2.4.2 Бетоны

Бетон - искусственный каменный компози­ционный материал, получаемый при затвердевании рационально подобранной смеси из вяжущего вещества, воды, заполнителей и в ряде случаев специальных добавок. До затвердевания эта смесь называется бетонной. Заполнители и вода составляют 85-90% массы бетона, вяжу­щее-10-15%.

Бетоны можно классифицировать по ряду признаков.

По средней плотности различают бетоны особо тяжелые - со средней плотностью более 2500 кг/м³, изготовляемые с применением тяжелых заполнителей (магнетита, барита, чугунного скрапа и др.). Такие бетоны применяются для изготовления специальных защитных конструкций; тяжелые - со средней плотностью 2200-2500 кг/м³ на песке, щебне или гравии из тяжелых горных пород. Их используют во всех несущих конструкциях; облегченные - со средней плотностью 1800-2200 кг/м³, применяемые преимущественно в несущих конструкциях легкие - со средней плотностью 500-1800 кг/м³. К ним относятся легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях, ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом заполнителе; особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) - с плотностью менее 500 кг/м³, используемые для теплоизоляции.

Бетоны	Плотность, кг/м3	Особенности состава	Применение
особо тяжелые	более 2500	с применением тяжелых заполнителей (магнетита, барита)	специальные защитные конструкции
тяжелые	2200-2500	заполнитель из тяжелых горных пород	несущие конструкции
облегченные	1800-2200	пористые заполнители	несущие конструкции
легкие	500-1800	ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон)	малоэтажное строительство, теплоизоляция
особолегкие	менее 500	ячеистые и на пористых заполнителях	теплоизоляция

По виду вяжущего различают бетоны цементные (наиболее распространенные), шлаковые, известковые, смешанные силикатные (цементно-известковые, известково-шлаковые и др.), силикатные, гипсовые, шлакощелочные. асфальтобетонные, полимербетонные и др.

По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых, специальных заполнителях, удовлетворяющих особым требованиям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и др.).

По назначению бетоны подразделяют на конструкционные и специальные. Конструкционные применяют для изготовления несущих и ограждающих строительных конструкций. Основным показателем качества этих бетонов является прочность. В зависимости от конкретных условий эксплуатации к ним могут также предъявлять дополнительные требования по водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и т.д.

Специальные бетоны предназначены для работы в особых условиях. Так, жаростойкие бетоны применяют для защиты конструкций при температуре выше 800°С; химически стойкие - в условиях действия агрессивных сред; радиационно-стойкие - для защиты от воздействия радиационных излучений; теплоизоляционные - для тепловой изоляции помещений, оборудования и т.п.

На макроуровне бетон состоит из зерен крупного заполнителя и мат­рицы, представленной цементно-песчаным раствором. Уровень мезоструктуры включает мелкий заполнитель и матрицу из гидратированного цемента.

На микроуровне бетон состоит из продуктов гидратации цемента (портландита, эттрингита, гидросиликатов кальция, гелеобразной фазы) и его негидратированных зерен, пор и воды, заполняющей поры.

Одной из важных характеристик бетона является его поровая струк­тура, или поровое пространство, определяемое как объем не заполнен­ный твердой фазой. Поровая структура бетона формируется с момента затворения сухой смеси водой до ее затвердевания и получения искусственного конгло­мерата.

Материалы для изготовления тяжелого бетона.

Вяжущие. Для изготовления тяжелого бетона чаще всего применяют портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и другие вяжущие, отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов.

Вид цемента определяют с учетом условий работы бетона и необходимой скорости твердения. Марку цемента выбирают исходя из требуемого класса бетона (табл. 1).

Таблица 1

Требуемый класс бетона	В7,5	В12,5	В15	В20	В25	В30	В40	В45 и более
Рекомендуемая марка цемента	300	300	300… 400	300… 400	400… 500	400… 500	500… 600	550… 600

Несоблюдение указанных рекомендаций приводит к перерасходу цемента. Если марка цемента выше той, которая рекомендуется для данного класса бетона, необходима замена части цемента тонкомолотой активной добавкой, что позволяет избежать перерасхода высокопрочного цемента. Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значительному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повышенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая капиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций.

