2.3. Чистота заполнителей
Пылевидные и особенно глинистые примеси создают на поверхности зерен заполнителя пленку, препятствующую сцеплению их с цементным камнем. В результате прочность бетона снижается на 30–40 %. Корректировать отрицательное влияние грязного или некачественного заполнителя на свойства бетона можно только путем повышения расхода цемента, что нежелательно.
Еще хуже, когда заполнитель содержит органические примеси. В этом случае процессы твердения и формирования будущих свойств бетона могут стать неуправляемыми.Вредные примеси в бетоне (в заполнителях, применяемых для производства бетона) могут вызвать:
снижение прочности и долговечности бетона (уголь, графит, сложные силикаты, апатит, нефелин, фосфорит);
ухудшение качества поверхности и внутреннюю коррозию бетона (аморфные разновидности диоксида кремния, растворимого в щелочах цемента, хлорит, сера, сульфиды, сульфаты, магнетит, гидроксид железа);
коррозию арматуры в бетоне (галоиды, включающие водорастворимые хлориды, сера, сульфиды и сульфаты).
В связи с этим содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических пород, щебня из гравия и гравия не должно превышать для бетонов всех классов 1 % по массе, а из осадочных пород для бетонов класса В22,5 и выше – 2 %, а классов В20 и ниже – 3 % по массе.
Аморфные разновидности диоксида кремния (SiО2) растворимого в щелочах цемента (халцедон, опал, кремень и др.) допускаются в количестве не более 50 ммоль/л.
Включения серы, сульфидов, кроме пирита (марказит, пирротин и др.) и сульфатов (гипс, ангидрит и др.) в пересчете на SО3 – допускаются не более 1,5 % по массе крупного и 1 % по массе для мелкого заполнителей. Пирита в пересчете на SО3 возможно не более 4 % по массе.
Слоистые силикаты (гидрослюды, слюды, хлориты и другие являющиеся породообразующими минералами) ограничиваются 15 % по объему для крупного и 2 % по массе для мелкого заполнителей.
Магнетиты, гидрооксиды железа (гетит и др.), апатит, нефелин, фосфорит, являющиеся породообразующими минералами, каждый в отдельности допустим в объеме до 10 %, а в сумме не более 15 %.
Жесткие требования касаются галоидов, включающих водорастворимые хлориды. В пересчете на ион Сl их допускается не более 0,1 % по массе для крупного и 0,15 % по массе для мелкого заполнителей.
Свободные волокна асбеста допускаются в количестве не более 0,25 %, а угля – не более 1 % по массе.
2.3. Добавки к бетонам
К добавкам относятся вещества не склонные к самостоятельному твердению, но способные активно участвовать в физико-химических процессах структурообразования смеси или затвердевающего бетона и тем самым усиливать какие-либо их свойства. Добавки делят на 2 группы:
1) химические, вводимые в бетон в небольшом количестве 0,1–2 %;
2) тонкомолотые, вводимые в бетон в количестве 5–20 %.
Применение добавок является одним из наиболее универсальных и доступных способов управления технологией бетона и регулирования его свойств.
2.4. Вода для приготовления бетонной смеси
Для затворения бетонной смеси без ограничений можно использовать питьевую воду, а также любую другую, имеющую показатель рH не менее 4.
Кроме этого, вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на SО4) и всех солей суммарно более 5000 мг/л. Запрещаются к использованию болотные и сточные воды. Пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять.
БЕТОННАЯ СМЕСЬ
Бетонную смесь получают при затворении водой смеси цемента и заполнителей. В нее могут входить различные добавки и воздух в виде мелких пузырьков, попадающий в бетонную смесь при перемешивании. Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в конструкции необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям укладки.
Бетонная смесь имеет связанность и свойства характерные для структурированных вязких жидкостей, по своим свойствам бетонные смеси занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми телами.
I II III
Рис. Типы структур бетонной смеси
I – смесь с плавающим заполнителем, II – смесь с плотной упаковкой заполнителей, III – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста
I Зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически между собой не взаимодействуют, оказывая влияние лишь на прилегающую зону цементного теста.
II Цементное тесто заполняет лишь пустоты между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зерен слоем обмазки, толщиной в контактной зоне, равной 1–3 средним диаметрам частиц цемента. Зоны воздействия отдельных зерен начинают перекрывать друг друга – возникает трение между зернами заполнителя. Для получения подвижности смеси, как и в первом случае, необходимо либо увеличение В/Ц, либо интенсивности воздействия на смесь.
