
10 л. – для НК>70 (диаметр 234 мм, Н=234 мм).
Перед испытанием мерный сосуд взвешивают. Бетонную смесь помещают в сосуд и
уплотняют. После уплотнения избыток смеси срезают стальной линейкой, и
поверхность тщательно выравнивают вровень с краями мерного сосуда. Затем сосуд с
бетонной смеси вычисляют по формуле:
 б1.см. 
m  m1
 1000. кг/м3
V
где: m – масса мерного сосуда с бетонной смесью, г;
m1 – масса мерного сосуда без смеси, г.;
V – вместимость мерного сосуда, см3.
кг .
как
м3
среднеарифметическое значение результатов двух определений из одной пробы,
отличающихся между собой не больше 5 % среднего значения. При большем
расходовании результатов определение повторяют на новой пробе бетонной смеси.
Среднюю плотность бетонной смеси вычисляют с округлением
до 10
Полученное значение плотности бетонной смеси должно совпадать с расчетным
(доп.отклонение ± 2 %).
Далее устанавливают фактический объем полученной бетонной смеси в пробном
замесе:
Vфак.=
m
 ,1б .см.
,
где: ∑m – сумма масс материалов (Щ, П, Ц, В), израсходованных на замес, кг.;
 б1.см. - фактическая средняя плотность бетонной смеси, кг/л.
Зная объем полученной бетонной смеси и расход материалов на пробный замес,
определяют фактический расход материалов на 1 м3 бетона.
Объем пробного замеса зависит от числа и размера формуемых образцов. Если для
определения класса бетона готовят по три образца, то принимают следующий min V замеса:
Размер ребра образца, см……………….
Объем пробного замеса, л………………
30
85
20
25
15
10
12
6
Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы и затем их
испытывают. На каждый срок испытания изготавливают не менее 3-х образцов-кубиков.
Укладку бетонной смеси в формы следует заканчивать не позднее 30 мин. после ее
приготовления.
Образцы в течение 20х суток хранят в формах в помещении с температурой 15…20 0 С,
затем освобождают из форм, маркируют и до момента испытания хранят в камере с W~100%
или в периодически смачиваемых опилках или песке. Перед испытанием тщательно
осматривают образцы, измеряют грани (с точностью до 1 мм.), взвешивают.
При испытании прочности образца укладывают на нижнюю опорную плиту боковыми
гранями. Предел прочности при сжатии бетона вычисляют с точностью до 0.1 МПа, как
среднее арифметическое результатов испытания 3-х образцов при условии, что наименьший
результат отличается не более 20% от ближайшего показателя. При превышении этой
разницы > 20% выполнение производят по двум наибольшим результатам.
Если действительная прочность бетона при сжатии отличается от заданной >±15 %, то
следует внести коррективы в состав бетона: для повышения прочности увеличивают расход
цемента (т.е. Ц/В), для снижения прочности – уменьшают его.
10.5. Определение производственного состава бетона.
В разделе 10.3 показан расчет состава бетона на сухих материалах. На практике
заполнители имею определенную влажность. Количество влаги, содержащейся в
заполнителях, должен учитываться при определении действительного расхода воды.
Вначале определяют содержание воды в заполнителях:
Вп=П∙Wп,
Вщ=Щ∙Wщ, где
Wп, Wщ – влажность песка и щебня.
Затем определяют действительный расход воды:
Вд=В-(Вп+Вщ)
Расход песка и щебня увеличивают на массу воды, которая в них содержится, т.е. в
производственном составе расход их будет соответственно равен: Пд=П+В1: Щд=Щ+Вц
Расход цемента при данной корректировке состава сохраняется неизменным.
Объем получаемой бетонной смеси всегда меньше объема загружаемых в
бетоносмеситель цемента и заполнителя, т.к. при перемешивании зерна песка располагаются
в пустотах между зернами щебня, а цемент – в пустотах между зернами песка и щебня. Для
оценки объема получаемой бетонной смеси введен коэффициент выхода бетона β б:
б 
1000
,
Ц /   П /  п1  Щ /  щ1
1
ц
где  ц1 ,  п1 ,  щ1 - насыпная плотность цемента, песка, щебня.
Влияние воды при определении βб – не учитывают, т.к. вода сразу же проливается в
пустоты твердых материалов и на их первоначальный объем не влияет; β б зависит от состава
бетона и свойств используемых материалов и колеблется от 055 до 0,75.
При расчете расхода материалов на один замес бетоносмесителя принимают, что сумма
объемов Ц, П и Щ (в рыхлом состоянии) соответствует емкости барабана бетоносмесителя.
Тогда объем бетона Vз, получаемый из одного замеса,
V=βбVб.с,
где Vбс – емкость барабана бетоносмесителя.
Расход материалов на замес в бетоносмесителе определяют с учетом получаемого объема
бетонной смеси:
Ц3=ЦVз;
П3=ПVз;
Щз=ЩVз; Вз=В∙Vз.
10.6. Определение состава бетона по графикам и номограммам.
В производственных условиях из одних и тех же материалов приходится готовить бетоны
различных классов с разной консистенцией бетонной смеси, когда число составов может
достигать нескольких десятков. В этом случае нецелесообразно проводить предварительные
испытания для каждого состава, рациональнее провести испытакния, позволяющие
построить обобщенные зависимости, связывающие прочность, подвижность, В/Ц и расход
цемента, Проводят испытание девяти серий образцов с тремя расходами цемента и тремя
значениями. В/Ц, получая бетонную смесь разной подвижности и бетоны разной прочности
(например, Ц1=250 кг, Ц2=300 кг, Ц3=350 кг. и В/Ц1=0.42; В/Ц2=0.5; В/Ц3=0.58; 3х3=9 серий
образцов с девятью значениями подвижности бетонной смеси и девятью, соответственно,
значениями прочности бетона...
По этим результатам строят 2 графика, по которым производят определение состава бетона
при любом заданном значении подвижности бетонной смеси и прочности бетона: один –
график зависимости подвижности бетонной смеси от В/Ц и расхода цемента, второй –
зависимости прочности бетона от этих же показателей.
При проведении опытов принимают такие крайние значения В/Ц и расходов Ц, которые
обеспечивают получение результатов, полностью перекрывающих весь диапазон возможных
на данном производстве классов бетона и подвижности бетонной смеси.
Определение состава бетона для пробных замесов проводят по рассмотренной выше
методике.
10.7. Определение состава бетона с химическими добавками.
К ним относят пластифицирующие, воздухововлекающие добавки и ускорители
твердения. Номенклатура этих добавок довольно широкая, однако это не требует
применения для каждого вида добавок особых методов проектирования его состава, т.е.
применяется единая методика, рассмотренная ранее. При этом учитывается, что добавки не
изменяют характера зависимостей (подвижности бетонной смеси от расхода воды, прочности
бетона от активности цемента и цементно-водного отношения), а также изменяют
количественное соотношение между разными факторами. Величина подобных изменений
зависит о дозировки добавок и может быть учтена на основе рекомендаций, содержащихся в
ТУ или инструкции по применению данной добавки. Можно установить ее (величину
изменений) по результатам предварительных опытов.
Пластификаторы (СЭБ) и суперпластификаторы (С-3) способствуют повышению
подвижности бетонной смеси, уменьшают расход воды, необходимой для получения равноподвижных смесей, однако основная зависимость ОК=f (B) имеет одинаковый характер и в
обычном бетоне, и в бетоне с добавками. Изменяются только положение кривой и
соответственно получаемые по ней количественные результаты. Вводят в бетонные растворы
суперпластификаторов 0,5…1,25 % от Ц что позволяет снизить водопотребление бетонной
смеси на 15…30 %. В наилучшей степени действие суперпластификатора проявляется при
применении чисто-клинкерного цемента
Рис. Влияние добавок на
Рис. Влияние суперпластификатора на зависимость
водопотребность
водопотребности бетонной смеси от расхода
бетонной смеси:
цемента: 1 – с добавкой
1-С-3; 2-СДБ
2 – без добавки
3 – без добавок
Чем < нормальная густота цемента, тем выше его способность к пластификации и тем более
эффективно воздействие суперпластификатора на бетонную смесь. И, соответственно
меньше его оптимальная дозировка.
Рис. Рекомендуемые дозировки Д с/п С-3 в зависимости от НГ цемента.
Пластифицирующее действие на бетонную смесь различных суперпластификаторов
приблизительно одинаково (например при Д=1 % от Ц и Ц=500 кг/м 3→ величина
редуцирования ΔВ=23…25 %). При определении состав для пробных замесов можно
принимать средние значения ∆В, которые зависят о дозировки суперпластификатора: при
Д=0,5 % от Ц расход воды можно уменьшить на 15 %, а каждое последующее увеличение
дозировки с/п на 0,25 % снижает расход воды еще на 4…5 %
Наибольшее снижение водопотребности (величина редуцирования воды ΔВ) бетонной
смеси достигается в подвижных бетонных смесях (сравнительно высокий расход Ц и В). В
жестких бетонных смесях снижение водопотребности ∆В обычно не превышает 4…6 %.
Вместе с тем с/п улучшают удобоукладываемость бетонной смеси (тиксотропию).
Добавки пластификатора типа СДБ дают среднее значение ΔВ=10 %. Улучшение
пластифицирующих свойств СДБ посредством модификации ее щелочами или полимерными
добавками (ХДСК или ЛСТМ) повышает ∆В до 12…15 %. Для воздухововликающих добавок
ΔВ=3…7 %.
При уменьшении содержания пластифицирующих добавок эффективность ее воздействия
на бетонную смесь уменьшается при повышении содержания добавки по сравнению с
оптимальным значением заметно замедляется твердение бетонной смеси, поэтому для
расчета состава пробных замесов можно ориентировочно принимать, что для обычных
бетонов оптимальная дозировка добавки составит 0,5…0,7 %, а для высокопрочных бетонов
– 0,7…1,2 % от Ц.
При введении в бетонную смесь воздухововлекающих добавок расчет расхода материалов
для пробных замесов следует вести с учетом содержания в бетоне 4…5 % воздуха, (т.е.
40…50 л/м3).
Поэтому уравнения, обуславливающие получение плотной структуры бетона, примет вид
П щ  Щ
Ц
П Щ
Ц
П
В
 ВВ 
В

 ВВ  1000 и
щ
п
щ
ц
п щ
Расход песка следует определять по формуле:
П=[1000-(
Ц
щ
В
Щ
щ
 ВВ ]ρл
Значение α следует увеличить на 0.05….0.1 против рекомендуемых для пластичных
(подвижных) бетонных смесей, зависящих от расхода цемента и В/Ц, а расход воды можно
уменьшить на 15…20 л., против определенной водопотребности по графикам для подвижной
и жесткой бетонной смеси.
В случае применения добавок-ускорителей твердения (ХК, СЮ и др.) следует учитывать,
что они не меняют зависимости прочности бетона от цементно-водного фактора в возрасте
28 суток (меняют только в раннем возрасте).
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. 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 ЖБИ.
Добавки-ускорители твердения должны вводиться в бетонную смесь в оптимальных
количествах. При меньшей дозировке добавки падает ее эффективность, а при большей
значительно снижается эффект от воздействия каждого дополнительного количества
добавки, вводимого в бетон сверх оптимального, что снижает технико-экономический
эффект, с другой стороны, могут наступить нежелательные явления (например, коррозию
арматуры от СаСl2, и т.п.). Для различных добавок оптимальное содержание их в бетоне
находится в зависимости от вида применяемого цемента, водоцементного отношения в ТУ
или инструкциях на применение добавок-ускорителей твердения в пересчете на сухое
вещество. А вводятся они в бетонные смеси в растворенном состоянии вместе с водой
затворения – с определенной плотностью.
10.8. Определе6ние состава многокомпонентных бетонов.
В многокомпонентных бетонах используют композиционные вяжущие вещества и
комплексы химических и минеральных добавок. Многообразие сырьевых материалов
усложняет определение составов этих бетонов и требует учета особенностей воздействия
различных составляющих на свойства бетонной смеси и бетона (ВНВ).
Влияние композиционного вяжущего на свойства бетонной смеси и бетона показывает
нормальная густота вяжущего (НГ). Чем ниже показатель НГ, тем при меньших- значениях
В/Ц могут быть получены равноподвижные бетонные смеси и тем выше будет прочность
бетона при определенном расходе цемента.. Для обычного цемента с НГ=26…28 В/Ц
стандартного раствора ~0.4 (В/Цр=НГц+3∙Внп=0,28+3∙0,04=0.4, где Внп=0.04 – вода
потребность нормального вольского песка).
У композиционных вяжущих НГ ниже, значит цемент испытывается при меньших
значениях В/Цр, в результате возрастает показатель его прочности и изменяется соотношение
Rб/Rц, что требует корректировки коэффициента А в формуле прочности бетона
Rб=АхRц/(Ц/В-0,5) при В/Ц≥0,4 (Ц/В≤2.5). Уточнить его можно в соответствии с формулой:
Ах=0.6+(НГ-0.28)∙0.02 (где НГ – нормальная густота композиционного
вяжущего вещества).
Применение композиционного вяжущего вещества с более низкими значениями
нормальной густоты уменьшает также водопотребность бетонной смеси. Ее можно
определить по формуле:
Вмб=К1∙В0, где
Вмб – водопотребность бетонной смеси определенной подвижности на композиционном
Вяжущем, л/м3;
В0 – то же, на обычном исходном цементе, л/м3;
К1 – коэффициент снижения водопотребности за счет изменения НГ цемента. Значение К1
можно определить по формуле:
К1=1-
НГ ст  НГ кв
, где
НГ ст
НГст – НГ обычного цемента в относительных единицах, равно 0.28
НГкв – НГ композиционного вяжущего.
Композиционные вяжущие особенно эффективны для высокопрочных бетонов с
повышенными расходами цемента.
Значительное применение свойств бетонной смеси и бетона достигается при введении в
их состав микрокремнезема с суперпластификатором или органоминеральной добавки.
Микрокремнезем (МКЗ) имеет очень высокую удельную поверхность (18…25 м 2/2), поэтому
частицы МКЗ адсорбируют значительное количество воды. Для получения теста НГ в
зависимости от дисперсности МКЗ приходится использовать 40…130 % воды от его массы,
что значительно выше, чем необходимо для цемента или обычных минеральных
наполнителей (золы, молотого шлака и др.). Наиболее распространены кремнеземы с НГ=40
%.
Микрокремнезем используют для повышения плотности бетона: располагаясь в порах
твердой фазы, состоящей из цементного камня, наполнителя и заполнителя, МКЗ повышает
содержание в структуре твердой фазы и уплотняет ее, тем самым повышая прочность бетона
и изменяя реологические свойства бетонной смеси. Но высокая водопотребность МКЗ может
вызывать повышение пористости структуры, если максимально не снизить водопотребность
бетонной смеси. Поэтому МКЗ применяют совместно с суперпластификатором. или в
составе органо-минеральной добавки, содержащей суперпластификатор. При работе с МКЗ
дозировка суперпластификатора для обеспечения равноподвижности бетонной смеси
значительно более высока, чем в обычной бетонной
смеси.
Рис. Изменение прочности цемента в зависимости от
качества замещенного микрокремнеземом цемента:
1 – бетон без суперпластификатора;
2 – бетон с суперпластификатором.
При применении оптимальных дозировок суперпластификатора введение в бетон
микрокремнезема взамен части цемента за счет уплотнения его структуры и активации
физико-химических процессов стурктурообразования повышает прочность бетона, в то
время как введение рядовых наполнителей (например, золы), наоборот, снижает прочность
бетона (см.график).
Рис.
Относительная
прочность
бетонов,
приготовленных из равноподвижных смесей
(ОК=6 см.), дозировка МКЗ при замещении ими части
цемента
и
оптимальной
дозировке
суперпластификатора:
1 – МКЗ с НГ=130 %
2 – МКЗ с НГ=60 %
3 – МКЗ с НГ=40 %
4 – золя-унос (для сравнения
Это повышение прочности следует учитывать при
подборе состава бетона.
В формулу прочности бетона можно ввести дополнительный коэффициент К мс=Rб.МКЗ/Rб.к..
определенный по графику в зависимости от дозировки кремнезема и его дисперсности
В этом случае: R=Кмс∙А∙Rw(В\Ц-0/5), и значение В/Ц определится по формуле
К МС  А  Rц
В

Ц Rб  К м с  А  0.5 Rц
1 кг. МКЗ требует дополнительно 1 л.воды для сохранения определенной подвижности
бетонной смеси А суперпластификатор уменьшает водопотребность бетонной смеси. Тогда
водопотребность многокомпонентной бетонной смеси с МКЗ и СП можно ориентировано
определить по формуле:
ВМкб=К1(В0+ДЦ), где
В0 – расход воды в обычной бетонной смеси на используемом цементе и заполнителях для
получения заданной подвижности, определяемой по известному график (рис.3.3.3);
К1 – коэффициент уменьшения водопотребности бетонной смеси вследствие применения СП
(с учетом состава бетона обычно составляет 0.75…0.85).
Д – дозировка МКЗ в относительных единицах;
Ц – расход цемента, кг/м3
Определение состава многокомпонентного бетона в этом случае можно проводить в 2
этапа: сначала рассчитывают состав контрольного бетона по методике, используемой для
обычного тяжелого бетона, а затем корректируют полученный состав с учетом влияния на
него дополнительных компонентов: СП, МКЗ и др.
Эффективность различных органо-минеральных модификаторов по повышению
классифицирующей способности и прочности бетона обычно определяют на основе
предварительных испытаний добавки в мелкозернистом бетоне состава 1:3, В/Ц
контрольного состава без добавки подбирают таким образом, чтобы расплыв конуса на
встряхивающем столике составлял 110-115 мм. Основной состав с добавкой готовят при том
же В/Ц, но с введением взамен части цемента 10 % модификатора. Для мелкозернистого
бетона состава 1:3 расплыв конуса на стряхивающем столике зависит от изменений В/Ц. При
этом действует ориентировочное соотношение Δ(ВЦ)=0.22∆Рк , где
∆Рк – относительное изменение расплыва конуса в % по сравнению с Рк=105 мм.
∆(В/Ц) – относительное изменение величины В/Ц по сравнению с В/Ц, соответствующим
Рк=105 мм, в %.
Рис. Увеличение расплыва конуса раствора 1:3 на
стряхивающем столике за счет введения органоминеральной добавки;
1 – изменение подвижности контрольного
раствора без добавки;
2 – то же, с добавкой 10 % МБ-С взамен части
цемента.
Поэтому, если известно изменение Рк, то
можно ориентировочно определить – какое для
этого потребуется изменение В/Ц или, учитывая
постоянство состава, водопотребности бетонной
смеси.
При проведении испытаний определяют расплывы конуса контрольного состава Рк1 и
основного состава Рк2, а также показатели прочности при сжатии R11 и R21 .
По
результатам
испытаний
определяют
поправочные
коэффициенты
К 11
для
корректировки водопотребности бетонной смеси и К для уточнения прогнозируемой
прочности бетона (как дополнительный множитель в формуле прочности бетона).
1
2
К11  1  0.22
Рк 2  Рк1
;
Рк1
К 21 
R21  R11
R11
Это зависимости используются при определении расхода воды и цемента в бетоне. Расход
заполнителей определяется как в обычном бетоне. Это будут предварительные,
ориентировочные данные. Наиболее точные зависимости свойств многокомпонентного
бетона от его состава можно получить путем проведения предварительных испытаний на
реальных материалах с использованием методов математического планирования
экспериментов.
Если составы подбирались вначале по ориентировочным зависимостям, то они могут быть
уточнены в последующем на основе компьютерных программ (разработаны в МГСУ),
анализирующих массив результатов контрольных испытаний в процессе производства.
Полученные уточненные расчетные зависимости обеспечивают эффективное управление
производством с корректировкой состав при возможных колебаниях качества сырья.
