Строительные материалы

Тема №5. Композиции на основе минеральных вяжущих веществ. бетон, железобетон и строительные растворы

Общие сведения

Бетон -- искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и затвердевания бетонной смеси. Бетонной смесью называют перемешанную до однородного состояния пластичную смесь, состоящую из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.

Состав бетонной смеси подбирают таким образом, чтобы при данных условиях укладки и твердения бетон обладал заданными свойствами (прочностью, морозостойкостью, плотностью и др.).

Бетон состоит из большого количества зерен заполнителя (до 80...85 % объема), связанных затвердевшим вяжущим веществом. Так как в качестве заполнителей применяют дешевые природные материалы или отходы промышленности, бетон экономически весьма эффективный материал.

Бетон известен давно. В Древнем Риме, например, из бетона на извести был построен ряд сложных инженерных сооружений. Существует мнение, что блоки внутренней части египетских пирамид также изготовлены из бетона, вяжущим в котором служила известь. Широкое применение бетона начинается после освоения промышленного производства портландцемента. Современное строительство немыслимо без бетона -- бетон стал основным строительным материалом. Это объясняется его экономичностью, технологичностью и доступностью основных сырьевых материалов.

Бетонная смесь представляет собой пластично-вязкую массу, сравнительно легко принимающую любую форму и затем самопроизвольно переходящую в камневидное состояние. Таким образом, легко получают каменные конструкции и изделия любой заданной формы.

В наше время получают бетоны с самыми разнообразными физико-механическими свойствами. Помимо обычного тяжелого бетона, производят легкий бетон плотностью меньшей, чем у кирпича. Такой бетон обладает хорошими теплоизолирующими свойствами и применяется для возведения стен жилых и промышленных зданий. И наоборот, при строительстве ядерных установок, например атомных электростанций, для защиты от ионизирующего излучения применяют особо тяжелые бетоны, плотность бетона которых в 1,5..2 раза больше плотности гранита.

Прочность бетонов достигает 100 МПа, и для конструкционных бетонов предел прочности служит основной характеристикой. Бетон - огнестойкий материал. В настоящее время получены бетоны, стойкие к самым разнообразным агрессивным воздействиям, и в том числе жароупорные бетоны, способные работать при температуре свыше 1000°С. При сочетании бетона и стали получается композиционный материал с еще более совершенными свойствами -- железобетон.

По плотности бетоны делят на особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м³), тяжелые обыкновенные (2200...2500 кг/м³), облегченные (1800...2200 кг/м³), легкие (500... 1800 кг/м³), особо легкие теплоизоляционные (500 кг/м³).

По структуре различают бетоны со слитной структурой, ячеистые и крупнопористые бетоны. Чаще других используются бетоны со слитной структурой -- это обычный тяжелый бетон и легкие бетоны на пористых заполнителях.

Легкие и особо легкие бетоны можно получить вспенивая тесто вяжущего -- так получают бетоны ячеистой структуры (с равномерно распределенными порами размером 0,2...2 мм).

Бетоны крупнопористой структуры, также относящиеся к легким бетонам, получают исключая из состава бетона мелкий заполнитель и скрепляя зерна крупного заполнителя вяжущим веществом.

Бетоны -- главнейший строительный материал. В нем сочетаются очень важные для строительства свойства: большая сырьевая база (до 85 % объема бетона - заполнители); простота технологии и достаточно высокие физико-механические свойства.

Наиболее распространен тяжелый цементный бетон. Рассмотрим свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона на примере тяжелого цементного бетона и будем называть его просто бетон.

Классификация бетонов

Основными нормируемыми и контролируемыми показателями качества бетона являются:

-- класс по прочности на сжатие В (от В 0,5 до В 120);

-- класс по прочности на осевое растяжение B_t (от В_t0,4 до B_t 6) ;

-- марка по морозостойкости F (от F 15 до F 1000);

-- марка по водонепроницаемости W (от W2 до W 20);

-- марка по средней плотности D (от D 200 до D 5000).

Класс бетона по прочности на сжатие соответствует значению кубиковой прочности бетона на сжатие (в МПа) с обеспеченностью 0,95.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение соответствует прочности бетона на осевое растяжение с обеспеченностью 0,95.

Марка бетона по морозостойкости соответствует минимальному числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают бетонные образцы в условиях стандартных испытаний.

Марка бетона по водонепроницаемости соответствует максимальному значению давления воды, которое выдерживают бетонные образцы без фильтрации в условиях стандартных испытаний.

