КРАСОВСКИЙ_УП

Арматура уменьшает ползучесть железобетона в тем большей степени, чем выше процент армирования.

8.4. Температурные деформации бетона

Бетон, как и другие материалы, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. В среднем коэффициент линейного расширения бетона составляет 10×10–6. Однако в действительности он колеблется в зависимости от состава бетона и свойств заполнителей и вяжущего. С увеличением содержания цементного камня коэффициент линейного расширения a увеличивается.

Изменения температуры в пределах 0…50 °С мало влияют на коэффициент температурного расширения сухого бетона, если при этом в бетоне отсутствуют физико-химические превращения. При изменении температуры влажного бетона температурные деформации складываются с влажностной усадкой или расширением. При замерзании влажного бетона существенное влияние на его деформации оказывает образование льда в порах и капиллярах материала. В ряде случаев вместо деформации сжатия при остывании бетона ниже 0 °С могут наблюдаться деформации расширения, вызываемые давлением окружающего льда.

Температурные деформации бетона близки к температурным деформациям стали, что обеспечивает их надежную совместную работу в железобетоне при различных температурах окружающей среды.

8.5. Физические свойства бетона

8.5.1. Плотность

Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность такой смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха.

Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивается коэффициентом уплотнения

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Относительная плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей; применением цементов, присоединяющих при гидратации возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый и расширяющийся цементы) или цементов, занимающих больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент); уменьшением водоцементного отношения с использованием пластифицирующих добавок; уплотнением совершенными способами. Относительная плотность бетона является важнейшим свойством, в значительной мере определяющим его прочность, морозостойкость, непроницаемость и долговечность.

8.5.2. Проницаемость

Проницаемость в конечном итоге определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных сред.

Проницаемость зависит от общей пористости, структуры пор, свойств вяжущего и заполнителей, вида флюида. Для гидротехнических бетонов наибольшее значение имеет водонепроницаемость.

Бетон является капиллярно-пористым материалом, пронизанным сеткой мельчайших пор и капилляров размером до 10-5 мм, к которым относятся и поры цементного геля, практически непроницаемые для воды. Микропоры и капилляры размером более 10-5 мм доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие перепада давлений.

Проницаемость бетона можно оценить коэффициентом проницаемости, который измеряется количеством воды В, прошедшей через 1 см2 образца в тече-

ние 1 часа при постоянном давлении:

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

пропускать воду только при большом давлении. Поэтому плотные бетоны обычно не фильтруют воду, и для их оценки используют другое понятие – мар-

ка по водонепроницаемости.

Для тяжелых бетонов назначают марки по водонепроницаемости. Установлены следующие марки по водонепроницаемости: W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20.

Эта характеристика определяется испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды.

Введение добавок или специальных веществ при приготовлении бетона является сравнительно простым и достаточно эффективным мероприятием [25].

Проницаемость также существенно может быть уменьшена путем пропитки бетона жидким стеклом, серой и другими веществами, кольматирующими поры и капилляры бетона. Практически непроницаемыми являются полимербетоны [26].

8.5.3. Морозостойкость

Под морозостойкостью бетона понимают способность в насыщенном во-

дой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.

Основной причиной, вызывающей разрушение бетона, является давление на стенки пор и устья микротрещины, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме на 9 %. Расширению препятствует жесткий каркас бетона, в котором возникают высокие напряжения. Многократно повторяемые замораживания и оттаивания разрушают структуру бетона, постепенно разупрочняют ее, и материал начинает разрушаться. У кубов начинают крошиться ребра, затем трещины проникают внутрь.

Это явление усиливается гидростатическим давлением воды, еще не успевшей перейти в лед, и различием в коэффициентах температурного расширения составляющих бетона.

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 5 % и снижение прочности не превышает 5 %. Это количество циклов и определяет марку бетона по морозостойкости. Для тяжелых бетонов назначают марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.

Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера пористости, так как объем пор будет определять объем и распределение льда в теле бетона при отрицательных температурах, т. е. интенсивность воздействий на бетон [27].

Морозостойкость бетона повышается с уменьшением объема макропор за счет снижения В/Ц, применения гидрофобирующих или кольматирующих добавок, создания резервного объема воздушных пор с помощью воздухововлекающих добавок, формирующих особую структуру пор бетона, незаполняемых водой, но

93

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

8.5.4. Теплофизические свойства

Теплофизические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации) ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, поведение конструкций при пожаре и воздействии других факторов.

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Она характеризуется количеством тепла (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при разности температур в 1 °С в течение 1 с.

