014

важкого та легкого бетонів) можна використовувати формулу R = В/ 0,778 ,

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.

Д о в г о в і ч н і с т ь б е т о н у .

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. 2.6). Для важкого гідротехнічного бетону звичайно призначаються проектні марки бетону по морозос-

тійкості: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500.

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

51

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 зра- зках-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.

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

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

Основними шляхами фільтрації води є капілярні пори, і особливо седиментаційнні капіляри, що утворюються в результаті розшарування бетонної суміші. 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 28до 90-добового віку.

М о д у л ь п р у ж н о с т і 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.

У с а д к а б е т о н у 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

52

18°С не повинна перевищувати у віці 28 діб – 0.3 мм/м, 180 діб – 0.7 мм/м початкової довжини зразків.

Проектування складу бетону.

При визначенні складу бетону встановлюють вид матеріалів та їхнє співвідношення в 1 м3 бетонної суміші, що дозволяє забезпечити властивості, які вимагаються, при мінімальній витраті цементу чи мінімальній вартості. При проектуванні складу бетону встановлюють також технологічні параметри, від яких залежать властивості бетону (вік бетону, режим термічної обробки), вибирають вихідні матеріали і визначають їх витрату на 1 м3 суміші.

Вимоги до бетону визначаються проектною документацією. Головним з них є проектний клас бетону, що встановлює необхідну міцність бетону при стиску у 28-добовому або іншому віці. Проектний клас бетону визначається в результаті розрахунку конструкції і техніко-економічного обґрунтування. Для бетону, що підлягає термічній обробці, нормується також відпускна міцність, рівна 50, 70 чи більше відсотків проектної.

До гідротехнічного бетону у відповідності із умовами експлуатації пред’являються додаткові вимоги по морозостійкості, водонепроникності та ін.

Виходячи з особливостей конструкцій і способу їхнього виготовлення, вибирається також рухливість або жорсткість бетонної суміші. Підвищення рухливості бетонної суміші знижує витрати при ущільненні, однак якщо воно здійснюється за рахунок збільшення витрати води, то це викликає перевитрату цементу та погіршення властивостей бетону. Ефективніше підвищувати рухливість суміші за рахунок введення пластифікуючих добавок. При виборі вихідних матеріалів слід враховувати, по-перше, їх якісні особливості і, подруге, вартість бетону при їхньому використанні.

Уточнивши вимоги до бетону і вибравши вихідні матеріали, експериментальними і розрахунково-експериментальними методами встановлюють склад бетонної суміші.

Попередній розрахунок складу бетонної суміші полягає у послідовному визначенні необхідних значень цементно-водного відношення, витрати води, щебеню та піску.

Необхідне Ц/В або В/Ц може бути знайдене з формули

де Rб - проектна марка бетону в 28-добовому віці; Rц – активність цементу; А

-коефіцієнт якості вихідних матеріалів;

Ц= Rб + 0,5ARЦ .

ВARЦ

53

При Rб < 2Rц (Ц/В > 2,5) застосовують формулу

Для матеріалів високої якості А = 0,65; A1 = 0,43, рядових – А = 0,6; A1 = 0,4; задовільної якості – А = 0,55; A1 = 0, 37.

Для гідротехнічного бетону граничні значення водоцементного відношення повинно бути не вище наведених у табл. 2.7.

Витрату води визначають по графічним або табличним довідковим даним в залежності від необхідної рухливості та особливостей матеріалів, що використовуються.

Витрату цементу встановлюють за формулою Ц = В(Ц/В).

Мінімальна витрата цементу з умови одержання бетонної суміші, що не розшаровується, приймається з табл. 2.8.

Таблиця 2.8

Мінімальна витрата цементу в бетоні, кг/м3

Довести витрату цементу до мінімально необхідної можна за допомогою тонкомелених мінеральних добавок (золи-виносу, шлаків та ін.).

