4. Способы уплотнения бетонной смеси. Твердение и уход за бетоном(в т.Ч. Зимнее бетонирование). Ускорители твердения бетонной смеси и их практическое значение.

Задача процесса уплотнения бетонной смеси состоит в предельной упаковке различных по форме и величине частиц, составляющих многокомпонентный конгломерат — бетонную смесь. Плотность бетона по сравнению с бетонной смесью при ее хорошем уплотнении возрастает с 2,2 до 2,4...2,5 т/м3.

Уплотняют бетонную смесь трамбованием, штыкованием и вибрированием.

Трамбовки — ручные или пневматические — применяют при укладке жестких смесей в бетонные и малоармирован-ные конструкции, когда нельзя применять вибраторы (например, опасаясь воздействия вибрации на работающее оборудование).

Для штыкования (проталкивания кусков щебня, зависающих между стержнями арматуры) при укладке и вибрировании смесей с осадкой конуса 4...8 см в густоармированных конструкциях используют шуровки из арматурной стали. Шуровки применяют также для уплотнения расслаивающихся при виброукладке пластичных смесей с осадкой конуса более 8 см.

Вибрирование — основной способ уплотнения бетонных смесей с осадкой конуса от 0 до 9 см. Суть процесса состоит в том, что при помощи вибраторов, устанавливаемых на поверхности или опущенных в укладываемый слой бетонной смеси на некоторую глубину, расположенные вблизи компоненты смеси вовлекаются в колебательные горизонтальные и вертикальные движения, развиваемые вибратором с определенной, присущей ему частотой и амплитудой колебания. Энергия вибрационных колебаний преодолевает силы внутреннего трения между частицами смеси. Жесткая и рыхлая бетонная смесь в зоне действия вибратора становится подвижной и стремится занять наименьший объем.

Вибрирование — непродолжительный процесс. Через 30... 100 с (в зависимости от условий вибрации) прекращается оседание бетонной смеси и на поверхности уплотняемого бетона появляются цементное молоко и пузырьки воздуха, что свидетельствует об окончании воздействия вибрации.

Дальнейшее вибрирование может привести к расслоению смеси вследствие опускания крупных частиц.

Вибрирование пластичных смесей с осадкой конуса более 9 см неэффективно, поскольку в данном случае силы трения из-за большой подвижности смеси невелики, и энергия колебаний растрачивается на расталкивание крупных составляющих, которые в результате оседают, расслаивая смесь.

Виброуплотнение положительно влияет на качество бетона. При его использовании на приготовление жестких смесей расходуется цемента на 10... 15 % меньше, поэтому уменьшаются осадка бетона и выделение тепла во время твердения, что снижает опасность возникновения трещин. Уменьшение содержания воды в бетонной смеси при неизменном расходе цемента увеличивает прочность бетона, его водонепроницаемость, морозостойкость, сопротивление истиранию и скорость твердения, улучшает сцепление бетона с арматурой. Кроме того, сокращаются сроки распа-лубливания.

Степень уплотнения бетонной смеси зависит от того, насколько частота, амплитуда и форма колебаний, длительность и мощность вибрирования соответствуют составу бетонной смеси и ее подвижности.

Частота (количество колебаний в минуту) и амплитуда колебаний (наибольшее отклонение колеблющейся частицы от положения равновесия, обычно от 0,1 до 1,2 мм) взаимосвязаны. Это дает возможность применять различные режимы вибрирования для смесей разного состава. Смеси с крупными по величине зернами заполнителя вибрируют при низкой частоте колебаний (от 3000 до 6000 мин""1), но большой амплитуде, а при уплотнении мелкозернистых бетонных смесей применяют вибрацию высокой частоты (до 20 000 мин), но малой амплитуды.

Форма колебаний может быть направленного или ненаправленного действия. Вертикально направленные колебания затухают быстрее, чем горизонтальные, поэтому рациональнее помещать вибратор в толще уплотняемой бетонной смеси, т. е. применять глубинные (внутренние) вибраторы и тем самым использовать лучше энергию вибрации. Поскольку бетонная смесь содержит заполнители разной крупности, во многих случаях целесообразно применять поличастотное вибрирование, при котором зона уплотнения подвергается одновременно вибрации высокой и низкой частоты.

В современных вибраторах, применяемых для уплотнения бетонной смеси в монолитных сооружениях, вибрация возбуждается в результате быстрого вращения неуравновешенных масс — одного или нескольких дебалансов, насаженных на ось, или планетарным механизмом, в котором колебания создаются бегунком, обкатывающимся вокруг центрального пальца или внутри втулки, закрепленной в корпусе вибратора. Если применять неуравновешенный относительно своей геометрической оси бегунок, при его вращении получаются сложные колебания двух разных частот.

