2. Свойства бетонной смеси и основы технологии бетона

Проектируя новую машину, конструктор решает, какую форму придать тем или иным деталям и какие использовать для них материалы.

Точно так же обстоит дело и в строительстве. Строителю необходимо заранее знать, какими свойствами должен обладать изготовленный им бетон, как на него будет действовать жара, мороз и другие эксплуатационные факторы.

Но состав бетона не может быть универсальным, по одному рецепту на все случаи. Состав бетона, как и состав сплава в металлургии, должен быть запроектирован заранее в зависимости от того, в каких конструкциях, в каком сооружении будет применяться бетон. При этом надо иметь в виду, что свойства бетона, например, важнейшее из них - прочность, зависят не только от того, в каких пропорциях взяты его составные части, но и от качества исходных материалов и технологии получения бетона.

Требования к исходным материалам для приготовления бетонных смесей определяются соответствующими ГОСТами на каждый из них.

Для обычных бетонов в качестве вяжущего используют портландцемент и его разновидности.

Для затворения бетонных смесей должна применяться вода, не содержащая вредных примесей – кислот, сульфатов, жиров и т.д. Обычно применяют питьевую воду. Морская и другая вода допускается только на основании результатов специальных испытаний.

К мелким заполнителям бетона относятся различные пески – природные (горные, речные, морские, овражные) или искусственные, получаемые дроблением горных пород или некоторых промышленных отходов. К пескам, используемым в качестве мелких заполнителей бетона, предъявляют требования по их зерновому и минералогическому составу, по содержанию вредных примесей, пылевидных и глинистых частиц. В случае необходимости пески обогащают – просеивают и промывают, смешивают с другими более крупными песками и т.п.

В качестве крупного заполнителя применяют гравий или щебень из горных пород или искусственного происхождения.

Гравий – это в различной степени окатанные обломки прочных горных пород (гранита, диорита, базальта и др.) с гладкой поверхностью. Размер зерен гравия от 5 до 70 мм. Для бетона наиболее применимы зерна малоокатанной щебневидной формы, хуже яйцевидные (сильноокатанные), еще хуже зерна пластинчатой и игловатой формы, снижающие прочность бетона. Гравий, подобно песку, может содержать вредные примеси пыли, ила, глины, органических кислот и сернокислых соединений, содержание которых ограничивается действующими стандартами.

Часто гравий залегает вместе с песком. При содержании в гравии 25-40% песка, материал называют песчано-гравийной смесью. Пригодность гравия в качестве заполнителя определяют по результатам испытания.

Щебень – это материал, который получают при дроблении горных пород или искусственных камней на куски размером как и гравий от 5 до 70 мм.

Зерна щебня имеют неправильную форму, поверхность их рваная , шероховатая. Поэтому щебень лучше сцепляется с цементным камнем, но бетонная смесь со щебнем хуже перемешивается и тяжелее уплотняется. Из-за этого в бетонную смесь со щебнем приходится добавлять больше воды затворения, чем с гравием.

К крупным заполнителям относятся и пористые материалы – щебень из туфа, пемзы, вулканического шлака, или керамзитовый гравий, изготавливаемый на заводах легких заполнителей и др.

Если бетонную смесь приготавливать на случайном составе заполнителей, взятых из природных карьеров, или полученных путем дробления камня, то большую плотность получить нельзя, так как зерна такого заполнителя примыкают друг к другу с большими межзерновыми пустотами.

Для заполнения таких пустот требуется очень большой перерасход вяжущего. Кроме того, на такой случайной смеси невозможно получить бетон высокой прочности.

Чтобы получить высокую прочность бетона, надо правильно подобрать зерновой состав заполнителей. Так составить из них смесь, чтобы между зернами было как можно меньше пустот. Для этого, вначале рассеивают крупный и мелкий заполнитель по размерам, или, как говорят строители, на несколько фракций.

Затем из этих фракций по определенным правилам составляют так называемую оптимальную зерновую смесь. В этой смеси все частицы так тесно примыкают друг к другу, что для цементного теста остаются только незначительные промежутки. Бетон, приготовленный на такой оптимальной смеси заполнителей, может иметь высокую плотность и прочность. И расход вяжущего в этом случае требуется уже небольшой. Но одной только оптимальной смеси заполнителей еще недостаточно – нужна рациональная технология бетона.

Технология приготовления бетонной смеси складывается из ряда последовательных операций.

Прежде всего, в соответствии с заданным составом производится дозирование принятых исходных материалов – цемента, песка, щебня, воды и др. Дозирование осуществляют путем отвешивания (реже – объемного отмеривания) компонентов смеси с помощью автоматических или ручных дозаторов. Порции материалов по проектному составу направляют в бетоносмесители с принудительным или свободным (гравитационным) перемешиванием. Цель перемешивания – получение из зернистых материалов однородной смеси.

Однородность бетонной смеси – одно из важнейших к ней требований. Если смесь будет неоднородной, бетон будет неодинаково прочным в различных участках конструкции, что приведет к ее разрушению при нагрузке.

После перемешивания бетонную смесь транспортируют (иногда на многокилометровые расстояния) к месту укладки. При этом очень важно, чтобы смесь сохранила свою однородность и не расслоилась во время перевозки. Транспортирование на большие расстояния целесообразнее всего осуществлять в автобетоносмесителе, продолжающем перемешивание бетонной смеси во время ее перевозки.

Необходимо особо подчеркнуть, что прочный и долговечный бетон из материалов даже высокого качества и хорошо перемешанной однородной бетонной смеси может быть получен только при тщательном уплотнении ее в процессе бетонирования конструкций.

Если бы бетонная смесь обладала свойствами жидкости, то она легко полностью заполняла бы объем формы, в которую ее укладывают.

Казалось бы, для облегчения укладки уплотнения смеси, следует добавить в смесь побольше воды. Но излишек воды крайне вреден для затвердевшего бетона: вся вода, которая не вступает в реакции твердения цемента, вытекает или высыхает, образуя в теле бетона поры, капилляры и даже пустоты. При недостатке же воды бетонная смесь неплотно укладывается в форме и бетон в этом случае тоже будет пористым и непрочным. Следовательно, количество воды, вводимой в бетонную смесь должно быть строго определенным в каждом конкретном случае.

Формовочная способность бетонной смеси (удобоукладываемость) определяется такими показателями как подвижность и жесткость.

Подвижность отражает способность бетонной смеси, которой была придана определенная форма, например, правильного усеченного конуса, оседать или расплываться под влиянием собственной тяжести. Измеряют подвижность бетонной смеси величиной (в сантиметрах) осадки стандартного конуса. Если осадка конуса находится в пределах 2 - 4 см, смесь относят к малоподвижным, 4 - 12 см – к подвижным, более 12 см – к текучим (литым).

При осадке конуса, равной нулю, смесь – жесткая. В этом случае ее удобоукладываемость оценивается с помощью специальных приборов для определения показателя жесткости (в секундах).

Жесткость бетонной смеси характеризуют продолжительностью вибрирования на стандартной виброплощадке (частота – 3000 колебаний в минуту, амплитуда колебаний – 0,5 мм), необходимой для выравнивания и уплотнения предварительно отформированного конуса бетонной смеси. К особо жестким относят смеси при времени вибрации свыше 13 с., к жестким 5 - 12 с., к малоподвижным - менее 5 с.

Показатели подвижности и жесткости назначают с учетом характера изделия, средств уплотнения, густоты армирования и др. Регулирование указанных характеристик бетонной смеси достигается проектированием ее состава, а при необходимости – введением специальных пластифицированных и других добавок.

Наиболее распространенным способом уплотнения бетонной смеси является вибрирование. В процессе вибрирования частые колебания вибратора передаются всем частицам бетонной смеси. В результате снижаются силы внутреннего трения и бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и способна легко заполнять форму. Эффективность виброуплотнения зависит от двух параметров - интенсивности и продолжительности вибрирования.

В свою очередь, интенсивность виброуплотнения зависит от амплитуды и частоты колебаний и может быть вычислена по формуле В.Н. Шмигальского:

(5.1)

где U – интенсивность виброуплотнения, см²/с³;

a – амплитуда колебаний, мм;

f – частота колебаний, Гц.

Для каждой бетонной смеси существует своя оптимальная продолжительность вибрирования, превышение которой не дает прироста плотности и даже может привести к расслаиванию смеси.

Виброуплотняют бетонную смесь стационарными или переносными (поверхностными, глубинными) вибромеханизмами различных типов.

Кроме вибрирования бетонной смеси имеются и другие эффективные методы ее уплотнения: прессование, центрифугирование, вакуумирование и др.

Прессование позволяет получать бетон особо высокой плотности и прочности при минимальном расходе цемента (100 - 150 кг/м³ бетона). Широкому распространению этого способа препятствуют экономические причины: бетон начинает интенсивно уплотняться при прессующем давлении

10-15 МПа и выше. Для уплотнения изделия на каждый 1 м² его поверхности следует принимать нагрузку 100000 - 150000 МПа. Прессы такой мощности в технике применяют, например, для прессования корпусов судов, но стоимость их столь высока, что совершенно исключает использование таких прессов для уплотнения бетона крупноразмерных изделий. По этим причинам способ прессования применяется только при формовании штучных изделий небольшого размера, например, тротуарной плитки.

Центрифугирование осуществляет уплотнение бетонной смеси за счет центробежных сил, возникающих при вращении ее с большей скоростью. Для этого бетонную смесь загружают в трубчатую форму, которая установлена на центрифуге. Она обеспечивает скорость вращения от 600 до

1000 об/мин. Под действием центробежных сил бетонная смесь прижимается к внутренней поверхности формы, а вода, как более легкая составляющая, отжимается в центр формы, откуда и стекает. В результате из бетонной смеси удаляется до 20-30 % воды, что существенно повышает плотность и прочность бетона. Центрифугирование позволяет получить высокопрочные бетоны марок 400 - 600 , но при значительном расходе цемента (порядка 450 кг/м³). При недостаточном расходе цемента смесь расслаивается под действием центробежных сил на мелкие и крупные зерна с разной силой прижимающееся к поверхности формы.

Методом центрифугирования формируют трубы, опоры линий электропередач, стойки под светильники.

Вакуумирование, осуществляемое разрежением до 0,07 - 0,08 МПа с использованием вакуум-насосов, обеспечивает удаление из бетонной смеси воздуха, вовлеченного при ее приготовлении и укладке, а также избыточной части воды затворения. Освободившееся при этом место в смеси занимают твердые частицы, в результате чего увеличивается плотность и на 50 - 70% повышается прочность вакуумированного бетона. Однако толщина слоя, которая может быть вакуумирована, не превышает 12 - 15 см. Вследствие этого, вакуумированию подвергают преимущественно массивные конструкции (плотины, шлюзы и т.д.) для придания их поверхностному слою повышенной плотности и прочности.