Витрати піску і крупного заповнювача визначають за формулами, отриманими при розв’язанні системи рівнянь:

де Ц, П, Щ, В – витрати відповідно цементу, піску, щебеню (гравію) та води,

кг; ρц, ρп, ρщ, ρв – їхні густини, кг/л (ρц = 3,1; ρп, ρщ ≈ 2,65; ρв = 1 кг/л); α –

коефіцієнт розсуву зерен щебеню (гравію) розчином; ρо.щ., ϑпщ – насипна густина щебеню (гравію) та його пустотність:

VП = ρЩ −ρ0.Щ . Щ ρЩ

Перше рівняння системи означає, що сума абсолютних об’ємів вихідних компонентів в 1 м3 ущільненої бетонної суміші близька до 1000 л, друге – що об’єм цементно-піщаного розчину витрачається на заповнення пустот між зернами крупного заповнювача з врахуванням їхнього деякого розсуву.

Коефіцієнт розсуву α приймається за даними табл. 2.9.

Витрати крупного заповнювача і піску визначаються за формулами

=1000

ЩVП α + 1

Щρ0Щ ρЩ

Примітки: 1. Таблиця складена для пісків із водопотребою Вп = 7 %. При збільшенні Вп на кожний процент α зменшується на 0,03, а при зменшенні –

55

зростає на 0,03. 2. Для жорстких бетонних сумішей (Ц < 400 кг/м3)

α = 1,05…1,15.

Розрахунковий склад бетонної суміші уточнюють експериментально на пробних замісах, доводячи рухливість бетонної суміші до необхідної при збереженні незмінним В/Ц. Після коректування співвідношення компонентів визначають фактичний об’єм замісу

VФ.З. = ∑ρ mi

0.Ф.

де Σmi – загальна маса матеріалів, що витратилися на заміс; ρ0.Ф - фактична густина ущільненої бетонної суміші, що визначається зважуванням зразка.

Після цього перераховують склад.

Основні різновиди бетонів.

Л е г к і б е т о н и. Бетони цього виду одержують, застосовуючи природні або штучні пористі заповнювачі з густиною щебеню чи гравію не більше 1000 кг/м3 і піску – 1200 кг/м3. До природних пористих заповнювачів відносяться продукти подрібнення вулканічних (пемза, туф та ін.) або легких осадових порід (вапняк-черепашник, опока, діатоміт та ін.). Штучні пористі заповнювачі одержують спучуванням при випалюванні легкоплавких глин (керамзит) або деяких вулканічних порід (перліт, вермикуліт) та шлакових розплавів (шлакова пемза), а також спіканням суглинків з додаванням 8…10% кам’яного вугілля на агломераційних машинах (аглопорит). Заповнювачами легких бетонів служать золи, щебінь та пісок з паливних шлаків, зольний аглопорит, випалений або не випалений гравій та інші продукти з промислових відходів.

При виборі крупного пористого заповнювача враховують встановлену густину легкого бетону. Так, для щільних легких бетонів із густиною до 800 кг/м3 відношення насипної щільності крупного пористого заповнювача до густини висушеного бетону складає 0,4; 900...1100 кг/м3 – 0,45; 1200...1400

кг/м3 – 0,5; 1500...1800 кг/м3 – 0,55.

Найкращі показники легких бетонів забезпечуються при використанні заповнювачів із дрібнопористою структурою, найменшим коефіцієнтом форми (відношення найбільшого розміру до найменшого) та мінімальним вмістом слабких зерен. Для одержання довговічних легких бетонів морозостійкість крупних пористих заповнювачів повинна бути не менше 15 циклів при втраті маси 8…10%, а коефіцієнт розм’якшення – не менше 0,8.