Бетоны классифицируются по следующим признакам:

- основное назначение;

- стойкость к видам коррозии;

- вид вяжущего;

- вид заполнителей;

- структура;

- условия твердения;

- прочность;

- темп набора прочности;

- средняя плотность;

- морозостойкость;

- водонепроницаемость;

- истираемость.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяют на:

- конструкционные;

- специальные (например, теплоизоляционные, радиационностойкие, декоративные).

2.3 По стойкости к видам коррозии бетоны подразделяют на следующие виды:

А - бетоны, эксплуатируемые в среде без риска коррозионного воздействия (ХО);

Б - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием карбонизации (ХС);

В - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием хлоридов (XD и XS);

Г - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием попеременного замораживания и оттаивания (XF);

Д - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей химическую коррозию (ХА).

Примечание - Среда эксплуатации бетона указана в соответствии с ГОСТ 31384.

По виду вяжущего бетоны подразделяют на:

- цементные;

- известковые;

- шлаковые;

- гипсовые;

- специальные (например, полимербетоны, бетоны на магнезиальном вяжущем).

По виду заполнителей бетоны подразделяют на бетоны на заполнителях:

- плотных;

- пористых;

- специальных (например, металлическая дробь, вспененный гранулированный полистирол).

По структуре бетоны подразделяют на бетоны со структурой:

- плотной;

- поризованной;

- ячеистой;

- крупнопористой.

По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие:

- в естественных условиях;

- в условиях тепловой обработки при атмосферном давлении;

- в условиях тепловой обработки при давлении выше атмосферного (бетоны автоклавного твердения).

По прочности бетоны подразделяют на бетоны:

- средней прочности (класс прочности при сжатии ?В50);

- высокопрочные (класс прочности при сжатии ?В55).

По скорости набора прочности в нормальных условиях твердения бетоны подразделяют на:

- быстротвердеющие;

- медленнотвердеющие.

За критерий оценки скорости набора прочности принимают отношение , приведенное в таблице 1.

Таблица 5.1

Вид бетона	*
Быстротвердеющий	Более 0,4
	Медленнотвердеющий

Размещено на http://www.allbest.ru/

* R2 - прочность бетона в возрасте 2 сут; R28 - прочность бетона в возрасте 28 сут.

По средней плотности бетоны подразделяют на:

- особо легкие (марки по средней плотности менее D800);

- легкие (марки по средней плотности от D800 до D2000);

- тяжелые (марки по средней плотности более D2000 до D2500);

- особо тяжелые (марки по средней плотности более D2500).

По морозостойкости бетоны подразделяют на бетоны:

- низкой морозостойкости (марки по морозостойкости F50 и менее);

- средней морозостойкости (марки по морозостойкости более F50 до F300);

- высокой морозостойкости (марки по морозостойкости более F300).

По водонепроницаемости бетоны подразделяют на бетоны:

- низкой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости менее W4);

- средней водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости от W4 до W12);

- высокой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости более W12).

По истираемости бетоны подразделяют на бетоны:

- низкой истираемости (марка по истираемости G1);

- средней истираемости (марка по истираемости G2);

- высокой истираемости (марка по истираемости G3).

Заполнители для бетонов и растворов

В силу ряда причин изделия из одних только вяжущих не изготавливают. Вяжущие имеют высокую стоимость, обладают повышенной усадкой и ползучестью. Для исправления этих недостатков в изделия на основе минеральных (неорганических) вяжущих при их изготовлении вводят инертные материалы различной крупности, которые принято называть заполнителями.

Заполнители для бетонов и растворов -- это природные или искусственные каменные сыпучие материалы, состоящие из отдельных зерен. Термин «заполнитель» указывает на роль этого материала в бетонах и растворах: заполнитель занимает до 85 % от общего объема бетона. Стоимость обычных заполнителей значительно меньше, чем стоимость вяжущего. Следовательно, чем больше в бетоне заполнителей, тем бетон дешевле.

Однако этим не исчерпывается роль заполнителей. Так, в цементных бетонах и растворах они снижают усадку материала и повышают его трещиностойкость. Кроме того, заполнители во многом определяют свойства бетона. Например, используя в качестве заполнителя чугунную дробь и железные руды, получают особо тяжелый бетон, защищающий от ионизирующих излучений, а применяя пемзу, керамзит или вспученные шлаки -- легкий бетон, обладающий хорошими теплоизолирующими свойствами.

В зависимости от размера зерен заполнитель бывает:

мелкий (песок) -- зерна 0,16...5 мм;

крупный -- зерна 5...70 мм.

Крупный заполнитель в зависимости от формы зерен называют щебнем -- зерна неправильной формы с шероховатой поверхностью или гравием -- зерна округлой формы с гладкой поверхностью. Щебень получают дроблением более крупных кусков, в том числе и гравия.

