Тема 8. Бетоны и бетоноведение.

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в резу-льтате затвердевания рациональной по составу, тщательно перемешанной и уплот-ненной смеси, состо­ящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей. До затвер-девания эта смесь называется бетонной смесью, до 80-90% объема которой при-ходится на долю за­полнителей из местных материалов.

История применения бетона длится с древних времен. Ар­хеологические рас-копки свидетельствуют, что еще в Древнем Риме при строительстве храмов, амфи-те­атров, многоэтажных жилых зданий, Пантеона, перекрытого бетонным куполом диаметром 42,7 м, морских и других со­оружений для приготовления водостойкого бетона известь сме­шивали с тонкомолотой обожженной глиной. Секретом изготов-ления сверхпрочно­го известкового раствора владели и в Древней Греции. Приме­ня-лся он при строительстве крепостных стен в Афинах еще в V в. до н.э. и гидротех-нических сооружениях на островах Эгей­ского моря. Этот раствор не уступал по прочности природному известняку.

Восхищают не только красотой, но и исключительной дол­говечностью древ-ние памятники русской архитектуры. Время и стихия оказались бессильными перед Софийским и Успен­ским соборами в Киеве (1037 г.), Новгородской Софией (1044 г.), Дмитриевским собором во Владимире (1170 г.), Борисоглебским со-бором в Смоленске (1087 г.). Стены этих сооружений, возведенные из чередую-щихся рядов естествен­ного камня и своеобразного бетона, связанного сверхпроч-ным раствором, простояли почти тысячелетие.

Известняковый щебень с добавлением 5% известняковой же пудры и 5% нильского речного ила с высоким содержанием оксида алюминия — таков, по мнению В. Сундакова, рецепт древнеегипетского бетона для возведения пирамид.

В 1895 г. И.Г. Малюга издал первый в нашей стране труд по бетону: «Сос-тав и способы приготовления цементного ра­створа (бетона) для получения наиболь-шей крепости». К на­стоящему времени сформировалась наука о бето­нах — бетоно-ведение и имеется обширная научно-техническая литература по этому вопросу.

Классификация бетонов.

В соответствии с ГОСТ 25192 бетоны классифицируют по следующим признакам: основному на­значению, виду вяжущего, виду заполнителей, структу-ре, условиям твердения.

Выбор вяжущих веществ.

Наиболее широко применяемыми вяжущими в бетонах яв­ляются различные цементы. Определяющим в выборе вида цемента являются условия эксплуатации конструкции. При выборе вяжущего также учитываются: проектные клас­сы бетона по прочности на сжатие, нормируемые величины отпускной прочности бетона на сжатие, передаточной прочно­сти бетона для предварительно напряженных конструк-ций, про­ектных марок по морозостойкости и водонепроницаемости, удобоуклады-ваемость бетонной смеси, условия ее формова­ния и твердения бетона.

Выбор марки цемента зависит от требуемой прочности бе­тона в конструкци-ях. Обычно исходят из условия, чтобы мар­ка по прочности цемента превышала на 10-40% марку бетона, а при низких марках бетона (100-300) превышение марки це­мента может составлять 100-200%.

Прочность цемента высоких марок нарастает быстрее, чем низких. Напри-мер, цемент М500 уже через 3 суток имеет прочность 20-25 МПа, поэтому при-менение таких цементов позволяет обеспечить быструю распалубку конструкций и сократить сроки изготовления сборных железобетонных кон­струкций.

Заполнители.

В соответствии с требованиями ГОСТ 25137 заполнители классифициру-ют по происхождению, крупности зерен, форме зерен и плотности.

В зависимости от значений нормируемых показателей ка­чества (зернового со-става, содержания пылевидных и глинис­тых частиц) песок по ГОСТ 8736 подраз-деляется на два класса и 8 групп по крупности:

Зерновой или гранулометрический состав песка характе­ризуется содержани-ем в нем зерен различной крупности и определяется путем просеивания средней пробы сухого пес­ка через набор стандартных сит (размер ячеек 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм). По результатам просеивания вычис­ляют модуль крупности (М_к), для чего определяют сначала частные (%) остатки (а_2,5; a_1,25; а_0,63 и т.д.), а затем полные остатки (А_2,5; A_1,25; А_0,63 и т.д.) на каждом сите. Полный оста­ток на каждом сите равен сумме частных остатков на этом сите и всех ситах боль-шего размера. Например, А_0,63 = а_0,63 + а_1,25 + а_2,5. На основании полученных ре-зультатов вычисляют модуль крупности песка:

По ГОСТ 8736 предусмотрено деление песка на группы по модулю круп-ности и полному остатку на сите № 0,63 (см. табл.). Чем больше в песке мелких зерен, тем больше его удельная поверхность. Для соединения зерен песка в бетоне необходимо, чтобы цементное тесто покрывало всю поверх­ность каждой песчинки. Таким образом, расход цемента бу­дет возрастать с увеличением удельной поверх-ности песка, т.е. с увеличением содержания в нем количества мелких фрак­ций. По-этому не рекомендуется использовать песок с М_к ниже 2 для бетонов во избежа-ние перерасхода вяжущего.

По результатам определения зернового состава строится кривая, которая сра-внивается с установленным требованиями ГОСТ 10268 графиком зернового сос-тава песка (рис. 8.1). Если кривая просеивания не выходит за допустимые границы, то пе­сок признается пригодным для использования в бетоне . При оптимальном зерновом составе пустотность песка не превышает 38%. Косвенной характе-ристикой пустотности пес­ка служит его насыпная плотность, которая у сухого кварцево­го песка в рыхлом состоянии колеблется в пределах 1500-1550 кг/м³, а в уплотненном встряхиванием состоянии — в пре­делах 1600-1700 кг/м³.

Рис. 8.1. Зерновой состав песка: 1 — допускаемая нижняя граница круп-ности песка (М_к = 1,5); 2 — реко­мендуемая нижняя граница крупности песка (М_к = 2,0) для бетона класса В15 и выше; 3 — рекомендуемая нижняя граница крупности песка (М_к = 2,5) для бетонов класса В25 и выше; 4 — допускаемая верхняя граница крупности песка (М_к = 3,25) для растворов и бетонов (заштри-хованная область — пески, допустимые для использования в растворах и бето-нах).

Присутствие в песке пылеватых и особенно глинистых при­месей снижает прочность и морозостойкость бетонов. Присутствие в песке органических при-месей замедляет схва­тывание и твердение цемента и снижает прочность бетона.

Согласно ГОСТ 8736 песку должна быть дана радиационно-гигиеническая оценка, по результатам которой устанавли­вают допустимую область его примене-ния. Тяжелые пески, получаемые путем дробления плотных пород, применяют для специальных целей (декоративные, кис­лотостойкие и другие бетоны).

• Крупный заполнитель — смесь зерен материала природ­ного или искус-ственного происхождения в виде гравия или щебня. Плотный заполнитель имеет плотность _нас > 1200 кг/м³, а пористые заполни­тели, используемые для легкого бетона, имеют плот­ность _нас < 1200 кг/м³.

Природный гравий представляет собой рыхлую смесь ока­танных обломков размером от 5 до 70 мм. Обогащение гравия заключается в сортировке по фракци­ям и промывке, иногда применяют дробление включений глыб и гальки, что приво-дит к повышению качества гравийного ма­териала. При содержании в гравии при-родного песка от 25 до 40% материал называют песчано-гравийной смесью. Приме­нение гравия допускается после предварительных ла­бораторных проверок.

Щебень — материал, получаемый дроблением горных по­род, валунов, крупного гравия или искусственных камней. Для этого применяют различные по конструкции и мощности кам­недробильные машины, от которых зависит качество получа­емой продукции. Лучшей формой щебенок считается кубовид­ная или те-траэдрическая, размером в пределах 5—70 мм. Содержание щебенок лещадной и игловатой форм (когда один из размеров зерна может превышать другой в три раза и бо­лее) не должно быть больше допускаемых стандартом. Щебень, как и гравий, чаще всего применяют фракциони­рованные: 5-10, 10-20, 20-40, 40-80(70) мм и смеси фракций от 5(3) до 20 мм.

При бетонировании плит наибольшая крупность зерен заполнителя должна быть не более 1/2 толщины плиты. Для бетонной смеси, укладываемой в сколь-зящую опалубку, раз­мер зерен принимается не более 1/6 наименьшего размера поперечного сечения конструкции. В железобетонных конст­рукциях наибольшая крупность заполнителя должна быть не более 3/4 наименьшего расстояния в све-ту между стержнями арматуры. Крупность заполнителей в бетонных смесях, по­даваемых по хоботам и виброхоботам, должна быть не более 1/3 их диаметра.