При проектуванні складу легких бетонів визначаються витрати матеріалів, Легкобетонні суміші характеризуються відносно високою жорсткістю і меншою зручновкладеністю, що викликане частковим відсосом води пористими заповнювачами. Це послабляє негативний вплив надлишку води і сприяє самоущільненню легкого бетону. Підвищений водовміст суміші менш від-

56

бивається на властивостях легкого бетону, ніж на звичайному важкому бетоні.

Легкі бетонні суміші характеризуються підвищеною здатністю до розшарування. Це викликане розбіжністю густин складових, а також підвищеним водоцементним відношенням. Легкі зерна пористих заповнювачів при перемішуванні бетону в змішувачах вільного падіння спливають, що порушує однорідність суміші. Тому їх перемішують примусовим способом. Розшарованість може з’являтись також при транспортуванні сумішей, великій висоті падіння у форму або опалубку. Розшарованості можна уникнути правильним підбором складу бетону, введенням добавок-пластифікаторів, збільшенням витрати піску та вмісту цементного тіста.

Одним з критеріїв ефективності легких бетонів є коефіцієнт конструктивної якості – відношення границі міцності бетону при стиску до його густини.

Межа міцності на стиск та густина легкого бетону визначаються на одних тих самих зразках, які мають форму куба розмірами 150×150×150 мм. По результатах визначення границі міцності на стиск встановлюють класи легких бетонів за міцністю. Міцність легких бетонів визначається активністю цементу, водоцементним відношенням, міцністю заповнювачів, умовами приготування, ущільнення і твердіння. Характерною особливістю легких бетонів (особливо на пористих пісках) є підвищена міцність при розтязі. Цьому сприяє розвинена поверхня заповнювачів, що викликає добре зчеплення із цементним каменем. Відношення Rp/Rст для важких бетонів становить 0,05…0,1, а

для легких 0,06…0,17.

Загальна усадка легких бетонів на 15…30 % вище усадки важких бетонів. Усадочні деформації знижуються при застосуванні якісних заповнювачів, зменшенні витрати цементу і водовмісту. Морозостійкість легких бетонів звичайно знаходиться в інтервалі від 10 до 200 циклів поперемінного заморожування та відтаювання. При введенні добавок поверхнево-активних речовин і високій міцності марку по морозостійкості можна довести до 300 і більше.

Легкі бетони мають водонепроникність не нижче, а в ряді випадків вище, ніж важкі бетони.

К р у п н о п о р и с т і б е т о н и . Ці бетони не містять дрібного заповнювача і мають обмежену витрату цементу, достатню лише для покриття зерен гравію або щебеню тонким шаром цементного тіста. Вони виготовляються із застосуванням як важких, так і легких заповнювачів, здебільшого однофракційних, округлої форми, по технології, що не допускає розшарування суміші (перемішування в бетонозмішувачах примусової дії не менше 3…5 хв., короткочасне вібрування). Густина такого бетону коливається від 400 до 2000 кг/м3, теплопровідність - від 0,26 до 0,99 Вт/(м 0С). Марки крупнопористого бетону за міцністю на стиск: 15, 25, 35, 50, 75 і 100, морозостійкість досягає 100 циклів, коефіцієнт фільтрації коливається в залежності від зернового складу та крупності заповнювачів від 0,2 до 2,5 см/с. Властивості крупно-

57

пористого бетону на звичайному щебені або гравію дозволяють застосовувати його в якості стінового матеріалу.

Задовільні фільтраційні характеристики крупнопористого бетону дозволяють застосовувати його при влаштуванні дренажів та фільтрів; вони раціональніші і економніші у порівнянні з дренажами, виготовленими з інших матеріалів. Матеріали для влаштування крупнопористих бетонних дренажів і фільтрів повинні бути стійкими до поперемінного заморожування і відтаювання, зволоження і висихання. Такими матеріалами є сульфатостійкий портландцемент, а також цемент з добавками ПАР.

Крупнопористий бетон застосовують для виготовлення плит кріплення відкосів осушуючих каналів, трубофільтрів для закритого дренажу, водозабірних приладів, водоочисних та інших фільтрів.