Вода. Для затворения бетонной смеси используют воду, не содержащую вредных примесей, которые препятствуют нормальному твердению бетона (кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара и т.п.). Нельзя использовать болотную воду, а также сточные бытовые и промышленные воды без их очистки. Для затворения бетонной смеси применяют водопроводную питьевую, а также природную воду (рек, естественных водоемов), имеющую водородный показатель рН не менее 4, содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более 2700 мг/л (в перерасчете на SO ).

Наличие в воде солей и других вредных примесей снижает прочность бетона, способствует коррозии арматуры, образованию высолов на бетонной поверхности.

Заполнители. Заполнители составляют основную часть бетона. Они образуют жесткий скелет бетона и этим уменьшают его усадку и предотвращают образование усадочных трещин. Качество заполнителей в значительной мере влияет на технические свойства тяжелого бетона. Свойства заполнителей были рассмотрены в лекции№2.

Свойства бетонной смеси.

Бетонной смесью называют рационально подобранную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения.

Бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения, и сохранять при транспортировке и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

Свойства бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропностъю.

Бетонная смесь должна обладать такими свойствами, которые обеспечивали бы ее хорошую укладку в опалубку или форму и уплотнение без расслоения и излишнего водоотделения. Самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость, т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения при сохранении своей однородности. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность бетонной смеси, являющуюся характеристикой структурной прочности смеси; жесткость, являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси; связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственной массы. Подвижность характеризуется осадкой стандартного конуса ОК (рис. 2, а). Этот прибор представляет собой усеченный, открытый с обеих сторон конус из листовой стали толщиной 1 мм с гладкой внутренней поверхностью. Размеры конуса определяются наибольшей крупностью используемого крупного заполнителя: при крупности до 40 мм применяют конус № 1, от 40 до 100 мм - конус № 2 (табл. 2.)

Таблица 2

Вид конуса	Наибольшая крупность заполнителя	Внутренние размеры конуса, мм			Число штыкований каждого слоя	Переводной коэффициент осадки конуса
		Диаметр основания		Высота
		верхнего	нижнего
№ 1	до 40 мм	100	200	300	25	1,00
№ 2	40-100 мм	150	300	450	56	0,67

Для определения ОК форму-конус устанавливают на горизонтальную площадку, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют разность по высоте металлического конуса и верха осевшей бетонной смеси (в сантиметрах) (рис. 2, а).

Жесткая бетонная смесь при снятии конуса осадки не дает. Жесткость бетонной смеси характеризуется временем вибрирования (в секундах), необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе. Для определения жесткости (рис. 2, б) цилиндрическое кольцо прибора (внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси.

Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска диаметром 5 мм. Параметры вибрирования должны быть следующими: частота колебаний 3000 в мин, амплитуда – 0,5 мм. Время вибрирования, с, характеризует жесткость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений выполненных из одной пробы смеси.

Рис. 2. Определение удобоукладываемости бетонной смеси:

а) прибор (конус) для определения подвижности бетонной смеси:

1 - жесткая смесь, 2 - подвижная смесь, 3 - осадка конуса;

б) прибор для определения жесткости бетонной смеси:

4 - схема испытания

Классификация бетонных смесей представлена в табл. 3.

Таблица 3

Марка по удобоукладываемости	Норма удобоукладываемости
	Жесткость, сек.	Подвижность, см
		Осадка конуса	Расплыв конуса
Сверхжесткие смеси
СЖ3	более 100	-	-
СЖ2	51-100	-	-
СЖ1	50 и менее	-	-
Жесткие смеси
Ж4	31-60	-	-
Ж3	21-30	-	-
Ж2	11-20	-	-
Ж1	5-10	-	-
Подвижные смеси
П1	4 и менее	1-4	-
П2	-	5-9	-
П3	-	10-15	-
П4	-	16-20	26-30
П5	-	21 и более	31 и более

В настоящее время для определения жесткости иногда еще используют технический вискозиметр, показания жесткости в котором для приведения к показателям жесткости в указанном выше стандартном подборе следует умножать на коэффициент 0,47.

