СМ 2013

171

Например, связность увеличивается с повышением расхода цемента, степени его гидратации, а также расхода мелкого заполнителя (песка), т. е. с ростом удельной поверхности твердых компонентов.

Недостаточная связность может привести к расслоению бетонной смеси, ее разделению на составляющие части. При этом смесь становится неоднородной. Расслоение связано с различием размеров зерен и плотности компонентов бетонной смеси. Одной из форм расслоения является отделение воды, поэтому о связности бетонной смеси можно судить по водоотделению. Визуально связность можно оценить по внешнему виду бетонной смеси, отделению цементного теста и воды при транспортировке и укладке, а также при раскалывании бетонных образцов по структуре поверхности раскола и изменению состава бетона по высоте образца.

Расслаиваемость бетонных смесей определяется (в процентах) по водоотделению и отделению растворной части бетона. В зависимости от марки бетонной смеси расслаиваемость может изменяться в пределах от 0,1 до 6,0 %.

Удобоукладываемость – это комплекс показателей, характеризующих способность бетонных смесей быстро и с минимальными затратами энергии принимать нужную форму при укладке и уплотнении и обеспечивать изготовление однородных по структуре изделий и конструкций. Удобоукладываемость бетонной смеси определяет качество готовых изделий (конструкций) в целом.

По удобоукладываемости бетонные смеси делятся на две группы: подвижные и жесткие.

1.Подвижные бетонные смеси легко перемешиваются при приготовлении и заполняют формы под действием силы тяжести (литые смеси) либо при механическом воздействии (малоподвижные­ смеси).

2.Жесткие бетонные смеси с высоким сопротивлением сдвигу уплотняются всегда путем механического воздействия.

Подвижные и жесткие смеси различаются по внешнему виду и строению. Подвижные смеси образуют однородную пластичную массу, а жесткие являются рыхлой смесью, состоящей из отдельных агрегатов. Удобоукладываемость подвижных и жестких смесей определяется по-разному.

Мерой удобоукладываемости подвижных смесей является показатель подвижности, или осадка конуса (ОК), сформованного из бетонной смеси, под действием силы тяжести (рис. 6.3). Показатель измеряют в см.

Подвижные бетонные смеси подразделяют на марки: П1 – с осадкой конуса 1-4 см; П2 – с осадкой конуса 5-9 см; П3 – с осадкой конуса 10-15 см; П4 – с осадкой конуса 16-20 см; П5 – с осадкой конуса более 21 см.

Бетонные смеси с осадкой конуса менее 1 см относятся к жестким. Удобоукладываемость жестких бетонных смесей (жесткость) характе-

ризуется продолжительностью вибрирования (в секундах), необходимой

172 Глава 6. Бетоны

для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси в приборе для определения ее жесткости (рис. 6.4).

Жесткие бетонные смеси подразделяются по продолжительности вибрирования (жесткости):

––сверхжесткие, СЖ3 – с продолжительностью вибрирования более 100 с, СЖ2 – 50-100 с, СЖ1 – менее 50 с;

––жесткие, Ж4 – жесткость 31-60 с, Ж3 – 21-30 с;

––умеренно жесткие, Ж2 – 11-20 с, Ж1 – 5-10 с.

Факторы, влияющие на удобоукладываемость бетонной смеси

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от ее состава и свойств компонентов. На удобоукладываемость влияют расход и фи- зико-механические свойства воды, цемента и различных заполнителей, а также продолжительность хранения и температура бетонной смеси. Удобоукладываемость бетонных смесей можно изменить введением специальных добавок – пластификаторов и суперпластификаторов, а также вибрированием.

Содержание воды в бетонной смеси

Адсорбция воды на поверхности зерен твердых компонентов – цемента и заполнителей – приводит к образованию структуры и одновременно способствует повышению удобоукладываемости бетонной смеси. Физически связанная вода образует смазочный слой между поверхностями зерен твердых компонентов, обеспечивая снижение сопротивления цементной пасты и бетонной смеси сдвигу, т. е. повышая удобоукладываемость.