11. РАЗНЫЕ ВИДЫ ТЯЖЁЛОГО БЕТОНА
11.1. Бетон для сборных железобетонных конструкций
Особенностью технологии выпуска СЖБК является применение тепловой обработки
отформованных изделий для ускорения твердения бетона, в целях увеличения
оборачиваемости металлоформ, стендов, установок. Здесь рост прочности бетона
определяется не только активностью цемента, составом бетона, консистенцией бетонной
смеси, но также режимом тепловой обработки. Наиболее распространённым является такой
режим:
- предварительная выдержка изделия до тепловой обработки…1+2 часа;
- подъем температуры до изотермы…2…3 часа;
- изотермическая выдержка…6…12 часов;
- остывание…3…4 часа.
Температура изотермической выдержки для бетонов на портландцементе - 80°С, на
ШПЦ - 90°С.
Определение состава бетонной смеси получают на основе предварительных
испытаний на пробных замесах. Расчет составляющих производят обычным способом, по
известным формулам. Ц/В принимают по таблице – в зависимости от марки цемента и
требуемой отпускной прочности – 2 или 3 значения, расход воды – по графику зависимости
водопотребности от подвижности (жёсткости) смеси.
Рис. Зависимость водопотребности от подвижности смеси.
Далее по формуле Скрамтаева определяют расход Щ - щебня (он будет одинаковым
для разных замесов) и П - песка. В итоге получают составы пробных замесов (2 или 3).
Готовят по девять кубов размером 15х15х15 см, шесть из них пропаривают в течение
заданного режима. Через четыре часа после пропаривания испытывают по 3 куба при
сжатии. По результатам испытании строят график Rб=f (Ц/В). Допустим, замесы сделали при
Ц/В 1,8 и 2,2, а прочности получились соответственно 19 МПа и 23 МПа, а требуется
получить бетон с прочностью 21 МПа. На построенном графике можно определить, что
бетон с прочностью 21 МПа можно получить при Ц/В=2,0. Окончательный состав бетона
пересчитывается с учетом нового Ц/В. По результатам испытания в возрасте 28 суток
оставшихся трех пропаренных кубов и трех кубов, твердевших в нормальных условиях,
строят аналогичные графики. Если при Ц/В = 2 достигается заданная средняя прочность с
точностью до ±15%, то корректировать состав не нужно. Если же прочность пропаренных
образцов в 28 суточном возрасте окажется ниже заданной, то нужно увеличить Ц/В.
11.2.Высокопрочный бетон.
Высокопрочные бетоны имеют прочность 50…100 МПа, а особо высокопрочные ˃100
МПа. Для поручения особо плотной, прочной и монолитной структуры необходимы:
- применение высокопрочных цементов и заполнителей;
- предельно низкое В/Ц (<0,4);
- Высокий предельно допустимый расход цемента;
- применение супер- и гиперпластификаторов на поликарбоксилатах и комплексных
добавок, способствующих получению плотной структуры бетона;
- особо тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси;
- создание наиболее благоприятных условий твердения бетона.
Цементы: Rц˃50 МПа, для ЖБИ небольших и средних размеров – повышенное
содержание C3S и C3A и БТЦ, для массивных изделий – с пониженным содержанием C3A и
C3S <50%, (лучше всего – белитовые). Такие цементы твердеют в течении длительного
срока, обеспечивая высокую конечную прочность бетона.
Заполнители должны быть чистыми, с хорошим зерновым составом и малой
пустотностью и прочностью, на 20% больше заданной прочности бетона (из диабаза,
базальта и др.).
В/Ц можно снизить до 0,25…0,3 использованием композиционных вяжущих веществ
или суперпластификаторов и комплексных добавок, микрокремнезёма; применяются особо
интенсивные способы уплотнения (прессование, роликовая прокатка).
Расход цемента сверх 550…600 кг/м3 практически мало повышает прочность бетона и
экономически нецелесообразно.
Условия твердения – наилучшие – нормальные (t=20…25°С, влажность 100%). При
применении тепловой обработки назначают более длительную предварительную выдержку,
очень мягкие режимы с постепенным подъёмом и спуском температуры, изотерму в
пределах 50…60°С и обеспечивают высокую влажность среды. Вредны слишком длительные
режимы прогрева, необходимо ограничить его продолжительность моментом, когда
прочность бетона достигнет 50…70% его класса. В этом случае высокопрочные бетоны
удовлетворительно твердеют в дальнейшем.
При соблюдении перечисленных условий прочность Rб ≥ 1,5…1,7 Rц.
Применение высокопрочных бетонов позволяет сохранить массу и материалоёмкость
ЖБИ.
11.3. Быстротвердеющий бетон.
Эти бетоны обладают относительно высокой прочностью в раннем возрасте (1…3
суток) при твердении в нормальных условиях. Это достигается применением:
- быстро твердеющие цементы (БТЦ);
- жесткой бетонной смеси с низким В/Ц за счет применения суперпластификаторов;
- добавок-ускорителей твердения (хлористый кальций, глинозёмистый цемент);
- сухого или мокрого домалывания цемента с добавкой гипса (2…5% от массы
цемента);
- комплексных специальных добавок;
- активация цементного раствора.
С уменьшением В/Ц прочность бетона возрастает и тем выше, чем выше прочность
используемого цемента (см. график).
Рис. Влияние на относительную прочность бетона
в возрасте 1 суток (R1/ R28) прочности цемента и В/Ц:
1 – бетон на ПЦ М400;
2 – бетон на ПЦ М500;
3 – бетон на ПЦ М 500 с 10% микрокремнезёма и 1,5 % суперпластификатора;
4 – бетон на ВНВ М 1000 (клинкера ˃90%).
Совместное применение микрокремнезёма и суперпластификатора мало сказывается
на ранней прочности бетона. Их влияние проявляется через свойства системы
«цемент+микрокремнезём+суперпластификатор». Наибольшее влияние на рост прочности
бетона в раннем возрасте оказывают свойство вяжущего и В/Ц (кривая 4 на рисунке).
При определении состава быстро твердеющего бетона В/Ц устанавливают по
заданной прочности бетона в раннем возрасте с учетом выбранного способа ускорения
твердения. Дальнейший расчет состава бетона производится по рассмотренной ранее
методике.
При выборе состава бетона на ПЦ для первых пробных замесов можно пользоваться
формулой, устанавливающей Rб через сутки при твердении в нормальных условиях:
Ц
𝑅б1 = 0,65 𝑅ц1 ( − 1,3), где
В
Rц1 – прочность цемента при сжатии через 1 сутки, МПа.
Тогда:
В
0,65𝑅ц1
=
Ц 𝑅б1 + 0,65 ∙ 𝑅ц1 ∙ 1,3
Из добавок-ускорителей твердения наиболее распространен хлористый кальций. Он
позволяет ускорить твердение в ранние сроки, несколько снизить расход цемента и улучшить
удобоукладываемость.
Оптимальное содержание хлористого кальция 1…2% для
армированных конструкций и 3% - для бетонных, уточняется пробными замесами «с
добавкой и без добавки».
Для равномерного распределения хлористого кальция в бетонной смеси его вводят в
виде раствора вместе с водой затворения.
11.4. Бетон на мелком песке.
В некоторых районах России песков с удовлетворительным зерновым составом нет, а
мелкие пески в природе распространены довольно широко. Допускается применять в бетоне
мелкие и тонкие пески (модуль крупности ( Мкр ) <1.5) при аргументированном ТЭО.
Мелкие пески по сравнению со средними (Мкр 2,5…2,0) и крупными (Мкр 3,5…2,5)
характеризуются повышенными пустотностью и удельной поверхностью и худшим
зерновым составом, поэтому они несколько понижают прочность бетона и уменьшают
подвижность бетонной смеси, что влечет за собой увеличение расхода цемента для
получения равнопрочных и равноподвижных бетонов. Мелкий песок в большей степени
сказывается на осадке конуса и в меньшей степени – на удобоукладываемости бетонной
смеси. Мелкий песок меньше раздвигает зерна крупного заполнителя и обладает лучшей
водоудерживающей способностью, в результате чего уменьшается оптимальное содержание
песка в бетоне и, следовательно, в меньшей мере заметны его влияния на водопотребность
бетонной смеси.
Расчет состава бетонной смеси на мелком песке проводится как для обычного
тяжёлого бетона со следующими поправками:
1. Значение В/Ц определяется по формуле:
В/Ц=0,55 Rц/(Rб+0,55·0,5Rц);
2.
Содержание мелкого песка в смеси заполнителей уменьшают, то есть
уменьшают коэффициент раздвижки зёрен α на 0,03 на каждый процент увеличения
водопотребности песка (выше 7%);
3.
Подвижность бетонной смеси назначают либо по удобоукладываемости (для
бетона сборных ЖБК), либо по пониженной осадке конуса, обеспечивающей одинаковую
удобоукладываемость и транспортабельность бетонной смеси на мелком и обычном
строительном песке (для монолитного бетона). Осадка конуса (в см) при одинаковой
удобоукладываемости бетонной смеси составляет:
Обычный песок 1…3 4…5 6…8
9…13
Мелкий песок 1…2 2…3 4…6 7…10
Водопотребность бетонной смеси определяется по графику водопотребности
плакстичной и жёсткой бетонной смеси, увеличивая расход воды на 5 литров на каждый
процент увеличения водопотребности песка и для пониженной осадки конуса.
11.5.Бетон для гидротехнических сооружений.
Условия эксплуатации гидротехнических сооружений, постоянно или периодических
омываемых водой, диктуют особые требования к бетону:
- обеспечение длительной службы конструкции;
- прочность;
- водопроницаемость;
- морозостойкость.
Гидротехнический бетон делят на следующие разновидности:
- подвижный, постоянно находящийся в воде;
- расположенный в зоне переменного горизонта воды;
- надводный, подвергающийся эпизодическому вымыванию водой;
- массивный и немассивный бетон;
- бетон напорных и безнапорных конструкций.
Прочность на сжатие гидротехнического бетона определяют в возрасте 1809 суток.
Применяют бетон классов В10…В40.
По водопроницаемости в 180-и суточном возрасте бетон делят на 4 марки:W2, W4,
W6, W8. Бетон м арки W2 при стандартном испытании не должен пропускать воду при
давлении 0,2 МПа, бетон марки W4, W6, W8 – при давлении соответственно 0,4; 06; 08 МПа.
По морозостойкости – 5 марок: F50; F100; F150; F200; F300 – для тех
гидротехнических бетонов, которые подвергаются совместному действию воды и мороза.
Марка определяет число циклов вымораживания и оттаивания (в возрасте 28 суток), после
которого прочность бетона снизилась не боле 25%.
Состав гидротехнического бетона определяется как для обычного тяжёлого бетона.
Водопроницаемость гидротехнического бетона обеспечивается:
1)
Выбором материалов, обеспечивающих требуемые морозостойкость и
водопроницаемость;
2)
Определением В/Ц, исходя не только из уровня прочности, но и из условия
долговечности;
3)
Назначением расхода цемента в определённых пределах;
4)
Выбором коэффициента раздвижки α, обеспечивающего получение плотного и
долговечного бетона;
5)
Применением в некоторых случаях микронаполнителей, уменьшающих
тепловыделение и объемные деформации и гарантирующих получение плотного бетона при
низких расходах цемента;
6)
Применение воздухововлекающих добавок.
Допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного
цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях сульфатостойкого цемента.
Пуццолановый цемент характеризуется большой физической и химической
стойкостью при действии на бетон природных вод, как пресных, так и минерализованных,
малым тепловыделением при твердении, большой плотностью цементного камня. Однако,
существенным недостатком бетонов на пуццолановом цементе является их меньшая
морозостойкость.
В суровых климатических условиях для зоны сооружений на уровне переменного
горизонта воды используют пластифицированный портландцемент, позволяющий получать
водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить (на 8…10%)
расход цемента и снизить тепловыделение бетона при твердении.
В особо тяжёлых условиях при наличии агрессивной воды применяют
сульфатостойкий цемент. Желательно, чтобы содержание C2A в цементе не превышало
3..5%, а C3A+C4AF < 20%. Предпочтительнее повышенное содержание белита C2S. Для
повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона применяют химические
добавки: СДБ, СНВ, суперпластификаторы и органоминеральные добавки.
Для уменьшения расхода цемента, а следовательно, тепловыделения и объёмных
деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плотности
бетона в него вводят различные микронаполнители (золу-унос например).
Из заполнителей лучше всего применять кварцевые пески, а щебень и гравий – из
изверженных или осадочных пород, водостойкость и морозостойкость которых
подтверждены опытом. Особое внимание следует уделять зерновому составу заполнителя:
по возможности обогащать песок, а при использовании сортового крупного заполнителя
соблюдать рекомендуемые соотношения фракций.
Подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси для гидротехнического бетона
назначают в зависимости от вида конструкции (массивные бетонные и малоармированные с
содержанием арматуры до 0,5%; железобетонные с содержанием арматуры до 1% и тоже ˃1%), виды песка (обычный и мелкий) и от наличия или отсутствия поверхностно-активных
добавок.
При выборе В/Ц принимают во внимание требования к прочности,
водонепроницаемости и морозоустойчивости бетона. В/Ц в условиях прочности определяют
по формуле
В
А𝑅ц
=
Ц 𝑅б + А · 0,5𝑅ц
С учетом сроков твердения, а из условия водонепроницаемости и морозостойкости – по
таблице в зависимости от условий службы бетона, вида конструкций (железобетонные,
бетонные и малоармированные массивные) и вида воды, в которой находятся эти
конструкции (морская, пресная). Из двух значений В/Ц, найденных из условия прочности и
условия водонепроницаемости и морозостойкости, принимают наименьшее. Расход цемента
должен быть больше минимальных значений, обеспечивающих получение плотного бетона,
и в то же время по условиям тепловыделения его не должно быть для массивных
конструкций более 350 кг/м3, а не массивных – 400 кг/м3.
Для получения водонепроницаемости бетона содержание песка в смеси заполнителей
должно быть несколько увеличено против обычных значений. В связи с этим коэффициент
раздвижки надо принимать на 0,03…0,06 больше рекомендуемых для обычных пластичных
бетонных смей в зависимости от расхода цемента и В/Ц. Оптимальное значение
коэффициента раздвижки также определяют опытным путем из условия получения наиболее
плотной бетонной смеси.
11.6.Бетон для дорожных и аэродромных покрытий.
Бетонные покрытия дорог и аэродромов работают на изгиб, как плиты на упругом
основании, поэтому необходимо обеспечить требуемую прочность бетона на растяжение при
изгибе, на сжатие, а также морозостойкость. Проектную прочность дорожного бетона
устанавливают в зависимости от назначения бетона
Виды покрытия
Заданная прочность, МПа
при изгибе
при сжатии
Для однослойных и верхнего слоя
4,0; 1,5; 5,0; 5,5
30; 35; 40; 50
двухслойных покрытий
Для нижнего слоя двухслойных покрытий 3,5; 4,0; 4,5
25; 30; 35
Для оснований усовершенствованных 2,0; 2,5; 3,0; 3,5
10; 15; 20; 25
капитальных покрытий
Марки бетона по морозостойкости назначают в соответствии с климатическими
условиями района строительства (минусовыми температурами воздуха наиболее холодного
месяца: 0…-10°С – F100$ -10…-20 – F150; ниже -20°С – 200).
В/Ц < 0,5 для верхнего слоя; не более 0,6 для нижнего слоя, для оснований
усовершенствованных покрытий – до 0,75. ПЦ ˃ М400 (C3A < 10%) или дорожные
пластифицированные или гидрофобные цементы. Крупный заполнитель – только мытый
(глинистых, илистых и пылевидных не более 1,5 %и Rсж˃120 МПа) - из изверженных пород и
более80 МПа – из осадочных. Днаиб.=20 мм для верхнего слоя, 40 мм – нижнего, 70 мм – для
оснований.
ПАВ: ССБ, суперпластификаторы и органо-минеральные; воздухововлекающие,
мылонафт. Объём вовлечённого воздуха4,5…5,5 %, в зависимости от крупности
заполнителя. СНВ вводят 0,001…0,025 % сухого вещества; мылонафт – 0,
08…0,05 % товарного раствора с 45…50 % воды; СДБ – 0,15…0,25 % в виде рабочего
раствора. Подвижность бетонной смеси: ОК=1…2 см для бетоноукладочных машин, 2…3 см
– для площадочных вибраторов.
Бетонные смеси делают с небольшим избытком песка – лучше прочность при изгибе,
α=1,3…1,7.
Определение состава дорожного бетона – как для обычного. В/Ц определяют исходя
из требуемого Rbpu:
В/Ц=0,36 𝑅ц1 /(Rизг.+0,36·0,2𝑅ц1 ), где
𝑅ц1 - активность цемента при изгибе;
Rизг. – прочность бетона при изгибе.
При использовании бетоноукладочных машин средний расход воды для щебня Д=40
мм принимают 160 л, для известнякового щебня и мелкого песка увеличивают на 10 л,
известнякового щебня и песка – на 20 л. При введении ПАВ расход воды уменьшается на 10
л.
После этого рассчитывают расход материалов на 1 м3.
11.7. Бетон с тонкомолотыми добавками
Молотые минеральные добавки вводятся или на цементных заводах или при
изготовлении бетонной смеси с целью экономии цемента высших марок и обеспечения при
этом необходимой пластичности смеси и плотности бетона. Эти добавки в большинстве
случае6в вводятся также с целью повышения эффекта автоклавной обработки бетона.
Добавка рассматривается как составляющая часть вяжущего вещества.
Применение тонкомолотых добавок рационально в 2 случаях:
1.
Когда по условию прочности можно допустить большее В/Ц, чем требуется по
условию долговечности бетона.
2.
Когда Rб можно обеспечить при меньшем расходе цемента, чем требуется по
условию плотности бетона.
Для удовлетворения требований к бетону необходимо выдержать два условия:
И
1). Отношение х1=Ц+Д д.б. не меньше значения , установленного традиционным
способом определения минимального расхода цемента для получения нерасслаиваемой
плотной бетонной смеси (табл, графики), что обеспечивает необходимую плотность бетона;
В
2). Отношение х2=Ц д.б. не больше значения, определённого по формулам
В
А∙𝑅ц
Ц
𝑅б +А∙0,5𝑅ц
( =
при
В
Ц
> 0,4;
В
Ц
=
А∗𝑅ц
(𝑅б −А1 ∙0,5𝑅ц )
В
при <0,4),
Ц
что обеспечивает необходимую прочность бетона.
Для первого случая (В/Ц ˃ требуемого для долговечности):
В
В
х2˃х1; х1≤ Ц+Д и х2≤ Ц.
Одновременно удовлетворение условий и плотности и прочности достигается при
х1(Ц+Д)=х2·Ц, откуда:
Ц(х2 −х1 )
Д=
х1
(здесь Ц – расход цемента, обеспечивающий получение бетона заданной
прочности, кг/м3)
Во втором случае, из равенства:х1(Ц+Д)=х2Цв находим: Цв = (Ц+Д)
х1
х2
11.8.Малощебёночный бетон
Бетон с пониженным содержанием крупного заполнителя (щебня, гравия) называется
малощебёночным. Малощебёночный бетон используют тогда, когда для ЖБК приходится
применять дорогостоящий привозной щебень с экономически обоснованным допустимым
перерасходом цемента, или же когда требуется увеличить модуль упругости или уменьшить
ползучесть и усадку мелкозернистого бетона ( в мелкозернистый бетон вводят щебень).
Вообще при уменьшении содержания щебня в обычном бетоне повышается
водопотребность бетонной смеси (из-за возрастания удельной поверхности заполнителя) и
увеличивается воздухововлечение в бетонную смесь, что уменьшает прочность бетона и
модуль деформации (отношение напряжения к относительной деформации, вызываемой его
действием) и увеличивает усадку и ползучесть, а при введении щебня в цементно-песчаный
бетон и увеличении его содержания свойства бетона изменяются в противоположном
направлении. Опыты показали, что зависимость свойств бетона от содержания щебня носит
линейный характер.