Д р і б н о з е р н и с т і б е т о н и . Це бетони, що не містять крупного заповнювача, наприклад піщаний бетон. Для них характерні висока однорідність, підвищена міцність при розтязі, морозостійкість і водонепроникність. Велика питома поверхня заповнювачів і їх міжзернова пустотність викликають збільшення водопотреби бетонної суміші. Витрата цементу в дрібнозернистих бетонах на 20-40% вище, ніж у звичайних. Властивості дрібнозернистих бетонів в більшій мірі, ніж звичайних, залежать від водоцементного відношення, зернового складу, крупності та інших особливостей піску. Для дрібнозернистих бетонів характерне підвищене повітрявтягування при вібруванні, тому важливо забезпечити хороше їх ущільнення. Дрібнозернисті бетони можна застосовувати у будівництві для тонкостінних конструкцій за відсутності кондиційних крупних заповнювачів.

Г і д р о т е х н і ч н и й б е т о н . Гідротехнічний бетон застосовують для виготовлення конструкцій та зведення споруд, які постійно або періодично перебувають у воді.

Залежно від розташування гідротехнічного бетону в споруді по відношенню до рівня води він розділяється на підводний (перебуває у воді постійно), зон змінного рівня води, надводний. Бетон в підземних гідротехнічних спорудах розглядають як підводний. Гідротехнічні бетони поділяються також на масивні та немасивні. Масивні бетони використовують переважно при будівництві гребель.

Масивні конструкції потребують спеціальних заходів для регулювання температурних напруг, що виникають при виділенні теплоти в бетоні.

Вимоги до гідротехнічних бетонів ставляться диференційовано з урахуванням зонального розподілу бетону в конструкціях.

Особливо жорстким є комплекс вимог, який ставиться до бетону для зони змінного рівня води та надводних зон зовнішніх частин масивних споруд.

Для бетону сучасних гідротехнічних споруд основними показниками міцності є значення міцності на стиск та розтяг. Границя міцності бетону визначається у віці 28, 60 або 180 діб залежно від строків будівництва.

58

Для гідротехнічних бетонів найважливішими властивостями, що впливають на довговічність, є морозостійкість, водонепроникність, стійкість до хімічної корозії у водному середовищі.

Д о р о ж н і й б е т о н . Дорожній бетон відрізняється від звичайного високою міцністю на розтяг та стиск, підвищеною деформативністю, морозостійкістю. При цьому велике значення має опір розтягу при згині.

Залежно від призначення дорожній бетон поділяють на бетон для однота двошарових покрить, а також для основ вдосконалених покрить. Класи дорожнього бетону за границею міцності на стиск В5...В40, нормуються також показники границі міцності на розтяг при згині від 1,5 до 5,5 МПа.

Вимоги до дорожнього бетону зумовлені складними умовами його служби в покриттях: діями статичних та динамічних транспортних навантажень, змінної вологості та температури тощо.

Час транспортування бетонної суміші до місця укладки не повинен перевищувати: при температурі повітря від +20 до +30°С – 30 хвилин при температурі повітря нижче + 20°С – 1 год. Бетонну суміш при температурі повітря вище +30°С транспортують та укладають відповідно із спеціальними технічними вказівками.

Л и т і б е т о н и . До литих бетонів відносять бетони, одержані з сумішей, що укладаються без механічної обробки під дією власної ваги.

Литі бетонні суміші мають високу рухливість (ОК = 15...20 мм), здатність вільно текти та безперешкодно обтікати арматуру, проходки та закладні частини і повністю заповнювати складні конфігурації конструкції.

