Оглавление - urfu.ru · Свойства заполнителей .....27 2.3....

2

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ 7

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ ..................................................... 10

1.1. Общие положения ................................................................................ 10

1.2. Классификация бетонов ...................................................................... 11

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА ................................................................... 16

2.1. Вяжущие вещества (неорганические) ................................................ 16

2.1.1. Виды цементов на основе портландцементного клинкера ...... 16

2.1.2. Специальные цементы ................................................................. 19

2.1.3. Свойства цементов ...................................................................... 20

2.1.4. Воздушные вяжущие вещества ................................................... 23

2.1.5. Композиционные вяжущие вещества ......................................... 24

2.2. Заполнители для бетона ...................................................................... 26

2.2.1. Роль заполнителей в бетоне ........................................................ 26

2.2.2. Свойства заполнителей ............................................................... 27

2.3. Добавки к бетонам ............................................................................... 32

2.3.1. Некоторые понятия о модифицировании материалов ............ 32

2.3.2. Механизм твердения минеральных вяжущих веществ ............ 33

2.3.3. Особенности гидратации и структурообразования

цементного камня в присутствии модификаторов ..................................... 34

2.3.4. Виды добавок к бетонам и их классификации ........................... 35

2.4. Вода для приготовления бетонной смеси ...................................... 40

3. БЕТОННАЯ СМЕСЬ ................................................................................... 41

3.1. Структура бетонной смеси .................................................................. 41

3.2. Реологические свойства бетонной смеси .......................................... 43

3.3. Технологические свойства бетонной смеси ...................................... 45

3.4. Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от

различных факторов .............................................................................................. 48

4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА ................................................. 50

4.1. Формирование структуры бетона ....................................................... 50

3

4.2. Влияние заполнителя на формирование структуры бетона ............ 53

4.3. Структура бетона ................................................................................. 54

5. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА .............................................................................. 58

5.1. Особенности поведения бетона под нагрузкой ................................ 58

5.2. Методика испытаний ........................................................................... 59

5.3. Прочность бетона при сжатии ............................................................ 63

5.4 Прочность бетона на растяжение при изгибе .................................... 67

5.5. Однородность бетона по прочности .................................................. 69

6. ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА .......................................... 72

6.1. Первоначальная усадка бетонной смеси ........................................... 72

6.2. Усадка бетона ....................................................................................... 73

6.3. Деформации бетона при кратковременном нагружении ................. 74

6.4. Деформации ползучести ...................................................................... 74

6.5. Температурные деформации ............................................................... 75

7. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА .................................................... 76

7.1. Плотность бетона ................................................................................. 76

7.2. Проницаемость бетона ........................................................................ 76

7.3. Морозостойкость бетона ..................................................................... 77

7.4. Теплофизические свойства бетона ..................................................... 78

8. КОРРОЗИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ............................................ 81

8.1. Особенности воздействия агрессивных сред на бетон и

железобетон ........................................................................................................... 81

8.2. Виды коррозии бетона в жидкой агрессивной среде ....................... 81

8.3. Прогнозирование глубины разрушения бетона при коррозии ........ 84

8.4. Коррозия арматуры в бетоне .............................................................. 86

8.5. Коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем

заполнителя ............................................................................................................ 89

9. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА .................... 91

9.1. Твердение бетона при нормальной температуре .............................. 91

9.2 Твердение бетона в зимний период .................................................... 93

4

9.3. Твердение бетона при повышенных температурах .......................... 95

9.4. Соблюдение режимов ТВО ................................................................. 97

9.5. Способы снижения влияния деструктивных процессов в бетоне

при ТВО .................................................................................................................. 99

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА ................. 100

10.1. Общие сведения ............................................................................... 100

10.2. Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителем .. 103

10.3. Расчет состава бетона по методу абсолютных объемов .............. 104

10.4. Экспериментальная проверка состава бетона ............................... 106

10.5. Определение производственного состава бетона ......................... 108

10.6. Определение состава бетона по графикам и номограммам ........ 110

10.7. Определение состава бетона с химическими добавками ............. 111

10.8. Определение состава многокомпонентных бетонов .................... 115

11. РАЗНЫЕ ВИДЫ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА .............................................. 121

11.1. Бетон для сборных железобетонных конструкций ...................... 121

11.2. Высокопрочный бетон ..................................................................... 122

11.3. Быстротвердеющий бетон ............................................................... 123

11.4. Бетон на мелком песке..................................................................... 125

11.5. Бетон для гидротехнических сооружений ..................................... 126

11.6. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий ........................... 129

11.7. Бетон с тонкомолотыми добавками ............................................... 131

11.8. Малощебеночный бетон .................................................................. 133

11.9. Литой бетон ...................................................................................... 134

12. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН .............................................................. 136

12.1. Особенности свойств мелкозернистого бетона ............................ 136

12.2. Проектирование состава мелкозернистого бетона ....................... 139

12.3. Мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций ......... 141

12.4. Мелкозернистый бетон с микронаполнителем ............................. 142

12.5. Композиционные мелкозернистые бетоны ................................... 143

13. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ .................................................................................. 146

5

13.1. Легкие бетоны на пористых заполнителях ................................... 146

13.1.1. Виды пористых заполнителей ................................................. 146

13.1.2. Проектирование состава легкого бетона ............................. 148

13.2. Поризованный легкий бетон ........................................................... 152

13.2.1. Подбор состава легкого бетона, поризованного

воздухововлекающими добавками .................................................................. 153

13.2.2. Подбор состава беспесчаного легкого бетона, поризованного

пенно- или газообразующими добавками ...................................................... 154

13.3. Крупнопористый легкий бетон ....................................................... 155

13.4. Ячеистый бетон ................................................................................ 156

13.4.1. Классификация ячеистого бетона.......................................... 157

13.4.2. Пенообразователи .................................................................... 158

13.4.3. Газообразователи ..................................................................... 159

13.4.4. Подбор состава ячеистого бетона ........................................ 162

14. ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА .................................................................... 164

14.1. Силикатный бетон............................................................................ 164

14.1.1. Общие сведения ......................................................................... 164

14.1.2. Расчет состава силикатного бетона .................................... 165

14.2. Цементно-полимерный бетон ......................................................... 169

14.3. Полимербетоны ................................................................................ 170

14.4. Бетонополимеры .............................................................................. 172

14.5. Фибробетон ....................................................................................... 174

14.6. Декоративный бетон ........................................................................ 175

14.7. Жаростойкий бетон .......................................................................... 176

15. СПЕЦИАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ ................................................................... 178

15.1. Бетоны на специальных вяжущих веществах ............................... 178

15.2. Бетоны с особыми свойствами ....................................................... 180

16. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ ............................................................ 184

16.1. Основные понятия ........................................................................... 184

16.2. Свойства растворов .......................................................................... 186

6

16.3. Виды строительных растворов ....................................................... 191

16.4. Сухие строительные смеси ............................................................. 194

17. БЕТОНИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ .................. 195

17.1. Технология возведения монолитных конструкций ...................... 195

17.1.1. Подготовительные работы .................................................... 195

17.1.2. Особенности состава бетонной смеси для монолитных

конструкций (для бетононасосов) ................................................................ 197

17.1.3. Укладка бетонной смеси .......................................................... 198

17.1.4. Уплотнение бетонной смеси ................................................... 199

17.1.5. Уход за бетоном ....................................................................... 200

17.2. Зимнее бетонирование ..................................................................... 201

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ......................................................... 205

7

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем курсе мы рассмотрим основы бетоноведения, технологии

бетона и строительных композитов гидратационного твердения.

Бетоноведение – наука, изучающая физические и физико-химические

основы формирования структуры, свойства бетонов различных видов и их из-

менения при воздействии эксплуатационных факторов.

Современное строительство немыслимо без бетона. Мировой объем его

применения сегодня – более 2 млрд м3 в год. Это один из самых массовых стро-

ительных материалов, во многом определяющий уровень развития цивилиза-

ции. Он применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично

сочетается с окружающей средой, имеет неограниченную сырьевую базу и

сравнительно низкую стоимость. К этому следует добавить высокую архитек-

турно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность

технологии, возможность широкого использования местного сырья и утилиза-

ции техногенных отходов при его изготовлении, сравнительно малую энерго-

емкость, экологическую безопасность и эксплуатационную надежность.

Бетон – один из древнейших строительных материалов. Из него постро-

ены галереи египетского лабиринта (3600 лет до н.э.), часть Великой Китайской

стены (III век до н.э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в

других местах. Но для массового строительства использование бетона и желе-

зобетонных изделий началось только во второй половине XIX века после полу-

чения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего ос-

новным вяжущим веществом для бетонных и железобетонных конструкций.

Этому способствовали научные разработки русских профессоров

А.Г. Шуляченко (производство высококачественных цементов),

Н.А. Белелюбского (внедрение железобетонных конструкций в строительство),

И.Г. Малюш (обоснование основных законов бетона). В начале XX века появ-

ляется много работ по технологии бетона и за рубежом. Из них наиболее важ-

ными были работы Р. Фере (Франция), О. Графа (Германия), И. Боломе (Швей-

цария), Д. Абрамса (США).

8

В 30-е годы прошлого века организаторы ленинградской научной школы

по бетону профессора Н.М. Беляев и И.П. Александрин внедрили в практику

строительства первые научные методы подбора состава бетона, значительно

повысившие его качество, а ученые московской школы бетона Б.Г. Скромтаев,

Н.А. Попов, С.А. Миронов, С.В. Шестоперов, П.М. Миклашевский и другие

разработали методы зимнего бетонирования и тем самым обеспечили круглого-

дичное возведение бетонных и железобетонных конструкций, создали ряд но-

вых видов бетонов, разработали способы повышения долговечности бетона.

Невиданный рост объема производства и применения сборного железобе-

тона в СССР произошел в результате реализации постановления ЦК КПСС и

Совмина СССР от 19.08.1954 г. «О развитии производства железобетонных

конструкций и деталей для строительства». В стране за несколько лет была со-

здана развитая промышленность сборного железобетона, насчитывавшая около

600 предприятий общей мощностью свыше 150 млн м3 изделий, которая обес-

печивала все виды строительства широкой номенклатурой изделий и конструк-

ций. Объем производства вырос за эти годы более чем в 65 раз, и Советский

Союз вышел на первое место в мире по производству сборного железобетона,

намного опередив наиболее развитые страны. В числе первенцев реализации

этого Постановления – и наш Завод ЖБИ им. Ленинского комсомола (ныне за-

вод ЖБИ ООО «ЛСР. Строительство-Урал»), сданный в эксплуатацию в 1957 г.

Создание промышленности сборного железобетона сопровождалось по-

явлением новых видов вяжущих веществ и бетонов, производством и широким

применением химических добавок и модификаторов структуры и свойств бето-

на, активных минеральных компонентов, совершенствованием способов проек-

тирования составов бетона и его технологии.

Создана сеть научных учреждений: НИИЖБ (по проблемам проектирова-

ния и производства ЖБК), ВНИИ железобетон (по заводскому производству

сборного железобетона), кафедры и лаборатории вузов и ряд отраслевых НИИ и

лабораторий.

9

В начале 90-х годов XX столетия производство сборного и монолитного

бетона и железобетона значительно сократилось (например, на заводе ЖБИ

ООО «ЛСР. Строительство-Урал» от 600 до 100 тыс. м3). Однако в последнее

время наметился новый рост их производства, возросло разнообразие видов бе-

тона и изделий из него, появились новые технологии (экструзионное, безопалу-

бочное формование плит пустотного настила).

10

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ

1.1. Общие положения

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в

результате затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной

и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с

водой, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях.

До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

В строительстве в основном используют бетоны, изготовленные на неор-

ганических вяжущих веществах (цементах, извести, гипсовых вяжущих). Эти

бетоны затворяют водой. Неорганические вяжущие вещества и вода являются

активными составляющими бетона. В результате реакции между ними образу-

ется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в единый монолит.

Заполнители не вступают в химическое взаимодействие с составляющи-

ми бетона (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной об-

работкой), поэтому заполнители называют еще инертными материалами. Они

существенно влияют на структуру и свойства бетона, играя роль скелета, ко-

стяка, значительно уменьшают деформацию бетона при твердении и при воз-

действии нагрузки и внешней среды. В качестве заполнителей используют пре-

имущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.).

Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, т.к. запол-

нители и вода составляют 85–90 %, а цемент – 10–15 % от массы бетона. Для

снижения плотности бетона и улучшения его теплотехнических свойств ис-

пользуют искусственные (керамзит, аглопорит, термозит, гранулированный

шлак, вспученные вермикулит, перлит, полистирол и др.) и природные (туф,

пемза, ракушечник и др.) пористые заполнители.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят

различные химические добавки и активные минеральные компоненты, которые

ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пла-

стичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его

прочность и морозоустойчивость и другие свойства.

11

Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярно-

пористыми телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказы-

вают как внутренние процессы взаимодействия составляющих бетона, так и

взаимодействие окружающей среды. С увеличением возраста бетона повыша-

ются его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические полимер-

ные смолы и др.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечива-

ет высокую плотность и непроницаемость бетонов.

Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в не-

сколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих

напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон.

В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растяги-

вающее напряжение, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Сов-

местная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением меж-

ду ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами

линейного расширения. Бетон предохраняет арматуру от коррозии при обеспе-

чении определенной величины защитного слоя бетона.

Применение химических добавок и различных дисперсных минеральных

компонентов в сочетании с соответствующим подбором состава бетона позво-

ляет эффективно управлять его технологией на всех этапах и получать бетоны

заданной структуры и свойств.

1.2. Классификация бетонов

Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества,

структуре, технологическим особенностям и назначению.

1. По плотности. Многие свойства бетона зависят от его плотности, на

величину которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и

структура бетонов. Различают:

− особо тяжелые ‒ плотность более 2500 кг/м3, приготовляемые на тя-

желых заполнителях: железной руде (лимоните Fe2(OH)3 или магнетите – маг-

12

нитном железняке FeFe2O4), барите (тяжелый шпат, BaSO4, ρ = 4,4–4,5 г/см3),

стальных опилках или стружке (сталебетон);

− тяжелые с плотностью от 1800–2500 до 2100–2500 кг/м3 получают на

плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.), а при

плотности 1800–2000 кг/м3 ‒ на щебне из горных пород с плотностью

1600–1900 кг/м3 или без песка (крупнопористый бетон);

− легкие с плотностью 600–1800 кг/м3 на пористых заполнителях (керам-

зит, азерит, аглопорит, термолит, вспученные вермикулит или перлит, туф,

пемза и др.);

− особо легкие с плотностью менее 600 кг/м3 – ячеистые бетоны (газопе-

нобетоны, силикаты), крупнопористый бетон на легких заполнителях и поли-

стиролбетон. В ячеистых бетонах заполнителем по существу является воздух

(пенобетоны) или газ – Н2 или О2 (газобетоны), находящиеся в искусственно

созданных ячейках.

2. По виду вяжущего вещества различают:

− цементные бетоны изготавливаются на различных цементах: порт-

ландцементе и его разновидностях (около 65 % от общего объема производ-

ства), шлакопортландцементе (до 20–25 %) и пуццолановом цементе. К це-

ментным бетонам относятся и их разновидности: декоративные бетоны (на бе-

лом и цветных цементах), бетоны на самонапряженных конструкциях

(на напрягающем цементе), бетоны для специальных целей (на глиноземистом

и безусадочном цементах);

− силикатные бетоны готовят на основе извести и кварцевого песка, они

твердеют с помощью автоклавного способа – при высокой температуре

(173–200 °С) и давлении насыщенного водяного пара 0,8–1,2 МПа. Только в та-

ких условиях происходит химическое взаимодействие между Ca(OH)2 и

кремнеземом SiO2 с образованием гидросиликатов кальция;

− гипсовые бетоны применяются для внутренних перегородок, подвес-

ных потолков и элементов отделки зданий. Разновидность – гипсоцементно-

пуццелановые бетоны, обладающие повышенной водоустойчивостью и более

13

широкой областью применения (объемные блоки санитарно-технических ка-

бин, конструкции малоэтажных домов);

− шлакощелочные бетоны делают на молотых металлургических шлаках,

затворенных щелочными растворами. Эти бетоны – самые «молодые», они еще

только начинают применяться в строительстве;

− полимербетоны изготавливают на различных видах полимерного свя-

зующего (смолы полиэфирные, эпоксидные, акриловые, карбамидные и др.),

или мономерах (например, фурфуролацетоновый), отверждаемые в бетоне с

помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в

агрессивных средах и особых условиях воздействия (например, истирание);

− полимерцементные бетоны изготавливают на смешанном вяжущем,

состоящем из цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и ла-

тексы – винилацетат, винилхлорид, стирол);

− специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ,

например, для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое

стекло с кремнефтористым натрием. В качестве специальных вяжущих исполь-

зуют также фосфатные, магнезиальные шлаковые, нефелиновые, стеклощелоч-

ные и другие, полученные из отходов промышленности.

3. По структуре различают:

− крупнозернистый бетон монолитной структуры;

− мелкозернистый бетон (без щебня или гравия);

− малощебеночный бетон (уменьшено содержание щебня);

− крупнопористый (беспесчаный) бетон;

− ячеистый бетон (в структуре имеется большое количество воздушных

или газовых пузырьков).

4. В зависимости от используемой технологии изготовления изделий

и конструкций различают бетоны:

− из жестких бетонных смесей, позволяющие выполнить немедленную

распалубку изделий;

14

− из литых бетонных смесей – для изготовления изделий и конструкций

способом литья в форму, опалубку;

− безусадочные;

− быстротвердеющие;

− пропаренные;

− автоклавные;

− многокомпонентные – вводятся комплексы химических добавок;

− высококачественные – приготавливаются на композиционных вяжущих

веществах с использованием низких значений водоцементного отношения, спе-

циальных комплексов добавок, особо тонких минеральных наполнителей, рас-

ширяющихся компонентов и интенсивной регулируемой технологии. Эти бе-

тоны высокопрочны и долговечны.

5. В зависимости от области применения и назначения различают:

− обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, ко-

лонн, балок, перекрытий, мостовых конструкций и др.);

− гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов;

− легкий бетон для ограждающих конструкций;

− бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для

радиационной защиты, бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных

покрытий и пр.).

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определен-

ным требованиям:

− бетоны для обычных железобетонных конструкций должны иметь за-

данную прочность главным образом при сжатии;

− для конструкций, находящихся на открытом воздухе, важна морозо-

стойкость;

− бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой

плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочно-

стью, малой усадкой, стойкостью против выщелачивания фильтрующимися во-

15

дами и действия минерализованных вод, должны незначительно выделять теп-

лоту при твердении;

− бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны

обладать необходимой прочностью, теплопроводностью;

− бетоны для полов должны обладать малой истираемостью и достаточ-

ной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покры-

тий – еще и морозоустойчивостью.

16

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА

2.1. Вяжущие вещества (неорганические)

Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-

химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или те-

стообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать

свою прочность). Различают неорганические вяжущие вещества водного

(цементы) и воздушного (известь, гипс) твердения.

2.1.1. Виды цементов на основе портландцементного клинкера

По вещественному составу цементы на основе портландцементного

клинкера подразделяются на типы: ЦЕМ I ‒ портландцемент, ЦЕМ II ‒ порт-

ландцемент с минеральными добавками, ЦЕМ III ‒ шлакопортландцемент,

ЦЕМ IV ‒ пуццолановый цемент, ЦЕМ V ‒ композиционный цемент. По пределу

прочности при сжатии цементы подразделяются на классы: 22,5 (22,5–42,5 МПа),

32,5 (32,5–52,5 МПа), 42,5 (42,5–62,5 МПа) и 52,5 (не менее 52,5 МПа).

Наиболее широкое применение в производстве бетонов получил порт-

ландцемент (ПЦ) – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее лучше

всего в воде или на воздухе. Это порошок серого цвета, полученный тонким

помолом цементного клинкера с добавлением двуводного гипса. Клинкер полу-

чают путем равномерного обжига до спекания (1200–1450 °С) тщательно дози-

рованной сырьевой смеси, состоящей из известняка, глины и железосодержа-

щей добавки и содержащей 75–78 % CaCO3, 22–25 % оксидов SiO2, Al2O3,

Fe2O3.

При обжиге образуются следующие клинкерные минералы:

− алит 3CaO·SiO2 (C3S) – 37–60 %;

− белит 2CaO·SiO2 (C2S) – 15–37 %;

− трехкальциевый алюминат 3CaO·Al2O3 (C3A) – 5–15 %;

− браунмиллерит 4CaO·Al2O3·Fe2O3 (C4AF) – 10–18 %.

Основное влияние на качество цемента оказывает высокое содержание

минерала алита, который быстро твердеет и дает высокую прочность. Белит –

17

медленно твердеющее гидравлическое вяжущее вещество средней прочности.

C3A твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Соотношение между мине-

ралами цементного клинкера можно целенаправленно изменить, меняя соотно-

шение между оксидами в сырьевой шихте.

При помоле к цементному клинкеру обычно добавляют 10–20 % гранули-

рованных доменных шлаков или активных кремнеземистых добавок.

Портландцемент с минеральными добавками производится в количестве

около 60 % от общего объема выпускаемых цементов. В маркировку цемента

вводится вид минеральной добавки, класс прочности и разновидность по ско-

рости твердения. Так, например, ЦЕМ II/A-Ш 32,5Н означает: портландцемент

со шлаком (количество возможно от 6 до 20 %), класс прочности 32,5, нор-

мально твердеющий.

Быстротвердеющий портландцемент (БПЦ) – разновидность ПЦ с

добавками. Для обеспечения быстрого твердения клинкер должен содержать

C3S ˃ 50 %, (C3S + C3A) ˃ 60 %, тонкость помола 350 м2/кг, класс прочности

32,5, 42,5 и 52,5. Через 3 суток твердения прочность на сжатие у БТЦ меньше

25 МПа.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) – совместный помол портландцемент-

ного клинкера и доменного гранулированного шлака (36–65 %). ШПЦ отлича-

ется более медленным схватыванием (начало схватывания через 4–6 ч, конец

схватывания – через 10–12 ч.) и твердением в первые 7–10 суток, его истинная

плотность 2,9–3,0 г/см3. Тепло-влажностная обработка бетонов на ШПЦ прово-

дится при более высокой температуре (до 95 °С), чем на ПЦ (до 80 °С). Класс

прочности 22,5, 32,5 и 42,5.

Сульфатостойкий ПЦ (СПЦ) имеет ограниченное содержание менее

стойких к сульфатной агрессии минералов (C3S < 50 %, (C3A+C4AF) < 22 %,

C3A < 5 %).

Сульфатостойкий ПЦ с минеральной добавкой получают совместным

помолом клинкера специального состава и активной минеральной добавки:

трепела, опоки, диатомита (5–10 %) или доменного гранулированного шлака

18

(10–20 %). Указанные добавки связывают выделяющийся при гидратации

C3S Ca(OH)2, что способствует повышению сульфатостойкости цемента, поэто-

му возможно использование клинкера с высоким содержанием C3S. Класс

прочности 32,5 и 42,5.

Сульфатостойкий шлакопортландцемент получают, ограничивая содер-

жание в клинкере C3A < 8 %. Класс прочности 22,5 и 32,5.

Все сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и железобе-

тонных конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а

также сооружений, которые подвергаются агрессивному воздействию сульфат-

ных вод при одновременном многократном замерзании и оттаивании или

увлажнении и высыхании.

Пуццолановый ПЦ (ППЦ) также относится к группе сульфатостойких

цементов. Получают его путем совместного помола клинкера, содержащего

C3A < 8 %, с активной минеральной добавкой (20–30 % – для трепела, опоки,

диатомита и 25–40 % ‒ для туфа, трасса, пемзы); истинная плотность

2,8–2,9 г/см3, нормальная густота цемента 30–40 % (у ПЦ – 22–27 %). В первые

недели ППЦ твердеет медленнее, чем чистый ПЦ, но после 6 мес. твердения их

прочность выравнивается.

Белый ПЦ получают помолом маложелезистого отбеленного клинкера по

специальной технологии с необходимым количеством гипса и небольшой до-

бавкой диатомита. Класс прочности 32,5 и 42,5 и три сорта по степени белизны:

высший, БЦ-I, БЦ-II.

Цветные ПЦ получают совместным помолом клинкера белого цемента,

гипса и пигмента, содержание которого должно быть не больше 15 % ‒ для ми-

нерального (синтетического или природного) и не более 0,3 % ‒ для органиче-

ского. Применяется для получения цветных бетонов, архитектурных деталей,

облицовочных плит, проведения отделочных работ.

Напрягающий цемент (НЦ) получают совместным помолом портланд-

цементного клинкера и напрягающего комплекта (глиноземистый шлак, гипс,

известь). НЦ обладает способностью значительно расширяться в объеме

19

(до 4 %) после достижения цементным камнем сравнительно большой прочно-

сти 15–20 МПа, что позволяет применять этот цемент для приготовления само-

напряженного железобетона. Бетоны на основе НЦ обладают высокой прочно-

стью, водо- и газонепроницаемостью и морозостойкостью. Класс прочности

32,5 и 42,5. Данный цемент быстро схватывается и твердеет (начало схватыва-

ния – 2 мин., конец схватывания – 6 мин.).

Расширяющиеся или безусадочные цементы получают совместным по-

молом клинкера алитового состава (C3S 60–65 %), высокоглиноземистого шла-

ка или глиноземистого клинкера (5–7 %), гипсового камня (7–10 %) и активной

минеральной добавки (20–25 % трепела, опоки или бентонита). Расширяющий

эффект происходит до схватывания цемента, что обеспечивает расширение це-

ментного теста в пластическом состоянии. Цемент нормально схватывается и

твердеет. Класс прочности 32,5, 42,5 и 52,5.

2.1.2. Специальные цементы

Фосфатные цементы – вяжущий эффект происходит за счет взаимодей-

ствия различных измельченных оксидов (CuO, SiO2, MgO, TiO2, Al2O3, ZnO,

FeO и др.) с фосфорной кислотой и фосфатами. Вяжущие свойства проявляются

как при комнатной температуре, так и при термообработке до 100–800 °С.

Применяются для приготовления жаростойких и огнеупорных бетонов.

Кислотоупорный цемент (КУЦ) – состоит из тщательно перемешан-

ной смеси молотого кварцевого песка (94–96 %) и кремнефтористого натрия

(4–6 %), затворенной водным раствором жидкого стекла (натриевого или кали-

евого силиката Na2O·nSiO2, K2O·nSiO2 с плотностью 1,32–1,5 г/см3) в количе-

стве 25–30 % от массы песка. Жидкое стекло твердеет на воздухе вследствие

высыхания и выделения аморфного кремнезема под воздействием углекислого

газа. Входящий в состав КУЦ кремнефтористый натрий является катализатором

твердения, повышающим водостойкость и кислотоупорность затвердевшего

материала. Применяют для изготовления кислото- и жаростойких бетонов. Ще-

лочи, кипящая вода и водяной пар легко разрушают КУЦ.

20

Глиноземистый цемент – быстротвердеющее, нормально схватываю-

щееся гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем тонкого помола

обожженной до плавления или спекания сырьевой смеси, состоящей из смеси

бокситов (Al2O3·nH2O) и известняков (извести). Состоит в основном из одно-

кальциевого алюмината (CaO·Al2O3), который схватывается медленно, но твер-

деет очень быстро (через 24 ч. – 20–30 МПа). Марки определяют в возрасте

3 суток 400, 500, 600. В ранние сроки твердения выделяется большое количе-

ство теплоты. Пропаривать при повышенных температурах нельзя (разрушается

камень).

Цемент высокоглиноземстый – продукт тонкого измельчения обож-

женный до спекания (1500 °С) сырьевой смеси, составленной из чистых Al2O3 и

CaCO3. Начало схватывания – более 30–15 мин., конец схватывания – 10–15 ч.

Марки (через 3 суток) 250 и 350. Огнеупорность – 1580–1750 °С жаростойких

растворов и бетонов.

Цемент гипсоглиноземистый расширяющийся получается совместным

помолом высокоглиноземистого шлака (до 70 %) и гипса (до 30 %). Сроки

схватывания: начало – более 10 мин., конец – 4 ч. Марки 300, 400, 500. Проч-

ность через 3 суток – более 28 МПа. Используется для гидроизоляции шахт,

туннелей, подвалов, зачеканки.

Шлакощелочной цемент – продукт тонкого измельчения гранулирован-

ного шлака (95–85 %) со щелочным компонентом (5–15 %) (NaOH, KOH, сода

кальцинированная, растворимое стекло, алюминатные соли натрия NaAlO2 и

калия KAlO2). Марки от 400 до 1000. Прочность на сжатие через сутки – до

20–30 МПа.

2.1.3. Свойства цементов

Прочность – основное свойство любого цемента. Колеблется от 30 до

60 МПа – при сжатии и от 4,5 до 8,5 МПа – при изгибе. Цементы с пределом

прочности при сжатии 32,5–52,5 МПа относятся 32,5 и т.д. В строительстве

применяют цементы с классом прочности 22,5, 32,5, 42,5 и 52,5.

21

Действительную прочность цемента называют его активностью. При-

мер: если прочность контрольных образцов 44 МПа, то активность этого це-

мента будет 44 МПа, а класс прочности 32,5. Использование при проектирова-

нии показателя активности цемента обеспечивает более точные результаты и

экономию цемента. Повышение прочности цемента на 1 МПа приводит к сни-

жению расхода цемента на 2–5 кг/м3.

Цементная промышленность выпускает в основном цементы с классом

прочности 32,5 и 42,5, а по особому заказу – 52,5. Прочность быстротвердею-

щего цемента нарастает быстрее, чем цементы нормально твердеющие. Напри-

мер: быстротвердеющий цемент класса прочности 42,5 Б уже через 2 суток

имеет предел прочности при сжатии не менее 20 МПа, поэтому цементы высо-

ким классом прочности являются не только высокопрочными, но и быстротвер-

деющими. Применение таких цементов обеспечивает быструю распалубку кон-

струкций и сокращает сроки их изготовления.

При длительном хранении цемента происходит некоторое снижение

прочности цемента, особенно если он недостаточно защищен от воздействия

влаги и углекислого газа из воздуха. Через 3 месяца хранения цемента сниже-

ние прочности может составить 10–20 % от его класса. При использовании ле-

жалого цемента время перемешивания бетонной смеси увеличивают в 2–4 раза,

или применяют активацию цемента.

Нормальная густота (НГ) – количество воды, выраженное в процентах

к массе цемента, необходимой для получения теста определенной пластично-

сти: пестик в приборе Вика должен не доходить на 5–7 мм до пластинки, на ко-

торой установлено кольцо, заполненное цементным тестом. Портландцементы

имеют НГ 22–27 %, ППЦ ‒ 30 % и более. НГ увеличивается при введении в це-

мент при помоле тонкомолотых добавок (трепел, опоки). Наименьшую НГ

имеют чистые клинкерные цементы.

НГ влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше НГ цемента, тем

меньше водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения опре-

22

деленной подвижности (жесткости) смеси. Сокращение расхода воды приводит

к уменьшению расхода цемента.

Сроки схватывания – физико-химическая характеристика цемента, вы-

ражающаяся в двух периодах времени с момента затворения его водой в тесто,

которые называют началом и концом схватывания (загустевание). Оба периода

времени определяются с помощью прибора Вика по глубине погружения стан-

дартной иглы в тесто нормальной густоты, помещенное в кольцо прибора.

Начало схватывания указывает продолжительность времени, в течение которо-

го можно без ущерба для качества производить технологические операции по

формированию и уплотнению растворной и бетонной смеси на основе данного

цемента. Конец схватывания указывает на приближение и завершение практи-

ческого времени, когда технологические операции должны быть закончены. По

стандарту начало схватывания не менее 45 мин., конец схватывания не более

10 ч с момента затворения цемента водой. В действительности начало схваты-

вания наступает через 1–2 ч, а конец схватывания – через 5–8 ч.

Для регулирования сроков схватывания в цемент при его производстве

вводят гипс и другие химические добавки, а при приготовлении бетонной смеси

замедлители или ускорители схватывания.

Ложное схватывание цемента – преждевременное загустевание цементно-

го теста. Возможно тогда, когда к потребителю поступил цемент с завода-

изготовителя без вылеживания (магазинирования), в таком цементе содержится

полуводный гипс или даже ангидрит (CaSO4), образовавшийся в результате де-

гидратации двуводного гипса при помоле горячего клинкера. Для нейтрализа-

ции ложного схватывания в бетонную смесь вводят небольшое количество по-

верхностно-активных веществ (ПАВ), например суперпластификатор, с помо-

щью которого увеличивают время перемешивания бетонной смеси.

Тонкость помола цемента определяется просеиванием навески через

стандартное сито № 008 (размер ячеек – 80 мкм, около 4900 отверстий на

1 см2), через которое должно пройти не менее 85 % общей массы цемента.

Средний размер частиц цемента составляет 15–20 мкм.

23

Тонкость помола характеризуется также удельной поверхностью зерен,

содержащихся в 1 г цемента, которую определяют методом воздухопроницае-

мости на приборе ПСХ-11. Цемент среднего качества имеет удельную поверх-

ность 250–300 м2/кг, высокого качества – 350–400 м2/кг и более.

Истинная плотность ПЦ без добавок составляет 3,05–3,15 г/см3,

насыпная плотность в рыхлом состоянии (свеженасыпанном) ‒ 900–1000 кг/м3,

в уплотненном (слежавшемся) состоянии ‒ 1300 кг/м3.

Экзотермия – выделение тепла при схватывании и твердении цемента.

Бетон, содержащий 1 кг цемента с классом прочности 22,5, за 7 суток твердения

выделяет не менее 170 кДж, а 1 кг цемента класса прочности 32,5 – не менее

210 кДж. Тепловыделение зависит от минералогического состава цемента, типа

введенных добавок и тонкости помола; наибольшее тепловыделение у C3A и

C3S.

2.1.4. Воздушные вяжущие вещества

Известь применяется в производстве силикатных бетонов. Получается

умеренным обжигом известняка, мела, ракушечника, содержащих не более 8 %

глинистых примесей. В строительстве применяют негашеную известь, основ-

ной частью которой является CaO, и гашеную, получаемую в результате хими-

ческого соединения негашеной извести с водой и состоящую в основном из

Ca(OH)2.

