014

ню та відтаюванню, зволоженню та висиханню, небажано застосування цементів із підвищеним вмістом мінеральних добавок, а також трикальцієвого алюмінату (C3A ≤ 8 %). Для масивного гідротехнічного бетону, що вкладається у греблі і дамби, вимагаються низькотермічні цементи. Для гідротехнічного бетону із покращеними властивостями застосовуються пластифіковані гідрофобні цементи. У виробництві конструкцій , як правило, віддають перевагу цементам із помірним або зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату та нормальною густотою цементного тіста (23-28%), що не виявляють ознак несправжнього тужавлення.

Для замішування бетону, промивання заповнювачів та вологісного догляду за бетоном рекомендується застосовувати звичайну питну воду. Не допускаються болотні та стічні води; води, забруднені шкідливими домішками (кислоти, солі, масла та ін.); води, що мають водневий показник рН менш 4 або вміщують більше 0,27 % сульфат-іонов.

З а п о в н ю в а ч і . Для приготування бетону застосовують дрібний та крупний заповнювачі. Дрібним заповнювачем служить пісок – природна або штучна мінеральна суміш зерен розміром від 5 до 0.16 мм. Дрібний заповнювач призначений для зниження витрати цементного тіста, що заповнює пустоти між зернами крупного заповнювача, та запобігання розшаруванню бетонної суміші. Якість його залежить від структурно-мінералогічних особливостей, форми і крупності зерен, вмісту різних фракцій (зернового складу), шкідливих домішок. В звичайному важкому та гідротехнічному бетоні застосовують природні або кварцеві польовошпатні піски та піски, що одержуються подрібненням щільних морозостійких гірських порід до крупності не більше 5 мм. Застосування пісків, що складаються із зерен осадових порід (щільних вапняків, доломіту та ін.), а також пористих вивержених порід (туфу, пемзи та ін.), допускається лише після проведення лабораторних досліджень і при техніко-економічному обгрунтуванні.

Критерієм крупності піску є м о д у л ь к р у п н о с т і , під яким розуміють суму повних залишків при просіюванні дрібного заповнювача на стандартних ситах, %, поділену на 100:

П о в н и й з а л и ш о к – це сума залишків на даному і більш крупних ситах, що входять у комплект для просіювання (% від маси проби). Піски поділяють на крупні (Мкр = 3,5...2.5), середні (Мкр = 2,5...2) та дрібні

(Мкр = 1,5...2).

Поряд з крупністю піску важливе значення має його порожнистість Vп, або об’єм міжзернового простору, %:

VП = 1− ρρ0 100

41

де ρ0,ρ – насипна густина і густина піску.

Порожнистість піску залежить від зернового складу, який повинен відповідати стандартній кривій просіювання. Крупність та зерновий склад піску у значній мірі впливають на витрату цементу у бетоні. Із зменшенням крупності та збільшенням міжзернової пустотності росте питома поверхня піску та збільшується витрата цементного тіста. При використанні дрібних пісків доцільно застосовувати укрупнюючі добавки, наприклад крупні фракції природного чи дробленого піску. Застосування дрібних пісків допускається при техніко-економічному обгрунтуванні. Водопотреба та витрата цементу при використанні дрібних пісків і пісків із несприятливим зерновим складом зростають на 8…20%.

Після випробувань у багатьох випадках можуть бути використані в бетоні піски з попутньо добутих порід та відходів промисловості. Подрібнені піски залежно від міцності вихідної гірської породи поділяються на чотири марки: М1000, М800, М600 та М400. Вивержені та метаморфічні гірські породи, що використовуються для виробництва подрібнених пісків, повинні мати границю міцності на стиск не менше 60 МПа.

Основні властивості бетону залежать від зчеплення цементного каменя із заповнювачами, на яке впливають форма та характер їх поверхні, наявність глини та пилу, інших шкідливих домішок, хіміко-мінералогічний склад заповнювача. Зчеплення збільшується при гострокутній формі та шорсткій поверхні зерен, характерній, наприклад, для гірського (ярового) піску, або за рахунок хімічної взаємодії при використанні карбонатних порід.

Глинисті та пиловидні частинки завдяки високорозвинутій поверхні суттєво збільшують водопотребу бетонних сумішей, обволікають зерна заповнювачів та зменшують його зчеплення з цементним каменем. Крім того, найбільш дрібні пилуваті частинки (<0,08 мм) знижують морозостійкість бетону.