173

При достаточно большом содержании появляется несвязанная (свободная) вода, способная перемещаться под действием силы тяжести. При переходе от адсорбционного слоя, имеющего ориентированную молекулярную структуру, к беспорядочному расположению молекул вязкость воды понижается. Свободная вода раздвигает зерна твердых компонентов, препятствуя образованию структуры бетонной смеси, и ее удобоукладываемость быстро увеличивается.

Однако для каждой бетонной смеси имеется верхний предел содержания свободной воды, при котором сохраняется связность. Это предельное содержание воды в бетонной смеси называется ее водоудерживающей способностью. Дальнейшее увеличение расхода воды может так понизить связность, что бетонная смесь будет расслаиваться, а вода отделяться.

Важной технической характеристикой бетонной смеси является ее водопотребность, которая характеризуется количеством воды, необходимым для получения бетонной смеси заданной удобоукладываемости. Водопотребность бетонной смеси определяет технические свойства бетона. Повышенная водопотребность является отрицательным свойством: чем больше воды вводится в бетонную смесь при постоянном расходе цемента, т. е. чем выше водоцементное отношение (В/Ц), тем ниже будут прочность и морозостойкость бетона. Одна из задач технологии бетона заключается в снижении водопотребности и объема цементной пасты при заданной удобоукладываемости бетонной смеси.

Водопотребность бетонной смеси зависит от нормальной густоты цементного теста, зернового состава, формы зерен и характера поверхности заполнителей. Водопотребность, например, повышается с увеличением содержания мелких фракций в заполнителе; ее можно понизить введением добавок — пластификаторов и суперпластификаторов.

Содержание и свойства твердых компонентов бетонной

смеси – цемента и заполнителей

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от объема цементной пасты. Объем пасты, в свою очередь, изменяется в зависимости от расхода цемента и водоцементного отношения (В/Ц). При заданном В/Ц удобоукладываемость бетонной смеси можно повысить путем увеличения расхода цемента. С увеличением В/Ц при неизменном расходе цемента не только увеличивается объем пасты, но и понижается ее вязкость, что также положительно влияет на удобоукладываемость бетонной смеси.

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит также от свойств твердых компонентов – цемента и заполнителей, их зернового состава, объема межзерновых пустот, удельной поверхности, формы зерен и их пористости, микро- и макрорельефа поверхности.

Применение фракционированных заполнителей, рациональный выбор соотношения между фракциями с учетом образования плотной упаковки

174 Глава 6. Бетоны

позволяют повысить удобоукладываемость бетонной смеси при неизменном содержании цементной пасты за счет уменьшения объема межзерновых пустот и удельной поверхности заполнителя.

При использовании нефракционированных (рядовых) заполнителей (щебня или гравия и песка) и неизменном объеме цементной пасты увеличение расхода песка вызывает сначала повышение, а затем снижение удобоукладываемости бетонной смеси. Повышение удобоукладываемости обусловлено раздвижкой зерен крупного заполнителя, а снижение – увеличением удельной поверхности заполнителя в целом.

Для конкретной бетонной смеси существует определенное оптимальное соотношение между крупным и мелким заполнителем, при котором удобоукладываемость будет наибольшей, любое его изменение приводит

кснижению удобоукладываемости.

Сувеличением крупности зерен заполнителей уменьшается их удельная поверхность и водопотребность бетонной смеси падает, а удобоукладываемость повышается (при неизменном расходе цемента и В/Ц), если при этом не изменяется (или уменьшается) объем межзерновых пустот заполнителя.

Удобоукладываемость также зависит от трения поверхностей твердых компонентов и, следовательно, от рельефа поверхности­ заполнителя. Поэтому применение гравия и песка со сравнительно гладкой поверхностью позволяет повысить удобоукладываемость, по сравнению с аналогичным показателем бетонной смеси на щебне и песке с шероховатой поверхностью.

Продолжительность хранения и температура бетонной смеси

Хранение бетонной смеси приводит к снижению ее удобоукладываемости вследствие взаимодействия воды с цементом, ее поглощения заполнителем и испарения. Поэтому удобоукладываемость бетонной смеси понижается при ее транспортировке.

Удобоукладываемость понижается с ростом температуры бетонной смеси, так как при этом ускоряются процессы гидратации цемента, а также испарение воды.