Нередко (особенно в условиях строительства) при определении свойств жестких смесей используют упрощенный прием. В этом случае в металлическую форму для изготовления кубов размером 20 20 20 см вставляют стандартный конус, нижнее основание которого уменьшено и имеет наружный диаметр 196 мм. Конус заполняют бетонной смесью, снимают и подвергают форму вибрированию. Вибрация прекращается при заполнении смесью всех углов куба и тогда, когда поверхность бетонной смеси станет горизонтальной. Продолжительность вибрирования, с, для приведения к показателю жесткости в стандартном приборе необходимо умножить на коэффициент 0,7.

В табл. 4 приведены примеры рекомендуемых показателей подвижности или жесткости бетонной смеси для различных видов конструкций и способов уплотнения.

Таблица 4

Разновидность конструкций	Марка по удобоукладываемости
	Подвижность, см	Жесткость, с
Сборные железобетонные с немедленной распалубкой	-	Ж2-Ж3 10…30
Перекрытия и стеновые панели, формуемые на виброплощадке, подготовка под фундаменты, полы, основания дорог, уплотненных посредством поверхностных вибраторов	П1 1…3	Ж1 5…10
Массивные армированные конструкции, плиты, балки, колонны, изготовляемые с применением наружного или внутреннего вибрирования	П1,П2 3-6	-
Тонкие стенки, балки, колонны, плиты малого сечения, сильно насыщенные арматурой	П2 5…9	-
Железобетонные панели, формуемые в кассетах	П2,П3 5…12	-
Монолитные, густоармированные железобетонные конструкции при сложных условиях уплотнения вибрированием	П3,П4 10…20

Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При большом содержании воды вязкость цементного теста становится недостаточной для удержания заполнителя во взвешенном состоянии, равномерно распределенным по всему объему. Плотный тяжелый заполнитель оседает под действием собственной массы, происходит расслоение бетонной смеси. Избыточная вода, обтекая зерна заполнителя, отжимается вверх. Образуются капиллярные ходы, которые повышают водопроницаемость и снижают морозостойкость бетона. Вода скапливается также под зернами крупного заполнителя, образуя полости, ухудшающие строение и свойства бетона.

Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей, применение специальных добавок, повышающих вязкость цементного теста, являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Оценкой связности бетонной смеси служит определение распределения крупного заполнителя в разрезах и кернах бетона.

Факторы, влияющие на удобоукладываемость бетонной смеси.

Основными факторами, влияющими на удобоукладываемость бетонной смеси, являются расход цемента и его водопотребность (нормальная густота), величина водоцементного отношения, зерновой состав смеси заполнителей, в частности, доля песка, вид и особенности заполнителей, вид и количество добавок поверхностно-активных веществ и др.

Влияние водоцементного отношения. При постоянном расходе цемента и неизменном зерновом составе заполнителей ОК = f(В/Ц).

При этих условиях подвижность бетонной смеси возрастает с увеличением В/Ц; для пластичных смесей - практически по линейному закону.

Влияние расхода цемента. При постоянном водоцементном отношении и неизменном зерновом составе заполнителей ОК = f(Ц). Влияние расхода цемента на подвижность бетонной смеси аналогично влиянию водоцементного отношения, т.е. подвижность возрастает с увеличением расхода цемента. Это объясняется тем, что с увеличением расхода цемента при постоянном В/Ц количество цементного теста увеличивается при неизменной его вязкости.

Влияние вида цемента. Подвижность бетонной смеси на смешанных цементах зависит от вида минеральной добавки и ее количества. Пуццолановый портландцемент с добавкой трепела или диатомита придает бетонной смеси меньшую подвижность, чем портландцемент. Это объясняется тем, что трепел и диатомит представляют собой материалы с большой водопотребностью. Чем меньше водопотребность цемента, тем более подвижной оказывается бетонная смесь.

Влияние вида заполнителя. Зерна гравия округлы и имеют обычно гладкую окатанную поверхность, а зерна щебня угловаты, их поверхность шероховатая. Зерна песка также могут быть округлыми (природные пески) и угловатыми (искусственные пески). Заполнители с округлыми зернами придают большую подвижность бетонной смеси.

Влияние зернового состава смеси заполнителей. Изменение зернового состава заполнителей, а следовательно, формы, размеров и суммарной поверхности их зерен приводит к изменению условий "смазки" зерен. Наиболее существенно влияет на подвижность бетонной смеси изменение относительного количества песка как материала с более развитой поверхностью по сравнению с крупным заполнителем.