Заполнители как крупные, так и мелкие могут быть:

природными, добываемыми в карьерах и подвергаемые только рассеву, промывке и, если это необходимо, дроблению;

искусственными, получаемыми из промышленных отходов (металлургических шлаков, зол электростанций и т. п.) или специальнойобработкой природного сырья (из глины получают керамзит, из перлита -- вспученный перлит и др.).

В последнее время начинают использовать «вторичные» заполнители, выделяемые из отслуживших свой срок бетонных и железобетонных конструкций дроблением и рассевом.

Структура заполнителя характеризуется двумя показателями: межзерновой пустотностью и пористостью самих зерен заполнителя. Обобщенной характеристикой, учитывающей и межзерновую пустотность, и внутреннюю пористость зерен, служит насыпная плотность заполнителя с_нас, которая представляет собой массу единицы объема сыпучего материала, взятого вместе с пустотами:

По плотности зерен заполнители подразделяют: на плотные (тяжелые) с плотностью зерен более 2000 кг/м³ и пористые (легкие) имеющие пористую структуру зерен с плотностью менее 2000 кг/м (обычно 1600...400 кг/м³).

Заполнители для бетонов и растворов должны отвечать следующим требованиям:

иметь определенный зерновой состав (соотношение зерен различного размера) для того, чтобы объем пустот между зернами (межзерновая пустотность) был минимальный, т. е. пустоты между крупными зернами были заняты более мелкими;

поверхность зерен заполнителя должна обеспечивать хорошее сцепление с твердеющим вяжущим, т. е. по возможности быть шероховатой, и на ней не должно быть глинистых и пылеватых примесей;

заполнитель не должен содержать примесей, отрицательно действующих на твердение вяжущего и на последующую прочность и стойкость бетона и раствора.

Мелкий заполнитель (песок)

Различают природный и искусственный мелкие заполнители.

Природный песок -- рыхлая смесь зерен крупностью 0,16...5 мм -- состоит главным образом из зерен кварца SiO₂; возможна примесь полевых шпатов, слюды, известняка. Реже встречаются пески иного состава, например полевошпатные, известняковые. Насыпная плотность природного песка 1300... 1600 кг/м³.

По происхождению природные пески разделяют на горные (овражные), речные и морские.

Искусственные пески, используемые значительно реже, бывают тяжелые и легкие. Тяжелые пески, получаемые дроблением плотных горных пород (базальта, диабаза, мрамора), применяют для специальных целей (отделочные растворы, кислотостойкие растворы и бетоны).

Легкие пески получают дроблением пористых горных пород (пемза, туф) или изготовляют специально. Например, перлитовый песок получают термическим вспучиванием вулканических стекол; керамзитовый -- обжигом глиняного сырья. Эти пески применяют для теплоизоляционных и акустических растворов и бетонов.

Поступающий на строительство песок должен отвечать требованиям ГОСТ 8736 или ГОСТ 31424, песок из доменных и ферросплавных шлаков черной металлургии и никелевых и медеплавильных шлаков цветной металлургии по ГОСТ 5578, а также золошлаковые смеси по ГОСТ 25592, золы-уноса по ГОСТ 25818.

Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Навеску сухого песка просеивают через набор сит и определяют сначала частные (%) (а _2,5; а _1,25; а _0.63 и т. д.), а затем полные {A_2,5 ; A _1,25 и А _0,63 и т. д.) остатки на каждом сите. Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на этом сите и всех ситах большего размера. Размеры полных остатков характеризуют зерновой состав песка.

На основании результатов ситового анализа рассчитывают модуль крупности песка:

М_к = (A_2,5 + A _1,25 + А _0,63 + А _0,315 + А _0,16 )/100

В зависимости от М_к и А _0,16 пески подразделяют на группы по крупности. Для строительных растворов рекомендуется применять пески с модулем крупности не менее 1,2, а для бетонов -- не менее 2.

Для бетонов применяют песок крупностью не более 5 мм, для растворов, используемых для замоноличивания сборных железобетонных конструкций и заполнения швов при монтаже панелей,-- также не более 5 мм; для растворов, служащих для кладки кирпича, камней правильной формы и блоков,-- не более 2,5 мм; для штукатурных отделочных растворов -- не более 1,25 мм.

Присутствие в песке пылеватых и особенно глинистых примесей снижает прочность и морозостойкость бетонов и растворов. Количество таких примесей определяют отмучиванием (многократной промывкой водой). В природном песке пылеватых и глинистых примесей должно быть не более 3 % по массе, причем содержание собственно глины не должно превышать 0,5 %.