Введение пластификаторов и суперпластификаторов

При использовании этих добавок преследуют две цели: повышение удобоукладываемости бетонной смеси при неизменных содержании цементной пасты и В/Ц; снижение расхода цементной пасты или В/Ц при заданной удобоукладываемости.

Вибрирование бетонных смесей

При помощи возбудителей колебаний (вибраторов) бетонную смесь подвергают действию малых по величине импульсов, под воздействием

175

которых частицы совершают вынужденные колебательные движения, что приводит к разрушению структуры бетонной смеси и повышению ее удобоукладываемости. При прекращении вибрирования происходит восстановление структуры, т. е. характерной особенностью бетонных смесей является тиксотропия.

Сравнительная оценка подвижных и жестких бетонных смесей

При изготовлении изделий и конструкций из бетона применяют как жесткие, так и подвижные бетонные смеси.

Применение подвижных смесей упрощает процессы формования, так как эти смеси не требуют значительных усилий при уплотнении. Однако для данных заполнителей повышение удобоукладываемости бетонной смеси достигается увеличением расхода цементной пасты или В/Ц, что понижает долговечность бетона и увеличивает его стоимость (исключением являются бетонные смеси с суперпластификаторами).

Использование жестких смесей позволяет повысить прочность­ сформованных изделий в раннем возрасте и сократить продолжительность тепловой обработки (например, пропаривания). Иногда изделия из жестких бетонных смесей извлекают из форм немедленно после окончания формования, что увеличивает оборачиваемость форм и снижает затраты на производство.

Жесткие бетонные смеси отличаются большим сопротивлением сдвигу по сравнению с подвижными, так как содержат меньше цементной пасты и воды. Уплотнение этих смесей связано с применением таких способов формования, как прессование, вибропрессование и др. По этой причине жесткие бетонные смеси применяют для изготовления сборных железобетонных изделий в заводских условиях – плит, балок, колонн, фундаментов, труб, колец колодцев и др. Малоподвижные смеси (ОК = 1-4 см, П1) используются для изготовления монолитных конструкций.

Тонкостенные конструкции, насыщенные арматурой, изготавливают из смесей марки П2 (ОК = 5-9 см).

Следует применять смеси возможно меньшей удобоукладываемости, насколько это допускают тип конструкции и средства уплотнения бетонной смеси, так как необоснованное повышение удобоукладываемости ведет к перерасходу цемента.

6.4.  Свойства тяжелого (обычного) бетона

Технические свойства бетона определяются, в частности, его структурой. Бетон является сложным по составу и неоднородным по структуре искусственным каменным материалом. Он состоит из зерен заполнителей, которые сцементированы сравнительно тонкими прослойками цементного камня. Цементный камень, в свою очередь, состоит из продуктов гидратации цемента, непрореагировавших с водой цементных зерен и пор.

176 Глава 6. Бетоны

Объем пор, сосредоточенных в основном в цементном камне, составляет 8-10 % от общего объема бетона.

Поры в цементном камне можно разделить на капиллярные, сравнительно крупные, размером более 10 - м (100 Å), и поры геля, размер которых редко превышает 10 - м.  Система капиллярных пор цементного камня определяет водопроницаемость и морозостойкость бетона в целом. Бетон можно также рассматривать как совокупность относительно непрерывной структуры цементного камня, распределенных в ней зерен заполнителей различных размеров и формы и многочисленных макро- и микропор, расположенных в цементном камне, контактной зоне и заполнителях. Концентрация напряжений вблизи пор приводит к образованию многочисленных микротрещин в бетоне. Трещины возникают от нагрузок, из-за неравномерной усадки цементного камня и бетона, колебаний температуры при ускорении твердения (пропаривании). Образование микротрещин имеет обратимый характер, например, снижение уровня напряжений в бетоне может привести к частичному уменьшению количества микротрещин.

6.4.1.  Прочность бетона

Прочность рассматривается как способность твердых тел сопротивляться разрушающему действию внутренних напряжений, возникающих от нагрузок и других факторов.

Прочность бетона определяется его структурой, составом и свойст­ вами компонентов.

В зависимости от характера возникающих в бетоне напряжений, его прочность характеризуют сопротивлением сжатию, растяжению и изгибу. Бетон является хрупким материалом, его разрушение наступает при сравнительно невысокой деформации, он хорошо сопротивляется действию сжимающих усилий. Прочность бетона при растяжении составляет 1/8- 1/20 его прочности­ при сжатии.

