4.4. Ущільнення бетонної суміші і догляд за бетоном

Бетонну суміш вкладають у форму або опалубку із попередньо встановленою арматурою і закладними деталями.

Якість укладки визначається ефективністю ущільнення матеріа- лу по всьому об'єму, запобіганням розшаровування. Зменшення щіль­ності бетону на 1 % веде до зниження його міцності приблизно на 5 %. Коефіцієнт ущільнення К_ущ повинен бути не меншим 0,97...0,98, а для бетону підвищеної щільності не менше 0,99:

де р_о.ф - фактична середня густина ущільненої бетонної суміші; р_о - розрахункова середня густина.

Ущільнення бетонних сумішей можна здійснювати вібруванням, вакуумуванням, пневматичним бетонуванням (торкретуванням), а та­кож прокатуванням, пресуванням, центрифугуванням та ін.

Найбільш розповсюдженим та ефективним способом ущільнен-ня є вібрування. При цьому ущільненні використовуються вібра­ції з частотою від 10 до 50 Гц. Для монолітних конструкцій викорис­товують два види вібрування - глибинне та поверхневе. Глибинне віб­рування засноване на зануренні до суміші робочого органу вібратору, його використовують для ущільнення бетонних сумішей з осадкою конусу понад 1 см.

Поверхневе вібрування рекомендується для ущільнення бетон-них покрить, доріг, підлог і т. д. При поверхневому вібруванні добре ущільнюється шар глибиною 20...30 см.

На заводах збірного залізобетону вироби, як правило, формують на спеціальних віброплощадках. При формуванні виробів у нерухомих формах використовують поверхневі, глибинні та навісні вібратори. Останні прикріплюють до форми.

Поряд із ущільненням необхідно забезпечити і необхідний догляд за бетоном у період його твердіння. Сприятливий температурно-вологісний режим запобігає значним усадочним деформаціям, сприяє нормальному структуроутворенню. В літній час поверхня свіжоукладеного бетону повинна бути захищена від дії сонячних променів і вітру за допомогою плівкоутворюючих матеріалів, мішковини, вологої тирси, піску та ін. В суху погоду відкриті поверхні витримують в вологому стані до досягнення бетоном 50-70% проектної міцності.

4.5. Структура, твердіння і властивості бетону

С т р у к т у р а б е т о н у. Властивості бетону у значній мірі залежать від його структури, тобто, його будови. Бетон складається із цементно-піщаного розчину, крупного заповнювача і пор різних розмірів та походження. В бетоні можна виділити макроструктуру, що характеризує систему цементно-піщаний розчин – крупний заповнювач, мезоструктуру – структуру цементно-піщаного розчину і мікроструктуру – структуру цементного каменю.

Макро- мезоструктуру бетону розділяють на три види (рис. 4.5): базальну, пористу і контактну. В структурі першого виду вміст розчинної частини (або цементного тіста) значно перевищує обсяг пустот, і зерна заповнювача немов би “плавають” в матриці. При пористій структурі, яка найбільш характерна для бетону, розчинна частина заповнює пори крупного заповнювач і в незначній мірі розсовує зерна. Нарешті, при контактній структурі прошарок цементно-піщаного розчину настільки тонкий, що його вистачає лише на часткове заповнення пор, і між зернами заповнювача створюється безпосередній контакт.

По мірі переходу від базальної структури до контактної зростає вплив заповнювачів на властивості бетону. Можна виділити три основних параметри, що характеризують цей вплив: об’ємна концентрація цементного каменю у бетоні, водоцементне відношення (особливо у кінці періоду формування структури) і ступінь гідратації цементу. За допомогою цих параметрів можна визначати обсяг і вид пор у бетоні, п рогнозувати його властивості та модифікацію їх в часі.

В цементному камені та бетоні можна виділити три основні групи пор в залежності від походження: капілярні, гелеві та контракційні. Капілярні пори утворюються в результаті випаровування надлишкової води, об’єм якої може складати від 5 до 20% об’єму бетону. Вони мають розмір більше 0,1 мкм і разом із іншими, порівняно крупними порами і порожнинами, утвореними при розшаруванні бетонної суміші і защемленні повітря при ущільненні, знижують основні технічні властивості бетону. Найдрібніші гелеві пори утворюються внаслідок випаровування адсорбційно зв’язаної води на поверхні продуктів гідратації цементу. Контракційні пори (10^-5…10^-4 см) є наслідком хімічної осадки, або контракції, - зменшення об’єму гідратів у порівнянні з сумарним вихідним об’ємом цементу і води. Особливий вид пор, заповнених повітрям, утворюється в цементному камені при введенні поверхнево-активних речовин. Ці пори, також як і контракційні, при заповненні їх повітрям позитивно позначаються на морозостійкості бетону. Вони служать немов би резервними ємностями, куди відтісняється вода при замерзанні.

