4.1.3. Свойства бетонной смеси и бетона

Бетонной смесью называется рационально составленная и однородно перемешанная смесь компонентов бетона до начала схватывания и твердения входящего в нее вяжущего.

По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего (цемента), вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия, основной структурообразующей составляющей является цементное тесто. При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязким жидкостям. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и жидкости.

Она обладает тиксотропностью – способностью разжижаться при механических воздействиях и самопроизвольно загустевать после их прекращения.

Одним из важных свойств бетонной смеси является удобоукладываемость. Удобоукладываемостью называют способность бетонной смеси плотно заполнять форму при выбранном способе уплотнения. Она зависит от консистенции бетонной смеси.

Консистенция определяется двумя показателями – подвижностью и жесткостью бетонной смеси. В зависимости от этих характеристик назначается марка бетонной смеси по консистенции (табл.8).

Таблица 8 - Марка бетонной смеси по консистенции

Марка	Норма		Марка	Норма
	Ж, с	ОК, см		Ж, с	ОК, см
Ж 4	≥ 31	-	П 1	1…4	≤ 4
Ж 3	21…30	-	П 2	-	5…9
Ж 2	11…20	-	П 3	-	10…15
Ж 1	5…10	-	П 4	-	16…20
-	-	-	П 5	-	≥ 21

Подвижность – это способность бетонной смеси растекаться под действием сил тяжести. Она характеризуется осадкой конуса ОК и выражается в см (рис 15). При определении подвижности бетонной смеси берут форму-конус, смачивают водой ее внутреннюю поверхность и устанавливают на металлический лист или кусок линолеума, также смоченный водой. Затем в форму-конус последовательно тремя слоями одинаковой высоты укладывают тщательно перемешанную бетонную смесь, и каждый из слоев уплотняют 25 раз металлическим стержнем диаметром 16 мм, длиной 650 мм, с закругленным концом. Во время штыкования смеси форму прижимают к листу. Закончив наполнение формы, срезают избыток смеси металлической линейкой вровень с краем формы.

Форму-конус осторожно снимают строго вертикально и устанавливают рядом с отформованным конусом бетонной смеси. В момент снятия формы подвижная бетонная смесь в большей или меньшей степени оседает. Величина осадки конуса при этом служит оценкой подвижности бетонной смеси.

Для измерения осадки бетонного конуса металлическую линейку укладывают ребром на верх формы и измеряют с точностью до 0,5 см расстояние от нижней грани линейки до верха бетонной смеси.

Подвижность зависит от нормальной густоты и объема цементного теста, количества воды, вида добавок, формы зерен и состояния поверхности заполнителей.

Рисунок 15 - Конус для определения подвижности бетонной смеси

Жесткость – это способность смеси сопротивляться растеканию при воздействии вибрации. Показатель жесткости определяется на техническом вискозиметре по времени вибрирования в секундах, за которое жесткая бетонная смесь становится пластичной и текучей. Для этого на виброплощадке устанавливают и жестко закрепляют цилиндрическое кольцо, в которое вставляют стандартный конус. Конус заполняют бетонной смесью и снимают. На поверхность бетона кладется диск. Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер. Вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска (рис.16). Время виброуплотнения в секундах будет характеристикой жесткости.

а) б)

Рисунок 16 – Вискозиметр для определения жесткости бетонной смеси:

а) бетонная смесь до начала вибрирования,

б) бетонная смесь после вибрирования.

Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важным является сохранение однородности бетонной смеси при ее транспортировке, укладке в форму или опалубку, а также при уплотнении.

Расчет состава бетонной смеси

Сущность проектирования состава бетона заключается в выборе исходных материалов, в установлении между ними рационального соотношения таким образом, чтобы обеспечить удобоукладывемость смеси при наименьшем расходе вяжущего и заданную прочность (класс по прочности на сжатие В) бетона к определенному сроку твердения.

Состав бетона выражают расходом всех составляющих материалов в килограммах на 1м³ уложенной и уплотненной бетонной смеси. Различают номинальный и полевой составы. Номинальный состав определяют в лабораторных условиях на сухих заполнителях. Полевой состав бетона определяют из номинального путем пересчета его с учетом естественной влажности заполнителей.

Прежде чем производить расчет, необходимо определить основные характеристики материалов, входящих в состав бетона (они могут быть заданы преподавателем):

- для цемента марка или активность, истинная плотность;

- для сыпучих материалов истинная плотность, насыпная средняя плотность, влажность.

