книги из ГПНТБ / Черкасов, Г. И. Введение в технологию бетона

равлического давления в порах и капиллярах, возникающего как результат отжатия воды льдом; б) различия .в коэффици­ ентах температурного расширения льда и составляющих бе­ той материалов; в) осмотического давления гелевой воды при замерзании воды в порах и повышении концентрации солен

впоровом растворе.

В'зависимости от состава, структуры бетона и условий за­

мерзания может преобладать влияние того или другого фактора, однако первопричиной разрушения бетона являет­ ся льдообразование. При применении плотных прочных и морозостойких заполнителей морозостойкость бетона опреде­ ляется характером пор в цементном камне.

Поскольку вода в гелевых порах практически не замер­ зает,, они неопасны для замерзающего бетона. Контракционные поры при обычных температурно-влажностных условиях твердения бетона представляют собой замкнутые пространст­ ва, заполненные воздухом. При замерзании бетона контракционные поры играют роль запасных резервуаров, в которые может отжиматься часть воды из капиллярных пор, что умень­ шает давление на стенки капилляров и способствует повы­ шению морозостойкости бетонов1.

Опасны открытые межпоровые капилляры, седиментационные полости и пустоты, возникающие вследствие недоуплотнения бетонной смеси. Вопрос о влиянии на морозостой­ кость крупных пор, образованных защемленным воздухом при уплотнении бетона, еще неясен, но их присутствие нежела­ тельно, так как они располагаются случайно и увеличивают неоднородность структуры бетона.

Для морозостойких бетонов рекомендуется применять алитовые низкоалюминатные цементы с содержанием мине­ ралов силикатов около 80% и трехкальциевого алюминята не более 6%.

'фПри проектировании морозостойкихбетонов необходимо получать наиболее плотный скелет заполнителей, уменьшаю­ щий возможность расслоений и седиментационных явлений в мпкрообъемах и способствующий уменьшению количества цементного теста-камня в бетоне.

1 Как указывает С. В. Шестоперов, контракционная пористость может быть вредна в тех случаях, когда под влиянием вакуума контракционные поры заполняются не воздухом, а водой: при подводном бетонировании и применении бетонов, обладающих высоким водосодержанием.

171

Хотя силикатный гель морозостоек, он не защищает от разрушения неморозостойкие плотные заполнители, мине­ ральные добавки и неморозостойкие алюминатные минералы цемента, что необходимо учитывать при оценке морозостой­ кости бетона.

При хорошем уплотнении можно избежать технологиче­ ских дефектов в структуре бетона; объем защемленного воз­ духа при этом не превысит 1:—2% объема бетона. Количество

•седиментационных пор можно уменьшить,* подобрав плотный скелет, вводя добавки ПАВ и применяя бетоны с малым во­ доцементным отношением. При этом основным дефектом структуры бетона, влияющим на снижение его морозостой­ кости, будет капиллярная пористость, уменьшить которую, можно за счет более полной гидратации1цемента и заполне­ ния капилляров цементным гелем. Капиллярная пористость - Пк бетона в процентах может быть вычислена по формуле Г. И. Горчакова

Как видно из формулы, капиллярная пористость бетона будет снижаться при уменьшении количества воды затворения, увеличении количества цемента и степени гидратации цемента. Получение бетона без капиллярных пор возможна при значении В/Ц = 0,5. Величины В/Ц и а, обеспечивающие получение бетона без капиллярных пор, представлены на графике (рис. 60). Следовательно, даже при полной гидрата­ ции цемента (а = 1 ) значение водоцементного отношения не должно быть более 0,5.

Из зависимости

может быть установлено, что для уменьшения капиллярной пористости бетона на 1% необходимо уменьшение количест­ ва щоды на 10 л/м3 либо увеличение количества цемента на

20—35 кг/м3.