Твердіння і міцність бетону. Твердіння бетону супроводжується комплексом фізичних і хімічних процесів, в результаті яких формуються певна структура і властивості бетону. Найважливішою для бетону властивістю є міцність, яка головним чином залежить від активності цементу (R_ц) і водоцементного (В/Ц) або цементно-водного (Ц/В) відношення. Із підвищенням активності цементу і цементно-водного відношення при належному ущільненні міцність бетону зростає практично лінійно. Ця найважливіша у технології бетону залежність виражається формулою:

де А, С - емпіричні коефіцієнти, що враховують вплив якості заповнювачів та інших факторів (в середньому А = 0,6, С = 0,5). З формули слідує, що при постійних матеріалах, технології виготовлення та умовах твердіння міцність бетону визначається цементно-водним відношенням, тобто відношенням маси цементу до маси води у бетонній суміші. Ця закономірність є наслідком залежності міцності бетону від пористості: із збільшенням Ц/В (зменшенням В/Ц) зменшується кількість надлишкової води, що не вступає у взаємодію із цементом, і зменшується пористість бетону (рис. 4.6). На практиці фактичне значення міцності може відхилятися від визначеного по формулі, наведеної вище. Це пояснюється тим, що в дійсності міцність бетону залежить, хоч і в меншій мірі, ніж від R_ц і Ц/В, від ряду інших факторів: виду цементу, властивостей заповнювачів та ін. Міцність бетону збільшується із часом в залежності від виду цементу і складу бетону. Приблизно зростання міцності через n діб (n>3) можна прогнозувати за допомогою формули

Зростання міцності бетону з часом визначається також температурно-вологісними умовами твердіння. Для нормального твердіння необхідно зберігати достатню вологість бетону. З підвищенням температури при необхідній вологості в результаті прискорення хімічних процесів взаємодії цементу з водою твердіння бетону прискорюється. Найбільш розповсюдженим способом прискорення твердіння бетону є пропарювання при температурі до 1000 ºС. Рідше використовують електропрогрівання, автоклавне твердіння та інші способи термічної обробки. З пониженням температури, і особливо з наближенням її до 0⁰ С, твердіння бетону різко сповільнюється, а в області від'ємних температур не відбувається взагалі, що пояснюється замерзанням води замішування і припиненням процесів гідратації цементу. При зимовому бетонуванні використовується ряд спеціальних технологічних прийомів, які забезпечують твердіння за рахунок тепла, що виділяється при гідратації цементу (спосіб термоса), при пропусканні електричного струму (електропрогрівання) або внаслідок зниження температури з амерзання води при введенні спеціальних добавок та ін.

Основною властивістю бетону як конструкційного матеріалу є міцність. Границю міцності знаходять випробуванням контрольних зразків, виготовлених із суміші заданого складу або висвердлених з бетонної споруди. При випробуванні на границю міцності при стиску використовують зразки-куби (рідше циліндри) з розміром ребра від 30 до 7 см в залежності від крупності заповнювача, що використовується. Еталонними є зразки-куби з розмірами ребра 15 см. Для зразків-кубів з розмірами ребер 7; 10; 15; 20; 30 см масштабні коефіцієнти приймають відповідно рівними 0,85; 0,91; 1,0; 1,05 та 1,1.

Основними показниками міцності бетону, що нормується, є його клас, тобто міцність (в МПа), яка приймається з гарантованою забезпеченістю. Встановлена, як правило, забезпеченість міцності 0,95 означає, що границя міцності бетону, яка відповідає чисельному значенню класу, досягається не менше ніж у 95 випадків із 100.

Для важкого бетону стандартизовані класи:

• за міцністю на стиск: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В22,5; В25; В30; В35; В37,5; В40; В45; В50; В55; В60;

• за міцністю на осьовий розтяг: В_t0,8; В_t1,2; В_t2; В_t2,4; В_t2,8; В_t3,2.

За чисельним значенням марки бетону з урахуванням коефіцієнта варіації (мінливості) визначають його клас за міцністю.

Між класом бетону В та середньою міцністю партії, що контролюється, існує залежність:

де С_V - коефіцієнт варіації міцності бетону.