По качеству (содержанию активных CaO + MgO) известь делится на 1, 2 и

3 сорт, соответственно, 90, 80, 70 %. Различают известь быстрогасящуюся

(до 20 мин.) и медленногасящуюся (более 20 мин.).

При твердении на воздухе прочность известковых растворов и бетонов в

возрасте 20 суток достигает 0,5–3,0 МПа, а при автоклавной обработке (давле-

ние пара 0,8 МПа, температура 175 °С) – 20–50 МПа (за счет образования гид-

росиликатов кальция при взаимодействии Ca(OH)2 с SiO2).

Строительный гипс (полугидрат сульфата кальция) получают термиче-

ской обработкой природного двуводного гипсового камня при температуре

140–170 °С. Строительный гипс характеризуется высокой водопотребностью

24

(55–60 %) и сравнительно низкой прочностью (2–7 МПа). Все гипсовые вяжущие

являются быстросхватывающимися (2–20 мин.) и быстротвердеющими. Столяр-

ный клей, СДБ, борная кислота и другие добавки замедляют схватывание.

По прочности гипс делят на 12 марок от Г-2 до Г-25, в строительстве ис-

пользуют гипс марок от Г-4 до Г-7.

Гипс плохо сцепляется с заполнителем и сталью, которая в нем корроди-

рует и требует специальной защиты, но хорошо сцепляется с древесиной, и его

целесообразно армировать деревянными рейками.

Плотность затвердевшего гипса составляет 1200–1500 кг/м3 из-за значи-

тельной пористости (30–60 %). При увлажнении затвердевший гипс теряет

свою прочность в 2–3 раза, поэтому гипсовые изделия целесообразно приме-

нять в сухих помещениях или же защищать их от увлажнения.

Гипсоцементнопуццолановые вяжущие – продукт смешивания полу-

водного гипса (50–70 %), портландцемента (10–25 %) и активной минеральной

добавки (10–25 % трепела, диатомита и др.). Эти вяжущие относятся к гидрав-

лическим и имеют более высокую по сравнению с гипсом водостойкость

(80–90 %); предложены профессором А.В. Волженским. В заводской техноло-

гии используется для формования объемных санитарно-технических кабин.

2.1.5. Композиционные вяжущие вещества

Вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) положили начало развитию

технологии композиционных вяжущих веществ, предложены и разработаны

отечественными учеными. Совместный помол ПЦ с повышенной дозировкой

суперпластификатора и в ряде случаев с активной минеральной добавкой поз-

волил получить ВНВ с самыми различными свойствами (табл. 1).

Таблица 1

Свойства ВНВ

Вид вяжущего

Состав связующего, % Нормальная

густота, %

Предел проч-

ности при

сжатии, МПа ПЦ

минеральный

компонент

25

Портландцемент 100 – 28 50

ВНВ-100 100 – 14 95

ВНВ-50 50 50 17 60

ВНВ-30 30 70 21 45

Помол повышает удельную поверхность цемента до 4000–5000 см2/г, су-

перпластификатор снижает водопотребность до 14–21 %, повышает прочность

бетона почти в 2 раза, ускоряет твердение его в ранние сроки, улучшает реоло-

гические свойства цемента и бетонной смеси.

Реологические свойства цементного теста, оцениваемые по его нормаль-

ной густоте, оказывают существенное влияние не только на подвижность бе-

тонной смеси, но и на прочность бетона, приготовленного на этом цементе.

Цементы с меньшей НГ позволяют получать равнопластичные бетонные смеси

при пониженном водоцементном отношении (В/Ц), что обеспечивает большую

плотность структуры бетона и его прочность (рис. 1).

Рис.1. Относительное увеличение прочности цемента

при относительном уменьшении НГ цемента

Для полного твердения цемента необходимо 15–17 % воды от веса цемен-

та – такое количество воды вступает в химическую реакцию гидратации мине-

ралов цементного клинкера. Следовательно, ниже этого показателя уменьшать

дозировку воды нельзя. Вся «лишняя» вода сверх химически связанной обеспе-

0

20

40

60

80

100

0 25 50

ΔRц,%

-ΔНГ, %

26

чивает требуемую подвижность бетонной смеси для ее укладки, но в конечном

счете снижает прочность бетона и его долговечность.

Эффект сухой добавки суперпластификатора, введенной при помоле це-

мента, выше, чем введение ее непосредственно в бетонную смесь. В цемент

возможно большее введение суперпластификатора, чем при введении его в бе-

тонную смесь, когда молекулы воды, занимая часть поверхности зерен цемента,

уменьшают дозу суперпластификатора на их поверхности.

2.2. Заполнители для бетона

2.2.1. Роль заполнителей в бетоне

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают влияние на

свойства бетона, его долговечность и стоимость. Заполнители резко сокращают

расход цемента, наиболее дорогого и дефицитного компонента, улучшают тех-

нические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя не-

сколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает де-

формации конструкций под нагрузкой и ползучесть бетона – необратимой де-

формации, возникающей при длительном действии нагрузки. Заполнитель

уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материа-

ла. Усадка цементного камня при его твердении достигает 1–2 мм/м. Из-за не-

равномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и да-

же микротрещины. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в не-

сколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня.

Пористые заполнители уменьшают плотность легкого бетона, улучшают

его теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, радио-

экранирующих и др.) роль заполнителя очень велика, так как его свойства во

многом определяют специальные свойства этих бетонов.

В силикатных бетонах зерна заполнителя с поверхности вступают во вза-

имодействие с вяжущим веществом, и от их минералогического состава и

удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.

27

Стоимость заполнителя составляет 30–50 % от стоимости конструкций,

поэтому желательно применять более дешевые местные заполнители, что

уменьшает объем транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроков

строительства и снижения его стоимости. Правильный выбор заполнителей для

бетонов, их разумное использование – одна из важных задач технологии бетона.

2.2.2. Свойства заполнителей

Зерновой состав. В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель.

Крупный заполнитель (больше 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мел-

ким заполнителем является естественный или искусственный песок. Заполни-

тель представляет собой совокупность отдельных зерен, то есть является зерни-

стым материалом, для которого имеется ряд общих закономерностей.

Зерновой состав показывает содержание заполнителя зерен разной круп-

ности. Он определяется просеиванием пробы заполнителей через набор стан-

дартных сит с величиной отверстий от 0,16 до 70 мм и более. Различают:

− рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров;

− фракционированный заполнитель, когда зерна заполнителя разделены

на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров

(5–10, 20–40 мм и т.п.).

Размеры наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя характе-

ризуют наименьшую или наибольшую крупность (Днаим.; Днаиб.). Содержание зе-

рен мельче или крупнее предельных размеров должно быть не более 5 %.

Зерновой состав называют непрерывным, если в нем встречаются зерна

всех размеров – от наименьшего до наибольшего, и прерывистым – если отсут-

ствуют зерна какого-либо промежуточного размера. Наиболее эффективным

является непрерывный зерновой состав заполнителей. смеси с прерывистым со-

ставом требуют увеличение расхода цемента, склоны к расслоению.

На практике зерновой состав заполнителя подбирают, используя реаль-

ные песок и щебень и устанавливая такое соотношение между ними, чтобы

кривая зернового состава по возможности приближалась к идеальной кривой.

28

Некоторые ухудшения зернового состава компенсируется или незначительным

повышением расхода цемента, или более эффективным способом уплотнения

бетонной смеси, при этом достигается заметное упрощение технологии и сни-

жения стоимости бетона. Правильный выбор зернового состава уплотнителя

или соотношения между песком и щебнем может быть сделан только с учетом

состава бетона, с учетом содержания цемента и воды. В бетонах с расходом це-

мента 200–300 кг/м3 при подвижной бетонной смеси наилучшие результаты

обеспечивает зерновой состав, близкий к идеальным кривым просеивания, а в

бетонах высокой прочности (с повышенным расходом цемента) и в жестких бе-

тонных смесях долю песка и мелких фракций заполнителя целесообразно не-

сколько уменьшать.

Пустотность заполнителя непосредственно связана с зерновым соста-

вом и формой его зерен, определяется возможностью его плотной укладки. Чем

больше пустот, тем больше расход цемента для их заполнения. Пустотность ко-

леблется в пределах 35–48 % и не зависит от крупности его зерен, если их раз-

мер одинаков. Снизить пустотность до 20–30 % можно:

− изменяя форму зерен (кубы, шары, октаэдры и т.д.);

− применяя смесь, состоящую из зерен разной крупности (основной при-

ем), когда пустоты крупного заполнителя замещаются зернами мелкой фракции.

Наиболее качественной будет бетонная смесь на заполнителях, отдозиро-

ванных пофракционно (и мелкий, и крупный), со значительной экономией це-

мента. Увеличение пустотности вызывает применение зерен удлиненной фор-

мы (игольчатых, лещадных).

Необходимо добиться такого соотношения между песком и щебнем, что-

бы песок полностью заполнил пустоты между зернами крупного заполнителя с

учетом некоторой их раздвижки зернами песка:

.

Решая, получим:

29

где П, Щ – расходы песка и щебня, кг;

, – насыпная плотность песка и щебня, кг/м3;

Потнос.щ. – относительная пустотность щебня;

α – коэффициент раздвижки зерен, α =1,1 и более.

Пустотность песка, гравия и щебня определяется по формулам:

− для песка: ;

− для плотного щебня: ;

− для пористого щебня: ;

где Пот.П, Пот.Щ.пл., Пот.Щ.пор. – относительная пустотность песка, щебня плотного

и щебня пористого;

– истинная плотность песка, плотного щебня;

– насыпная плотность песка, щебня;

– средняя плотность в куске и насыпная плотность пористого щебня.

Пористость зерен заполнителя определяется по формулам:

,

где – относительная пористость зерен щебня;

– средняя плотность зерен щебня;

– истинная плотность щебня.

Удельная поверхность (Уп) зерен заполнителя влияет на свойства бето-

на, бетонной смеси. Это величина суммарной поверхности зерен заполнителя,

30

отнесенная к единице его объема или массы (см2/см3, см2/л или см2/г, м2/кг).

Поверхность зерен обратно пропорциональна диаметру зерен: с уменьшением

размера зерен их поверхность возрастает. Значительно возрастает удельная по-

верхность при диаметре зерен меньше 1 мм.

Ориентировочно Уп можно определить по частным остаткам на ситах при

рассеве песка и щебня (гравия). Существуют приборы, позволяющие опреде-

лить Уп непосредственно опытным путем. Уп природных среднезернистых пес-

ков – 5–10 м2/кг.

С увеличением Уп заполнителя приходится увеличивать расход воды и

цемента, чтобы получить бетон заданной прочности.

Прочность заполнителя определяется прочностью горной породы, из ко-

торой он получен, и крупностью зерен. При дроблении или выветривании по-

роды разрушение происходит по более слабым местам структуры и с уменьше-

нием размера зерен прочность их как бы повышается.

Естественные пески обладают пределом прочности при сжатии и растя-

жении более высоким, чем у раствора или цементного камня.

Прочность при сжатии крупных заполнителей из прочных горных пород

(гранита, диабаза и др.) должна превосходить прочность раствора примерно в

1,5–2 раза. Прочность пористых заполнителей может быть равна или меньше

прочности раствора. Зависимость предела прочности при сжатии бетона (Rб) от

прочности раствора (Rр) указана на рис. 2.

31

10

20

30

Rб, МПа 1

Рис. 2. Зависимость прочности бетона от прочности его растворной части

при применении заполнителей: 1 – высокопрочных гранитных; 2 – средней прочности;

3 – слабых (керамзитовый гравий)

Из рисунка видно, что Rб на гранитном щебне несколько выше Rр. При

применении менее прочного крупного заполнителя Rб при увеличении Rр воз-

растает лишь до определенных значений и дальнейшее ее повышение не приво-

дит к росту Rб. Предельно допустимая Rб тем ниже, чем меньше прочность

крупного заполнителя.

Чистота заполнителей. Пылевидные (менее 0,14 мм) и особенно гли-

нистые примеси создают на поверхности зерен заполнителя пленку, препят-

ствующую сцеплению их с цементным камнем. В результате прочность бетона

значительно снижается (иногда на 30–40 %). Для песка содержание пылевид-

ных частиц должно быть не более 10 %, а глинистых, илистых и пылевидных

примесей, определяемых отмучиванием, – не более 3 % по массе: для гравия –

не более 1 %; для щебня: 1–2 % – для бетонов М300 (В25) и более, 2–3 % – для

бетонов более низких марок.

Водопотребность песка (Вп) – технологическая характеристика запол-

нителя. Вп показывает, сколько требуется добавить воды при введении песка в

цементное тесто, чтобы сохранить показатель подвижности. Сначала устанав-

ливают водоцементное отношение цементного теста (В/Ц)Ц, при котором оно

32

показывает на встряхивающем столике расплыв конуса 170 мм, что приблизи-

тельно соответствует его нормальной густоте. Затем определяют водоцемент-

ное отношение растворной смеси (В/Ц)р при соотношении цемента к песку 1:2,

при котором она имеет тот же расплыв конуса 170 мм. Водопотребность песка

находят по формуле:

Вп стандартного вольского песка – 4 %, строительных песков – 4–14 %,

крупного заполнителя – 1–10 %, крупнозернистого песка – 4–6 %, песков сред-

ней крупности – 6–8 %, мелкозернистых песков – 8–10 %, очень мелких пес-

ков – более 10 %. Показатели водопотребности заполнителей позволяют более

точно определить расход воды в бетонных смесях разной консистенции.

2.3. Добавки к бетонам

2.3.1. Некоторые понятия о модифицировании материалов

Для получения бетонов с заданными строительно-технологическими

свойствами необходимо установление закономерностей в регулировании пара-

метров цементных систем на стадии взаимодействия с водой. Одним из наибо-

лее перспективных и эффективных направлений в целенаправленном измене-

нии этих параметров является широкое использование различных органических

и неорганических соединений в качестве специальных добавок к бетону. Вво-

димые в наибольших количествах – десятых и сотых долей процента по отно-

шению к массе цемента – они существенно влияют на химические процессы

твердения бетона, обеспечивают улучшение его механических и физико-

технических свойств, в том числе плотности, водонепроницаемости, морозо-

стойкости, коррозионной стойкости и др. Эти добавки именуются модификато-

рами бетонной смеси и затвердевшего бетона.

Модификация (от позднелатинского «modification» – изменение) – видо-

изменение. Под модифицированием подразумевается такое воздействие, при

котором существенно изменяется структура и свойства материала путем введе-

33

ния в его состав определенных веществ при практически неизменном количе-

стве основных составляющих. Применительно к цементным системам под мо-

дификаторами подразумеваются вещества, улучшающие технологические свой-

ства бетонных (растворных) смесей и строительно-технические свойства бето-

нов (растворов).

Основными целями введения модификаторов в цементные системы яв-

ляются:

− снижение вязкости цементно-водных суспензий для улучшения техно-

логических свойств бетонной смеси;

− изменение структуры сформированного цементного камня и бетона с

целью увеличения их прочности и стойкости к многократным физическим воз-

действиям;

− регулирование скорости процессов гидратации цементов и твердения

бетонов.

2.3.2. Механизм твердения минеральных вяжущих веществ

Механизм твердения минеральных вяжущих веществ характеризуется

возникновением структур с фазовыми контактами. При затворении водой це-

ментные составляющие (первичная фаза) растворяются с образованием насы-

щенного по отношению к ним раствора. В результате реакций между компо-

нентами вяжущего и водой возникают новообразования менее растворимые,

чем исходные. Раствор вследствие этого становится пересыщенным по отноше-

нию к продуктам гидратации, которые выпадают в виде кристаллов новообра-

зований различной формы. При заполнении ими всего объема системы возни-

кает коагуляционная структура. Затем благодаря кристаллизации новой фазы

между элементами коагуляционного каркаса – фазовых кристаллизационных

контактов – происходит образование цементного камня прочной кристаллиза-

ционной структуры.

Формирование прочности цементного камня зависит от кинетики пре-

вращения коагуляционных структур в конденсационно-кристаллизационные,

34

образующиеся при переходе гидросиликатного геля из метастабильного (отно-

сительно устойчивого) состояния в термодинамически равновесное.

Кристаллизационное структурообразование в твердеющих системах осу-

ществляется внутри пористых диффузионных пленок вокруг частиц исходных

минералов и путем организованной кристаллизации на поверхности или в объ-

еме системы.

Основу прочности структуры цементного камня составляют кристаллы и

сростки кристаллов гидратных новообразований размером 10-7–10-5 см, законо-

мерно связанные друг с другом фазовыми контактами срастания в ближнем и

незакономерно (точечными, скользящими, механическими контактами) в даль-

нем порядке. Большое значение имеет также наличие в твердеющей системе

субмикрокристалликов новообразований размерами менее 10-7 см, свободно и

равномерно распределенных в массе цементного камня, которые являются в

силу своей метастабильности дополнительным источником «сшивающих» свя-

зей сложной многоминеральной поликристаллической системе – твердеющем

цементном тесте.

Рост отдельных сросшихся между собой кристаллов сопровождается воз-

никновением кристаллизационного давления и внутренних напряжений в

структуре. Внутреннее напряжение релаксирует (ослабляется) за счет частич-

ного слома структуры. Таким образом, нарастание прочности в системе при

гидратации вяжущего есть результат двух процессов – создание и разрушение

структуры.

2.3.3. Особенности гидратации и структурообразования цементного

камня в присутствии модификаторов

Введение модификаторов, поверхностно-активных веществ, в цементную

систему затрудняет образование фазовых контактов между кристаллами, что

связано с появлением на поверхности тел (в результате адсорбции) двухмерных

структур, состоящих из ориентированных полярными группами к гидрофиль-

ным поверхностям дифильных молекул ПАВ.

35

В результате:

− замедляется диффузия ионов, что затрудняет образование фазовых

контактов;

− изменяется степень гидратации клинкерных минералов;

− стабилизируются зародыши гидратной фазы;

− возможно, образуются комплексные соединения при первоначальном

воздействии, в результате чего временно задерживаются гидратация минералов

цементного клинкера;

− образуется за счет первоначального замедления гидратации больше

длинноволокнистых гидросиликатов кальция, что приводит к повышению

прочности за счет оптимизации структуры кристаллов;

− оптимизируется структура пористости за счет дополнительного возду-

хововлечения или дисперсной газопоризации.

2.3.4. Виды добавок к бетонам и их классификации

Добавки подразделяют на 2 вида:

1) химические, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1–2 % от

массы цемента) и изменяющие в нужном направлении свойства бетонной смеси

и бетона;

2) тонкомолотые минеральные добавки (вводят от 5 до 20 % и более), ис-

пользующиеся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых

расходах цемента и повышения стойкости бетона.

2.3.4.1. Химические добавки

Классификация химических добавок на основе неорганических и органи-

ческих веществ и их свойства приведены в ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бе-

тонов и строительных растворов. Общие технические требования». ГОСТ

30459-2003 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Методы опреде-

ления эффективности» устанавливает методы определения эффективности до-

бавок по критериям эффективности в соответствии ГОСТ 24211-2003.

36

Химические добавки классифицируют по основному эффекту действия:

1. Регулирующие свойства бетонных смесей:

− пластифицирующие, увеличивающие подвижность бетонной смеси;

− стабилизирующие, предупреждающие расслоение бетонной смеси;

− водоудерживающие, уменьшающие водоотделение.

2. Регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона:

− ускоряющее или замедляющее схватывание;

− ускоряющее твердение;

− обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (проти-

воморозные).

3. Регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона: воз-

духововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие (кольма-

тирующие поры бетона).

4. Добавки – регуляторы деформаций бетона, расширяющие добавки.

5. Повышающие защитные свойства бетона к стали, ингибиторы коррозии.

6. Придающие бетону специальные свойства:

− гидрофобизующие, уменьшающие смачивание бетона;

− антикоррозионные, повышающие стойкость в агрессивных средах;

− красящие, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства;

− электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные.

7. Добавки полифункционального действия: пластифицирующие и возду-

хововлекающие; газообразующие и пластифицирующие; комплексные добавки.

В качестве пластифицирующих добавок широко используют ПАВ, кото-

рые делят на 2 группы:

I – пластифицирующие добавки гидрофильного типа, повышаю-

щие смачиваемость водой составляющих бетонные смеси (в основном цемен-

та), способствующие диспергированию коллоидной системы цементного теста

и тем самым улучшающие его текучесть. К ним относятся: сульфидно-

дрожжевая бражка (СДБ), лигносульфанаты технические (ЛСТ) и модифициро-

37

ванные (ЛСТМ-2), ЛТМ, суперпластификаторы (С-3, 10-0,3) и добавки водо-

редуцирующего действия.

II – гидрофобизующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мель-

чайшие пузырьки воздуха, снижают смачиваемость составляющих бетон-

ные смеси водой, снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Это такие добавки, как смола нейтрализованная воздухововлекающая

(СНВ), смола древесная омыленная (СДО), синтетическая поверхностно-

активная добавка (СПД) и др. Воздухововлекающие добавки используют глав-

ным образом для повышения морозостойкости и водонепроницаемости бетонов

и растворов. Они гидрофобизуют поры и капилляры бетона, а воздушные пу-

зырьки служат резервным объемом для замерзания воды без возникновения

больших внутренних напряжений.

Ускорители твердения: хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН), нит-

рит-нитрат-хлорид кальция (ННХК).

Противоморозные добавки: поташ Ca2CO3 (П), хлорид натрия (ХН), хло-

рид кальция (ХК). Эти добавки понижают точку замерзания воды и способ-

ствуют твердению бетона при отрицательных температурах.

Замедлители схватывания: кормовая сахарная патока (КП), нитрилотри-

метиленфосфоновая (НТФ) кислота, ЛСТ, кремний органические соединения

ГКЖ-10 и ГКЖ-94.

Комплексные добавки полифункционального действия (5 групп):

I – смеси ПАВ (ЛСТ + СНВ; ПАЩ + СПД и др.) – пластифицируют, уве-

личивают морозостойкость, водонепроницаемость и коррозионную стойкость.

II – смесь ПАВ и электролитов (ГКЖ-10 + НК, ЛСТ + ГКЖ94 + СН) –

наиболее эффективна, высокая скорость твердения бетонов и последующая вы-

сокая морозостойкость и коррозионная стойкость; (ЛСТ + ХК; ЛСТ + ННХК;

ЛСТ + СН).

III – смеси электролитов (ННХК; ХК + НН (ингибитор)) – сочетание

ускорителей твердения и ингибиторов (против коррозии арматуры); основное

применение – для зимнего бетонирования.

38

IV – комплексные добавки на основе суперпластификаторов (СП):

− СП + ускоритель твердения (С-3 + СН; 10-03 + СН; С-3 + ННХК; 10-03

+ ННХК и др.) – сокращают на 20–40 % время тепло-влажностной обработки;

− СП + воздухововлекающий компонент (С-3 + СНВ; 10-3 + СНВ; 10-3 +

ЛСТ + СНВ и др.) – для повышения морозостойкости могут вводиться ускори-

тель твердения или ингибитор.

V – многокомпонентные комплексы, предназначенные для специальных

целей: ПАК + ЛСТ + СН – для получения безусадочных и расширяющихся бе-

тонов; битумная эмульсия (50 % – битум БН, 5 % – ЛСТ, 45 % – вода) – облада-

ет гидрофобно-пластифицирующим эффектом, применяется для повышения

непроницаемости бетона (дозировка: 5–7 % от массы цемента).

2.3.4.2. Минеральные добавки

Минеральные добавки (МД) получают из природного или техногенного

сырья (золы, молотые шлаки и горные породы, микрокремнезем и др.). Степень

измельчения – менее 0,16 мм. Располагаясь вместе с цементом в пустотах за-

полнителя, уплотняют структуру бетона. В зависимости от дисперсности разде-

ляются на МД – разбавители цемента и МД – уплотнители. МД – разбавители

(зола) имеют гранулометрический состав близкий к цементу (удельная поверх-

ность – 0,2–0,5 м2/г), МД – уплотнители примерно в 100 раз меньше зерен це-

мента (удельная поверхность составляет 20–30 м2/г). МД делятся на активные

(взаимодействуют с Ca(OH)2 при обычной температуре) и инертные добавки

(не реагируют с Ca(OH)2 при обычной температуре).

Природные активные минеральные добавки получают тонким измель-

чением различных горных пород вулканического (туфы, пеплы, трассы) или

осадочного (диатомит, трепел, опока) происхождения. Состоят в основном из

аморфных кремнезема и глинозема.

Золы ТЭС образуются при сжигании пылевидных (молотых) углей. Стек-

ловидные частицы золы осаждаются в электрофильтрах и удаляются из них

(зола-унос или зола сухого удаления) или мокрым способом (зола гидроудале-

ния). Более высокие свойства и качество имеют золы-уноса. Химический состав

39

золы: 35–60 % SiO2, 15–35 % Al2O3, 1–30 % CaO, 1–20 % Fe2O3. Зола имеет:

размеры частиц 1–35 мкм, удельную поверхность 0,15–0,3 м2/г, среднюю плот-

ность 1,74–2,4 г/см3, насыпную плотность 600–1300 кг/м3.

Шлаки доменные в тонкоизмельченном состоянии (удельная поверх-

ность 2500–3500 см2/г) являются эффективной МД в цементы и бетоны. Степень

гидравлической активности шлаков характеризует модуль основности (Мо):

или модуль активности (Ма):

.

Если модуль активности больше или равен 1, то шлаки являются основ-

ными, если менее 1 – кислые. С увеличением Мо и Ма гидравлическая актив-

ность доменных шлаков возрастает, как и с увеличением удельной поверхности

тонкомолотого шлака. Добавление шлаков к цементу существенно влияет на

структурообразование цементного камня.

Микрокремнезем (МК) – отход производства кремнийсодержащих спла-

вов: ферросилиция, кристаллического кремния и др. В процессе плавления

шихты и восстановления кварца при температуре более 1800 °С образуется га-

зообразный кремний, который при охлаждении и контакте с воздухом окисля-

ется до SiO2 и конденсируется в виде сверхмелких частиц кремнезема. Содер-

жание SiO2 в МК составляет 85–98 %. Размер частиц МК – 01–0,5 мкм, удель-

ная поверхность – 2000–4000 м2/кг. В сухом виде из-за сверхвысокой дисперс-

ности (насыпная плотность 150–200 кг/м3) затрудняет транспортирование. Рас-

ход МК в бетоне должен быть не менее 5 % от массы цемента (5–15 %).

Органо-минеральные добавки (ОМД). МК отличается высокой водопо-

требностью: в равноподвижных смесях на каждый килограмм введенного

в смесь МК расход воды возрастает на 1 л. Поэтому его применяют совместно с

суперпластификатором (для уменьшения расхода воды).

МБ-01 (6–12 % С-3 + МК + регулятор твердения фосфорорганический) –

комплексный модификатор структуры и свойств бетона, повышающий сохра-

40

няемость консистенции бетонной смеси. Бетоны с использованием данной

ОМД имеют предел прочности при сжатии более 100 МПа, низкую проницае-

мостью и высокую долговечность.

МБ-С (С-3 + МК + 30–50 % зола-уноса). Замена части МК более доступ-

ной золой-уноса не дает заметного снижения эффективности добавки.

ОМД выпускаются в порошкообразном виде, что обеспечивает их введе-

ние в бетонную смесь при ее приготовлении.

2.4. Вода для приготовления бетонной смеси

Вода, предназначенная для приготовления бетонных смесей и строитель-

ных растворов, а также для ухода за твердеющим бетоном и промывки запол-

нителей, должна удовлетворять требованиям ГОСТ 23732-2011 «Вода для бе-

тонов и строительных растворов. Технические условия».

41

3. БЕТОННАЯ СМЕСЬ

3.1. Структура бетонной смеси

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную по-

лидисперсную систему, получаемую при затворении водой смеси цемента с за-

полнителями, специальными добавками. По своим свойствам бетонные смеси

занимают промежуточное положение между вязкими жидкостями и твердыми

телами. Отличие от вязких жидкостей определяется наличием структурной вяз-

кости, а от твердых тел – способностью к значительным необратимым пласти-

ческим деформациям течения. Благодаря наличию внутренних сил взаимодей-

ствия между частицами твердой фазы и воды (сил молекулярного сцепления,

вязкого трения, адсорбционных и капиллярных сил) бетонная смесь приобрета-

ет связность и определенные свойства, характерные для структурированных

вязких жидкостей.

В зависимости от соотношения цементного теста и заполнителя можно

выделить три основные структуры бетонной смеси (рис. 3). 30 % 50 % 70 %

I II III

Рисунок 3 – Типы структур бетонной смеси:

I – смесь с плавающим заполнителем; II – смесь с плотной упаковкой;

III – крупнопористая смесь с недостатком цементного теста

В первой структуре бетонной смеси зерна заполнителя раздвинуты на

значительное расстояние и практически не взаимодействуют между собой, они

оказывают влияние лишь на прилегающую зону цементного теста, а суммарное

их действие пропорционально сдерживанию зерен заполнителя и их удельной

площади.

42

Во второй структуре смеси цементного теста меньше и оно лишь запол-

няет поры между зернами заполнителя с незначительной раздвижкой самих зе-

рен слоем обмазки, толщина которого в местах контакта зерен заполнителя

равна 1–3 средним диаметрам частиц цемента. В этих условиях зоны взаимо-

действия отдельных зерен заполнителя начинают перекрывать друг друга –

возникает трение между зернами заполнителя. Для придания смеси той же по-

движности, что и в структуре I типа, требуется более интенсивное воздействие

или увеличение подвижности цементного теста за счет изменения В/Ц в боль-

шей мере, чем было свойственно структурам I типа.

В третьей структуре бетонной смеси цементного теста мало, оно только

обмазывает зерна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зер-

нами заполняет лишь частично.

Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства

и влияние на них различных факторов. Для структуры I решающее значение

имеют свойства цемента, реологические свойства определяются в соответствии

с зависимостями характерными для вязких жидкостей. Для структуры II возрас-

тает роль заполнителя и трения между его зернами. Для структуры III – особо

сильно влияет заполнитель, реологические свойства должны описываться с

учетом сил внутреннего (сухого) трения.

Границы между структурами условны. Самые распространенные обыч-

ные бетонные смеси относятся ко II типу, они отличаются повышенной эффек-

тивностью, позволяют получать нерасслаиваемые бетонные смеси заданной по-

движности при минимальном расходе цемента. Структура I типа характерна

для цементно-песчаной смеси с повышенным расходом вяжущих, применяемой

для изготовления армоцементных конструкций. Структуру III типа имеют бес-

песчаные бетонные смеси (для крупнопористого бетона) и некоторые тощие со-

ставы строительных растворов.

Структура бетонной смеси, образовавшаяся в процессе ее приготовления,

в последующем при укладке или дальнейшем транспортировании по плохим

дорогам может претерпевать изменения в результате осаждения твердых частиц

43

под действием сил тяжести. Перераспределение твердых частиц по объему бе-

тонной смеси называется расслоением (седиминтацией). При этом различают:

− макрорасслаивание – осаждение крупных тяжелых зерен, в результате

чего уплотняется смесь в нижних частях, а вода отжимается вверх;

− микрорасслаивание – происходит с цементными зернами, развивается в

пустотах между заполнителями.

Большую склонность к расслоению проявляют смеси I типа, меньшую –

II типа. Склонность к расслоению увеличивается с повышением расхода воды и

В/Ц (в литых смесях); ее можно уменьшить, применяя химические добавки

(гидрофобные вещества, стабилизаторы и водоудерживающие добавки) или

минеральные добавки с развитой удельной поверхностью (трепел, золы, микро-

кремнезем и др.).

3.2. Реологические свойства бетонной смеси

Формирование свойств бетона начинается с приготовления, укладки и за-

твердевания бетонной смеси. Эти операции во многом определяют будущее ка-

чество бетона.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладывае-

мость (формуемость) – способность смеси растекаться и принимать заданную

форму, сохраняя монолитность и однородность. Удобоукладываемость опреде-

ляется подвижностью, текучестью бетонной смеси в момент заполнения формы

и пластичностью – способностью деформироваться без разрыва сплошности.

Для описания поведения бетонной смеси в различных условиях исполь-

зуют ее реологические характеристики:

− предельные напряжения сдвига;

− вязкость;

− период релаксации (установление термодинамического равновесия).

Для определения этих свойств применяют специальные вискозиметры.

Подобные испытания выполняют в НИИ. В производственных условиях кон-

44

тролируют подвижность смеси на приборах, позволяющих быстро и просто по-

лучить необходимую характеристику бетонной смеси.

Основное влияние на свойства бетонной смеси оказывает количество и

качество цементного теста, так как именно цементное тесто, являясь дисперс-

ной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой

фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению

связанности системы. Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказыва-

ет расход воды, так как он определяет объем и строение жидкой фазы и разви-

тие сил сцепления, характеризующих связанность и подвижность всей системы.

Цементное тесто относится к так называемым структурированным систе-

мам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью структуры,

создаваемой за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами,

окаймленными тонкими пленками воды. Начальная прочность структуры, или

структурная вязкость цементного теста, зависит от концентрации твердой

фазы в водной суспензии. Под воздействием внешних сил (вибрация, встряхи-

вание, трамбовка, прокатка и др.) первоначальная структура разрушается в ре-

зультате ослабления связи между ее отдельными элементами, возрастает спо-

собность системы к деформациям, увеличивается ее подвижность. После окон-

чания действия внешних сил система возвращается в первоначальное состоя-

ние, восстанавливается начальная прочность структуры, уменьшается подвиж-

ность. Способность структурированных систем изменять свои реологические

свойства после прекращения воздействия называется тиксотропией.

Существенное влияние на структурную вязкость и тиксотропию оказыва-

ет тонкость помола цемента. Сначала с повышением тонкости помола струк-

турная вязкость и коэффициент тиксотропии уменьшаются, при удельной по-

верхности 450–600 м2/кг эти величины имеют минимальное значения, а при

дальнейшем увеличении тонкости помола возрастают, так как увеличиваются

силы внутреннего сцепления за счет действия межмолекулярных и адгезионных

сил и уменьшается толщина водных прослоек.

45

На структурную вязкость влияют крупность заполнителя, соотношение

между песком и щебнем, водой и цементом (В/Ц), водой и твердой фазой (В/Т).