Повышение расхода цемента ведет к удорожанию бетона и ухудшению его свойств, в частности, вследствие возраста­ ния усадочных явлений. Таким образом, для повышения мо­ розостойкости бетона необходимо снижать количество воды до 150—160 л/м3, что возможно при применении пластифици­ рующих добавок и интенсивном уплотнении смеси.

Степень гидратации цемента может быть повышена прове-

172

d .

Рис. 60. Теоретические зависимости между величинами В/Ц и а для получения бетона без капиллярных пор.

дением различных мероприятий по его активации, рассмот­ ренных в главе V. Она зависит также от времени твердения бетона (см. стр. 176).

При'надлежащем уходе :за бетоном, -обеспечивающем нор­ мальное протекание процессов твердения, морозостойкость' бетона повышается со временем.

Зависимость морозостойкости бетона от его пористости по экспериментальным данным Г. И. Горчакова представлена в табл. 30.

Как видно из* таблицы, хорошая морозостойкость бетона (Мрз = 240) достигается при значениях капиллярной порис­ тости менее 6%. По данным других исследований, уменьше­ ние капиллярной пористости бетона до 8% сопровождается относительно небольшим повышением морозостойкости, даль­ нейшее уменьшение капиллярной пористости приводит к зна­ чительному повышению морозостойкости': Наибольшая моро­ зостойкость наблюдалась у бетонов с капиллярной порис­ тостью от 0 до 3% •

173

Зависимость морозостойкости от капиллярной пористости бетона может быть приближенно выражена эмпирической, формулой

М рз= (12—пк)3,

где Мрз — число циклов замораживания; пк — капиллярная пористость в %■

Важнейшим технологическим-мероприятием для повыше­ ния морозостойкости бетона уже с определенными характе­ ристиками пористости является введение воздухововлекающих добавок СНВ, ЦНИПС-1, ГКЖ и др. в количестве 0,05—0,2% от веса цемента.

Добавки вовлекают в бетонную смесь микропузырьки воздуха размером 0,025—0,25 мм, которые создают в бетоне равномерно распределенные закрытые поры. Эти поры пре­ рывают капилляры, ограничивая последующее их насыщение водой. Часть капиллярных пор может закрываться вследствие испарения воды непосредственно в пузырьке воздуха, часть воздушных пор, располагаясь вблизи капилляров, Служит бу-

174

ферными емкостями для воды, фильтрующейся под давлени­ ем через стенки капилляров.

По данным отечественных и. зарубежных исследований, введение воздухововлекающих добавок может повысить мо­ розостойкость бетона на 300—700%.

Обычно для повышения морозостойкости бетона вовлека­ ют с помощью добавок 3—8% воздуха.

Воздухововлечение снижает прочность бетона, но при ма­ лом количестве вовлеченного воздуха (до 5%) прочность может даже повышаться за счет пластифицирующего дейст­ вия добавок на бетонную смесь. Объем вовлеченного воздуха и структура воздушных пор зависят от количества добавки,, характеристик заполнителей и состава бетонной смеси. Под­ бор количества воздухововлекающей добавки в каждом от­ дельном случае производят опытным путем.

Все приведенные рекомендации приемлемы и для повы­ шения морозостойкости пропаренного бетона. Однако полу­ чить достаточно морозостойкий бетон после пропарки можно только предельно уменьшив влияние термических деструк­ ций, т- е. применяя предварительное выдерживание изделий и медленный подъем температуры. При пропаривании коли­ чество видов цемента для получения морозостойких изделий может быть увеличено за счет использования шлакопортландцементов.

Подбор состава морозостойкого бетона может быть про­ изведен с учетом характеристик его пористости в такой по­

175

2 . Определяют оптимальный расход цемента, обеспечи­ вающий получение требуемой капиллярной пористости, по Формуле

2(В -10п к)

^а

Количество воды для получения бетонной смеси требуемой удобоукладываемости ориентировочно определяют по графи­ кам и таблицам, приведенным в главе III.