По способу воздействия на уплотняемую бетонную смесь различают вибраторы глубинные, поверхностные и наружные, прикрепляемые тисками к опалубке

Глубинные вибраторы выполняют с электро- или пневмодвигателем, встроенным в наконечник (вибробулава, с электродвигателем, вынесенным к ручке, и с вынесенным к ручке двигателем и гибким валом.Частота колебаний вибраторов с дебалансным возбудителем — до 6000 мин, а с планетарным — до 20 000 мин. Вибрацию с большей частотой не применяют, так как при малой амплитуде колебаний снижается эффективность уплотнения.

Двухчастотные планетарные вибраторы выпускаются с колебаниями высокой частоты — до 20 000 мин и низкой — до 3600 мин.

Выбирая тип и размер глубинного вибратора, учитывают расстояние между стержнями арматуры. Принято считать густоармированными конструкциями такие, у которых расстояние между стержнями не более 100 мм; среднеармированными — от 100 до 300; малоармированными — более 300 мм.

При бетонировании мало- и среднеар-мированных конструкций применяют глубинные вибраторы с встроенным в корпус вибровозбудителем — вибробулавы— — диаметром 76, 114 и 133 мм с частотой от 5700 до 11000 мин

Для уплотнения смеси при бетонировании тонких и густоармированных конструкций используют вибраторы с гибким валом (одно- или двухчастотные) и пневматические двухчастотные вибраторы.

Электромеханические вибраторы с гибким валом снабжены вибронаконечниками диаметром 28, 51 и 76 мм. Частота их колебаний — от 10 000 до 20 000 мин"1 при амплитуде 0,4...0,7 и 1,2 мм.

Пневматические глубинные поличастотные вибраторы с частотой колебаний 18000/3600 и 14 000/3600 мин имеют вибронаконечники диаметром 34, 50 и 75 мм для бетонирования густо- и среднеармированных конструкций. Радиус действия при вибрировании смесей с осадкой конуса 3 см составляет соответственно 30, 45 и 60 см. Эти вибраторы отличаются простотой конструкции, малой массой, надежностью и удобством в работе и обслуживании.

При укладке бетонной смеси в крупные массивы и фундаменты используют мощные одиночные и пакетные глубинные вибраторы, подвешиваемые на крюке крана.

Вибропакет состоит из 4 или 8 вибраторов; диаметр рабочей части вибраторов — до 194 мм, длина — до 1000 мм. Вибропакет из 15 вибраторов с частотой до 5500 мин"1, применяемый в гидротехническом строительстве, имеет массу до 5500 кг.

Производительность глубинных вибраторов определяется объемом бетона V, уплотненного с одной стоянки, и продолжительностью вибрирования этого объема, включая время перестановки с одного места на другое

При коэффициенте, учитывающем перекрытие зон действия машины, равном приблизительно 0,65, техническая производительность, м3/ч,

Оптимальное время вибрирования, при котором вибромашина имеет наибольшую производительность, принимается обычно равным 30 с.

В качестве поверхностных вибраторов применяют площадочные, снабженные рабочим органом в виде гладкой плиты или поддона, к которому через амортизаторы жестко прикреплен вибратор и две ручки. Радиус действия площадочных вибраторов не превышает 25 см. Продолжительность вибрирования на одной позиции — от 20 до 60 с.

Вибробрус имеет рабочий орган, на котором установлены один или несколько вибраторов, работающих синхронно. Перемещается вибробрус по направляющим, укладываемым по краям бетонируемой полосы.

Мощные подвесные вибраторы имеют решетчатые площадки с основанием до 1800 X 1800 мм.

Наружными (тисковыми) вибраторами уплотняют бетонную смесь в густо-армированных конструкциях. Для этой цели применяют электромеханический вибратор с радиусом действия до 80 см, который крепят снаружи к опалубке двумя винтовыми зажимами. Колебания через опалубку передаются на бетонную смесь.

В последнее время стали применяться плоскостные виброуплотнители, представляющие собой жесткую плиту с двумя возбудителями. Радиус действия — до 1,5 м.

Твердение бетона и уход за ним

Бетон набирает прочность постепенно, по мере твердения цементного камня. В начальный период нарастание прочности происходит интенсивно, а далее постепенно уменьшается.