Реологические свойства бетонной смеси не остаются постоянными и под

влиянием физико-химических процессов, протекающих при взаимодействии

цемента и воды, постепенно изменяются: появляется все большее количество

гелеобразных гидратных соединений новообразований, что способствует уве-

личению дисперсности твердой фазы, клеящей способности цементного клея,

повышению вязкости и предельного напряжения сдвигу. Подвижность бетон-

ной смеси постепенно и постоянно уменьшается.

3.3. Технологические свойства бетонной смеси

На практике приходится решать задачи о подборе состава бетон-

ной смеси, наилучшим образом отвечающего данной технологии изготовления

конструкций. Для этого необходимо знать взаимосвязь между составом бетон-

ной смеси и ее реологическими свойствами, или знать технологические харак-

теристики бетонной смеси: показатель жесткости, осадку конуса (подвиж-

ность).

Для определения подвижности, то есть способности бетонной смеси

расплываться под действием собственной массы и связанности бетонной смеси,

служит стандартный конус (рис. 4).

а) б) в) г) д) е)

Рис. 4. Определение подвижности бетонной смеси с помощью конуса:

а) общий вид; б) жесткая смесь; в) малоподвижная; г) подвижная;

д) очень подвижная; е) литая

Укладка бетонной смеси в конус освоена в три слоя, уплотняя бетон-

ную смесь штыкованием до 25 раз каждый слой. ГОСТ 7473-2010 «Смеси бе-

46

тонные. Технические условия» устанавливает 5 марок по удобоукладываемости

(подвижности) подвижных смесей: П1 (осадка конуса составляет 1–4 см); П2

(5–9 см); П3 (10–15 см); П4 (16–20 см); П5 (≥ 21 см).

При малых расходах воды бетонные смеси не показывают осадки конуса,

однако при приложении внешнего силового воздействия такие смеси (в зависи-

мости от расхода воды и состава бетона) обладают различными формованными

свойствами. Такие смеси называют жесткими. Для оценки их свойств исполь-

зуют стандартный вискозиметр Вебе (рис. 5), с помощью которого определяют

растекаемость бетонной смеси при вибрировании.

Рис. 5. Прибор Вебе для определения жесткости бетонной смеси:

1 – форма-цилиндр; 2 – упоры для крепления конуса; 3 – конус; 4 – воронка; 5 – штанга;

6 – направляющая втулка; 7 – втулка для крепления диска; 8 – диск с отверстиями;

9 – штатив; 10 – зажим

Цилиндрический сосуд (1) высотой 200 мм, диаметром 240 мм, на кото-

ром закреплено устройство для измерения осадки бетонной смеси в виде

направляющего штатива (9), штанги (5) и металлического диска толщиной 4 мм

с шестью отверстиями, помещают в металлическую форму-конус (3) с насадкой

(4) для наполнения бетонной смесью. Размеры формы-конуса такие же, как при

определении подвижности бетонной смеси. Форму-конус с помощью кольца-

держателя (2) закрепляют в приборе и заполняют 3 слоями бетонной смеси,

47

уплотняя ее штыкованием (25 раз каждый слой). Затем снимают воронку (4) и

после заглаживания поверхности бетонной смеси снимают форму-конус, пово-

рачивают штатив, устанавливают на поверхности бетонной смеси диск и вклю-

чают виброплощадку. Вибрирование при амплитуде 0,5 мм продолжают до тех

пор, пока не начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска.

Полученное время вибрирования – показатель жесткости бетонной смеси.

ГОСТ 7473-2010 устанавливает 5 марок по удобоукладываемости жест-

ких смесей (в секундах): Ж1 (5–10); Ж2 (11–20); Ж3 (21–30); Ж4 (31–50); Ж5

(˃ 50).

В лабораториях иногда используют упрощенный способ определения

жесткости бетонной смеси, предложенный Б.Г. Скрамтаевым. В обычную ме-

таллическую форму для приготовления кубов размером 20×20×20 см вставляют

стандартный конус. Наполняют конус в три слоя, уплотняют штыковкой (25 раз

каждый слой). После снятия металлического конуса бетонную смесь подверга-

ют вибрации на лабораторной виброплощадке. Вибрация длится до тех пор, по-

ка бетонная смесь не заполнит всех углов куба и ее поверхность станет гори-

зонтальной. Продолжительность вибрации в секундах принимают за меру

жесткости (удобоукладываемости) бетонной смеси. Но нужно учитывать, что

показатель жесткости, определенный на стандартном вискозиметре, примерно в

1,5–2 раза меньше этого показателя, полученного по способу Скрамтаева, а пе-

реходный коэффициент к показателю на установке Вебе принимают равным 0,7

(ГОСТ 10181-2000).

Для литой смеси, определяющим показателем которой является ее тече-

ние без вибрации под действием силы тяжести, консистенцию смеси определя-

ют по скорости ее истечения из прибора, состоящего из металлического короба

сечением 10×10 см и высотой 40 см, имеющего в нижней боковой поверхности

отверстие 10×10 см с шибером. Смесь укладывается на высоту 30 см тремя сло-

ями со штыкованием. Затем на поверхность устанавливают диск со штангой и

открывают выпускное отверстие, через которое вытекает бетонная смесь.

48

3.4. Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от

различных факторов

Технологические свойства бетонной смеси определяются ее составом и

свойствами используемых материалов. На подвижность и жесткость бетон-

ной смеси влияют следующие факторы:

1. Количество цементного теста. Чем выше содержание цементного теста,

тем больше подвижность бетонной смеси. Если цементного теста взять только в

количестве, необходимом для заполнения пустот между заполнителями, то бе-

тонная смесь получается жесткой, неудобоукладываемой. Для того чтобы смесь

стала подвижной, следует не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна

заполнителя прослойками из цементного теста. Минимальное содержание це-

ментного теста в бетонной смеси, обеспечивающее ее нерасслаиваемость и ка-

чественное уплотнение, составляет от 170–200 л в жесткой смеси,

до 220–270 л – в подвижной и литой смесях.

2. Консистенция цементного теста. Чем более жидкой является конси-

стенция цементного теста, тем больше подвижность бетонной смеси.

3. Заполнители. Введение в цементное тесто заполнителя уменьшает по-

движность бетонной смеси и тем больше, чем выше содержание заполнителя,

его удельная поверхность и пористость. С увеличением крупности заполнителя

подвижность возрастает, а пыль, глинистые и другие загрязняющие примеси

снижают подвижность.

4. Вода. С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси

увеличивается. Однако каждая бетонная смесь обладает определенной водо-

удерживающей способностью, поэтому при большем содержании воды часть ее

отделяется от бетонной смеси (расслоение), что недопустимо. Изменение со-

держания воды – главный фактор, с помощью которого регулируют консистен-

цию бетонной смеси.

5. Расход цемента. При изменении расхода цемента в бетонной смеси от

200 до 400 кг/м3 при постоянном расходе воды изменения подвижности бетон-

ного теста очень малы, и практически их можно не учитывать, принимая по-

49

движность постоянной. Подвижность смеси изменяется только при изменении

расхода воды. Эта закономерность получила название закона постоянства во-

допотребности. Он позволяет в расчетах использовать упрощенную зависи-

мость подвижности бетонной смеси от расхода воды. Объясняется это следую-

щим образом: увеличение содержания цемента в бетонной смеси повышает

толщину обмазки зерен заполнителя цементным тестом, что должно увеличить

подвижность смеси по причине увеличения количества цементного теста. Но при

увеличении расхода цемента и при постоянном расходе воды уменьшается В/Ц,

что должно уменьшить подвижность смеси. Влияние этих факторов суммиру-

ется таким образом, что изменение расхода цемента в указанных пределах не

влияет на подвижность бетонной смеси. Дальнейшее увеличение расхода це-

мента сверх указанных пределов снижает подвижность бетонной смеси.

6. Свойства цемента. Применение цемента с более высокой нормальной

густотой понижает подвижность бетонной смеси при постоянном расходе воды.

Бетонные смеси на пуццолановом портландцементе имеют значительно мень-

шую осадку конуса (подвижность), чем смеси на обычном портландцементе.

7. Водоцементное отношение. При одинаковом расходе цементного теста

с понижением В/Ц подвижность бетонной смеси уменьшается, а при увеличе-

нии В/Ц – повышается. При правильном подборе В/Ц получают необходимую

удобоукладываемость бетонной смеси при минимальном расходе цемента.

8. Соотношение между песком и щебнем (П/Щ). Наилучшая подвижность

достигается при некотором оптимальном соотношении П/Щ, при котором тол-

щина прослойки цементного теса максимальная. При содержании песка в смеси

заполнителей сверх этого значения бетонная смесь делается менее подвижной,

так как увеличивается суммарная поверхность смеси заполнителей.

9. Добавки пластификаторов и суперпластификаторов позволяют повы-

сить подвижность бетонной смеси и уменьшить ее водопотребность. В жестких

бетонных смесях эффективность действия пластификатора и суперпластифика-

тора уменьшается, так как количество воды оказывается недостаточным для

обеспечения их действия.

50

4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ БЕТОНА

4.1. Формирование структуры бетона

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания)

бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на

ее формирование оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.

Выделено три периода гидратации:

1. В начальный период при смешивании цемента с водой в процессе гид-

ролиза C3S выделяется Ca(OH)2, образуя пересыщенный раствор. В этом рас-

творе находятся ионы сульфата гидрооксида и щелочей, небольшое количество

кремнезема, глинозема и железа. Высокая концентрация ионов кальция Ca++ и

сульфат-ионов SO2– наблюдается непродолжительное время после затворения

цемента водой, т.к. в течение нескольких минут из раствора начинает осаждать-

ся первые новообразования – гидрооксид кальция Ca(OH)2 и эттрингит

(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O).

2. Примерно через час начинается образование очень мелких гидросилика-

тов кальция. В реакции принимают участие лишь поверхностные слои зерен це-

мента. Вновь образующиеся гидратные фазы (цементный гель) характеризуются

очень тонкой гранулометрией, в первую очередь, появляются на поверхности

цементных зерен. С увеличением количества новообразований и плотности их

упаковки пограничный слой становится малопроницаем для воды примерно в

течение 2–6 ч. Это «скрытый» или индукционный период гидратации цемента, в

течение которого цементное тесто представляет собой плотную суспензию. По-

верхностные оболочки цементных зерен постепенно поглощают воду, толщина

водных прослоек между зернами уменьшается, постепенно понижается подвиж-

ность теста и бетонной смеси. В гелиевых оболочках появляется осмотическое

давление. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с водой, стремятся рас-

шириться. В результате наступает разрушение гелиевых оболочек, облегчается

доступ воды вглубь цементных зерен, ускоряется процесс гидратации цемента.

3. Характеризуется началом кристаллизации Ca(OH)2 из раствора, кото-

рая происходит очень интенсивно. Одновременно образуются кристаллы гид-

51

росиликата кальция и длинные волокна эттрингита. Волокна новообразований

проходят через поры и разделяются на более мелкие и создают пространствен-

ную связь, усиливая сцепления между гидратными фазами и зернами цемента.

С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосред-

ственные контакты, число их увеличивается – цементное тесто схватывается,

затвердевает, образуется цементный камень.

Со временем образовавшаяся жесткая структура постепенно уплотняется,

объем пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между

новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелиевые оболочки на зернах

цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель с включением непрореаги-

ровавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность це-

ментного камня и бетона (рис. 6).

а) б) в) г) Рис. 6. Схема процесса преобразований в структуре цементного теста и камня

при гидратации цемента: а) цементные зерна в воде – начальный период гидратации;

б) образование гелиевой оболочки на цементных зернах – скрытый период гидратации;

в) вторичный рост гелиевой оболочки после осмотического разрушения первоначальной

оболочки, образование волокнистых и столбчатых структур на поверхности зерен

и в порах цементного камня; г) уплотнение структуры цементного камня

при последующей гидратации цемента

При твердении портландцемента в течение 6 месяцев химически связыва-

ется 10–11 % воды по отношению к массе цемента, а при полной гидратации

количество связанной (в лабораторных условиях) воды составляет 20–25 % (это

максимум); при расчетах состава бетонов принимают 15 % (иногда 10 %).

52

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объема

его разных фаз. В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом,

приобретает регулярную структуру, и общий объем системы цемент – вода

уменьшается (6), в то время как объем твердой фазы (3) за счет присоединения

воды увеличивается (рис. 7).

Рис. 7. Изменение объема твердой и жидкой фазы в системе цемент – вода при гидратации

цемента (при В/Ц менее 0,5):

1 – объем негидратированного цемента; 2 – первоначальный объем воды;

3 – объем твердой фазы гидратированного цемента; 4 – объем гелиевой воды;

5 – объем контракционных пор; 6 – объем цементного геля вместе с порами

Гидратированный цемент занимает объем в 2,1–2,2 раза больший, чем

объем цемента до гидратации, но меньший, чем суммарный объем цемента и

связанной воды. Уменьшение объема системы цемент – вода в процессе гидра-

тации получило название контракции. По величине контракции можно следить

за протеканием процесса гидратации цемента и структурообразованием бетона.

Вода в порах геля прочно удерживается поверхностными силами и по-

этому не может быть использована для гидратации еще негидратированного

цемента. Объем воды, физико-химически связанной поверхностью геля, при-

мерно равен объему химически связанной воды и составляет в среднем около

50 % от массы цемента. Поэтому, если при твердении бетона не имеется досту-

па воды извне, то для полной гидратации цемента необходимо В/Ц более 0,5.

При твердении в воде полная гидратация цемента происходит при В/Ц равном

0,5–0,38, а при В/Ц менее 0,38 в цементном камне отсутствуют капиллярные

53

поры (рис. 8). Он весь состоит из цементного геля, в котором обязательно со-

храняются остатки негидратированного цемента. Эти остатки способствуют

уплотнению материала и повышению его прочности.

Рис. 8. Изменения состава цементного камня после полной гидратации цемента

в зависимости от В/Ц: 1 – негидратированный цемент; 2 – цементный гель;

3 – капиллярная вода (поры)

4.2. Влияние заполнителя на формирование структуры бетона

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает

заполнитель. Введенный в цементное тесто, он вследствие проявления поверх-

ностных сил сокращает период формирования структуры. Заполнитель оказы-

вает заметное влияние на структурообразование бетона после затвердения по-

следнего. Заполнитель создает жесткий каркас, упрочняющий структуру на

первой стадии ее формирования, а взаимодействие цемента с водой и его твер-

дение происходит в тонких прослойках между зернами заполнителя при посто-

янном взаимодействии с ним. Заполнитель повышает водоудерживающую спо-

собность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует

образованию кристаллического каркаса цементного камня, влияет на изменение

температуры и влажности в твердеющем цементном камне.

Бетонная смесь должна укладываться до начала схватывания. Воздей-

ствие на нее после схватывания приводит к нарушению структуры и снижению

прочности бетона.

54

В процессе формирования структуры бетона и ее последующего тверде-

ния изменяется не только прочность бетона, но и другие свойства: пористость,

тепловыделение, электропроводность. Возможны объемные изменения: бетон

либо увеличивается, либо уменьшается в объеме. Последнее происходит чаще и

носит название усадки. Все эти изменения более значительны на первоначаль-

ном этапе формирования структуры и особенно в период превращения псевдо-

жидкой структуры бетонной смеси в твердую структуру бетона и постепенно

затухают с возрастом бетона.

Изменения свойств бетона определяются главным образом гидратацией

цемента, поэтому свойства последнего оказывает на эти закономерности реша-

ющее значение. Процесс гидратации является ведущим и определяющим изме-

нения структуры и свойств бетона. Влияние других факторов (состав бетона,

свойства заполнителей и т.д.) вторично, так как они только воздействуют на

процессы гидратации и структурообразования.

4.3. Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому

структуру бетона классифицируют по содержанию цементного камня и его

размещению в бетоне. Но определяющее влияние на свойства бетона оказывает

его плотность (или пористость). В связи с этим целесообразно классифициро-

вать структуру бетона с учетом ее плотности:

1. Плотная структура может иметь:

− «плавающее» расположение заполнителя: зерна находятся на значи-

тельном удалении друг от друга;

− контактное расположение заполнителя: зерна соприкасаются друг с

другом через тонкую прослойку цементного камня. Плотная структура состоит

из сплошной матрицы цементного камня, в которую вкраплены зерна заполни-

теля, достаточно прочно связанные с материалом матрицы.

2. Ячеистая структура – в сплошной среде твердого материала распреде-

лены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек.

55

3. Зернистая структура – совокупность скрепленных между собой зерен

твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна (рис. 9).

а) R2 > Rб > R1 б) R2 > Rб > R1 в) R1 > Rб, R2 = 0 г) R1 > Rб, R2 = 0

Рис. 9. Основные типы макроструктуры бетона:

а) плотная; б) плотная с пористым заполнителем; в) ячеистая; г) зернистая;

Rб – средняя плотность структуры; R1 и R2 – прочность составляющих бетона

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой,

наименьшую – с зернистой, а проницаемость и водопоглащение наименьшие у

плотных и самые большие – у зернистых.

Большое влияние на свойства бетона оказывает размер зерен заполнителя

и пор. В связи с этим различают макроструктуру и микроструктуру. Макро-

структура видима невооруженным глазом (крупный заполнитель, песок, це-

ментный камень, поры), более укрупненная – крупный заполнитель и раствор, в

котором объединяется цементный камень и песок.

Микроструктура видима под большим увеличением (под микроскопом).

Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, кото-

рая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микро-

пор различных размеров, и по своему строению напоминающая бетон (непро-

реагировавшие зерна цемента – как заполнитель), по Юнгу – микробетон.

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяю-

щим его свойства и долговечность, а основной составляющей цементного кам-

ня являются гидросиликаты кальция.

Структура бетона, как правило, изотропна, то есть ее свойства по разным

направлениям примерно одинаковы. Можно придавать (искусственно) и анизо-

56

тропность, когда свойства структуры в одном направлении будут заметно от-

личаться от свойств в другом направлении (бетон на лещадке, фибробетон).

Для различных видов бетона характерна своя структура. Подразделение

на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона

отличается большей сложностью, например, в плотной структуре тяжелого бе-

тона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной струк-

туре легкого бетона поры наблюдаются не только в заполнителе, но и в це-

ментном камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре могут соединяться

между собой капиллярами.

Зависимость прочности бетона от его плотности может быть представле-

на выражением:

где R1 – плотность материала при плотности ρ1;

n – показатель степени, зависящий от структуры материала, колеблется от 2

до 6, в среднем принимают равным 4.

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут зна-

чительно отличаться по своим свойствам. Вблизи зерен заполнителя в резуль-

тате влияния его поверхностных сил микроструктура цементного камня может

несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому

особо рассматривают микроструктуру и свойства контактной зоны между це-

ментным камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного

элемента.

Сама контактная зона, как и основной массив цементного камня, неодно-

родна, в ней содержатся более и менее дефектные места, непрореагировавшие

зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала

(рис. 10).

57

Рис. 10. Элементарная ячейка структуры бетона:

1 – зерна заполнителя; 2 – контактная зона; 3 – зона ослабленной структуры вследствие

седиментации; 4 – воздушные пузырьки; 5 – зона уплотненной структуры;

6 – крупные седиментационные поры

На качество структуры материала влияют: различия в их структуре и

свойствах, распределение по микро- и макрообъемам, в том числе равномер-

ность распределения жидкой и воздушной фазы в первоначально сформирован-

ной структуре бетона (в момент окончания схватывания). При расслоении бе-

тонной смеси при высоких значениях В/Ц или при ее недоуплотнении при низ-

ких В/Ц в бетоне возникают дефекты, которые практически невозможно зале-

чить в процессе последующей гидратации цемента, что ведет к снижению

прочности и долговечности бетона.

Определить границы изменения В/Ц, при которых бетонная смесь и бетон

остаются доброкачественными и не наблюдаются расслоения или недоуплотне-

ния, можно, используя понятие истинного В/Ц (В/Ци = (0,86–1,65)·НГ). Струк-

туру бетона можно улучшить, применяя пластификаторы и суперпластифика-

торы, дисперсные наполнители и микронаполнители, влияющие на НГ цемент-

ного теста. Изменяя сырье, составы и технологию, можно получать разнообраз-

ные структуры и свойства бетона в зависимости от его назначения.

58

5. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА

5.1. Особенности поведения бетона под нагрузкой

Качество бетона и его работы в конструкциях и сооружениях определя-

ются его свойствами. Важнейшее свойство – прочность.

Прочность – механическое свойство материала, выражающееся в его

способности в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротив-

ляться внутренним напряжением и деформациям, возникающим под влиянием

механических, тепловых и других факторов.

Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние

напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез и кручение. Бетон относится к мате-

риалам, которые хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже (в 5–50 раз)

– растяжению. Поэтому строительные конструкции обычно проектируют таким

образом, чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходи-

мости восприятия растягивающих усилий конструкции армируют. В железобе-

тонных конструкциях напряжения растяжения и среза воспринимаются стальной

арматурой, обладающей высоким сопротивлением этим видам нагрузки. Поэтому

одной из важнейших характеристик бетона является его прочность при сжатии.

Разрушение в физическом понимании состоит в отделении частей тела

друг от друга. Дефекты в материале приводят к обеспечению процесса разру-

шения, т.е. понижают прочность материала. При разрушении бетона наблюда-

ется три вида разрушения поверхности (рис. 11):

1. Прочность заполнителя (RЗ) при растяжении выше прочности раствора

(RР) или цементного камня – разрушение происходит по раствору в обход зерен

заполнителя.

2. Прочность заполнителя ниже прочности раствора – разрушение проис-

ходит по раствору и по зернам заполнителя.

3. Прочность зерен заполнителя и прочность раствора близки между со-

бой, и в разных участках структуры более прочными оказываются либо запол-

нитель, либо раствор (смешанный характер разрушения).

59

а) RЗ > RР б) RЗ < RР в) R'З < RР < RЗ

Рис. 11. Характер разрушения бетона:

а) по цементному раствору без разрушения заполнителя;

б) с разрывом зерен заполнителя; в) смешанное разрушение

Задолго до разрушения бетона в нем образуются микротрещины, возни-

кающие из-за неоднородности структуры бетона, поэтому разрушение бетона

происходит постепенно, по мере развития микротрещин отрыва и достижения

определенной предельной деформации.

Большое значение для прочности бетона имеет сцепление цементного

камня с заполнителем, т.е. прочность контактной зоны. Разрушение бетона

начинается с контактного слоя, поэтому ухудшение его свойств резко повыша-

ет вероятность разрыва по дефектным местам и снижает прочность бетона.

5.2. Методика испытаний

Определяемый экспериментально показатель прочности бетона является

характеристикой, которая зависит не только от свойств материала, но и от ме-

тодики испытаний. Поэтому необходимо строго придерживаться соответству-

ющих рекомендаций по методикам испытаний и добиваться максимального

единообразия в их проведении.

Факторы, влияющие на результаты испытаний, условно делят на три

группы: технологические, методические и статистические.

1. Технологические факторы, связанные с приготовлением образцов и их

качеством:

− параллельность граней образца;

− ровность и шероховатость граней;

60

− условия изготовления образцов (способ и время уплотнения);

− расположение образца на плите пресса.

Прочность образцов, испытанных в положении на боку, может быть на

10–20 % ниже, чем при испытании в том положении, в котором образец формо-

вался. Поэтому образцы при испытании нужно располагать в одинаковом по-

ложении. Кубы обычно испытывают в положении на боку, чтобы иметь запас

прочности.

2. Методические факторы – различные аспекты методики испытания:

конструкция и особенности пресса, размеры образца, условия взаимодействия

образца и пресса, скорость нагружения, влажность бетона.

Условия взаимодействия образца и пресса

Между платами пресса и образцом действуют силы трения, в результате

чего поверхность бетонного образца, прилегающего к плитам пресса, имеет

одинаковые с ними деформации. Действие плит пресса, уменьшая деформации

слоев бетона, прилегающих к ним, оказывает на них поддерживающее влияние

и предохраняет от разрушения. Это явление принято называть «эффектом

обоймы». Поэтому кубы бетона имеют характерную форму разрушений, когда

наибольшую деформацию и разрушение наблюдаем в среднем сечении образца,

а образец после испытания представляет две сложенные вершинами усеченные

пирамиды.

Если смазать плоскости соприкосновения образца с плитами пресса, об-

разец раскалывается по вертикальным трещинами вследствие отсутствия под-

держивающего влияния «эффекта обоймы», показатель его прочности снижает-

ся на 20–30 %. Подобные испытания не применяют.

Если между плитами пресса и образцом положить достаточно толстую

прокладку (модуль деформации прокладки превосходит модуль деформации

бетона ЕПР > ЕБ), то в ней возникают растягивающие деформации бетона,

вследствие чего прокладки будут способствовать разрыву бетона, а показатель

прочности контрольных кубов может оказаться на 35–50 % меньше, чем при

испытаниях по стандартной методике (рис. 12).

61

а) б) в)

Рис. 12. Характер разрушения бетонных кубов при различных

условиях испытания (R1 > R2 > R3):

а) обычная схема испытания (пунктиром показана ориентировочная область влияния

«эффекта обоймы»); б) при смазке опорных поверхностей; в) – при применении податливых

прокладок (модуль деформации ЕПР > ЕБ > ЕСТ)

Размер и форма образца

«Эффект обоймы» проявляется только в узком слое бетона, прилегающем

к плитам пресса, поэтому чем больше размер образца, тем меньше проявляется

«эффект обоймы», и при испытании фиксируются меньшие значения прочности

образцов, приготовленных из одного и того же бетона и твердевших в одинако-

вых условиях.

При испытании призм (h > a примерно в 2 раза) показатель прочности бе-

тона будет на 20–30 % меньше, чем прочность кубов. При h/а > 3 уже не наблю-

дается изменение прочности. При проектировании железобетонных конструкций

используют призменную прочность бетона как величину, в наибольшей степени

характеризующую действительную прочность бетона в конструкции.

В слабых и более деформативных бетонах влияние «эффекта обоймы»

уменьшается, поэтому для легких бетонов низких марок можно принимать

прочность бетона кубов разных размеров одинаковой. В значительной мере

структура и прочность бетона влияют и на его призменную прочность. Соот-

ношение призменной прочности и прочности куба может изменяться от 0,6 до

0,9 для тяжелого бетона, и от 0,65 до 1,0 – для легкого бетона.

62

Влажность бетона и скорость нагружения

Большое влияние на прочность бетона может оказать влажность бетона и

скорость нагружения. При медленном нагружении жидкая фаза, передвигаясь

по капиллярам и проникая в устья микротрещин, облегчает деформирование

бетона, развитие трещинообразования и разрушение. С повышением скорости

нагружения передислокация жидкой фазы начинает отставать от скорости тре-

щинообразования, повышается сопротивление жидкой фазы нагрузке, т.е. жид-

кая фаза не только передает давление от нагрузки на стенки пор и капилляров,

но и частично воспринимает его сама, как бы разгружая твердую фазу.

При высокой скорости нагружения жидкая фаза практически не успевает

попасть в устье вновь образующихся микротрещин и повлиять на процесс их

развития. С повышением скорости нагружения уменьшается отрицательное

действие жидкой фазы, и показатель прочности бетона повышается.

Степень этого повышения определяется не только скоростью нагружения,

но и содержанием жидкой фазы в бетоне. Чем выше степень водонасыщения,

тем больше жидкая фаза влияет на свойства бетона. При быстром нагружении

водонасыщенный бетон оказывается прочнее сухого (рис. 13).

Рис. 13. Влияние времени нагружения до разрушения на прочность бетона:

1 – сухого; 2 – водонасыщенного

63

Конструкция и особенности пресса

На результаты испытаний бетонных кубов большое влияние оказывает

жесткость опорных плит пресса и их толщина: при их недостаточности кубы

показывают меньшую прочность.

При применении жестких опорных плит достаточной толщины характер

разрушения соответствует рис. 12, а, а при применении опорных плит недоста-

точной жесткости наблюдается характер разрушения, показанный на рис. 12, в.

Обычно на прессах устанавливают плиты толщиной 10 см. Чтобы уменьшить

влияние плит пресса до допустимой величины, необходимо, чтобы их толщина

была более 0,5 от размера ребра куба.

5.3. Прочность бетона при сжатии

В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно

указывают требования к прочности бетона – его класс или марку. При проекти-

ровании конструкций прочность бетона на сжатие характеризуется классами.

Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с

обеспеченностью 0,95. ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые.

Технические условия» устанавливает 19 классов бетона от В3,5 до В80; для

ячеистых бетонов ГОСТ 25485-89 «Бетоны ячеистые. Технические условия»

устанавливает 12 классов – от В0,5 по В15.

На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона.

Между классом бетона и его средней прочностью имеется зависимость:

(1 ),В R T V= ⋅ − ⋅

где В – класс бетона по прочности, МПа;

R – средняя прочность бетона, которую следует обеспечить при производ-

стве конструкций, МПа;

T – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспе-

ченность класса бетона;

V – коэффициент вариации прочности бетона.

Для перехода от класса бетона к средней прочности бетона, контролиру-

емой на производстве для образцов 15×15×15 см, при нормативном коэффици-

64

енте вариации V = 13,5 % и коэффициенте T = 1,64 при обеспеченности 95 % по

ГОСТ 26633-91 следует применять формулу:

0,778ВR

−

=

Так, например, для бетона класса В25 средняя прочность составит:

25 32,130,778

R МПа−

= =

Средняя прочность (марка) тяжелого бетона определяется пределом

прочности (МПа) при сжатии стандартных бетонных кубов 15×15×15 см, изго-

товленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в

возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (при температуре

15–20 °С, относительной влажности 90–100 %). В строительстве (ГОСТ 26633-91)

используют 17 марок от М50 до М1000. На производстве необходимо обеспе-

чить среднюю прочность или заданную марку бетона. Превышение заданной

прочности допускается не более 15 % (в целях экономии цемента).

Кубы 15×15×15 см применяются, если наибольшая крупность зерен за-

полнителя – 40 мм. Для другой крупности можно использовать кубы иных раз-

меров, но размер ребра куба должен быть примерно в 3 раза больше наиболь-

шей крупности зерен заполнителя. Для определения марки бетона на кубах с

другими размерами вводят переходные коэффициенты (табл. 2), на которые

умножают полученную прочность бетона.

Таблица 2

Переходные коэффициенты для определения марки бетона

Размер куба, см 7×7×7 10×10×10 15×15×15 20×20×20

Коэффициент 0,85 0,95 1 1,05

Прочность бетона в определенный срок при твердении в нормальных

условиях зависит главным образом от прочности (активности) цемента и В/Ц:

повышается с увеличением прочности цемента и уменьшением водоцементного

отношения. Эта зависимость выражена формулой:

65

281,5

,( )

ЦRR ВК

Ц

=

где R28 – предел прочности бетона при сжатии в 28-суточном возрасте нормаль-

ного твердения; кг/см2;

RЦ – активность цемента, т.е. 28-суточная прочность цементного раствора в

трамбованных образцах естественного твердения;

К – коэффициент, для щебня равный 3,5, для гравия – 4;

В/Ц – отношение расхода воды к расходу цемента по массе.

Эта расчетная формула предложена Беляевым на основании закона В/Ц,

установленного в 1895 г. профессором Петербуржской военно-инженерной

академии И.Г. Малюгой, и выраженного графической зависимостью RБ = f

(В/Ц), из которой следует, что прочность бетона не зависит от его состава,

а определяется величиной В/Ц. Максимальной прочности соответствует опти-

мальное значение В/Ц. С увеличением его В/Ц увеличивается количество сво-

бодной воды, не участвующей в структурообразовании, и она испаряется,

оставляя поры, снижающие прочность тем значительнее, чем больше величина

В/Ц; с уменьшением В/Ц возникает недоуплотнение бетонной смеси, сохраня-

ются поры, снижающие прочность бетона тем значительно, чем меньше вели-

чина В/Ц. Только при оптимальном значении В/Ц бетон имеет слитное строе-

ние с минимальной пористостью и обладает наибольшей прочностью (рис. 14).

Рис. 14. Зависимость прочности бетона от В/Ц при обычных (1) и оптимальных (2)

структурах. Величины RО и В/ЦО – при оптимальной структуре бетона

66

В практических целях формуле Абрамса–Беляева придали выражение

прямой зависимости, приняв вместо В/Ц обратную величину – Ц/В:

( 0,5),Б ЦЦR А RВ

= ⋅ ⋅ ±

где RБ – прочность бетона в возрасте 28 суток, МПа;

RЦ – активность цемента в возрасте 28 суток, МПа;

А – коэффициент заполнителей, принимаемый здесь за 0,6 (среднее значе-

ние).

При введении нового ГОСТа на испытание цемента (переход с жесткого

раствора на подвижный) была проведена большая коллективная работа рядом

научно-исследовательских институтов и крупных строительных лабораторий

по испытанию различных составов бетонов, изготовленных на разных цементах

разных заводов и большом количестве разновидностей крупного и мелкого за-

полнителей. Опыты подтвердили, что при значении Ц/В от 1,4 до 2,5 существу-

ет прямая линейная зависимость между прочностью бетона, активностью це-

мента и цементно-водным отношением, а формула Боломея–Скрамтаева сего-

дня имеет уточненный вид:

для бетонов с В/Ц ≥ 0,4 (или Ц/В ≤ 2,5):

( 0,5);Б ЦЦR А RВ

= ⋅ ⋅ −

для бетонов с В/Ц ≤ 0,4 (или Ц/В ≥ 2,5):

( 0,5).Б ЦЦR А RВ

= ⋅ ⋅ +

При В/Ц = 0,4:

1( 0,5) ( 0,5)Ц ЦЦ ЦА R А RВ В

⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ +

Значения коэффициентов А и А1 принимаются в зависимости от качества

используемых материалов для бетона (табл. 3).

67

Таблица 3

Значения коэффициентов заполнителей

Материалы для бетона А

(подвижность)

А1

(жесткость)

Высококачественные (заполнители прочные, чи-

стые, фракционные, ПЦ высокой активности) 0,65 0,43

Рядовые (заполнители среднего качества, в том

числе гравий, ПЦ средней активности или ШПЦ) 0,6 0,4

Пониженного качества (крупные заполнители низ-

кой прочности и мелкие пески, цемент низкой ак-

тивности)

0,55 0,37

В коллективном эксперименте было изучено также влияние пропарива-

ния на прочность бетона в следующем режиме: 2 ч – нагрев, 3 ч – подъем тем-

пературы до заданной, 8 ч – выдержка, 4 ч – отключение и снижение темпера-

туры. Испытывали в возрасте 1 суток. Результаты полученной средней прочно-

сти образцов при сжатии после пропаривания, выраженной в процентах от мар-

ки бетона (R28), представлены в табл. 4.