Значение степени гидратации а для лортландцементов можно принимать следующим:

Расход цемента, определенный из условия морозостойкос­ ти, должен быть не меньше, чем требуется для получения заданной прочности бетона, которую вычисляют по формуле

R6=A R „(-^±0,5):

3.Определяют расход заполнителей по формулам метода абсолютных объемов.

4.Экспериментально уточняют состав бетона. Для этого делают опытный замес и определяют удобоукладываемость смеси. Необходимо принять все меры для уменьшения водосодержания за счет оптимального соотношения фракций заполнителей, введения пластификаторов и т. д.

Если удобоукладываемость недостаточна и. ее нельзя по­

высить, не увеличивая количества воды, то увеличивают количество воды, памятуя, что для соблюдения требуемой морозостойкости на каждые лишние 10 л воды нужно увели­ чивать количество цемента на 20/а кг.

М-300 алитовый, С3Л меньше 6%. Заполнители удовлетворяют.,требованиям ГОСТ, песок средней крупности, щебень НК 20 ммДп=Тщ= 2.5,7о.п=7о.щ=

=1,5.

1.Находим по таблице 31 допустимую пористость Пк=6% .

2.По графику (рис. 5). ,В=170 л. По таблице а=0,58. Расход цемента

176

3.Определяем Щ и П по методу абсолютных объемов

тим, она оказалась равной 50 сек.

Вводим в смесь добавку ССБ в количестве 0,1% веса цемента. Полу­

чили Ж = 3 0 сек.

Проверяем возможность снижения водосодержания бетонной смеси; вводим 0,15% ССБ, получаем ту же жесткость—30 сек. Принимаем перво­ начально взятое количество добавки ССБ.

Изготовляем девять об-разцов ЮХЮХ10 см для проверки прочности

иморозостойкости после 28 суток твердения.

Взаключение раздела необходимо указать на крайнюю условность определения морозостойкости бетона при испыта­ нии по ГОСТ 10060-62. Морозостойкость бетонных конструк­ ций назначается по результатам испытания водонасыщенных

ния грубо ориентировочно связано с числом натурных циклов в том-или ином районе. В коэффициент запаса берется пол­ ное насыщение водой лабораторных образцов, чего многие сооружения могут не испытывать. В испытаниях совершенно не учитывают: 1) действующие в данном районе минимальные температуры, которые при соответствующих их значениях могут вызвать замерзание воды в мельчайших капиллярах и быстрое разрушение бетона; 2) скорость изменения темпера­ тур и их колебания без перехода через ноль, что также можег вызвать разрушение из-за различия коэффициентов темпера­ турного расширения материалов замерзшего бетона; 3) под­ верженность конструкций [различным силовым воздействиям, которые вызывают напряженное состояние в бетоне до замо­ раживания.

' Если ранее, когда основные объемы строительства выпол­ нялись в умеренных климатических условиях, можно было ориентировочно судить о морозостойкости по числу циклов замораживания и оттаивания согласно методике ГОСТ 10060-62, то сейчас в связи с интенсивным развертыванием строительства в северных районах вопрос испытания морозо­ стойкости бетона требует пересмотра.

Водонепроницаемость бетона

Некоторые конструкции по условиям работы должны быть водонепроницаемыми, в других водонепроницаемость препят­ ствует коррозионным процессам, развивающимся при филь­ трации воды через толщу бетона.

За показатель водонепроницаемости принимают величину давления воды в атмосферах, при которой образец стандарт­ ных размеров (цилиндр диаметром и высотой 15 см) из бето­ на исследуемого состава в условиях проведения опыта соглас­ но ГОСТ 4800-59 еще. видимым образом не пропускает воду.

Водонепроницаемость бетона зависит от количества откры­ тых макропор, вызванных испарением избыточной воды из межзерновых пространств цементного камня, седиментационных полостей, технологических и усадочных трещин в местах контакта цементного камня с заполнителем. Поры геля из-за их малого размера практически водонепроницаемы. Мелкие закрытые поры до определенного их количества в бетоне (3— 12%) не оказывают существенного влияния на водонепрони­ цаемость бетона. Таким образом водонепроницаемость зави­ сит от тех же факторов, что и морозостойкость1.