III. Цементного теста в смеси так мало, что его хватает только для обмазки зерен заполнителя слоем небольшой толщины, а пустоты между зернами заполняются лишь частично.
Обычные бетонные смеси имеют структуру II типа. Они отличаются высокой эффективностью, позволяют получать нерасслаиваемые смеси заданной подвижности при минимальном расходе цемента.
Структура бетонной смеси в момент укладки и после нее претерпевает изменения за счет гидратации цемента и осаждения (седиментации) твердых частиц под действием силы тяжести. Такое перераспределение твердых частиц по объему бетонной смеси называется расслоением.Склонность к расслоению зависит от структуры бетонной смеси: наибольшую имеет структура I типа, наименьшую – II типа. Расслоение увеличивается с повышением расхода воды и В/Ц, в песчаных смесях наблюдается визуально (водоотделение на поверхности изделия).
Склонность к расслоению можно уменьшить, применяя стабилизаторы и воздухоудерживающие добавки, пластифицирующие и минеральные тонкомолотые добавки.
Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать заданную форму, сохраняя связность и однородность.
Все бетонные смеси по консистенции можно разделить на три группы: жесткие, пластичные и литые. На практике приходится решать задачу подбора состава бетонной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления конструкции. В зависимости от консистенции смеси удобоукладываемость может характеризоваться подвижностью или жесткостью. Подвижность измеряется в сантиметрах, жесткость – в секундах.
Для определения подвижности, т. е. способности смеси расплываться под действием собственной массы и связности бетонной смеси используется метод стандартного конуса - представляет собой усеченный, открытый с двух сторон конус высотой 30 см и диаметрами нижнего основания 20 см и верхнего 10 см. Внутреннюю поверхность формы – конус и поддон – перед испытанием смачивают водой. Затем форму устанавливают в поддон и заполняют бетонной смесью в три приема, уплотняя каждый слой 25-кратным штыкованием. После заполнения формы и удаления излишков смеси форму снимают, поднимая ее медленно и строго вертикально вверх за имеющиеся ручки. Подвижная смесь, освобожденная от формы, дает осадку (рис.).
Мерой подвижности смеси служит величина осадки конуса, которую измеряют сразу же после снятия формы. В зависимости от осадки конуса различают малоподвижные (пластичные 1–4 см), подвижные (5–10 см), очень подвижные (11–20 см) и литые (более 21 см) бетонные смеси.
Рис.. Определение подвижности бетонной смеси с помощью конуса: а – общий вид; б – жесткая смесь; в – малоподвижная; г – подвижная; д – очень подвижная; е – литая
При малых расходах воды бетонные смеси не показывают осадки конуса, однако, при приложении внешнего силового воздействия такие смеси обладают различными формовочными свойствами. Для таких смесей переходят к определению жесткости.
Большое влияние на реологические свойства бетонной смеси оказывают соотношение между водой и цементом, и между водой и твердой фазой. Цементное тесто и бетонная смесь могут сохранять связность только в определенном интервале значений В/Ц, величина которых зависит от состава бетонной смеси. При высоких В/Ц начинается расслоение бетонной смеси, оседание зерен твердой фазы, образование пустот, заполненных водой. Нарушается однородность смеси, резко возрастает разброс результатов при определении реологических характеристик, такие смеси не пригодны для использования.
Однако, при низких В/Ц смесь просто теряет связность и рассыпается, и ее нельзя даже рассматривать как сплошную массу с определенными свойствами.
Подвижность смеси зависит от крупности заполнителя. С увеличением крупности зерен удельная поверхность уменьшается, снижается их влияние на цементное тесто, и подвижность смеси возрастает. Пыль, глинистые, илистые и другие загрязняющие примеси увеличивают суммарную поверхность заполнителя, снижают за счет этого толщину смазки цементным клеем, а также подвижность бетонной смеси.
Влияет на подвижность и соотношение между песком и щебнем. Наилучшая подвижность достигается при некотором оптимальном соотношении, при котором толщина прослойки цементного теста максимальная. При содержании песка в смеси заполнителей сверх этого значения бетонная смесь становится малоподвижной (за счет увеличения поверхности заполнителя).
Если применяют мелкий песок с водопотребностью свыше 7,5 %, то расход воды увеличивают на 5 л на каждый процент увеличения водопотребности; при применении крупного песка с водопотребностью ниже 7 % расход воды уменьшают на 5 л на каждый процент уменьшения водопотребности. При применении щебня расход воды увеличивают на 10 л, а при использовании пуццолановых цементов раход воды увеличивают на 15–20 л. Когда расход цемента начинает превышать 400 кг/м3 расход воды увеличивают на 10 л на каждые 100 кг цемента.
Подвижность бетонной смеси с течением времени постепенно уменьшается за счет физико-химического взаимодействия цемента и воды. Заметно снижается удобоукладываемость при нагревании и использовании добавок-ускорителей схватывания. Для лучшего сохранения подвижности во времени используют добавки-замедлители схватывания и твердения.
Эффективным регулятором подвижности являются пластифицирующие добавки.
Прочность бетона
Факторы, влияющие на прочность бетона
Под прочностью бетона понимают способность материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих под действием внешней нагрузки или других факторов.Материалы в сооружениях в зависимости от условий работы конструкции могут испытывать различные внутренние напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез и кручение. Бетон как капиллярно-пористый материал хорошо сопротивляется сжатию и хуже срезу и значительно хуже растяжению (в 5–50 раз). Поэтому бетонные конструкции проектируют так, чтобы бетон воспринимал в них сжимающие нагрузки, а при необходимости восприятия растягивающих усилий его армируют.
Прочность бетона является интегральной характеристикой, так как зависит примерно от 50 факторов.
1. Прочность и деформативность бетона определяется главным образом его структурой и свойствами цементного камня, которые зависят от минералогического состава, В/Ц, тонкости помола цемента, возраста, условий приготовления и твердения, добавок. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя, а также от его состава. Прочности бетонов на разных заполнителях при прочих равных условиях могут отличаться в 1,5–2 раза.
2. Разрушение бетона происходит постепенно. Вначале возникают перенапряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Развитие этого процесса приводит к перераспределению напряжений и вовлечению в трещинообразование все больших объемов материала вплоть до образования сплошного разрыва, зависящего от формы образца или конструкции, ее размеров и других факторов. На последней стадии процесс носит лавинный характер.
3. Разрушение бетона при сжатии обусловлено развитием микротрещин отрыва, направленных параллельно действующему усилию, при этом увеличивается объем образца, но в действительности нарушается сплошностьматериала. Развитие микротрещин определяется числом дефектных мест в структуре, с видом и режимом приложенной нагрузки.
4. Большое влияние на процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне. Облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и микротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность, но в зависимости от скорости приложения нагрузки.
Закон водоцементного отношения
Этой зависимости подчиняются бетоны одного возраста, твердевшего в одних и тех же температурно-влажностных условиях, приготовленные из бетонных смесей при одной и той же степени их уплотнения и при расходе цемента от 200 до 450 кг/м3.
Рис. Зависимость прочности бетона от В/Ц
С увеличением В/Ц отношения (правая ветвь кривой) прочность бетона понижается вследствие уменьшения плотности цементного камня и бетона, так как только часть воды затворения входит в состав новообразований, а другая участвует в формировании пор и неплотностей различных размеров. Понижение прочности бетона при уменьшении В/Ц отношения (левая ветвь кривой) вызывается тем, что при этом снижается удобоукладываемость бетонной смеси и не представляется возможным уложить ее достаточно плотно. При этом в бетоне появляются крупные пустоты – каверны.
Для получения удобоукладываемых бетонных смесей обычно принимают водоцементные отношения, превышающие значения, соответствующие максимуму на кривой
1 Rб = ARц (Ц/В – 0.5)
2 Rб = A1Rц (Ц/В + 0.5)
Rб – прочность бетона, МПа, Rц- прочность цемента, МПа, А- коэффициент качества заполнителей, Ц- расход цемента, кг/м3, В – расход воды,кг/м3, Ц/В – цементно-водное отношение.
2 формулу применяют при расчете прочности высокопрочного бетона
Значения коэффициентов А и А1в формулах
|
Материалы для бетонов |
|
|
|
Высококачественные Рядовые Пониженного качества |
0,65 0,60 0,55 |
0,43 0,40 0,37 |
Высококачественными материалами принято считать щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлических добавок. Заполнители чистые, промытые, фракционированные с оптимальным зерновым составом смеси фракций.
Изменение прочности бетона во времени
В связи с продолжающейся длительное время гидратацией цемента структура затвердевшего бетона постоянно изменяется за счет развития кристаллического сростка. Вместе с ней изменяются физико-механические свойства бетона, и в частности его прочность.
На рост прочности вначале интенсивный, а затем замедляющийся значительное влияние оказывает вид цемента, тонкость его помола и условия твердения – температура и влажность окружающей среды. При тонкости помола от 2200 до 2500 см2/г она изменяется согласно данным, приведенным в табл..
Рис. Изменение прочности бетона во времени
ТаблицаРост прочности бетона на портландцементе во времени
|
Возраст бетона в сутках |
Относительный предел прочности при сжатии При R28=1 |
Возраст бетона в годах |
Относительный предел прочности при сжатии ПриR28=1 |
|
3 7 28 90 180 |
0,3 0,65 1 1,25 1,5 |
1 2 4–5 20–25 |
1,75 2 2,25 |
Для ориентировочных расчетов можно воспользоваться логарифмической зависимостью
Состав бетонной смеси выражают двумя способами:
соотношением по массе между цементом, песком и гравием (или щебнем) с обязательным указанием водоцементного отношения и активности цемента. Количество цемента принимается за 1, поэтому соотношение между компонентами бетона записывают в виде 1:х:у с указанием В/Ц (например 1:2:4 при В/Ц = 0,5).
расходом материалов по массе, кг, на 1 м3 (например: цемента 360 кг, песка 720 кг, щебня 1200 кг, воды 180 кг; итого 2460 кг).
Различают лабораторный (номинальный) состав бетона, устанавливаемый для высушенных материалов, и производственный (полевой) для материалов в естественно-влажном состоянии.
Проектирование состава бетона производится в следующем порядке:
1. Первоначально на основе проектной документации, технических условий и действующих нормативов определяют весь комплекс свойств, которые должны быть обеспечены в процессе проектирования состава бетона (определяются в архитектурно-строительной части проекта), затем с учетом условий производства устанавливают требования к бетонной смеси, которые также должны быть обеспечены в процессе проектирования состава бетона. Чаще всего они задаются в проекте производства работ, выполненном для конкретной организации с учетом ее технической вооруженности и технологий, обеспечивающих получение заданных требований к бетону. При этом учитываются исходные характеристики применяемых материалов.
2. Рассчитывается расход материалов для 1 м3 уплотненной бетонной смеси и пробного замеса.
3. Корректируется состав бетонной смеси по подвижности и прочности.
4. Осуществляется переход от номинального состава к полевому и рассчитывается расход материалов на один замес бетономешалки.
В проекте чаще всего задается класс бетона, а в предлагаемых формулах используется характеристика средней прочности бетона (требуемая прочность) необходимо воспользоваться формулой перехода от класса бетона к его прочности.
Минимальный расход цемента, кг/м3, в зависимости от вида конструкций
|
Вид конструкций |
Условия эксплуатации |
Вид и расход цементов, кг/м3 | ||
|
ПЦ-Д0, ПЦ-Д5, ССПЦ-Д0 |
ПЦ-Д20, ССПЦ-Д20 |
ШПЦ, ССШПЦ, ПуццПЦ | ||
|
Неармированные |
Без атмосферных воздействий |
Не нормирует | ||
|
Армированные с ненапрягаемой арматурой
Армированные с преднапряженной арматурой |
При атмосферных воздействиях Без атмосферных воздействий
При атмосферных воздействиях
Без атмосферных воздействий
При атмосферных воздействиях |
150
150
200
220
240 |
170
170
220
240
270 |
170
180
240
270
300 |
СВОЙСТВА БЕТОНА
Всоответствии с ГОСТ 26633прочность тяжелых и мелкозернистых бетонов характеризуют классами прочности на сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе, определяемыми в возрасте 28 суток.
Для таких бетонов установлены следующие классы:
– по прочности на сжатие В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90
– по прочности на осевое растяжение: В(t)0,4; В(t)0,8; В(t)1,2; В(t)1,6; В(t)2; В(t)2,4; В(t)2,8; В(t)3,2; В(t)3,6; В(t)4;
– по прочности на растяжение при изгибе: В(tв)0,4; В(tв)0,8;В(tв)1,2; В(tв)1,6;В(tв)2;В(tв)2,4;В(tв)2,8;В(tв)3,2; В(tв)3,6;В(tв)4; В(tв)4,4; В(tв)4,8;В(tв)5,2; В(tв)5,6;В(tв)6; В(tв)6,4;В(tв)6,8; В(tв)7,2;В(tв)8.
В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость, %, бетона можно определить по формуле
,
где В и Ц – расходы воды и цемента, кг/м3 бетона; ɑ– содержание химически связанной воды, доля от массы цемента, обычно для бетона в возрасте 28 суток, принимаемая равной 0,15.