Межзерновая пустотностъ (V_nуст) показывает, какую долю составляют пустоты между зернами крупного заполнителя от его объема в рыхло-насыпном со-стоянии. Она может быть рас­считана по формуле, если известны насыпная плот-ность заполнителя и плотность его зерен :

Межзерновая пустотность обычно составляет 40-45%; это означает, что около половины объема крупного запол­нителя занимает воздух. При использова-нии в бетоне важ­но, чтобы межзерновая пустотность заполнителя была воз­мож-но меньше. В этом случае снижается расход вяжущего при сохранении требуе-мых свойств бетона. Уменьшить меж­зерновую пустотность можно правильным подбором зерно­вого состава так, чтобы мелкие зерна занимали пустоты между крупными.

Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5-2 раза выше прочности бетона. Дробимость оценивается по количеству мелочи, образующей­ся при сжатии (сдавливании) пробы заполнителя (гравия или щебня) в стальной форме под определенным усилием. По величине дробимости определя-ют марку заполнителя по ГОСТ 8267.

Предел прочности при сжатии щебня из изверженных по­род должен быть не ниже 80 МПа, из метаморфических пород — не ниже 60 МПа, из осадочных по-род — не ниже 30 МПа.

Морозостойкость заполнителя должна быть выше проект­ной морозостойкос-ти бетона. Допускается оценивать морозостойкость по числу циклов ускоренных ис­пытаний в растворе сернокислого натрия.

Радиационно-гигиеническая оценка содержания естествен­ных радионуклидов обязательна для всех видов крупного за­полнителя, и в особенности для получае-мых из промышлен­ных отходов (металлургических шлаков и т.п.).

Производство щебня включает в себя следующие техно­логические процес-сы: добычу камня, дробление, сортировку (грохочение). Добыча камня осуществ-ляется в основном в ка­рьерах буровзрывным способом, затем сырье доставляется на дробильно-сортировочный завод.

Широкое распространение получили пористые заполни­тели для легких бе-тонов — материалы природного или ис­кусственного происхождения с плотнос-тью зерен не более 2000 кг/м³.

Неорганические пористые заполнители подразделяют на природные и искус-ственные. Природные пористые заполни­тели получают путем частичного дробле-ния и рассевом или только рассевом пористых горных пород (пемзы, вулканическо-го туфа, известняка-ракушечника и др.). Искусственные пористые (легкие) запол-нители в большинстве своем являют­ся продуктами термической обработки минера-льного сырья и разделяются на специально изготавливаемые (керамзит, аглопорит) и получаемые как побочные продукты промышленнос­ти (топливные шлаки и золы, гранулированные металлурги­ческие шлаки и др.).

Основная маркировка пористых заполнителей установле­на по насыпной пло-тности. Например, если она находится в диапазоне от 400 до 500 кг/м³ включите-льно, то заполнитель относится к марке по плотности «500».

Прочность пористых заполнителей определяется сдавли­ванием в цилиндре или испытанием непосредственно в бето­не. Марка заполнителя по прочности долж-на соответствовать установленным стандартом маркам по насыпной плотности.

Искусственные пористые заполнители.

Керамзит и его разновидности (шунгизит, зольный гра­вий, глинозольный керамзит, азерит, вспученные аргиллит и трепел). Керамзит представляет собой гранулы округлой фор­мы с пористой сердцевиной и плотной спекшийся оболочкой. Получают керамзит быстрым обжигом во вращающихся печах до вспучивания лег-коплавких хорошо вспучивающихся глинистых по­род с большим содержанием ок-сидов железа и органических примесей. Керамзит выпускают в виде гравия, щебня и песка. Керамзитовый песок получают в специальных печах «кипяще­го слоя». Ма-рки керамзита250-600, керамзитового песка 500-1000, морозостойкость керам-зита, по ГОСТ 9757, должна быть не менее F15.

Аглопорит — заполнитель в виде щебня, гравия или пес­ка, получаемый спеканием (агломерацией) сырьевой шихты из глинистых пород и топливных от-ходов. Марки аглопорита от 400 до 900, межзерновая пустотность составляет 50-60%, пористость зерен 40-60%.

Шлаковая пемза — пористый щебень, получаемый вспу­чиванием расплав-ленных металлургических шлаков путем их быстрого охлаждения водой или паром. Марки шлаковой пемзы от 400 до 800, пустотность фракционированного щебня не должна быть более 52%. Используют шлаковую пемзу преимущественно в конструкционно-теплоизоляционных бетонах ограждающих конструкций.

Термолит — продукт обжига без вспучивания щебня или гравия кремне-земистых опаловых пород (диатомит, трепел, опока и др.). Насыпная плотность термолитового гравия или щебня составляет 600-1200 кг/м³, плотность зерен 1,0-1,9 г/см³, пористость зерен 20-60%. Прочность при сдавли­вании термолитового щебня составляет 1,4-4 МПа, гравия — 2-7 МПа.

Вспученные перлитовые щебень и песок — пористые зер­на белого или светло-серого цвета, получаемые путем быст­рого (1-2 мин) нагрева до темпера-туры 1000-1200°С вулка­нических водосодержащих (3-5%) пород. При обжиге исход­ная порода увеличивается в объеме в 5-15 раз, а пористость образующих-ся зерен достигает 85-90%. В соответствии с ГОСТ 10832, перлитовый песок выпускается марок 75-500, щебень — 200-500. Прочность щебня при сдавлива-нии в ци­линдре должна быть не менее 0,15-0,9 МПа. Особенности высокой по-ровой структуры обусловливают требования стан­дарта по ограничению водопог-лощения: для перлита марки 50 — не более 30%, для марки 400-50%, для марки 300-75%, для марки 250-100%, для марки 200-125% по массе.

Из общего объема выпуска искусственных пористых за­полнителей более ³/₄ приходится на долю керамзита и его раз­новидностей, остальное — на вспучен-ный перлит, вермику­лит, аглопорит, шлаковую пемзу, термолит и др.

Вода и добавки.

Для приготовления бетонной смеси можно использовать любую природную воду, не содержащую солей, кислот, орга­нических примесей выше допускаемых нормативами коли­честв. Водородный показатель рН воды должен быть не ме­нее 4 и не более 12,5, т.е. вода может быть слабокислой или слабощелочной. Особенно жесткие требования предъявляют к воде при изготовлении напряженных железо-бетонных кон­струкций.

Для придания бетонным смесям и бетонам специальных свойств, а также для экономии цемента, материальных и тру­довых затрат применяют различные добав-ки. Их подразделя­ют на два основных вида: химические и тонкодисперсные ми­не-ральные добавки. Химические добавки вводятся в состав бе­тона в небольшом коли-честве (0,1-2% от массы цемента) и служат для изменения свойств бетона и бе-тонной смеси (удобоукладываемость, скорость и сроки твердения, морозостой­кость, коррозиестойкость, пористость и т.д. Тонкодисперсные минеральные добав-ки служат для эко­номии цемента, получения плотного бетона при малых расхо­дах цемента и повышения его водостойкости. Используют та­кие добавки в количестве 5-20% от массы цемента.

Классификация химических добавок осуществляется в соот­ветствии с требо-ваниями ГOCT 24211.

Некоторые добавки обладают полифункциональным дей­ствием, например, одновременно пластифицирующие и воздухововлекающие, противоморозные и ин-гибирующие корро­зию стали и др. В этом случае добавку классифицируют по наи-более выраженному целевому эффекту действия.

Бетонная смесь и ее свойства.

Бетонная смесь получается путем тщательного смешива­лся вяжущего, заполнителей, воды и добавок и представляет собой сложную многокомпонент-ную полидисперсную систему.

Способность бетонной смеси к деформированию и течению под действи-ем внешних сил определяется ее реологическими свойствами. Для оценки рео-логических свойств бетонной смеси пользуются технологической характеристи-кой — показателем удобоукладываемости бетонной смеси. Свойство бетонной смеси разжижаться при механическом воздействии и вновь загустевать после прекращения воздей­ствия называется тиксотропией. Это свойство широко ис-поль­зуется при укладке и уплотнении бетонной смеси. Бетонные смеси долж-ны отвечать двум основным требо­ваниям:

иметь достаточную удобоукладываемость, соответствую­щую принятому спо-собу уплотнения;

сохранять на всех стадиях технологического процесса из­готовления изделий однородность.

Удобоукладываемость или формуемостъ — это способ­ность бетонной смеси принимать заданную форму, образуя в результате уплотнения плотное одно-родное тело. Удобоукла­дываемость определяется ее подвижностью (текучестью) в момент заполнения формы и пластичностью, т.е. способно­стью деформироваться без разрыва сплошности и трещин.

Для оценки удобоукладываемости в производственных условиях использу-ют два показателя: подвижность или жест­кость бетонной смеси (ГОСТ 10181).

Подвижность отражает способность бетонной смеси де­формироваться и осе-дать под влиянием собственной тяжести. Подвижность бетонной смеси определяют по осадке (ОК) или расплыву (РК) конуса, отформованного из бетонной смеси. Осад-ка конуса характеризует удобоукладываемость по­движных бетонных смесей.

Жесткие бетонные смеси прио­бретают свойства пластичности в результате принудительно­го уплотнения. Их удобоукладываемость оценивается показа­телем жесткости (Ж), который характеризуют временем вибрации в секундах, необ-ходимым для уплотнения бетонной смеси. Показатель жесткости определяется на техническом вискозиметре.