Присутствие в песке органических примесей замедляет схватывание и твердение цемента и тем самым снижает прочность бетона или раствора. Для оценки количества органических примесей пробу песка обрабатывают раствором едкого натра NaOH и сравнивают цвет раствора с эталоном. Если цвет раствора темнее эталона, песок нельзя использовать в качестве заполнителя.

Крупные заполнители

В качестве крупного заполнителя для бетона используют гравий и щебень. В зависимости от насыпной плотности и структуры зерен крупного заполнителя различают плотные (тяжелые) заполнители (с_нас > 1200. кг/м³), используемые для тяжелого бетона, и пористые (с_нас < 1200 кг/м³), используемые для легкого бетона.

Насыпная плотность крупного заполнителя -- один из важных качественных показателей. Она зависит от плотности зерен заполнителя и от его межзерновой пустотности. Насыпная плотность с_нас определяется путем взвешивания пробы заполнителя в сосуде.

Межзерновая пустотность показывает, какую долю составляют пустоты между зернами крупного заполнителя от его объема в рыхло-насыпном состоянии. Она может быть рассчитана по формуле для расчета пористости, если известны насыпная плотность с_нас заполнителя и его плотность в куске с_m

б =(с_m - с_нас )/ с_m

Межзерновая пустотность б обычно составляет 0,4...0,5. Это означает, что около половины объема крупного заполнителя занимает воздух. При использовании в бетоне важно, чтобы межзерновая пустотность заполнителя была возможно меньше. В этом случае снижается расход цемента при сохранении требуемых свойств бетона. Уменьшить межзерновую пустотность заполнителя можно правильным подбором зернового состава так, чтобы мелкие зерна занимали пустоты между крупными.

К плотным заполнителям для тяжелого бетона относятся гравий, получаемый из природных залежей (его обработка заключается в сортировке по фракциям и промывке), и щебень, получаемый дроблением горных пород, крупных фракций гравия и плотных металлургических шлаков.

Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5...2 раза выше прочности бетона. Оценка прочности заполнителя может производиться по прочности той горной породы, из которой получен заполнитель, путем испытания выпиленных из нее кернов (цилиндрических образцов) или путем оценки дробимости самого заполнителя. Дробимость заполнителя оценивается по количеству мелочи, образующейся при сдавливании пробы заполнителя (гравия или щебня) в стальной форме под определенным усилием.

Морозостойкость заполнителя должна также быть выше проектной морозостойкости бетона.

Вредными примесями в крупном заполнителе, как и в песке, являются органические, пылеватые и глинистые. Методы их определения такие же, как и для песка.

Пористые заполнители для легких бетонов получают главным образом искусственным путем (например, керамзит, шлаковую пемзу, аглопорит и перлит). Из природных пористых заполнителей применяют щебень из пемзы, туфа и пористых известняков, которые используют в качестве местного материала. Марку пористых заполнителей устанавливают по их насыпной плотности (кг/м³).

Для пористых заполнителей еще в большей степени, чем для плотных, имеет значение правильный зерновой состав. Пористые заполнители выпускают в виде фракций размерами 5... 10 мм; 10...20 мм и 20...40 мм. При приготовлении бетонной смеси их смешивают в требуемом соотношении.

Керамзит -- гранулы округлой формы с пористой сердцевиной и плотной спекшейся оболочкой. Благодаря такому строению прочность керамзита сравнительно высокая при небольшой насыпной плотности (250...600 кг/м³). Получают керамзит быстрым обжигом во вращающихся печах легкоплавких глинистых пород с большим содержанием оксидов железа и органических примесей до их вспучивания.

Керамзит выпускают в виде гравия (гранулы 5...40 мм) и песка (зерна менее 5 мм). Марки керамзита от 250 до 600 кг/м³. Морозостойкость керамзита не менее F15.

Шлаковая пемза -- пористый щебень, получаемый вспучиванием расплавленных металлургических шлаков путем их быстрого охлаждения водой или паром. Этот вид пористого заполнителя экономически очень эффективен, так как сырьем служат промышленные отходы, а переработка их крайне проста. Марки шлаковой пемзы от 400 до 1000. Прочность ее соответственно от 0,4 до 2 МПа.

Аглопорит -- пористый заполнитель в виде гравия, щебня, получаемый спеканием (агломерацией) сырьевой шихты из глинистых пород топливных отходов. Марки аглопорита от 400 до 900.

Вспученные перлитовый песок и щебень -- пористые зерна белого или светло-серого цвета, получаемые путем быстрого (1...2 мин) нагрева до температуры 1000... 1200° С вулканических горных пород, содержащих небольшое количество (1...3 %) гидратной воды (перлит и др.).