Одержання литих бетонів, що задовольняють вказаним властивостям, в умовах виробництва технологічно складніше ніж приготування звичайних бетонів нормальної консистенції. Литі бетони потребують підвищеної витрати цементу (порівняно з середньопластичними), здатні до водовідділення та розшарування. Тому для забезпечення зв'язності литої бетонної суміші рекомендується вводити спеціальні водоутримуючі добавки (бентонітові глини, кремнегель). Особливо ефективним є введення до литих бетонних сумішей золи-виносу ТЕС.

Ефективним різновидом бетонів є литий бетон з помірним водовмістом, що досягається при введенні суперпластифікаторів або пластифікаторів підвищеної ефективності, наприклад, модифікованих ЛСТ.

В и с о к о м і ц н і б е т о н и , б е т о н о п о л і м е р и т а ф і б - р о б е т о н и . До високоміцних належать бетони з границею міцності на стиск не менше 50 МПа. Обґрунтована можливість отримання бетонів з границею міцності на стиск у віці 28 діб до 100 МПа і більше. Міцність високоміцних бетонів, як правило, дорівнює або перевищує активність вихідного цементу. Основними умовами отримання високоміцних бетонів є застосування високомарочних цементів, низьких водоцементних відношень, що знахо-

59

дяться в інтервалі 0,25...0,40, використання жорстких бетонних сумішей або введення добавок-суперпластифікаторів.

До ефективних сучасних напрямків виробництва високоміцних бетонів поряд з використанням суперпластифікаторів відносяться застосування в'я- жучих низької водопотреби (ВНВ), високодисперсних кремнеземистих наповнювачів.

Використання високоміцних бетонів дозволяє суттєво зменшити об'єм бетону і скоротити витрату арматурної сталі в залізобетонних конструкціях. Зменшення розмірів перерізу дає можливість виготовляти конструкції під різні навантаження в формах одного типорозміру, що веде до скорочення парку форм.

При одержанні б е т о н о п о л і м е р н и х виробів бетонні вироби висушують, вакуумують та просочують малов'язкими рідкими мономерами (метилметакрилат, стирол тощо), які потім полімеризують безпосередньо в бетоні за допомогою радіаційного або термокаталітичного способів. При цьому в декілька разів зростає міцність бетону, особливо на розтяг та згин, водонепроникність та морозостійкість, стійкість до агресивних середовищ, стійкість при стиранні, в десятки разів зменшується повзучість бетону.

До перспективних видів бетону належать ф і б р о б е т о н и – бетони армовані дисперсними волокнами (фібрами): стальними, базальтовими, скляними, поліпропіленовими, азбестовими та ін. ЦІ бетони мають порівняно із звичайними підвищену міцність на розтяг, більш високу ударну та тріщиностійкість. Введення фібрової арматури в кількості 1,5...2% (за об'ємом) з відносною довжиною, що дорівнює 100 діаметрам, підвищує порівняно з неармованим міцність бетону на розтяг в 2...4 рази і на стиск в 1,2...1,6 разів, ударну стійкість, водо-, газота нафтонепроникність в 10...100 разів, зменшує стиранність в 2,5...4 рази.

Ж а р о с т і й к і б е т о н и . Для футерування топок, газоходів, димових труб при будівництві теплових електростанцій, в елементах захисних стін, перекриттів АЕС та інших конструкцій, що нагріваються, застосовують жаростійкі бетони. Звичайний важкий цементний бетон, придатний для виготовлення будівельних конструкцій, що зазнають тривалий вплив температури лише до 200°С.

За граничне допустимою температурою використання жаростійкі бетони поділяються на класи: 300, 600°С і т.д.

В жаростійких бетонах можуть використовуватися як гідравлічні (портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистий цемент), так і повітряні (каустичний магнезит, рідке скло) мінеральні в'яжучі. Цементний камінь набуває жаротривких властивостей завдяки введенню до нього різних тонкомелених мінеральних добавок, стійких до дії високих температур та зв'язуючих вільний оксид кальцію. Такими добавками служать зола-унос, молота цегла, доменний, паливний шлаки та ін.

60