4. Влияние технологических факторов на свойства
Основными факторами, влияющими на свойства бетонной смеси, являются водосодержание, вид и содержание цемента, содержание и качество заполнителей, наличие поверхностно-активных веществ, а также предварительное выдерживание и виброактивация смеси.
Водосодержание оказывает существенное влияние на свойства бетонной смеси, а затем и на формирование структуры бетона. При малом количестве воды она, взаимодействуя с минеральными составляющими смеси, адсорбируется на поверхность зерен. Пленки такой воды, обладая значительной вязкостью, упругостью и прочностью на сдвиг и растяжение, довольно прочно связываются с поверхностью твердых тел под действием молекулярных сил сцепления. В этой пленке вода находится как бы в связанном состоянии и обладает свойствами твердого тела.
Увеличение водосодержания бетонной смеси приводит сначала к возникновению вокруг твердых частиц диффузных слоев воды, а затем к обводнению этих частиц и к образованию менисков в капиллярах. Вода диффузного слоя способна передвигаться под влиянием молекулярных сил от одной частицы к другой независимо от влияния силы тяжести. Такое движение воды происходит от толстых водных оболочек к более тонким до тех пор, пока молекулы воды не будут испытывать одинаковое притяжение частиц. Смесь с малым водосодержанием обладает способностью при весьма интенсивном уплотнении создавать бетоны с наиболее плотной структурой.
При увеличении водосодержания бетонной смеси сверх оптимального вода сначала заполняет крупные капилляры и межзерновые пространства, а затем приобретает способность перемещаться под действием сил тяжести. Смесь с избытком свободной воды характеризуется наличием некоторой раздвижки твердых частиц и утолщенными водными оболочками на их поверхности; при этом она приобретает достаточную подвижность и сохраняет необходимую связность, а также нерасслаиваемость.
Неспециалисты считают, что качество бетона зависит только от количества цемента. Конечно, количество цемента влияет на качество бетона, но не меньшее значение имеют и другие факторы: правильное соотношение песка и гравия, количество воды, перемешивание, укладка, уплотнение бетона и уход за ним, особенно в первые два дня после его укладки.
Заполнитель занимает около 85% объема бетона. Гранулометрический состав заполнителя следует выбирать таким, чтобы песок по возможности заполнял все пустоты между гравием и щебнем. Чем меньше будет объем пустот между мелким и крупным заполнителем, тем меньше потребуется цементного теста для заполнения этих пустот. Опыт показывает, что прочный бетон (с минимальным количеством цемента) можно получить, если бетон содержит 30...45% песка и 55...70% гравия или щебня. В этом случае объем пустот между зернами будет минимальным. Общепринято, что объем пустот при приготовлении бетонной смеси не должен превышать, %: для песка — 37, гравия — 45 и щебня — 50. Чем меньше объем пустот для гравия и щебня, тем меньше надо песка и цемента.
Не рекомендуется использовать крупный заполнитель с размерами зерен, превышающими 1/4... 1/5 минимального размера конструкции; размеры зерен не должны превышать 3/4 расстояния между арматурными стержнями. Поэтому в тонкостенных густо армированных конструкциях максимальный размер зерна крупного заполнителя не должен превышать 40 мм, а иногда даже 20 мм.
В индивидуальном строительстве в качестве заполнителя для приготовления бетона часто используют естественную песчано-гравийную смесь. Без сортировки не рекомендуется ее применять для приготовления бетонов марок выше 150.
Для приготовления бетонов низких марок в качестве крупного заполнителя можно использовать кирпича, черепицы или другого керамического материала, получаемого при разборке старых зданий.
Марку цемента рекомендуется принимать такую, чтобы она примерно в 2 раза превышала проектную марку бетона.
Для получения пластичной и удобоукладываемой бетонной массы в нее очень часто необоснованно добавляют большое количество воды. Особенно этим грешат индивидуальные застройщики. Лишняя вода может снизить прочность бетона даже в несколько раз. Практически прочность бетона не изменится, если одновременно добавлять цемент и воду, сохраняя постоянным водоцементное отношение. А это означает, что для обеспечения заданной марки бетона при увеличении количества воды следует увеличивать и количество цемента. Поэтому выбор оптимального водоцементного отношения в условиях индивидуального строительства является одним из основных источников экономии цемента.