Свойства бетонной смеси

Бетонная смесь состоит из цементного теста, мелкого и крупного заполнителя. Каждый из этих компонентов влияет на вязкопластичные свойства смеси. Так, если увеличить содержание заполнителей, смесь становится более жесткой; если цементного теста -- более пластичной и текучей. Существенно влияет на свойства бетонной смеси и вязкость цементного теста. Чем больше в цементном тесте воды, тем пластичнее получается тесто и соответственно пластичнее бетонная смесь.

Одно из основных свойств бетонной смеси -- тиксотропия -- способность разжижаться при периодически повторяющихся механических воздействиях (например, вибрации) и вновь загустевать при прекращении этого воздействия. Механизм тиксотропного разжижения заключается в том, что при вибрировании силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются и бетонная смесь становится текучей. Это свойство широко используют при укладке и уплотнении бетонной смеси.

Удобоукладываемость - обобщенная техническая характеристика вязкопластичных свойств бетонной смеси. Под удобоукладываемостью понимают способность бетонной смеси под действием определенных приемов и механизмов легко укладываться в форму и уплотняться, не расслаиваясь. Удобоукладываемость смесей в зависимости от их консистенции оценивают по подвижности или жесткости.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Подвижность характеризуется осадкой стандартного конуса, отформованного из испытуемой бетонной смеси. Для этого металлическую форму-конус, установленную на горизонтальной поверхности, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют осадку конуса из бетонной смеси -- ОК, значение которой (в сантиметрах) служит показателем подвижности.

Жесткость -- характеристика удобоукладываемости бетонных смесей, у которых не наблюдается осадки конуса (ОК = 0). Ее определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси с помощью специального прибора - вискозиметра.

В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси.

Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество воды и соответственно пониженное количество цемента в сравнении с подвижными смесями у бетонов равной прочности. Жесткие смеси требуют интенсивного механического уплотнения: длительного вибрирования, вибротрамбования и т. п. Используют такие смеси при изготовлении сборных железобетонных изделий в заводских условиях (например, на домостроительных комбинатах); в построечных условиях жесткие смеси применяют редко.

Подвижные смеси отличаются большим расходом воды и соответственно цемента. Эти смеси представляют собой густую массу, которая легко разжижается при вибрировании. Подвижные смеси можно транспортировать бетононасосами по трубопроводам.

Связность -- способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. При механических воздействиях часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх. Крупный заполнитель, плотность которого обычно больше плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), опускается вниз. Легкие заполнители (керамзит и др.), наоборот, могут всплывать. Все это делает бетон неоднородным, снижая его прочностные показатели и морозостойкость.

Указанные свойства бетонной смеси обеспечиваются правильным подбором состава бетона.

Основной закон прочности бетона

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

прочностью затвердевшего цементного камня;

прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).

Цемент при твердении химически связывает не более 20...25 % воды от своей массы. Чтобы обеспечить необходимую пластичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо вводить 40...80 % воды от массы цемента. Чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоукладываемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью «цементный камень - заполнитель», что приведет к резкому снижению прочности бетона.

Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количество воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон с минимальной пористостью и наибольшей прочностью.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.

Высказанные теоретические предпосылки были положены в основу экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от Ц/В, марки цемента и качества заполнителей (под прочностью здесь и далее подразумевается марочная прочность, т. е. прочность после 28 суток твердения в стандартных условиях). Полученные экспериментальные зависимости R = (Ц/В) представляют довольно сложную кривую, имеющую точку перегиба. С некоторым приближением эту кривую в реальном интервале Ц/В (от 1,4 до 3,3) можно аппроксимировать двумя прямыми, описываемыми уравнением вида

R_б = АR_ц(Ц/В ± b)

Приведенная формула предложена И. Боломеем и уточнена Б.Г, Скрамтаевым. Она выражает основной закон прочности бетона и используется для определения состава бетона по заданным параметрам.

Для обычных бетонов (марок ниже М500) в интервале Ц/В = 1,4...2,5 формула Боломея - Скрамтаева имеет вид

R_б = АR_ц(Ц/В - 0,5)

а для высокопрочных бетонов при Ц/В = 2,5...3,3

R_б = АR_ц(Ц/В + 0,5)

Эта зависимость справедлива лишь при условии обеспечения плотной укладки бетонной смеси.

Основы технологии бетона

Изготовление бетонных и железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические операции: подбор состава бетона, приготовление и транспортирование бетонной смеси, ее укладку и уплотнение и обеспечение требуемого режима твердения бетона.

Подбор состава бетона. Состав бетона должен быть таким, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и т. п.), а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.

Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом, в виде формул, таблиц и номограмм. Общая схема расчета следующая.

Требуемая подвижность бетонной смеси обеспечивается выбором (по таблицам и графикам) необходимого количества воды (В).