Состав малощебёночного бетона определяют в следующем порядке:
Рис. График расчета состава малощебёночного бетона:
1- увеличение Ц для получения бетонных смесей с
одинаковой ОК см; 2 – то же, с одинаковой
удобоукладываемостью; 3 - увеличение расхода
воды для получения бетонных смесей с одинаковой
ОК; 4 – то же с одинаковой удобоукладываемостью.
1. По традиционным формулам находят требуемое В/Ц
2. По графикам определяют расход воды (в зависимости от заданной подвижности
бетонной смеси).
3. Подсчитывают расход цемента: Ц=В˸В/Ц.
4. В зависимости от допустимого перерасхода цемента (например 20%) и принятого
способа уплотнения по графику определяют необходимую добавку воды и расход щебня.( в
примере: добавка воды~14%, расход щебня ~700 кг.
5. Находят расход песка по формуле для состава обычного бетона.
6. Делают пробные замесы и по их результатам корректируют состав бетона. При
этом расход цемента сохраняют постоянным: если необходимо ↑Rб, ↓В; если требуется
большая подвижность бетонной смеси, ↑Щ за счет П.
11.9. Литой бетон
Применение литых бетонных смесей (ОК ˃ 21 см) оказывается целесообразным при
необходимости бетонирования изделий сложной конфигурации с густой арматурой в целях
значительного снижения трудоёмкости и сроков изготовления. Литой бетон готовят при
высоком расходе воды, что требует уделять особое внимание предупреждению расслаивания
бетонной смеси.
Для её предотвращения:
1. Используют цементы, обладающие достаточной водоудерживающей способностью
(ПЦ М44…М500 и БТЦ).
2. Применяют
супери
гиперпластификаторы
на
поликарбоксилатах,
воздухововлекающие или водоудерживающие добавки.
3. Ограничивают значения В/Ц, чтобы избежать расслоения цементного теста ((В/Цкр
не более1,8нг с воздухововлекающими добавками).
4. Увеличивают содержание песка в бетонной смеси, повышая значение
коэффициента α (на 0,1…0,2).
Водоудерживающую способность цементного теста можно оценить по
максимальному значению В/Цкр, при котором ещё не наблюдается его расслоение.
В/Цкр=1,65нг.
При определении состава бетона определяют В/Цист и сравнивают его с В/Цкр, т.е.
должно соблюдаться условие В/Цист = В/Ц-Вп n – Вщ m ≤ ВЦкр, где
Вп и Вщ – водопотребность песка, щебня в относительных единицах n = П/Ц; m =Щ/Ц.
В литом бетоне для экономии цемента целесообразно использовать
суперпластификаторы и комплексные добавки на их основе, композиционные вяжущие
вещества, дисперсные наполнители, микрокремнезём, органо-минеральные добавки. На
микрокремнезёме с повышенной дозировкой суперпластификатора получают литые бетоны с
прочностью 100 МПа.
Во всех случаях применения литых бетонных смесей следует уделять особое
внимание экономии цемента, соответствующим образом выбирая исходные материалы и
используя все известные приемы по сокращению расхода цемента в бетоне.
12. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН.
12.1. Особенности свойств мелкозернистого бетона (МЗБ).
Мелкозернистые бетоны изготавливаются без применения крупного заполнителя,
заполнителем является только песок, поэтому эти бетоны называют еще и песчаными
бетонами.
Ранее применение мелкозернистых бетонов сдерживалось некоторыми особенностями
структуры и свойств. Применение в качестве заполнителя только песка вызывало
значительное увеличение удельной поверхности заполнителя и его пустотности, а,
следовательно и увеличение расхода цемента и воды (на 15…25 % по сравнению с бетоном
обычным). А это приводило к увеличению усадки бетона. Существовавшие жесткие
требования по ограничению расхода цемента в бетоне.
В современных условиях изменились технические и экономические предпосылки
приготовления
таких
бетонов
с
использованием
композиционных
вяжущих,
суперпластификаторов и других модификаторов структуры и свойств бетонов. Это позволяет
свести к минимуму повышение расхода воды и цемента в мелкозернистых смесях и резко
уменьшить усадку материала. Поэтому мелкозернистые бетоны обладают рядом достоинств:
- однородная тонкодисперсная структура;
- повышенная эффективность модификации материала;
- высокая тиксотропия;
- высокая технологичность – возможность формирования конструкций и изделий методом
литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга;
- легкая транспортируемая, в т.ч. по трубопроводам;
- возможность применения сухими смесями;
- возможность получить новые архитектурно-конструкционные решения: тонкостенные и
слоистые конструкции, изделия переменной плотности, гибридные конструкции;
- возможность применения местных материалов, более низкая в этом случае себестоимость
Наибольший
технико-экономический
эффект
достигается при
изготовлении
толстостенных ж/бет.конструкций;
- армоцемент –армирование МЗБ стальными сетками;
- фибробетон – армирование МЗБ фиброй (дисперсными волокнами);
В зависимости от выбора вяжущего и добавок получают разные специальные бетоны:
изоляционные, декоративные, электропроводящие или электроизоляционные и др.
Особенности МЗБ:
- большая однородность;
- мелкозернистость;
- высокое содержание цементного камня;
- отсутствие жесткого каменного скелета;
- повышенная удельная поверхность твердой фазы;
- повышенная пористость.
Зависимость прочности МЗБ от
состава бетона и В/Ц; 1 – В/Ц=0,3
(
Ц
 3,33) ; 2 – В/Ц=0,4; 3 – В/Ц=0,5
В
Прочность МЗБ зависит от состава бетона (Ц.П.) и В/Ц (объяснить по графику).
Для каждого состава бетона имеется оптимальное значение В/Ц, при котором получаются
наивысшие прочность и плотность. При приготовлении МЗБ смеси и уплотнение ее
обычным вибрированием в нее вовлекается воздух, распределенный по всему объему
смеси в виде мельчайших пузырьков (ВВ до 3…6 %). Чем ↑ жесткость смеси, тем ↑ ВВ.
Вовлеченный воздух повышает пористость бетона и снижает его прочность.
Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня. При невысоком
содержании цемента в смесях более тощих, чем Ц:П=1:3, цементного теста может не хватать
для обмазки зерен песка и заполнения всех пустот. Возникает дополнительный объем пор,
вызванный нехваткой цементного теста, увеличивается общая пористость бетона и
снижается его прочность. Поэтому сложно получить достаточно прочный МЗБ при расходе
цемента в 200…3000 кг/м2, характерном для обычных бетонов.
Обобщенную зависимость прочности МЗБ от различных факторов можно представить в
виде следующего выражения.
Кп.б.(МЗБ)=АRц(
Ц
 0.8 ), где
В  ВВ
В, Ц – расход воды и цемента, кг/м2;
ВВ – объем вовлеченного воздуха, л.;
А – эмпирический коэффициент: А=0.8 – для материалов высокого качества;
А=0.75 – среднего качества, А=0.65 – низкого качества.
Поскольку ВВ трудно определить расчетным путем, водоцементное отношение можно
вначале определить из формулы:
Rg/,/=A∙Rц (Ц/В-0.8)
без учета воздухововлечения, принимая коэффициент.
«А» в соответствии с расшифровкой вышеприведенной формулы. Затем, на основе
контрольных испытаний установить действительную плотность свежеприготовленной
бетонной смеси и коэффициент уплотнения, равный соотношению действительной и
расчетной плотности материала, определяющий объем воздухововлечения.
На мелких песках прочность МЗБ ниже, чем на крупных, поэтому желательно
использовать крупные чистые пески, или обогащать мелкий песок более крупными
высевками от дробления камня, или обязательно применять комплекс химических и
минеральных добавок.
Для МЗБ на среднем песке наиболее экономичным является соотношения Ц/П=1:2…1:3,
а на мелком песке – состава 1:1…1:1.5.
МЗБ обладает повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемостью и
морозостойкостью.
Для уменьшения воздухововленчения в МЗБ смеси и повышения плотности и
бетона вместо виброуплотнения применяю прессование, вибропрессование
тротуарная плитка, трамбование, вибрирование с пригрузом, прокатку
уполотнение, станы Козлова), вибровакуумирование (формовка плиток для
Нижнее-Исетстком ЗЖБИ).
прочности
«Бетфор»
(роликове
полов на
12.2. Проектирование состава МЗБ.
1. Определяют В/Ц, необходимое для получения заданной прочности бетона:
В/Ц=АРц/(R,+0/8 ARц) –(из вышеприведенной формулы значения
коэффициентов те же).
Формула действительна при коэффициенте уплотнений бетонной смеси более 0.97.
Если такое уплотнение не может быть обеспечено, то необходимо учитывать
возможное снижение прочности бетона ~ на 5 % на каждый % недоуполтнения.
1. График для выбора соотношения между Ц и Пср.кр. (В=7 %), которое обеспечивает
заданную удобоукладываемость цем.-песчаной смеси при определенном В/Ц.
2 График для корректировки Ц/П, обеспечивающего заданную подвижность цем.-песч. 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 (2.5) и В=7 %.
2. По графику 1 определяют соотношение Ц:П для рассчитанного В/Ц, а на графике 2 по
определенному на графике 1 Ц/П уточняют Ц||П/ для модуля крупности используемого
песка (или если не известна водопотребность его
3. Рассчитывают расход цемента: Из уравнения:
Ц
П
В
1000 л.=
(при ВВ<1.5 %) прокатка и, прессование, тромбование
ц
п
Ц=
1000
, где:
1
В П
 
ц Ц п
ρц, ρп – истинные плотности цемента и песка;
п – отношение П:Ц, определенное по графику 2.
При уплотнении МЗБ смеси вибрированием в него обычно
вовлекается по объему 2…8 % воздуха. В этом случае расход Ц:
Ц=
1000  ВВ
, где
1
В
п
 
ц Ц п
ВВ – объем вовлеченного воздуха,л; для подвижной бетонной смеси на средснем (2.5) и
крупном (3.5) песке ВВ=20 л.
ВВ=30 л. – на мелком (2.0);
ВВ=50 л. – жесткая смесь на ср. и кр. Песке
ВВ=70 л. – тоже, на мелком песке.
4. Определяют расход воды: В=Ц∙
В
;
Ц
5. Расход песка: П=пЦ.
6. На пробных замесах проверяют подвижность или удобоукладываемость. При
необходимости вносят поправки в состав.
Определяют плотность свежеуложенной бетонной смеси на контрольных образцах
проверяют прочность МЗБ.
По плотности свежеуложенной цементной смеси устанавливают окончательный расход
материалов на 1 м3 бетона. Эта операция имеет важное значение при расчете состава
цементно-песчаного бетона, т.к. может оказаться, 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 м3 бетона, или, наоборот, окажется, что в расчете учтено большее количество ВВ, чем его
будет в действительности.
12.3 Мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций (АЦК)
Необходимо принимать во внимание схему армирования (число сеток, расстояние между
ними, размер песка), что в значительной степени влияет на формуемость армоцемента, и чем
гуще армирование, тем более интенсивным и продолжительным д.б. в уплотнение Ц/П
смеси.
Формуемость армоцемента (в сек.) нужно выбирать в зависимости от принятого способа
уплотнения:
вручную…………………………………………..
5…15
вибрирование с частотой 3000 кол/мин……….
15…40
то же, 6000 кол/мин……………………………..
40…60
вибрирование с пригрузом ……………………..
60….100 сек.
При расчете состава Ц/П смеси для АЦК подвижность (в см. расплыва конуса Р к) ее
определяют в зависимости от требуемой формуемости и заданном схемы армирования по
специальному графику, составленному для стальной тканой сетки с ячейкой 7х7 мм в
конструкциях δ 2…3 см с числом сеток 1,3,5,8,12; если применяется сетка с ячейкой 5х5 мм,
то подвижность смеси, определенная по графику, увеличивается на 40 %, а при сетке с
легкой 10х10 мм уменьшается на 30 %.
Наибольшая крупность песка Dmax. Допустимая по условиям армирования
Dmax.= h 2  (l / 2) 2  0,3 , где
h – расстояние между сетками, мм
при 0<R<l
l – размер ячейки стальной тканой сетки, мм
Остальной состав смеси определяют по изложенной выше методике.
12.4. Мелкозеристый бетон с мирокнаполнителем.
Золу, известняковую муку, молотый песок и другие микронаполнители вводят в МЗБ для
экономии цемента и оптимизации составов. Цемент и микронаполнитель рассматривают как
единое вяжущее. Активность вяжущего и его влияние на водопотребность бетонной смеси
зависит от содержания и свойств микронаполнителя. Микронаполнитель уменьшает
активность цемента пропорциаонльно увеличению содержания микронаполнитель: добавили
30 % микронаполнителя – на 30 % уменьшилась активность цемента.
Водопотребность микронаполнителя влияет на общую водопотребность смеси. Если
известна водопотребность микронаполнителя, можно определить количество воды, которое
нужно добавить (убавить) к расходу воды:
Вд=(Вмн-НГ) Д, где
Вмн – водопотребность микронаполнителя (относительная величина)
НГ – нормальная густота цементного теста (относительная единица)
Д – содержание добавки-наполнителя в 1 м3 бетона, кг.
Водопотребность бетонной смеси можно определять раздельным учетом водопотребности
цемента и микронаполнителя.
После подбора бетона и провдения пробных замесов окончательный расход материалов
устанавливаю с учетом действительной плотности по формулам:
Ц=
П=Ц∙п;
 , см
1 п  m  В / Ц
Д=Ц∙m;
;
В=Ц∙
В
, где
Ц
Ц, П, Д – содержание цемента, песка и добавки-наполнителя, кг/м3 смеси;
п. m. В/Ц – отношения песка, добавки-наполнителя и воды к цементу по массе.
12.5. Композиционные мелкозернистые бетоны.
Это высокоэффективные многокомпонентные бетоны, в которых используются
композиционные вяжущие вещества, комплексы химических модификаторов структуры,
активных минеральные компоненты. Многокомпонентность состава позволяет эффективно
управлять структурообразованием материала на всех этапах технологии, обеспечивая
высокое качество получаемых изделий и конструкций.
Применение композиционного вяжущего и комплекса химических и минеральных
добавок на свойства цементно-песчаной смеси и мелкозернистого бетона аналогично их
влиянию на свойства крупнозернистого (обычного) бетона.
Применение суперпластификатора и вяжущего низкой водопотребности (ВНВ) позволяет
заметно снизить водопотребность бетонной смеси получить равноподвижные смеси при
более низких значениях В/Ц.
Рис. Зависимость расплыва конуса на стряхивающем столике от В/Ц для МЗБ 1:3:
1 – бетон на ПЦ: 2 – бетон с заменой 10 % цемента микрокремнеземом
суперпластификатора; 3 – бетон с 1 % суперпластифиатора; 4 – бетон на ВНВ.
и1 %
В результате возрастает плотность и прочность бетона, особенно возрастает максимальная
плотность, достигаемая при определенном Ц/П.
Для сокращения расхода цемента часть его заменяют активными минеральными
наполнителями: молотым шлаком, золой, микрокремнеземом, позволяющими регулировать
структурообразование в твердеющем бетоне. Наиболее оптимальными составами по
совокупности свойств являются 1:2…1:3.
Введение расширяющихся композиционных вяжущих заметно уменьшает усадку бетона.
Микрокремнезем совместно с суперпластификатором уменьшает усадку в несколько раз, а
при достаточно высоком содержании микрокремнезема (>150 кг/м3) может почти полностью
компенсировать усадку в бетонах оптимального состава. Вместе с тем, введение
микрокремнезема увеличивает набухание МЗБ при водном или влажном хранении.
Существенно уменьшает усадку введение в бетон полимерных и др.видов фибры вместе с
расширяющими добавками.
В технологии высококачественных композиционных мелкозернистых бетонов получение
высоких показателей обусловлено:
- снижением их водосодержания, повышением однородности и стойкости к расслоению;
- повышенной тиксотропностью бетонной смеси, облегчающей и ускоряющей процесс ее
транспортирования, укладки и уплотнения;
- ускорением темпов твердения, что повышает эффективность зимнего бетонирования,
сокращает сроки изготовления изделий;
- возможностью регулирования тепловыделения;
- снижением температуры изотермического прогрева или полного отказа от тепловой
обработки;
- возможностью повышения П труда за счет исключительно высоких формовочных
свойств бетонной смеси.
В возрасте 2-х суток прочность может достигать 30…50 МПа, а в 28-дневном – 100-150
МПа , морозостойкость F 600 и >, водонепроницаемость W 12 и выше, водопоглощение <
1…2 макс. %. Высокая газонепроницаемость и низкая истираемость.
Разновидность МЗБ являются композиционные тонкозернистые бетоны и композиты
(размер заполнителя 0.5…1 мм), которые находят все более широкое применение в мастиках,
клеях, для отдельных слоев в системах штукатурки. Высококачественный тонкозернистый
бетон имеет прочность 100…120 МПа, W 20 и >, Мрз >F 600.
В композиционных мелкозернистых бетонах могут успешно применяться техногенные
отходы и вторичные продукты (зола, молотые шлаки) как при производстве
композиционных вяжущих веществ, так и путем непосредственного введения в бетон при его
приготовлении. Применение техногенных отходов отличает получение композиционных
вяжущих веществ заданных свойств и МЗБ оптимальных составов.
13.ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ.
13.1. Легкие бетоны на пористых заполнителях.
13.1.1. Виды пористых заполнителей.
Пористые заполнители:
искусственные – керамзит, вермикулит, перлит, аглопорит, шлаковая пемза (термозит),
вспученные гранулы полистирола.
естественные - туф, пемза, известковые туфы, ракушечники.
По плотности:
особо-легкие теплоизоляционные: ρсух.< 500 кг/м3; Rсж.≤1.5 МПа;
легкие – ρсух=500…1800 кг/м3; Rсж.=2.5…30 МПа;
конструктивно-теплоизоляционные, ρ=500…1400 кг/м3; Rсж.=2…10 МПа.
конструктивные ρ=1400…1800 кг/м3, R=10…30 МПа.
По структуре:
- плотные (обычные) – раствор на тяжелом или легком песке полностью заполняет
межзерновые пустоты крупного заполнителя;
- поризованные – растворную часть вспучивают с помощью пенно- или газообразующих
добавок;
- крупонопористые – без песка, межзерновые пустоты не заполнены.
Прочность легких бетонов (как и тяжелых) зависит от В/Ц, т.е. от прочности цементного
камня, скрепляющего зерна заполнителя в единый монолит, и от прочности пористых
заполнителей (бетоны на заполнителях разной прочности имею разную прочность):
каждый вид крупного заполнителя позволяет получать бетоны только до определенной
В
прочности, по достижении которой дальнейшее повышение прочности раствора (< ) не
Ц
приводит к заметному повышению прочности бетона.
Влияние прочности керамзитового гравия и раствора на прочность керамзитобетона;
1 – прочность керамзита 7 МПа; 2 – то же, 5 Мпа; 3 – 4 Мпа; 4 – 3 Мпа; 5 – 2 Мпа.
Прочность легкого бетона зависит еще и от концентрации заполнителя (объем легкого
заполнителя в 1 м3 бетона). При большой разности между прочностью растворной части
бетона и прочностью пористого заполнителя увеличение концентрации заполнителя
приводит к уменьшению Rб.
При определении состава легкого бетона на пористых заполнителях приходится
учитывать все три особенности влияния заполнителя на прочность бетона. Поэтому расчет
проводят не на основе к.-л. единой формулы или графика, а на основе данных ряда таблиц и
поправочных коэффициентов, составленных с учетом этих особенностей.
Пористый заполнитель изменяет деформативные свойства бетона. Уменьшается модуль
упругости бетона и тем больше, чем деформативнее заполнитель и выше его содержание.