Коефіцієнт варіації міцності бетону знаходять за формулою:

де S - середнє квадратичне відхилення для партії бетону; - середня міцність бетону в партії, тобто середнє арифметичне одиничних результатів.

Для переходу від класу бетону до середньої міцності при нормативному коефіцієнті варіації 13,5% (який приймається при проектуванні конструкцій з важкого та легкого бетонів) можна використовувати формулу , де В - чисельне значення класу бетону.

Інтервал часу (вік бетону), через який визначається марка та клас, залежить від виду бетону та ряду виробничих умов. Його приймають, як правило, рівним 28 діб нормального твердіння, тобто при температурі (202)⁰С та відносній вологості повітря не нижче 90%. В разі необхідності вік бетону може бути збільшений до 90 або 180 діб, що сприяє економії цементу.

Неруйнівні методи дозволяють оперативно визначити міцність бетону безпосередньо у виробах та конструкціях і врахувати інші виробничі фактори: відхилення від заданого складу, умови укладки, твердіння та ін. Найбільш поширені механічні методи неруйнівного контролю, які грунтуються на залежності міцності бетону від інших механічних властивостей, а також фізичні методи, що грунтуються на залежності міцності бетону від швидкості розповсюдження ультразвукових коливань в ньому (рис. 4.7 і 4.8).

Властивості, що визначають довговічність бетону. Основними природними і експлуатаційними факторами, агресивно діючими на бетон споруд, є: багатократне поперемінне заморожування і відтаювання, зволоження і висушування; хімічна дія мінералізованих грунтових і поливних вод; механічний вплив донних і зважених наносів і льоду, та інш.

В залежності від умов роботи у спорудах до бетону ставляться спеціальні вимоги по морозостійкості, водонепроникності, водостійкості, зносостійкості.

М о р о з о с т і й к і с т ь бетону характеризується найбільшим числом циклів поперемінного заморожування і відтаювання, що спроможні витримати зразки проектного віку без зниження міцності більш ніж на 5%, і призначається в залежності від кліматичних умов району будівництва з урахуванням особливостей експлуатації конструкцій (табл. 4.2). Для важкого гідротехнічного бетону звичайно призначаються проектні марки бетону по морозостійкості: 50, 75, 100, 150, 200, 3 00, 400, 500.

Таблиця 4.2. Марки бетону по морозостійкості

Кліматичні умови	Найбільше число циклів
	до 50	50-75	75-100	100-150	150-200
Помірні (від 0 до -10°С)	50	100	150	200	300
Сурові (від -10 до -20 °С)	100	150	200	300	400

Примітка. При числі циклів понад 200 і середньомісячній температурі найбільш холодного місяця нижче -20⁰С марка бетону по морозостійкості обгрунтовується особливо. Можливі і більш високі марки бетону за морозостійкістю.

Морозостійкість залежить насамперед від співвідношення в бетоні обсягу умовно-замкнутих і відкритих пор. Умовно-замкнуті пори заповнені повітрям. При замерзанні води у бетоні вони є резервними і послаблюють тиск льоду. Резервні пори утворюються в бетоні в результаті хімічної усадки при твердінні (контракції) і при введенні спеціальних добавок, що сприяють втягненню в бетонну суміш бульбашок повітря або виділенню газу. Відкриті пори - результат наявності в бетоні надлишкової, тобто не вступившої у хімічну взаємодію з цементом води, і недоущільнення бетонної суміші. Високою морозостійкістю буде володіти бетон, об’єм резервних пор якого в одиниці об’єму більше можливого приросту об’єму води, що наповняє відкриті пори, при переході її в стан льоду. Такий приріст об’єму становить приблизно 8%.

На практиці морозостійкість бетону підвищують, зменшуючи В/Ц (В/Ц  0,6) і вводячи повітрявтягуючі добавки. Для морозостійких бетонів необхідно також застосовувати портландцемент із зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату (< 8 %) і активних мінеральних добавок, а також морозостійкі заповнювачі.

В о д о н е п р о н и к н і с т ь б е т о н у характеризується найбільшим тиском, при якому не спостерігається просочування води крізь зразки. Для бетонних конструкцій товщиною 150 мм і більше водонепроникність визначають на зразках-циліндрах діаметром і висотою 150 см. Для бетонних тонкостінних конструкцій водонепроникність рекомендується визначати на зразках-плитках розмірами 10×10, 15×15 або 20×20 см і товщиною, рівній товщині конструкції або гідроізолюючого шару.