Проницаемость бетона
Проницаемость зависит от общей пористости, структуры пор, свойств вяжущего и заполнителей. Для гидротехнических бетонов наибольшее значение имеет водонепроницаемость.
Бетон является капиллярно-пористым материалом, пронизанным сеткой мельчайших пор и капилляров размером до 10-5 мм, к которым относятся и поры цементного геля, практически непроницаемые для воды. Микропоры и капилляры размером более 10-5 мм доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие перепада давлений.
Макропористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличением степени гидратации цемента, уменьшением воздухововлечения в бетонную смесь, с использованием химических добавок, уплотняющих структуру бетона.
Плотныебетоны не фильтруют воду, для оценки проницаемости используют понятие – марка по водонепроницаемости.Для тяжелых бетонов, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозийной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Установлены следующие марки по водонепроницаемости W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20.
Эта характеристика определяется испытаниями и показывает, до какого давления бетон является непроницаемым для воды.
Рис. Влияние возраста бетона на его водопроницаемость В (за 100% принята водопроницаемость в возрасте 28 сут)
Морозостойкость бетона
Под морозостойкостью бетона понимают способность в насыщенном водой состоянии поддерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.
Основной причиной, вызывающей разрушение бетона, является давление на стенки пор и устья микротрещины, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в объеме на 9 %. Расширению препятствует жесткий каркас бетона, в котором возникают высокие напряжения. Многократно повторяемые замораживания и оттаивания разрушают структуру бетона, постепенно разупрочняют ее, и материал начинает разрушаться.
Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца менее 3%, и снижением прочности не превышает 5%. Это количество циклов и определяет марку бетона по морозостойкости. Для тяжелых бетонов назначают марки по морозостойкости F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.
Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характера открытой (капиллярной) пористости и условно-замкнутой пористости (резервный объем пор), так как объем пор будет определять объем и распределение льда в теле бетона при отрицательных температурах, т.е. интенсивность воздействий на бетон.
Морозостойкость бетона повышается с уменьшением объема макропор за счет снижения В/Ц, применения гидрофобирующих или кольматирующих добавок, создания резервного объема воздушных пор с помощью воздухововлекающих добавок, формулирующих особую структуру пор бетона, незаполняемых водой, но доступных для проникания в них воды под давлением, возникающим при замерзании
Теплофизические свойства
Теплофизические свойства материала (теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации) ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, поведение конструкций при пожаре и воздействии других факторов.
Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Она характеризуется количеством тепла (в джоулях), которое способен передать материал через 1 м2 поверхности при разности температур в 1о в течение 1 с.
Коэффициент теплопроводности бетона колеблется в широких пределах от 0,08 до 1,74 Вт/(Вт м/°С) и несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет наиболее низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Однако при насыщении пор водой теплопроводность резко возрастает.
Тепловыделение при твердении
Взаимодействие клинкерных минералов с водой сопровождается выделением тепла, в результате чего при схватывании и начальном твердении бетона повышается его температура.
В зависимости от вида и расхода цемента на 1 м3 бетона и массивности конструкции температура бетона в процессе его твердения может повыситься до 50 оС и более. При этом происходит тепловое расширение бетона, перекрывающее его усадку. Так как коэффициент температурного расширения бетона примерно равен 0,00001, то уже при повышении температуры бетона на 15о расширение его составит 0,15 мм/м
Рис. Температурные кривые твердеющих цементов: 1 – глиноземистый; 2, 3 – портландцементы
(2 более тонкого помола, чем цемент 3);4 – шлакопортландцемент с 30 % шлака; 5 – шлакопортландцемент с 70 % шлака
Повышение температуры в теле бетона в массивных бетонных конструкциях сопровождается возникновением растягивающих термических напряжений, величина которых может превзойти собственную прочность бетона на растяжение, и в нем образуются трещины, понижающие долговечность сооружения.
Возникновение термических напряжений является следствием неравномерного разогрева бетона, так как при сравнительно быстром охлаждении поверхностных слоев внутренние слои из-за малой теплопроводности бетона сохраняют повышенную температуру в течение продолжительного времени. В массивных бетонных сооружениях выравнивание температуры продолжается месяцами.
Количество тепла, выделяемого при твердении бетона, зависит от вида, минералогического состава и тонкости помола цемента, его расхода на 1 м3 бетона и от других факторов.
Наибольшее количество тепла выделяется при твердении бетона на глиноземистом цементе, наименьшее – на шлакопортландцементе с большим содержанием шлака. Введение в бетон тонкомолотых добавок снижает тепловыделение при твердении бетона.