Эффективным способом регулирования удобоукладывае­мости бетонных сме-сей является использование пластифици­рующих добавок.

Однородность смеси обусловлена необходимой внутрен­ней связностью, ко-торая исключает возможность расслоения бетонной смеси и отделения воды. При транспортировке, укладке и уплотнении бетонной смеси возможно ее расслоение, или седиментация.

Тяжелый бетон. Тяжелым называется бетон плотной (слитной) струк-туры, приготовленный на цементном вяжущем, плотных мелком и крупном заполнителях. .

Структура бетона

В бетоне различают макро- и микро­структуру.

В качестве элементов макроструктуры бетона можно рас­сматривать крупный заполнитель, песок, цементный камень, крупные воздушные поры (образующиеся при недоуплотнении бетонной смеси и защемлении воздуха), седиментационные полости и трещины (например, от усадки цементного кам­ня или иных причин).

Так, при высокой концентрации зерен заполнителя и соот­ветственно ма-лом объеме цементирующего вещества форми­руется структура с «контакт-ным» расположением зерен запол­нителя. В этом случае зерна заполнителя скреплены в местах контакта тонкой прослойкой цементного камня, а пустоты меж­ду ними заполнены цементным раствором.

С увеличением расхода цемента, что характерно для по­движных и плас-тичных смесей, относительное содержание це­ментирующего вещества увели-чивается, концентрация запол­нителей снижается. В результате создается структура с «пла­вающим» расположением зерен заполнителя, т.е зерна нахо­дятся на значительном удалении друг от друга. В этом случае применение высо-копрочного заполнителя не при­водит к повышению прочности бетона. Его про-чность опреде­ляется только прочностью растворной составляющей.

Микроструктурой называют структуру, видимую при боль­шом увеличе-нии под микроскопом. Микроструктура бетона характеризуется структурой цементного камня и контактной зоной между цементным камнем и заполните-лем. Соотношение меж­ду кристаллической и гелевой составляющей цементного ка-м­ня оказывает влияние на физико-механические свойства бето­на: деформативность и стойкость при различных видах воз­действий. Структурная пористость бетона оп-ределяется пори­стостью цементного камня, обусловленной начальным водосодер-жанием бетонной смеси и воздухововлечением при ее перемешивании.

Объем капил­лярных пор может находиться в пределах от 0 до 40 % от объ­ема цементного камня и определяется количеством воды затворения. Капилля-рные поры с размерами более 0,2 мкм при­нимают участие в коррозионных про-цессах и снижают стойкость бетона. Ориентировочно объем капиллярных пор можно рассчитать по формуле

П_кап = (В/Ц - 0,5 )(В/Ц + 0,32),

где — степень гидратации цемента в относительных единицах.

Наряду с капиллярами в цементном камне в процессе гидра­тации и твердения образуются гелевые и контракционные поры.

Гелевые поры — это самые мелкие поры с размерами от 0,0015 до 0,030 мкм, которые формируются в новообразова­ниях цементного камня коллоидных размеров. Вода в гелевых порах прочно удерживается адсорбционными силами, что делает их практически водонепроницаемыми. Эти поры ока­зывают влияние на уса-дку, ползучесть и другие деформативные свойства бетона. Объем гелевых пор составляет 28% от объема новообразований.

Контракционные поры — это замкнутые поры, которые образуются в ре-зультате уменьшения объема системы «цемент-вода» в процессе гидратации. Объем контракционных пор со­ставляет 7-9 см³ на 100 г цемента. Они способствуют по-выше­нию морозостойкости и сульфатостойкости бетона.

При вовлечении воздуха в бетонную смесь образуются сфе­рические, замкну-тые, достаточно крупные поры размером 0,1-2,0 мм. Эти поры оказывают поло-жительное влияние на стойкость бетона в некоторых условиях, хотя при этом про-ч­ность снижается.

Пористость бетона зависит от степени гидратации цемен­та и со временем из-меняется: общая и капиллярная пористость снижается, гелевая и контракционная увеличивается.

Контактная зона формируется вблизи зерен заполнителя и по своим свойст-вам больше или меньше отличается от струк­туры основной массы цементного кам-ня. В бетоне происхо­дит «сращивание» цементного камня с поверхностью заполни­теля в результате физико-химических процессов: влияния по­верхностных сил и ми-грации к зернам заполнителя гидроксида кальция, образующегося при твердении цемента. При использовании пористого заполнителя (керамзита, аглопорита и т.д.) прочность контактной зоны выше, чем при использовании плотного заполнителя.

Основной закон прочности бетона.

Экспериментальными исследованиями установлено, что прочность бетона главным образом определяется отношени­ем массы воды к массе цемента (водо-цементным отношением), качеством заполнителей и активностью цемента. Для по­лучения удобоукладываемых бетонных смесей принимают водоцементное отно-шение В/Ц = 0,4-0,7; т.е. расход воды составляет 40-70% от массы цемента. Для полной гидратации клинкерных минералов необходимо около 22 % воды от массы цемента. Избыточная сверх этого вода, испаряясь из бетона, образует поры и капилляры различной формы и размеров. Наличие пор ослабляет бетон: чем их больше, т.е. чем боль­ше В/Ц, тем ниже прочность бетона.

Расчетные формулы прочности применимы для бетонов из хорошо уплотнен-ных бетонных смесей, твердевших в нормаль­ных температурно-влажностных усло-виях и испытанных по стандартной методике в возрасте 28 суток. Одной из пер-вых расчетных формул для тяжелого бетона была предложена фор­мула Н.Н. Беляе-ва, устанавливающая зависимость прочности бетона от водоцементного отноше-ния: функция R_b=f(B/Ц) пред­ставляет собой гиперболу, которая объединяет точки с опти­мальными значениями В/Ц при различной работе уплотнения.

Более удобной для применения на практике оказалась за­висимость прочности бетона не от В/Ц, а от цементно-водного отношения (Ц/В), которую описывает фор-мула швейцарского ученого И. Боломея, усовершенствованная Б.Г. Скрамтаевым. Функция R_b=f(Ц/В) при некотором упрощении может быть представлена линей-ным уравнением вида

R_b=AR_ц(Ц/B + b),

где А — коэффициент, учитывающий качество заполни­телей;

R_ц — активность цемента, МПа;

Ц — расход цемента в бетонной смеси, кг/м³;

В — расход воды в бетонной смеси, л/м³;

b — постоянный коэффициент, определяемый опыт­ным путем.

Рис. 8.2. Зависимость прочности от цементно-водного отношения.

Эмпирическая зависимость R_b=f(Ц/В), построенная по ре­зультатам многочи-сленных опытных данных, описывается кри­вой сложного очертания, имеющей точ-ку перегиба при Ц/В, равном примерно 2,5 (рис. 8.2).

Такой характер изменения прочности от цементно-водного отношения можно описать двумя уравнениями:

для составов бетона с Ц/В = 1,4—2,5

R_b = AR_ц (Ц/В - 0,5); (8.5)

для составов бетона с Ц/В=2,5—3,5

R_b = A' R_ц (Ц/В + 0,5). (8.6)

В данных уравнениях значение коэффициента Ь, опреде­ленное по стати-стическим данным, численно равно 0,5. Зна­чения коэффициентов А и А' приве-дены в таблице.

Прочность бетона не остается величиной постоянной. С те­чением времени, при достаточной влажности воздуха и поло­жительной температуре, прочность бето-на увеличивается. Из­менение прочности во времени описывается логарифмической зависимостью (рис. 8.3, а), которая при переходе к логариф­мическому масштабу времени преобразуется в линейную за­висимость (рис. 8.3,б). Эта линейная зави-симость позволяет для ориентировочного определения прочности бетона в раз­ном возрасте использовать формулу:

где — расчетный возраст бетона, сут.;

— значение прочности бетона на сжатие соот­ветственно в возрасте и 28 суток, МПа.

Рис. 8.3. Рост прочности бетона во времени: а — логарифмическая зави-симость R₆ = f( ); б — линейная зависимость R₆ = f(lg ).

Проектирование состава бетона.

Состав бетона выражают в виде расхода материалов по мас­се на 1 м³ бетона (например, Ц=320 кг/м³; П = 680 кг/м³; Щ = 1240 кг/м³; В= 180 л/м³) или в виде количественного соот­ношения по массе между составляющими материалами на еди­ницу массы цемента (например, Ц:П:Щ = 1:2:4 при В/Ц=0,6). Различают ла-бораторный (номинальный) состав бетона, уста­навливаемый для сухих материа-лов, и производственный — для материалов с естественной влажностью.

Проектирование состава бетона выполняется в следующем порядке:

- назначение требований к бетону, исходя из вида конст­рукции, условий ее эксплуа-тации и технологии изготов­ления;

- выбор материалов для бетона;

-определение расчетного состава бетона;

- уточнение состава на пробных замесах;

- назначение производственного состава бетона.