Снижение В/'Ц в бетонной смеси, обеспечение более пол­ ной гидратации цемента, применение фракционированных заполнителей и соответствующих эффективных уплотняющих средств позволяет получить бетоны высокой водонепроницае­ мости.

Увеличить водонепроницаемость бетона можно применяя заполнитель предельной наибольшей крупности, так как при этом уменьшается объем растворной части в бетоне и снижа­ ется водопотребность бетонной смеси. Пески желательны реч­ ные окатанные. Не следует опасаться повышенного, до 30---

40%, содержания в песке фракции 0,15—0,3, которая, наобо­ рот, полезна, так как служит уплотняющей добавкой в скелете заполнителей. По данным некоторых исследований, водоне­ проницаемый бетон должен содержать больше песка в смеси заполнителей, нежели обычные бетоны, подбираемые по принципу наибольшей прочности. В связи с этим при подборе составов бетона значения коэффициентов раздвижки зерен имеют повышенные значения (а= 1,4 —2,0).

О том, что целесообразнее применять для повышения во­

178

донепроницаемости — гравий или щебень, нет еще единого мнения, так как щебень обеспечивает повышение прочности контактной зоны с цементным камнем, а гравий позволяет получать хорошоуплотняемые смеси при меньших расходах воды и более низких значениях В/Ц. Бетоны высокой водоне­ проницаемости получают при применении карбонатного щеб­ ня вследствие отсоса седиментационной воды его микропорами и хемосорбционных явлений на границе щебня с цемент­ ным камнем.

Применение гидрофильных пластифицирующих добавок увеличивает подвижность бетонных смесей и, следовательно, снижает их водопотребность, что повышает водонепроницае­ мость бетона.

По данным ряда исследователей, введение в смесь гидро­ фобных и воздухововлекающих добавок весьма эффективно при малых напорах. Гидрофобизация капилляров при высо­ конапорном движении воды почти не препятствует ее про­ хождению через толщу бетона; положительно влияет на водонепроницаемость только пластифицирующее действие этих добавок. Недостаточно эффективны для увеличения во­ донепроницаемости бетонов и добавки кремнийорганических жидкостей.

Специфичным технологическим мероприятием для повы­ шенияводонепроницаемости бетонов является применение различных уплотняющих добавок — микронаполнителей и химических веществ.

В качестве микронаполнителей могут применяться камен­ ная мука, молотые шлаки, золы, пылевидные отходы промыш­ ленности, обычный мелкозернистый песок, а также активные минеральные добавки и известь. Введение таких добавок создает в межзерновых полостях бетона как бы микроскелеты, препятствующие возникновению седиментационных и усадоч­ ных явлений, развитию фильтрующих пор и каналов. Однако нельзя забывать, что многие микронаполнители снижают мо­ розостойкость бетона.

Применение добавок особенно эффективно для бетонов с пониженным содержанием цемента; при расходах цемента в бетоне свыше 500 кг/м3 вводить эти добавки уже нецелесо­ образно. Ориентировочное количество микронаполнителя с учетом количества цемента в водонепроницаемом бетоне можно назначить по данным табл. 32.

Для повышения водонепроницаемости бетонов нашли ши­ рокое применение химические уплотняющие добавки FeCl3,

А1С13, А120 3, Na20, вводимые в количествах 1—2% от веса цемента. Действие их основано на реакции с Са(ОН)2 и выде­ лении нерастворимых новообразований, закупоривающих поры в бетоне.

е>последние годы по предложению Г. П. Бовина в качест­ ве уплотняющей добавки успешно используют азотнокислый кальций Са(ЫОз)2, который в отличие от хлорного железа не вызывает коррозии арматуры и имеет меньшую стоимость.

Эффективность применения различных химических уплот­ няющих добавок по данным Г. П. Бовина приведена в табл. 33.

180