Состав бетона можно определять различными методами. Одним из наиболее распространенных является метод, разработанный профессором Б.Г.Скрамтаевым (метод абсолютных объемов), в основу которого положено условие, что объем бетонной смеси складывается из объемов составляющих ее компонентов – цемента, воды, крупного и мелкого заполнителей. Он основан на том, что сумма абсолютных объемов всех составляющих материалов в бетоне равна 1м³ или 1000 л готового уплотненного бетона.

Сначала определяют водоцементное отношение (В/Ц)

Определение В/Ц производят в соответствии с формулами 19 и 20.

а) для бетонов с В/Ц ≥ 0,4

(19)

б) для бетонов с В/Ц < 0,4

(20)

где R_б – предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток (класс бетона В) в МПа;

А и А₁ – безразмерные коэффициенты, учитывающие качество применяемых материалов;

R_ц – марка или активность цемента, в МПа ;

Ц/В – цементно-водное отношение.

Значения коэффициентов А и А₁ выбирают по табл. 9.

Таблица 9 - Значения коэффициентов А и А₁

Характеристики материалов	А	А1
Высококачественные (щебень, песок оптимальной крупности, высокомарочный цемент) Рядовые (заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средних марок или шлакопортландцемент) Пониженного качества (гравий вместо щебня, мелкий песок, низкомарочный цемент)	0,64 0,60 0,55	0,43 0,40 0,37

Оптимальное количество воды в бетонной смеси (ее водосодержание в л/м³) определяется по графику (рис. 17) или по табл. 10, с учетом максимальной крупности заполнителя.

Рисунок 17 - График водосодержания бетонной смеси

Таблица 10 - Зависимость водосодержания от характеристик бетонной

смеси

Характерстика бетонной смеси		Водосодержание при наибольшей крупности зерен, мм
Осадка конуса см	Жесткость, с	гравия			щебня
		10	20	40		10	20	40
1	2	3	4	5		6	7	8
0 0 0 0 0 1 2-2,5 3-4 5 7 8 10-12	150-200 90-120 60-80 30-50 20-30 15-20	145 150 160 165 175 180 190 195 200 205 210 215	130 135 145 150 160 170 175 180 185 190 195 200	120 125 130 135 145 155 160 165 170 175 180 190		155 160 170 175 185 195 200 205 210 215 220 225	145 150 160 165 175 185 190 195 200 205 210 215	130 135 145 150 160 170 175 180 185 190 195 200

По водоцементному отношению (В/Ц) и водосодержанию бетонной смеси (В) рассчитывают ориентировочный расход цемента в килограммах на 1 м³ бетонной смеси по формуле 21:

Ц = ; кг/м³ (21)

Для определения расхода песка и щебня (гравия) исходят из двух условий.

Сумма абсолютных объемов всех составных частей бетона равна 1 м³ (1000л) уплотненной смеси, т.е. (22, 23)

(22)

Или

, (23)

где V_ц ,V_в,V_{щ (г)} ,V_п – абсолютные объемы цемента, воды, щебня или гравия и песка, л;

Ц, В, Щ (Г), П – содержание соответственно цемента, воды, щебня или гравия и песка, кг;

ρ_ц, ρ_в, ρ_{щ (г)}, ρ_п – истинные плотности цемента, воды = 1, щебня или гравия, песка, кг/л.

Цементно-песчаный раствор заполняет пустоты в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой зерен (24), т.е.

, (24)

где V_пуст = 1 – ρ_{н щ (г)} / ρ_{щ (г)} – пустотность щебня или гравия;

ρ_{н щ (г)} - насыпная средняя плотность щебня или гравия, кг/л;

ρ_{щ (г)} - истинная плотность щебня или гравия, кг/л;

α - коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя цементно-песчаным раствором. Определяется по табл.11.

Таблица 11 - Оптимальные значения α в пластичной бетонной смеси

на песке средней крупности

Расход цемента, кг	Значения коэффициента раздвижки зерен при В/Ц
	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
1	2	3	4	5	6
250 300 350 400	- - 1,32 1,40	- - 1,33 1,46	1,26 1,36 1,44 -	1,32 1,42 - -	1,38 - - -

Примечание: При применении мелкого песка с водопотребностью более 7% коэффициент α уменьшается на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности песка; при применении песка с водопотребностью ниже 7% коэффициент α увеличивается на 0,03 на каждый процент уменьшения водопотребности песка.