В значительной степени скорость нарастания прочности зависит от температуры и среды., Нормальными условиями для твердения бетона считаются: температура—20±2°С и относительная влажность окружающего воздуха—90—100%. При температуре, близкой нулю, нарастание прочности бетона прекращается, а при повышении температуры (до 70—90° С) и максимальной влажности прочность интенсивно нарастает. Важным условием твердения бетона является влажность: во влажной среде бетон приобретает большую прочность, чем на воздухе; при испарении влаги из бетона его твердение практически прекращается. Скорость нарастания прочности зависит от вида цемента, причем она может быть значительно увеличена за счет введения специальных добавок.

Сумма мероприятий, обеспечивающих благоприятные условия твердения уплотненной бетонной смеси, а также способы, предохраняющие бетон от повреждения его структуры в раннем возрасте, составляют уход за бетоном. Уход должен быть организован сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и прежде всего нужно защитить поверхность от высыхания.

Одним из эффективных методов ухода за свежеуложенным бетоном, например в дорожном строительстве, является покрытие его поверхности пленкообразующими веществами, в качестве которых применяют битумные эмульсии, латекс, синтетический каучук и др. Наряду с этим, горизонтальные поверхности после схватывания бетона покрывают песком или опилками и периодически увлажняют. Длительность срока увлажнения зависит от атмосферных условий: в жаркие дни — до двух недель, а в прохладную погоду — несколько дней. В холодные дни бетон следует предохранять от охлаждения, чтобы не замедлилось твердение, а тем более от замерзания.

Загрузка конструкций может производиться только после того, когда бетон достигнет прочности, установленной проектом. Это устанавливают по данным испытаний контрольных образцов бетона.

Контроль качества бетона

Правильно организованный контроль качества бетонных работ на всех стадиях технологического процесса изготовления бетонных конструкций — одно из важнейших условий получения прочного и долговечного бетона п снижения стоимости конструкций. Контроль включает испытание и выбор материалов для бетона, их дозирование и перемешивание, укладку, уплотнение и уход за бетоном, а также определение прочности затвердевшего бетона испытанием пробных образцов.

Прочность и качество бетона в конструкции можно ориентировочно определить и без разрушения с помощью акустических приборов. Сущность их действия основана на скорости распространения ультразвукового импульса или волны удара в материале и зависит от его плотности и прочности. Прочность бетона в конструкциях без разрушения можно также установить и механическим способом, например прибором, действие которого основано на зависимости прочности от глубины лунки в бетоне, образованной шариком при его вдавливании, или величины отскока маятника от бетона.

Зимнее бетонирование

Чтобы избежать действия мороза на свежий бетон, следует принимать различные предохранительные меры. Температура во время укладки может быть повышена подогревом компонентов бетонной смеси. Воду подогревать легко, но ее температура не должна превышать 60—80° С, так как иначе может произойти мгновенное схватывание цемента, при этом следует учитывать разность температур воды и цемента. Важно также предохранить цемент от контакта с горячей водой, поэтому должен соблюдаться порядок загрузки компонентов в бетономешалку. Если подогрев воды недостаточно повышает температуру бетона, можно подогреть заполнители. Подогрев заполнителей предпочтительнее осуществлять пропуском пара через змеевик, чем использовать острый пар, так как последний меняет влажность заполнителя. Подогрев заполнителей выше 50° С не рекомендуется. Температура компонентов бетонной смеси должна контролироваться. Температура бетона рассчитывается заранее, чтобы избежать схватывания при слишком высокой температуре, так как оно существенно влияет на рост прочности бетона. Кроме того, высокая температура бетонной смеси уменьшает ее удобоукладываемость и может вызвать значительную температурную усадку ].

Поэтому предпочтительнее, когда схватывание проходит при температуре —21° С, но нужно, чтобы температура была не ниже 10° С в течение следующих трех дней. Лучшие результаты получаются при температуре 21° С и большем периоде контролируемой температуры.

Необходимое время выдерживания бетона перед замораживанием определяется процессом твердения и может быть определено расчетами. Поэтому следует помнить, что если схватывание произошло до замораживания и бетон обладает начальной прочностью, гидратация будет продолжаться (с низким тепловыделением) во всех незамерзших лорах, возможно до температуры —4° С или даже ниже. Когда период замораживания прекращается, продолжается нормальный набор прочности в соответствии с законами твердения (с правилом «зрелость»).