Требования к прочности бетона, а в некоторых случаях, в соответствии с условиями эксплуатации, и к другим свой­ствам бетона — морозостойкости, во-донепроницаемости, кор­розионной стойкости и др. указываются в проектно-тех-нической документации на конструкцию.

Удобоукладываемость бетонной смеси, если она не зада­на, следует назна-чать по СНиП 3.09.01 «Производство сбор­ных железобетонных конструкций и из-делий» в соответствии со способом формования и видом конструкции.

Расчет лабораторного состава бетона производится по ме­тоду абсолютных объемов. Согласно этому методу, расход всех четырех компонентов бетонной сме-си должен быть таким, чтобы сумма их абсолютных объемов составляла 1000 л (при этом не учитывается небольшой объем вовлеченного воздуха):

(8.1)

где Ц, В, П, Щ — соответственно расход цемента, воды, песка и щебня, кг/м³;

— соответственно истинная плотность цемента, песка и щебня, г/см³.

Расходы материалов определяются в следующем порядке:

1) Вычисляется цементно-водное отношение из формулы, отражающей основной закон прочности бетона:

В случае Ц/В> 2,5, что характерно для высокопрочного бетона, для расче-та используется формула:

Если к бетону предъявляются дополнительные требования по морозостойкос-ти, водонепроницаемости, то полученные значения Ц/В сравнивают с нормиро-ванными и для дальней­ших расчетов принимают большее из них.

2) Ориентировочный расход воды (В) принимается по табли­це 8.1, в зави-симости от требуемой удобоукладываемости бетонной смеси, вида и крупности заполнителя.

Таблица 8.1.

3)Расход цемента определяется уже с учетом найденных начений Ц/В и В:

Ц=(Ц/В)В.

Полученное значение расхода цемента необходимо сверить с нормативными требованиями ГОСТ 26633 по минимально­му расходу цемента. Если в результа-те расчета по формуле получилась величина меньше требуемой по нормам, то следует принять нормативное минимальное значение расхода цемента.

4) Для определения расхода крупного и мелкого заполните­лей задаются двумя условиями:

а) сумма абсолютных объемов всех компонентов в уплот­ненном состоянии равна 1000 л (1 м³), что выражается уравнением (8.1);

б) цементно-песчаный раствор должен заполнить все пус­тоты в крупном за-полнителе с учетом некоторой раз­движки зерен этим раствором. Величина раздви-жки за­дается коэффициентом раздвижки зерен крупного запол­нителя (щебня или гравия), который показывает, на сколько объем раствора превышает объем пус-тот. Из­быток растворной части необходим для получения удобообрабатываемой бетонной смеси и хорошего (полно­го) связывания зерен заполнителя в единый прочной монолит. Это условие можно записать уравнением:

(8.2)

где V_п.щ — пустотность крупного заполнителя,

— истинная плотность соответственно цемента и песка, кг/л;

— насыпная плотность крупного заполнителя, кг/л;

— коэффициент раздвижки зерен крупного запол­нителя.

Значение коэффициента для жестких бетонных смесей принимается рав-ным 1,05-1,15. В подвижных бетонных сме­сях значение коэффициента раздвижки зерен изменяется в бо­лее широком интервале: = 1,25-1,55. Величина прини-ма­ется тем больше, чем выше требуемая подвижность бетонной смеси, так как для увеличения пластичности смеси зерна круп­ного заполнителя должны быть более от-далены друг от дру­га. Коэффициент раздвижки зависит от многих факторов: рас­хо-да цемента, объема цементного теста, пустотности запол­нителей и др. Для расчета состава бетона может быть исполь­зована зависимость от объема цементного теста (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Зависимость коэффициента раздвижки а от объема цементного теста для подвижных смесей.

Объем цементного теста рассчитыва-ется по формуле

Решая систему двух уравнений (8.1) и (8.2), можно рассчитать необходимое количество щебня (гравия) на 1 м³ бетона:

где ―соответственно насыпная и истинная плотность щебня (гравия), кг/л.

Расчет расхода мелкого заполнителя на 1м³ бетона вы­полняется по форму-ле

Для обычных тяжелых бетонов расчетная плотность бе­тонной смеси в уп-лотненном состоянии, определяемая как находится в преде-лах 2350 - 2450 кг/м³.

Расчетный состав бетона уточняется на пробных замесах. Вначале готовится замес бетонной смеси для проверки удобоукладываемости. Пробные замесы повто-ряют до тех пор, пока не получат требуемые показатели удобоукладываемости и производят перерасчет состава по факти­ческой плотности бетонной смеси, получен-ной при способе уплотнения, принятом в производственных условиях.

Из бетонной смеси, откорректированной по удобоукладываемости, изготов-ляют контрольные образцы, которые после твердения в нормальных условиях в течение 28 суток испыты вают на прочность при сжатии. Если прочность конт-рольных образцов отличается от заданной более чем на ±15%, то кор­ректируют состав цемента в большую или меньшую сторону, изготовляют контрольные образцы и снова их испытывают. Результатом экспериментальной проверки расчетного состава бетона является новый уточненный состав, учитывающий свой­ства конкретных материалов.

В производственных условиях для приготовления бетон­ных смесей за-частую используются влажные заполнители. Дополнительная вода, содержа-щаяся в заполнителях, приво­дит к необходимости корректировки составов. В результате пересчета расхода материалов с учетом фактической влажно­сти заполнителей получают производственный (рабочий) со­став бетона.

Вначале рассчитывается количество воды, привнесенное заполнителя-ми, по формулам

где — влажность песка и крупного заполнителя, %;

— количество воды, содержащееся соответ­ственно в песке и щебне, кг/м³.

Затем устанавливается расход воды с учетом влажности заполнителей:

Чтобы сохранить при этом расчетное количество заполни­телей в смеси, необ-ходимо увеличить их расход на то количе­ство воды, которое в них содержится. В производственном составе расходы песка и щебня, с учетом влажности, будут:

Расход цемента при пересчете в производственном составе остается не-изменным.

Объем бетонной смеси всегда меньше суммарного объема ее компонен-тов в насыпном состоянии. Это объясняется тем, что в процессе перемешива-ния более мелкие зерна заполняют пустоты в более крупных, цементное тесто заполняет пустоты в самых мелких зернах. Для оценки объема получаемой сме­си рассчитывается коэффициент выхода бетонной смеси :

где — насыпная плотность цемента, песка, щебня, кг/м³.

Коэффициент используется также для оценки качества уплотнения бетон-ной смеси и расчета производительности бе­тоносмесителей. Среднее значение ко-эффициента выхода для тяжелых бетонов составляет 0,67, для легких — 0,75.

Основы технологии бетона.

Производство бетона включает следующие основные тех­нологические процессы:

• приготовление бетонной смеси;

• транспортирование бетонной смеси;

• укладка и уплотнение бетонной смеси;

• твердение бетона.

Приготовление бетонной смеси осуществляется при последовательном выполнении технологических операций дози­рования и перемешивания. Дози-рование компонентов бетонной смеси должно обес­печить точность взвешива-ния, которая гарантирует соответ­ствие фактического состава заданному. Сог-ласно требовани­ям ГОСТ 7473, точность дозирования для цемента, воды и до­бавок должна быть не выше ±1%, заполнителей ±2%. Все материалы дозируют по массе, кроме пористых заполнителей, которые дозируют по объему.

Перемешивание должно обеспечить однородность бетон­ной смеси за счет ра-вномерного распределения компонентов по всему объему смеси. Перемешивание отдозированных компонентов производят в бетоносмесителях различной конструк-ции. Бетоносмесители по принципу перемешивания подразде­ляются на гравитаци-онные и принудительного действия; по режиму работы — на цикличные (перио-дического действия) и непрерывного действия.

Стационарные гравитационные смесители периодическо­го действия имеют вместимость по загрузке 750, 1200, 1500, 2400 и 3000 л, частоту вращения бара-бана 13-20 об./мин.

Смесители непрерывного действия перемешивания нахо­дят применение при больших объемах производства бетонной смеси постоянного состава, например, для гидротехническо­го, дорожного строительства.

Цикличные смесители с вертикально расположенными ва­лами по принципу действия подразделяются на противоточные (тарельчатые), с вращающимся кор-пусом и роторные, с неподвижным корпусом. Вместимость тарельчатых смесите­лей по загрузке 500, 750, 1500 л, частота вращения рабочего органа составляет 15-40 об/мин. Цикличные смесители с го­ризонтально расположенными валами (лотковые) имеют один или два вала, на которые насажены смешивающие лопасти. Одновальные смесители используют только для смешива­ния компонентов мелко-зернистого бетона, двухвальные сме­сители применяют для приготовления обычных бетонных сме­сей с крупным заполнителем. Для непрерывного приготовления сме-сей обычно приме­няют двухвальные лопастные смесители с горизонтально рас­по-ложенными валами. Валы вращаются в разные стороны, и лопасти не только пе-ремешивают все компоненты смеси, но и постепенно перемещают смесь от загру-зочного отверстия к разгрузочному.