Различие прочности бетона при растяжении и сжатии объясняется неоднородностью поля напряжений в материале, возникновением локальных концентраций напряжений, что связано с неоднородным строением бетона, образованием микротрещин и пор. Наиболее важной характеристикой бетона является предел прочности при сжатии  Rсж. Вместе с тем, когда это необходимо по условиям работы в конструкции, к бетону предъявляются требования по величине предела прочности при изгибе  Rизг и растяжении  Rраст. В благоприятных условиях твердение некоторых гидравлических вяжущих веществ (например, портланд­ цемента) продолжается в течение многих лет. Установлено, что проч­ ность бетона повышается с увеличением степени гидрации цемента и объема новообразований. Следовательно, результат определения предела

177

прочности при сжатии будет зависеть от возраста бетона. Кроме того, прочность испытуемых образцов зависит от их формы и размеров.

Для учета основных факторов, влияющих на результат испытаний, введено понятие «класс бетона по прочности».

Для определения класса бетона необходимо предварительно установить

—

среднее значение предела прочности при сжатии ( R ) путем испытания образцов кубической формы размером 15×15×15 см, изготовленных стандартным способом из бетонной смеси и испытанных через 28 дн. нормального твердения – при температуре (20 ± 2) °C и относительной влажности не ниже 90 % (бетон на портландцементе и смешанных цементах).

Размер образцов следует также принимать в зависимости от наибольшего диаметра заполнителя (наибольшей крупности). Иногда изготавливают образцы 20×20×20 см, 10×10×10 см и др. Для них установлены переводные коэффициенты прочности­ эталонного образца (табл. 6.4).

Таблица  6.4

Значение переводного коэффициента  α  в зависимости от размеров образца

Приготовление бетона требуемого класса обеспечивается на бетонном заводе путем правильного выбора материалов и состава бетона.

При проектировании бетонных конструкций используется нормативная кубиковая прочность RH, которая определяется по формуле

(6.2) где RH— нормативная прочность при сжатии образцов-кубов, кгс/см²

— (МПа);

R — среднее значение прочности образцов-кубов при сжатии, кгс/см² (МПа);

V — коэффициент вариации, характеризующий однородность прочности бетона.

По СНиП 11-21-75 для тяжелых бетонов коэффициент вариации при-

—

нимался равным 0,135, т. е. RH = 0,78 R , независимо от условий производства и однородности бетона.

178 Глава 6. Бетоны

Проведенные в последние годы исследования показали, что явления, определяющие прочность бетона, постепенно зарождаются в микроскопических объемах этого материала. Под действием­ напряжений, например при растяжении, в бетоне возникают клиновидные микротрещины, и разрушение образца может быть обусловлено развитием одной из трещин, пересекающей его сечение. Следовательно, прочность бетонного образца в целом определяется прочностью наиболее слабого его элемента. Этим объясняется весьма значительный разброс результатов при определении прочности образцов в лабораторных условиях. Поэтому при контроле необходимо не только определить прочность, но и оценить однородность бетона по прочности методами математической статистики.

На практике коэффициент вариации не является постоянным, он определяется на основании статистической обработки результатов испытаний крупных серий бетонных образцов на различных заводах и может иметь разные значения, в зависимости от условий производства. Поэтому в 1986 г. введено понятие «класс бетона по прочности». Класс бетона по прочности устанавливают по нормативной кубиковой проч­ ности  RH (МПа). Для тяжелого бетона установлены следующие классы по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; где 3,5; 5; 7,5... 80 – нормативная кубиковая прочность, МПа.

Среднее значение прочности при сжатии образцов-кубов, соответствующее заданному классу бетона, можно установить по формуле

(6.3)

где V –  коэффициент вариации прочности, определенный опытным путем для данных условий производства.

Очевидно, что с понижением стабильности результатов определений прочности бетона и соответственно ростом коэффициента вариации будет возрастать средняя прочность, необходимая для обеспечения заданного класса бетона, что приведет к дополнительным затратам при производстве (рис. 6.5).