Чем жестче будет бетонная смесь и чем лучше ее уплотнять при укладке, тем прочнее получится бетон, и наоборот. Нормальная, так называемая жесткая бетонная смесь должна содержать 50...70% воды от массы цемента. Следует учесть, что песок после дождя содержит примерно 15% воды, и в таком случае, приготовляя бетон, количество воды надо сократить.
В зависимости от консистенции бетонная смесь может быть: жесткая (примерно как влажная земля), при укладке которой требуется тщательное уплотнение; пластичная (достаточно густая, но подвижная), не требующая такого сильного уплотнения, и литая, которая без вибрирования заполняет опалубку. Использование литой бетонной смеси в индивидуальном строительстве практически недопустимо. Жесткую бетонную смесь рекомендуется применять для бетонирования подготовительного слоя под фундаменты и пол, фундаментов, стен и других массивных неармированных или малоармированных конструкций. Пластичную бетонную смесь используют для бетонирования балок, колонн, плит перекрытия и других аналогичных конструкций. Пластичность, или подвижность бетонной массы следует обеспечивать не добавлением чрезмерного количества воды, а специальными добавками — пластификаторами. Чаще всего для этой цели используют сульфитно-спиртовую барду, добавляя ее 0,1...0,16% от массы цемента. Если количество добавки больше, она снижает прочность бетона. Для того, чтобы облегчить уплотнение бетонной массы, к цементу можно добавить до 10% гашеной извести. Полученный таким образом бетон становится более удобоукладываемым, повышается его долговечность, уменьшается гигроскопичность.
Твердение бетона — важнейшая стадия технологической переработки, в значительной степени определяющая структуру бетона и, следовательно, его строительно-технические свойства.
На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси.
Нарастание прочности тяжелого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7—14 сут. прочность бетона быстро растет, затем рост прочности к 28 сут. замедляется и постепенно затухает; во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения бетонных образцов их средняя прочность в семисуточном возрасте составляет 0,6—0,7 прочности 28-суточных образцов. У трехмесячных образцов прочность примерно на 25%, а у 12-месячных на 75% оказывается выше, чем у образцов 28-суточного возраста.
Большое влияние на рост прочности бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха —90—100% и температура — 20±2°С. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, которое может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с ее понижением. Так, за 10—14 ч твердения в атмосфере насыщенного пара (пропаривание) при температуре 80—90° С прочность бетона достигает 60—70% марочной 28-суточной прочности.
Для ускорения твердения бетона применяют также добавки (ускорители твердения) — хлористый кальций и хлористый натрий. Это имеет большое практическое значение при производстве бетонных работ в зимних условиях, так как добавки позволяют получать бетоны, твердеющие на морозе.
На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание воды, содержание цементного теста, крупность заполнителей и форма их зерен, содержание песка.
Бетонные смеси одного и того же состава, но на разных цементах обладают неодинаковой подвижностью. Это объясняется различной водопотребностью цемента: чем она выше, тем меньше подвижность или больше жесткость смеси. Подвижность бетонных смесей на портландцементах с гидравлическими добавками меньше, чем смесей на портландцементе при одном и том же количестве воды, взятой для приготовления смеси. С увеличением содержания воды при неизменном расходе цемента подвижность бетонной смеси возрастает, но прочность бетона уменьшается. С увеличением содержания цементного теста подвижность бетонной смеси также повышается при сохранении практически той же прочности после затвердения. Это объясняется тем, что при более высоком содержаний цементного теста оно не только заполняет пустоты и обволакивает зерна заполнителей, но и раздвигает их, создавая между ними обильные прослойки, уменьшающие трение между зернами, а это повышает подвижность смеси. При более крупных заполнителях суммарная поверхность зерен меньше, следовательно, при том же количестве цементного теста прослойки его между зернами заполнителей оказываются толще, что увеличивает подвижность бетонной смеси.