Следует отметить, что для приготовления растворных и мелкозернистых смесей эффективно использовать высокочас­тотные циклические смесители актива-торного типа с частотой вращения около 700 об/мин.

При приготовлении жестких и сверхжестких бетонных сме­сей дополнительно используют вибрацию для тиксотропного разжижения густого цементного теста, что облегчает процесс смешивания. В качестве вибросмесителей можно использо-вать обычные смесители принудительного действия, закрепляя виб­раторы на корпу-се или лопастях смесителя.

Транспортированиедолжно обеспечивать сохранность, одно­родность и удобоук-ладываемость бетонной смеси, а также ис­ключать возможность попадания в нее ат-мосферных осадков.

Транспортирование готовых бетонных смесей к месту фор­мования производи-тся различными транспортными средства­ми: автобетоносмесителями, при перево-зке на дальние рас­стояния, автобетоновозами, автосамосвалами. На предприя­тиях сборного железобетона доставку бетонной смеси произ­водят ленточными транспо-ртерами, бетононасосами, бадьями, вагонетками и самоходными бункерами, кото-рые перемеща­ются по рельсовым путям.

Укладка и уплотнение бетонной смеси должны обеспечить получение одноро-дного по плотности и прочности бетона.

Укладка и уплотнение бетонной смеси в форме или опа­лубке выполняются с использованием специального оборудо­вания одновременно. В процессе уплотнения под внешним силовым воздействи­ем происходит сближение частиц бетонной сме-си, более ком­пактно размещаются зерна заполнителей, вытесняются пузырь­ки возду-ха, возможно отделение небольшого количества воды.

Качество уплотнения характеризуется коэффициентом уплот­нения кото- рый представляет собой отношение фактиче­ской средней плотности бетонной смеси к теоретической:

Усредненное значение коэффициента уплотнения для обыч­ных тяжелых бе-тонных смесей марок по удобоукладываемости Ж1, П1, П2 находится в пределах 0,96—0,97.

Формуемость бетонных смесей и способы их уплотнения тесно взаимосвяза-ны. Наибольшее распространение получил способ виброуплотнения. Режим вибро-уплотнения характеризуют параметры: амп­литуда и частота колебаний, интенсив-ность и продолжитель­ность уплотнения. Критерием интенсивности колебаний слу­жит мощность, затрачиваемая на колебательные движения ча­стиц. Этот критерий рассчитывается по формуле, предложен­ной В.Н. Шмигальским:

И = 8∙n³ ∙A² ∙f³,

где И — интенсивность вибрирования, см²/с³;

А — амплитуда колебаний, см;

f — частота колебаний, с^-1 (Гц).

Для каждой бетонной смеси при принятых параметрах коле­баний имеется оп-тимальная продолжительность вибрирования, при которой обеспечивается требуемое уплотнение бетонной сме­си. Увеличение продолжительности вибрирования сверх оп-ти­мального не только не приводит к заметному повышению плот­ности бетона, но и ведет к неоправданному увеличению энерго­затрат, а иногда и к расслаиванию бетон-ной смеси. Продолжи­тельность виброуплотнения t рассчитывается по формуле

где Ж — жесткость бетонной смеси, определенная по стандартной методике, с;

И_ст — интенсивность колебаний при стандартном режиме вибрирования А_ст = 0,5 мм, п_ст = = 2900 кол./мин; И = 280см²/с³;

И — интенсивность виброобработки в производствен­ных условиях, см²/с³;

— коэффициент, зависящий от характеристик изде­лия, = 8 - 16.

Повышение интенсивности колебаний приводит к сокра­щению продолжите-льности вибрирования, что способствует снижению энергозатрат на уплотнение и повышение произво­дительности оборудования. Кроме того, увеличение интенсив­ности позволяет снизить водосодержание бетонных смесей и обеспечить требуемую прочность при меньшем расходе цемен­та (при сохранении значения В/Ц).

В случаях, когда для уплотнения смеси одних вибраци­онных воздействий недостаточно, используют вибрирование в сочетании с давлением. Этот способ позволяет использо­вать более жесткие бетонные смеси, повышать эффективность уплотнения. Вибрирование в сочетании с давлением осуще­ствляется на вибропло-щадках с пригрузом, при уплотнении вибропрессами, виброштампами и др.

Для получения бетона плотной структуры из подвижных смесей используют способы уплотнения с удалением некото­рого количества воды затворения. К ним относятся способы центрифугирования и вакуумирования. Для уплотнения жест-ких и сверхжестких бетонных сме­сей применяется роликовое безвибрационное уп-лотнение и на­бивной способ. При роликовом способе уплотнение смеси про­исходит за счет быстрого качения по ее поверхности роликов (цилиндров). При набивном способе, имеющем много разно­видностей (шприц-бетон, набрызг-бетон, торкрет-бетон и др.), уплотнение достигается при нанесении смеси на поверхность формы силой пневматического или механического воздействия. Использование добавок су-перпластификаторов сделало эф­фективным применение литьевого способа формо-вания для бетонных смесей с ОК более 16 см

Твердение бетона происходит в естественных условиях или при тепловлажнос-тной обработке.

С повышением температуры скорость химических реак­ций взаимодействия цемента с водой увеличивается и тверде­ние бетона ускоряется, но при обязательном условии обеспе­чения влажности среды. При испарении влаги из бетона его тверде-ние практически прекращается. При этом в обезвожен­ном бетоне образуются тре-щины и снижается прочность.

Высокая температура (порядка 60-100 °С) при условии обеспечения близ-кой к 100% влажности среды значительно ускоряет химические реакции в бетоне, что приводит к увели­чению прочности в начальные сроки. Такой вид тепловлажно-стной обработки называется пропариванием. Прочность бето­на, пропаренного в те-чение 7-14 ч, составляет около 70% от проектной.

Тепловая обработка бетона паром высокого давления (0,8-1,2 МПа) с тем-пературой 175-190 ^СС в еще большей мере ус­коряет процессы твердения. Такой способ ускоренного твер­дения бетона называют автоклавной обработкой. Произво-дит­ся она в аппаратах высокого давления — автоклавах. Использование авток-лавной обработки для обычного бетона неэффек­тивно, так как ведет к удорожанию изделия. Этот способ об­работки целесообразно использовать в производстве мате-риа­лов на основе известково-кремнеземистых и смешанных вя­жущих — силикат-ных плотных и ячеистых бетонов.

Кроме пара в качестве источника тепловой энергии могут быть использованы электрический ток, продукты сгорания при­родного газа, солнечная энергия и др. При таких видах тепло­вой обработки должна предусматриваться защита бетона от испа-рения влаги.

При твердении бетона в естественных условиях необходи­мо организовать правильный уход за твердеющим бетоном. С понижением температуры скорость химических реакций твердения замедляется. Так, например, при снижении темпе­ратуры с 20 до 5°С схватывание бетона замедляется в 2-5 раз, а скорость нарас-тания прочности снижается на порядок. Еще резче это замедление проявляется при дальнейшем снижении температуры до 0 °С. Однако если восстановить после охлаж­дения нормальную температуру, то твердение вновь принима­ет обычные те-мпы.

При температуре ниже 0°С твердение прекращается пол­ностью, так как вода в бетоне замерзает и реакции твердения прекращаются из-за отсутствия свободной воды. Поэтому бе­тон, укладываемый зимой, предохраняют от замерзания в те­чение срока, необходимого для приобретения им порядка 30-50% проектной прочнос-ти. При зимнем бетонировании свежеуплотненную бетонную смесь подогревают снаружи паром или электрическим током. Та­кой способ позволяет через 1-2 суток получить 60-70% ма­рочной прочности. Электропрогрев бетона производят пере-менным током с применением поверхностных и внутренних электродов.

Свойства бетона.

Прочность — важнейший показатель качества конструк­ционных бетонов.

Бетон хоро­шо работает на сжатие и значительно хуже на растяжение. Поэто-му в конструкциях его используют прежде всего для вос­приятия сжимающих нагру-зок. Основной характеристикой прочности бетона является прочность на сжатие R_сж, которая контролируется для всех конструкционных бетонов. Прочность на рас-тяжение R_p и растяжение при изгибе R_и определяется только в некоторых случа-ях.

Фактическая прочность бетона при сжатии определяется испытанием конт-рольных образцов, изготовленных из той же бетонной смеси, что и конструкция, и твердевших в одинако­вых с ней условиях. Величина прочности рассчитывается как среднее арифметическое результатов испытаний серии, состо­ящей из нескольких образцов. Прочность на сжатие определя­ют испытанием образцов-кубов, с разме-ром ребра 15 см на одноосное сжатие на гидравлическом прессе. Допускается ис­пользовать кубы других размеров, но при этом результат сле­дует умножать на соот-ветствующие переходные коэффициен­ты, для учета масштаба образцов.

Прочность на растяжение при изгибе определяют путем испытания балочек квадратного сечения. Размеры образцов за­висят от наибольшей крупности зерен за-полнителя. Испыта­ния производят по схеме балки на двух опорах, с приложени­ем двух сосредоточенных сил на 1/2 пролета. Прочность на ра­стяжение при изгибе яв- ляется одним из показателей назначе­ния (показателей качества) бетона для дорож-ных и аэродром­ных покрытий.

Прочность на осевое растяжение определяют испытани­ем образцов-«вось-мерок» на разрывной машине. Прочность бе­тона на осевое растяжение в 15-20 раз меньше, чем прочность на сжатие, и связана с прочностью на растяжение при из-гибе соотношением: R_р = 0,58R_и.

Для оценки прочности бетона используют его класс или мар­ку. Бетоны подраз-деляют на марки по прочности на сжатие: М50, М75, М100, M15O, M200, M250, М300, М400, M450, M500 и выше с интервалом от 100 до М1000. Марка тяже-лого бетона определяется по средней прочности стандартных контрольных образ-цов, через 28 суток нормального твердения (при температу­ре 20+2 °С и относи-тельной влажности воздуха не менее 90%). Бетон характеризуется неоднородно-стью структуры, что приводит к неоднородности его свойств. На этом основании по-казатели свойств бетона можно считать величинами случайными. Для оценки слу-чайных величин используются статистические ха­рактеристики: среднее арифмети-ческое, среднеквадратическое отклонение S и коэффициент вариации . Послед-ние две ха­рактеристики S и v используются для оценки однородности свойств бетона и зависят от разброса, т.е. отклонения данных от среднего значения. Чем больше разброс данных относи­тельно среднего, тем больше значения S и v, тем меньше од­нородность бетона. Среднеквадратическое отклонение рассчи­тывается по формуле:

где — прочность i-ro образца;

— количество образцов;

— среднее значение прочности, равное

Коэффициент вариации вычисляется по формуле:

Марка бетона не учитывает фактическую неоднородность прочности, а это может привести к тому, что прочность бе­тона в некоторых конструкциях ока-жется намного ниже тре­буемой по расчету, тогда как в других будет неоправданно завышена.

В связи с этим используется другая оценка прочности бе­тона — класс бето-на по прочности В. Бетоны по прочности на сжатие подразделяются на следую-щие классы: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В22,5; В25 - В80. Класс бетона по проч­ности определяет величину прочности, гарантированную с обес­печенностью 0,95. Это означает, что прочность бетона при боль­шом числе испытаний в 95% случаев будет равна или больше гарантированной, а в 5% — меньше.

Класс бетона и средняя прочность , при которой будет обеспечена гаран-тированная прочность, связаны зависимостью:

где t — статистический критерий, зависящий от обеспечен­ности: при обеспе-ченности 0,95t = 1,64. Значение v определяется при статистическом контроле проч­ности на предприятии, а при отсутствии данных принимается равным норма-тивному: v^н = 0,135 (13,5%). При этом средняя прочность составит:

В процессе производства контролируется величина сред­ней прочности. Для обеспечения этой прочности проектирует­ся состав бетона. Если при расчете средней прочности исполь­зовать фактическое значение коэффициента вариации, то ее зна-чение будет различным при одном и том же классе проч­ности: чем меньше v, тем меньше требуемая средняя проч­ность и наоборот. Снижение величины средней прочности по­зволяет снизить расход цемента, повышение величины сред­ней проч-ности связано с увеличением расхода цемента (Ц/В увеличивается при постоянном расходе воды). Следователь­но, надо стремиться к снижению коэффициента вариа-ции (повышению однородности бетона) за счет строгого соблюдения технологичес-ких режимов, учета изменчивости свойств мате­риалов, правильной организации ко-нтроля в целом, за счет повышения культуры производства. Учет неоднородности прочности бетона при переходе от марки к классам не только повышает надежность конструкций, но и способствует эконо­мии цемента при хорошо отлаженной техно-логии.

Для характеристики упругих свойств бетона определяют начальный модуль упругости Е_н. Бетон является упругоплас-тическим материалом, в котором упру-гие деформации, изме­няющиеся по линейному закону, развиваются только при крат­ковременном действии нагрузки. Измерить упругие деформа­ции можно только сра-зу после приложения нагрузки, так как при относительно длительном действии на-грузки, например в течение 1 ч, к упругим деформациям добавляются пластичес­кие. Начальный модуль упругости определяется по величине относительной Дефо-рмации при напряжениях не более 0,3 от величины разрушающих напряжений. Модуль упругости яв­ляется важной характеристикой деформативности бетона и учи­тывается наряду с прочностью в расчетах несущих конструк­ций. При повышении концентрации прочного крупного запол­нителя и снижении водоцементного отноше-ния модуль упру­гости увеличивается.

Ползучесть — это способность к увеличению пластичес­ких деформаций в течение длительного времени при постоян­ной нагрузке. Ползучесть бетона обусло-влена наличием в це­ментном камне гелевой составляющей, которая удерживает бо-льшое количество адсорбционно связанной воды. В течение длительного времени под действием нагрузки эта вода как бы выжимается из гелевых пор, при этом бе-тон деформируется.

Результатом ползучести является релаксация напря­жений. Релаксация — это самопроизвольное снижение внут­ренних напряжений при условии, что нача-льная величина де­формаций остается постоянной. Благодаря релаксации значите-льно снижа­ются напряжения в элементах статически неопределимых кон­струкций. В то же время процесс релаксации может приво­дить к нежелательным явлениям, например к потере напря­жений в предварительно напряженной арматуре.

Усадка — уменьшение первоначального объема бетона вследствие изме-нения его влажности и физико-химических процессов твердения. Усадка бетона складывается из влажностной, контракционной и карбонизационной. Для уменьше-ния опасности появления усадочных трещин необходимо обеспечить правильный уход за твердеющим бето­ном.. Для уменьшения напряжений от деформаций усадки в протяженных конструк­циях их разбивают по длине усадочными швами.

Водопоглощение — способность бетона впитывать и удер­живать воду. Оно определяется количеством воды, поглощен­ной сухим материалом при полном пог-ружении в воду. Водо­поглощение определяется в процентах от Массы W_м или объе­ма W_о сухого материала. Для обычного бетона водопоглоще­ние составляет 4-8% по массе или 10-20% по объему, для бетона на пористых заполнителях этот показатель значитель­но выше. Водопоглощение бетона определяет его открытая ка­пиллярная пористость, так как насыщение водой происходит через систему сооб-щающихся капиллярных пор.

Водопроницаемость зависит главным образом от структу­ры бетона. Проник-новение воды в бетон происходит через мак­ропоры цементного камня с радиусом более 0,1 мкм, седиментационные поры бетона, дефекты уплотнения и в некото­рых конструкциях возможно через крупные сквозные каналы в теле бетона. Плот-ные бетоны обычно непроницаемы для воды, действу­ющей без напора.

Для оценки водонепроницаемости бетона используют марки от W2 до W20. Марка по водонепроницае­мости определяется испытанием стандартных об-разцов под давлением и показывает величину давления, при котором бе­тон еще не пропускает воду. Например, бетон марки W12 вы­держивает без фильтрации да-вление воды до 1,2 МПа.

Морозостойкость — способность бетона в насыщенном во­дой состоянии выдерживать многократное попеременное за­мораживание и оттаивание. В первую очередь она определяет­ся характером пористости бетона: объемом, размером и стро­ением пор и его плотностью. Увеличение общей пористости бетона и, как следст-вие, уменьшение его плотности приводят к снижению морозостойкости. Наиболь-шую опасность с точ­ки зрения морозостойкости представляют сообщающиеся ка­пиллярные поры, доступные для проникновения воды. Имен­но объем этих пор оп-ределяет величину водонасыщения бето­на и при замерзании воды — величину внутренних напряже­ний. Поэтому снижение открытой капиллярной пористости — необходимое условие получения морозостойкого бетона.

Микропоры цементного камня с радиусом менее 0,1 мкм не оказывают за-метного влияния на морозостойкость бетона, так как эти поры всегда заполнены связанной поверхностны­ми силами водой, которая не замерзает даже при темпера-туре ниже -70 °С.

В открытых порах температура замерзания воды зависит от их размеров: чем меньше размер пор, тем ниже температура замерзания в них воды. Например, в порах с радиусом 0,08 мм вода переходит в лед при температуре -14,6°С, а в порах с ра­диусом 0,03 мм — при температуре -18°С. По морозостойкос­ти бетон под-разделяется на марки: F50, F75, F100 до F1000.

Морозостойкий бетон характеризуется высокой плотностью структуры, кото-рая обес­печивается уменьшением В/Ц за счет применения пластифици­рующих доба-вок, использования более интенсивных способов уплотнения и материалов с неболь-шой водопотребностью. Обыч­но для морозостойких бетонов В/Ц < 0,5.

Эффективным способом повышения морозостойкости явля­ется введение в состав воздухововлекающих добавок для со­здания «резервной пористости». Объем воздухововлечения со­ставляет 4-6% от объема бетона и более 20% от объема за-мер­зающей воды.

Бетоны специального назначения.

К таким видам бетонов могут быть отнесены некоторые разновидности тяже-лого бетона (гидро­технический бетон, бетон для дорожных и аэродромных по­кры-тий и др.), а также специальные бетоны по классифика­ции ГОСТ 25192 (жарос-тойкие, химически стойкие, радиационно-защитные, декоративные и др.).

Особенности исходных материалов и основных свойств бе­тонов специальною назначения можно рассмотреть на приме­ре некоторых из них.

Гидротехническим называют бетон, применяемый для воз­ведения сооруже-ний или отдельных их частей, постоянно или периодически омываемых водой, и яв-ляется разновидностью плотных тяжелых цементных бетонов, обладающих свойст-ва­ми, обеспечивающими длительную службу конструкций в ука­занных выше усло-виях. Поэтому с учетом эксплуатационных условий к гидротехническому бетону пре-дъявляют помимо тре­бований по прочности также требования по водонепроницае­мости, а нередко и по морозостойкости.

В зависимости от особенностей конструкции и условий ее работы гидроте-хнический бетон подразделяется на:

— подводный, находящийся постоянно в воде;

• расположенный в зоне переменного уровня воды;

• надводный, находящийся выше зоны переменного уров­ня воды, эпизодиче-ски омываемый водой;

• расположенный во внутренних частях массивных соору­жений.

По пределу прочности при сжатии в возрасте 180 суток нормального твер-дения гидротехнический бетон делят на марки 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500 (8 классов по прочности от В7,5 до В40), по морозостойкости характеризуется се-мью марками от F50 до F500, по водонепроницаемости в возрасте 180 суток де-лят на 4 марки: W2—W8.

Заполнители должны удовлетворять более высоким тре­бованиям, чем для обычного бетона. Лучше всего применять природные кварцевые пески, а щебень или гравий — из извер­женных или осадочных пород, водостойкость и морозос-тойкость которых подтверждены соответствующими испытания­ми. Содержание глинистых, илистых и пылевидных приме­сей в заполнителях для гидротехничес-кого бетона не должно превышать 1-2%. Заполнители необходимо проверить на со­держание органических примесей: если они дают при испыта­нии окраску темнее эталона, то песок следует проверить ис­пытаниями в растворе, а крупные заполни-тели — в бетоне. Содержание сернокислых и сернистых соединений в пересче­те HaSO₃ допускается не более 1 % (по массе) для песка и 0,5% для щебня.

Очень важен выбор вида цемента с учетом условий служ­бы гидротехническо-го бетона.

Для подводных частей целесообразно применять пуццолановый портландце-мент или шлакопортландцемент, которые при сравнительно низкой морозостойко-сти достаточно водо­стойки и низкоэкзотермичны. При наличии в воде агрессив­ных агентов применяют сульфатостойкий цемент.

Для надводных частей предъявляют повышенные требо­вания по прочности (не ниже В20), морозостойкости (не ниже F300), водонепроницаемости (не ниже W6). Эти требования обеспечиваются использованием гидрофобного или пласти-фи-цированного портландцемента.

В зоне переменного уровня воды целесообразно использо­вать глиноземистый цемент, если позволяют материальные возможности, или же сульфатостойкий пор-тландцемент с гид­рофобными добавками для повышения его морозостойкости.

Бетон внутренних частей гидротехнических сооружений защищен от внеш-них механических и афесеивных воздействий слоями подводного и надводного бето-на. Поэтому к нему мо­гут быть несколько снижены требования по прочности, водо­стойкости, морозостойкости и водонепроницаемости. Основ­ную опасность для него представляет собственное тепловыде­ление при твердении.

Жаростойкие бетоны предназначены для применения при эксплуатацион-ных температурах от 200 до 1800 °С в течение длительного времени. Примером таких конструкций могут слу­жить дымовые трубы, футеровки печей, котлов, фунда-менты тепловых афегатов. Изготовляют такие бетоны в соответствии с требования-ми ГОСТ 20910.

При воздействие высоких температур на затвердевший портландцемент про-исходит разложение составляющих цемент­ный камень гидросиликатов и гидроалю-минатов кальция, а так­же дегидратация гидроксида кальция. В результате такого про­цесса образуется свободный оксид кальция. Наличие его в за­твердевшем материале опасно тем, что при воздействии влаги он гидратируется с увеличением в объеме, что приводит к ра­стрескиванию бетона и разрушению конструкции. Поэтому в сос-тав жаростойкого бетона на основе портландцемента вво­дят тонкомолотые добав-ки, содержащие активный аморфный кремнезем, который способен связать окись кальция при температуре 700-900°С. В качестве таких добавок применя­ют: моло-тый шамот, кордиерит, золошлак, керамзит, аглопорит, магнезит, периклаз, алю-мохромит. Заполнителями могут служить: шамот, шлаки, золошлаковые смеси, ба-зальт, диабаз, андезит, диорит, керамзит, аглопорит, перлит, бой жаростойкого бе-тона, бой огнеупорного кирпича и др.

При изготовлении жаростойких бетонов в качестве свя­зующего могут ис-пользоваться портландцемент и его разновидности (быстротвердеющий портланд-цемент, шлакопортландцемент), алюминатные цементы (глиноземистый и вы­со-коглиноземистый), силикатные вяжущие (жидкое стек­ло с отвердителем). Тип вяжущего вещества и заполните­лей выбирается с учетом температуры эксплуата-ции конст­рукции.

Для жаростойких бетонов установлены классы по прочно­сти на сжатие от В1 до В40 и классы по предельно допустимой температуре применения от И3 (макси-мальная температура 300° С) до И18 (максимальная температура 1800 °С). Для бе­тонов, предназначенных для изготовления изделий, конструк­ций и сооружений, к которым предъявляют требования по тер­мостойкости, устанавливают марки по тер-мостойкости: Т(1)5— Т(1)40 (водные теплосмены: нагрев—охлаждение в воде); Т(2)10—Т(2)25 (воздушные теплосмены: нагрев—охлаждение на воздухе).

Условные обозначения жаростойких бетонов включают основные призна-ки: вид бетона (BR — бетон жаростойкий); вид вяжущего (Р портландцемент, А — алюминатный цемент, S — силикатное вяжущее), класс бетона по прочности на сжа­тие (В1—В40) и класс бетона по предельно допустимой тем­пературе применения (ИЗ—И18).

Примеры:

1. BR Р В20 И12 — бетон жаростойкий на портландце­менте, класса В20 по прочности на сжатие, температурой при­менения 1200 °С.

2. BR A B35 И16 — бетон жаростойкий на алюминатном цементе, класса В35 по прочности на сжатие, температу­рой применения 1600 °С.

3. BR S B25 И13 — бетон жаростойкий на силикатном вяжущем, класса В25 по прочности на сжатие, температурой применения 1300 °С.

Химически стойкие бетоны предназначены для изготов­ления конструкций и изделий, работающих в условиях воз­действия агрессивных сред: минеральные и органические кис­лоты, соли, растворители и нефтепродукты.

Химически стойкие бетоны изготовляют на специальных вяжущих — на ос-нове фурановых, фурано-эпоксидных, поли­эфирных, карбамидных, акриловых синтетических смол (полимербетоны) и жидкого натриевого или калиевого стекла с полимерной добавкой (полимерсиликатные бетоны).

В качестве заполнителей применяют гранитный щебень, пористые заполните-ли, кварцевый песок и другие материалы, стойкие к воздействию агрессивных сред. Введение химичес­ки стойких наполнителей (кварцевая или андезитовая мука и др.) в состав бетонных смесей позволяет снизить расход до­рогостоящих смол, уме-ньшить усадку и увеличить плотность бетона. Твердение бетона должно происхо-дить в воздушно-сухой среде (в отличие от обычного бетона).

Химически стойкие бетоны классифицируются по химиче­ской стойкости, виду связующего и заполнителей. Критерием оценки химической стойкости является ко-эффициент стойко­сти равный отношению прочности образцов, подвергших­ся воз-действию агрессивной среды в течение 360 суток (при промежуточных сроках 30, 60, 90, 180, 270 суток), к прочнос­ти контрольных образцов.

В зависимости от стойкости в агрессивных средах бетоны подразделяются на:

высокостойкие К_хс > 0,8;

стойкие 0,5 ≤ К_хс < 0,8;

относительно стойкие 0,3 ≤ К_хс < 0,5;

нестойкие К_хс < 0,3.

Прочность на сжатие химически стойких бетонов 30-110 МПа, морозос-тойкость 300—1000 циклов.

Химически стойкий бетон используют для различных видов конструкций и об-лицовки аппаратуры в химической промыш ленности, заменяя им кислотоупорную керамику, листовой сви­нец, тесаный камень и другие дорогостоящие материалы.

Радиационно-защитные бетоны предназначены для надеж­ной защиты персо-нала и окружающей среды от радиоактив­ных воздействий ядерных реакторов АЭС, предприятий по вы­работке изотопов и др., обусловили необходимость создания ра-диационно-защитных материалов. В этих целях наиболее широко применяются особо тяжелые и гидратные бетоны.

Для особо тяжелых бетонов характерна высокая плот­ность — от 2,5 до 6 т/м³. Это достигается за счет использова­ния тяжелых заполнителей: магнетита, лимонита, барита, ме­таллического скрапа в виде чугунной дроби, металлических стружек и др. К заполнителям для этих бетонов предъявляют особые требования по прочности на сжатие, содержанию А1₂О₃ и Fe₂O₃, водопоглощению.

Особо тяжелые бетоны достаточно эффективно обеспечи­вают биологичес-кую защиту от рентгеновских, -, - и -излучений. Для защиты от воздействий нейтронных потоков наиболее эффективно применение гидратных бетонов, т.е. бе­тонов с повышенным (более 3 % по массе) содержанием хими­чески связанной воды, а следовательно, и ядер водорода. Для их приготовления чаще всего исполь-зуют глиноземистый це­мент, а в качестве заполнителей — лимонит, серпентинит и дру­гие горные породы, содержащие химически связанную воду.

Структура и свойства радиационно-защитных бетонов мо­гут быть существен-но улучшены при использовании добавок суперпластификаторов, тонкодисперсных наполнителей и ком­позиционных вяжущих веществ.

Легкие бетоны.

К легким бетонам относятся бетоны с плотностью в су­хом состоянии до 2000 кг/м³. Снижение плотности обеспечи­вается за счет использования пористых заполнителей природ­ного происхождения (туфы, пемзы, известняк-ракушечник и др.) и искусственных (керамзит, аглопорит, шлаковая пемза и др.). Марка бетона по средней плотности определяется в сухом состоянии и обозначается буквой «D» (например, D500 соответствует сред­ней плотности 500 кг/м³). В зависимости от прочности на сжа­тие бетоны подразделяют на 3 группы: теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные и конструкционные. Теп­лоизоляционные бе-тоны имеют классы прочности В0,35-В2 и марки плотности от D200 до D500. Прочность конструк­ционно-теплоизоляционных бетонов соответствует классам В2,5—В10 и маркам по плотности свыше D600. Конструкци­онные бетоны изго-товляют классов В12,5-В40 с плотностью от D1100 дo D2000. Свойства легких бе-тонов определяют их область примене­ния.

По структуре легкие бетоны подразделяют:

обычные легкие бетоны на пористых заполнителях слитной структуры;

поризованные легкие бетоны, в которых растворная часть поризуется специа-льными добавками, обеспечивая заполнение поризованным раствором межзерно- вых пустот;

крупнопористые легкие бетоны, в которых отсутствует песок и сохраняются межзерновые пустоты в крупном запол­нителе.

Легкие бетоны на пористых заполнителях являются наи­более распростра-ненным видом легких бетонов. Пористый заполнитель характеризуется боль-шим объе­мом пор, что определяет его повышенное водопогло щение. Прочность пористого заполнителя значительно ниже прочности заполнителя из плотных ка-менных по­род и обычно ниже прочности растворной части бето­нов. Необходи-мость одновременного обеспечения пони­женной средней плотности и требуемой прочности лег­кого бетона определяет специфику подбора составов легких бетонов.

Для снижения плотности бетона необходимо обеспечить максимальное со-держание в бетоне самого легкого компо­нента — пористого заполнителя. Это достигается рациональ­ным подбором зернового состава. Однако при максималь­ном насыщении бетона крупным заполнителем, особенно в конструкционных и прочных конструкционно-теплоизоляци­онных бетонах, прочность бетона может оказаться ниже тре­буемой.

Для повышения прочности можно увеличить расход цемен­та, но при этом уве-личится и относительное содержание наибо­лее тяжелой составляющей бетона — растворной части, что при­водит к повышению его плотности. Возникшее противо-речие может быть разрешено правильным выбором вида и свойств заполнителя, обеспечивающего требуемые свойства бетона. Например, для получения легкого бе-тона класса В3,5 и средней плотностью 800 кг/м³ наиболее рационально исполь-зовать ке­рамзитовый гравий с насыпной плотностью 300 кг/м³ при рас­ходе це-мента 230 кг/м³, а бетон с той же прочностью и более высокой плотностью — 1000 кг/м³ может быть получен при использовании керамзитового гравия с насып-ной плотностью 600 кг/м³ и расходом цемента 210 кг/м³.

Подбор состава легкого бетона производят на основе дан­ных ряда таблиц и поправочных коэффициентов, которые учи­тывают особенности влияния пористого заполнителя на свой­ства бетона. Окончательный выбор состава производится пос­ле экспериментальной проверки.

Высокое водоглощение пористого заполнителя, шерохо­ватая поверхность и в некоторых случаях угловатая форма зе­рен снижают удобоукладывемостъ легкобе-тонных смесей. Поэтому для улучшения формуемости в бетонную смесь вводят до-бавки ПАВ. При формовании изделий из легкого бетона используют интенсивные способы уплотнения, иногда с при­менением пригруза.

Водосодержание бетонной смеси с течением времени из­меняется из-за отсоса воды из цементного теста пористым за­полнителем. Этот процесс наиболее интенси-вно протекает в первые 10-15 мин после приготовления смеси. Количество воды, поглощенной заполнителем, зависит от свойств запол­нителя и начального водосо-держания бетонной смеси. Слож­ный характер влияния пористого заполнителя на технологи­ческие свойства бетонной смеси учитывается при расчете проч­ности бето-на, которая рассматривается как функция R_b = f(Ц) и вычисляется по формуле:

где — эмпирические величины, зависящие от свойств заполнителя.

Формула справедлива для составов с оптимальным водосодержанием, при-нимаемым по минимальному значению коэффициента выхода бетонной смеси .

В бетонах на пористых заполнителях формируется более прочная и плотная контактная зона, что объясняется отсосом воды из цементного теста заполнителем и лучшим сцеплени­ем цементного камня с поверхностью заполнителя. В резуль­та-те, несмотря на высокую пористость заполнителя, легкий бетон обладает низкой проницаемостью и как следствие это­го — достаточно высокой, долговечностью и коррозионной стой­костью.

Легкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки по водонепроницае-мости — от W2 до W12 и по морозостойко­сти — от F25 до F500.

Легкие бетоны характеризуются пониженной теплопровод­ностью, которая за-висит не только от плотности бетона, но и от вида пористого заполнителя и струк-туры бетона. Напри­мер, при плотности легкого бетона 800 кг/м³ коэффициент теп­лопроводности (Вт/(м∙К) составляет: для керамзитобетона — 0,25, для пер-литобетона — 0,22, для крупнопористого бетона-0,30.

Деформативные свойства легких бетонов выше, чем тя­желых. Предельная растяжимость примерно в 2 раза больше, чем у тяжелых бетонов, что обеспечива-ет более высокую трещиностойкость.

Поризованный бетон изготовляют с целью снижения сред­ней плотности и те-плопроводности легкого бетона за счет до­полнительной поризации растворной час-ти. Для поризации используются воздухововлекающие добавки (СНВ, СДО, ЦНИПС-1 и др.), газо- и пенообразующие. Поризованные смеси отличаются хорошей связностью, повышенной удобоукладываемостью и нерасслаиваемостью. Степень поризации легких бетонов с мелким заполнителем не должна превышать 12%, а без него — 25%. При изготовлении поризованных бетонов необходимо учиты-вать снижение прочности бетона вследствие повышения пористости цементного ка-мня. Поризованные бетоны используются в ограждающих кон­струкциях.

Крупнопористый (беспесчаный) бетон изготовляют с при­менением однофра-кционного пористого крупного заполните­ля, вяжущего и воды. Вследствие исклю-чения из состава бе­тона песка и ограниченного расхода цемента, используемого то-лько для склеивания зерен крупного заполнителя, средняя плотность крупнозернис-того бетона уменьшается примерно на 600 кг/м³, повышаются теплозащитные свойства. Такой бетон можно использовать для возведения монолитных наруж-ных стен зданий, изготовления стеновых блоков с оштукатуриванием поверхностей и в качестве теплоизоляционных прослоек в многослойных ограждениях.

К легким бетонам относятся также ячеистые, отличитель­ной особенностью которых является своеобразная ячеистая структура, представленная большим коли-чеством равномерно распределенных условно замкнутых пор, разделенных тонки­ми и достаточно прочными перегородками из отвердевшего материала.

Ячеистая мелкопористая структура предопределяет высо­кие теплотехничес-кие и звукоизоляционные свойства такого бетона, что особенно важно при исполь-зовании его для тепло­изоляции и в ограждающих конструкциях. Пористость может достигать 85% от общего объема бетона, коэффициент тепло­проводности яче-истых бетонов, в зависимости от их плотно­сти изменяется в пределах от 0,07 до 0,38 Вт/(м∙°С).

Применяют ячеистые бетоны для изготовления теплоизо­ляционных изделий, ограждающих конструкций жилых, об­щественных, сельскохозяйственных и про-мышленных зданий и сооружений; конструкционный ячеистый бетон использует­ся при изготовлении несущих элементов здании. Более подробные сведения об этих бетонах будут в теме «Теплоизоляционные материалы и изделия».