Таблица 4

Прочность при сжатии образцов после пропаривания

В/Ц 0,3 0,4 0,5 0,6-0,7

Предел прочности при сжатии, % от R28 81 75 71 63

На основании этих данных прочность бетона в ЖБК, подвергающихся

пропариванию, можно ориентировочно рассчитать по приведенным выше фор-

мулам, умножая полученную прочность бетона в возрасте 28 суток на 0,7.

5.4 Прочность бетона на растяжение при изгибе

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов,

устанавливаются марки бетона по прочности на растяжение при изгибе, кото-

рые определяют путем испытания образцов – балочек квадратного сечения – и

вычисляют на формуле:

68

2 ,изг WF lR Ka b

a ⋅= ⋅ ⋅

⋅

где F – разрушающая нагрузка, Н; a – ширина образца, см;

b – высота поперечного сечения призмы, см;

l – расстояние между опорами, мм;

α – масштабный коэффициент, принимается в зависимости от размеров

квадратного сечения образца: 10×10 см (α = 0,92); 15×15 см (α = 1);

20×20 см (α = 1,15); 7×7 см (α = 0,86).

Прочность при изгибе в несколько раз меньше предела прочности при сжа-

тии. По ГОСТ 26633-91 установлено 19 марок бетона по пределу прочноcти при

изгибе от Рtв5 по Рtв100 и 19 классов на растяжение при изгибе от Вtв0,4 по Вtв8,0.

Прочность при изгибе (Rизг) зависит от тех же факторов, что и прочность при сжа-

тии (Rсж), но соотношение Rсж/Rизг повышается с увеличением Rсж (рис. 15).

Эта зависимость может быть выражена формулой:

' ( / 0, 2),изг П ЦR А R Ц В= ⋅ ⋅ −

где Rизг – предел прочности при изгибе, МПа;

'ЦR – активность цемента при изгибе, МПа;

АП – коэффициент, равный: для высококачественных материалов – 0,42; для

рядовых сырьевых материалов – 0,4; для материалов пониженного качества

– 0,37.

Рис. 15. Зависимость прочности бетона при изгибе (1) и растяжении (2)

от прочности при сжатии

69

С увеличением возраста бетона его Rизг и прочность при растяжении

(Rраст) возрастает медленнее, чем Rсж, и соотношение Rраст / Rсж уменьшается

(рис. 16).

Рис. 16. Зависимость отношения предела прочности при растяжении к пределу прочности

при сжатии (Rρаст / Rсж) от возраста бетона

5.5. Однородность бетона по прочности

Качество бетона нельзя оценить только его средней прочностью.

На практике всегда наблюдаются отклонения от этой величины. Колебания ак-

тивности цемента, его нормальной густоты, минералогического состава,

свойств заполнителей, дозировки материалов, режимов перемешивания и твер-

дения – все это приводит к неоднородности структуры бетона. Соответственно,

будут колебаться и показатели свойств бетона: прочность, плотность, проница-

емость, морозостойкость и др. Поэтому качество бетона определяется не только

его средней прочностью, но и его однородностью, которая оценивается по ко-

эффициенту вариации прочности.

Мы уже рассматривали, что класс прочности бетона связан с его средней

прочностью:

(1 ),В R T V= ⋅ − ⋅

где В – класс бетона по прочности, МПа;

R – средняя прочность бетона, которую следует обеспечить при производ-

стве конструкций, МПа;

T – коэффициент обеспеченности класса бетона;

V – коэффициент вариации прочности бетона.

70

При изменении коэффициента вариации определенному классу по проч-

ности бетона будет соответствовать различная средняя прочность. С уменьше-

нием V будет уменьшаться и величина средней прочности. Например, для обес-

печения класса В20 при V = 13,5 % требуется средняя прочность:

20 20 20 25,681 1 1,64 0,135 1 0,2214 0,7786

BR МПаT V

−

= = = = =− ⋅ − ⋅ −

,

а при V = 7 %:

20 20 20 22,591 1,64 0,07 1 0,1148 0,8852

R МПа−

= = = =− ⋅ −

или 222,59 230,50,098

кгссм

=

В качестве характеристики однородности бетона используют средний ко-

эффициент вариации прочности (Vп) по всем партиям за анализируемый период

(ГОСТ 18105-86).

Прочность бетона в партии, МПа:

1 ,n

im

RRn

∑=

где Ri – единичное значение прочности бетона (средняя прочность бетона в од-

ной серии образцов), МПа;

n – общее число единичных значений прочности бетона в партии.

Продолжительность анализируемого периода для определения характе-

ристик однородности устанавливают от одной недели до двух месяцев. Число

единичных значений прочности бетона за этот период должно быть более 30.

По результатам испытания вычисляют среднеквадратическое отклонение (Sm)

и коэффициент прочности (Vm) для всех видов нормируемой прочности бетона:

2

1( )

,1

n

i mi

m

R RS

n=∑ −

=−

где Sm – среднеквадратическое отклонение;

Ri – единичное значение прочности бетона МПа;

Rm – прочность бетона в партии, МПа;

n – общее число единичных значений прочности бетона в партии.

71

Коэффициент вариации прочности бетона в партии, %:

100%m

mmV S

R⋅=

Средний коэффициент вариации прочности бетона за анализируемый пе-

риод:

,1

1

,

N

m i ii

n N

ii

V nV

n=

=

∑ ⋅=

∑

где Vm,i – коэффициенты вариации прочности бетона в каждой i-ой из N прокон-

тролированных в течение анализируемого периода партий бетона;

ni – число единичных значений прочности бетона в каждой i-ой из N партий

бетона, проконтролированных в течение анализируемого периода;

i

n

in

1=∑ – общее число единичных значений прочности бетона за анализируе-

мый период (должно быть не менее 30).

Согласно ГОСТ 18105-86, приемка бетона путем сравнения его фактиче-

ской прочности с нормируемой без учета характеристик однородности прочно-

сти не допускается.

По коэффициенту вариации прочности бетона можно судить о стабиль-

ности качества бетона, выпускаемого предприятием. Чем ниже показатель Vm,

тем стабильнее качество бетона. ГОСТ 18105 устанавливает 11 значений Vn: от

6 до 16 %.

Нормативный коэффициент вариации – 13,5 %. Предприятия, имеющие

по отчетности Vm < 13 %, могут отпускать бетонные смеси и бетоны с показате-

лем более низким, чем требуется по нормативным документам, что, в конечном

счете, позволяет экономить цемент.

72

6. ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят

объемные изменения, возникают деформации материала, которые необходимо

учитывать при проектировании конструкций. Деформации бетона можно раз-

делить на следующие виды:

1. Первоначальная усадка бетонной смеси.

2. Усадка и расширение бетона, возникающие под действием физико-

химических процессов, протекающих в бетоне.

3. Деформации от кратковременного воздействия нагрузок (упругость бе-

тона).

4. Деформации от длительного действия нагрузок (ползучесть бетона).

5. Температурные деформации бетона.

6.1. Первоначальная усадка бетонной смеси

После укладки бетонной смеси в пластичных и литых смесях может про-

исходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее

уплотнение с изменением объема в первые 30–90 мин. Жесткие бетонные смеси

имеют меньшие величины первоначальной усадки. Первоначальная усадка

уменьшается:

− со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода

цементного теста;

− при применении тонкомолотых добавок (трепел, диатомит, метилцел-

люлоза);

− при высоком содержании крупного заполнителя;

− при применении густого армирования и узких форм.

Деформации первоначальной усадки влияют на окончательные размеры

изделия и качество его открытых поверхностей.

73

6.2. Усадка бетона

Наиболее значительные изменения объема бетона проявляются при твер-

дении его в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды,

получившие название усадки бетона. При твердении в воде или во влажных

условиях уменьшение объема бетона может не происходить, а в ряде случаев

наблюдается даже его незначительное расширение.

Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходя-

щими в бетоне при твердении и изменении его влажности. Суммарная величина

деформаций усадки складывается из: влажностной, контракционной и карбони-

зационной деформаций.

Влажностная усадка вызывается изменением распределения, переме-

щением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня (са-

мая значительная в суммарной усадке бетона).

Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований

цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в

реакцию. Развивается в период интенсивного протекания химических реакций

между цементом и водой, когда бетон еще достаточно пластичен, и поэтому не

сопровождается растрескиванием материала, т.к. происходят изменения в его

поровой структуре: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают

воздушные поры.

Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией Са(ОН)2 и разви-

вается постепенно с поверхности бетона в глубину.

Влажностная и карбонизационная усадки могут привести к возникнове-

нию трещин в бетоне (вдоль стержней арматуры, в изделиях с большой откры-

той поверхностью).

Усадка бетона увеличивается:

− при повышении содержания цемента и воды;

− при применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и по-

ристых заполнителей;

− при быстром высыхании бетона, особенно с поверхности.

74

6.3. Деформации бетона при кратковременном нагружении

Деформации бетона при приложении нагрузки зависят от его состава,

свойств составляющих материалов и вида напряженного состояния. О дефор-

мативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю де-

формации, т.е. по отношению напряжения к относительной деформации, вы-

зываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформати-

вен материал.

Для расчета железобетонных конструкций важна зависимость модуля де-

формации от прочности бетона. Ориентировочно средние значения модуля де-

формации можно определить по формуле:

28

10000036001,7

БЕ

R

=+

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под

нагрузкой имеют величины предельных деформаций, при которых начинается

разрушение бетона. Предельная сжимаемость бетона изменяется в пределах

0,0015–0,003, увеличиваясь с повышением прочности бетона. Предельная рас-

тяжимость бетона составляет 0,0001–0,0015, т.е. в 15–20 раз меньше его пре-

дельной сжимаемости.

6.4. Деформации ползучести

Под ползучестью бетона понимают его способность деформироваться

во времени при длительном действии постоянной нагрузки. На ползучесть бе-

тона влияют: расход и вид цемента, В/Ц, вид и крупность заполнителя, степень

уплотнения бетона, степень гидратации цемента к моменту приложения

нагрузки, температура и влажность окружающей среды, размеры образца. Пол-

зучесть бетона возрастает при: увеличении расхода цемента и В/Ц, уменьшении

наибольшей крупности зерен заполнителя и при применении пористых запол-

нителей.

Исходная мера ползучести для бетона на обычном ПЦ: Со=15,2∙10-7 см2/Н,

на высокопрочном цементе – Со= 10,2∙10-7 см2/Н.

75

6.5. Температурные деформации

Бетон расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. В сред-

нем коэффициент линейного расширения бетона (α) составляет 10∙10-6. С уве-

личением содержания цементного камня α возрастает (αц.к. = 13,1∙10-6); заполни-

тели снижают α (αбет.керамзит = 9,8∙10-6).

Температурные деформации бетона близки к температурным деформаци-

ям стали, что обеспечивает их надежную совместную работу в железобетоне

при различных температурах окружающей среды.

При замерзании влажного бетона существенное влияние на его деформа-

ции оказывает образование льда в порах и капиллярах, и вместо деформации

сжатия наблюдаются деформации расширения, вызываемые давлением образу-

ющегося льда.

76

7. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

7.1. Плотность бетона

Различают плотность бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона.

Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной, если она правильно

рассчитана, хорошо уплотнена и не содержит вовлеченного воздуха.

Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивают коэффициен-

том уплотнения: 1

1 ,дупл

р

ρκρ

= ,

где 1дρ и 1

рρ – действительная и расчетная плотность бетонной смеси.

Из-за воздухововлечения при виброуплотнении κупл = 0,96–0,98.

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связан-

ном состоянии (к 28 дням – примерно 15 % от массы цемента). Остальная вода

остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бы-

вает абсолютно плотным.

Пористость бетона (в процентах) можно определить по формуле:

100%,1000

В ЦП ω− ⋅= ⋅

где В и Ц – расходы воды и цемента, кг/м3;

ω – содержание химически связанной воды, 28 0,15.ω =

Плотность бетона является его важнейшим свойством, определяющим

прочность, непроницаемость и долговечность бетона.

7.2. Проницаемость бетона

Для практики наибольшее значение имеет водопроницаемость бетона, ко-

торая зависит от его пористости, структуры пор и капилляров, свойств вяжуще-

го и заполнителей. Микропоры (размером 10-6 м и менее) практически непро-

ницаемы для воды, а макропоры (более 10-6 м) доступны для фильтрации воды,

которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности или

осмотического эффекта.

77

Макропористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличении

степени гидратации цемента, уменьшении воздухововлечения, применении хи-

мических добавок, уплотняющих структуру бетона. С увеличением возраста

бетона уменьшается проницаемость бетона.

Проницаемость бетона можно оценивать коэффициентом проницаемо-

сти (фильтрации), который измеряется количеством воды (В), прошедшей че-

рез 1 см2 образца в течение 1 ч при постоянном давлении: 3

21 2

, ,( )прВ смК

А t см сρ ρ=

⋅ ⋅ − ⋅

где А – площадь образца, см2;

t – время, с;

( )21 ρρ − – градиент давления.

В качестве технической характеристики водопроницаемости бетона при-

нята обратная величина, т.е. водонепроницаемость, характеризуемая маркой.

Марка по водонепроницаемости – это минимальная величина давления воды,

при котором в стандартных условиях и на стандартных образцах отмечается

проникание воды (цилиндры диаметром 15 см и высотой 1,5 см). Марки уста-

новлены от W2 до W20 с интервалом в 2 единицы (2 кгс/см2 или 0,2 МПа).

От степени водонепроницаемости зависят коррозионная стойкость, моро-

зостойкость, долговечность (длительная прочность) бетона.

7.3. Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью (Мрз) бетона понимают его способность в

насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замо-

раживание и оттаивание. Критерием Мрз является количество циклов, при ко-

тором среднее значение прочности на сжатие уменьшилось не более 5 %. Это

количество циклов определяет марку бетона по Мрз. Для тяжелого и мелкозер-

нистого бетона существует 11 марок по Мрз: от F25 по F1000.

Способы повышения Мрз бетона:

1. Повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их про-

никаемости для воды, снижение В/Ц, применение гидрофобизующих стенки

78

пор добавок, пропитка специальными составами (кольматация – наполнение

пор составами).

2. Создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих до-

бавок резервного объема воздушных пор (более 20 % от объема замерзающей

воды), не заполняемых при обычном водонасыщении бетона, но доступных для

проникания воды под давлением, возникающем при ее замерзании. Воздушные

поры должны быть как можно меньшего размера, т.к. это позволяет уменьшить

их общий объем и способствует повышению Мрз бетона при наименьшем сни-

жении его прочности вследствие воздухововлечения.

7.4. Теплофизические свойства бетона

К теплофизическим свойствам бетона относят теплопроводность, тепло-

емкость и температурные деформации, огнестойкость, огнеупорность (жаро-

стойкость).

Теплопроводностью называют свойство материала передавать тепло от

одной поверхности к другой. Теплопроводность материала характеризуется ко-

личеством теплоты (в джоулях), проходящей через стенку толщиной 1 м и

площадью 1 м2 при перепаде температур на противоположных поверхностях в

1 °С в течение 1 ч. Величина теплопроводности обозначается λ, Вт/(м·°С), зави-

сит от структуры бетона, его плотности, пористости, влажности и температуры.

Структура бетона включает твердую фазу и систему воздушных пор.

Теплопроводность твердой фазы составляет 1,2–1,4 Вт/(м·°С), воздуха –

0,023 Вт/(м·°С), поэтому чем больше воздушная пористость бетона (или ниже

его плотность), тем ниже его теплопроводность. При заполнении пор влагой

теплопроводность бетона возрастает, так как λводы = 0,58 Вт/(м·°С), т.е. в 25 раз

выше λ воздуха. При замораживании бетона его теплопроводность возрастает

еще в большей степени, так как λльда = 2,3 Вт/(м·°С), что в 4 раза больше λводы.

С повышением температуры λ бетона несколько увеличивается. Бетон с

очень мелкими закрытыми порами имеет более низкую λ, чем с крупными по-

рами (эффект отсутствия передачи тепла конвенцией).

79

Теплоемкость – физическое свойство, характеризующееся способностью

материала аккумулировать теплоту при нагревании. Оценивается удельной теп-

лоемкостью, которая обозначает количество теплоты, необходимое для нагре-

вания 1 кг материала на 1 °С. Удельная теплоемкость (или коэффициент тепло-

емкости), обозначаемая как С, определяется по формуле:

2 1

, ,( )Q ДжС

m t t кг С=

⋅ − ⋅°

где Q – количество теплоты, затраченное на нагревание материала, Дж;

m – масса материала, кг;

2 1( )t t− – разность температур после и до нагревания, °С.

Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от

его состава, структуры и плотности и меняется в пределах (0,75–

1,1)∙103 Дж/кг·°С. Вода имеет более высокую теплоемкость – 4,19∙103 Дж/кг·°С,

поэтому с повышением содержания воды в бетонной смеси или влажности бе-

тона их теплоемкость возрастает.

Температурные деформации рассматривались в разделе 6.5.

Огнестойкость бетона – сопротивляемость его кратковременному дей-

ствию огня при пожаре. Бетон относится к числу огнестойких материалов.

Вследствие сравнительно малой теплопроводности бетона кратковременное

воздействие высоких температур не успевает вызвать значительные нагревания

бетона и находящейся под защитным слоем арматуры. Значительно опаснее по-

ливка сильно разогретого бетона холодной водой при тушении пожара, она

неизбежно вызывает образование трещин, разрушение защитного слоя и обна-

жение арматуры при продолжающемся действии высоких температур.

Под жаростойкостью понимают стойкость бетона при длительном и

постоянном действии высоких температур в условиях эксплуатации тепловых

агрегатов (жароупорный бетон). В таких условиях обычный бетон на ПЦ не

пригоден к эксплуатации при температуре выше 250 °С, поскольку при темпе-

ратуре 250–300 °C происходит снижение прочности из-за разложения Са(ОН)2

и разрушения структуры цементного камня. При температуре выше 550 °C зер-

80

на кварца в песке и гранитном щебне начинают растрескиваться вследствие пе-

рехода кварца в другую модификацию (тридимит), что связано со значитель-

ным увеличением объема зерен кварца и образованием микротрещин в местах

соприкосновения зерен заполнителя и цементного камня.

81

8. КОРРОЗИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

8.1. Особенности воздействия агрессивных сред на бетон и железобетон

Коррозия бетона и железобетона – разрушение их в результате воздей-

ствия внешней среды или химического и физико-химического взаимодействия

компонентов бетона. В процессе коррозии могут повреждаться как бетон, так и

стальная арматура и металлические закладные изделия. Коррозия развивается с

различной скоростью в зависимости:

− от характера агрессивной среды;

− ее агрегатного состояния (твердая, жидкая, газообразная);

− химического состава и концентрации агрессивных веществ;

− влажности и температуры окружающей среды;

− скорости подвода к поверхности агрессивных веществ и удаления про-дуктов коррозии;

− особенностей бетона (вещественного состава, проницаемости) и стали;

− особенностей железобетонной конструкции (формы, толщины, величи-ны защитного слоя, наличия допускаемых расчетом трещин, вида армирования, напряженного состояния);

− характера физического воздействия на бетон и железобетон (нагрев и замораживание, нагрузки пр.).

8.2. Виды коррозии бетона в жидкой агрессивной среде

Согласно классификации, предложенной в 1952 г. профессором

В.М. Москвиным, коррозия бетона по основным признакам делится на три вида.

Коррозия 1 вида характеризуется растворением и вымыванием водой

компонентов цементного камня, в первую очередь, Са(ОН)2. Процесс развива-

ется при действии воды с малой временной жесткостью (мягкой), особенно при

фильтрации воды сквозь бетон. Вынос более 20 % Ca(OH)2 сопровождается

полным разрушением бетона.

Значительные повреждения по механизму коррозии этого вида наблюда-

ются в гидротехнических сооружениях при больших градиентах напора, если

бетон не имеет необходимой высокой водонепроницаемости.

82

Присутствие в воде солей, непосредственно не реагирующих с цемент-

ным камнем, может увеличивать растворимость Са(ОН)2 и ускорять коррозию

бетона. Присутствие в растворе солей кальция (СаНСО3, СаСО3) и карбониза-

ция бетона (Ca(OH)2 + CO3 + H2O) снижают скорость выщелачивания и способ-

ствуют уменьшению скорости развития коррозии 1 вида.

Введение пуццолановых добавок (трепела, трасса, опоки и др.), химиче-

ски связывающих Са(ОН)2 и понижающих проницаемость бетона, повышает

его стойкость к коррозии 1 вида.

Для повышения стойкости бетона к коррозии 1 вида используют:

− бетоны повышенной плотности;

− естественную или искусственную карбонизацию поверхности бетона;

− специальные цементы, в том числе пуццолановые;

− гидроизоляцию поверхности бетона;

− облицовку или пропитку бетона.

Коррозия 2 вида развивается при действии вод, содержащих химические

вещества, вступающие в обменные реакции с соединениями цементного камня.

При этом образуются хорошо растворимые вещества, выносимые из бетона во-

дой, и/или нерастворимые вещества, не обладающие вяжущими свойствами и

остающиеся на месте реакции; проницаемость бетона повышается, а пористость

снижается.

Коррозия этого вида развивается в кислотах, растворах магнезиальных

солей МgCl2 и MgSO4. Наиболее часто встречающаяся при действии природных

вод коррозия бетона – коррозия под действием углекислых вод. Углекислота

Н2СО3 присутствует, как правило, во всех водах. Источником обогащения воды

углекислотой являются биохимические процессы, протекающие в воде и в поч-

ве. Наличие в воде ионов СО −23 сверх равновесного состояния создает условия

для растворения карбонатной пленки. Чем больше агрессивной Н2СО3, тем вы-

ше кислотные свойства раствора и скорость коррозии.

Действие на бетон неорганических кислот также вызывает процессы кор-

розии 2 вида, которые могут переходить в коррозию 1 вида, вызывая полное

разрушение цементного камня бетона:

83

Са(ОН)2 + 2НCl (H2SO4, 2HNO3 и др.) → СаСl2 (CaSO4, Ca(NO3)2) + 2H2O

nCaO∙mSiO2 + HCl + aq = nCaCl2 + mSi(OH)4 + aq и т.д.

Образующиеся соли либо легко растворяются и вымываются (СаСl2,

Ca(NO3)2) либо выпадают в осадок (СаSO4).

Коррозия бетона при действии магнезиальных солей МgCl2, которые при-

сутствуют как в грунтовых, так и в морских водах, происходит вследствие об-

менных реакций с Са(ОН)2:

MgSO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + Mg(OH)2↓

MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2↓

Так как взаимодействие магнезиальных солей с Са(ОН)2 связано с его

уносом из бетона и проникновением вглубь солей, которые способны вызывать

дальнейшее разрушение бетона, то цемент с большим запасом СаО более стоек

в данный условиях. К коррозии 2 вида наиболее стойки бетоны на портладце-

менте и на глиноземистом цементе.

Для защиты от коррозии 2 вида используют:

− правильный выбор цемента;

− повышение плотности бетона;

− защита поверхности бетона специальными красками, облицовкой, кле-

еночными покрытиями.

Коррозия 3 вида отличается тем, что в порах и капиллярах бетона обра-

зуются и кристаллизуются с большим увеличением объема новые соединения.

Кристаллизация их вызывает развитие высоких внутренних напряжений, рас-

трескивание и разрушение бетона.

Коррозия в сульфатных средах сопровождается разложением силикатов и

алюминатов кальция и образованием гипса (СаSO4) и гидросульфоалюминатов

(3СаО∙Аl2O3∙3CaSO4∙(30–32)H2O и 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4·(8–12)H2O).

Наличие сульфатов в воде повышает растворимость составляющих це-

ментного камня, тем самым форсируя коррозию 1 вида, и вызывает обменную

реакцию – коррозию 2 вида. При определенных условиях развивается коррозия

3 вида. При соприкосновении с бетоном воды, содержащей сульфаты СаSO4

более 2100 мг/л, происходит насыщение и образование СаSO4∙2H2O.

84

Из числа комплексных солей, образующихся в бетоне, наибольшую опас-

ность представляет гидросульфоалюминат кальция (ГСАК), присоединяющий

30–32 молекулы воды, значительно увеличивающийся в объеме. В образовании

этой соли принимают участие гидроалюминаты цементного камня и гипс, по-

ступивший в виде раствора или образовавшийся в результате реакции между

сульфатами и Са(ОН)2. Чем выше концентрация SO −24 в растворе и больше С3А

в цементе, тем благоприятнее условия для образования ГСАК. При участии в

реакции С3А увеличение объема происходит примерно в 1,63 раза, а при уча-

стии С3А и Са(ОН)2 – в 2,27 раза.

Наибольшей стойкостью к коррозии 3 вида обладают бетоны на глинозе-

мистом цементе. К мероприятиям по борьбе с коррозией бетона 3 вида отно-

сится также:

− введение воздухововлекающих, пластифицирующих и повышающих

растворимость Са(ОН)2 и СаSO4 добавок типа СаСl, CHB, кремнийорганиче-

ских;

− введение тонкодисперсных кремнеземистых добавок для связывания

Са(ОН)2;

− повышение плотности бетона;

− применение поверхностной защиты.

8.3. Прогнозирование глубины разрушения бетона при коррозии

Оценка глубины разрушения бетона необходима для прогнозирования

долговечности бетонных и железобетонных конструкций.

При коррозии 1 и 2 видов происходит постепенное разрушение бетона с

поверхности в глубину материала. Интенсивность разрушения бетона зависит

от механизма переноса агрессивных сред и их взаимодействия с цементным

камнем. В ненапорных подземных и подводных конструкциях, а также в водо-

насыщенных наземных конструкциях преобладает диффузионный перенос

агрессивных веществ к поверхности коррозии. Это наиболее распространенный

случай при коррозии бетона.

85

Скорость коррозии бетона обычно быстро развивается в первоначальный

период и постепенно затухает во времени. Изменение скорости коррозии связа-

но с образованием на реакционной поверхности продуктов коррозии, которые

тормозят доступ к ней агрессивных веществ.

В цементном камне при воздействии агрессивной среды происходит по-

слойное разрушение материала с образованием следующих зон: продуктов кор-

розии, непосредственно коррозии и бетона, в котором не произошло каких-либо

фазовых превращений. С течением времени происходит постепенно передви-

жение зон в глубину бетона, но даже при значительной степени разрушения ма-

териала сохраняется четкая граница между доброкачественным бетоном и зо-

нами коррозии.

В настоящее время еще не разработаны способы, которые позволяли бы

надежно определять глубину разрушения бетона при коррозии на основе дан-

ных о его составе и условий агрессивного воздействия. Существующие методы

прогнозирования основываются на проведении предварительных испытаний, по

результатам которых с учетом закономерностей развития процесса коррозии

при длительных сроках воздействия, когда определяющим является диффузи-

онный перенос реагирующих веществ, определяется глубина коррозии бетона

через заданный промежуток времени.

Для прогнозирования глубины разрушения бетона в диффузионный пе-

риод, что чаще встречается на практике, используют формулу:

1 ' ,СаO

k thЦ Р

a⋅ −=

⋅

где k – экспериментальный коэффициент, определяемый предварительными

испытаниями;

t – время, для которого прогнозируется глубина разрушения, суток;

α – поправочный коэффициент;

Ц – расход цемента в бетоне, кг/м3; 'СаOР – содержание СаО в цементе (по данным химического анализа), %.

86

Если прогнозируемая глубина разрушения через 50 лет превосходит

1–3 см, следует применять специальные меры защиты: окраску специальными

составами, пропитку поверхности, кислотоупорные бетоны, полимербетоны.

8.4. Коррозия арматуры в бетоне

Защитное действие бетона по отношению к арматуре определяется спо-

собностью цементного камня пассивировать сталь. Пассивирование металлов –

переход металлов в состояние, при котором резко замедляется коррозия. В по-

давляющем большинстве случаев коррозия металлов происходит по электро-

химическому механизму, для осуществления которого необходимы следующие

условия:

1. Наличие разности потенциалов на поверхности металла.

2. Наличие электролитической (ионной) связи между участками поверх-

ности металла с различными потенциалами.

3. Активное состояние поверхности на анодных участках, где осуществ-

ляется растворение металла по реакции:

2 2 Me MenH O nH O e+ −+ → + ⋅

4. Наличие достаточного количества деполяризатора (вещества – сильно-

го окислителя, в частности – кислорода), необходимого для ассимиляции (сли-

яния) на катодных участках поверхности металла избыточных электронов:

2 24 2 4( )e О Н О СН− −+ + →

Первое условие всегда выполняется, так как технические металлы имеют

неоднородную структуру.

Второе и четвертое условия имеют место быть, т.к. бетон – капиллярно-

пористое тело с активной и гидрофильной внутренней поверхностью. Физиче-

ски связанная вода (капиллярная и осмотическая) в бетоне может служить элек-

тролитом – проводником зарядов между анодными и катодными участками по-

верхности стали. Количество этой воды зависит как от структуры и пористости

бетона, так и от среды и условий взаимодействия его (среды) с конструкцией.

87

Для стали в бетоне, как и для открытого металла, существует некоторая

критическая влажность воздуха, ниже которой пленки влаги не могут обеспе-

чить перемещение ионов между анодными и катодными участками ее поверх-

ности. Такое критическое значение относительной влажности воздуха состав-

ляет 50–60 %, если бетон не содержит гигроскопических веществ, например,

добавок хлористых солей, которые понижают это значение. В бетоне почти все-

гда достаточно влаги, необходимой для протекания процесса коррозии стали.

Недостаток кислорода может ограничивать процесс коррозии стали лишь

при практически полном насыщении бетона водой. В бетоне высокой плотно-

сти (при В/Ц менее 0,5) отмечается замедление коррозии при увеличении отно-

сительной влажности выше 80–85 %. В большинстве случаев поровое про-

странство бетона способно пропустить вполне достаточное количество О2 для

поддержания процесса коррозии арматуры.

Скорость коррозии стали зависит от степени агрессивности воды – среды,

которая для этого случая оценивается ρН, и содержания кислорода (рис. 17).

Рис. 17. Зависимость скорости коррозии стали от ρH растворов:

1 – при высоком содержании О2; 2 – при среднем; 3 – при низком;

4 – при отсутствии кислорода

Отсутствие коррозии стали в бетоне объясняется ее пассивностью в ще-

лочной среде, т.е. неспособностью к растворению по приведенной выше реак-

ции. Для сохранения пассивности стали в бетоне необходим ее постоянный

контакт с поровой жидкостью, щелочность которой должна иметь ρН ≥ 11,8.

88

Это условие обычно соблюдается в плотных бетонах на портландцементе,

ШПЦ, ППЦ, которые уже при затворении водой дают ρН ≥ 12,6. В процессе

схватывания и твердения цементного теста ρН = 13,5-13,8, а в затвердевшем бе-

тоне ρН = 12,0-12,5.

В обычном плотном бетоне на ПЦ нормального твердения существует

значительный запас Са(ОН)2 – 10–15 % от цемента. Если же цемент содержит

активные гидравлические добавки (ШПЦ, ППЦ, ПЦ), то значительная часть

Са(ОН)2 ими связывается.

Связывание Са(ОН)2 значительно увеличивается при тепловой обработке

бетона, что приводит к существенному снижению ρН поровой жидкости. Осо-

бенно резко падает ρН в бетонах автоклавного твердения, где высокая проч-

ность достигается за счет глубокого связывания Са(ОН)2 с SiO2 молотого песка,

золы, шлака. Особое внимание следует уделить влиянию добавок хлористых

солей: даже в бетонах нормального твердения присутствие ионов хлора нару-

шает пассивное состояние поверхности стали (рис. 18).

Рис. 18. Кинетика коррозии стали в образцах:

1 – непропаренных; 2 – непропаренных с добавкой 2 % СаСl2;

3 – пропаренных с добавкой 2 % СаСl2

Небольшое количество СаСl2 может быть полностью связано алюмината-

ми цемента в слаборастворимые комплексные соли – гидрохлоралюминаты.

Но связывание хлоридов в гидрохлоралюминаты резко замедляется при тепло-

вой обработке бетона. Если учесть, что при этом понижается ρН поровой жид-

89

кости, то очевидно, что применение добавок хлоридов при тепловой обработке

бетона следует избегать. Заполнители на основе шлаков и золы, содержащие

водорастворимые соединения серы в виде сульфатов и сульфидов, могут нару-

шать пассивность стали.

При периодическом замораживании и оттаивании, увлажнении и высу-

шивании, нагревании и охлаждении происходит расшатывание структуры, раз-

рыхление, вплоть до частичного или полного разрушения бетона. Разрушающе

действуют на бетон многие жидкие и газообразные среды, вызывающие корро-

зию бетона. Все это вызывает разрушение защитного слоя бетона и арматуры и

прекращение его пассивирующего действия. Образование пленки ржавчины

сопровождается увеличением ее объема. Последнее вызывает растягивающее

усилие в бетоне, растрескивание и полное разрушение защитного слоя. Трещи-

ны в защитном слое открывают доступ воздуха непосредственно к арматуре,

что в значительной степени ускоряет процесс образования ржавчины со всеми

вытекающими отрицательными последствиями для долговечности железобе-

тонной конструкции.

Обеспечить сохранность арматуры в тяжелых и легких бетонах можно:

− повышением плотности самих бетонов;

− уменьшением проницаемости бетонов;

− введением ингибирующих и уплотняющих добавок;

− нанесением на арматуру специальных покрытий (цементно-битумных,

цементно-полистирольных, цементно-латексных – для автоклавных бетонов).

− применением специальных защитных покрытий по бетону, рекоменду-

емых СНиП 2.03.11-85.

8.5. Коррозия бетона при действии щелочей цемента на кремнезем

заполнителя

В практике строительства известны случаи разрушения бетона вследствие

реакции между гидроксидами Na и К, содержащимися в цементе, и активной

формой кремнезема заполнителя. При этой реакции наблюдается расширение

90

бетона и появление в нем значительных внутренних напряжений, приводящих к

образованию трещин и постепенному разрушению материала. Реакция прохо-

дит сравнительно медленно, и признаки разрушения наблюдаются в поздние

сроки.