Требуемая прочность бетона достигается: 1) выбором марки цемента; 2) расчетом требуемого соотношения цемента и воды (Ц/В) по формуле основного закона прочности бетона (см. выше).

Количество цемента определяется по известным значениям В и В/Ц: Ц = В : (В/Ц).

Количество крупного и мелкого заполнителей рассчитывают так, чтобы расход цемента был минимальным. Это достигается в том случае, если количество крупного заполнителя будет максимально возможным (обычно оно составляет 0,75...0,85 от объема бетона), а мелкий заполниитель (песок) заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя.

В этом случае цементное тесто должно будет заполнить пустоты в песке и покрыть поверхность заполнителей для обеспечения связи всех частиц друг с другом .

Увеличивая или уменьшая содержание цементного теста (но не изменяя при этом рассчитанного Ц/В), т. е, увеличивая и уменьшая долю воды в бетонной смеси, можно соответственно повысить или снизить подвижность бетонной смеси, сохраняя заданную прочность бетона.

Приготовление бетонной смеси осуществляют в специальных агрегатах - бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимости (от 100 до 4500 дм³).

Вместимость смесителя указывается по суммарному объему сухих компонентов бетонной смеси, который может быть загружен.

При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзерновые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент -- в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6...0,7 от объема исходных сухих компонентов. Этот показатель, называемый коэффициент выхода бетонной смеси.

Так, для бетона с коэффициентом выхода 0,65 за один замес в бетоносмесителе вместимостью 500 дм³ получится 500 * 0,65 = 325 дм³ = 0,325 м³ бетонной смеси.

По принципу действия различают бетоносмесители свободного падения и принудительного перемешивания.

Время перемешивания зависит от подвижности бетонной смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем больше время, необходимое для перемешивания. Например, для бетоносмесителя 500 дм³ оно составляет 1,5...2 мин, а для бетоносмесителя 2400 дм³ - 3 мин и более.

Бетоносмесительные установки могут быть передвижные и стационарные. Чаще бетонные смеси приготовляют на специализированных бетонных заводах, имеющих высокую степень механизации и автоматизации. В этом случае будет выше стабильность свойств бетонной смеси и бетона. Такие готовые смеси называют товарным бетоном.

Транспортирование бетонной смеси. Обязательное требование ко всем видам транспортирования бетонной смеси - сохранение ее однородности и подвижности. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах -- бетоновозах, имеющих грушевидную емкость. При движении емкость бетоновоза медленно вращается, постоянно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бетонной смеси.

На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами и подают транспортерами.

Укладка бетонной смеси. Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки, а методы укладки и уплотнения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.

Пластичные текучие смеси уплотняются под действием собственного веса или путем штыкования, более жесткие смеси -- вибрированием

Вибрирование -- наиболее эффективный метод укладки, основанный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колебательные движения от источника колебаний - вибратора. Применяют главным образом электромехани-ческие вибраторы, основная часть которых - электродвигатель. На валу электродвигателя эксцентрично установлен груз - дебаланс, при вращении которого возникают колебательные импульсы.

При вибрировании жесткая бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно заполняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной смеси, при этом поднимается вверх и выходит из смеси. Бетонная смесь приобретает плотную структуру.

При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при слишком долгом - она может расслоиться: тяжелые компоненты - щебень, песок концентрируются внизу, а вода выступает сверху.

Твердение бетона. Нормальный рост прочности бетона происходит при положительной температуре (15...25° С) и постоянной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в первые 10... 15 суток твердения, когда бетон интенсивно набирает прочность.

Чтобы поверхность бетона предохранить от высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Эффективна защита поверхности бетона от испарения влаги полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями. В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материалами, и подогревом бетона во время твердения (в том числе и электропрогрев).

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловлажностную обработку - прогрев при постоянном поддерживании влажности бетона насыщенным паром при температуре 85...90°С. При этом время твердения железобетонных изделий до набора ими отпускной прочности (70...80 % марочной) сокращается до 10... 16 ч (при твердении в естественных условиях для этого требуется 10...15 дн).

Для силикатных бетонов используют автоклавную обработку в среде насыщенного пара высокой температуры 175...200°С и при давлении 0,8...1,3 МПа. В этом случае процесс твердения длится 8...10 ч.

Для ускорения набора прочности бетоном применяют быстротвердеющие (БТЦ) и особо быстротвердеющие (ОБТЦ) цементы. Быстрее других достигает марочной прочности (за три дня) бетон на глиноземистом цементе, однако последний нельзя использовать при температуре окружающей среды вовремя твердения выше 30...35° С.