Бетоны подразделяются также на классы по прочности на осевое растяжение (от Bt0,4 до Bt4,0) и по прочности на растяжение при изгибе (от Btb0,4 до Btb8,0).

Факторы, влияющие на прочность бетона

Бетон является материалом неоднородного (конгломератного) строения, состоящим из заполнителей, прочно соединенных между собой цементным камнем, поэтому его прочность зависит от свойств компонентов, характера физико-химического и физико-механического

179

взаимодействия между ними, объема и характера размещения пор. Наиболее важные факторы, влияющие на прочность бетона: а) прочность заполнителей; б) сцепление между цементным камнем и заполнителями; в) прочность цементного камня в бетоне; г) продолжительность и условия твердения; д) плотность бетона в целом (степень уплотнения бетонной смеси).

Прочность заполнителей оказывает отрицательное влияние на прочность бетона, если она ниже прочности цементного камня, например, в легких бетонах на пористых заполнителях. Класс легких бетонов по прочности лимитируется заполнителем и в меньшей степени – цементным камнем.

В тяжелых бетонах применяют заполнители из плотных горных пород, прочность которых в 1,5-2,0 раза выше прочности цементного камня. Поэтому естественные колебания прочности заполнителей мало отражаются на прочности тяжелого бетона.

Сцепление цементного камня с заполнителями обеспечивает монолитность бетона и влияет на прочность. Сцепление можно рассматривать как способность зерна заполнителя сопротивляться отделению от цементного камня. При плохом сцеплении разрушение бетона происходит по поверхности контакта цементного камня с заполнителем. Сцепление обусловлено адгезией, т. е. слипанием поверхностей цементного камня и заполнителей (адгезионное сцепление), и силами трения, возникающими

180 Глава 6. Бетоны

на поверхности контакта (механическое сцепление). Сцепление увеличивается за счет усадки цементного камня и бетона, связанной с удалением воды и сокращением объема гелевой составляющей цементного камня. Вследствие сопротивления, которое заполнитель оказывает деформациям усадки, происходит обжатие зерен заполнителя и увеличивается их сцепление с цементным камнем. Следовательно, факторы, влияющие на величину усадки бетона, оказывают влияние и на сцепление.

Так как сцепление обусловлено также и силами трения, то применение заполнителей с шероховатой поверхностью, например щебня вместо гравия, при низких В/Ц (менее 0,4) позволяет повысить прочность бетона при сжатии.

Уменьшение сцепления может быть следствием несплошного контакта (точечного примыкания), размещения в контактной зоне кристаллов Ca(OH) , глины и пыли.

Силы, действующие на поверхности контакта цементного камня с заполнителем, и их влияние на прочность бетона при сжатии, растяжении и изгибе остаются недостаточно изученными. Установлено, например, что в некоторых условиях может иметь место химическое взаимодействие­ между компонентами цементного камня и заполнителями.

Так, применение заполнителей из карбонатных пород (известняков, доломитов) позволяет повысить сцепление. Такой же эффект дает автоклавная обработка заполнителей, содержащих SiO , в щелочных средах, например в известковом растворе, что приводит к образованию гидросиликатов кальция переменной основности на поверхности зерен. При этом возрастет вероятность образования гидратированных фаз на поверхности заполнителя при твердении и, как следствие, повышаются сцепление и прочность бетона при растяжении и изгибе.

Прочность цементного камня зависит от активности, марки и класса цемента, водоцементного отношения (В/Ц), продолжительности, и условий твердения, и других факторов.

С повышением активности цемента растет прочность цементного камня и бетона, но она зависит также и от относительного содержания воды в цементном тесте, т. е. от В/Ц. Чем выше расход воды, тем ниже прочность цементного камня. Портландцемент при твердении химически связывает 15-20 % воды от массы вяжущего, а для приготовления бетонных смесей заданной удобоукладываемости приходится вводить 40-60 % воды и более. Поэтому цементный камень и бетон всегда содержит несвязанную воду, которая образует поры. Чем выше В/Ц, тем больше пористость бетона и ниже его прочность. Следовательно, для данных заполнителей, состава бетона, степени уплотнения бетонной смеси и других факторов прочность тяжелого бетона является функцией активности цемента и водоцементного отношения: