11.8. Бетонная смесь и ее характеристики

Бетонной смесью называют тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения.

Одно из основных свойств бетонной смеси – тиксотропия, т. е. способность смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии. Это свойство широко используется при укладке и уплотнении бетонной смеси путем воздействия вибрации или встряхиванием.

При изготовлении бетонных и железобетонных изделий самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость, т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.

Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

1. подвижность бетонной смеси, являющаяся характеристикой структурной прочности смеси;

2. жесткость, являющаяся показателем динамической вязкости бетонной смеси;

3. связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Подвижность характеризуется осадкой конуса (ОК), в см, отформованного из испытуемой бетонной смеси. Для этого стандартную металлическую форму-конус устанавливают на горизонтальной площадке, заполняют в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют ОК бетонной смеси (рис. 11.1, а).

Р азмеры конуса определяются наибольшим размером крупного заполнителя. При максимальном размере зерен до 40 мм применяется конус №1 (100х200х300 мм), при максимальном размере зерен от 40 до 100 мм – конус №2 с размерами 150х300х450 мм. Величину ОК, определенную при использовании конуса №2, приводят к показаниям конуса №1 умножением осадки на коэффициент 0,67.

Жесткость бетонной смеси характеризуется временем вибрирования в секундах, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости (рис. 11.1, б). Классификация бетонной смеси по удобоукладываемости приведена в соответствующем ГОСТ.

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Бетонная смесь не должна расслаиваться при перевозке, укладке в форму и уплотнении.

Степень подвижности и жесткости бетонной смеси выбирают в зависимости от размеров конструкции, густоты армирования, способа укладки и уплотнения. Чем сложнее конструкция и гуще армирование, тем более подвижную смесь следует использовать для ее бетонирования.

Главным фактором, определяющим подвижность бетонной смеси, является расход воды: с его увеличением подвижность смеси возрастает. На подвижность также влияют: содержание цементного теста, вид цемента, гранулометрический состав крупного и мелкого заполнителей, наличие вредных примесей, введение пластифицирующих и суперпластифицирующих добавок.

11.9. Свойства тяжелого бетона

Прочность бетона. Прочность бетона R_б к определенному сроку при твердении в нормальных условиях (температура 15 – 20 ^оС и относительная влажность окружающего воздуха 90 – 100 %) зависит, главным образом, от двух факторов: прочности (активности) цемента R_ц и водоцементного отношения.

Водоцементным отношением (В/Ц) называют отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, причем учитывают только свободную, не поглощенную заполнителями воду. Прочность бетона прямо пропорциональна прочности цемента. Зависимость прочности бетона от В/Ц отношения более сложная (имеет вид гиперболы).

На прочность бетона, хотя и менее существенное, чем R_ц и В/Ц, оказывают влияние также виды цемента, форма заполнителей, характер их поверхности, способы приготовления образцов и другие факторы.

На практике часто используют зависимость прочности не от водоцементного, а от цементно-водного отношения Ц/В. При Ц/В в пределах 1…3,3, которое наиболее часто встречается при приготовлении бетона, эту кривую можно заменить двумя прямыми. Тогда для расчетов можно использовать следующие формулы:

а) для бетонов с Ц/В  2,5 (B/Ц  0,4)

R_б = AR_ц(Ц/В – 0,5); (11.1)

б) для бетонов с Ц/В>2.5 (B/Ц<0.4)

R_б = A₁R_ц(Ц/В + 0,5), (11.2)

где R_б – прочность бетона нормального твердения в возрасте 28 суток; R_ц – активность цемента; А и А₁ – эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние на прочность бетона качества заполнителей и других факторов.

Высококачественными материалами являются: щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок хорошего зернового состава, портландцемент высокой активности, без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. Заполнители должны быть чистыми, промытыми, фракционированными с оптимальным зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы: заполнители среднего качества, отвечающие требованиям ГОСТ, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокопрочный шлакопортландцемент. Материалы пониженного качества: крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой активности.

При проектировании состава бетона наиболее часто используют формулу (11.1). Формулы зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения справедливы только для бетона, уложенного совершенно плотно.

Закон прочности бетона и выражающие его формулы и графики позволяют решать две практические задачи. Первая – при известных прочности цемента и водоцементном отношении можно заранее определить прочность, приобретаемую бетоном через 28 суток. Вторая – при заданной прочности бетона R_б и известной прочности цемента рассчитать водоцементное отношение, необходимое для определения правильного состава бетона.

Прочность бетона характеризуется его маркой, которая определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных кубов 150150150мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях. Для тяжелых бетонов применяют марки: М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600. Например, марка бетона М300 означает, что его средняя прочность не менее 300 кг/см² (30 МПа).

Марки бетона могут быть определены также по прочности на растяжение при изгибе, например для тяжелых бетонов, применяемых в дорожном и аэродромном строительстве. Прочность бетона на растяжение при изгибе определяется путем испытания образцов, имеющих форму балочек квадратного сечения. Марки на растяжение при изгибе могут быть: М15, М20, М25, М30, М35, М40, М45, М50, М55.

При изготовлении сборных железобетонных конструкций, а также при срочных работах, когда применяются быстротвердеющие цементы или используются химические, а также тепловые способы ускорения твердения бетона (пропаривание, электропрогрев), прочность бетона определяется в более короткие сроки твердения, например в возрасте 1, 3 и 7 суток. Наоборот, бетоны на медленнотвердеющих цементах, применяемые в монолитных массивных сооружениях, могут иметь расчетные сроки твердения, превышающие 28 суток (60, 90 или 180 суток) соответственно с графиком работ и сроками строительства. Увеличение расчетного срока твердения бетона сверх 28 суток обеспечивает экономию цемента.

Бетон марок М100 – М150 применяют для оснований, фундаментов и массивных сооружений с невысокими расчетными напряжениями. Для обычных монолитных или сборных железобетонных конструкций в гражданском и промышленном строительстве используют бетон марок М200 – М300. Для предварительно напряженных и специальных железобетонных конструкций применяют бетон марок М300 – М600.

Более полное суждение о качестве бетона можно сделать при одновременном учете прочности бетона и его однородности, определяемой на основе статистического анализа коэффициентом вариации прочности , который равен отношению среднего квадратичного отклонения отдельных результатов испытаний прочности бетона к его средней прочности. Чем выше однородность бетона, тем с большей надежностью получают заданную прочность бетона. Коэффициент вариации прочности бетона колеблется от 0,05 до 0,2. Снижение коэффициента вариации обеспечивает экономию цемента.

При проектировании железобетонных конструкций учитывают однородность бетона. Нормативную кубиковую прочность бетона R^н, используемую в расчетах, принимают равной:

R^н = М(1 – 1,64).

При заданной нормативной прочности проектная марка бетона М будет зависеть от коэффициента вариации. При  = 0,07 получим М = 1,12R^н, а при  = 0,14 имеем М = 1,3R^н и соответственно на 15 – 20 % возрастет расход цемента.

Для конструкций, которые проектируют с учетом требований СТ СЭВ 1406 – 78 и СНиП 2.03.01–84 прочность бетона характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95 (т. е. указанное свойство достигается не менее чем в 95 случаях из 100). Тяжелые бетоны подразделяются на классы от B3,5 до B60. Например, у бетона класса В20 предел прочности при сжатии не менее 20 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95.

Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (в МПа), контролируемой на производстве для образцов 151515см (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу: R_б^ср = В/0,778.

Деформативные свойства бетона. Деформации бетона можно разделить на собственные деформации – усадку и расширение, возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия нагрузки, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузки (характеризуются модулем деформации) и от длительного действия (ползучесть бетона); температурные деформации бетона.

Усадка бетона, т.е. уменьшение его объема, проявляется при твердении бетона в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, способствующей высыханию бетона. При твердении в воде или во влажных условиях усадка резко уменьшается, а в ряде случаев происходит незначительное расширение бетона.

В среднем годичная усадка тяжелого бетона составляет 0,2 – 0,4 мм/м. Усадка бетона уменьшается при сокращении расходов цемента и воды и уменьшении водоцементного отношения. Усадка возрастает с возрастом бетона и при понижении влажности окружающего воздуха.

Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возрасте, приводит к значительной и неравномерной усадке и может вызвать появление на поверхности материала усадочных трещин. Во избежание этого применяют правильно подобранные составы бетона (с минимальным расходом цемента), обеспечивают надлежащие условия его твердения, устраивают специальные швы, бетон в массивные сооружения укладывают отдельными блоками, применяют химические добавки, уменьшающие усадку бетона.

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т.е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен бетон. Модуль деформации бетона повышается с его прочностью и составляет, например, для бетона марки М100  1900МПа, а для бетона марки М500  4100МПа.

Ползучесть бетона, проявляется в виде необратимых деформаций, возникающих при длительном действии постоянной нагрузки. Деформации ползучести наиболее заметно развиваются в первые сроки после приложения нагрузки и постепенно затухают. Уменьшению ползучести способствуют понижение расхода цемента и водоцементного отношения, повышение крупности заполнителей и уменьшение их деформативных свойств, увеличение возраста бетона и его прочности.

Температурные деформации бетона характеризуются температурным коэффициентом линейного расширения, который в среднем составляет 10^-5. Этот коэффициент близок к коэффициенту линейного расширения стали, что способствует совместной работе этих материалов в железобетонных конструкциях.

Водонепроницаемость бетона. Водонепроницаемость бетона зависит от его плотности и структуры. Бетон мелкопористой структуры и однородного состава, тщательно уплотненный и достаточно затвердевший, практически водонепроницаем в слоях значительной толщины. Водонепроницаемость бетона можно повысить, покрывая его поверхность плотным раствором, в особенности торкретированием. Также способствуют повышению водонепроницаемости различные добавки, гидрофобизирующие и кольматирующие поры бетона.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W2, W4, W6, W8, W10, W12. Цифра обозначает давление воды (кгс/см²), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость бетона. Как морозостойкость, так и водонепроницаемость бетона очень зависят от количества крупных пор размером более 10^-5 см (макропоры), которые образуются водой, не вступившей в химическое взаимодействие с цементом.

Макропористость бетона уменьшается, а морозостойкость улучшается при понижении В/Ц и с увеличением возраста бетона. Обычно для получения достаточно морозостойкого бетона В/Ц применяют менее 0,5. Морозостойкость бетона можно улучшить также путем введения в его состав специальных гидрофобных воздухововлекающих добавок, уменьшающих проницаемость его пор и капилляров для воды и снижающих внутренние напряжения в бетоне при ее замерзании.

За марку по морозостойкости принимаю наибольшее число циклов «замораживания-оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов.

Для конструкций подвергающихся в увлажненном состоянии попеременному замораживанию и оттаиванию, установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500.

Коррозионная стойкость. Под влиянием физико-химического действия некоторых жидкостей и газов бетон может постепенно разрушиться. Коррозия бетона вызывается почти исключительно разрушением цементного камня, заполнители же всегда можно подобрать достаточно стойкие.

Основные виды коррозии и методы защиты от них – см. раздел «Долговечность цементного камня».