Марка по водонепроникності призначається в залежності від напірного градієнта (відношення максимального напору води до товщини конструкції) і характеру призначення конструкції (табл. 4.3).

При напірному градієнті до 5 рекомендується марка В4, від 5 до 10 – В6, від 10 до 12 – В8, 12 і більше – В12. Інтенсивність фільтрації води оцінюється коефіцієнтом фільтрації

де Q – кількість фільтрату, см³;  – товщина зразка, см;  – коефіцієнт, що враховує в’язкість води при різній температурі; S – площа зразка, см²,  - час випробування зразка, с; Р – різниця тиску води на вході і виході зразка, МПа; k_п – коефіцієнт, що залежить від діаметру зразка.

Основними шляхами фільтрації води є капілярні пори, і особливо седиментаційнні капіляри, що утворюються в результаті розшарування бетонної суміші (рис. 4.9). На рисунку стрілкою показаний найбільш ймовірний шлях фільтрації води по верхнім зонам контакту розчинної частини із зернами крупного заповнювача. Висока водонепроникність досягається зниженням В/Ц, застосуванням розширних, пластифікованих і гідрофобних цементів, а також пуцоланового і шлакопортландцементу. При достатній вологості середовища водонепроникність істотно збільшується по мірі збільшення тривалості тверднення за рахунок зменшення обсягу пор при гідратації цементу. Вона зростає в 2-3 рази від 28- до 90-добового віку.

Таблиця 4.3. Рекомендовані марки бетону по водонепроникності

Споруди	Вироби	Марка бетона по водонепрониконсті, не нижче	Коефіцієнт фільтрації в бетоні, см/с, не більше
Безнапірні	Постійно експлуатуємі у воді (безнапірні труби та ін.) Що піддаються циклічному зволоженню і висушуванню (елементи, каналів зони змінного рівня та ін.)	В4 В6	7·10-9 2·10-9
Н апірні	Тонкостінні для напірних споруд: напірні труби резервуари та ін.	В12 В8	6·10-11 6·10-10

При експлуатації бетонних і залізобетонних конструкцій можуть розвиватися хімічні процеси, що викликають корозію. Стійкість бетону у значній мірі залежить від його щільності, показником якої є водонепроникність і водопоглинення (табл. 4.4).

Найважливішою вимогою до бетону є тріщиностійкість, що визначається в основному міцністю бетону при розтязі і призмовою міцністю, модулем пружності, усадкою і граничним розтягом.

Таблиця 4.4. Показники щільності бетону

Бетон	Умовне позначення	Марка по водонепроникності	Водопоглинення, % по масі	В/Ц, не більше
Нормальний	Н	4	5,7…4,8	0,6
Підвищеної щільності	П	6	4,7…4,3	0,55
Особливощільний	О	8	≤ 4,2	0,45

Призмову міцність визначають випробуванням на стиск призм розмірами 15×15×60 см, 10×10×40 см та ін.; вона складає приблизно 0,7…0,8 марочної (кубікової) міцності.

Модуль пружності виражається відношенням напруження у бетоні до пружної деформації: при зростанні класу бетону від В7.5 до В22.5 модуль збільшується приблизно від 2.2510⁴ до 310⁴ МПа.

Усадка бетону відбувається головним чином за рахунок випаровування надлишку води замішування при висушуванні. Для бетонів вона коливається від 0.2 до 0.4 мм/м до річного віку і росте із збільшенням В/Ц, витрати цементу і при введенні активних мінеральних добавок. Для гідротехнічного бетону лінійна усадка при відносній вологості 60% і температурі 18⁰ С не повинна перевищувати у віці 28 діб – 0.3 мм/м, 180 діб – 0.7 мм/м початкової довжини зразків.

Граничний розтяг характеризує гранична відносна деформація бетону, що коливається від 0.7 до 2.510^-4 і росте із підвищенням марки, використанням цементів без мінеральних добавок, введенням ПАР і полімерів в бетонну суміш.

В умовах дії водних наносів, наприклад при використанні води гірських потоків, бетон піддається механічному зносу, тому він повинен бути стійким до ударів і стиранню. Стійкість бетону до ударних впливів збільшується майже лінійно із зростанням міцності. Опір стиранню росте із зменшенням В/Ц, збільшенням витрати цементу, твердості і кількості крупного заповнювача. Для захисту від наносів використовують облицювання з природного каменю, полімерних бетонів та ін.