Главную роль играют расширение и давление, создаваемые продуктом

реакции – гелем щелочных силикатов и некоторым количеством Са(ОН)2. Это

давление будет зависеть от содержания щелочей в цементе, вида заполнителя,

его активности по отношению к рассматриваемой реакции, крупности и др.

Обычно в цементе содержание щелочей колеблется от 0,4 до 1 %. При их со-

держании менее 0,6 % вероятность разрушения очень мала.

В реакцию со щелочами цемента могут вступать: опал (SiO2∙nH2O, оса-

дочный гидротермальный; из опала состоят диатомит, трепел, опока), халцедон

(разновидность кварца микроволокнистого строения), тридимит, кристобалит и

др. Наиболее реакционноспособным является опаловый кремнезем, который

встречается в некоторых известняках.

Значительное расширение имеет место в плотных бетонах. При увеличе-

нии пористости бетона и наличии достаточного объема пор и пустот для раз-

мещения продуктов реакции величина расширения уменьшается.

Меры, предохраняющие бетон от этого вида коррозии:

− использование цементов с низким содержанием щелочей (менее 0,5 %);

− применение пуццолановых цементов;

− введение в бетон пуццолановых добавок, которые связывают щелочи

цемента;

− применение газообразующих или воздухововлекающих добавок для со-

здания резервного объема пор для продуктов реакции между щелочами цемента

и заполнителем.

91

9. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА

9.1. Твердение бетона при нормальной температуре

В естественных условиях бетон твердеет при положительной температуре

(выше +5 °C) и при достаточной влажности воздуха. В таких условиях рост

прочности бетона продолжается длительное время. Для ориентировочного

определения прочности бетона в разном возрасте используют форму:

,28lg

lg28

nRRn ⋅=

где Rn, R28 – прочность бетона на сжатие в возрасте n и 28 суток;

lg n, lg 28 – десятичный логарифм возраста бетона.

Эта формула дает удовлетворительные результаты при n > 3 для бетонов,

приготовленных на рядовом ПЦ и твердевших при нормальной температуре

15–20 °C. В действительности темп роста прочности бетона будет зависеть от

многих факторов:

− минералогического состава цемента;

− вида цемента (ПЦ, БТЦ и др.);

− тонкости помола цемента;

− состава бетона;

− водоцементного отношения (В/Ц или Ц/В);

− вида и дозировки использованных химических добавок;

− температуры и влажности окружающей среды.

Таблица 5 показывает, что в возрасте 1–3 суток В/Ц оказывает более за-

метное влияние на прочность бетона, чем в позднем возрасте.

Наиболее существенное влияние на темп твердения бетона оказывает ми-

нералогический состав цемента. По интенсивности нарастания прочности бето-

на при нормальной температуре современные цементы делят на 4 типа (табл. 6).

Заметное влияние на темп твердения бетона оказывают даже сравнитель-

но небольшие колебания температуры воздуха. Например, относительная проч-

ность бетона в возрасте 3 суток при твердении при 5 °C составит 0,27·R28, а при

92

30 °C – 0,50·R28. Поэтому при бетонировании массивных сооружений, особенно

в весенне-осенний период, необходимо учитывать колебания температуры и ее

влияние на твердение бетона.

Таблица 5

Относительная прочность бетона в разном возрасте

В/Ц

Относительная прочность Rn / R28 при n суток

1 3 7 28 90 360

0,4 0,24 0,48 0,70 1 1,15 1,38

0,5 0,17 0,43 0,66 1 1,19 1,47

0,6 0,11 0,37 0,64 1 1,21 1,55

0,7 0,08 0,33 0,63 1 1,35 1,67

По формуле – 0,33 0,58 1 1,35 1,77

Таблица 6

Классификация цементов по скорости твердения

Тип

цемента

Минералогическая характеристика

цемента

Коэффициент роста прочности

28

728-1 =К

RR

28

909028- =К

RR 28

180180-28К

RR

=

I Алюминатный, С3А > 12 % 0,65–0,80 1,0–1,05 1,0–1,1

II Алитовый, С3S > 50 %, С3А < 8 % 0,60–0,70 1,05–1,2 1,1–1,3

III

Сложный минералогический состав

(пуццолановый цемент, ШПЦ с со-

держанием шлака 30–40 %)

0,50–0,60 1,2–1,5 1,3–1,8

IV Белитовый ПЦ и ШПЦ при содер-

жании шлака более 50 % 0,45–0,50 1,6–1,7 1,85

По формуле 28lg

lg28

nRRn ⋅= 0,58 1,35 1,55

93

9.2 Твердение бетона в зимний период

При температуре бетона ниже 0 °C твердение практически прекращается,

если только в бетон не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды.

В осенне-зимний период наблюдаются частые переходы температуры через

0 °C, что непосредственно отражается на твердении бетона. Бетон, начавший

твердеть, а затем замерзший, после оттаивания продолжает твердеть в теплой

среде. Если бетон не был поврежден замерзающей водой в самом начале твер-

дения, прочность его постепенно нарастает, но отстает от роста прочности бе-

тона, твердевшего при нормальной температуре.

Бетон, укладываемый зимой, должен зимой же приобрести прочность,

достаточную для распалубки, частичной нагрузки или даже для полной загруз-

ки сооружения. Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значи-

тельное понижение его прочности после оттаивания и в процессе дальнейшего

твердения по сравнению с нормально твердевшим бетоном. Из-за раннего за-

мораживания значительно уменьшается сцепление бетона со стальной армату-

рой в железобетоне.

При любом способе производства бетонных работ бетон следует предо-

хранить от замерзания до приобретения им минимальной (критической) проч-

ности, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и со-

хранение в последующем при положительных температурах способности к

твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона (табл. 7).

Если к бетону предъявляются высокие требования по динамическим

свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохра-

нять от замерзания до достижения марочной прочности, так как замораживание

при минимальной прочности, не сказываясь заметно на прочности бетона при

сжатии, может нарушить его структуру и ухудшить эти особые свойства.

При введении в бетон противоморозных добавок он приобретает спо-

собность медленно твердеть при отрицательных температурах, так как они по-

нижают точку замерзания воды и сохраняют жидкую фазу в бетоне. Количество

добавки зависит от ожидаемой средней температуры твердения бетона (табл. 8).

94

Таблица 7

Минимальная прочность, которую бетон должен приобрести

к моменту замерзания

К28, МПа Минимальная прочность Время выдерживания бетона на ПЦ

при температуре 15–20 °C, сут.* % от R28 МПа

10 50 5 5–7

20 40 7 3–5

30 35 10 2–2,5

40 30 12 1,5–2

50 25 12,5 1–2 *Время выдерживания бетона на БТЦ – 1,5 раза быстрее.

Таблица 8

Рекомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне, %

от расхода цемента

T, °C NaCl+CaCl2 NaNO3 К2СO3

–5 3+0 или 0+3 4–6 5–6

–10 3,5+1,5 6–8 6–8

–15 3,5+4,5 8–10 8–10

–20 – – 10–12

–25 – – 12–15

Для приготовления бетонной смеси с противоморозными добавками

можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с тем-

пературой до −5 °C.

Бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять:

− в ответственных конструкциях;

− в конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных усло-

виях;

− при наличии реакционноспособного кремнезема в зернах заполнителя;

− бетон с хлористыми солями – в железобетонных конструкциях.

95

9.3. Твердение бетона при повышенных температурах

Повышение температуры бетона активизирует взаимодействие воды и

цемента и ускоряет твердение бетона. Рост прочности бетона при нагреве мо-

жет, как и при нормальном твердении, выражаться логарифмической зависимо-

стью, но со своими коэффициентами:

),lg(lg 0ttAR −⋅=

где А – параметр, характеризующий поведение цемента при пропаривании в

принятых условиях испытания, МПа;

t – время тепловой обработки, включающее период изотермического про-

грева t1 и часть времени разогрева и охлаждения, в течение которого темпе-

ратура образцов превышала 60 °C, и (t = t1 + 3);

t0 – индукционный период твердения (предварительный период до начала

образования прочной структуры).

Минералогический состав цемента оказывает заметное влияние на проч-

ность бетона (табл. 9).

Таблица 9

Значения параметра А и t0 для цементов разного

минералогического состава

Группа цемента

Минералоги-ческий состав

цемента, %

Относитель-ное значение

параметра А, %

Зна-чение

t0, ч

Предел ли-нейности функций,

ч C3S C3A

I – низкоалюминатные 60 2–3 125 6,6 20–25

50 2–3 95 0,45 20

II – среднеалюминатные 60–65 8 100 0,15 9–10

50 8 95 0,2 9–10

III – высокоалюминатные 55 11–12 85 0,15 9

40–50 11–12 70 0,18 7–8

В первые часы пропаривания наиболее высокую прочность показывают

бетоны на цементах II и III групп, и тем более высокую, чем больше в клинкере

96

С3S. Прочность бетонов на цементах I группы в этот период значительно мень-

ше, и только к 3–4 ч достигает прочности бетонов на цементах III группы, а за-

тем становится больше, а к 6–7 ч достигает прочности бетонов на цементах

II группы. После этого рост прочности цементов I группы продолжается прак-

тически до 20–24 ч изотермической выдержки, тогда как рост прочности це-

ментов II группы практически прекращается к 6–7 ч изотермической выдержки,

а цементов III группы – к 6 ч.

Предельные значения прочности бетона, которые могут быть получены в

процессе тепло-влажностной обработки (ТВО), зависят от вида используемого

цемента (табл. 10).

Таблица 10

Влияние минералогического состав цемента на предельную

прочность бетона при пропаривании

Вид цемента

Средняя актив-ность

цемен-та, МПа

Отношение предельной прочности

бетона Rпр к активности

цемента

Ориентиро-вочное время достижения предельной

прочности, ч

Продолжи-тельность изо-термической

выдержки для достижения

0,8·Rпр, ч ПЦ I группы 32,5 1,45 27–33 12

ПЦ II группы 35,0 1,15 15–18 6

ПЦ III группы 27,5 1,10 10–12 4

ОБТЦ 38,0 1,05 12–15 3

ШПЦ с 30 % шлака 24,0 1,55 25–30 8

ШПЦ с 50 % шлака 17,0 1,85 27–30 14

Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработ-

ки, достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то

практически нецелесообразно проводить ее до получения предельной прочно-

сти. Обычно ТВО заканчивают при прочности бетоана 70–80 % от предельных

значений. В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост прочно-

97

сти бетона после тепловой обработки, и она достигает в возрасте 28 суток за-

данной средней прочности бетона, а время прогрева сокращается в 2-3 раза по

сравнению с тем временем, которое потребовалось бы для получения предель-

ной прочности. Применение более коротких режимов изотермической выдерж-

ки будет приводить к перерасходу цемента.

Рекомендуемый режим тепловой обработки, ч:

,0ttttt ИПВобщ +++=

где tобщ – общая длительность режима, ч;

tВ – длительность выдержки изделий после формования до начала подъема

температуры (должна быть более 2 ч);

tП – длительность плавного подъема температуры до изотермии в зависимо-

сти от вида цемента, tП = 3 ч;

tИ – длительность изотермической выдержки при температуре 70–90 ºС, ч,

принимается по рекомендации табл. 10;

t0 – длительность остывания изделий до выгрузки, t0 = 2-3 ч.

9.4. Соблюдение режимов ТВО

Нарушение режимов обработки может привести к резкому ухудшению

свойств бетона, к появлению трещин и других дефектов в изделии, снижению

плотности и прочности бетона.

Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся соединения це-

ментного камня закрепляют, фиксируют расширившийся объем бетона. При

охлаждении бетон сжимается, однако образовавшаяся структура бетона препят-

ствует этому, и в бетоне наблюдаются остаточные деформации, т.е. его объем по-

сле тепловой обработки оказывается больше, чем первоначальный. Увеличение

объема приводит к повышению пористости бетона и понижению его прочности.

Уменьшение предельно достижимой прочности при тепловой обработке

будет зависеть от ее режима. При нагреве в меньшей мере расширяются це-

мент, песок и щебень, а в большей – вода и воздух (пар), и тем больше, чем

выше температура. Структура бетона препятствует свободному расширению

98

газообразной фазы, в результате в бетоне возникает внутреннее избыточное

давление, вызывающее нарушение сплоченности структуры.

Возникновение избыточного давления в бетоне зависит от режима про-

грева. При пропарке бетон нагревается с поверхности, поэтому и избыточное

давление в первую очередь возникает у его поверхности. При медленном

нагреве избыточное давление бывает очень небольшим, при очень быстром

нагреве избыточное давление резко возрастает, что может привести к вспучи-

ванию верхней поверхности изделий и браку.

Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться

внутренним напряжением, возникающим при его нагреве, особенно вследствие

нагрева воды и газообразной фазы. Наибольшие изменения в структуре возни-

кают, если нагрев начинается сразу же после окончания формования изделия,

когда прочность мала и не оказывает противодействия расширению составля-

ющих бетона. Чем быстрее растет температура бетона, тем больше разрыхляет-

ся его структура и увеличивается остаточная деформация.

При охлаждении в бетоне возникают напряжения вследствие того, что

образовавшаяся структура препятствует его температурному сжатию. В резуль-

тате бетон не может уменьшаться до первоначальных размеров, а возникшие

внутренние напряжения постепенно релаксируют (уменьшаются, ослабляются),

но оказывают некоторое влияние на его последующее твердение, несколько

уменьшая прочность бетона и его усадку.

Важное значение при твердении имеет контракция (стягивание, сжима-

ние, сжатие) цементного камня. Дополнительный объем пор, возникающий

вследствие контракции, является тем резервным объемом, в который может от-

жиматься вода при ее расширении. Поэтому контракция способствует умень-

шению дефектности структуры.

Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает процесс

тепломассообмена при ТВО. Под действием градиентов температур и влажно-

сти газообразная фаза и влага перемещаются в бетоне, разрыхляя его структуру.

При направленных режимах тепловой обработки влага может испаряться из бе-

99

тона, оставляя сквозные капилляры, резко повышающие проницаемость бетона

и ухудшающие его долговечность. Уменьшению деструкции вследствие тепло-

массообмена способствует применение горячих бетонных смесей, предвари-

тельно разогретых до определенной температуры.

В процессе тепловой обработки увеличивается объем капиллярных пор,

что снижает морозостойкость бетона. Для получения морозостойких бетонов

следует применять более мягкие режимы:

− увеличивать предварительную выдержку;

− п температуры проводить со скоростью 10–15 ºС/ч;

− уменьшать температуру изотермического прогрева до 60–80 ºС;

− понижать температуру бетона со скоростью не более 10–15 ºС/ч.

9.5. Способы снижения влияния деструктивных процессов в бетоне

при ТВО

1. Предварительная выдержка бетона до пропаривания: 3–6 ч – для по-

движных бетонных смесей; чем выше жесткость бетонной смеси и ниже В/Ц,

тем короче выдержка; если изделия находятся в герметичных формах или в

кассетах, то предварительная выдержка не требуется.

2. Подъем температуры в камере:

− по ступенчатому режиму: за 1–1,5 ч температуру поднимают до 35–

40 ºС, выдерживают изделия при этой температуре в течение 1–2 ч, а затем за

1 ч поднимают температуру до изотермического прогрева;

− по режиму с прогрессивно-возрастающей скоростью: за первый час

температуру поднимают до 15–20 ºС, дальше – на 20–30 ºС и так до максималь-

ной. Для тонкостенных изделий скорость подъема температуры должна быть не

более 25 ºС/ч, для изделий из жестких смесей с низким В/Ц (менее 0,45) – 30–

35 ºС/ч, для изделий в закрытых металлических формах, кассетах – 40–60 ºС/ч.

3. Изотермическая выдержка: на ПЦ – 80–85 ºС, на ШПЦ – 91–95 ºС.

4. Скорость остывания: не более 30 ºC/ч, выгрузка из камеры – при пере-

паде температур между поверхностью бетона и окружающей средой не более

40 ºС, выдержка изделий в цехе – 4–6 ч для полного остывания.

100

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

10.1. Общие сведения

Обычный тяжелый бетон является наиболее широко применяемым видом

бетона, используемым для различных изделий и конструкций гражданского и

промышленного строительства, для дорожного и гидротехнического строитель-

ства, для инженерных и специальных сооружений.

Его изготавливают на различных цементах, мелком (песок или отсев

дробления горных пород) и крупном заполнителе (гравий или щебень из раз-

личных горных пород). Выбирая соответствующее сырье и состав бетона, по-

лучают бетоны с требуемой морозостойкостью, водонепроницаемостью, проч-

ностью, скоростью твердения.

Для получения заданной прочности бетона, необходимой подвижности

бетонной смеси производят проектирование состава бетона, в результате кото-

рого определяют такое соотношение между исходными материалами, при кото-

ром будут удовлетворены заданные требования к бетону и бетонной смеси.

Проектирование состава бетона включает:

− назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей служ-

бы и изготовления конструкций;

− выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, ха-

рактеризующих их свойства;

− определение предварительного состава бетона;

− проверку состава в пробных замесах;

− контроль над бетонированием;

− корректировку состава в процессе производства при колебаниях

свойств заполнителя или других факторов.

Определение предварительного состава бетона производят на основе за-

висимости прочности бетона от активности цемента, цементно-водного факто-

ра, качества используемых материалов и зависимости подвижности бетон-

ной смеси от расхода воды. Подвижность (жесткость) бетонной смеси назнача-

101

ют в зависимости от размеров конструкции, густоты армирования, способов

укладки и уплотнения (табл. 11).

Таблица 11

Подвижность (жесткость) бетонной смеси в зависимости от конструкции

и способа уплотнения

Конструкции и способ уплотнения Жест-кость,

с

Осадка кону-са, см

Сборные железобетонные конструкции с немедленной

распалубкой, формуемые на виброплощадках или с вибро-

насадком

30–10 –

Перекрытия с пустотами, стеновые панели, формуемые в

горизонтальном положении на виброплощадке 10–5 1–4

Густоармированные элементы (колонны, ригели, плиты),

изготовляемые с применением наружного или внутреннего

вибрирования

5–3 5–9

Формуемые на ударно-вибрационных установках 30–20 –

Формуемые в кассетах 5–3 7–14

Центрифугированные 5–3 5–10

Гидропрессованные (трубы) 10–5 –

Бетонная смесь обладает необходимой удобоукладываемостью только

при содержании в ней достаточного количества цемента. Уменьшение его до

определенных значений повышает опасность расслоения бетонной смеси и мо-

жет провести к появлению в смеси микропустот, снижению прочности и долго-

вечности. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетон-

ной смеси и крупности заполнителя (табл. 12).

102

Таблица 12

Минимальный расход цемента в зависимости от консистенции бе-

тонной смеси и крупности заполнителя

Смесь Минимальный расход цемента, кг/м3, при наибольшей крупности заполнителя, мм

10 20 40 70

Особо жесткая (Ж ≥ 20 с) 160 150 140 130

Жесткая (Ж = 10–20 с) 180 160 150 140

Малоподвижная (Ж = 5–10 с) 200 180 160 150

Подвижная (ОК = 1–10 см) 220 200 180 160

Очень подвижная (ОК = 10–16 см) 240 220 200 180

Литая (ОК > 16 см) 250 230 210 190

Если при определении состава бетона окажется, что расход цемента, тре-

буемый из условия получения заданной прочности, ниже указанных в таблице

значений, то в расчет принимают минимальный расход цемента по таблице, или

же вводят тонкомолотую добавку (золу, известковую муку) до необходимого

количества.

Для экономного расходования цемента необходимо, чтобы его класс проч-

ности (марка) по возможности превышал требуемую прочность бетона (табл. 13).

Таблица 13 Необходимые класс прочности (марки) цемента

для обеспечения требуемой прочности бетона

Предел прочности при сжатии бетона, МПа

10 15 20 30 40 50

Класс прочности цемента 22,5 32,5 32,5 42,5 52,5 52,5

Марка цемента 300 400 400 500 600 600

При использовании для приготовления бетона цемента более низких

классов прочности (марок) требуется слишком большой его расход, а когда

марка цемента излишне высока, может оказаться, что его расход будет меньше

минимальных значений (необходимо вводить тонкомолотую добавку).

103

10.2. Выбор соотношения между мелким и крупным заполнителем

Одним из основных факторов, определяющих экономичность состава бе-

тона (по расходу цемента), а также его высокое качество, является правильный

выбор соотношения между мелким и крупным заполнителем (П/Щ).

При определенном значении (П/Щ):

− пустотность смеси заполнителей минимальная;

− подвижность бетонной смеси и прочность бетона достигают максиму-

ма, при этом наивысшая прочность соответствует наибольшей подвижности бе-

тонной смеси, т.к. такая бетонная смесь укладывается наиболее плотно;

− удельная поверхность заполнителей уменьшается с уменьшением

(П/Щ).

Таким образом, оптимальное соотношение (П/Щ) имеет бетонная смесь

наилучшей удобоукладываемости (наибольшей подвижности). Подвижность

зависит главным образом от консистенции цементного теста, соотношения

между цементным тестом и заполнителем и соотношения между песком и щеб-

нем (гравием), а также от количества цементного теста, определяющего толщи-

ну прослоек цементного теста между зернами заполнителя.

В разделе 2.2 «Заполнители для бетона» уже рассматривалось, что необ-

ходимо добиться такого соотношения между песком и щебнем, чтобы песок

полностью заполнил пустоты между зернами крупного заполнителя с учетом

некоторой их раздвижки зернами песка. Это коэффициент раздвижки зерен α,

который показывает, насколько объем раствора (песка) превышает объем пу-

стот крупного заполнителя. Подставляя в полученную формулу значение α из

таблиц, можно определить значение (П/Щ):

,1

1

.. aρρ

⋅⋅=щ

пЩОТП

ЩП

где П, Щ – расходы песка, щебня, кг;

,1пρ

1щρ – насыпная плотность песка и щебня, кг/м3;

Пот.щ. – относительная пустотность щебня;

104

α – коэффициент раздвижки зерен (табл. 14). Для жестких бетонных смесей

α = 1,05–1,15 (в среднем α = 1,1 при расходе цемента менее 400 кг/м3).

В подвижных бетонных смесях коэффициент α зависит от объема цемент-

ного теста (или от расхода цемента).

Таблица 14

Оптимальные значения коэффициента α для пластичных

бетонных смесей (при Вп = 7 %)

Расход цемента, кг/м3 Оптимальное значение коэффициента α при В/Ц

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

250 – – 1,26 1,32 1,38

300 – 1,3 1,36 1,42 –

350 1,32 1,38 1,44 – –

400 1,4 1,46 – – –

500 1,5 1,56 – – – Примечания:

1. При других значениях Ц и В/Ц коэффициент α находят интерполяцией.

2. При использовании мелкого песка с Вп > 7 % коэффициент α уменьшают на 0,03 на

каждый % увеличения Вп песка. Если применяется крупный песок с Вп < 7 %, коэффициент α

увеличивают на 0,03 на каждый % уменьшения Вп

Незначительные отклонения коэффициента α от оптимального значения

практически не сказываются на свойствах бетона и бетонной смеси, поэтому

его отклонения на ±0,05 при определении состава бетона вполне допустимы.

10.3. Расчет состава бетона по методу абсолютных объемов

Наиболее удобным для определения состава обычного тяжелого бетона

является метод расчета по абсолютным объемам, разработанный

Б.Г. Скрамтаевым. В этом случае определяется номинальный состав бетона на

сухих заполнителях; расчет всех составляющих материалов ведется на 1 м3 бе-

тонной смеси. Порядок расчета:

1. Определяют В/Ц (или Ц/В) в зависимости от требуемой прочности,

срока и условий твердения бетона. В/Ц (или Ц/В) или находят путем предвари-

105

тельных опытов, устанавливающих зависимость прочности бетона (Rб) от этого

фактора и активности цемента (Rц) с применением местных заполнителей или

ориентировочно по формулам:

− для обычного бетона при В/Ц > 0,4 и Rб < 2·А·Rц:

;0,5

Ц

б Ц

А RВЦ R А R

⋅=

+ ⋅ ⋅ − для высокопрочного бетона при В/Ц < 0,4 и Rб ≥ 2·А·Rц:

1

1

.0,5

Ц

б Ц

А RВЦ R А R

⋅=

− ⋅ ⋅

Значение коэффициентов А и А1 – в разделе «Прочность бетона при сжа-

тии» (табл. 3). Можно находить Ц/В по графикам.

2. Определяют расход воды в зависимости от требуемой подвижности бе-

тонной смеси на основании результатов предварительных испытаний или ори-

ентировочно по графикам или таблицам.

3. Определяют расход цемента:

./ВЦ

В Ц=

4. Устанавливают коэффициент раздвижки α (по табл. 13).

5. Определяют пустотность крупного заполнителя (щебня): 1

1 ,щЩ к

щ

Пρρ

= −

1щρ – насыпная плотность, кг/л; кщρ – средняя плотность в пуске, кг/л.

6. Определяют расход крупного заполнителя и песка, исходя из следую-

щих двух положений:

− сумма абсолютных объемов компонентов, расходуемых на 1 м3 бетона,

должна равняться 1000 л уплотненной бетонной смеси (небольшим объемом

вовлеченного при перемешивании и укладке бетонной смеси воздуха можно

пренебречь):

1000 ;1ц п щ

Ц В П Щ лρ ρ ρ

+ + + =

106

− цементно-песчаный раствор должен заполнить пустоты между зернами

крупного заполнителя с некоторой их раздвижкой:

1 ,1 щ

ц п щ

Ц В П ЩП aρ ρ ρ

+ + = ⋅ ⋅

где Ц, В, П, Щ – расходы цемента, воды, песка, щебня, кг/м3;

ρц, ρп – истинные плотности цемента, песка, кг/л;

Пщ – пустотность щебня (относительная); 1щρ – насыпная плотность щебня, кг/л;

α – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором.

Решая совместно оба эти уравнения, получаем формулу, предложенную Б.Г. Скрамтаевым, позволяющую рассчитать необходимый расход крупного за-полнителя, кг:

1

1000 .1щ

щ щ

Щ Пa

ρ ρ

=⋅ +

Расход песка, кг:

1000 .1 п

ц щ

Ц В ЩП ρρ ρ

= − + + ⋅

10.4. Экспериментальная проверка состава бетона

На пробном замесе объемом 10–12 л проверяют подвижность (осадку ко-

нуса) или жесткость бетонной смеси, и в соответствии с принятым В/Ц коррек-

тируют расход цемента. При необходимости увеличить количество воды про-

тив расчетного соответственно увеличивают количество цемента; при необхо-

димости уменьшить количество воды (и цемента) против расчетного вводят до-

бавки заполнителей небольшими дозами в соотношении γ до тех пор, пока по-

движность (жесткость) бетонной смеси не будет соответствовать заданной.

Затем уточняют состав бетона, так как первоначальный объем порции бе-

тонной смеси увеличился. Для этого определяют фактическую среднюю плот-

ность бетонной смеси взвешиванием ее в мерном цилиндрическом сосуде, ем-

кость которого принимают в зависимости от наибольшей крупности (НК) зерен

фракции заполнителя: 1 л – для НК ≤ 20 мм (диаметр и высота – 108 мм); 5 л –

107

для НК = 40 мм (диаметр и высота – 185 мм) и 10 л – для НК > 70 мм (диаметр

и высота – 234 мм).

Перед испытанием мерный сосуд взвешивают. Бетонную смесь помеща-

ют в сосуд и уплотняют. После уплотнения избыток смеси срезают стальной

линейкой, и поверхность тщательно выравнивают вровень с краями мерного

сосуда. Затем сосуд с бетонной смесью взвешивают. Среднюю плотность бе-

тонной смеси вычисляют по формуле, кг/м3:

,100011.. ⋅

−=

Vmm

смбρ

где m – масса мерного сосуда с бетонной смесью, г;

m1 – масса мерного сосуда без смеси, г;

V – вместимость мерного сосуда, см3.

Среднюю плотность бетонной смеси вычисляют с округлением до

10 кг/м3 как среднеарифметическое значение результатов двух определений из

одной пробы, отличающихся между собой не больше 5 % среднего значения.

При большем расходовании результатов определение повторяют на новой про-

бе бетонной смеси. Полученное значение плотности бетонной смеси должно

совпадать с расчетным (допустимое отклонение ± 2 %).

Далее устанавливают фактический объем полученной бетонной смеси в

пробном замесе:

,1..смб

фактmV

ρΣ

=

где ∑m – сумма масс материалов (Щ, П, Ц, В), израсходованных на замес, кг; 1

..смбρ – фактическая средняя плотность бетонной смеси, кг/л.

Зная объем полученной бетонной смеси и расход материалов на пробный

замес, определяют фактический расход материалов на 1 м3 бетона.

Объем пробного замеса зависит от числа и размера формуемых образцов.

Если для определения класса бетона готовят по три образца, то принимают сле-

дующий минимальный объем замеса: при размере ребра образца 30, 20, 15 и

10 см объем пробного замеса составит 85, 25, 12 и 6 л соответственно.

108

Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы и

затем их испытывают. На каждый срок испытания изготавливают не менее трех

образцов-кубиков. Укладку бетонной смеси в формы следует заканчивать не

позднее 30 мин. после ее приготовления.

Образцы в течение двух суток хранят в формах в помещении с темпера-

турой 15–20 ºС, затем освобождают из форм, маркируют и до момента испыта-

ния хранят в камере с влажностью около 100 % или в периодиче-

ски смачиваемых опилках или песке. Перед испытанием тщательно осматрива-

ют образцы, измеряют грани (с точностью до 1 мм), взвешивают.

При испытании прочности образец укладывают на нижнюю опорную

плиту боковыми гранями. Предел прочности при сжатии бетона вычисляют с

точностью до 0,1 МПа как среднее арифметическое результатов испытания трех

образцов при условии, что наименьший результат отличается не более 20 % от

ближайшего показателя. При превышении этой разницы (> 20 %) вычисление

производят по двум наибольшим результатам.

Если действительная прочность бетона при сжатии отличается от задан-

ной не более ± 15 %, то следует внести коррективы в состав бетона: для повы-

шения прочности увеличивают расход цемента (т.е. Ц/В), для снижения проч-

ности – уменьшают его.

10.5. Определение производственного состава бетона

В разделе 10.3 показан расчет состава бетона на сухих материалах. На

практике заполнители имею определенную влажность. Количество влаги, со-

держащейся в заполнителях, должен учитываться при определении действи-

тельного расхода воды.

Вначале определяют содержание воды в заполнителях:

,ВП ПWП ⋅=

,ВЩ ЩWЩ ⋅=

где WП, WЩ – влажность песка и щебня.

Затем определяют действительный расход воды:

109

( ).ВД ЩП ВВВ +−=

Расход песка и щебня увеличивают на массу воды, которая в них содер-

жится, т.е. в производственном составе расход их будет соответственно равен:

,ПД ПВП +=

.ЩД ЩВЩ +=

Расход цемента при данной корректировке состава сохраняется неиз-

менным.

Объем получаемой бетонной смеси всегда меньше объема загружаемых в

бетоносмеситель цемента и заполнителя, так как при перемешивании зерна

песка располагаются в пустотах между зернами щебня, а цемент – в пустотах

между зернами песка и щебня. Для оценки объема получаемой бетонной смеси

введен коэффициент выхода бетона:

( ) ( ) ( ),///1000

111щпц

б ЩПЦ ρρρβ

++=

где 1цρ , 1

пρ , 1щρ – насыпная плотность цемента, песка, щебня, кг/л.

Влияние воды при определении βб не учитывают, так как вода сразу же

проливается в пустоты твердых материалов и на их первоначальный объем не

влияет. Коэффициент выхода зависит от состава бетона и свойств используе-

мых материалов и колеблется от 0,55 до 0,75.

При расчете расхода материалов на один замес бетоносмесителя прини-

мают, что сумма объемов цемента, песка и щебня (в рыхлом состоянии) соот-

ветствует емкости барабана бетоносмесителя. Тогда объем бетона, получаемый

из одного замеса:

,бсбЗ VV ⋅= β

где Vбс – емкость барабана бетоносмесителя.

Расход материалов на замес в бетоносмесителе определяют с учетом по-

лучаемого объема бетонной смеси:

,Ц 3З VЦ ⋅=

,П 3З VП ⋅=

110

,Щ 3З VЩ ⋅=

.В 3З VВ ⋅=

10.6. Определение состава бетона по графикам и номограммам

В производственных условиях из одних и тех же материалов приходится

готовить бетоны различных классов с разной консистенцией бетонной смеси,

когда число составов может достигать нескольких десятков. В этом случае не-

целесообразно проводить предварительные испытания для каждого состава, ра-

циональнее провести испытания, позволяющие построить обобщенные зависи-

мости, связывающие прочность, подвижность, В/Ц и расход цемента. Проводят

испытание девяти серий образцов с тремя расходами цемента и тремя значени-

ями В/Ц, получая бетонную смесь разной подвижности и бетоны разной проч-

ности. Например, Ц1=250 кг, Ц2=300 кг, Ц3=350 кг и В/Ц1=0,42, В/Ц2=0,5,

В/Ц3=0,58; девять серий образцов с девятью значениями подвижности бетон-

ной смеси и девятью, соответственно, значениями прочности бетона. По этим

результатам строят 2 графика (рис. 19, 20), по которым производят определение

состава бетона при любом заданном значении подвижности бетонной смеси и

прочности бетона в зависимости от В/Ц и расхода цемента.

При проведении опытов принимают такие крайние значения В/Ц и расхо-

дов цемента, которые обеспечивают получение результатов, полностью пере-

крывающих весь диапазон возможных на данном производстве классов бетона

и подвижности бетонной смеси.

Рис. 19. Зависимость подвижности бетонной смеси от В/Ц и расхода цемента

111

Рис. 20. Зависимость прочности бетона от В/Ц и расхода цемента

Определение состава бетона для пробных замесов проводят по рассмот-

ренной выше методике.

10.7. Определение состава бетона с химическими добавками

К химическим добавкам относят пластифицирующие, воздухововлекаю-

щие и ускорители твердения. Номенклатура этих добавок довольно широкая,

однако это не требует применения для каждого вида добавок особых методов

проектирования его состава, т.е. применяется единая методика, рассмотренная

ранее. При этом учитывается, что добавки не изменяют характера зависимостей

(подвижности бетонной смеси от расхода воды, прочности бетона от активно-

сти цемента и цементно-водного отношения), а только изменяют количествен-

ное соотношение между разными факторами. Величина подобных изменений

зависит от дозировки добавок и может быть учтена на основе рекомендаций,

содержащихся в технических условиях или инструкции по применению данной

добавки. Величину изменений можно установить по результатам предваритель-

ных опытов.