Важным свойством легкого бетона является его теплопроводность. Увеличение
содержание легкого заполнителя, уменьшение его плотности улучают теплофизические
свойства легкого бетона (правда, при этом снижается прочность бетона). На практике ищут
такое оптимальное соотношение в свойствах исходных материалов и бетона и так подбирают
свойства бетона, чтобы его необходимые свойства достигались наилучшим образом при
минимальном расходе цемента.
Пористые заполнители в силу значительного водопоглощения отсасывают из цементного
раствора часть воды в первые 10…15 мин. после приготовления бетонной смеси. Количество
поглощенной воды увеличивается в литых смесях и снижается в жестких бетонных смесях.
Обычно величина водопоглощения пористого заполнителя в бетонной смеси на 30…50 %
ниже его водопоглощения в воде (сказывается влияние водоудерживающей способности
цементного теста). Поэтому для сохранения подвижности бетонной смеси приходится
увеличивать расход воды. Это увеличение будет тем больше, чем выше водопотребность
заполнителя и его расход. Водопоглощение пористого заполнителя существенно влияет на
водоудерживающую способность бетонной смеси, уменьшая расслаиваемость литых и
подвижных смесей и позволяя применять смеси с высоким В/Ц. Это улучшает и
теплоизоляционные свойства бетона.
На первом этапе структурообразования цементного теста пористые заполнители,
отсасывая влагу, способствую 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.
Пористые заполнитель состоит из зерен неправильной формы (кроме керамзита) с сильно
развитой поверхностью и обладает в силу этого увеличенным объемом межзерновых пустот.
Для заполнения этих пустот и создания достиаточной смазки между зернами заполнителя с
цеью получения нерасслаиваемых и удобообрабатываемых смесей требуется в 1.5…2 раза
больше цементного теста, чем при применении плотных тяжелых заполнителей.
13.1.2. Проектирование состава легкого бетона.
При проектировании состава легкого бетона необходимо наряду с прочностью бетона и
удобоукладываемостью бетонной смеси обеспечить заданную его плотность, которая зависит
от свойства расхода мелкого и крупного пористого заполнителя.
Марку цемента выбирают из таблиц в зависимости от требуемой прочности легкого
бетона ( 15, 20, 25 - 400; 30, 35, 40 - 500; 50 – 600).
Прочность на сжатие крупного заполнителя и его насыпная плотность так же
определяются по спец. таблицам.
Наибольшая крупность щебня пористого заполнителя – 40 мм. Должно выдерживаться
соотношения между фракциями:
для фракций (5..10): (10..20) мм. как 40:60 %
для фракций (5…10): (10…20): (20…40) – 20:3::50 %
Т.к. прочность легкого бетона зависит не только от активности цемента и В/Ц, но также
от свойств и содержания заполнителя и подвижности бетонной смеси, то при определении
расхода цемента пользуются данными з специальных таблиц, по одной из которых
назначают расход цемента в зависимости от заданной прочности бетона, а по другой его
уточняют в зависимости от свойств используемых материалов и подвижности бетона. Расход
воды назначают с учетом требуемой жесткости бетонной смеси и вида крупного
заполнителя- тоже по таблице в ней приводятся данные при использовании плотного песка,
поэтому для повышения точности определения расхода воды вводят поправку на
водопотребность мелкого заполнителя. Состав стандартного раствора назначают не по массе,
а по абсолютному объему и принимают равным 1:2.28, что ориентировочно соответствует
для кварцевого песка отношению по массе 1:2. Тогда водопотребность (%) пористого песка:
Вп.п.=
( В / Ц р  НГ )  100
2.28
НГ – нормальная густота цементного теста.
Водопотребность пористых песков в 2…3 раза >, чем плотных (дробленый керамзит
Вд.к.=13…16 %; шлакопемзового песка 16…18 %). При среднем расходе песка 250 л/м 3 по
абсолютному объему изменению водопотребности песка на 1 % будет соответствовать
изменение расхода воды 0,02 л/л абсолютного объема песка.
Средняя водопотребность плотного песка 7 %. При применении песков с другой
водопотребностью в расход воды вводят поправку.
В1=0,02
П
 з .п.
( Вп  7)
 з/.п. - средняя плотность зерен песка.
На водопотребность легкобетонной смеси влияет и расход цемента. Ориентировочно
можно считать, что при Ц>450 кг/м3 водопотребность возрастает ~ на 0.15 л/м3 на каждый 1
кг/м3 расхода цемента сверх критического значения. Отсюда, поправка к расходу воды при
высоких расходах цемента:
В2=0.15(Ц-450)
Объемная концентрация заполнителя тоже влияет на водопотребность смеси. Для
конструктивного керамзитобетона минимальная водопотребность бетонной смеси
достигается при объемной концентрации керамзита 0,35…0,4. При другом значении
объемной концентрации крупного заполнителя вводят поправку на расход воды:
В3=2000(φ-0,37)2, где φ=
3 кр
- объемная концентрация крупного заполнителя;
 к . з.
 к/ .з. - насыпная плотность крупного заполнителя, кг/л.
3кр – вес заполнителя, кг/г;
Общая водопотребность бетонной смеси:
В=В0+В1+В2+В3
Расход крупного (3кр) и мелкого (П) заполнителей найдем из решения системы уравнений:
(1)
(2)
 б/ .  1.15Ц  П  3кр ;
Ц
ц

П
 з/.п.

Зкр
 з/.кр .
 В  1000 , где
 б/ . - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3;
 з/ .п. ,  з/.к . - плотность зерен мелкого и крупного пористых заполнителей в цементном
тесте, кг/л;
 ц - истинная плотность цемента, кг/л;
Ц, П, Зкр, В – расходы цемента, песка, крупного заполнителя и воды на 1 м3 бетона.
После подстановки общей водопотребности бетонной смеси в формулу (2) можно решить
систему уравнений (1) и (2). Эти расчеты довольно трудоемки, на практике пользуются
таблицами объемной концентрации крупного заполнителя., рассчитанными на ЭВМ по
уравнениям (1) и (2).
Расход крупного заполнителя: Зкр=1000φ  з/.кр . , где
 з/.кр . - плотность зерен крупного заполнителя в цементном тесте, кг/л., которую
ориентировочно можно определить, умножая плотность зерен крупного заполнителя на
коэффициент: 1.05 – для пористого гравия;
1.1 – для пористого щебня.
Расход плотного песка устанавливаю из уравнения (1):
П=  б/ .  1.15Ц  Зкр.
Для опытных замесов помимо предварительного состава рассчитывают еще 2 состава, в
которых расход Ц принимают на 10…20 % ↑↓, чем полученный в исходном составе. Если на
принятых материалах нельзя получить заданную плотность при допустимых значениях
φ (объемной концентрации крупного заполнителя), то Ц следует ↓ так, чтобы φ оказалась в
допустимых пределах, или принять другие заполнители.
По результатам опытной проверки строят график Rб=f (Rц), по которому принимают
действительное значение расхода цемента и затем уточняют расходы других материалов.
13.2. Поризованный легкий бетон.
Поризованный легкий бетон – это бетон на пористых заполнителях с поризованной
растворной частью бетона. Применяют для улучшения теплофизических свойств легкого
бетона.
Поризованные легкие бетоны содержат более 800 л/м3 легкого крупного заполнителя, у
которых объем воздушных пор составляет 5…25 %. Поризацию осуществляют либо
предварительно подготовленной пеной, либо введением газообразующих или
воздухововлекающих
добавок.
Пеной
поризуют
только
беспесчаные
смеси,
воздухововлекающими добавками – только смеси с песком, газообразующими добавками –
смеси с песком и без.
В зависимости от используемого заполнителя и способа поризации бетоны получают
название: керамзитопенобетон, керамзитогазобетон, керамзитобетон с воздухововлекающей
добавкой.
Поризованный бетон имеет пониженные плотность и коэффициент теплопроводности.
В не можно использовать крупный заполнитель прерывистого зернового состава уменьшить
или полностью исключить расход пористого песка, применить более тяжелый пористый
заполнитель без увеличения плотности бетона.
В отличие от неавтоклавного ячеистого бетона поризованный легкий бетон отличается
значительно меньшим расходом вяжущего вещества, повышенным модулем деформации и
долговечностью, меньшей усадкой. Поризованные
легкобетонные смеси отличаются
хорошей связанностью и удобоукладываемостью, упрощается формование изделий, не
требуется пригруз при виброуплотнении.
Прочность поризованного бетона 5…10 МПа, ρ/=700…1400 кт/м3. Обжиговые пористые
материалы (керамзит, аглопорит и др.) при одной и той же плотности имеют более высокую
прочность, чем пористый раствор, поэтому максимальное насыщение поризованного легко
бетона керамзитом (о.0…1.15 м3/м3) способствует повышению его прочности или
понижению расхода цемента.
Цемент рациональнее применять М400 и > в целях понижения плотности (веса) бетона.
Выбор марки керамзита (по насыпной плотности от 360 до 700 через 100) – по таблице,
требуемой прочности бетона чем выше требуемая прочность, тем > цемент и плотность.
13.2.1. Подбор состава легкого бетона, поризованного воздухововлекающими добавками.
Производят расчетно-экспериментальным путем с проведением опытных замесов.
Расход Ц и В принимают по таблицам, причем, расход Ц берется разным на три замеса и
колеблется от 180 до 320 кг/м2 в зависимости от Rбет.(5; 7,5; 10 МПа).
Расход керамзитового гравия для подвижных смесей с учетом раздвижки зерен для
обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси принимают 0.9…0.95 м3/м3, для
малоподвижных и умеренно жестких смесей на керамзитовом песке 0.9…1.05 м 3/м3, для
жестких на кварцевом песке 1.05…1.15 м3/м3 ( большие значения для керамзитового гравия
меньшей прочности).
Расход песка в зависимости от заданной плотности бетона:
П=  б/ .сух.  1.15Ц  К , где
 б/ .сух. - плотность поризованного бетона в сухом состоянии, кг/м3;
Ц и К – расход цемента и керамзита, кг/м3.
Ориентировочное значение объема вовлеченного воздуха для получения поризованного
бетона сметной структуры:
VB.B.=

1 
Ц
П
К


 В)
1000  (
10 
ц  п  к

В зависимости от необходимого объема вовлеченного воздуха по таблице определяют
ориентировочный расход ВВ добавки в %% от массы цемента (микропенообразователи
СНВ
или ПО-6)> в 10 раз, чем СНВ для разных песков (дробленый керамзитовый - 0.02..0.15

%; кварцевый – 0.04…0.2 %; шлаковый – 0.05…0.15 %).
Для надежности при подборе состава бетона на 2…5 % ниже с прочностью на
10…20 % выше, чем требуется по проекту (влияние различных технологических факторов).
Рассчитав составы бетона для трех опытных замесов, проводят их изготовление и
испытания опытных образцов. По результатам испытания строят графики зависимости
прочности и плотности легкого поризованного бетона при заданных расходах цемента от
расхода ВВ добавки и устанавливают оптимальный состав бетона. Этот состав проверяют в
производственны условиях, вводя поправки на расход керамзита (с учетом раздробления в
смесителе).
Легкий беспесчаный бетон с поризованным цементным камнем рационально применять
при использовании пористого заполнителя с плотностью > 500 кг/м3. При этом возможно
получать на керамзите марок 500 по 800 плотность поризованного бетона 700…1000 и
прочностью после пропаривания 3…4…5 МПа с плотностью поризованного цементного
камня в 500 кг/м3.
13.2.2. Состав беспесчаного легкого бетона, поризованного пенно- или газообразующимим
добавками подбирают так:
1) устанавливают расход заполнителя;
2) определяют объем ячеистого бетона;
3) рассчитывают и уточняют в опытных замесах состав ячеистого бетона,
обеспечивающий заданные подвижность бетонной смеси и прочность затвердевшего
легкого бетона.
Расход (л.) пористого заполнителя.
Vщ.=
1000
, где
1  П ц (  1)
Пц – межзерновая пустотность заполнителя;
α – коэффициент раздвижки зерен заполнителя, α=1,1…1.2;
Объем ячеистого бетона (л.) подсчитывают из условия заполнения межзерновых пустот
заполнителя с некоторым избытком
Vяч.бет.=Vщ.Пщ.α
Плотность ячеистого бетона в сухом состоянии устанавливают из условия получения
заданной плотности легкого бетона:
/
/
/
 яч
.бет.  (1000  б .  Vщ.  щ. ) / V яч.бет. , где
 щ/ . - насыпная плотность пористого заполнителя, кг/л.
Состав ячеистого бетона определяют по методике, которую мы будем рассматривать в
разделе «Ячеистые бетоны».
Для опытных замесов рассчитывают три состав легкого бетона с расходом пористого
заполнителя, определяемым по формуле и отличающимся на ± 10 %. По данным испытания
опытных образцов (пропаренных) выявляют зависимость между прочностью легкого бетона
и плотностью ячеистого бетона. Принимают оптимальный состав бетона, обеспечивающий
получение легкого бетона заданной прочности и плотности при меньшем расходе цемента.
13.3. Крупнопористый легкий бетон.
Крупнопористый легкий бетон изготавливается без мелкой фракции (песка). Благодаря
этому строение бетона характеризуется большим количеством крупных пор в виде
межзерновых пустот, что приводит к уменьшению его плотности и к понижению
коэффициента теплопроводности. Вместе с тем исключение песка из состава
крупнопористого бетона значительно снижает суммарную поверхнось зерен заполнителя,
обволакиваемую слоем цементного теста, и соответственно уменьшает содержание цемента
в бетоне. Оно должно быть достаточным для создания контактов из цементного теста между
зернами крупного заполнителя
Состав крупнопористого конструктвно-теплоизляционного бетона на легких
заполнителях определяют также расчетно-экспериментальным методом. При этом задаются
классом 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 таблице в
зависимости от вида применяемого заполнителя и прочности проектируемого бетона,
колеблется в пределах 215…300 кг/м3 (для марки М 300).
Расход крупного заполнителя Щ принимают в зависимости от его пустотности Пщ:
при Пщ=40 %,
Щ=1.1 м3/м3
Для производственного состава расход
Пщ=50 %,
Щ=1.15 м3/м3
заполнителя увеличивается на 5…15 %
Пщ=60 %,
Щ=1.25 м3/м3
(из-за разрушения зерен при перемешивании).
Расход воды (л.) В=(НГ∙Ц+Щω30)/100, где
НГ – нормальная густота цементного теста, %;
ω 30 – водопоглощение по массе сухого крупного заполнителя за 30 мин., %
Плотность сухого бетона:  б/ .  1.15Ц  Щ .
Для уточнения расхода Ц и В приготавливают три опытных замеса: один с расчетным
количеством Ц и два отличающихся от первого на ±15…20 %. Оптимальное количество воды
принимают по составу смеси, имеющей наибольшую плотность и показатель
расслаиваемости <10 %. Если бетонная смесь имеет плотность больше заданной, то в нее
добавляют крупный заполнитель или заменяют его более легким.
Оптимальный состав бетона устанавливают по результатам испытания образцов на
прочность.
13.4. Ячеистый бетон.
Ячеистым бетоном называется разновидность особо легких бетонов, строение которых
характеризуется наличием значительного количества искусственно созданных равномерно
распределенных условно замкнутых пор (ячеек), заполненных воздухом или газом (Н 2, О2).
Мелкие, трудно сообщающиеся между собой воздушные ячейки диаметр 0.5…1.5 мм,
составляющие 50…80 % от общего объема бетона, придают материалу ценные строительнотехнические свойства: малую плотность и пониженную теплопроводность, достаточную
прочность морозостойкость и необходимое сцепление с арматурой.
Пористость ячеистым бетонам придаётся:
а) механическим путем, когда тесто, состоящее из вяжущего и воды, часто с добавкой
мелкого песка, смешивают с отдельно приготовленной пеной или вводят пенообразователь
непосредственно в специальный смеситель; при отвердении полученной массы получается
пористый материал, называемый пенобетоном;
б) химическим путём, когда в тесто, состоящее из воды, вяжущего и мелкого
кремнезёмосодержащего наполнителя вводят специальные газообразующие добавки; в
результате в тесте вяжущего вещества происходит реакция газообразования, оно
вспучивается и становится пористым. Затвердевший материал называют газобетоном.
13.4.1. Классификация ячеистого бетона.
Ячеистые бетоны по плотности и назначению делятся на :
- теплоизоляционные с плотностью 300…600кг/м3 и R = 0,4…1,2 МПа;
- конструктивные с плотностью 600…1200 кг/м3 и R = 2,5…15 МПа.
По способу твердения различают ячеистые бетоны неавтоклавного и автоклавного
твердения.
Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения применяют цементы марок не ниже
М400, чтобы достичь в короткий срок необходимую устойчивость ячеистой массы до её
тепло-влажностной
обработки.
Применять
пуццолановый
портландцемент
и
шлакопортландцемент не рекомендуется из-за длительных сроков схватывания и
повышенной усадки ячеистой массы после заполнения формы (особенно у пенобетона).
Наибольшее применение получили ячеистые бетоны автоклавного твердения. Набор
прочности эти бетоны получают в сосудах высокого давления (8…10 атм) и высокой
температуры (+175…200°С), обеспечиваемых паром (перегретым).
Автоклавные ячеистые бетоны изготавливаются из следующих смесей:
- цемента с молотым кварцевым песком; часть песка вводят не размолотым (пено-,
газобетоны) – для бетонов с плотностью ˃ 1000 кг/м3;
- молотой негашёной извести с кварцевым измельченным песком (пенно-,
газосиликаты);
- цемента и извести (молотой негашёной) в соотношении 1:1 по массе, и песка; песок
может заменяться золой (зола-уноса с электрофильтров ТЭС), тогда получаются
пенозолобетоны или газозолобетоны; цемент (ПЦ) алитовый (C3S ˃ 50%), низко- и
среднеалюминатный (C3A = 5…8%) с началом схватывания не позднее 2 часов. Возможно
применение и белитовых ПЦ.
Для приготовления автоклавных ячеистых бетонов применяют известь с содержанием
СаОакт не менее 70%, MgO не более 5%, высокоэкзотермическую с температурой гашения
~ 85°С. Тонкость помола извести-кипелки не ниже 3500…4000 см2/г.
Кварцевые пески должны содержать не менее 90% SiO2, не более 5% глины и не
более 0,5% слюды. Тонкость помола песка Sуд = 1200…2000 см2/г.
Зола-уноса характеризуется высокой пористостью и дисперсностью (Sуд = 2000/3000
2
cм /г). Поэтому золу можно не домалывать, а бетоны на золе-уноса получаются с меньшей
плотностью, чем на кварцевом песке.
13.4.2. Пенообразователи.
Для образования ячеистой структуры бетона применяют пенно- или газообразователи.
В качестве пенообразователей используют несколько видов ПАВ, способствующих
получению устойчивой пены.
Клееканифольный(КК) пенообразователь приготавливают из мездрового или костного
клея, канифоли и водного раствора едкого натра (NaOH).При длительном взбивании
эмульсии получается большой объем устойчивой пены. Срок хранения клееканифольного
(КК) пенообразователя не более 20 суток при температуре +2…4°С.
Смолосапониновый (СС) пенообразователь получают из мыльного корня и воды.
Введение в него жидкого стекла в качестве стабилизатора увеличивает стойкость пены. Срок
хранения 1 месяц при температуре нормальной.
Алюмосульфонафтеновый (АСН) пенообразователь получают из керосинового
контакта, сернокислого глинозёма и едкого натра. По стоимости дешевле КК и СС, дает
более устойчивую пену. Сохраняет свои свойства при положительной температуре до 6
месяцев.
Пенообразователь ГК – готовят из гидролизованной боенской крови марки ПО-6 и
сернокислого железа. Его можно применять с ускорителем твердения. Срок хранения при
температуре = 18…20°С – полгода.
В последнее время большое распространение получили
органические
пенообразователи, выпускаемые специально для пенобетона.
Расход пенообразователя для получения пены (в % от воды): КК = 8…12%, СС =
12…16%, АСН = 16…20% и ГК = 4…6 %, органических – 6…12%.
13.4.3. Газообразователи.
В качестве газообразователя применяют алюминиевую пудру марки ПАК-3 или
ПАК-4 с содержанием активного алюминия 82% и тонкостью помола 5000…6000 см2/г.
Расход пудры в зависимости от требуемой плотности газобетона составляет 250…600 г/м3.
Для защиты алюминиевой пудры от окисления при производстве её вводят парафин,
который обволакивает тонкой плёнкой каждую чешуйку алюминия, придавая ему
гидрофобность. Такая пудра не осаждается в воде и не образует водную суспензию. Поэтому
перед
приготовлением суспензии необходимо парафиновую
плёнку удалить
(депарафинизировать). Этого добиваются тремя путями:
1) Прокаливанием пудры в электропечах при температуре 200…220°С в течение 4…6
часов (парафин испаряется); в последние годы этот способ применяется редко ((взрыво-,
пожароопасен);
2) Растворением плёнки в растворе ПАВ (мылонафта, сульфанола, стирального
порошка (взрывоопасен из-за пыления Al);
3) Смешиванием алюминиевой пудры со специальным ПАВ – поризатором,
разработанным фирмой «Ванг» (г. Москва) – на заводе – изготовителе алюминиевой пудры.
Такая пудра становится взрыво-, пожаро- безопасной и становится гидрофильной (защищать
от увлажнения), не требующей операции депарафинизации в условиях завода-потребителя.
Частицы алюминиевого порошка не агрегатируются в воде, что обуславливает получение
очень мелких пор в массиве формуемого изделия.
4) Вспучивание растворной массы происходит в результате химического
взаимодействия металлического алюминия с гидроокисью кальция и выделения при этом
водорода:
3Ca(OH)2 + 2Al + 6H2O = 3 CaO·Al2O3·6H2O + 3H2↑.
Возможно применение в качестве газообразователя – пергидроля – водного раствора
технической перекиси водорода (H2O2). Это H2O2 крайне нестойкое, легко разлагающееся в
щелочной среде соединение, интенсивно выделяющее при смешивании с цементным тестом
кислород: 2H2O2 → 2H2O+O2/
Цементный раствор с добавкой пергидроля схватывается весьма быстро, поэтому
заливка приготовленного раствора в формы должна быть закончена не позднее чем через 3
минуты с момента добавки пергидроля в растворную смесь. На основе пергидроля лучше
всего получается конструктивный газобетон с плотностью 1100…1200 кг/м3 (Rсж=10…12
МПа).
Количество газа, выделяемого 1 кг пергидроля (30% концентрации), в 10 раз меньше,
нежели 1 кг алюминиевого порошка. Но интенсивность выделения газа в обоих случаях
различная. Если при введении алюминиевого порошка главная масса газа выделяется через
30…40 минут после смешивания, то газовыделение при пергидроле практически начинается
немедленно после его введения в суспензию и полностью заканчивается через 7…10 минут.
В последующем образующийся кислород относительно быстро диффундирует в
окружающую среду и поры газобетона заполняются воздухом из атмосферы.
‫׀‬
Рис. Зависимость прочности ячеистого бетона от его плотности 𝜌б .
Расход пергидроля 30% концентрации 1…1,3% от массы твердого (вяжущее + песок
или золя), или 9…10 кг/м3 газобетона.
Плотность ячеистого бетона и его пористость зависят главным образом от расхода
порообразователя и степени использования его порообразующей способности. Некоторое
влияние на эти показатели оказывает В/Т: увеличение В/Т увеличивает текучесть смеси и
улучшает условия образования пористой структуры.
Прочность же ячеистого бетона зависит от его плотности и характера пористости
(размеров и структуры пор и прочности межпоровых оболочек), а прочность оболочек
зависит от оптимального соотношения основного вяжущего и кремнезёмистого компонента,
водопотребления и условий тепловлажностной обработки. Поэтому применение смесей с
min В/Т при условии образования высококачественной структуры (например,
вибровспучиванием) позволяет получить ячеистый бетон более высокой прочности.
13.4.4. Подбор состава ячеистого бетона.
1. Выбирают соотношение между кремнезёмистым компонентом и вяжущим
веществом (С) по таблице в зависимости от вида вяжущего.
2. Определяют водотвердое отношение В/Т, обеспечивающее заданную текучесть
смеси определяемую по таблице «Текучесть ячеистобетонной смеси».
Для расчетов значение В/Т может быть принято:
а) при литьевой технологии:
для ячеистых бетонов на песке В/Т = 0,5;
на извести В/Т = 0,5…0,55;
на смешанном вяжущем В/Т = 0,46…0,5;
на золе В/Т
= 0,6.
б) при вибротехнологии (с использованием С-3):
для ячеистых бетонов на песке В/Т = 0,3;
на золе В/Т = 0,4.
3. Определяют количество порообразователя на замесе Рп:
3,1. Определяют предварительную пористость бетона Пр:
‫׀‬
Пр = 1 −
‫׀‬
𝜌с
𝑘с
В
(𝑉уд + ), где
Т
𝜌с - плотность ячеистого бетона в высушенном состоянии, кг/л;
𝑘с - коэффициент, учитывающий связанную воду в материале (𝑘с = 1,1;
𝑉уд – удельный абсолютный объем 1 кг сухой смеси (𝑉уд = 0,32 … 0,44 л) при ПЦ;
ИШЦ меньше для песка; больше для золы - (𝑉уд = 0,36 … 0,48 л - известь, смешанные
цементы)
1.2.
Расход порообразователя Рп (алюминиевой пудры или водные растворы
пенообразователя на замес):
Рп =
Пр
𝛼·𝑘
· 𝑉, где
𝛼 - коэффициент использования порообразователя (α =0,85);
𝑘 – коэффициент выхода порообразователя (отношение объема пор к массе
порообразователя (kAl = 1390 л/кг; kпен = 20 л/кг);
𝑉 - заданный объем ячеистой смеси, л.
2.
Устанавливают расход сухих материалов и воды на пробный замес, учитывая
не только свойства ячеистого бетона, но и температуру вспучивания и время схватывания.
Расход материалов на замес
‫׀‬
Рсух
𝜌с
= ∙ 𝑉;
𝑘с
Рвяж =
Рсух
;
1+с
Рц = Рвяж ∙ 𝑛;
Ри = Рвяж (1 − 𝑛);
Риф =
Ри
Аф
∙ 100;
В
Рв = Рсух ∙ ;
Т
Рк = Рсух − (Рц + Риф ), где
Рсух – суммарный расход сухих материалов на замес;
‫׀‬
𝜌с - плотность ячеистого бетона, высушенного до постоянной массы;
𝑘с - коэффициент, учитывающий связанную воду в материале, 𝑘с =1,1;
𝑉 - заданный объем одновременно формуемых изделий, увеличенный с учётом
образования «горбушки» на 7…10 % для индивидуальных форм и на 3…5 % для массивов;
Рвяж – масса вяжущего;
С – отношение кремнезёмистого компонента к вяжущему;
n – доля цемента в смешанном вяжущем;
Ри – масса товарной извести, содержащей 100 % CaO;
Риф – масса товарной извести, на которой делают замес (%CaO↓);
Аф – фактическое содержание СаО в товарной извести (активность);
Рв – масса воды;
Рк – масса кремнезёмистого компонента.
Рассчитанный состав является ориентировочным. Его уточняют приготовлением
опытных замесов и испытанием образцов.
14. ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА
14.1. Силикатный бетон
14.1.1. Общие сведения
Силикатный бетон – камневидный искусственный строительный конгломерат,
получающийся из уплотненной и отвердевшей в автоклаве увлажненной смеси молотой
извести (6…30%), молотого кварцевого песка (8…15%) и обычного кварцевого песка
(60…80%) или другого заполнителя.
Силикатные бетоны могут быть:
- тяжёлыми – со средней плотностью более 1800 кг/м3 (в них плотные заполнители –
песок, щебень или гравий);
-лёгкими – со средней плотностью менее 1800 кг/м3 (заполнитель – керамзит,
аглопорит, перлит, термозит и т.п.);
-ячеистыми – плотность менее 500 кг/м3 (пена-газосиликаты).
По крупности зерен применяемого заполнителя:
- крупнозерностые – диаметр больше 5 мм;
- мелкозернистые – диаметр меньше 5 мм.
Наибольшее применение нашли тяжёлые мелкозернистые бетоны с Rсж: 15, 20, 25, 30,
40, и 50 МПа (редко 60, 70, 80 и более МПа).
Морозостойкость таких бетонов высокая, особенно бетонов высокой прочности – до
300 циклов.
Виды вяжущих зависят от вида кремнезёмистого компонента и называются:
- известково-кремнезёмистые (совместно тонкомолотые известь и кварцевый песок);
- известково-шлаковые (металлургические или топливные шлаки);
- известково-зольные (топливные золы);
-известково-аглопоритовые (отходы производства искусственных пористых
заполнителей);
- известково-белитовые (тонкомолотые продукты низкообжиговой и известковокремнезёмистой шихты и песка или нефелинового (белитового) шлама и песка).
Возможно применение специальных добавок для замедления гидратации извести
(гипсовый камень); для повышения помолоспособности компонентов и пластификации
бетонной смеси (триэтаноламин); для гидрофобизации и повышения долговечности бетона
(ГКЖ-10, ГКЖ-11); суперпластификаторы и др.
14.1.2. расчет состава силикатного бетона. Рассчитывают двумя способами:
1. Когда известна активность известково-кремнезёмистого вяжущего (ИКВ) и
предполагается автоклавная обработка – используется расчетно-экпериментальный метод
для цементного тяжёлого бетона (рассмотрен ранее).
При определении В/Ц по известным формулам
В
Ц
=
А1 𝑅ц
𝑅б +А∙0,5𝑅ц
Учитывают
активность
известково-кремнезёмистого
вяжущего.
Прочность
силикатного бетона устанавливают по результатам испытания после автоклавной обработки.
Расход воды – по результатам испытаний бетонной смеси состава 1:1:2 и уточняют по
результатам пробных замесов.
Коэффициент раздвижки α принимают на 0,1…0,2 выше рекомендуемых для тяжёлого
бетона, а коэффициент А=0,5.
Расход песка П=[1000-(Цик/ρик+В)]˸ρп , где
Цик – расход известково-кремнезёмистого вяжущего, кг;
ρик – истинная плотность вяжущего, кг/л;
ρп – истинная плотность песка, кг/л.
Окончательный расход материалов уточняют по результатам пробных замесов.
2.Когда активность известково-кремнезёмистого вяжущего неизвестна – по методике
ВНИИ строма, связывающей прочность силикатного бетона с его плотностью, качеством
извести, водоцементным отношением, тонкостью помола песка, соотношением между
известью и тонкомолотым песком и другими факторами.
Прочность плотного силикатного бетона на негашёной молотой извести
ориентировочно можно определить по формуле:
𝑅б = 40,5 (
𝑆м.п
1000
+
1,6
Ц/В−1
) + 180, где
Sм.п – удельная поверхность молотого песка, см2/г.
При использовании гашёной извести, обладающей очень большой удельной
поверхностью, изменение дисперсности молотого песка оказывает незначительное влияние
на прочность бетона и им можно пренебречь тогда:
R=160(Ц/В-1) + 140
Минимальное количество известково-песчаного вяжущег о обеспечивающее
получение плотного бетона
‫׀‬
𝜌
п𝑘у
1−ВВ −
𝜌п 𝑚
о
1 В
+
𝜌ц Ц
Ц=
, где
ВВ – объем воздуха, защемлённого в уплотнённой силикатной смеси;
‫׀‬
Kу – коэффициент уплотнения песка при различных способах формирования: kу=
𝜌ВП
‫׀‬
𝜌П
,
- при объемном вибрировании с пригрузом ВВ = 0,05, kу=1,15…1,25;
- при формовании скользящим виброштампом ВВ = 0,04, , kу= 1,3…1,4;
- при формовании на стенде силового вибропроката ВВ = 0,035, , kу= 1,35…1,45,
‫׀‬
𝜌ВП - плотность сухого немолотого песка в уплотнённом состоянии;
𝑚 – коэффициент раздвижки зёрен немолотого песка тонкомолотой добавкой и
известью:
𝑚=(
Дср +𝑑ср 3
) , Дср
Дср
=
3,1а1 +0,9а2 +0,45а3 +0,25а4 +0,12а5 +0,45а6
100
,
Дср - средний поперечник (диаметр) зёрен немолотого песка, мм;
а1, а2 а3 а4 а5 - частные остатки на 1,2; 0,6; 0,3; 0,15; 0,09 мм;
а6 - количество песка, прошедшее через сито 0,09 мм;
𝑑ср - средний поперечник зёрен молотого песка, мм;
𝑑ср =
26,5
, где Sм.п – удельная поверхность молотого песка, см2/г.
𝑆м.п −850
Для придания силикатобетонной смеси требуемой подвижности расход вяжущего
увеличивается:
Ц = 𝑛Ц0 , т/м3, где
𝑛 - коэффициент избытка теста вяжущего, зависит от требуемой влажности смеси,
определяющей её жёсткость, необходимую для её качественного уплотнения при различных
способах формования изделий (определяется по таблицам).
Расход извести:
И=Иа/А, Иа = 1
Ц
+1,54
а
, где
Иа – содержание активной извести, т/м3
А – содержание активного оксида кальция в товарной извести , доли единиц;
а – соотношение между активным CaO и молотым песком в вяжущем; назначают
исходя из условия получения при автоклавной обработке гидросиликатов кальция
оптимального сотава при минимальном расходе извести (по таблицам). Расход CaO
колеблется от 5,8…6,5% для марки в 20 МПа до 8…10,5% в 50 МПа (меньшее значение для
крупного песка, большее – для очень мелкого).
Расход молотого песка (т/м3)
Пм = Ц – И
Расход немолотого песка-заполнителя (т/м3)
‫׀‬
Пн = 2,5-n(2,5 -
𝜌ВП
𝑚
)
Количество воды в бетонной смеси (л/м3)
В = Ц · В/Ц
Плотность уплотненного силикатного бетона (т/м3)
‫׀‬
𝜌б = Ц + Пн
При определении состава силикатного бетона следует иметь в виду следующее:
1)
Чем мельче песок-заполнитель, тем меньше должна быть размолота та часть
песка, которая входит в состав вяжущего;
2) Чем выше заданная прочность бетона, тем больше расход вяжущего;
3)
Расход вяжущего для получения силикатного бетона заданной прочности
уменьшается при увеличении дисперсности мелкого песка и растет при увеличении
формовочной влажности силикатобетонной смеси;
4) Дисперсность молотой извести д.б. в 2…2,5 раза дисперсности молотого песка.
5) Для быстрого определения ориентировочного состава силикатного бетона
существуют графики для конкретной прочности бетона, составленные на основе
приведенных формул. Тогда по таблицам определяют необходимую жёсткость смеси и по
ней влажность смеси и по графику определяют расходы вяжущего, активной извести,
немолотого песка, воды затворения и плотности свежеуложенного бетона.
Подобранный по графикам или рассчитанный состав силикатного бетона уточняют
на образцах, изготовленных из смесей с одинаковым В/Ц при расходе вяжущего 0,9Ц; Ц;
1,1Ц и выбирают оптимальный состав, отвечающий заданным условиям.
14.2. Цементно-полимерный бетон
ЦПБ – цементные бетоны с добавками различных высокомолекулярных органических
соединений в виде водных дисперсных полимеров – продуктов эмульсионной
полимеризации различных полимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола, латексов и др.
или водорастворимых коллоидов: поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных
водорастворимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегидных смол. Добавки вводят в
бетонную смесь при её приготовлении. Вводимые полимеры создают в структуре материала
полимерную фазу и существенно влияют на его строение и свойства.
ЦПБ характеризуются наличием двух активных составляющих: минерального
вяжущего и органического вещества. Вяжущее вещество с водой образует цементный
камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из
бетона образует на поверхности пор, каппиляров, зёрен цемента и заполнителя тонкую
плёнку, которая обладает хорошей адгезией и способствует повышению сцепления между
заполнителем и цементным камнем, улучшает монолитность бетонак и работу минерального
скелета под нагрузкой. В результате ЦПБ приобретает повышенную прочность на
растяжение и изгиб, морозостойкость, высокую износостойкость, непроницаемость. Но при
водном хранении снижается прочность бетона.
Наиболее
распространёнными
добавками
полимеров
являются:
ПВА
(поливинилацетат), латексы и водорастворимые смолы. ПВА обычно применяется в виде
эмульсии, содержащей ~ 50% сухого вещества и некоторого количества поливинилового
спирта как эмульгатора.
Латексы содержат дивинил и стирол: СКС-30 (30 частей стирола), СКС-50 (50 ч.) и
СКС-65 (65 ч.). С увеличением содержания стирола повышается прочность и твердость
полимера и снижается его эластичность.
Основным фактором, влияющим на свойства ЦПБ, является полимерцементное
отношение. Оптимальная добавка ПВА составляет 20 % Ц. Латексы применяют
стабилизированные (во избежание коагуляции полимера вводят стабилизатор – соду,
казеинат аммония и др.).
Полимерные добавки увеличивают пластичность растворных смесей по сравнению с
чисто цементными. Прочность увеличивается, если бетон твердеет в воздушно сухих
условиях (влажность 40…50%), при 90…100% влажности прочность снижается.
Водорастворимые смолы вводятся в бетон в небольших количествах (~ 2% Ц). Это
эпоксидные смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1, полиамидная смола № 89, которые характеризуются
высокой адгезией к новообразованиям цементного камня, к кварцу, граниту. Смола № 89
полимеризуется в щелочной среде без введения инициатора, а смолы ДЭГ-1 и ТЭГ-1 вводят
в воду затворения вместе с отвердителем.
ЦПБ приготавливают по той же технологии, что и обычный цементный бетон.
Применяют эти бетоны для полов, дорог, отделочных и клеевых составов, коррозионностойких покрытий.
14.3. Полимербетоны
Полимербетонами называют бетоны, в которых вяжущими служат различные
полимерные смолы, а заполнителями – неорганические материалы – песок и щебень. Иногда
в целях экономии смолы в полимербетоны вводят тонкомолотые наполнители. Для
ускорения твердения и улучшения свойств применяют отвердители, пластификаторы и др.
специальные добавки.
Наиболее часто для полимербетонов используют термореактивные смолы:
фурановые, эпоксидные и полиэфирные акриловые. Отверждение происходит или при
обычной температуре или в условиях подогрева.
Фурановые смолы наиболее дёшевы (мономер ФА). Отверждение происходитв
присутствии катализаторов (сульфокислот: бензосульфокислоты 20…30 % от ФА, контакт
Петрова).
Из эпоксидных смол для полимербетонов наиболее пригодныжидкие смолы ЭД-5,
ЭД-6. Эпоксидные смолы отверждаются с помощью катализатора ионного типа полиэтиленполиамин (10…20% массы смолы), гексометилендиамин (10..20%).
При
повышении температуры скорость отверждения возрастает.
Полиэфирные смолы – полиэфирмалеинады ПН-1 и ПН-3 и полиэфирокрилаты МГФ9 И ТМГФ-11 отверждаются при обычной температуре с помощью катализаторов (перекиси
бензоила, циклогексанона, метилэтилкатона).
В качестве заполнителей применяют кислотостойкие минеральные вещества, т.к. для
полимеризации используют кислые отвердители – это для полимербетонов на фурановых и
формальдегидных смолах, а для полимербетонов на полиэфирных и эпоксидных смолах
можно применять самые различные заполнители.