Допустимий вміст пиловидних та глинистих частинок нормується в залежності від виду заповнювача та призначення бетону. Для звичайного природнього піску він не повинен перевищувати 3%, подрібненого – 4%, для фракційованих природних та подрібнених пісків – відповідно 2% та 3%. Спеціальні обмеження вмісту пиловидних та глинистих домішок встановлені для піску, що використовується при виготовленні бетону гідротехнічних споруд, водопропускних труб, транспортних споруд. Наприклад, для бетону зони змінного рівня води гідротехнічних споруд вміст у піску пиловидних та глинистих домішок не повинен перевищувати 2%, надводного бетону – 3%, підводного бетону та бетону внутрішньої зони – 5%.

До інших шкідливих домішок в заповнювачі належать включення слюди, сірчасті та сірчанокислі сполуки, оксиди та гідроксиди заліза, мінерали, що містять аморфні різновиди кремнезему, органічні домішки тощо. Вони погіршують структуру бетону, негативно впливають на процес твердіння цементного каменя, викликають його корозію.

42

На долю к р у п н о г о з а п о в н ю в а ч а (гравію або щебеню), що утворює жорсткий каркас бетону, припадає приблизно 50% від усієї його маси.

Г р а в і й – рихла осадова порода, утворена в результаті вивітрювання щільних гірських порід. Крупність зерен гравію коливається від 5 до 70 мм. Для гравію характерні окатана форма зерен і в більшості випадків підвищений вміст пилуватих частинок та зерен слабких порід.

Щ е б і н ь – продукт подрібнення гірських порід. Щебінь одержують також з гравію, валунів, доменних, сталеплавильних та інших шлаків.

Якість крупного заповнювача, як і піску, визначається крупністю, зерновим складом, формою, поверхнею зерен та вмістом домішок. Суттєве значення мають петрографічні особливості, міцність вихідної породи, водостійкість та морозостійкість.

Максимальний розмір крупного заповнювача не повинен перевищувати 1/4 мінімального перерізу конструкції. В залізобетонних конструкціях крупність заповнювача приймають меншою 2/3 відстані між стержнями арматури.

Для забезпечення оптимального зернового складу щебінь або гравій поділяють на окремі фракції, які потім змішують у рекомендованих співвідношеннях. Як правило, використовують фракції 5…10, 10…20, 20…40, 40…70 мм.

В бетоні гідротехнічних та інших масивних споруд при технікоекономічному обгрунтуванні допускається використовувати щебінь та гравій крупністю до 150 мм і більше.

Д о б а в к и д о б е т о н і в. Добавками для бетонів служать неорганічні та органічні речовини або їх суміші (комплекси), за рахунок введення яких регулюються або забезпечуються спеціальні властивості бетонних сумішей та бетонів. За основним ефектом дії добавки поділяють на наступні види:

•ті, що регулюють реологічні властивості, тужавлення та пористість бетонних сумішей, твердіння бетону;

•ті, що надають бетону спеціальні властивості;

•ті що регулюють і водночас надають різні властивості бетонним сумішам та бетонам (поліфункціональної дії);

•мінеральні порошки – замінники цементу.

Основні напрямки вдосконалення технології бетону з використанням хімічних добавок пов’язані зі зниженням витрат праці при виконанні робіт на заводах збірного залізобетону та у монолітному будівництві, значним скороченням частки важких ручних операцій, підвищенням якості бетону, його міцності, морозостійкості, водонепроникності та корозійної стійкості, економією цементу. З допомогою добавок вдається змінювати та регулювати умови та строки твердіння бетону, надавати йому нові властивості, наприклад бактерицидність, гідрофобність, здатність твердіти на морозі тощо.

Найбільш розповсюдженими є п л а с т и ф і к у ю ч і д о б а в к и та розроблені в кінці 70-х років с у п е р п л а с т и ф і к а т о р и (С-3, С-4, 10-03 та ін.).

43

ється за рахунок захоплення суміші лопатями при обертанні барабану з наступним її вільним падінням.

Для перемішування жорстких бетонних сумішей, а також сумішей на пористих заповнювачах більш ефективними є змішувачі примусового перемішування. В них однорідність бетону підвищується за рахунок обертання лопатей у нерухомому барабані, або у барабані, що обертається у протилежному напрямку.

До основних технологічних властивостей бетонної суміші відносять рух-

ливатися під дією власної маси. Характеристикою рухливості є осадка конуса (ОК) бетонної суміші, ущільненої штикуванням (рис. 2.4). Суміші, що мають осадку конусу 5...15 см, вважаються рухливими, вони легко перемішуються і вже при невеликій механічній дії заповнюють форму. При осадці конусу 1…4 см суміші малорухливі, а понад 15 см – литі.