Пластификаторы (СДБ) и суперпластификаторы (С-3) способствуют

повышению подвижности бетонной смеси, уменьшают расход воды, необходи-

мой для получения равноподвижных смесей, однако основная зависимость

ОК=f (B) имеет одинаковый характер и в обычном бетоне, и в бетоне с добав-

ками (рис. 21, 22). Изменяются только положение кривой и соответственно по-

лучаемые по ней количественные результаты.

112

Рис. 21. Влияние добавок на водопотребность бетонной смеси:

1 – С-3; 2 – СДБ; 3 – без добавок

Рис. 22. Влияние суперпластификатора на зависимость водопотребности бетонной смеси от

расхода цемента: 1 – с добавкой; 2 – без добавки

Вводят в бетонные растворы суперпластификаторов 0,5–1,25 % от расхо-

да цемента, что позволяет снизить водопотребление бетонной смеси

на 15–30 %. В наилучшей степени действие суперпластификатора проявляется

при применении чистоклинкерного цемента. Чем меньше нормальная густота

цемента, тем выше его способность к пластификации и тем более эффективно

воздействие суперпластификатора на бетонную смесь и, соответственно, мень-

ше его оптимальная дозировка (рис. 23).

113

Рис. 23. Рекомендуемые дозировки добавки суперпластификатора С-3 в зависимости от

нормальной густоты цемента

Пластифицирующее действие на бетонную смесь различных суперпла-

стификаторов приблизительно одинаково (например при добавке Д = 1 % и

расходе цемента 500 кг/м3 величина редуцирования ΔВ = 23–25 %). При опре-

делении состава для пробных замесов можно принимать средние значения ∆В,

которые зависят от дозировки суперпластификатора: при Д=0,5 % от цемента

расход воды можно уменьшить на 15 %, а каждое последующее увеличение до-

зировки суперпластификатора на 0,25 % снижает расход воды еще на 4–5 %.

Наибольшее снижение водопотребности (величина редуцирования воды

ΔВ) бетонной смеси достигается в подвижных бетонных смесях (сравнительно

высокий расход цемента и воды). В жестких бетонных смесях снижение водо-

потребности ∆В обычно не превышает 4–6 %. Вместе с тем суперпластифика-

тор улучшает удобоукладываемость бетонной смеси (тиксотропию).

Добавки пластификатора типа СДБ дают среднее значение ΔВ = 10 %.

Улучшение пластифицирующих свойств СДБ посредством модификации ее

щелочами или полимерными добавками (ХДСК или ЛСТМ) повышает ∆В до

12–15 %. Для воздухововликающих добавок ΔВ = 3–7 %.

При уменьшении содержания пластифицирующих добавок эффектив-

ность их воздействия на бетонную смесь уменьшается, при повышении содер-

жания добавки по сравнению с оптимальным значением заметно замедляется

твердение бетонной смеси, поэтому для расчета состава пробных замесов мож-

114

но ориентировочно принимать, что для обычных бетонов оптимальная дози-

ровка добавки составит 0,5–0,7 %, а для высокопрочных бетонов – 0,7–1,2 % от

цемента.

При введении в бетонную смесь воздухововлекающих добавок расчет

расхода материалов для пробных замесов следует вести с учетом содержания в

бетоне 4–5 % воздуха, (т.е. 40–50 л/м3).

Поэтому уравнения, обуславливающие получение плотной структуры бе-

тона, примет вид:

1000=++++ ВВЩПВЦ

щпц ρρρ

щ

щ

пщ

ЩПВВПВЦ

'ρa

ρρ⋅⋅

=+++

где щ'ρ – насыпная плотность щебня, кг/л.

Расход песка следует определять по формуле:

пщц

ВВЩВЦП ρρρ

⋅

+++−= 100

Значение α следует увеличить на 0,05–0,1 против рекомендуемых для

пластичных (подвижных) бетонных смесей, зависящих от расхода цемента и

В/Ц, а расход воды можно уменьшить на 15–20 л, против определенной водо-

потребности по графикам для подвижной и жесткой бетонной смеси.

В случае применения добавок-ускорителей твердения (ХК, СН и др.)

следует учитывать, что они не меняют зависимости прочности бетона от Ц/В в

возрасте 28 суток (меняют только в раннем возрасте).

Добавки-ускорители твердения существенно изменяют прочность бетона

в раннем возрасте, однако влияние их на кинетику твердения бетона зависит от

вида цемента, состава бетона, условий твердения. Наилучшие результаты до-

стигаются, когда твердение бетона с добавками происходит при несколько по-

вышенной температуре. Это позволяет в раннем возрасте получить достаточно

высокую относительную прочность бетона и в некоторых случаях отказаться от

тепловой обработки ЖБИ.

115

Добавки-ускорители твердения должны вводиться в бетонную смесь в

оптимальных количествах. При меньшей дозировке добавки падает ее эффек-

тивность, а при большей – значительно снижается эффект от воздействия каж-

дого дополнительного количества добавки, вводимого в бетон сверх оптималь-

ного, что снижает технико-экономический эффект, с другой стороны, могут

наступить нежелательные явления (например, коррозия арматуры от СаСl2 и

т.п.). Для различных добавок оптимальное содержание их в бетоне находится в

зависимости от вида применяемого цемента, водоцементного отношения и ко-

леблется в пределах 0,5–3,0 % от цемента, которые даются в технических усло-

виях или инструкциях на применение добавок-ускорителей твердения в пере-

счете на сухое вещество. Их вводят в бетонные смеси в растворенном состоя-

нии вместе с водой затворения с определенной плотностью.

10.8. Определение состава многокомпонентных бетонов

В многокомпонентных бетонах используют композиционные вяжущие

вещества и комплексы химических и минеральных добавок. Многообразие сы-

рьевых материалов усложняет определение составов этих бетонов и требует

учета особенностей воздействия различных составляющих на свойства бетон-

ной смеси и бетона.

Влияние композиционного вяжущего на свойства бетонной смеси и бето-

на показывает НГ вяжущего. Чем ниже показатель НГ, тем при меньших значе-

ниях В/Ц могут быть получены равноподвижные бетонные смеси и тем выше

будет прочность бетона при определенном расходе цемента. Для обычного це-

мента с НГ = 26–28 % В/Ц стандартного раствора – 0,4:

,4,004,0328,03ЦВ

=⋅+=⋅+= НПЦР

ВНГ

где Внп = 0,04 – водопотребность нормального вольского песка.

У композиционных вяжущих НГ ниже, значит, цемент испытывается при

меньших значениях В/Цр, в результате возрастает показатель его прочности и

изменяется соотношение Rб/Rц, что требует корректировки коэффициента А в

116

формуле прочности бетона Rб = Ах·Rц/(Ц/В−0,5) при В/Ц ≥ 0,4 (Ц/В ≤ 2,5). Уточ-

нить его можно в соответствии с формулой:

Ах = 0,6+(НГ−0,28)∙0,02,

где НГ – нормальная густота композиционного вяжущего вещества.

Применение композиционного вяжущего вещества с более низкими зна-

чениями нормальной густоты уменьшает также водопотребность бетон-

ной смеси. Ее можно определить по формуле:

,1 Омб ВКВ ⋅=

где Вмб – водопотребность бетонной смеси определенной подвижности на ком-

позиционном вяжущем, л/м3;

ВО – то же, на обычном исходном цементе, л/м3;

К1 – коэффициент снижения водопотребности за счет изменения НГ цемен-

та. Значение К1 можно определить по формуле:

,11ст

квст

НГНГНГK −

−=

где НГст – НГ обычного цемента в относительных единицах, НГст = 0,28;

НГкв – НГ композиционного вяжущего.

Композиционные вяжущие особенно эффективны для высокопрочных бе-

тонов с повышенными расходами цемента.

Значительное применение свойств бетонной смеси и бетона достигается

при введении в их состав микрокремнезема (МК) с суперпластификатором (СП)

или органоминеральной добавки (МБ-01 или МБ-С). МК, имея очень высокую

удельную поверхность (2000–4000 м2/кг), адсорбирует значительное количе-

ство воды. Для получения теста НГ в зависимости от дисперсности МК прихо-

дится использовать 40–130 % воды от его массы, что значительно выше, чем

необходимо для цемента или обычных минеральных наполнителей (золы, мо-

лотого шлака и др.). Наиболее распространены кремнеземы с НГ = 40 %.

МК используют для повышения плотности бетона: располагаясь в порах

твердой фазы, состоящей из цементного камня, наполнителя и заполнителя, МК

повышает содержание в структуре твердой фазы и уплотняет ее, тем самым по-

117

вышая прочность бетона и изменяя реологические свойства бетонной смеси.

Но высокая водопотребность МК может вызывать повышение пористости

структуры, если максимально не снизить водопотребность бетонной смеси. По-

этому МК применяют совместно с СП или в составе органоминеральной добав-

ки, содержащей суперпластификатор (рис. 24). При работе с МК дозировка СП

для обеспечения равноподвижности бетонной смеси значительно более высока,

чем в обычной бетонной смеси.

Рис. 24. Изменение прочности цемента в зависимости от качества

замещенного микрокремнеземом цемента:

1 – бетон без суперпластификатора; 2 – бетон с суперпластификатором

При применении оптимальных дозировок СП введение в бетон МК вза-

мен части цемента за счет уплотнения его структуры и активации физико-

химических процессов структурообразования повышает прочность бетона, в то

время как введение рядовых наполнителей (например, золы), наоборот, снижает

прочность бетона (рис. 25).

Это повышение прочности следует учитывать при подборе состава бето-

на. В формулу прочности бетона можно ввести дополнительный коэффициент

Кмс=Rб.МКЗ /Rб.к., определяемый по графику в зависимости от дозировки кремне-

зема и его дисперсности. В этом случае:

.5,0

−⋅⋅⋅=

ВЦRАКR Wмсб

И значение В/Ц определится по формуле:

118

.5,0 цмсб

цмс

RАКRRАК

ЦВ

⋅⋅⋅+

⋅⋅=

Рис. 25. Относительная прочность бетонов, приготовленных из

равноподвижных смесей (ОК = 6 см), дозировка МК при замещении им части цемента и

оптимальной дозировке суперпластификатора: 1 – МК с НГ=130 %;

2 – МК с НГ=60 %; 3 – МК с НГ=40 %; 4 – зола-уноса (для сравнения)

1 кг МК требует дополнительно 1 л воды для сохранения определенной

подвижности бетонной смеси, а СП уменьшает водопотребность бетон-

ной смеси. Тогда водопотребность многокомпонентной бетонной смеси с МК и

СП можно ориентировочно определить по формуле:

( ),1 ЦДВКВ Омкб ⋅+⋅=

где ВО – расход воды в обычной бетонной смеси на используемом цементе и за-

полнителях для получения заданной подвижности, определяемой по из-

вестному графику;

К1 – коэффициент уменьшения водопотребности бетонной смеси вслед-

ствие применения СП (с учетом состава бетона обычно составляет 0,75–

0,85).

Д – дозировка МК в относительных единицах;

Ц – расход цемента, кг/м3

Определение состава многокомпонентного бетона в этом случае можно

проводить в 2 этапа: сначала рассчитывают состав контрольного бетона по ме-

тодике, используемой для обычного тяжелого бетона, а затем корректируют

119

полученный состав с учетом влияния на него дополнительных компонентов:

СП, МК и др.

Эффективность различных органоминеральных модификаторов по по-

вышению пластифицирующей способности и прочности бетона обычно опре-

деляют на основе предварительных испытаний добавки в мелкозернистом бе-

тоне состава 1:3.

В/Ц контрольного состава без добавки подбирают таким образом, чтобы

расплыв конуса на встряхивающем столике составлял 110–115 мм. Основной

состав с добавкой готовят при том же В/Ц, но с введением взамен части цемен-

та 10 % модификатора. Для мелкозернистого бетона состава 1:3 расплыв конуса

на встряхивающем столике зависит от изменений В/Ц (рис. 26). При этом дей-

ствует ориентировочное соотношение:

Δ(В/Ц) = 0,22·∆РК,

где ∆РК – относительное изменение расплыва конуса по сравнению с

РК = 105 мм, %;

∆(В/Ц) – относительное изменение величины В/Ц по сравнению с В/Цо,

соответствующим РК = 105 мм, %.

Рис. 26. Увеличение расплыва конуса раствора 1:3 на встряхивающем столике

за счет введения органоминеральной добавки:

1 – изменение подвижности контрольного раствора без добавки;

2 – то же, с добавкой 10 % МБ-С взамен части цемента

120

Поэтому, если известно изменение расплыва конуса, то можно ориенти-

ровочно определить, какое для этого потребуется изменение В/Ц или, учитывая

постоянство состава, водопотребности бетонной смеси.

При проведении испытаний определяют расплыв конуса контрольного

состава РК1 и основного состава РК2, а также показатели прочности при сжатии 11R и 1

2R . По результатам испытаний определяют поправочные коэффициенты 11К для корректировки водопотребности бетонной смеси и 1

2К для уточнения

прогнозируемой прочности бетона (как дополнительный множитель в формуле

прочности бетона):

,22,011

1211

К

КК

РРРК −

⋅−=

.11

11

121

2 RRRК −

=

Эти зависимости используются при определении расхода воды и цемента

в бетоне. Расход заполнителей определяется как в обычном бетоне. Это будут

предварительные, ориентировочные данные. Наиболее точные зависимости

свойств многокомпонентного бетона от его состава можно получить путем про-

ведения предварительных испытаний на реальных материалах с использовани-

ем методов математического планирования экспериментов.

Если составы подбирались вначале по ориентировочным зависимостям,

то они могут быть уточнены в последующем на основе компьютерных про-

грамм (разработаны в МГСУ), анализирующих массив результатов контроль-

ных испытаний в процессе производства. Полученные уточненные расчетные

зависимости обеспечивают эффективное управление производством с коррек-

тировкой состава при возможных колебаниях качества сырья.

121

11. РАЗНЫЕ ВИДЫ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

11.1. Бетон для сборных железобетонных конструкций

Особенностью технологии выпуска сборных железобетонных конструк-

ций является применение тепловой обработки отформованных изделий для

ускорения твердения бетона в целях увеличения оборачиваемости металло-

форм, стендов, установок. Здесь рост прочности бетона определяется не только

активностью цемента, составом бетона, консистенцией бетонной смеси, но

также режимом тепловой обработки. Наиболее распространенным является та-

кой режим:

− предварительная выдержка изделия до тепловой обработки – 1–2 ч;

− подъем температуры до изотермы – 2–3 ч;

− изотермическая выдержка – 6–12 ч;

− остывание – 3–4 ч.

Температура изотермической выдержки для бетонов на ПЦ составляет

80 °С, на ШПЦ – 90 °С.

Определение состава бетонной смеси получают на основе предваритель-

ных испытаний на пробных замесах. Расчет составляющих производят обыч-

ным способом, по известным формулам. Ц/В принимают по таблице – в зави-

симости от марки цемента и требуемой отпускной прочности – 2 или 3 значе-

ния, расход воды – по графику зависимости водопотребности от подвижности

(жесткости) смеси. Далее по формуле Скрамтаева определяют расход щебня

(он будет одинаковым для разных замесов) и песка. Затем получают составы

пробных замесов (2 или 3). Готовят по девять кубов размером 15×15×15 см,

шесть из них пропаривают в течение заданного режима. Через четыре часа по-

сле пропаривания испытывают по 3 куба при сжатии. По результатам испыта-

нии строят график Rб = f (Ц/В).

Допустим, замесы сделали при Ц/В 1,8 и 2,2, а прочности получились со-

ответственно 19 и 23 МПа, а требуется получить бетон с прочностью 21 МПа.

На построенном графике (рис. 27) можно определить, что бетон с прочностью

122

21 МПа можно получить при Ц/В = 2,0. Окончательный состав бетона пересчи-

тывается с учетом нового Ц/В. По результатам испытания в возрасте 28 суток

оставшихся трех пропаренных кубов и трех кубов, твердевших в нормальных

условиях, строят аналогичные графики. Если при Ц/В = 2,0 достигается задан-

ная средняя прочность с точностью до ±15 %, то корректировать состав не

нужно. Если же прочность пропаренных образцов в 28-суточном возрасте ока-

жется ниже заданной, то нужно увеличить Ц/В.

Рис. 27. Зависимость прочности бетона от Ц/В

11.2. Высокопрочный бетон

Высокопрочные бетоны имеют прочность 50–100 МПа, а особо высоко-

прочные – более 100 МПа. Для получения особо плотной, прочной и монолит-

ной структуры необходимы:

− применение высокопрочных цементов и заполнителей;

− предельно низкое В/Ц (менее 0,4);

− высокий предельно допустимый расход цемента;

− применение супер- и гиперпластификаторов на поликарбоксилатах и

комплексных добавок, способствующих получению плотной структуры бетона;

− особо тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси;

− создание наиболее благоприятных условий твердения бетона.

Цементы: Rц ˃ 50 МПа, для железобетонных изделий небольших и сред-

них размеров – повышенное содержание C3S и C3A и быстротвердеющий це-

мент, для массивных изделий – с пониженным содержанием C3A и C3S < 50 %

123

(лучше всего – белитовые цементы). Такие цементы твердеют в течение дли-

тельного срока, обеспечивая высокую конечную прочность бетона.

Заполнители должны быть чистыми, с хорошим зерновым составом, ма-

лой пустотностью и прочностью, на 20 % превышающей заданную прочность

бетона (из диабаза, базальта и др.).

В/Ц можно снизить до 0,25–0,3 использованием композиционных вяжу-

щих веществ или суперпластификаторов и комплексных добавок, микрокрем-

незема; применяются особо интенсивные способы уплотнения (прессование,

роликовая прокатка).

Расход цемента сверх 550–600 кг/м3 практически мало повышает проч-

ность бетона и экономически нецелесообразно.

Наилучшие условия твердения – нормальные (температура 20–25 °С,

влажность 100 %). При применении тепловой обработки назначают более дли-

тельную предварительную выдержку, очень мягкие режимы с постепенным

подъемом и спуском температуры, изотерму в пределах 50–60 °С и обеспечи-

вают высокую влажность среды. Вредны слишком длительные режимы прогре-

ва, необходимо ограничить его продолжительность моментом, когда прочность

бетона достигнет 50–70 % его класса. В этом случае высокопрочные бетоны

удовлетворительно твердеют в дальнейшем.

При соблюдении перечисленных условий Rб ≥ (1,5–1,7)·Rц.

Применение высокопрочных бетонов позволяет сохранить массу и мате-

риалоемкость ЖБИ.

11.3. Быстротвердеющий бетон

Эти бетоны обладают относительно высокой прочностью в раннем воз-

расте (1–3 суток) при твердении в нормальных условиях. Это достигается при-

менением:

− быстротвердеющих цементов;

− жесткой бетонной смеси с низким В/Ц за счет применения суперпла-

стификаторов;

124

− добавок-ускорителей твердения (СаСl2, глиноземистый цемент);

− сухого или мокрого домалывания цемента с добавкой гипса (2–5 % от

массы цемента);

− комплексных специальных добавок;

− активации цементного раствора.

С уменьшением В/Ц прочность бетона возрастает и тем выше, чем выше

прочность используемого цемента (рис. 28).

Рис. 28. Влияние прочности цемента и В/Ц на относительную прочность бетона

в возрасте 1 суток (R1/R28): 1 – бетон на ПЦ ЦЕМ I 32,5Н; 2 – бетон на ПЦ ЦЕМ I 42,5Н;

3 – бетон на ПЦ ЦЕМ I 42,5Н с 10 % микрокремнезема и 1,5 % суперпластификатора;

4 – бетон на ВНВ М1000 (клинкера ˃ 90 %)

Совместное применение МК и СП мало сказывается на ранней прочности

бетона. Их влияние проявляется через свойства системы «цемент + микрокрем-

незем + суперпластификатор». Наибольшее влияние на рост прочности бетона в

раннем возрасте оказывают свойство вяжущего и В/Ц (кривая 4 на рис. 28).

При определении состава быстро твердеющего бетона В/Ц устанавлива-

ют по заданной прочности бетона в раннем возрасте с учетом выбранного спо-

соба ускорения твердения. Дальнейший расчет состава бетона производится по

125

рассмотренной ранее методике. При выборе состава бетона на ПЦ для первых

пробных замесов можно пользоваться формулой, устанавливающей прочность

бетона через сутки при твердении в нормальных условиях:

1 10,65 1,3 ,Б ЦЦR RВ

= ⋅ ⋅ −

где RЦ1 – прочность цемента при сжатии через 1 сутки, МПа.

Тогда:

1

1 1

0,65.

0,65 1,3Ц

Б Ц

RВЦ R R

⋅=

+ ⋅ ⋅

Из добавок-ускорителей твердения наиболее распространен хлористый

кальций. Он позволяет ускорить твердение в ранние сроки, несколько снизить

расход цемента и улучшить удобоукладываемость. Оптимальное содержание

СаСl2 составляет 1–2 % для армированных конструкций и 3 % – для бетонных,

уточняется пробными замесами с добавкой и без нее.

Для равномерного распределения хлористого кальция в бетонной смеси

его вводят в виде раствора вместе с водой затворения.

11.4. Бетон на мелком песке

В некоторых районах России песков с удовлетворительным зерновым со-

ставом нет, а мелкие пески в природе распространены довольно широко. До-

пускается применять в бетоне мелкие и тонкие пески (модуль крупности

Мкр < 1,5) при аргументированном технико-экономическом обосновании.

Мелкие пески по сравнению со средними (Мкр = 2,5–2,0) и крупными

(Мкр = 3,5–2,5) характеризуются повышенными пустотностью и удельной по-

верхностью и худшим зерновым составом, поэтому они несколько понижают

прочность бетона и уменьшают подвижность бетонной смеси, что влечет за со-

бой увеличение расхода цемента для получения равнопрочных и равноподвиж-

ных бетонов. Мелкий песок в большей степени сказывается на осадке конуса и

в меньшей степени – на удобоукладываемости бетонной смеси. Мелкий песок

меньше раздвигает зерна крупного заполнителя и обладает лучшей водоудер-

живающей способностью, в результате чего уменьшается оптимальное содер-

126

жание песка в бетоне и, следовательно, в меньшей мере заметны его влияния на

водопотребность бетонной смеси.

Расчет состава бетонной смеси на мелком песке проводится как для

обычного тяжелого бетона со следующими поправками:

− значение В/Ц определяется по формуле: 0,55

;0,55 0,5

Ц

Б Ц

RВЦ R R

⋅=

+ ⋅ ⋅

− содержание мелкого песка в смеси заполнителей уменьшают, то есть

уменьшают коэффициент раздвижки зерен α на 0,03 на каждый процент увели-

чения водопотребности песка (выше 7 %);

− подвижность бетонной смеси назначают либо по удобоукладываемости

(для бетона сборных ЖБК), либо по пониженной осадке конуса, обеспечиваю-

щей одинаковую удобоукладываемость и транспортабельность бетонной смеси

на мелком и обычном строительном песке (для монолитного бетона). При оди-

наковой удобоукладываемости осадка конуса бетонной смеси на обычном песке

составляет 1–3, 4–5, 6–8, 9–13 см, а на мелком песке соответственно – 1–2, 2–3,

4–6, 7–10 см.

Водопотребность бетонной смеси определяется по графику водопотреб-

ности пластичной и жесткой бетонной смеси, увеличивая расход воды на 5 л на

каждый процент увеличения водопотребности песка и для пониженной осадки

конуса.

11.5. Бетон для гидротехнических сооружений

Условия эксплуатации гидротехнических сооружений, постоянно или пе-

риодических омываемых водой, диктуют особые требования к бетону:

− обеспечение длительной службы конструкции;

− прочность;

− водопроницаемость;

− морозостойкость.

Гидротехнический бетон делят на следующие разновидности:

127

− подводный, постоянно находящийся в воде;

− расположенный в зоне переменного горизонта воды;

− надводный, подвергающийся эпизодическому вымыванию водой;

− массивный и немассивный бетон;

− бетон напорных и безнапорных конструкций.

Прочность на сжатие гидротехнического бетона определяют в возрасте

180 суток. Применяют бетон классов В10–В40.

По водопроницаемости в 180-суточном возрасте бетон делят на 4 марки:

W2, W4, W6, W8. Бетон марки W2 при стандартном испытании не должен про-

пускать воду при давлении 0,2 МПа, бетон марки W4, W6, W8 – при давлении

соответственно 0,4; 06; 08 МПа.

По морозостойкости – 5 марок: F50; F100; F150; F200; F300 – для тех

гидротехнических бетонов, которые подвергаются совместному действию воды

и мороза. Марка по морозостойкости определяет число циклов замораживания

и оттаивания (в возрасте 28 суток), после которого прочность бетона снизилась

не более чем на 25 %.

Состав гидротехнического бетона определяется как для обычного тяже-

лого бетона. Водонепроницаемость гидротехнического бетона обеспечивается:

− выбором материалов, обеспечивающих требуемые морозостойкость и

водопроницаемость;

− определением В/Ц, исходя не только из уровня прочности, но и из

условия долговечности;

− назначением расхода цемента в определенных пределах;

− выбором коэффициента раздвижки зерен α, обеспечивающего получе-

ние плотного и долговечного бетона;

− применением в некоторых случаях микронаполнителей, уменьшающих

тепловыделение и объемные деформации и гарантирующих получение плотно-

го бетона при низких расходах цемента;

− применением воздухововлекающих добавок.

128

Допускается применение портландцемента, пластифицированного и гид-

рофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях –

сульфатостойкого цемента.

Пуццолановый цемент характеризуется большой физической и химиче-

ской стойкостью при действии на бетон природных вод, как пресных, так и ми-

нерализованных, малым тепловыделением при твердении, большой плотностью

цементного камня. Однако существенным недостатком бетонов на пуццолано-

вом цементе является их меньшая морозостойкость.

В суровых климатических условиях для зоны сооружений на уровне пе-

ременного горизонта воды используют пластифицированный портландцемент,

позволяющий получать водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также

несколько уменьшить (на 8–10 %) расход цемента и снизить тепловыделение

бетона при твердении.

В особо тяжелых условиях при наличии агрессивной воды применяют

сульфатостойкий цемент. Желательно, чтобы содержание C3A в цементе не

превышало 3–5 %, а (C3A+C4AF) < 20 %. Предпочтительнее повышенное со-

держание белита (C2S). Для повышения водонепроницаемости и морозостойко-

сти бетона применяют химические добавки: СДБ, СНВ, CП и органоминераль-

ные добавки.

Для уменьшения расхода цемента, а следовательно, тепловыделения и

объемных деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бе-

тонной смеси и плотности бетона в него вводят различные микронаполнители

(например, золу-уноса).

Из заполнителей лучше всего применять кварцевые пески, а щебень и

гравий – из изверженных или осадочных пород, водостойкость и морозостой-

кость которых подтверждены опытом. Особое внимание следует уделять зерно-

вому составу заполнителя: по возможности обогащать песок, а при использова-

нии сортового крупного заполнителя соблюдать рекомендуемые соотношения

фракций.

129

Подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси для гидротехниче-

ского бетона назначают в зависимости от: вида конструкции (массивные бетон-

ные и малоармированные с содержанием арматуры до 0,5 %; железобетонные с

содержанием арматуры до 1 % и более 1 %), вида песка (обычный и мелкий) и

наличия или отсутствия поверхностно-активных добавок.

При выборе В/Ц принимают во внимание требования к прочности, водо-

непроницаемости и морозостойкости бетона. В/Ц из условия прочности опре-

деляют по формуле с учетом сроков твердения:

.0,5

Ц

Б Ц

А RВЦ R А R

⋅=

+ ⋅ ⋅

В/Ц из условия водонепроницаемости и морозостойкости определяют по

таблице в зависимости от: условий службы бетона, вида конструкций (железо-

бетонные, бетонные и малоармированные массивные) и вида воды, в которой

находятся эти конструкции (морская, пресная). Из двух значений В/Ц, найден-

ных из условия прочности и условия водонепроницаемости и морозостойкости,

принимают наименьшее. Расход цемента должен быть больше минимальных

значений, обеспечивающих получение плотного бетона, и в то же время по

условиям тепловыделения его не должно быть более 350 кг/м3 – для массивных

конструкций, 400 кг/м3 – для не массивных.

Для получения водонепроницаемости бетона содержание песка в смеси

заполнителей должно быть несколько увеличено против обычных значений.

В связи с этим коэффициент раздвижки зерен α надо принимать на 0,03–0,06

больше рекомендуемых для обычных пластичных бетонных смей в зависимо-

сти от расхода цемента и В/Ц. Оптимальное значение коэффициента раздвижки

α также определяют опытным путем из условия получения наиболее плотной

бетонной смеси.

11.6. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий

Бетонные покрытия дорог и аэродромов работают на изгиб, как плиты на

упругом основании, поэтому необходимо обеспечить требуемую прочность бе-

130

тона на растяжение при изгибе, на сжатие, а также морозостойкость. Проект-

ную прочность дорожного бетона устанавливают в зависимости от назначения

бетона (табл. 15).

Таблица 15

Значения проектной прочности дорожного бетона

в зависимости от его назначения

Виды покрытия Заданный предел прочности, МПа

при изгибе при сжатии

Для однослойных и верхнего слоя двух-

слойных покрытий 4,0; 1,5; 5,0; 5,5 30; 35; 40; 50

Для нижнего слоя двухслойных покры-

тий 3,5; 4,0; 4,5 25; 30; 35

Для оснований усовершенствованных

капитальных покрытий 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 10; 15; 20; 25

Марки бетона по морозостойкости назначают в соответствии с климати-

ческими условиями района строительства (минусовыми температурами воздуха

наиболее холодного месяца: от 0 до −10 °С – F100; от −10 до −20 °С – F150;

ниже −20 °С – F200).

В/Ц для верхнего слоя должно быть менее 0,5; для нижнего слоя – не бо-

лее 0,6; для оснований усовершенствованных покрытий – до 0,75. Применяется

ПЦ с классом прочности выше 32,5 (C3A < 10 %) или дорожные пластифициро-

ванные, или гидрофобные цементы. Крупный заполнитель – только мытый

(глинистых, илистых и пылевидных частиц должно быть не более 1,5 %);

Rсж ˃ 120 МПа – из изверженных пород, Rсж ˃ 80 МПа – из осадочных;

наибольший диаметр – 20 мм для верхнего слоя, 40 мм – для нижнего, 70 мм –

для оснований.

К поверхностно-активным веществам относятся ССБ, СП и органомине-

ральные и воздухововлекающие добавки, мылонафт. Объем вовлеченного воз-

духа составляет 4,5–5,5 % в зависимости от крупности заполнителя. СНВ вво-

дят 0,001–0,025 % сухого вещества; мылонафт – 0,08–0,05 % товарного раство-

131

ра с 45–50 % воды; СДБ – 0,15–0,25 % в виде рабочего раствора. Подвижность

бетонной смеси: ОК = 1–2 см для бетоноукладочных машин, 2–3 см – для пло-

щадочных вибраторов.

Бетонные смеси делают с небольшим избытком песка – лучше прочность

при изгибе, коэффициент α = 1,3–1,7.

Определение состава дорожного бетона – как для обычного. В/Ц опреде-

ляют исходя из требуемой прочности бетона при изгибе (Rизг):

,2,036,0

36,0

Цизг

Ц

RRR

ЦВ

′⋅⋅+

′⋅=

где ЦR′ – активность цемента при изгибе.

При использовании бетоноукладочных машин средний расход воды для

щебня диаметром 40 мм принимают 160 л, для известнякового щебня и мелкого

песка увеличивают на 10 л, известнякового щебня и песка – на 20 л. При введе-

нии ПАВ расход воды уменьшается на 10 л.

После этого рассчитывают расход материалов на 1 м3.

11.7. Бетон с тонкомолотыми добавками

Молотые минеральные добавки вводятся или на цементных заводах, или

при изготовлении бетонной смеси с целью экономии цемента высших марок и

обеспечения при этом необходимой пластичности смеси и плотности бетона.

Эти добавки в большинстве случаев вводятся также с целью повышения эффек-

та автоклавной обработки бетона. Добавка рассматривается как составляющая

часть вяжущего вещества.

Применение тонкомолотых добавок рационально в двух случаях:

1. Когда по условию прочности можно допустить большее В/Ц, чем тре-

буется по условию долговечности бетона.

2. Когда требуемую прочность бетона можно обеспечить при меньшем

расходе цемента, чем требуется по условию плотности бетона.

Для удовлетворения требований к бетону необходимо выдержать два

условия:

132

1. Отношение x1 = В/(Ц+Д) должно быть не меньше значения, установ-

ленного традиционным способом определения минимального расхода цемента

для получения нерасслаиваемой плотной бетонной смеси, что обеспечивает не-

обходимую плотность бетона.

2. Отношение x2 = В/Ц должно быть не больше значения, определенного

по формулам:

Цб

Ц

RARRA

ЦВ

⋅⋅+

⋅=

5,0 при В/Ц > 0,4;

Цб

Ц

RARRA

ЦВ

⋅⋅−

⋅=

5,01

1

при В/Ц < 0,4,

что обеспечивает необходимую прочность бетона.

Для первого случая (В/Ц – более требуемого для долговечности):

х2 ˃ х1,

,1 ДЦВx+

≤

.2 ЦВx ≤

Одновременно удовлетворение условий и плотности и прочности дости-

гается при условии:

,)( 21 ЦxДЦx ⋅=+⋅

откуда:

( ) ,1

12

xxxЦД −⋅

=

где Ц – расход цемента, обеспечивающий получение бетона заданной прочно-

сти, кг/м3.

Во втором случае из равенства:

ЦxДЦx ⋅=+⋅ 21 )(

находим:

.)(2

1

xxДЦЦ В ⋅+=

133

11.8. Малощебеночный бетон

Бетон с пониженным содержанием крупного заполнителя (щебня, гравия)

называется малощебеночным. Малощебеночный бетон используют тогда, когда

для железобетонных конструкций приходится применять дорогостоящий при-

возной щебень с экономически обоснованным допустимым перерасходом це-

мента, или же когда требуется увеличить модуль упругости или уменьшить

ползучесть и усадку мелкозернистого бетона.