Наибольшей прочностью обладают полимербетоны на эпоксидной смоле (Rсж=100
МПа, Rрастяж=12 МПа). Для этих бетонов характерны также хорошая химическая стойкость,
водостойкость, стойкость к истиранию, высокая клеящая способность. Но стоимость бетона
на эпоксидной смоле в 10…15 раз выше стоимости обычного цементного бетона.
Расход смолы в полимербетоне зависит от свойств заполнителя. Чем больше
пустотность заполнителя, выше содержание в нем мелких фракций и больше их удельная
поверхность, тем больше расход смолы и отвердителя. Поэтому опытным путем подбирают
наиболее плотную смесь заполнителей, затем рассчитывают количество микронаполнителя
(различных молотых горных пород, которое должно быть больше на 10 % объема пустот в
заполнителе). Опытным путем подбирают расход смолы, чтобы получить заданную
подвижность бетонной смеси (примерно на 10…20 % больше объема пустот в
микронаполнителе). Слишком большое количество смолы применять не следует, так как это
увеличивает усадку бетона, температурные деформации и снижает прочность бетона.
Количество отвердителя подбирают так же опытным путем.
Применяют полимербетоны в коррозионно-стойких конструкциях химических
производств, в конструкциях, испытывающих сильное истирающее воздействие (водосливы
гидротехнических сооружений, некоторые трубопроводы), сантехнических изделиях.
14.4. Бетонополимеры
Бетонополимер – новый материал, полученный при пропитке поверхностной зоны
готового бетонного (или же железобетонного) изделия жидким мономером с последующей
полимеризацией мономера в теле бетона. Жидкие мономеры (стирол, метилметакрилат)
могут за сравнительно короткое время пропитывать бетон на глубину 10…20 см и более.
Количество мономера, потребное для пропитки бетона зависит от его пористости. Для
полной пропитки плотного бетона требуется мономера 2…5 % по массе (4…10 % по
объему), раствора – на 30…70 % больше чем для бетона, легкие пористые бетоны могут
впитать до 30…60 % мономера.
Цель пропитки – заполнить полы и капилляры другим веществом. Для этого готовые
бетонные или железобетонные изделия или конструкции подвергают специальной
обработке, включающей сушку изделий и вакуумирование до пропитки. Сушка бетона
проводится с целью освободить от воды поры и капилляры материалов и лучше подготовить
их для заполнения специальным составом.
Свойства бетонополимеров зависят как от свойств бетона и полимера, так и от
технологии обработки. Чем прочнее полимер, используемый для пропитки, и больше его
содержание в бетонополимере и чем прочнее бетонный каменный скелет, тем выше
прочность бетонополимера, которая может достигать 200 МПа и более. Прочность
бетонополимера выше прочности использованного бетона и полимера.
Полимер как бы заклеивает дефекты структуры цементного камня, заполнителя и
контактной зоны, и связывает тысячами нитей различные участки бетона, повышая их
сопротивление нагрузке и трещиностойкость.
Образующуюся в бетоне сетку полимера можно рассматривать как особого рода
дисперсное армирование. При полимеризации мономер стремится сократиться в объеме, что
вызывает обжатие в минеральной части материала. В результате создается разновидность
предварительно напряжённого состояния материала, что так же способствует его прочности
и трещиностойкости.
Специальная обработка бетона полимером способствует значительному повышению
прочности сцепления между заполнителем и цементным камнем. Полимер, проникая в
раствор и заполнитель, кА бы связывает их своими нитями воедино, склеивает все дефекты
контакта. Прочность сцепления цементного раствора с гранитом и известняком повышается
с 1…2 МПа в обычном бетоне до 8…9 МПа в бетонополимере. А прочность на сжатие
повышается в 2…10 раз, т.е. получается бетонополимер прочность 80…200 Мпа.
В бетонополимере щебень является слабым звеном, поэтому высокие прочности
показывает мелкозернистый бетонополимер. Получены мелкозернистые бетонополимеры с
Rсж150…210 МПа, что позволяет создавать эффективные тонкостенные конструкции.
В интервале температур 0…100°С прочность бетонополимера почти не изменяется, с
повышением температуры более 100°С его прочность начинает уменьшаться. При остывании
ниже 0° С его прочность увеличивается из-за повышения прочности полимера при
охлаждении.
Пропитка бетона мономером позволяет экономить цемент за счет замены части его
золой или тонкомолотыми отходами камня дробления. Замена до 50 % цемента золой мало
влияет на прочность бетонополимера. Зола имеет большое количество тонких капилляров и
обеспечивает создание более дисперсной и вместе с тем более связанной, лучше
пронизывающей все тело бетона сетки полимерных нитей, что способствует получению
прочных и особо плотных бетонополимеров. Бетонополимеры с золой имеют прочность
140…160 МПа.
Специальную обработку изделий полимером производят для повышения
долговечности изделий, работающих в суровых климатических или агрессивных условиях, а
так же для получения изделий с особыми свойствами (износостойких, электроизоляционных,
электропроводных, декоративных, газонепронизаемых и др.). Широко используют пропитку
полимерными составами при ремонте и восстановлении бетонных и железобетонных
изделий.
14.5. Фибробетон
Фибробетон – это бетон армированный дисперсными волокнами (фибрами).
Фибробетон обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью на растяжение, ударной
вязкостью, сопротивлением истиранию. Изделия из такого бетона можно не армировать
сетками и каркасами, что упрощает технологию изготовления изделия и снижает её
трудоёмкость.
В качестве фибр применяют тонкую проволоку диаметром 0,1…0,5 мм, нарубленную
на отрезки длиной 10…50 мм или выштампованные специальные фибры. Лучшие
результаты обеспечивают фибры диаметром 0,3 мм и длиной 25 мм. При повышении
диаметра более 0,6 мм резко уменьшается эффективность влияния дисперсного армирования
на прочность бетона.
Можно применять стеклянные волокна базальтовые, асбестовые. Стеклянные волокна
имеют диаметр 10…50 микрон и длину 20…40 мм. Они обладают высокой прочностью на
растяжение (1500…3000 МПа), их модуль деформации выше, чем у цементного камня. Но
стекло быстро разрушается под действием щелочной среды цемента. Необходимо
применение специальных вяжущих веществ (глинозёмистого цемента) или введение
добавок, связывающих щёлочи.
Применение асбестовых волокон – асбоцемент.
Возможно применение полимерных волокон. Но эти волокна недостаточно хорошо
сцепляются с цементным камнем, что вынуждает применять специальные фибры
периодического профиля или наносить на волокна покрытие. Применяют волокна из
полиэфира, полиакрилата, полипропилена – для армирования ячеистых бетонов,
гипсобетонов, тонкостенных изделий, подвергающихся ударам или эксплуатирующихся в
условиях, которых стальные волокна быстро разрушаются от коррозии.
Стальными и неметаллическими волокнами армируют, как правило ,мелкозернистые
бетоны, иногда цементный камень. Эффективность применения волокон в бетоне зависит от
их содержания и расстояния между отдельными волокнами, которое должно быть не более
10 мм, поэтому применение в бетоне крупного заполнителя, не позволяющего расположить
дисперсные волокна близко друг к другу, снижает эффективность подобного армирования.
Стальные фибры вводят в бетонную смесь в количестве 1…2,5% объема бетона
(3…9% по массе, или 70 …200 кг/м3 смеси). В этом случае повышаются прочность бетона на
растяжение на 10…30%, сопротивляемость бетона ударам и износостойкость.
Стеклянные волокна вводят в бетонную смесь в количестве 1…4% объема бетона.
Они повышают прочность бетона на растяжение и его трещиностойкость.
При армировании бетона дисперсными волокнами его разрушение происходит не
сразу, а постепенно. Фибра как бы поддерживает бетон, помогает ему сопротивляться
растягивающим напряжениям. При воздействии на бетон механических или тепловых ударов
(пожар) бетон долгое время обеспечивает защиту более глубоких слоев и не выкрашивается
с поверхности.
Волокна понижают подвижность бетонной смеси и вызывают определенные
трудности в приготовлении ее, поэтому несколько увеличивают количество воды и
содержание мельчайших частиц (цемента и мелкого заполнителя, Ц=400…500 кг/м3 ).
Чтобы при перемешивании бетонной смеси с фибрами не образовывалось комков и
«ежей», фибры вводят в последнюю очередь и предварительно перемешанную смесь
цемента, воды и заполнителя или смешивают сначала заполнители и волокна, а затем
добавляют цемент и воду.
Дисперсная арматура в бетоне хорошо защищена от коррозии плотным цементным
камнем, но для работы фибробетона в агрессивных средах стальные фибры защищают
специальными покрытиями, которые не только повышают стойкость фибровой арматуры к
коррозии, но и улучшают сцепление между фибрами и бетоном и тем самым повышают на
20…40% прочность бетона на растяжение и его трещиностойкость.
14.6. Декоративный бетон (на самостоятельное изучение).
14.7. Жаростойкий бетон.
Жаростойкие бетоны сохраняют свои свойства при продолжительном воздействии
высоких температур в тепловых агрегатах.
Обычный тяжелый бетон способен стабильно сохранять или даже несколько
увеличивать прочность при длительном нагревании до 100° С. При дальнейшем увеличении
температуры может возникнуть явление постоянного упрочнения за счет ускорения
процессов гидратации. Однако при температуре более140…150 ° С отмечается снижение
прочности с ухудшением других свойств, т.к. частично разрушаются кристаллические
гидратные образования, удаляется химически связанная вода. Для температуры в пределах
200…1580 °С требуется применение жаростойких бетонов, а при t=1580…1700 °С –
огнеупорных бетонов.
Жаростойкие бетоны изготавливаются из вяжущего, воды и жаростойких
заполнителей.
Вяжущие: ПЦ, ШПЦ, глиноземистый цемент и жидкое стекло. Для улучшения
структуры цементного камня и сохранения прочности в вяжущее вводят тонкомолотые
минеральные добавки из хромитовой руды, боя шамотного, магнезитового или обычного
кирпича, андезита, пемзы, гранулированного доменного шлака, топливного шлака и золууноса.
Мелкий и крупный заполнитель: хромитовая руда, бой магнезитового, шамотного и
обыкновенного глиняного кирпича, кусковой шамот, доменный отвальный шлак, базальт,
диабаз, андезит, артикский туф. Максимальная крупность щебня для массивных конструкций
(фундаментов) не более 40 мм, для всех остальных не более 20мм. Мелких частиц менее
0,14мм в заполнителях должно быть не более 15% по массе. Зерновой состав щебня и песка
выбирается по таблицам. Материалы и состав жаростойкого бетона в зависимости от
условий и температуры его службы выбирают также по таблице.
Марку жаростойкого бетона определяют пределом прочности при сжатии
кубов10х10х10см, умноженном на коэффициент 0,85 (для перехода к прочности кубов
20х20х20 см). Образцы испытывают после твердения в течение 7 суток для бетонов на ПЦ и
3 суток- для бетонов на глиноземистом цементе и жидком стекле. Образцы на ПЦ и
глиноземистом цементе выдерживают во влажных условиях, образцы на жидком стекле - в
воздушно-сухих условиях при t=18+3° С. Перед испытанием образцы высушивают при
температуре 100…110°С в течение32 часов, а затем охлаждаю. Для жаростойких бетонов с
предельной температурой службы свыше 600°С определяют остаточную прочность после
нагревания. Остаточная прочность (%) есть отношение предела прочности при сжатии
образцов бетона, испытанных после нагрева до необходимой предельной температуры
службы ((600°, 700°, 800°), к пределу прочности контрольных высушенных образцов.
Скорость нагревания 150…200 °С/ч, время выдерживания при предельной температуре – 4
часа. Затем образцы остывают в печи до комнатной температуры, после чего их
выдерживают в течение 7 суток над ёмкостью с водой и испытывают на сжатие.
ШПЦ можно применять в жаростойких бетонах, предназначенных для службы при
температуре < 700°С. Если содержание шлака при этом <50%, то в бетон вводят любую
тонкомолотую добавку (кроме золы-уноса) в количестве 30% от массы ШПЦ.
Жаростойкие бетоны на жидком стекле применяют в условиях воздействия на
конструкцию кислой агрессивной среды. Однако, их нельзя применять в условиях
постоянного воздействия паровой среды или воды.
Бетон на глиноземистом цементе применяют в конструкциях толщиной ˃40см, но в
первые сутки твердения температура в теле бетона не должна превышать 40°С (отвод
тепла),т.к. возможно резкое снижение прочности бетона.
При приготовлении жаростойких бетонов количество воды или жидкого стекла
должно быть минимальным, ОК не более 2см. Для затворения жаростойких бетонов обычно
требуется 170…190 кг/м3 .
Окончательный состав бетона уточняется по результатам пробных замесов. Плотность
жаростойких бетонов в высушенном состоянии, примерно на 150…200кг/м3.
1.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ
15.1. Бетоны на специальных вяжущих веществах.
1. Бетоны на магнезиальных вяжущих (БМВ).
Это самый «Молодой» бетон, с 1967 года – на основе оксихлорида магния*.
Многие свойства БМВ лучше, чем у бетонов на ПЦ:
- не требуют влажного хранения при твердении;
- обеспечивают очень высокую огнестойкость;
- низкая теплопроводность;
- хорошая износостойкость;
- хорошая прочность при сжатии (50…90 МПа) и при изгибе (8…15 МПа).
В качестве заполнителей можно использовать очень широкий круг материалов: от
неорганических (известняк, мраморная крошка, асбест, песок, гравий, щебень из горных
пород, граншлаки, сульфат магния и пигменты) до органических (опилки, стружка,
дроблёный резиновый материал, отходы пластмасс и картонажного производства, льняная
костра, хлопка и т.д.).
БМВ характеризуются эластичностью, высокой ранней прочностью, стойкостью к
действию масел, смазок, лаков, красок, органических растворителей, щелочей и солей (в том
числе сульфатов), обладают бактерицидностью.
Применяют для полов в зданиях индустриального, торгового и жилищного
назначения, для стяжек под полы из ковровых материалов и линолеума.
Недостатки:
- не устойчив к воздействию воды (потеря прочности);
- не стоек к действию некоторых кислот и солей;
- может вызывать коррозию арматуры.
Но, не смотря на недостатки, интерес к этому бетону не снижается; подкупает
возможность широкого использования разнообразных отходов в качестве компонентов
вяжущего и заполнителей, а также применения широко доступного и дешёвого доломита, как
материала для замены каустического магнезита.
* Магнезиальные вяжущие вещества: каустический магнезит (чистый MgO получают
из магнезита MgCO3) и каустический доломит (MgO+CaCO3 получают из горной породы
доломита). Затворяют не водой, с водным раствором хлористого магния MgCl2 (затворитель,
d=1,3…1,34 г/см3). Соотношение MgCl2 : MgO от 1 : 2,35 до 1 : 3,3
2. Бетоны на фосфатных цементах.
Тоже «молодые» бетоны.
Бетоны на аммонийфосфатном цементе имеют прочность на сжатие ~ 30 МПа за 45
минут твердения.
Бетоны на силикатнофосфатном цементе схватываются за 30 минут и через 4 часа
твердения имеют прочность ˃ 50 МПа.
Бетоны на основе гексаметафосфата натрия вместе с MgO обладают высокой
огнеупорностью (как связующее для огнеупорных бетонов и кирпича футеровки
электропечей при плавке чугуна). Через 24 часа твердения при температуре 1200°С
получаются очень устойчивые материалы с прочностью ˃65 МПа.
Применяют эти бетоны при ремонте автострад, труб и сборных железобетонных
конструкций.
3.Кислотостойкие бетоны (КСБ).
Кислотостойкие бетоны получают при использовании кислотоупорного цемента
(КУЦ). КУЦ состоят из смеси водного раствора силиката натрия (NaO·nSiO2) или силиката
калия (K2O·nSiO2) – растворимого стекла, кислотоупорного наполнителя и добавки ускорителя твердения кремнефтористого натрия (Na2SiF6). В качестве микронаполнителя
используют кварц, кварциты, андезит, диабаз и др. кислотоупорные материалы. Вяжущим
(связующим) материалом в кислотоупорном цементе является растворимое стекло.
Величина n в формуле жидкого стекла называется модулем стекла, показывает
отношение числа молекул кремнезёма к числу молекул щелочного окисла, n=2,5…3,5.
Заполнитель – мелкозернистый, с содержанием около 30 % частиц крупностью < 0,25
мм. Дозировка растворимого стекла в бетон – около 12 %.
Кислотостойкие бетоны имеют ρ = 2100…2300 кг/м3, Rб = 10…25 МПа, Rизг = 4,5…6,0
МПа.
Нельзя применять КСБ для конструкций, подверженных длительному воздействию
воды,
щелочей,
слабых
кислот
(фосфорной,
фтористоводородной
и
кремнефтористоводородной кислот).
КСБ применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения башен,
резервуаров и других сооружений химической промышленности.
4.Бетоны на напрягающем цементе.
В состав этих цементов входят минеральные системы, увеличивающие свой объем в
процессе твердения и в результате уменьшающие или полностью компенсирующие
деформации усадки, либо вызывающие расширение цементного камня и бетона.
Напрягающий цемент получают совместным помолом ПЦ клинкера и напрягающего
компонента, который включает глинозёмистый шлак или другие алюмосодержащие
вещества, гипс и известь (при соотношении 65 : 20 : 10 : 5 = ПЦ : ГШ : Гипс : Известь).
Напрягающий цемент расширяется в объеме до 4 % после достижения цементным камнем
прочности 15…20 МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления
самонапряжённого железобетона, в котором арматура получает предварительное напряжение
вследствие расширения бетона.
Бетоны на основе напрягающего цемента обладают высокой прочностью (50 МПа),
водо- и газонепроницаемостью. Применяют для изготовления самонапряженных
железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и водопроводов большого
диаметра. Эти бетоны требуют более тщательного ухода на ранней стадии твердения, т.к.
протекание физико-химических процессов вызывающих расширение материала, требует
обеспечения соответствующего температурно-влажностного режима твердения бетона (во
избежание образования поверхностных трещин, количество и размер которых значительно
превышает трещинообразование при твердении обычного бетона).
15.2. Бетоны с особыми свойствами.
1. Особовысокопрочные бетоны (ОВПБ).
Срок службы таких бетонов проектируется на 100 лет и более при эксплуатации в
суровых условиях: нефтяные платформы северных морей, большепролётные строения
мостов, скоростные магистрали, небоскрёбы.
В нашей стране используются бетоны прочностью 80…100 МПа и выше, в США –
133 МПа (58 этажный небоскрёб в Сиэтле). В 1998 году построен небоскрёб в Чикаго
высотой 610 метров (125 этажей) с железобетонным каркасом на основе ещё более прочного
бетона.
Ориентировочный состав ОВПБ (наш) ПЦ – 400 кг/м3, микрокремнезём – 133,
кварцевый песок 0,25…1 мм – 141 кг, кварцевый песок 1…4 мм – 566 кг, крупный
заполнитель – 1153 кг, суперпластификатор (сух) – 13,5 кг, вода – 100 л; влияние вида
используемого крупного заполнителя на прочность бетона в этих бетонах возрастает, а
плотность бетона может подняться до 2900 кг/м3 (например, на кальцинированном боксите).
Помимо ПЦ, для ОВПБ применяют специальные цементы с оптимизацией
гранулометрического состава вяжущих, Позволившей снизить В/Ц. Вслед за получением
цементного камня с прочностью на сжатие свыше 250 МПа были получены DSP –
композиты (уплотненные системы, содержащие гомогенно распределённые ультрамалые
частицы. Эти материалы, включающие специально подготовленные цементы,
микрокремнезём, специальные заполнители и микроволокна, за счет специальных
технологических приёмов при В/Ц = 0,12…0,22 позволяют достичь прочности 270 МПа при
высокой стойкости к коррозионным воздействиям и истиранию.