Прочность, марка и класс бетона

Тяжелый бетон -- основной конструкционный строительный материал, поэтому оценке его прочностных свойств уделяется большое внимание. Прочностные характеристики бетона определяются строго в соответствии с требованиями стандартов. Используется несколько показателей, характеризующих прочность бетона. Неоднородность бетона как материала учитывается в основной прочностной характеристике -- классе бетона.

Прочность. Как и у всех каменных материалов, предел прочности бетона при сжатии значительно (в 10... 15 раз) выше, чем при растяжении и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, работает на сжатие. Когда говорят о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.

Прочность бетона принято оценивать по среднему арифметическому значению результатов испытания образцов данного бетона через 28 суток нормального твердения. Для этого используют образцы - кубы размером 150 х 150 х 150 мм, изготовленные из рабочей бетонной смеси и твердевшие при (20 ± 2)°С на воздухе при относительной влажности 95% (или в иных условиях, обеспечи-вающих сохранение влаги в бетоне). Методы определения прочности бетона регламентированы стандартом.

Марка бетона. По среднему арифметическому значению прочности бетона устанавливают его марку -- округленное значение прочности (причем округление идет всегда в нижнюю сторону). Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см². При обозначении марки используют индекс «М»; так, например, марка бетона М35О означает, что его средняя прочность не менее 35 МПа (но не более 40).

Отличительная особенность бетона -- значительная неоднородность его свойств. Это объясняется изменчивостью в качестве сырья (песка, крупного заполнителя и даже цемента), нарушением режима приготовления бетонной смеси, ее транспортировки, укладки (степени уплотнения) и условии твердения. Все это приводит к разбросу прочности бетона одного и того же состава. Чем выше культура производства (лучше качество подготовки материалов, приготовления и укладки бетона и т. п.), тем меньше будут возможные колебания прочности бетона. Для строителя важно получить бетон не только с заданной средней прочностью, но и с минимальными отклонениями (особенно в низшую сторону) от этой прочности. Показателем, который учитывает возможные колебания качества бетона, является класс бетона.

Класс бетона -- это численная характеристика прочности, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство, например прочность бетона, достигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность бетона с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же средней прочности.

Соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помощью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон.

Основные свойства тяжелого бетона

Помимо прочности к основным свойствам принять относить деформативность, морозостойкость и теплофизические свойства, которые во многом зависят от пористости и способности бетона поглощать воду в период эксплуатации.

К деформативным свойствам, как мы уже знаем, относят модуль упругости, модуль деформаций, модуль Пуассона и пр. Начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2….3,5) ^. 10⁴ МПа. У ячеистых бетонов - 1 ^. 10⁴. Важными для бетонов являются деформации бетона, возникающие при усадке бетона и его ползучести

Ползучесть -- склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микро-трещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер. Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.

Усадка -- процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки -- сжатие гелевой составляющей при потере воды. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне. В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3...0,4 мм/м.

Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструкциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Пористость. Как это ни покажется странным, такой плотный материал, как бетон имеет заметную пористость. Причина ее возникновения, как, это уже не раз говорилось, кроется в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки представляет собой плотное тело. При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландцемента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры. В этом случае пористость бетона можно определить по формуле

П = [(В - щ*Ц)/1000]100,

где В и Ц - расходы воды и цемента на 1м³ (1000дм³ );

щ -- количество химически связанной воды в долях от массы цемента.

Пример. В возрасте 28 суток цемент связывает 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бетоне - 180 кг, а цемента -- 320 кг. Тогда пористость этого бетона будет:

П = [(180 - 0,17*320)/1000]100 = 12,6 %.

Это общая пористость, включающая микропоры геля и капиллярные поры (объем вовлеченного воздуха мы не рассматриваем). С точки зрения влияния на проницаемость и морозостойкость бетона важно количество капиллярных пор. Относительный объем таких пор можно вычислить по формуле, %:

П_к = [(В-2щЦ)/1000]100.

Для нашего случая количество капиллярных пор будет -- 7,1 %.

Водопоглощение и проницаемость. Благодаря капиллярно-пористому строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит, главным образом, от характера пор. Водопоглощение, как мы уже знаем, тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4...8 % по массе (10...20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона и его теплозащитных свойствах. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гцдрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемостью цементного камня и контактной зоны «цементный камень -- заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние используются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2. Марка обозначает давление воды (МПА), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость -- главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2)° С и оттаивания в воде при (18 ± 2)° С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла - 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания - оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000. Стандартом разрешается применять ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)° С.

Мы уже знаем, что причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость. Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Установлена зависимость марки по морозостойкости бетона от величины капиллярной пористости. Так, согласно этой зависимости бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, должен иметь морозостойкость F150...F200.