При уменьшении содержания щебня в обычном бетоне повышается водо-

потребность бетонной смеси (из-за возрастания удельной поверхности заполни-

теля) и увеличивается воздухововлечение в бетонную смесь, что уменьшает

прочность бетона и модуль деформации (отношение напряжения к относитель-

ной деформации, вызываемой его действием) и увеличивает усадку и ползу-

честь, а при введении щебня в цементно-песчаный бетон и увеличении его со-

держания – свойства бетона изменяются в противоположном направлении.

Опыты показали, что зависимость свойств бетона от содержания щебня носит

линейный характер.

Состав малощебеночного бетона определяют в следующем порядке:

1. По традиционным формулам находят требуемое В/Ц.

2. По графикам определяют расход воды (в зависимости от заданной по-

движности бетонной смеси).

3. Подсчитывают расход цемента:

./ ЦВВЦ =

4. В зависимости от допустимого перерасхода цемента (например, 20 %)

и принятого способа уплотнения по графику (рис. 29) определяют необходи-

мую добавку воды и расход щебня (в примере: добавка воды составит пример-

но 12 %, расход щебня ≈ 650 кг).

5. Находят расход песка по формуле для состава обычного бетона.

6. Делают пробные замесы и по их результатам корректируют состав бе-

тона. При этом расход цемента сохраняют постоянным: если необходимо уве-

134

личить прочность бетона, то уменьшают расход воды; если требуется большая

подвижность бетонной смеси, то увеличивают расход щебня за счет песка.

Рис. 29. График для расчета состава малощебеночного бетона:

1 – увеличение расхода цемента и 2 – увеличение расхода воды для получения

бетонных смесей с одинаковой осадкой конуса; 3 и 4 – то же, с одинаковой

удобоукладываемостью

11.9. Литой бетон

Применение литых бетонных смесей (осадка конуса более 21 см) оказы-

вается целесообразным при необходимости бетонирования изделий сложной

конфигурации с густой арматурой в целях значительного снижения трудоемко-

сти и сроков изготовления. Литой бетон готовят при высоком расходе воды, что

требует уделять особое внимание предупреждению расслаивания бетон-

ной смеси. Для его предотвращения:

1. Используют цементы, обладающие достаточной водоудерживающей

способностью (ПЦ с классом прочности 32,5 и 42,5 и БТЦ).

2. Применяют супер- и гиперпластификаторы на поликарбоксилатах, воз-

духововлекающие или водоудерживающие добавки.

3. Ограничивают значения В/Ц, чтобы избежать расслоения цементного

теста (В/Цкр < 1,8НГ с воздухововлекающими добавками).

4. Увеличивают содержание песка в бетонной смеси, повышая значение

коэффициента раздвижки зерен α на 0,1–0,2.

135

Водоудерживающую способность цементного теста можно оценить по

максимальному значению В/Цкр, при котором еще не наблюдается его расслое-

ние (В/Цкр = 1,65НГ).

При определении состава бетона определяют В/Цист и сравнивают его с

В/Цкр, т.е. должно соблюдаться условие:

,кр

ЩПист Ц

ВmВnВЦВ

ЦВ

≤⋅−⋅−=

где ВП и ВЩ – водопотребность песка и щебня в относительных единицах;

n = П/Ц;

m = Щ/Ц.

В литом бетоне для экономии цемента целесообразно использовать су-

перпластификаторы и комплексные добавки на их основе, композиционные вя-

жущие вещества, дисперсные наполнители, МК, органоминеральные добавки.

На МК с повышенной дозировкой СП получают литые бетоны с прочностью

100 МПа.

Во всех случаях применения литых бетонных смесей следует уделять

особое внимание экономии цемента, соответствующим образом выбирая ис-

ходные материалы и используя все известные приемы по сокращению расхода

цемента в бетоне.

136

12. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН

12.1. Особенности свойств мелкозернистого бетона

Мелкозернистые бетоны (МЗБ) изготавливаются без применения крупно-

го заполнителя, заполнителем является только песок, поэтому эти бетоны назы-

вают еще и песчаными бетонами.

Ранее применение МЗБ сдерживалось некоторыми особенностями струк-

туры и свойств. Применение в качестве заполнителя только песка вызывало

значительное увеличение удельной поверхности заполнителя и его пустотно-

сти, а следовательно, и увеличение расхода цемента и воды (на 15–25 % по

сравнению с бетоном обычным). Что приводило к увеличению усадки бетона.

Существовавшие жесткие требования по ограничению расхода цемента в бе-

тоне сдерживали применение МЗБ в строительстве.

В современных условиях изменились технические и экономические

предпосылки приготовления таких бетонов с использованием композиционных

вяжущих, суперпластификаторов и других модификаторов структуры и свойств

бетонов. Это позволяет свести к минимуму повышение расхода воды и цемента

в мелкозернистых смесях и резко уменьшить усадку материала. Поэтому МЗБ

обладают рядом достоинств:

− однородная тонкодисперсная структура;

− повышенная эффективность модификации материала;

− высокая тиксотропия;

− высокая технологичность – возможность формирования конструкций и

изделий методом литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга;

− легкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам;

− возможность применения сухими смесями;

− возможность получить новые архитектурно-конструкционные реше-

ния: тонкостенные и слоистые конструкции, изделия переменной плотности,

гибридные конструкции;

137

− возможность применения местных материалов, более низкая в этом

случае себестоимость.

Наибольший технико-экономический эффект достигается при изготовле-

нии толстостенных железобетонных конструкций:

− армоцемент – армирование МЗБ стальными сетками;

− фибробетон – армирование МЗБ фиброй (дисперсными волокнами).

В зависимости от выбора вяжущего и добавок получают разные специ-

альные бетоны: изоляционные, декоративные, электропроводящие или элек-

троизоляционные и др.

Особенности МЗБ:

− большая однородность;

− мелкозернистость;

− высокое содержание цементного камня;

− отсутствие жесткого каменного скелета;

− повышенная удельная поверхность твердой фазы;

− повышенная пористость.

Прочность МЗБ зависит от состава бетона (Ц/П) и В/Ц (рис. 30).

Рис. 30. Зависимость прочности МЗБ от состава бетона и В/Ц:

1 – В/Ц = 0,3; 2 – В/Ц = 0,4; 3 – В/Ц = 0,5

138

Для каждого состава бетона имеется оптимальное значение В/Ц, при ко-

тором получаются наивысшие прочность и плотность. При приготовлении

МЗБ смеси и уплотнении ее обычным вибрированием в нее вовлекается воздух,

распределенный по всему объему смеси в виде мельчайших пузырьков (возду-

хововлечение до 3–6 %). Чем больше жесткость смеси, тем выше ВВ. Вовле-

ченный воздух повышает пористость бетона и снижает его прочность.

Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня.

При невысоком содержании цемента в смесях более тощих, чем Ц/П = 1/3, це-

ментного теста может не хватать для обмазки зерен песка и заполнения всех

пустот. Возникает дополнительный объем пор, вызванный нехваткой цемент-

ного теста, увеличивается общая пористость и снижается прочность бетона.

Поэтому сложно получить достаточно прочный МЗБ при расходе цемента 200–

300 кг/м3, характерном для обычных бетонов.

Обобщенную зависимость прочности МЗБ от различных факторов можно

представить в виде следующего выражения:

,8,0).(.

−

+⋅⋅=

ВВВЦRAR ЦМЗБбп

где В, Ц – расход воды и цемента, кг/м3;

ВВ – объем вовлеченного воздуха, л;

А – эмпирический коэффициент: А = 0,8 – для материалов высокого каче-

ства; А = 0,75 – среднего качества, А = 0,65 – низкого качества.

Поскольку ВВ трудно определить расчетным путем, водоцементное от-

ношение можно вначале определить из формулы:

−⋅⋅= 8,0.. В

ЦRAR Цбп

без учета воздухововлечения, принимая коэффициент А в соответствии с рас-

шифровкой вышеприведенной формулы. Затем, на основе контрольных испы-

таний установить действительную плотность свежеприготовленной бетон-

ной смеси и коэффициент уплотнения, равный соотношению действительной и

расчетной плотности материала, определяющий объем воздухововлечения.

139

На мелких песках прочность МЗБ ниже, чем на крупных, поэтому жела-

тельно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более

крупными высевками от дробления камня, или обязательно применять ком-

плекс химических и минеральных добавок.

Для МЗБ на среднем песке наиболее экономичным является соотношения

Ц:П = 1:2–1:3, а на мелком песке – составы 1:1–1:1,5.

МЗБ обладает повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемо-

стью и морозостойкостью.

Для уменьшения воздухововленчения в МЗБ смеси и повышения плотно-

сти и прочности бетона вместо виброуплотнения применяют прессование, виб-

ропрессование, трамбование, вибрирование с пригрузом, прокатку (роликовое

уплотнение, станы Козлова), вибровакуумирование (например, формовка пли-

ток для пола на Нижне-Исетском ЗЖБИ).

12.2. Проектирование состава мелкозернистого бетона

1. Определяют В/Ц, необходимое для получения заданной прочности бе-

тона:

ЦБ

Ц

RARRA

ЦВ

⋅⋅+

⋅=

8,0

(из вышеприведенной формулы значения коэффициентов те же). Формула дей-

ствительна при коэффициенте уплотнения бетонной смеси более 0,97.

Если такое уплотнение не может быть обеспечено, то необходимо учиты-

вать возможное снижение прочности бетона примерно на 5 % на каж-

дый процент недоуплотнения.

2. Для рассчитанного В/Ц по рис. 31 определяют соотношение Ц/П – це-

мента к песку средней крупности (Мкр = 2,5) и Вп = 7 %, которое затем уточня-

ют (Ц′/П′) по рис. 32 для модуля крупности (Мкр) используемого песка (или ес-

ли не известна его водопотребность).

140

Рис. 31. График подбора соотношения Ц/П, которое обеспечивает заданную

удобоукладываемость цементно-песчаной смеси при определенном В/Ц

Рис. 32. График для корректировки Ц′/П′, обеспечивающего заданную подвижность

цементно-песчаной смеси в зависимости от крупности песка:

1 – Мкр = 2,5; 2 – Мкр = 1,5; 3 – Мкр = 0,75

3. Рассчитывают расход цемента из уравнения:

ПЦ

ПВЦлρρ

++=1000 при ВВ < 1,5 % (прокатка, прессование, трамбование),

,11000

ПЦ

nЦВЦ

ρρ++

=

где ρц, ρп – истинные плотности цемента и песка;

n – отношение П/Ц, определенное по рис. 32.

При уплотнении МЗБ смеси вибрированием в него обычно вовлекается

по объему 2–8 % воздуха. В этом случае расход цемента определяется так:

141

ПЦ

пЦВ

ВВЦ

ρρ++

−= 1

1000 ,

где ВВ – объем вовлеченного воздуха, л. Для подвижной бетонной смеси на

среднем (Мкр = 2,5) и крупном (Мкр = 3,5) песке ВВ=20 л, на мелком (Мкр = 2,0)

песке ВВ = 30 л; для жесткой смеси на среднем и крупном песке ВВ = 50 л, на

мелком песке ВВ = 70 л.

4. Определяют расход воды:

.ЦВЦВ ⋅=

5. Определяют расход песка:

.nЦП ⋅=

6. На пробных замесах проверяют подвижность или удобоукладывае-

мость. При необходимости вносят поправки в состав.

Определяют плотность свежеуложенной бетонной смеси на контрольных

образцах, проверяют прочность МЗБ.

По плотности свежеуложенной цементной смеси устанавливают оконча-

тельный расход материалов на 1 м3 бетона. Эта операция имеет важное значе-

ние при расчете состава цементно-песчаного бетона, т.к. может оказаться, что

цементного теста не хватит для заполнения пустот между зернами песка, и

уложенный бетон будет иметь определенное дополнительное количество пор,

которое необходимо учитывать при подсчете материалов на 1 м3 бетона, или,

наоборот, окажется, что в расчете учтено большее количество ВВ, чем его бу-

дет в действительности.

12.3. Мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций

Необходимо принимать во внимание схему армирования (число сеток,

расстояние между ними, размер песка), что в значительной степени влияет на

формуемость армоцемента, и чем гуще армирование, тем более интенсивным и

продолжительным должно быть уплотнение цементно-песчаной смеси.

142

Формуемость армоцемента нужно выбирать в зависимости от принятого

способа уплотнения:

− вручную – 5–15 с;

− вибрирование с частотой 3000 кол/мин – 15–40 с;

− вибрирование с частотой 6000 кол/мин – 40–60 с;

− вибрирование с пригрузом – 60–100 с.

При расчете состава цементно-песчаной смеси для армоцементных кон-

струкций (АЦК) подвижность (расплыв конуса, см) определяют в зависимости

от требуемой формуемости и заданной схемы армирования по специальному

графику, составленному для стальной тканой сетки с ячейкой 7×7 мм в кон-

струкциях толщиной 2–3 см с числом сеток 1, 3, 5, 8, 12; если применяется сет-

ка с ячейкой 5×5 мм, то подвижность смеси, определенная по графику, увели-

чивается на 40 %, а при сетке с ячейкой 10×10 мм уменьшается на 30 %.

Наибольшая крупность песка, допустимая по условиям армирования:

,3,0)2/( 22max −+= lhD

где h – расстояние между сетками, мм;

l – размер ячейки стальной тканой сетки, мм. При этом 0< h< l.

Остальной состав смеси определяют по изложенной выше методике.

12.4. Мелкозернистый бетон с микронаполнителем

Золу, известняковую муку, молотый песок и другие микронаполнители

вводят в МЗБ для экономии цемента и оптимизации составов. Цемент и микро-

наполнитель рассматривают как единое вяжущее. Активность вяжущего и его

влияние на водопотребность бетонной смеси зависят от содержания и свойств

микронаполнителя. Микронаполнитель уменьшает активность цемента пропор-

ционально увеличению содержания микронаполнителя: добавили 30 % микро-

наполнителя – на 30 % уменьшилась активность цемента.

Водопотребность микронаполнителя влияет на общую водопотреб-

ность смеси. Если известна водопотребность микронаполнителя, можно опре-

делить количество воды, которое нужно добавить (убавить) к расходу воды:

143

,)( ДНГВВ МНД ⋅−=

где ВМН – водопотребность микронаполнителя (относительная величина);

НГ – нормальная густота цементного теста (относительная единица);

Д – содержание добавки-наполнителя в 1 м3 бетона, кг.

Водопотребность бетонной смеси можно определять раздельным учетом

водопотребности цемента и микронаполнителя.

После подбора состава бетона и проведения пробных замесов оконча-

тельный расход материалов устанавливают с учетом действительной плотности

по формулам:

;/1 ЦВmп

Ц см

+++′

=ρ

;nЦП ⋅=

;mЦД ⋅=

,ЦВЦВ ⋅=

где Ц, П, Д – содержание цемента, песка и добавки-наполнителя, кг/м3 смеси;

n, m, В/Ц – отношения песка, добавки-наполнителя и воды к цементу по массе.

12.5. Композиционные мелкозернистые бетоны

Это высокоэффективные многокомпонентные бетоны, в которых исполь-

зуются композиционные вяжущие вещества, комплексы химических модифика-

торов структуры, активные минеральные компоненты. Многокомпонентность

состава позволяет эффективно управлять структурообразованием материала на

всех этапах технологии, обеспечивая высокое качество получаемых изделий и

конструкций.

Применение композиционного вяжущего и комплекса химических и ми-

неральных добавок на свойства цементно-песчаной смеси и МЗБ аналогично их

влиянию на свойства крупнозернистого (обычного) бетона. Применение СП и

вяжущего низкой водопотребности позволяет заметно снизить водопотребность

бетонной смеси, получить равноподвижные смеси при более низких значениях

144

В/Ц (рис. 33). В результате возрастает плотность и прочность бетона, особенно

возрастает максимальная плотность, достигаемая при определенном Ц/П.

Рис. 33. Зависимость расплыва конуса на встряхивающем столике от В/Ц для МЗБ состава

1:3: 1 – бетон на ПЦ; 2 – бетон с заменой 10 % цемента микрокремнеземом и 1 %

суперпластификатора; 3 – бетон с 1 % суперпластификатора; 4 – бетон на ВНВ

Для сокращения расхода цемента часть его заменяют активными мине-

ральными наполнителями: молотым шлаком, золой, МК, позволяющими регу-

лировать структурообразование в твердеющем бетоне. Наиболее оптимальны-

ми составами по совокупности свойств являются 1:2–1:3.

Введение расширяющихся композиционных вяжущих заметно уменьшает

усадку бетона. МК совместно с СП уменьшает усадку в несколько раз, а при

достаточно высоком содержании микрокремнезема (более 150 кг/м3) может по-

чти полностью компенсировать усадку в бетонах оптимального состава. Вместе

с тем введение МК увеличивает набухание МЗБ при водном или влажном хра-

нении. Существенно уменьшает усадку введение в бетон полимерных и других

видов фибры вместе с расширяющими добавками.

В технологии высококачественных композиционных МЗБ получение вы-

соких показателей обусловлено:

− снижением их водосодержания, повышением однородности и стойко-

сти к расслоению;

145

− повышенной тиксотропностью бетонной смеси, облегчающей и уско-

ряющей процесс ее транспортирования, укладки и уплотнения;

− ускорением темпов твердения, что повышает эффективность зимнего

бетонирования, сокращает сроки изготовления изделий;

− возможностью регулирования тепловыделения;

− снижением температуры изотермического прогрева или полного отказа

от тепловой обработки;

− возможностью повышения производительности труда за счет исключи-

тельно высоких формовочных свойств бетонной смеси.

В возрасте 2 суток прочность может достигать 30–50 МПа, а в 28-су-

точном – 100–150 МПа, морозостойкость – F600 и выше, водонепроницае-

мость – W12 и выше, водопоглощение – менее 1–2 %. Высокая газонепроница-

емость и низкая истираемость.

Разновидностью МЗБ являются композиционные тонкозернистые бетоны

и композиты (размер заполнителя 0,5–1 мм), которые находят все более широ-

кое применение в мастиках, клеях, для отдельных слоев в системах штукатур-

ки. Высококачественный тонкозернистый бетон имеет прочность 100–120 МПа,

водонепроницаемость – W20 и выше, морозостойкость – F600 и больше.

В композиционных МЗБ могут успешно применяться техногенные отхо-

ды и вторичные продукты (зола, молотые шлаки) как при производстве компо-

зиционных вяжущих веществ, так и путем непосредственного введения в бетон

при его приготовлении. Применение техногенных отходов облегчает получение

композиционных вяжущих веществ заданных свойств и МЗБ оптимальных со-

ставов.

146

13. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ

13.1. Легкие бетоны на пористых заполнителях

13.1.1. Виды пористых заполнителей

Пористые заполнители подразделяются:

1. На искусственные – керамзит, вермикулит, перлит, аглопорит, шлако-

вая пемза (термозит), вспученные гранулы полистирола.

2. Естественные – туф, пемза, известковые туфы, ракушечники.

По плотности легкие бетоны делятся:

1. На особо легкие теплоизоляционные: ρсух. < 500 кг/м3; Rсж.≤1,5 МПа.

2. Легкие: ρсух = 500–1800 кг/м3; Rсж. = 2,5–30 МПа:

− конструктивно-теплоизоляционные: ρ = 500–1400 кг/м3; Rсж = 2–

10 МПа;

− конструктивные: ρ = 1400–1800 кг/м3; Rсж = 10–30 МПа.

По структуре легкие бетоны классифицируются:

1. На плотные (обычные) – раствор на тяжелом или легком песке полно-

стью заполняет межзерновые пустоты крупного заполнителя.

2. Поризованные – растворную часть вспучивают с помощью пено- или

газообразующих добавок.

3. Крупонопористые – без песка, межзерновые пустоты не заполнены.

Прочность легких бетонов (как и тяжелых) зависит от В/Ц, т.е. от проч-

ности цементного камня, скрепляющего зерна заполнителя в единый монолит,

и от прочности пористых заполнителей (рис. 34) – бетоны на заполнителях раз-

ной прочности имею разную прочность: каждый вид крупного заполнителя

позволяет получать бетоны только до определенной прочности, по достижении

которой дальнейшее повышение прочности раствора не приводит к заметному

повышению прочности бетона.

Прочность легкого бетона зависит еще и от концентрации заполнителя

(объем легкого заполнителя в 1 м3 бетона). При большой разности между проч-

147

ностью растворной части бетона и прочностью пористого заполнителя увели-

чение концентрации заполнителя приводит к уменьшению прочности бетона.

Рис. 34. Влияние прочности керамзитового гравия и раствора на прочность керамзитобетона:

1, 2, 3, 4 и 5 – прочность керамзита 7, 5, 4, 3 и 2 МПа соответственно

При определении состава легкого бетона на пористых заполнителях при-

ходится учитывать все три особенности влияния заполнителя на прочность бе-

тона. Поэтому расчет проводят на основе не какой-либо единой формулы или

графика, а данных ряда таблиц и поправочных коэффициентов, составленных с

учетом этих особенностей.

Пористый заполнитель изменяет деформативные свойства бетона.

Уменьшается модуль упругости бетона и тем больше, чем деформативнее за-

полнитель и выше его содержание.

Важным свойством легкого бетона является его теплопроводность. Уве-

личение содержание легкого заполнителя, уменьшение его плотности улучша-

ют теплофизические свойства легкого бетона (правда, при этом снижается

прочность бетона). На практике ищут такое оптимальное соотношение в свой-

ствах исходных материалов и бетона и так подбирают свойства бетона, чтобы

его необходимые свойства достигались наилучшим образом при минимальном

расходе цемента.

148

Пористые заполнители в силу значительного водопоглощения отсасыва-

ют из цементного раствора часть воды в первые 10–15 мин. после приготовле-

ния бетонной смеси. Количество поглощенной воды увеличивается в ли-

тых смесях и снижается в жестких бетонных смесях. Обычно величина водопо-

глощения пористого заполнителя в бетонной смеси на 30–50 % ниже его водо-

поглощения в воде (сказывается влияние водоудерживающей способности це-

ментного теста). Поэтому для сохранения подвижности бетонной смеси прихо-

дится увеличивать расход воды. Это увеличение будет тем больше, чем выше

водопотребность заполнителя и его расход. Водопоглощение пористого запол-

нителя существенно влияет на водоудерживающую способность бетон-

ной смеси, уменьшая расслаиваемость литых и подвижных смесей и позволяя

применять смеси с высоким В/Ц. Это улучшает и теплоизоляционные свойства

бетона.

На первом этапе структурообразования цементного теста пористые за-

полнители, отсасывая влагу, способствуют получению более плотного и проч-

ного контактного слоя цементного камня. На втором этапе при уменьшении ко-

личества воды в цементном камне вследствие гидратации цемента, пористые

заполнители возвращают ранее поглощенную воду, создавая благоприятные

условия для протекания гидратации цемента и уменьшая усадочные явления в

цементном камне.

Пористый заполнитель состоит из зерен неправильной формы (кроме ке-

рамзита) с сильно развитой поверхностью и обладает в силу этого увеличенным

объемом межзерновых пустот. Для заполнения этих пустот и создания доста-

точной смазки между зернами заполнителя с целью получения нерасслаивае-

мых и удобообрабатываемых смесей требуется в 1,5–2 раза больше цементного

теста, чем при применении плотных тяжелых заполнителей.

13.1.2. Проектирование состава легкого бетона

При проектировании состава легкого бетона необходимо наряду с проч-

ностью бетона и удобоукладываемостью бетонной смеси обеспечить заданную

149

его плотность, которая зависит от свойств и расхода мелкого и крупного пори-

стого заполнителя.

Марку цемента выбирают из таблиц в зависимости от требуемой прочно-

сти легкого бетона (B15, 20, 25 – М400; B30, 35, 40 – М500; B50 – М600).

Прочность на сжатие крупного заполнителя и его насыпная плотность

также определяются по специальным таблицам.

Наибольшая крупность щебня пористого заполнителя – 40 мм. Должно

выдерживаться соотношение между фракциями:

− для фракций (5–10):(10–20) мм как 40:60 %;

− для фракций (5–10):(10–20):(20–40) мм как 20:30:50 %.

Поскольку прочность легкого бетона зависит не только от активности

цемента и В/Ц, но и от свойств и содержания заполнителя и подвижности бе-

тонной смеси, то при определении расхода цемента пользуются данными из

специальных таблиц, по одной из которых назначают расход цемента в зависи-

мости от заданной прочности бетона, а по другой его уточняют в зависимости

от свойств используемых материалов и подвижности бетона.

Расход воды (В0) назначают также по таблице с учетом требуемой жест-

кости бетонной смеси и вида крупного заполнителя. В таблице приводятся дан-

ные при использовании плотного песка, поэтому для повышения точности

определения расхода воды вводят поправку на водопотребность мелкого запол-

нителя. Состав стандартного раствора назначают не по массе, а по абсолютно-

му объему и принимают равным 1:2,28, что ориентировочно соответствует для

кварцевого песка отношению по массе 1:2. Тогда водопотребность пористого

песка определяется по формуле, %:

,28,2

100)/(.

⋅−=

НГЦВВ р

ПП

где НГ – нормальная густота цементного теста.

Водопотребность пористых песков в 2–3 раза больше, чем плотных (у

дробленого керамзита – 13–16 %; шлакопемзового песка – 16–18 %). При сред-

нем расходе песка 250 л/м3 по абсолютному объему изменению водопотребно-

150

сти песка на 1 % будет соответствовать изменение расхода воды 0,02 л/м3 абсо-

лютного объема песка.

Средняя водопотребность плотного песка составляет 7 %. При примене-

нии песков с другой водопотребностью в расход воды вводят поправку:

),7(02,0..

1 −′

⋅= Ппз

ВПВρ

где ρʹз.п. ‒ средняя плотность зерен песка.

На водопотребность легкобетонной смеси влияет и расход цемента. Ори-

ентировочно можно считать, что при расходе цемента более 450 кг/м3 водопо-

требность возрастает примерно на 0,15 л/м3 на каждый 1 кг/м3 расхода цемента

сверх критического значения. Отсюда поправка к расходу воды при высоких

расходах цемента:

).450(15,02 −⋅= ЦВ

Объемная концентрация заполнителя тоже влияет на водопотреб-

ность смеси. Для конструктивного керамзитобетона минимальная водопотреб-

ность бетонной смеси достигается при объемной концентрации керамзита 0,35–

0,40. При другом значении объемной концентрации крупного заполнителя вво-

дят поправку на расход воды:

,)37,0(2000 23 −⋅= ϕВ

где ..

3

зк

кр

ρϕ = – объемная концентрация крупного заполнителя;

3кр – масса заполнителя, кг; /

..зкρ – насыпная плотность крупного заполнителя, кг/л.

Общая водопотребность бетонной смеси:

32100 ВВВВВ +++=

Расход крупного (3кр) и мелкого (П) заполнителей найдем из решения си-

стемы уравнений:

крБ ПЦ 315,1 ++⋅=ρ ; (1)

151

,1000/

../

..

=+++ ВЗПЦ

крз

кр

пзц ρρρ (2)

где Бρ – плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3;

,/..пзρ /

..крзρ – плотность зерен мелкого и крупного пористых заполнителей

в цементном тесте, кг/л;

цρ – истинная плотность цемента, кг/л;

Ц, П, Зкр, В – расходы цемента, песка, крупного заполнителя и воды на 1 м3

бетона.

После подстановки общей водопотребности бетонной смеси в формулу

(2) можно решить систему уравнений (1) и (2). Эти расчеты довольно трудоем-

ки, на практике пользуются таблицами объемной концентрации крупного за-

полнителя.

Расход крупного заполнителя:

,10003 /..крзкр ρϕ ⋅⋅=

где /

..крзρ – плотность зерен крупного заполнителя в цементном тесте, кг/л, кото-

рую ориентировочно можно определить, умножая плотность зерен крупного

заполнителя на коэффициент: 1,05 – для пористого гравия, 1,1 – для пористого

щебня.

Расход плотного песка устанавливают из уравнения (1):

.15,1 крБ ЗЦП −⋅−= ρ

Для опытных замесов помимо предварительного состава рассчитывают

еще 2 состава, в которых расход цемента принимают на 10–20 % больше или

меньше, чем полученный в исходном составе. Если на принятых материалах

нельзя получить заданную плотность при допустимых значениях объемной

концентрации крупного заполнителя (φ), то расход цемента следует уменьшить

так, чтобы φ оказалась в допустимых пределах, или принять другие заполнители.

По результатам опытной проверки строят график Rб = f (Rц), по которому

принимают действительное значение расхода цемента и затем уточняют расхо-

ды других материалов.

152

13.2. Поризованный легкий бетон

Поризованный легкий бетон – это бетон на пористых заполнителях с

поризованной растворной частью бетона. Применяют для улучшения теплофи-

зических свойств легкого бетона.

Поризованные легкие бетоны содержат более 800 л/м3 легкого крупного

заполнителя, у которых объем воздушных пор составляет 5–25 %. Поризацию

осуществляют либо предварительно подготовленной пеной, либо введением га-

зообразующих или воздухововлекающих добавок. Пеной поризуют только бес-

песчаные смеси, воздухововлекающими добавками – только смеси с песком, га-

зообразующими добавками – смеси с песком и без.

В зависимости от используемого заполнителя и способа поризации бето-

ны получают название: керамзитопенобетон, керамзитогазобетон, керамзитобе-

тон с воздухововлекающей добавкой.

Поризованный бетон имеет пониженные плотность и коэффициент теп-

лопроводности. В нем можно использовать крупный заполнитель прерывистого

зернового состава, уменьшить или полностью исключить расход пористого

песка, применить более тяжелый пористый заполнитель без увеличения плот-

ности бетона.

В отличие от неавтоклавного ячеистого бетона поризованный легкий бе-

тон отличается значительно меньшим расходом вяжущего вещества, повышен-

ным модулем деформации и долговечностью, меньшей усадкой. Поризованные

легкобетонные смеси отличаются хорошей связанностью и удобоукладываемо-

стью, упрощается формование изделий, не требуется пригруз при виброуплот-

нении.

Прочность поризованного бетона 5–10 МПа, плотность – 700–1400 кг/м3.

Обжиговые пористые материалы (керамзит, аглопорит и др.) при одной и той

же плотности имеют более высокую прочность, чем пористый раствор, поэтому

максимальное насыщение поризованного легкого бетона керамзитом

(0,9–1,15 м3/м3) способствует повышению его прочности или понижению рас-

хода цемента.

153

Цемент рациональнее применять с классом прочности 32,5 и выше в це-

лях понижения плотности (веса) бетона. Марку керамзита (по насыпной плот-

ности от 360 до 700 кг/м3 через каждые 100 кг/м3) выбирают по таблице зави-

симости плотности керамзитобетона от вида керамзита, песка, требуемой проч-

ности бетона: чем выше требуемая прочность, тем больше расход цемента и

плотность.

13.2.1. Подбор состава легкого бетона, поризованного

воздухововлекающими добавками

Производят расчетно-экспериментальным путем с проведением опытных

замесов. Расход цемента и воды принимают по таблицам, причем, расход це-

мента берется разным на три замеса и колеблется от 180 до 320 кг/м2 в зависи-

мости от прочности бетона (5; 7,5; 10 МПа).

Расход керамзитового гравия для подвижных смесей с учетом раздвижки

зерен для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси принимают

0,9–0,95 м3/м3, для малоподвижных и умеренно жестких смесей на керамзито-

вом песке – 0,9–1,05 м3/м3, для жестких на кварцевом песке – 1,05–1,15 м3/м3

(более высокие значения – для керамзитового гравия меньшей прочности).

Расход песка в зависимости от заданной плотности бетона: /. . 1,15 ,б сухП Ц Кρ= − ⋅ −

где /..сухбρ – плотность поризованного бетона в сухом состоянии, кг/м3;

Ц и К – расход цемента и керамзита, кг/м3.

Ориентировочное значение объема вовлеченного воздуха для получения

поризованного бетона слитной структуры:

. .1 1000

10В Вц п к

Ц П КV Вρ ρ ρ

= ⋅ − + + +

В зависимости от необходимого объема вовлеченного воздуха по таблице

определяют ориентировочный расход воздухововлекющей добавки в процентах

от массы цемента (микропенообразователи СНВ или ПО-6) для разных песков

154

(дробленый керамзитовый – 0,02–0,15 %; кварцевый – 0,04–0,2 %; шлаковый –

0,05–0,15 %).

Для надежности при подборе состава бетона целесообразно принимать

расчетную плотность на 2–5 % ниже с прочностью на 10–20 % выше, чем тре-

буется по проекту (влияние различных технологических факторов).

Рассчитав составы бетона для трех опытных замесов, проводят их изго-

товление и испытания опытных образцов. По результатам испытания строят

графики зависимости прочности и плотности легкого поризованного бетона

при заданных расходах цемента от расхода воздухововлекющей добавки и

устанавливают оптимальный состав бетона. Этот состав проверяют в производ-

ственных условиях, вводя поправки на расход керамзита (с учетом раздробле-

ния в смесителе).

Легкий беспесчаный бетон с поризованным цементным камнем рацио-

нально применять при использовании пористого заполнителя с плотностью бо-

лее 500 кг/м3. При этом возможно получать на керамзите марок 500–800 плот-

ность поризованного бетона 700–1000 кг/м3 и прочность после пропаривания

3,0–4,5 МПа с плотностью поризованного цементного камня в 500 кг/м3.

13.2.2. Подбор состава беспесчаного легкого бетона, поризованного

пенно- или газообразующими добавками

1. Устанавливают расход заполнителя.

2. Определяют объем ячеистого бетона.

3. Рассчитывают и уточняют в опытных замесах состав ячеистого бетона,

обеспечивающий заданные подвижность бетонной смеси и прочность затвер-

девшего легкого бетона.

Расход пористого заполнителя, л:

1000 ,1 ( 1)Щ

ц

VП a

=+ ⋅ −

где Пц – межзерновая пустотность заполнителя;

α – коэффициент раздвижки зерен заполнителя, α = 1,1–1,2.

155

Объем ячеистого бетона, л, подсчитывают из условия заполнения меж-

зерновых пустот заполнителя с некоторым избытком:

. . .яч бет щ щV V П a= ⋅ ⋅

Плотность ячеистого бетона в сухом состоянии устанавливают из условия получения заданной плотности легкого бетона:

/ / /. . . .(1000 ) /яч бет б щ щ яч бетV Vρ ρ ρ= ⋅ − ⋅

где /щρ – насыпная плотность пористого заполнителя, кг/л.