Решая совместно уравнения (23) и (24), получают формулу (25) для определения расхода щебня или гравия

(25)

Расход песка П на 1000 л бетонной смеси определяют из формулы (23)

Расчетная средняя плотность бетонной смеси ρ_{б с} равна (26)

(26)

Свойства тяжелого бетона

Средняя плотность. Для тяжелого бетона она равна 2200…2500кг/м³.

Водонепроницаемость. Она определяется наибольшим давлением воды, в МПа, при котором она еще не просачивается через бетонные образцы-цилиндры 180-суточного возраста. По водонепроницаемости тяжелый бетон подразделяется на марки W 0,2 – 1,2 .

Прочность бетона. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, и гораздо хуже растяжению и изгибу. Поэтому основной прочностной характеристикой бетона является прочность при сжатии.

Бетон – материал неоднородный, его прочность колеблется от замеса к замесу. Поэтому средняя прочность бетонных образцов-кубов и определяемая на ее основе марка бетона не дает гарантии получения именно этой прочности бетона (прочность может оказаться как больше, так и меньше). Поэтому было введено понятие класс бетона по прочности В – прочность бетона с обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.

Соотношение между марками и классами тяжелого бетона приводится в табл. 12.

Соотношение между маркой и классом бетона выражается формулой 27

(27)

где R_б – марочная прочность бетона, МПа;

В – класс бетона.

Таблица 12 - Соотношение между марками и классами тяжелого бетона

Класс бетона	Средняя прочность данного класса, кгс/см	Ближайшая марка бетона	Класс бетона	Средняя прочность данного класса, кгс/см	Ближайшая марка бетона
1	2	3	4	5	6
В 3,5 В 5 В 7,5 В 10 В 12,5 В 15 В 20 В 25	46 65 98 131 164 196 262 327	М 50 М 75 М 100 М 150 М 150 М 200 М 250 М 350	В 30 В 35 В 40 В 45 В 50 В 55 В 60	393 458 524 589 655 720 786	М 400 М 450 М550 М 600 М 600 М 700 М 800

Классом бетона по прочности на сжатие В называют предел прочности на сжатие в МПа эталонных 28-суточных образцов с ребром 15 см, с обеспеченностью 0,95. СНиПом для тяжелого бетона предусмотрены следующие классы В 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60.

На прочность тяжелого бетона влияют:

1. Марка или активность цемента (прямопропорционально) и водоцементное отношение (обратнопропорционально). Эта зависимость выражается формулой (28),

(28)

где R_б – прочность бетона;

R_ц – марка или активность цемента;

А - коэффициент, зависящий от качества применяемых материалов;

Ц/В – цементно-водное отношение (величина, обратная В/Ц).

Знак (-) используют для бетонов с В/Ц  0,4. Знак (+) используют для бетонов с В/Ц 0,4

2. Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем,

которая определяется формой зерен и характером поверхности заполнителей, а также активностью цемента.

2. Характеристики окружающей среды, в которой твердеет бетон. Для

твердения бетона необходимы положительные температуры и влажность, близкая к 100%. При отрицательных температурах твердение бетона прекращается, при недостатке влаги ее может не хватить для протекания реакций гидратации и в результате прочность бетона будет заниженной.

2. Время твердения. В зависимости от времени прочность возрастает по

следующему закону (29):

(29)

где R_n – прочность бетона в возрасте n суток;

R₂₈ – прочность бетона в возрасте 28 суток.

Эта формула справедлива при времени твердения n  3 суток.

Морозостойкость бетона. За марку бетона по морозостойкости F принимают число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают водонасыщенные бетонные образцы-кубы с ребром 15 см без снижения прочности на сжатие более 15% и потери массы более 5%. Стандартом установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости: F 50 - 150.

Отношение к действию высоких температур. Бетон является огнестойким материалом, он не горит во время пожара. Но длительное воздействие высоких температур ухудшает качество бетона, снижает его прочность и несущую способность. Это связано, во-первых, с дегидратацией в цементном камне гидроксида и гидросиликатов кальция, протекающей с изменением объема, и, как следствие, с растрескиванием бетона. Во-вторых, некоторые заполнители при воздействии высоких температур также способны растрескиваться или изменяться в объеме (например, кварц при t^о  600^о претерпевает изоморфные превращения, протекающие с уменьшением объема, а карбонатные породы разлагаются при t^о  900^о).