До жорстких відносять суміші, для яких осадка конусу близька до нуля. Ж о р с т к і с т ь (Ж) характеризується часом вібрування конусу з бетонної

Рис. 2.4. Визначення рухливості бетонної суміші:

а – загальний вид зрізаного конуса для дослідження; б – жорстка суміш; в – малорухлива; г – рухлива; д – дуже рухлива; е – лита.

суміші, необхідним (при використанні спеціального приладу) для його деформації та перетворення у рівновеликий циліндр.

Одним з найважливіших факторів, що визначає показники легкоукладальності, є водовміст (В) бетонної суміші. Водопотреба бетонної суміші, тобто водовміст, необхідний для досягнення потрібної рухливості та жорсткості, залежить від типу та кількості цементу, питомої поверхні та пустотності заповнювачів, форми та характеру їх поверхні, співвідношення дрібного та крупного заповнювача, тривалості витримки суміші до її укладання, виду та вмісту пластифікуючих добавок та ін.

45

Рухливість та жорсткість бетонних сумішей призначаються залежно від особливостей конструкцій, щільності армування, способу транспортування та ущільнення.

Залежно від легкоукладальності бетонні суміші поділяють на марки (табл. 2.5).

Для тонкостінних насичених арматурою виробів потрібна більша рухливість суміші, ніж для масивних малоармованих конструкцій. Привикористанні сучасних способів ущільнення, особливо в заводських умовах, з'являється можливість підвищити жорсткість бетонних сумішей, що веде до економії цементу і покращує ряд будівельних властивостей бетону.

Поряд з необхідною легкоукладальністю бетонних сумішей важливо забезпечити їх однорідність, яка вимірюється ступенем розшарування сумішей при зберіганні та транспортуванні. Р о з ш а р о в у в а н і с т ь бетонних сумішей розвивається в результаті седиментаційних явищ внаслідок різної густини компонентів бетону. Застосування суміші, що розшаровується, веде до нерівномірного розподілу в бетоні заповнювачів та цементного каменю та погіршення властивостей бетону. Зменшення розшарування спостерігається при зниженні водовмісту, введенні тонкомелених мінеральних добавок, по- верхнево-активних речовин.

Бетонні суміші транспортуються на будівельні об'єкти автобетонозмішувачами або автобетоновозами. Допускається перевезення бетонної суміші автосамоскидами.

До місця виконання робіт бетонна суміш може подаватися вантажними кранами, по лотках, стрічкових конвеєрах, трубопровідним транспортом.

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 матеріалу по всьому об'єму, запобіганням розшаровування. Зменшення щільності бетону на 1 % веде до зниження його міцності приблизно на 5 %. Коефіцієнт ущіль-

46

нення Кущ повинен бути не меншим 0,97...0,98, а для бетону підвищеної щільності не менше 0,99:

Кущ = ρρо.ф ,

о

де ро.ф – фактична середня густина ущільненої бетонної суміші; ро – 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 ущільнення є в і - б р у в а н н я . 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 бетонних 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.

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 цементнопіщаний розчин – крупний заповнювач, мезоструктуру – структуру цемент- но-піщаного розчину і мікроструктуру – структуру цементного каменю.

Макромезоструктуру бетону розділяють на три види (рис. 2.5): 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

47

для бетону, розчинна частина заповнює пори крупного заповнювач і в незначній мірі розсовує зерна. Нарешті, при контактній структурі прошарок цеме- нтно-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,

Рис. 2.5. Схема макроструктур бетону а – с базальною цементацією; б – порова; в – контактна

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, прогнозувати 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 поверхневоактивних 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.

Т в е р д і н н я і м і ц н і с т ь б е т о н у . Твердіння бетону супроводжується комплексом фізичних і хімічних процесів, в результаті яких фор-

48

муються певна структура і властивості бетону. Найважливішою для бетону властивістю є міцність, яка головним чином залежить від активності цементу (Rц) 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:

збільшенням Ц/В (зменшенням В/Ц) зменшується кількість надлишкової води, що не вступає у взаємодію із цементом, і зменшується пористість бетону (рис. 2.6). 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 Rц 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 температурновологісними 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 1000ºС. Рідше використовують електропрогрівання, автоклавне твердіння та

49

інші способи термічної обробки. З пониженням температури, і особливо з наближенням її до 0°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 замерзання 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: Вt0,8; Вt1,2; Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2. 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:

В = R(1−1,64СV )

де СV - коефіцієнт варіації міцності бетону.

Коефіцієнт варіації міцності бетону знаходять за формулою:

СV = RS

де S - середнє квадратичне відхилення для партії бетону; R - 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

50