Известково-кварцевые материалы с Rсж до 250 МПа были получены путем
формования под давлением 138 МПа перед автоклавированием. Аналогичная обработка
цементного теста позволила снизить В/Ц до 0,06 и обеспечить прочность камня до 330 МПа
в возрасте 28 суток нормального твердения, а использование алюминатных цементов и
горячего прессования при давлении 345 МПа повысить её до 650 МПа.
15.3. Радиоэкранирующие бетоны (РЭБ).
РЭБ созданы в связи с развитием атомной энергетики и необходимости надёжной
защиты персона и окружающей среды от радиоактивного излучения. Защитное
экранирование – главное средство, с помощью которого можно максимально снизить дозу, а
бетон сегодня – наиболее широко применяемый экранирующий материал. От -излучения и
нейтронных источников используется сложная система комбинированной защиты.
Требования к радиоэкранирующим бетонам:
- высокая плотность;
- однородность;
- стойкость при воздействии радиоактивного флюэнса (фр.яз. «течение»);
- стойкость к тепловым воздействиям;
- газонепроницаемость.
𝛾- излучение лучше всего ослабляется материалами с высоким атомным номером и
высокой плотностью, поэтому наиболее часто для экранирования применяют бетоны,
которые в качестве заполнителя используют магнетит (FeFe2O4), лимонит (Fe(OH)3, гематит
(Fe2O3), барит (BaSO4), металлический скрап и др. Плотность бетонов на этих заполнителях
высокая, поэтому их называют ещё особотяжёлыми бетонами. Так бетон на лимонитовом
щебне и песке имеет плотность ρ = 2,3…3,0 т/м3, на магнетитовом – ρ = 2,8…4,0 т/м3, на
баритовом – ρ= 3,3…3,6 т/м3, на чугунном скрапе – ρ=3,7…5,0 т/м3.
Для особотяжёлых бетонов применяют ПЦ, пуццолановый цемент, ШПЦ, ГЦ, ГипсоГЦ расширяющийся.
К заполнителям для этих бетонов предъявляют дополнительные требования:
- минимальная прочность при сжатии магнетита и чугунного скрапа 200 МПа,
лимонита и гематита 350 МПа, барита 400 МПа (испытание в цилиндрических образцах
диаметром 150 мм, высотой 50 мм);
- содержание полуторных окислов (Al2O3, Fe2O3) в барите – не более 1 % от массы
заполнителя;
- водопоглощение магнетита и барита1…2 %, лимонита и гематита 9…10 % (по
массе).
Подвижность бетонной смеси: осадка конуса 2…4 см, жесткость 20…25 с. при этом
водопотребность смеси на барите и чугунном скрапе В=180 л/м3, на лимонитовом песке и
магнетите, барите или скрапе 240 л/м3, на лимонитовом песке и щебне 280 л/м3.
Подбор состава производится по правилам, применяемым для обычного тяжёлого
бетона с увеличением на 10…20 % доли песка.
В целях защиты от 𝛾- радиоактивного излучения используют и сверх-особотяжёлые
бетоны. Бетон на ильмените(титанистый железняк FeTiO3, ρ=4,6…4,8 г/см3) имеет ρ ‫˃ ׀‬4 т/м3.
Для обеспечения высокой однородности достаточно подвижной бетонной смеси (ОК=10 см)
используют повышенную дозировку суперпластификатора и увеличивают долю
ильменитового песка (песок: крупный заполнитель = 1,15:1).
Сложнее защита от нейтронных источников. Нейтроны слабо поглощаются в
веществе, поэтому общий принцип защиты заключается в предварительном замедлении
нейтронов водой, парафином, графитом, а замедленные нейтроны затем поглощаются
соединениями лития, кадмия, бора. Поглощение нейтронов в веществе сопровождается
ядерными реакциями и испусканием 𝛾- квантов, поэтому следует предусматривать
одновременную защиту и от 𝛾- излучения.
Нейтронный поток наиболее эффективно останавливается гидратными бетонами
(имеют повышенное содержание химически связанной воды). Для их приготовления
используют глинозёмистый цемент, а заполнитель – лимонит и серпентин, вводят ещё
карбид бора, хлорид лития, сульфат кадмия.
16. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ
16.1. Основные понятия.
Строительный раствор – искусственный каменный материал, полученный в
результате твердения смеси, состоящий из песка, вяжущего вещества и воды.
Вяжущие вещества: цемент, известь, гипс, смешанные, с добавками химическими или
тонкодисперсными минеральными,
Пески – природные, из дроблёных каменных пород, дробленых шлаков, крупностью
не более 2,5 мм.
В большинстве случаев к растворам не предъявляется требование высокой прочности
(кладочные штукатурные), поэтому сырьевая база расширена, можно использовать местное
сырьё. При скреплении раствором более прочных кирпичей и каменных блоков последние
препятствуют разрушению тонких слоёв раствора между ними («эффект обоймы») и как бы
повышают сопротивление раствора нагрузке. Поэтому для кладки могут применяться
растворы с меньшей прочностью, чем прочность кирпича или каменных блоков, и чем
тоньше слой, тем более низкой может быть его прочность.
От бетонов растворы отличаются только крупностью заполнителя, поэтому общие
закономерности для бетонов распространяются и на растворы, с некоторыми коррективами.
Зерновой состав твердой фазы раствора изменяется только путем изменения
соотношения между вяжущим и песком. Для получения плотного и удобоукладываемого
раствора требуется, чтобы все пустоты между зёрнами песка были заполнены. Цемента
вводят лишь такое количество, которое необходимо для получения заданной прочности
раствора, а для получения плотного строения количество вяжущего теста увеличивают за
счет добавки к цементу тонкодисперсных минеральных компонентов.
Растворы применяются в тонких слоях и во многих случаях укладываются на
пористые основания, способные отсасывать воду. Поэтому особое значение приобретает их
водоудерживающая способность. При излишней потере воды растворы становятся жёсткими,
плохо укладываемыми, понижается их прочность и сцепление с основанием.
Растворы могут быть слитной или мелкопористой структуры, зависящей от расхода
вяжущего. Различают структуру с плавающим заполнителем (тип I) с наиболее плотным
расположение зёрен заполнителя и полным заполнением пор между его частичками
вяжущим тестом (тип II) и с контактным расположением обмазанных тестом зёрен
заполнителя с частичным заполнением пустот между ними (тип III – мелкопористая
структура). Наиболее предпочтительней II тип структуры.
Структура раствора зависит от его состава (отношение вяжущее : заполнитель)
- составы 1:1…1:1,5 имеют слитную структуру I типа;
1:2…1:3 – слитную структуру II типа;
1:4…1:6 – мелкопористую структуру IIIтипа, с меньшим расходом вяжущего
вещества.
Составы с высоким расходом вяжущего (1:1…1:3) называются жирными составами с
невысоким содержанием вяжущего, (1:4…1:6 и более) – тощими. Для улучшения структуры
в тощие составы вводят тонкодисперсные наполнители, или применяют смешанные вяжущие
(цемент + зола; цемент + известь). При этом сумма объемов тонких частиц твердой фазы
«цемент + ТДМК + тонкие фракции песка менее 0,14 мм» должны составлять 25…35 %
объема песка, или оптимальное соотношение 1:2,5…1:4 (структура тип II).
Чем тоньше размеры частиц, тем они лучше выполняют роль смазки и сильнее
пластифицируют растворную смесь. Известь и глина издавна применяются как твердые
пластификаторы в растворах (удельная поверхность до 10000 см2/г). Сегодня применяют еще
и другие тонкодисперсные компоненты: бентонит (коллоидная глина Sдо 100000 см2/г);
кизельгур – тонкодисперсный кремнезём – диатомит (S до 20000 см2/г; золу (Sдо 5000 см2/г),
тонкомолотые шлаки, опоку, известняк, отходы камнедробления - S до 3000 см2/г.
Особенности структуры растворов:
1.
Наличие воздушной фазы за счет воздухововлечения при приготовлении и
укладке раствора и за счет недостатка вяжущего теста для заполнения пустот заполнителя
(тип III структуры).
2.
Более высокая удельная поверхность заполнителя и тонкодисперсных
компонентов приводит к увеличению в структуре поверхностей раздела твердой и жидкой
фазы и росту количества контактов между твердыми частицами единицы объема раствора.
Чаще всего растворы применяют:
а) для кладки фундаментов, стен, столбов, сводов;
б) для оштукатуривания поверхностей стен и перекрытий, декоративной отделки
фасадов;
в) пористые – для акустических штукатурок;
г) водонепроницаемые – для гидроизоляции.
По виду используемых заполнителей растворы делятся на :
- тяжёлые (обычные) на обычном песке или отходах камнедробления; плотность
раствора ρ = 1800…2200 кг/м3;
- легкие – обычный песок заменён шлаковым или другим мелким пористым
заполнителем; плотность раствора < 1500 кг/м3 (керамзит, термозит, перлит, вермикулит,
пемза, туф).
16.2. Свойства растворов.
1. Удобоукладываемость, способность раствора укладываться на основание тонким
однородным слоем. Она зависит:
- от степени подвижности растворной смеси;
- от его водоудерживающей способности.
Степень подвижности определяется редко по расплыву конуса на встряхивающем
столике и чаще по глубине проникания в растворную смесь металлического конуса
установленной формы (вершина 30°) и веса (300 г), который при погружении в растворную
смесь раздвигает песчинки (конус СтройЦНИЛа). Глубина погружения конуса определяет
марку раствора по подвижности:
Марка
Глубина
подвижности погружения,
см.
Пк1
1…4
Пк2
4…8
Пк3
8…12
Подвижность растворной смеси определяется расходом воды. Для тощих смесей (Ц :
П < 1 : 4) подвижность смесей разного состава достигается при одинаковом расходе воды, а в
жирных составах (Ц : П ˃ 1 : 4) с увеличением расхода Ц или Цсмеш водопотребность
возрастает.
На подвижность растворных смесей на разных песках влияет качество песка:
крупность, зерновой состав, характер поверхности зёрен, чистота и количество мельчайших
частиц в его составе. Чем тоньше песок, тем выше его удельная поверхность и пустотность и
тем больше требуется воды и цемента для получения определённой подвижности растворной
смеси.
2.Водоудерживающая способность предохраняет раствор от от расслоения на
составные части при транспортировании и от потери слишком большого количества воды
при укладке на пористые основания (кирпич, шлакоблоки, дерево и т.п.). Потеря воды
вызывает потерю удобоукладываемости, растворная смесь становится жёсткой, что
затрудняет работу, понижает производительность труда каменщиков и уменьшает прочность
кладки на 10…25 %, приводит к ухудшению сцепления раствора с основанием.
Водоудерживающую способность растворной смеси оценивают по количеству воды,
отсасываемой за 10 минут из пробы растворной смеси фильтровальной бумагой на
специальном приборе:
1.
2.
3.
4.
Кольцо с растворной смесью;
Марлевая ткань;
10 слоёв фильтровальной (промокательной) бумаги;
Стеклянная пластинка.
Введение тонкодисперсных минеральных компонентов с высокой удельной
поверхностью повышает водоудерживающую способность растворной смеси. В
современных условиях для повышения её используют специальные органические добавки,
метилцеллюлозу и др.
Рис. Влияние содержания метилцеллюлозы (МЦ) на водоудерживающую способность
растворной смеси.
Растворы с этой добавкой на различных вяжущих обладают очень высокой
водоудерживающей способностью и имеют минимальную потерю воды на пористом
основании, что обеспечивает высокое сцепление раствора с основанием.
Расход вяжущего теста на 1 м3 растворной смеси выше, чем на 1 м3 бетонной смеси
(из-за высокой удельной поверхности зёрен песка, от 5000 м2 до 15000 м2/м3). Практически
на 1 м3 мелкого песка требуется около 0,5 м3 вяжущего теста, на 1 м3 крупного – 0,35 м3, при
этом содержание воды в тесте не должно превышать 70…80 % от массы цемента.
Хорошо погашенная известь может удерживать в строительном растворе около 200 %
воды (от массы извести). Поэтому известковый раствор более удобоукладываемый чем
цементный, а известковое или глиняное тесто добавляют даже в «жирные» растворные смеси
(10…20 % от объема цемента). Более тощие смеси всегда изготавливают с этими добавками.
Удобоукладываемы растворы можно получить, вводя в них вместо дисперсных
добавок химические пластификаторы (0,03…0,2 % от массы цемента): ССБ, мылонафт,
омыленный древесный пек, подмыленный щёлок, кубовые остатки синтетических жирных
кислот, СНВ и др. Эти добавки не только улучшают удобоукладываемость, но и снижают
расход воды и вяжущих: расход извести в известково-песчаных растворах уменьшается в
1,05…2 раза, а цементно-известковых – 3…4 раза; расход цемента уменьшается на 10…15% ;
один кг мылонафта заменяет в растворе 100 кг цемента или балее500 кг известкового теста.
3. Важнейшими свойствами растворов в затвердевшем состоянии являются:
- прочность,
- морозостойкость,
- хорошее сцепление раствора с основанием,
- малая величина и равномерность деформации раствора под действием нагрузки,
изменений влажности и температуры среды.
Прочность растворов слитного строения в возрасте 28 суток можно определить по
формуле (при Ц/В 1,0…2,5):
Rр=А·Rц(см)·(Ц/В – 0,3), где
Rц(см) – активность смешанного цемента, МПа;
Ф – коэффициент учитывающий качество песка и состав раствора, Ф=0,4
𝑅ц(см) =
𝑅ц
Д
Ц
, где
1+К∙( )
𝑅ц(см) - активность смешенного вяжущего в кг/см2
Rц – марка цемента
Д/Ц – отношение минеральной добавки к цементу по массе
К – коэффициент, зависящий от свойств добавки (плотности и активности): для глин
К=1,3…1,5, для извести – 1,8…2, для тонкомолотого шлака и др. добавок с высокой
гидравлической активностью 0,8…1,0.
При расходах цемента от 50 до 500 кг/м3 для ориентировочного определения
прочности раствора используют формулу:
Rр= АRц(Ц-В0), где
Rц – активность цемента, МПа
Ц – расход вяжущего, кг/м3
Ф иВ0 – коэффициенты зависящие от качества песка, определяются опытным путем
по испытанию растворов с тремя значениями Ц.
НА Попов предложил определять прочность смешанных растворов в возрасте 28
суток по формуле:
Rр=А·Rц(Ц – 0,05)+4, где
Rц – активность цемента , кг/м2
Ц – расход цемента, т/м3 песка
А – эмпирический коэффициент, зависящий от качества песка и минеральной добавки
и тщательности смешивания раствора
+4 - постоянный член, определён как минимальная прочность (марка) раствора при
предельно низком расходе цемента 50 кг/м3.
Как избыток , так и недостаток мелких зёрен против оптимальных значений ведет к
понижению удобоукладываемости и прочности раствора.
На прочность раствора влияет и тщательность перемешивания смеси. Растворы по
сравнению с бетонами перемешиваются труднее, поэтому в растворах интенсивность и
продолжительность их смешивания в большей степени влияет на их свойства, чем в бетоне.
Перемешивание растворов осуществляется в растворомешалках принудительного
перемешивания.
Заметно влияет на прочность раствора отсасывание воды пористым основанием.
Степень отсасывания воды зависит от водоудерживающих свойств растворной смеси. При её
хорошей водоудерживающей способности происходит умеренное обезвоживание раствора,
его твердые частицы сближаются, плотность и прочность повышаются (до1,5…2 раза). При
слабой водоудерживающей способности может произойти чрезмерное обезвоживание
раствора, что приведет к снижению прочности и сцепления с основанием.
Образцы для определения прочности раствора изготавливают в металлических
формах без дна, устанавливаемых на кирпич.
Водопоглощение кирпича должно быть
более 10%, а влажность в момент
приготовления образцов должна быть не более 2%. Образцы до момента испытания хранят в
течение трех суток в камере нормального хранения, а затем – при относительной влажности
65±10% и температурой 15…20°С – для надземных конструкций и в воде – для подводных и
подземных конструкций. За марку раствора принимают предел прочности при сжатии в
возрасте 28 суток кубов 7х7х7 или половинок балочек 4х4х16 см.
Растворы делят на марки: 4, 10, 25, 50, 75, 100 (редко 150, 200, 300).
Сцепление раствора с основание м зависит от:
- прочности раствора и его адгезионных свойств,
- пластичности раствора,
- зернового состава твердой фазы,
- водоудерживающей способности раствора,
- водопоглощения основания.
По морозостойкости растворы делят на марки: 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200, 300.
Морозостойкость растворов зависит от тех же факторов что и морозостойкость
бетонов.
16.3 Виды строительных растворов.
1. Строительные растворы для каменных кладок и монтажа крупных элементов стен
выбирают в зависимости от напряжений конструкции и условий эксплуатации. Состав
раствора выбирают на основе:
- заданной марки раствора,
- степени подвижности раствора, необходимой по условиям производства работ.
Для кладки наружных стен зданий I степени долговечности марку раствора назначают
в зависимости от относительной влажности помещений (для цементно-известковых и
цементно-глиняных растворов):
приW < 60% марка не менее 10
60…75% не менее 25
˃75% не менее 50.
Для подземной кладки в маловлажных грунтах марка не менее25, тоже в очень
влажных и насыщенных водой грунтах не менее 50.
Для расшивки швов в стенах из крупных блоков и панелей – 50.
Подвижность растворной смеси по конусу СтройЦНИЛа принимается в зависимости
от назначения раствора:
- заполнение и расшивка швов при монтаже стен из панелей и крупн. блоков -5…7 см
- кладка из кирпича и бетонных камней …………………………………………- 9..13 см
- бутовая кладка……………………………………………………………………- 4…6 см.
Состав растворов назначают по таблицам приведённым в соответствующих
инструкциях или справочниках – в объемных частях (пример: цемент : известковое или
глиняное тесто : песок = 1 : 1,2 : 9 – для марки раствора 25 на цементе марки 200).
С применением мелких песков прочность растворов уменьшается на 25…35 %,
поэтому для получения растворов заданной прочности содержание цемента увеличивают на
20…25 %.
Для обеспечения достаточной долговечности материала расход цемента в цементноизвестковых растворах должен быть не менее 75 кг/м3 песка, в цементно-глиняных – 100
кг/м3 песка. При кладке ниже уровня грунтовых вод и в зданиях с влажностью более 60%
этот минимальный расход цемента увеличивается на 25 кг.
При производстве работ в зимних условиях марку раствора повышают на одну
ступень («50» вместо «25» и т.д.), для заполнения горизонтальных швов при монтаже
панелей и крупных блоков применяют растворы марки 100, в растворы вводят добавки
поташа или нитрита натрия.
2. Штукатурные растворы. Штукатурка состоит из нескольких слоев:
1-ый - подготовительный (набрызг), 3…8мм, обеспечивает сцепление штукатурных
слоев с поверхностью основания; этот слой с силой набрасывают на увлажненное основание
и не разравнивают, чтобы увеличить поверхность его сцепления со следующим слоем;
2-ой - основной слой грунта или намета (5…12 мм) служит для получения ровной
поверхности;
3-ий - тонкий отделочный слой (накрывка) имеет после разравнивания и затирки
толщину в обычных штукатурках ~ 2 мм ( в декоративных – до 15 мм).
Каждый последующий слой наносится после окончания схватывания и начального
отвердевания предыдущего слоя. Штукатурные растворы имеют большую подвижность
(около 12 см по конусу), чем кладочные, и меньшую расслаиваемость.
Для получения быстротвердеющих, прочных и водостойких штукатурок используют
цементно-известковые растворы или чисто цементные с добавкой гидрофобных ПАВ (для
условий постоянного увлажнения). Такие добавки не только повышают водостойкость
штукатурки, но и уменьшают образование высолов, портящих штукатурку и окраску.
Для оштукатуривания деревянных и других поверхностей, находящихся внутри
здания (потолки, перегородки) применяют известково-гипсовые растворы.