Температура бетона в ранние сроки укладки может быть обеспечена применением жирных смесей с низким В/Ц, а также использованием высокотермичного цемента с высоким содержанием C3S и СзА. Ускорители, как, например, хлористый кальций, ускоряют гидратацию цемента. Хлористый кальций снижает также температуру замерзания воды затворения на 1,1—1,7°. В действительности вода в бетонной смеси — это раствор соли, и ее точка замерзания на 2,8° ниже точки замерзания чистой воды.

Существует ряд предупредительных мероприятий, применяемых на практике. Например, бетон не следует охлаждать при транспортировании от смесителя к месту укладки и нельзя укладывать на замерзшую поверхность.

Температура после укладки обеспечивается изоляцией бетона от атмосферных воздействий, созданием, в случае необходимости, укрытия вокруг бетона и подачей тепла под укрытие. Обогрев должен быть выбран так, чтобы не пересушить бетон, не перегревать отдельные его части и избежать высокой концентрации СОг в атмосфере. Поэтому мятый пар, вероятно, лучший теплоноситель. Может применяться также электропрогрев бетона с установкой электродов внутрь бетона или с использованием в качестве электродов арматуры. Чем меньше конструкция, тем легче она промерзает и тем тщательнее должна быть защита ее от мороза.

Действие мороза зависит также от перепада температур; опасность возрастает при резком понижении температуры, сопровождаемом ветром. Снег в то же время может служить естественной защитой бетона

Применение химических добавок

Некоторые химические вещества — соляная кислота и ее соли (хлориды кальция СаС12, натрия NaCl) и такие соединения, как карбонат калия К2СО3 (поташ) и нитрит натрия NaNO2, a также ряд комплексных соединений (НКМ — нитрат кальция + мочевина; ННКМ — нитрит-нитрат кальция + + мочевина; ННХКМ — нитрит-нитрат кальция + хлорид кальция + мочевина и др.), введенные в качестве добавок каждое в отдельности или в смеси в воду затворения, разносторонне воздействуют на процессы схватывания и твердения бетона.

Например, небольшая добавка хлорида кальция (2...3 % массы цемента) способствует разложению минералов цементного клинкера и тем самым сильно интенсифицирует процессы гидратации цемента. Бетоны с этими добавками, называемыми ускорителями твердения, очень быстро набирают прочность. Так, уже на третий день бетон с добавкой 2 % хлорида кальция достигает в 1,7 раза большей прочности, чем бетон такого же состава, но без добавки. Особенно интенсивно возрастает прочность бетонов с добавками на пуццолановом и шлакопортландцементах.

Ускорители твердения сокращают время, требуемое для достижения бетоном критической прочности. При термосном выдерживании конструкций с большим модулем поверхности (более 8) во многих случаях выгодно применять бетонную смесь с добавкой 2 % хлорида кальция, который в таком количестве почти не оказывает корродирующего воздействия на арматуру. (Для предварительно напряженных конструкций применение хлоридных добавок не допускается). При этом срок выдерживания бетона до распалубливания сокращается .

Ускорители твердения, введенные в большем количестве (например, до 15 % массы цемента), резко понижают точку замерзания жидкой фазы бетонной смеси, и в результате процесс гидратации цемента не только не приостанавливается, а проходит даже при очень низких температурах наружного воздуха (до минус 35 °С). Такие добавки называют еще противоморозными.

При бетонировании армированных конструкций отдают предпочтение поташу и нитриту натрия, так как они не вызывают коррозии арматуры. Хлориды используют для бетона неармирован-ных конструкций.

Противоморозные добавки поташа и нитрита натрия применяют при безобо-гревном методе выдерживания сборно-монолитных железобетонных конструкций (марка бетона не более М300), а также при замоноличивании стыков сборных конструкций. Добавка поташа способствует интенсивному твердению бетона при температуре до минус 25° С, а добавка нитрита натрия — до минус 15° С.

Длительное влияние добавок поташа и нитрита натрия еще недостаточно изучено, и поэтому их не применяют при возведении пролетных строений мостов, ферм, балок, плит длиной более 6 м, дымовых труб, градирен, а также предварительно напряженных конструкций.

Водные растворы солей готовят на горячей воде в виде концентрата плотностью (по ареометру) до 1,4. Расход цемента — не менее 250 кг на 1 м3 бетона; В/Ц = 0,5...0,65; осадка конуса — до 8 см. Надо иметь в виду, что добавка поташа сказывается на удобоуклады-ваемости бетонной смеси: она быстро теряет пластичность и начинает твердеть. Для замедления сроков схватывания рекомендуется вводить сульфитно-спиртовую барду (от 0,2 до 3 % массы цемента), добавка которой увеличивает период удобоукладываемости на морозе до 2...2,5 ч.