Коэффициент теплопроводности бетона колеблется в широких пределах от 0,08 до 1,74 Вт/(м×°С) и несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет наиболее низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Однако при насыщении пор водой теплопроводность резко возрастает.

Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75…1,1 кДж/(кг×°С). Вода имеет более высокую теплоемкость (4,19 кДж/(кг×°С), поэтому с повышением содержания воды в бетоне (или его влажности) теплоемкость бетона возрастает.

8.5.5. Огнестойкость

Под огнестойкостью понимается способность бетона сохранять прочность при кратковременном воздействии высоких температур, например, при пожаре.

При нагреве бетона до высокой температуры вследствие различных коэффициентов линейного расширения цементного раствора и крупного заполните-

94

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ля в бетоне возникают большие внутренние напряжения, что приводит к уменьшению сцепления между его составляющими и понижению прочности. При температуре 547 °С начинается разложение гидрата окиси кальция по уравнению

Са(ОН)2 → СаО–Н2О,

что приводит к разрушению кристаллического сростка цементного камня и к дальнейшему понижению прочности бетона.

При пожарах бетон достаточно огнестоек, что следует объяснить малой теплопроводностью бетона, а также тем, что при его нагревании происходит разрушение кристаллогидратов цементного камня и выделяется адсорбционно и химически связанная вода, на испарение которой затрачивается значительное количество тепла. Вследствие этого интенсивность прогрева бетона уменьшается.

8.5.6. Тепловыделение при твердении бетона

Взаимодействие клинкерных минералов с водой сопровождается выделением тепла, в результате чего при схватывании и начальном твердении бетона повышается его температура.

В зависимости от вида и расхода цемента на 1 м3 бетона и массивности конструкции температура бетона в процессе его твердения может повыситься до 50 °С и более [29]. Повышение температуры в теле бетона в массивных бетонных конструкциях сопровождается возникновением растягивающих термических напряжений, величина которых может превзойти собственную прочность бетона на растяжение, и в нем образуются трещины, понижающие долговечность сооружения.

Возникновение термических напряжений является следствием неравномерного разогрева бетона, так как при сравнительно быстром охлаждении поверхностных слоев внутренние слои из-за малой теплопроводности бетона сохраняют повышенную температуру в течение продолжительного времени. В массивных бетонных сооружениях выравнивание температуры продолжается

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Наибольшее количество тепла выделяется при твердении бетона на глиноземистом цементе, наименьшее – на шлакопортландцементе с большим содержанием шлака. Введение в бетон тонкомолотых добавок снижает тепловыделение при твердении бетона.

Контрольные вопросы

1.Назовите свойства бетона.

2.Чем отличается класс бетона от марки бетона?

3.Чем вызвана и как развивается усадка бетона?

4.Каковы упругопластические свойства бетона?

5.Чем могут быть вызваны температурные деформации бетона?

6.От чего зависит проницаемость бетона?

7.Какими факторами определяется морозостойкость бетона?

8.Чем определяется объем тепловыделений в бетоне?

9.Каковы теплофизические свойства бетона и от чего зависит его огнестойкость?

9. ПРИГОТОВЛЕНИЕ И УПЛОТНЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ

9.1. Приготовление бетонной смеси

Приготовление бетонной смеси включает подготовку материалов их дозирование и перемешивание бетонной смеси.

Подготовка материалов (дробление заполнителей, разделение на фракции, удаление загрязняющих примесей и ряд других операций) осуществляется на предприятиях, производящих нерудные материалы.

На заводах сборного железобетона, установках по выпуску товарного бетона при наличии оборудования производится активация цемента, приготовление растворов химических добавок, оттаивание и подогрев заполнителей и воды в зимнее время.

Эффект активации цемента передовыми заводами используется давно. Увеличение удельной поверхности на 1000 см2/г приводит к повышению

прочности до 25 % и ускоряет процесс гидратации цемента. В возрасте до одних суток прочность цемента может повыситься на 30–100 %. Домол производят сухим или мокрым способом, часто совмещая его с введением химических добавок (в последнее время суперпластификаторов), что способствует получению высокопрочных и быстротвердеющих бетонов.

Следует помнить, что домол требует резкого увеличения расхода электроэнергии и поэтому при такой подготовке цемента необходимо техникоэкономическое обоснование.

Для домола цемента используются шаровые и струйные мельницы, эффективны вибромельницы, дезинтеграторы и другое оборудование.

96

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Подготовка растворов химических добавок заключается в предварительном растворении в воде твердых, пастообразующих или жидких добавок и доведении этого раствора до необходимой концентрации. Сложнее дело обстоит с подготовкой добавок, способных с водой образовывать эмульсии (кремнийорганические и другие добавки).

Растворы добавок приготавливают в специальных емкостях, где перемешивание осуществляется либо лопастными мешалками, либо сжатым воздухом. После приготовления добавки подают в специальные емкости, снабженные датчиками уровня, и затем в бетоносмеситель. К сожалению, типовые проекты бетонных узлов до сих пор не включают в свои схемы установки по приготовлению и дозированию добавок и даже не предусматривают места для их размещения.

Подогрев заполнителей обычно осуществляется в бункерах, реже непосредственно на крытых складах. Для подогрева используют контактный способ с помощью паровых труб и гребенок, размещаемых в бункерах, либо непосредственно через заполнитель пропускают горячий воздух или отработанный газ. Последний способ по затратам энергии более экономичен, но требует специальных устройств.

Дозирование материалов является важным технологическим элементом в подготовке материалов. Современные весовые дозаторы производят дозировку цемента и воды с точностью до 1 %, заполнителей – с точностью до 2 %. Такая точность дозирования требует и точного расчета состава бетона. Поэтому расход цемента указывается с точностью до 5 кг, воды до 2 л, песка и щебня до 10 кг. При этом расход цемента округляется в большую сторону, а воды – в меньшую.

Сами дозаторы могут быть разными: полуавтоматическими и автоматическими. Автоматические дозаторы (рис. 9.1) управляются дистанционно с центрального пульта по специальному программному обеспечению.

Рис. 9.1. Автоматический весовой дозатор заполнителей АВДИ-1200

97

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Требуемое количество материала отвешивают автоматически в два этапа: сначала примерно 90 % количества, а затем остальное. Программное обеспечение позволяет легко переходить от одного состава к другому, не опасаясь ошибок, возможных из-за «человеческого фактора».

Вторым важным переделом является перемешивание бетонной смеси. В процессе перемешивания материалы равномерно распределяются по всему объему, зерна цемента и заполнителей смачиваются водой, в результате чего получается

Рис. 9.3. Бетоносмеситель непрерывного действия с принудительным перемешиванием: 1 – привод; 2 – загрузочный патрубок; 3 – крышка; 4 – вал с лопастями; 5 – разгрузочный короб; 6 – корпус барабана

В гравитационных бетоносмесителях перемешивание достигается вращением барабана, на внутренней поверхности которого имеются лопасти (рис. 9.4).

При использовании крупнозернистых подвижных смесей с заполнителем из плотных пород перемешивание происходит при вращении барабана-смесителя в результате многократного подъема и сбрасывания материала с некоторой высоты. Гравитационные смесители выпускают объемом смесительного барабана 100, 250, 425, 1200, 2400 и 4500 л, причем объем бетономешалки определяется не выходом готового бетона, а суммой объемов загружаемых материалов (кроме воды).

98

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Для жестких смесей эффективны вибросмесители, когда во время перемешивания материалы подвергаются вибрированию. Происходящее при этом псевдоразжижение массы облегчает получение однородной смеси, кроме этого, происходит некоторая активация цемента, способствующая повышению прочности бетона, особенно в раннем возрасте.

Чтобы повысить однородность жестких смесей используют смесители с различным количеством вращающихся валов и направлениями их вращения (рис. 9.5).

Для перемешивания многокомпонентных бетонных смесей с применением нескольких порошкообразующих материалов (цемент, минеральный наполнитель, микрокремнезем и др.) применяют двухстадийное перемешивание: вначале перемешивают порошки с частью воды, а затем добавляют оставшуюся воду и заполнители. В этом случае можно использовать двухбарабанные смесители.

Качество смеси можно повысить увеличением скорости вращения лопастей. Так появились роторные и турбинные смесители, хорошо зарекомендовавшие себя при получении мелкозернистых бетонов и пенобетонов (рис. 9.6), имеются струйные смесители (рис. 9.7) и другие.

На качество перемешивания большое влияние оказывает длительность перемешивания (с момента загрузки всех материалов до начала выгрузки смеси) (рис. 9.8).

Оптимальное время перемешивания зависит от характеристики смеси и типа применяемого смесителя. Так, для перемешивания обычного тяжелого бетона с подвижностью 2…6 см в бетоносмесителе емкостью 400 л потребуется около 1 мин, а емкостью 2400 л – до 3 мин. Время перемешивания жестких

100

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com