Применяют и известково-песчаные растворы, но они медленно набирают прочность и
долго просыхают. В известково-песчаных растворах довольно часто образуются дутики из-за
содержания непогасившихся частиц (особенно пережёга) поэтому известковое тесто
необходимо выдерживать и даже процеживать через тонкое сито непосредственно перед
применением.
Осадные штукатурки, изготовляемые на цементах, необходимо защищать от
высыхания (солнце, ветер) и интенсивно увлажнять в течение первых 10…15 дней.
Ориентировочные составы обычных штукатурных растворов (в объемных частях):
1.
Известково-песчаные
для
кирпичных
и
каменных
стен:
состав
1:3=известковоетесто:песок – для подготовительных и основных слоёв и около1 : 2 для
отделочного слоя.
2.
Известково-гипсопесчаные получают из известково-песчаных растворов,
добавляя к ним 0,2…1,0 объемных частей гипса на 1 объемную часть известкового теста. Для
карнизов, отделочных слоёв и горизонтальных поверхностей (потолков) применяют
растворы с большим содержанием гипса, а для подготовительных слоёв и вертикальных
поверхностей (стен) с меньшим.
3.
Цементно-известковые растворы. Для цоколей и наружных карнизов – 1:1:6
(Ц:И:П) или 1:5….1:6 (Ц:И) с добавкой мылонафта, СНВ и др. добавок, повышающих
стойкость раствора в условиях увлажнения. Для внутренних поверхностей – 1:2:9 (Ц:И:П).
4.
Особые виды растворов: водонепроницаемые, безусадочные, декоративные
получают, вводя в состав раствора комплекс специальных добавок и применяя
соответствующие цементы и пески.
Для водопроницаемых растворов применяют раствор 1:3 при В/Ц = 0,45 с добавкой
2% CaCl2 от массы цемента 2 % сернокислого алюминия Al2(SO4)3, 0,015 % алюминиевого
порошка и 0,15 % ССБ; другой случай только 3 % алюмината натрия и только полимерное
связующее.
Для безусадочных растворов используют напрягающий цемент или портландцемент с
расширяющей добавкой (получается W12…20).
Декоративные растворы получают, применяя белый цемент и песок из декоративного
камня.
16.4. Сухие строительные смеси. (Ю.Н.Баженов стр. 406-409) - самостоятельно.
17. БЕТОНИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
17.1. Технология возведения монолитных конструкций
17.1.1. Подготовительные работы
Монолитными называются конструкции, которые возводятся непосредственно на
месте их расположения.
Возведение конструкций включает:
- установку опалубки, которая воссоздаёт в пространстве очертания будущей
конструкции;
- установку арматуры;
- бетонирование конструкции;
- уход за твердеющим бетоном.
Опалубка может быть:
- деревянной (из досок и фанеры с полимерным покрытием);
- металлической (из металлических щитов или листов);
- железобетонной (неснимаемая опалубка(;
- утепляющей (полистирол-бетон или полистирол вспучен).
Арматуру устанавливают в соответствии с проектом. Используют как готовые
армокаркасы, заранее изготовленные, так и отдельные стержни и сетки. Сборку проводят с
применением электросварки и вязки тонкой проволокой.
Бетонирование больших конструкций ведут отдельными блоками, устраивая между
ними рабочие швы. Блок бетонируют непрерывно, каждая последующая порция бетонной
смеси должна укладываться и уплотняться до того, как схватится ранее уложенная смесь.
Большое значение имеет транспорт бетонной смеси и её укладка в блок. Каждый шаг
в транспортировании и укладке нужно контролировать для сохранения однородности
бетонной смеси внутри замеса и из замеса в замес. Все бункера необходимо снабжать
вертикальной подвеской под разгрузочными отверстиями. При разгрузке под углом
крупный заполнитель отбрасывается к дальней стороне загружаемого контейнера, а
растворная часть – к ближайшей стороне, в результате чего происходит расслоение.
Бетонную смесь транспортируют различными способами: с помощью лотков,
транспортёров,
бадьями,
вагонетками,
автосамосвалами,
автобетоносмесителями,
нагнетанием по трубам. С помощью лотков, транспортёров и нагнетанием по трубам
бетонную смесь транспортируют на небольшое расстояние. Для перевозки на большие
расстояния используют бадьи,
автосамосвалы и автобетономешалки. Бадьи бывают
различной формы, конструкции и размеров , V=0,75…6 м3. Бадьи транспортируют на
автомашинах, ж/д платформах, кранами или комбинацией этих средств. При этом следует
предохранять бетонную смесь от вибрирования и встряхивания во избежание расслоения.
Таблица. Значение коэффициента потери подвижности, 𝜂
Осадка конуса, см
Дальность перевозки, км
10
20
30
1…3
0,4
0,2
0,15
4…6
0,45
0,25
7…9
0,5
0,35
10…14
0,55
При перевозке бетонная смесь теряет свою подвижность в следствие гидратации
цемента и частичной потери воды из-за испарения, поэтому состав бетонной смеси
назначается с учетом этого явления:
ОКз = ОКоб/ 𝜂, где
ОКз – осадка конуса бетонной смеси при её приготовлении, см;
ОКоб – осадка конуса, требуемая для её укладки на объекте после перевозки;
𝜂 – коэффициент потери подвижности бетонной смеси, зависящий от дальности или
времени перевозки.
Удобно транспортировать бетонную смесь нагнетанием по стальным трубопроводам,
этот способ особенно благоприятен при производстве работ в тоннелях, возведение
высотных зданий и сооружений и других местах с ограниченным рабочим пространством.
Бетоноводы имеют внутренний диаметр 76…283 мм, производительность горизонтальнопоршневого насоса до 60 м3/ч. Бетонную смесь можно нагнетать по прямому
горизонтальному участку труб на расстояние до 180…300 метров, а по вертикали до 22…30
метров . Изгиб трубы на 90° эквивалентен 12 метровому горизонтальному участку труб, а
изгиб на 45° - шести метровому участку.
17.1.2. Особенности состава бетонной смеси для монолитных конструкций (для
бетононасосов).
Нагнетание требует применения удобоукладываемой бетонной смеси с повышенным
содержанием мелкого заполнителя. Предельная крупность щебня должна быть меньше 1/3
диаметра бетоновода, осадка конуса больше 8 см для бетононасосов с механическим
приводом, а больше 4 см – с гидравлическим. Верхний предел подвижности – 14 см. Более
подвижные смеси могут расслаиваться при перекачке, что ведет к образованию пробок.
Минимальный расход цемента – 250 кг/м3, а количество воды должно обеспечить
получение нерасслаиваемой смеси.
Содержание песка в перекачиваемых бетонных смесях увеличивается и обычно
составляет 0,4…0,5 от массы заполнителей, с увеличением коэффициента раздвижки зёрен
на 0,1…0,15 единицы. Содержание зёрен максимальной фракции должно быть не более
15…25 % от массы заполнителей.
Пески должны содержать достаточное количество мелких фракций (до 0,2 мм),
суммарное содержание цемента и мелких фракций должно быть более 350 кг/м 3. При
применении мелких и тонких песков необходимо использовать суперпластификаторы и ВВД
для обеспечения надёжного продвижения смеси по трубопроводу.
17.1.3. Укладка бетонной смеси.
Бетонную смесь нужно разгружать как можно ближе к месту её окончательной
укладки. Не следует укладывать её большими порциями в одно место с последующим в
опалубке на значительные расстояния, так как это вызывает её расслоение.
Укладка проводится горизонтальными слоями одинаковой толщины, и каждый слой
полностью уплотняется перед укладкой следующего. Толщина слоёв 15…30 см для ж/б
конструкций и до 45 см – для массивных сооружений. Толщина слоя зависит от расстояния
между опалубкой, количество арматуры и должна быть такова, чтобы можно было закончить
укладку каждого нового слоя до схватывания предыдущего.
Бетонная смесь не должна свободно падать с высоты более чем 0,9…1,2 метра. При
направленной вертикальной разгрузке смеси через специальные устройства допускается
большая высота падения смеси.
В тонких конструкциях следует применять подвесные металлические или резиновые
желоба. В ограниченном пространстве между опалубкой тонких стен можно устанавливать
металлические желоба прямоугольного сечения, чтобы разместить их между стержнями
арматуры. Подвесные желоба должны состоять из секций, которые можно крепить с
помощью крючков одну к другой, регулируя тем самым длину желобов по мере
бетонирования.
В высокие тонкие стены бетонную смесь иногда укладывают через отверстия на
боковых сторонах опалубки, так называемые «окна», с использованием внешнего бункера.
Бетонирование ведут до линии приблизительно на 30 см ниже верха стены и выдерживают
около 1 часа, чтобы произошла осадка смеси. Затем, до схватывания уложенной бетонной
смеси, бетонирование возобновляют во избежание образования шва. Бетонную смесь
укладывают на несколько сантиметров выше опалубки и затем избыточный бетон после его
частичного схватывания удаляют.
Во избежание образования трещин вследствие осадки, бетон в колоннах и стенах
выдерживают около 2-х часов до начала бетонирования плит, балок и прогонов, которые
опираются на эти колонны и стены. При бетонировании плит укладку бетонной смеси надо
начинать с дальнего конца сооружения так, чтобы каждый замес бетонной смеси
разгружался вплотную к ранее уложенной смеси. Не следует укладывать бетонную смесь
отдельными кучками и затем эти кучки разравнивать и обрабатывать.
Порядок укладки бетонной смеси также имеет значение. В стенах первые замесы
укладывают в любом конце секции, затем укладку ведут по направлению к середине и так
для каждого слоя. Этот способ можно также использовать и при укладке балок или прогонов.
В большие открытые блоки первые замесы укладывают по их периметру. Во всех случаях
производство работ должно быть таким, чтобы предотвратить скопление воды в концах и
углах опалубки и вдоль её поверхности.
17.1.4. Уплотнение бетонной смеси.
В обычных условиях бетонную смесь нужно компактно укладывать и уплотнять
вибрированием с помощью вибраторов внутреннего или наружного действия. В процессе
уплотнения должны устраняться пустоты и крупные пузырьки воздуха, обеспечиваться
хорошее сцепление каждого нового слоя с ранее уложенным слоем, арматурой и закладными
частями, а также выделение на лицевых и верхней поверхностях достаточного количества
мелкого заполнителя, что необходимо для производства соответствующей отделки.
Вибрирование само по себе не делает бетон более прочным, водонепроницаемым или
стойким противодействия попеременного замораживания и оттаивания. Оно лишь позволяет
применять менее пластичные смеси и тем самым использовать либо бетонные смеси с
пониженным В/Ц, либо при заданном В/Ц уменьшить расход цемента. При применении
вибрации получают лучшие поверхности бетона и более прочные рабочие швы.
Внутренний вибратор имеет вибрирующий элемент, который погружается в
бетонную смесь. Поверхностный (наружный вибратор может прикрепляться к опалубке или
перемещаться по поверхности бетонной смеси. Внутренние вибраторы должны погружаться
в бетонную смесь в вертикальном положении на расстоянии 50 см один от другого в
зависимости от применяемого оборудования и характера бетонной смеси, но так, чтобы зоны
вибрирования от каждого погружения немного перекрывали друг друга. Вибратор должен
погружаться на всю глубину укладываемого слоя и даже немного проникать в нижележащий
слой, если бетон этого слоя ещё становится пластичным под действием вибрации.
Продолжительность вибрирования зависит от подвижности бетонной смеси. Излишне
долгое вибрирование в одной точке приводит к расслоению бетонной смеси. Нужно
стремиться к тому, чтобы не осталось непровибрированных участков и чтобы было
обеспечено полное уплотнение бетонной смеси без её расслоения. На возможность
окончания вибрирования обычно указывает выделение раствора вдоль опалубки и
погружение крупного заполнителя в растворную часть смеси.
Задержка начала вибрирования безвредна до тех пор, пока бетонная смесь способна
ещё разжижаться под давлением вибрации и вибратор не оставляет в ней углублений.
17.1.5. Уход за бетоном
Важное значение имеет уход за бетоном. Необходимыми условиями для твердения
являются присутствие влаги и наличие благоприятной температуры. Если не принять мер
предосторожности, значительное количество воды затворения будет потеряно в результате её
испарения; при температуре ниже нормальной гидратация протекает намного медленнее, а
при температуре, близкой к точке замерзания воды или ниже её, химические реакции
прекращаются. Таким образом, бетон необходимо предохранять от потери влаги на ранней
стадии твердения и выдерживать при температуре, которая содействовала бы гидратации
цемента.
Способы сохранения влаги:
- задержка распалубки;
- поливка или устройство запруд на плоских поверхностях;
- применение влагоудерживающих покровов (пленки, специальной бумаги);
- нанесение защитного слоя на бетон в жидком виде плёнкообразующих составов.
Следует предохранять поверхности от высыхания и в промежутке между поливами.
Процесс попеременного увлажнения и высыхания свежеуложенного бетона приводит к
образованию волосяных трещин или растрескиванию поверхности.
Непрерывное разбрызгивание воды обеспечивает более постоянный приток влаги, чем
обильная поливка водой, чередующаяся с периодами высыхания.
Защитные плёнкообразующие составы для ухода за бетоном наносят в один или два
слоя сразу после окончания отделки бетона. Если случится задержка, то бетон до момента
окрашивания должен сохраняться влажным. На поверхности, прилегающие к опалубке,
защитный слой следует наносить после их распалубки и увлажнения.
Продолжительность ухода за бетоном определяется сроком, при котором его
прочность достигает 50…70 % от проектной.
17.2. Зимнее бетонирование.
При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и
влажной среде в течение срока, обеспечивающего набор бетоном критической прочности,
гарантирующей сохранение структуры бетона и удовлетворительное его твердения после
оттаивания.
Таблица Минимальная прочность, которую бетон должен приобрести до замерзания
R28, МПа
10
20
30
40
50
Rб, min
% от R22
МПа
50
40
35
30
25
5
7
10
12
12,5
Выдержка при
15…20°С (сутки)
до замораживания
5…7
3…5
2…2,5
1,5…2
1…2
Это достигается двумя способами:
1) Использованием внутреннего запаса теплоты бетона;
2) Дополнительной подачей бетону теплоты извне, если внутренней теплоты
недостаточно.
I. Для этого применяют:
- высокопрочный и БТЦ;
- ускорители твердения цемента – CaCl2, нитрат натрия( NaNO3), поташ (K2CO3),
формиат Na и др.;
- пластификаторы и ВВД для уменьшения количества воды в бетонной смеси.
Все это даёт возможность ускорить сроки твердения бетона при возведении зданий и
сооружений и добиться того, чтобы бетон приобрёл достаточную (критическую) прочность
перед замораживанием. Внутренний запас теплоты в бетоне создают:
- подогревом материалов, составляющих бетонную смесь;
- использованием экзотермии цемента.
В зависимости от массивности конструкций и температуры наружного воздуха
подогревают воду для бетонной смеси (до 90°С) или воду и заполнители (до 50°С). Бетонная
смесь по выходе из бетоносмесителя должна иметь температуру не более 40 °С, так как при
более высокой температуре она быстро густеет. Минимальная температура бетонной смеси
при укладке в массивы должна быть не менее 5°С, а в тонкие конструкции – не менее 20°С.
Новый способ – электроразогрев бетонной смеси в специальном бункере
непосредственно перед укладкой в конструкцию. Электрический ток пропускают через
бетонную смесь и разогревают её до 50…70°С. Разогретую смесь надо сразу же уложить и
уплотнить, так как она быстро густеет.
В процессе твердения цемент выделяет значительное количество теплоты. Эта
теплота выделяется главным образом в первые 3…7 суток твердения. Чтобы сохранить
теплоту в бетоне на определённый срок, опалубку и все открытые части бетона покрывают
хорошей теплоизоляцией (минвата, пенопласт, опилки, шлак и т.п.), толщина которой
определяется теплотехническим расчётом. Этот способ зимнего бетонирования называется
способом термоса. Необходимо сохранить теплоту в первые 5…7 суток. Это возможно при
массивных или тщательно изолированных средних по толщине конструкциях, имеющих
модуль поверхности не более 6 (Sохл.пов. : Vбетона).
II. Более тонкие конструкции или возводимые при очень низких температурах следует
бетонировать с подачей теплоты из вне:
3.
Обогрев бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой ,
окружающей бетон, или по трубам, находящимся внутри бетона или установленным в
опалубке. Температура пара 50…80°С. За двое суток набирается прочность, эквивалентная 7
суткам естественного твердения
4.
Электропрогрев – через бетон пропускают электрический переменный ток по
электродам (пластины, стержни). В начале подогрева подается ток низкого напряжения
(50…60 в. Трансформированный с 220 в.). По мере затвердевания бетона его электрическое
сопротивление возрастает и напряжение приходится поднимать. Повышают температуру
медленно, не более 5°С в час и доводят до 60°С. Через 36…48 часов твердения бетон
приобретает прочность ˃ 7-суточной нормального твердения.
Можно использовать также греющий кабель, укрепляемый на её поверхности или на
опалубке, греющие плёнки и листы для периферийного обогрева внешних слоёв бетона.
5.
Обогрев воздуха, окружающего бетон в тепляках, обогреваемых временными
печами, специальными газовыми или топливными горелками, калориферами,
инфракрасными излучателями. В топляках ставят сосуды с водой, чтобы создать влажную
среду для твердения, или поливают водой бетон.
Этот способ дороже предыдущего и применяется при очень низких температурах,
малых объемах бетонирования, а также при отделочных работах.
Применяют и холодный способ зимнего бетонирования, при котором не нагревают, но
в воду для приготовления бетонной смеси вводят большое
количество солей,
обеспечивающих твердение бетона на морозе (противоморозные добавки).
Для различных расчетов по зимнему бетонированию (определение времени остывания
бетона, требуемых свойств теплозащиты, средней температуры бетона и др.) используют
уравнение теплового баланса, предложенное Б.Г. Сирамтаевым:
𝑡=
°
°
2500(𝑡б.н
−𝑡б.к
)+ЦЭ
° −𝑡 ° )
𝑘𝑅𝑀(𝑡б.ср
в.ср
, где
t – продолжительность остывания, ч;
°
𝑡б.н
- температура свежеуложенного бетона;
°
𝑡б.к
- температура бетона, до которой продолжается его остывание;
Ц – расход цемента, кг/м3;
Э – тепловыделение цемента, кдж/кг;
k – коэффициент теплопередачи от бетона через опалубку в окружающую среду,
2
кВт/(м °С);
М – модуль поверхности конструкции (М=Sм2/Vм3);
°
𝑡в.ср
- средняя температура воздуха за период остывания (по прогнозу
погоды);
°
𝑡б.ср
- средняя температура бетона.
Коэффициент теплопередачи: k =
1
𝑘𝑖
0,05+Σ𝑛
𝑖=1
, где
𝜆𝑖
𝑘𝑖 - толщина каждого слоя, м;
𝜆𝑖 – теплопроводность изоляционного слоя, кВт/м·ч °С (для стали 𝜆=58; сосны –
0,175; снега – 0,35; если опалубка воздухопроницаема, в ней есть щели и неплотности, то 𝜆
увеличивается в 1,5…2 раза).
Тепловыделение (Э) портландцемента к 28 суткам: для М500 – 500, М400 – 420, М300
– 340 кдж/кг. Шлакопортландцемент (ШЦ) и пуццолановый портландцемент (ПуцЦ) – на
15…20% меньше.
Для ориентировочных расчетов принимают тепловыделение к определённому сроку
пропорционально его относительной прочности. Например: для цемента М400
тепловыделение к возрасту 7 суток при нормальном твердении составит 0,6х420=252кдж/кг.
Среднюю температуру бетона ориентировочно определяют в зависимости от модуля
поверхности:
°
°
°
При М < 8 𝑡б.ср
= 𝑡б.н
/2, при М ˃ 8 𝑡б.ср
=
°
𝑡б.н
3
Более точные расчеты теплотехнические для зимнего бетонирования выполняются с
использованием ЭВМ.