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше 6,5...6 %). Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

* жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

* пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетон-ных смесей без добавления воды. Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона - гидрофобизация (объемная или поверхностная); в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика -- около 1,2... 1,5 Вт/(м * К), т. е. в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны, в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1...0,5 Вт/(м * К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75...0,92Дж/(кг * К); в среднем -- 0,84 Дж/(кг * К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения тяжелого бетона (10...12)*10^-6К^-1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50°С расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.

Легкие бетоны

Существенный недостаток обычного тяжелого бетона -- большая плотность (2400...2500 кг/м³). Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов:

снижается масса строительных конструкций;

повышаются их теплоизоляционные свойства.

Легкие бетоны бетоны с плотностью менее 1800 кг/м³ - универсальный материал для ограждающих и несущих конструкций жилых и промышленных зданий. Из них изготовляют большинство стеновых панелей и блоков, плит кровельных покрытий и камней для укладки стен. Термин «легкие бетоны» объединяет большую группу различных по составу, структуре и свойствам бетонов.

По назначению легкие бетоны подразделяют на:

конструкционные (класс прочности - В7,5...В35; плотность - 400...1800кг/м³);

конструкционно-теплоизоляционные (класс прочности не менее ВЗ,0, плотность - 600... 1400 кг/м³);

теплоизоляционные - особо легкие (плотность < 600 кг/м³).

По строению и способу получения пористой структуры легкие бетоны подразделяют на следующие виды:

*бетоны слитного строения на пористых заполнителях;

ячеистые бетоны, в составе которых нет ни крупного, ни мелкогозаполнителя, а их роль выполняют мелкие сферические поры (ячейки);

крупнопористые, в которых отсутствует мелкий заполнитель, в результате чего между частицами крупного заполнителя образуются пустоты.

Легкие бетоны на пористых заполнителях -- наиболее распространенный вид легких бетонов. Свидетельства их применения известны еще в Древнем Риме. Для получения легких бетонов тогда использовали природный заполнитель -- пемзу и туф, а также бой керамики и даже пустые глиняные сосуды. В настоящее время эти заполнители также используют как местный материал.

Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине XX в., когда началось массовое производство искусственных пористых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др.

Особенности технологии легких бетонов связаны со спецификой пористых заполнителей: их плотность меньше плотности воды, поверхность частиц шероховатая и они активно поглощают воду.

Низкая плотность не позволяет эффективно использовать традиционные бетоносмесители «свободного падения», в которых перемешивание интенсифицируется за счет падения тяжелых зерен заполнителя. Шероховатая поверхность также затрудняет перемешивание. Поэтому для приготовления легкобетонных смесей желательно использовать смесители принудительного перемешивания.

При вибрировании легких бетонов расслоение смеси имеет обратный характер в сравнении с тяжелым. Вверх всплывают легкие зерна заполнителя, а вниз опускается цементное тесто.

Твердение цемента в легких бетонах происходит в более благоприятных условиях, чем в тяжелом бетоне, так как заполнитель, поглотивший воду во время приготовления смеси, служит как бы аккумулятором воды, обеспечивающим влажное твердение бетона в длительные сроки.

Структура и свойства легких бетонов. Пористые заполнители имеют шероховатую поверхность, поэтому сцепление цементного камня с заполнителем не является слабым звеном легких бетонов. Этому способствует также химическая активность вещества заполнителей, содержащих аморфный SiO₂, способный взаимодействовать с Са(ОН)₂ цементного камня. Плотность и прочность контактной зоны «цементный камень -- пористый заполнитель» объясняют парадоксально высокую водонепроницаемость и прочность легких бетонов на пористых заполнителях.

Морозостойкость легких бетонов при их пористой структуре довольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в пределах F25...F100. Для специальных целей могут быть получены легкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.

Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличивающаяся по мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зоны «цементный камень -- заполнитель», являющейся самым уязвимым местом для проникновения воды в обычном бетоне. Установлены следующие марки легких бетонов по водонепроницаемости: W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1; W1,2 (давление воды, МПа, не вызывающее Фильтрации при стандартных испытаниях).

Ячеистые бетоны

Ячеистые бетоны на 60...85 % по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнезимистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика - 300... 1200 кг/м³; он имеет низкую теплопроводность при достаточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовления.

Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. При применении известково-кремнеземистых вяжущих получаемые бетоны называют газо- и пеносиликаты.

Кремнеземистый компонент -- молотый кварцевый песок, гранулированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целесообразно.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.

Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропа-ривания (t = 85...90°С) и автоклавной обработки (t = 175° С). Лучшее качество имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.

По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.

Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород

ЗСа(ОН)₂ + 2А1 + 6Н₂О > ЗСаО * А1₂О₃ * 6Н₂О + H₂ ^

...