Состав ячеистого бетона определяют по методике, которую мы будет

рассматриваться в разделе «Ячеистые бетоны». Для опытных замесов рассчитывают три состава легкого бетона с расхо-

дом пористого заполнителя, определяемым по формуле и отличающимся на

±10 %. По данным испытания опытных образцов (пропаренных) выявляют за-висимость между прочностью легкого бетона и плотностью ячеистого бетона.

Принимают оптимальный состав бетона, обеспечивающий получение легкого бетона заданной прочности и плотности при меньшем расходе цемента.

13.3. Крупнопористый легкий бетон

Крупнопористый легкий бетон изготавливается без мелкой фракции

(песка). Благодаря этому строение бетона характеризуется большим количе-

ством крупных пор в виде межзерновых пустот, что приводит к уменьшению

его плотности и к понижению коэффициента теплопроводности. Вместе с тем

исключение песка из состава крупнопористого бетона значительно снижает

суммарную поверхность зерен заполнителя, обволакиваемую слоем цементного

теста, и соответственно уменьшает содержание цемента в бетоне. Оно должно

быть достаточным для создания контактов из цементного теста между зернами

крупного заполнителя.

Состав крупнопористого конструктивно-теплоизоляционного бетона на

легких заполнителях определяют также расчетно-экспериментальным методом.

При этом задаются классом и плотностью бетона. Крупнопористые бетоны на

легких заполнителях отличаются высокой жесткостью, поэтому при определе-

нии их состава контролируют нерасслаиваемость бетонной смеси.

156

Расход цемента для получения крупнопористого бетона устанавливают

по таблице в зависимости от вида применяемого заполнителя и прочности про-

ектируемого бетона, он колеблется в пределах 215–300 кг/м3 (для класса В22,5).

Расход крупного заполнителя (Щ) принимают в зависимости от его пу-

стотности (Пщ):

− при Пщ = 40 % – Щ = 1,1 м3/м3;

− при Пщ = 50 % – Щ = 1,15 м3/м3;

− при Пщ = 60 % – Щ = 1,25 м3/м3.

Для производственного состава расход заполнителя увеличивается на

5–15 % (из-за разрушения зерен при перемешивании).

Расход воды, л:

30 ,100

НГ Ц ЩВ ω⋅ + ⋅=

где НГ – нормальная густота цементного теста, %;

ω30 – водопоглощение по массе сухого крупного заполнителя за 30 мин, %.

Плотность сухого бетона: / 1,15 .б Ц Щρ = ⋅ +

Для уточнения расхода цемента и воды приготавливают три опытных за-

меса: один с расчетным количеством цемента и два, отличающихся от первого

на ±(15–20) %. Оптимальное количество воды принимают по составу смеси,

имеющей наибольшую плотность и показатель расслаиваемости менее 10 %.

Если бетонная смесь имеет плотность больше заданной, то в нее добавляют

крупный заполнитель или заменяют его более легким.

Оптимальный состав бетона устанавливают по результатам испытания

образцов на прочность.

13.4. Ячеистый бетон

Ячеистым бетоном называется разновидность особо легких бетонов,

строение которых характеризуется наличием значительного количества искус-

ственно созданных, равномерно распределенных, условно замкнутых пор (яче-

157

ек), заполненных воздухом или газом (Н2, О2). Мелкие, трудно сообщающиеся

между собой воздушные ячейки диаметром 0,5–1,5 мм, составляющие 50–80 %

от общего объема бетона, придают материалу ценные строительно-технические

свойства: малую плотность и пониженную теплопроводность, достаточную

прочность, морозостойкость и необходимое сцепление с арматурой.

Пористость ячеистым бетонам придается:

1. Механическим путем, когда тесто, состоящее из вяжущего и воды, ча-

сто с добавкой мелкого песка, смешивают с отдельно приготовленной пеной

или вводят пенообразователь непосредственно в специальный смеситель; при

отвердении полученной массы получается пористый материал, называемый пе-

нобетоном.

2. Химическим путем, когда в тесто, состоящее из воды, вяжущего и мел-

кого кремнеземсодержащего наполнителя, вводят специальные газообразую-

щие добавки; в результате в тесте вяжущего вещества происходит реакция га-

зообразования, оно вспучивается и становится пористым. Затвердевший мате-

риал называют газобетоном.

13.4.1. Классификация ячеистого бетона

Ячеистые бетоны по плотности и назначению делятся:

− на теплоизоляционные с плотностью 300–600 кг/м3, прочностью

0,4–1,2 МПа;

− конструктивные с плотностью 600–1200 кг/м3, прочностью 2,5–15 МПа.

По способу твердения различают ячеистые бетоны неавтоклавного и

автоклавного твердения.

Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения применяют цементы с

классом прочности не ниже 32,5, чтобы достичь в короткий срок необходимую

устойчивость ячеистой массы до ее тепло-влажностной обработки. Применять

пуццолановый портландцемент и шлакопортландцемент не рекомендуется из-за

длительных сроков схватывания и повышенной усадки ячеистой массы после

заполнения формы (особенно у пенобетона).

158

Наибольшее применение получили ячеистые бетоны автоклавного твер-

дения. Набор прочности эти бетоны получают в сосудах высокого давления

(0,8–1,0 МПа) и высокой температуры (175–200 °С), обеспечиваемых паром

(перегретым).

Автоклавные ячеистые бетоны изготавливают из следующих смесей:

− цемента с молотым кварцевым песком; часть песка вводят не размоло-

тым (пено-, газобетоны) – для бетонов с плотностью более 1000 кг/м3;

− молотой негашеной извести с кварцевым измельченным песком

(пенно-, газосиликаты);

− цемента и извести (молотой негашеной) в соотношении 1:1 по массе и

песка. Песок может заменяться золой (зола-уноса с электрофильтров ТЭС), то-

гда получаются пенозолобетоны или газозолобетоны. Цемент (ПЦ) алитовый

(C3S ˃ 50 %), низко- и среднеалюминатный (C3A = 5-8 %) с началом схватыва-

ния не позднее 2 ч. Возможно применение и белитовых ПЦ.

Для приготовления автоклавных ячеистых бетонов применяют известь с

содержанием СаОакт не менее 70 %, MgO не более 5 %, высокоэкзотермическую

с температурой гашения около 85 °С. Тонкость помола извести-кипелки не ни-

же 350–400 м2/кг.

Кварцевые пески должны содержать не менее 90 % SiO2, не более 5 %

глины и не более 0,5 % слюды. Тонкость помола песка: Sуд = 120–200 м2/кг.

Зола-уноса характеризуется высокой пористостью и дисперсностью

(Sуд = 200–300 м2/кг). Поэтому золу можно не домалывать, а бетоны на золе-

уноса получаются с меньшей плотностью, чем на кварцевом песке.

13.4.2. Пенообразователи

Для образования ячеистой структуры бетона применяют пено- или газо-

образователи. В качестве пенообразователей используют несколько видов ПАВ,

способствующих получению устойчивой пены.

Клееканифольный (КК) пенообразователь приготавливают из мездрово-

го или костного клея, канифоли и водного раствора едкого натра (NaOH). При

159

длительном взбивании эмульсии получается большой объем устойчивой пены.

Срок хранения – не более 20 суток при температуре +2–4 °С.

Смолосапониновый (СС) пенообразователь получают из мыльного кор-

ня и воды. Введение в него жидкого стекла в качестве стабилизатора увеличи-

вает стойкость пены. Срок хранения 1 месяц при нормальной температуре.

Алюмосульфонафтеновый (АСН) пенообразователь получают из керо-

синового контакта, сернокислого глинозема и едкого натра. По стоимости де-

шевле КК и СС, дает более устойчивую пену. Сохраняет свои свойства при по-

ложительной температуре до 6 месяцев.

Пенообразователь ГК – готовят из гидролизованной боенской крови

марки ПО-6 и сернокислого железа. Возможно его применение с ускорителем

твердения. Срок хранения при температуре 18–20 °С – 6 месяцев.

В последнее время большое распространение получили органические пе-

нообразователи, выпускаемые специально для пенобетона.

Расход пенообразователя для получения пены, % от расхода воды:

КК = 8–12 %, СС = 12–16 %, АСН = 16–20 %, ГК = 4–6 %, органических – 6–12 %.

13.4.3. Газообразователи

В качестве газообразователя применяют алюминиевую пудру марки

ПАК-3 или ПАК-4 с содержанием активного алюминия 82 % и тонкостью по-

мола 500–600 м2/кг. Расход пудры в зависимости от требуемой плотности газо-

бетона составляет 250–600 г/м3.

Для защиты алюминиевой пудры от окисления при ее производстве вво-

дят парафин, который обволакивает тонкой пленкой каждую чешуйку алюми-

ния, придавая ему гидрофобность. Такая пудра не осаждается в воде и не обра-

зует водную суспензию. Поэтому перед приготовлением суспензии необходимо

парафиновую пленку удалить (депарафинизировать). Этого добиваются тремя

путями:

1. Прокаливанием пудры в электропечах при температуре 200–220 °С в

течение 4–6 часов (парафин испаряется); в последние годы этот способ приме-

няется редко (взрыво-, пожароопасен).

160

2. Растворением пленки в растворе ПАВ (мылонафта, сульфанола, сти-

рального порошка). Но этот метод взрывоопасен из-за пыления алюминия.

3. Смешиванием алюминиевой пудры со специальным ПАВ – поризато-

ром, разработанным фирмой «Ванг» (г. Москва) – заводе-изготовителе алюми-

ниевой пудры. Такая пудра становится взрыво-, пожаробезопасной и гидро-

фильной, не требующей операции депарафинизации в условиях завода-

потребителя. Частицы алюминиевого порошка не агрегатируются в воде, что

обуславливает получение очень мелких пор в массиве формуемого изделия.

Вспучивание растворной массы происходит в результате химического

взаимодействия металлического алюминия с гидроокисью кальция и выделения

при этом водорода:

3Ca(OH)2 + 2Al + 6H2O = 3CaO·Al2O3·6H2O + 3H2↑.

Возможно применение в качестве газообразователя пергидроля – водного

раствора технической перекиси водорода (H2O2), который крайне неустойчив,

легко разлагается в щелочной среде, интенсивно выделяет при смешивании с

цементным тестом кислород:

2H2O2 → 2H2O + O2.

Цементный раствор с добавкой пергидроля схватывается весьма быстро,

поэтому заливка приготовленного раствора в формы должна быть закончена не

позднее чем через 3 мин. с момента добавки пергидроля в растворную смесь.

На основе пергидроля лучше всего получается конструктивный газобетон с

плотностью 1100–1200 кг/м3 и прочностью 10–12 МПа.

Количество газа, выделяемого 1 кг пергидроля (30 % концентрации), в 10

раз меньше, нежели 1 кг алюминиевого порошка. Но интенсивность выделения

газа в обоих случаях различная. Если при введении алюминиевого порошка

главная масса газа выделяется через 30–40 мин. после смешивания, то газовы-

деление при пергидроле начинается практически немедленно после его введе-

ния в суспензию и полностью заканчивается через 7–10 мин. В последующем

образующийся кислород относительно быстро диффундирует в окружающую

среду и поры газобетона заполняются воздухом из атмосферы.

161

Расход пергидроля 30-процентной концентрации составляет 1,0–1,3 % от

массы твердого (вяжущее + песок или зола), или 9–10 кг/м3 газобетона.

Плотность ячеистого бетона и его пористость зависят главным образом от

расхода порообразователя и степени использования его порообразующей спо-

собности. Некоторое влияние на эти показатели оказывает водо-твердое отно-

шение (В/Т): увеличение В/Т увеличивает текучесть смеси и улучшает условия

образования пористой структуры.

Прочность же ячеистого бетона зависит от его плотности (рис. 35) и ха-

рактера пористости (размеров и структуры пор, прочности межпоровых оболо-

чек), а прочность оболочек зависит от оптимального соотношения основного

вяжущего и кремнеземистого компонента, водопотребления и условий тепло-

влажностной обработки. Поэтому применение смесей с минимальным В/Т при

условии образования высококачественной структуры (например, вибровспучи-

ванием) позволяет получить ячеистый бетон более высокой прочности.

Рис. 35. Зависимость прочности ячеистого бетона от его плотности

162

13.4.4. Подбор состава ячеистого бетона

1. Выбирают соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжу-

щим веществом (С) по таблице в зависимости от вида вяжущего.

2. Определяют водо-твердое отношение (В/Т), обеспечивающее заданную

текучесть смеси, определяемую по таблице «Текучесть ячеистобетон-

ной смеси».

Для расчетов значение В/Т может быть принято:

− при литьевой технологии: для ячеистых бетонов на песке В/Т = 0,5; на

извести В/Т = 0,5–0,55; на смешанном вяжущем В/Т = 0,46–0,5; на золе В/Т = 0,6.

− при вибротехнологии (с использованием С-3): для ячеистых бетонов на

песке В/Т = 0,3; на золе В/Т = 0,4.

3. Определяют количество порообразователя на замес (Рп).

3.1. Определяют предварительную пористость бетона:

,

где – плотность ячеистого бетона в высушенном состоянии, кг/л;

kс – коэффициент, учитывающий связанную воду в материале (κс = 1,1);

Vуд – удельный абсолютный объем 1 кг сухой смеси (Vуд = 0,32–0,44 л).

Расход порообразователя (алюминиевой пудры или водные растворы пе-

нообразователя на замес):

,

где α – коэффициент использования порообразователя (α = 0,85);

– коэффициент выхода порообразователя (отношение объема пор к массе

порообразователя), kAl = 1390 л/кг; kпен = 20 л/кг;

V – заданный объем ячеистой смеси, л.

Устанавливают расход сухих материалов и воды на пробный замес, учи-

тывая не только свойства ячеистого бетона, но и температуру вспучивания и

время схватывания.

163

Расход материалов на замес:

;

;

;

;

;

,

где Рсух – суммарный расход сухих материалов на замес;

V – заданный объем одновременно формуемых изделий, увеличенный с

учетом образования «горбушки» на 7–10 % для индивидуальных форм и на

3–5 % для массивов;

Рвяж – масса вяжущего;

С – отношение кремнеземистого компонента к вяжущему;

n – доля цемента в смешанном вяжущем;

Ри – масса товарной извести, содержащей 100 % CaO;

Риф – масса товарной извести, на которой делают замес;

Аф – фактическое содержание СаО в товарной извести (активность);

Рв – масса воды;

Рк – масса кремнеземистого компонента.

Рассчитанный состав является ориентировочным. Его уточняют приго-

товлением опытных замесов и испытанием образцов.

164

14. ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА

14.1. Силикатный бетон

14.1.1. Общие сведения

Силикатный бетон – камневидный искусственный строительный кон-

гломерат, получающийся из уплотненной и отвердевшей в автоклаве увлаж-

ненной смеси молотой извести (6–30 %), молотого кварцевого песка (8–15 %) и

обычного кварцевого песка (60–80 %) или другого заполнителя.

Силикатные бетоны могут быть:

− тяжелыми – со средней плотностью более 1800 кг/м3 (в них плотные

заполнители – песок, щебень или гравий);

− легкими – со средней плотностью менее 1800 кг/м3 (заполнитель – ке-

рамзит, аглопорит, перлит, термозит и т.п.);

− ячеистыми – плотность менее 500 кг/м3 (пено-, газосиликаты).

По крупности зерен применяемого заполнителя:

− крупнозернистые – диаметр больше 5 мм;

− мелкозернистые – диаметр меньше 5 мм.

Наибольшее применение нашли тяжелые мелкозернистые бетоны с пре-

делом прочности при сжатии 15, 20, 25, 30, 40 и 50 МПа (редко 60, 70, 80 МПа

и более). Морозостойкость таких бетонов высокая, особенно бетонов высокой

прочности – до F300.

Виды вяжущих зависят от вида кремнеземистого компонента и называ-

ются:

− известково-кремнеземистые (совместно тонкомолотые известь и квар-

цевый песок);

− известково-шлаковые (металлургические или топливные шлаки);

− известково-зольные (топливные золы);

− известково-аглопоритовые (отходы производства искусственных пори-

стых заполнителей);

165

− известково-белитовые (тонкомолотые продукты низкообжиговой и из-

вестково-кремнеземистой шихты и песка или нефелинового (белитового) шла-

ма и песка).

Возможно применение специальных добавок: для замедления гидратации

извести (гипсовый камень); для повышения помолоспособности компонентов и

пластификации бетонной смеси (триэтаноламин); для гидрофобизации и повы-

шения долговечности бетона (ГКЖ-10, ГКЖ-11); суперпластификаторы и др.

14.1.2. Расчет состава силикатного бетона

Рассчитывают двумя способами:

1. Когда известна активность известково-кремнеземистого вяжущего

(ИКВ) и предполагается автоклавная обработка – используется расчетно-

экспериментальный метод для цементного тяжелого бетона (рассмотрен ранее).

При определении В/Ц по известным формулам:

учитывают активность известково-кремнеземистого вяжущего. Прочность си-

ликатного бетона устанавливают по результатам испытания после автоклавной

обработки.

Расход воды по результатам испытаний бетонной смеси состава 1:1:2

уточняют пробным замесом.

Коэффициент раздвижки α принимают на 0,1–0,2 выше значений, реко-

мендуемых для тяжелого бетона, а коэффициент А=0,5.

Расход песка:

,1000 Пик

ик ВЦ

П ρρ

⋅

+−=

где Цик – расход известково-кремнеземистого вяжущего, кг;

ρик – истинная плотность вяжущего, кг/л;

ρп – истинная плотность песка, кг/л.

166

Окончательный расход материалов уточняют по результатам пробных

замесов.

2. Когда активность известково-кремнеземистого вяжущего неизвестна,

ее определяют по методике ВНИИстрома, связывающей прочность силикатного

бетона с его плотностью, качеством извести, водоцементным отношением, тон-

костью помола песка, соотношением между известью и тонкомолотым песком

и другими факторами.

Прочность плотного силикатного бетона на негашеной молотой извести

ориентировочно можно определить по формуле:

,1801

6,1100

5,40 .. +

−+⋅=

ВЦ

SR ПМ

б

где Sм.п – удельная поверхность молотого песка, м2/кг.

При использовании гашеной извести, обладающей очень большой удель-

ной поверхностью, изменение дисперсности молотого песка оказывает незна-

чительное влияние на прочность бетона и им можно пренебречь, тогда:

.1401160 +

−⋅=

ВЦR

Минимальное количество известково-песчаного вяжущего, обеспечива-

ющее получение плотного бетона:

,1

1

0

ЦВ

mk

ВВЦ

Ц

П

уП

+

⋅

⋅′−−

=

ρ

ρρ

где ВВ – объем воздуха, защемленного в уплотненной силикатобетонной смеси;

kу – коэффициент уплотнения песка при различных способах формирования:

,П

ВПуk

ρρ′′

=

ВВ = 0,05, kу = 1,15–1,25 ‒ при объемном вибрировании с пригрузом;

ВВ = 0,04, kу = 1,3-1,4 ‒ при формовании скользящим виброштампом;

ВВ = 0,035, kу = 1,35–1,45 ‒ при формовании на стенде силового вибропроката;

167

Пρ′ – насыпная плотность песка;

– плотность сухого немолотого песка в уплотненном состоянии;

m – коэффициент раздвижки зерен немолотого песка тонкомолотой добав-

кой и известью:

,3

+=

ср

срср

ДdД

m

,100

45,012,025,045,09,01,3 654321 aaaaaaД ср

⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=

Дср – средний поперечник (диаметр) зерен немолотого песка, мм;

a1, a2, a3, a4, a5 – частные остатки на ситах 1,2; 0,6; 0,3; 0,15; 0,09 мм;

a6 – количество песка, прошедшее через сито 0,09 мм;

dср – средний поперечник зерен молотого песка, мм:

,85

65,2

.. −=

ПМср S

d

где Sм.п – удельная поверхность молотого песка, м2/кг.

Для придания силикатобетонной смеси требуемой подвижности расход

вяжущего увеличивают, т/м3:

,0ЦnЦ ⋅=

где n – коэффициент избытка теста вяжущего, зависит от требуемой влажно-

сти смеси, определяющей ее жесткость, необходимую для ее качественного

уплотнения при различных способах формования изделий (определяется по

таблицам).

Расход извести:

,А

ИИ а=

,54,11

+=

а

ЦИ а

где Иа – содержание активной извести, т/м3;

А – содержание активного оксида кальция в товарной извести, доли едини-

цы;

168

а – соотношение между активным CaO и молотым песком в вяжущем;

назначают исходя из условия получения при автоклавной обработке гидро-

силикатов кальция оптимального состава при минимальном расходе изве-

сти (по таблицам).

Расход оксида кальция колеблется в пределах 5,8–6,5 % для бетона с

прочностью при сжатии 20 МПа, 8,0–10,5 % – для прочности 50 МПа (меньшее

значение для крупного песка, большее – для очень мелкого).

Расход молотого песка, т/м3:

.ИЦПМ −=

Расход немолотого песка-заполнителя, т/м3:

.5,25,2

′

−⋅−=m

nП ВПН

ρ

Количество воды в бетонной смеси, л/м3:

.ЦВЦВ ⋅=

Плотность уплотненного силикатного бетона, т/м3:

.НБ ПЦ +=′ρ

При определении состава силикатного бетона следует иметь в виду:

1. Чем мельче песок-заполнитель, тем меньше должна быть размолота та

часть песка, которая входит в состав вяжущего.

2. Чем выше заданная прочность бетона, тем больше расход вяжущего.

3. Расход вяжущего для получения силикатного бетона заданной прочно-

сти уменьшается при увеличении дисперсности мелкого песка и растет при

увеличении формовочной влажности силикатобетонной смеси.

4. Дисперсность молотой извести должна быть в 2–2,5 раза выше дис-

персности молотого песка.

Для быстрого определения ориентировочного состава силикатного бетона

существуют графики для конкретной прочности бетона, составленные на осно-

ве приведенных формул. Тогда по таблицам определяют необходимую жест-

кость смеси и по ней – влажность смеси, по графику определяют расходы вя-

169

жущего, активной извести, немолотого песка, воды затворения и плотности

свежеуложенного бетона.

Подобранный по графикам или рассчитанный состав силикатного бетона

уточняют на образцах, изготовленных из смесей с одинаковым В/Ц при расходе

вяжущего 0,9Ц; Ц; 1,1Ц, и выбирают оптимальный состав, отвечающий задан-

ным условиям.

14.2. Цементно-полимерный бетон

Цементно-полимерный бетон (ЦПБ) – цементный бетон с добавками

различных высокомолекулярных органических соединений в виде водных дис-

персных полимеров – продуктов эмульсионной полимеризации различных по-

лимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола, латексов и других или водорас-

творимых коллоидов: поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных во-

дорастворимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегидных смол. Добав-

ки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении. Вводимые полимеры созда-

ют в структуре материала полимерную фазу и существенно влияют на его стро-

ение и свойства.

ЦПБ характеризуются наличием двух активных составляющих: мине-

рального вяжущего и органического вещества. Вяжущее вещество с водой об-

разует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит.

Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капил-

ляров, зерен цемента и заполнителя тонкую пленку, которая обладает хорошей

адгезией и способствует повышению сцепления между заполнителем и цемент-

ным камнем, улучшает монолитность бетона и работу минерального скелета

под нагрузкой. В результате ЦПБ приобретает повышенную прочность на рас-

тяжение и изгиб, морозостойкость, высокую износостойкость, непроницае-

мость. Но при водном хранении снижается прочность бетона.

Наиболее распространенными добавками полимеров являются: ПВА (по-

ливинилацетат), латексы и водорастворимые смолы. ПВА обычно применяется

в виде эмульсии, содержащей около 50 % сухого вещества и некоторого коли-

чества поливинилового спирта как эмульгатора.

170

Латексы содержат дивинил и стирол: СКС-30 (30 частей стирола), СКС-

50 (50 частей) и СКС-65 (65 частей). С увеличением содержания стирола повы-

шается прочность и твердость полимера и снижается его эластичность.

Основным фактором, влияющим на свойства ЦПБ, является полимерце-

ментное отношение. Оптимальная добавка ПВА составляет 20 % от расхода

цемента. Латексы применяют стабилизированные (во избежание коагуляции

полимера вводят стабилизатор – соду, казеинат аммония и др.).

Полимерные добавки увеличивают пластичность растворных смесей по

сравнению с чисто цементными. Прочность увеличивается, если бетон твердеет

в воздушно-сухих условиях (влажность 40–50 %), при 90–100 % влажности

прочность снижается.

Водорастворимые смолы вводятся в бетон в небольших количествах

(примерно 2 % от расхода цемента). Это эпоксидные смолы ДЭГ-1, ТЭГ-1, по-

лиамидная смола № 89, которые характеризуются высокой адгезией к новооб-

разованиям цементного камня, кварцу, граниту. смола № 89 полимеризуется в

щелочной среде без введения инициатора, а смолы ДЭГ-1 и ТЭГ-1 вводят в во-

ду затворения вместе с отвердителем.

ЦПБ приготавливают по той же технологии, что и обычный цементный

бетон. Применяют эти бетоны для полов, дорог, отделочных и клеевых соста-

вов, коррозионно-стойких покрытий.

14.3. Полимербетоны

Полимербетонами называют бетоны, в которых вяжущими служат раз-

личные полимерные смолы, а заполнителями – неорганические материалы – пе-

сок и щебень. Иногда в целях экономии смолы в полимербетоны вводят тонко-

молотые наполнители. Для ускорения твердения и улучшения свойств приме-

няют отвердители, пластификаторы и др. специальные добавки.

Наиболее часто для полимербетонов используют термореактив-

ные смолы: фурановые, эпоксидные и полиэфирные акриловые. Отверждение

происходит или при обычной температуре, или в условиях подогрева.

171

Фурановые смолы наиболее дешевые (мономер ФА). Отверждение про-

исходит в присутствии катализаторов (сульфокислот: бензосульфокислоты

20–30 % от ФА, контакт Петрова).

Из эпоксидных смол для полимербетонов наиболее пригодны жид-

кие смолы ЭД-5, ЭД-6. Эпоксидные смолы отверждаются с помощью катализа-

тора ионного типа – полиэтиленполиамина (10–20 % от массы смолы), гексоме-

тилендиамина (10–20 %). При повышении температуры скорость отверждения

возрастает. Полиэфирные смолы – полиэфирмалеинады ПН-1 и ПН-3 и поли-

эфирокрилаты МГФ-9 И ТМГФ-11 отверждаются при обычной температуре с

помощью катализаторов: перекиси бензоила, циклогексанона, метилэтилкатона.

В качестве заполнителей применяют кислотостойкие минеральные веще-

ства, так как для полимеризации используют кислые отвердители – это для по-

лимербетонов на фурановых и формальдегидных смолах, а для полимербето-

нов на полиэфирных и эпоксидных смолах можно применять самые различные

заполнители.

Наибольшей прочностью обладают полимербетоны на эпоксидной смоле

(Rсж = 100 МПа, Rрастяж = 12 МПа). Для этих бетонов также характерна хорошая

химическая стойкость, водостойкость, стойкость к истиранию, высокая клеящая

способность. Но стоимость бетона на эпоксидной смоле в 10–15 раз выше сто-

имости обычного цементного бетона.

Расход смолы в полимербетоне зависит от свойств заполнителя. Чем

больше пустотность заполнителя, выше содержание в нем мелких фракций и

больше их удельная поверхность, тем больше расход смолы и отвердителя.

Поэтому опытным путем подбирают наиболее плотную смесь заполнителей, за-

тем рассчитывают количество микронаполнителя (различных молотых горных

пород), которое должно быть больше на 10 % объема пустот в заполнителе.

Опытным путем подбирают расход смолы, чтобы получить заданную подвиж-

ность бетонной смеси (примерно на 10–20 % больше объема пустот в микрона-

полнителе). Слишком большое количество смолы применять не следует, так как

это увеличивает усадку бетона, температурные деформации и снижает проч-

ность бетона. Количество отвердителя подбирают также опытным путем.

172

Применяют полимербетоны в коррозионностойких конструкциях хими-

ческих производств, в конструкциях, испытывающих сильное истирающее воз-

действие (водосливы гидротехнических сооружений, некоторые трубопрово-

ды), сантехнических изделиях.

14.4. Бетонополимеры

Бетонополимер – новый материал, полученный при пропитке поверх-

ностной зоны готового бетонного (или железобетонного) изделия жидким мо-

номером с последующей полимеризацией мономера в теле бетона. Жидкие мо-

номеры (стирол, метилметакрилат) могут за сравнительно короткое время про-

питывать бетон на глубину 10–20 см и более. Количество мономера, потребное

для пропитки бетона, зависит от его пористости. Для полной пропитки плотно-

го бетона требуется мономера 2–5 % по массе (4–10 % по объему), раствора –

на 30–70 % больше, чем для бетона, легкие пористые бетоны могут впитать до

30–60 % мономера.

Цель пропитки – заполнить поры и капилляры другим веществом.

Для этого готовые бетонные или железобетонные изделия или конструкции

подвергают специальной обработке, включающей сушку изделий и вакуумиро-

вание до пропитки. Сушка бетона проводится с целью освободить от воды поры

и капилляры материалов и лучше подготовить их для заполнения специальным

составом.

Свойства бетонополимеров зависят как от свойств бетона и полимера, так

и от технологии обработки. Чем прочнее полимер, используемый для пропитки,

и больше его содержание в бетонополимере и чем прочнее бетонный каменный

скелет, тем выше прочность бетонополимера, которая может достигать

200 МПа и более. Прочность бетонополимера выше прочности использованно-

го бетона и полимера.

Полимер как бы заклеивает дефекты структуры цементного камня, запол-

нителя и контактной зоны и связывает тысячами нитей различные участки бе-

тона, повышая их сопротивление нагрузке и трещиностойкость. Образующуюся

в бетоне сетку полимера можно рассматривать как особого рода дисперсное

173

армирование. При полимеризации мономер стремится сократиться в объеме,

что вызывает обжатие в минеральной части материала. В результате создается

разновидность предварительно напряженного состояния материала, что также

способствует повышению его прочности и трещиностойкости.

Специальная обработка бетона полимером способствует значительному

повышению прочности сцепления между заполнителем и цементным камнем.

Полимер, проникая в раствор и заполнитель, как бы связывает их своими нитя-

ми воедино, склеивает все дефекты контакта. Прочность сцепления цементного

раствора с гранитом и известняком повышается от 1–2 МПа в обычном бетоне

до 8–9 МПа в бетонополимере. Прочность на сжатие повышается в 2–10 раз,

т.е. получается бетонополимер прочностью 80–200 МПа.

В бетонополимере щебень является слабым звеном, поэтому высокие

прочности показывает мелкозернистый бетонополимер. Получены мелкозерни-

стые бетонополимеры с прочностью при сжатии 150–210 МПа, что позволяет

создавать эффективные тонкостенные конструкции.

В интервале температур 0–100 °С прочность бетонополимера почти не

изменяется, с повышением температуры более 100 °С его прочность начинает

уменьшаться. При остывании ниже 0 °С его прочность увеличивается из-за по-

вышения прочности полимера при охлаждении.

Пропитка бетона мономером позволяет экономить цемент за счет замены

части его золой или тонкомолотыми отходами камня дробления. Замена цемен-

та до 50 % золой мало влияет на прочность бетонополимера. Зола имеет боль-

шое количество тонких капилляров и обеспечивает создание более дисперсной

и вместе с тем более связанной, лучше пронизывающей все тело бетона сетки

полимерных нитей, что способствует получению прочных и особо плотных бе-

тонополимеров. Бетонополимеры с золой имеют прочность 140–160 МПа.

Специальную обработку изделий полимером производят для повышения

долговечности изделий, работающих в суровых климатических или агрессив-

ных условиях, а так же для получения изделий с особыми свойствами (износо-

стойких, электроизоляционных, электропроводных, декоративных, газонепро-

174

ницаемых и др.). Широко используют пропитку полимерными составами при

ремонте и восстановлении бетонных и железобетонных изделий.

14.5. Фибробетон

Фибробетон – это бетон, армированный дисперсными волокнами (фиб-

рами). Фибробетон обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью на

растяжение, ударной вязкостью, сопротивлением истиранию. Изделия из такого

бетона можно не армировать сетками и каркасами, что упрощает технологию

изготовления изделия и снижает ее трудоемкость.

В качестве фибр применяют тонкую проволоку диаметром 0,1–0,5 мм,

нарубленную на отрезки длиной 10–50 мм или выштампованные специальные

фибры. Лучшие результаты обеспечивают фибры диаметром 0,3 мм и длиной

25 мм. При повышении диаметра более 0,6 мм резко уменьшается эффектив-

ность влияния дисперсного армирования на прочность бетона.

Можно применять стеклянные волокна, базальтовые, асбестовые. Стек-

лянные волокна имеют диаметр 10–50 микрон и длину 20–40 мм. Они обладают

высокой прочностью на растяжение (1500м3000 МПа), их модуль деформации

выше, чем у цементного камня. Но стекло быстро разрушается под действием

щелочной среды цемента. Необходимо применение специальных вяжущих ве-

ществ (глиноземистого цемента) или введение добавок, связывающих щелочи.

Возможно применение полимерных волокон. Но эти волокна недостаточ-

но хорошо сцепляются с цементным камнем, что вынуждает применять специ-

альные фибры периодического профиля или наносить на волокна покрытие.

Применяют волокна из полиэфира, полиакрилата, полипропилена – для арми-

рования ячеистых бетонов, гипсобетонов, тонкостенных изделий, подвергаю-

щихся ударам или эксплуатирующихся в условиях, в которых стальные волокна

быстро разрушаются от коррозии.

Стальными и неметаллическими волокнами армируют, как правило, мел-

козернистые бетоны, иногда цементный камень. Эффективность применения

волокон в бетоне зависит от их содержания и расстояния между отдельными

волокнами, которое должно быть не более 10 мм, поэтому применение в бетоне

175

крупного заполнителя, не позволяющего расположить дисперсные волокна

близко друг к другу, снижает эффективность подобного армирования.

Стальные фибры вводят в бетонную смесь в количестве 1–2,5 % объема

бетона (3–9 % по массе или 70–200 кг/м3 смеси). В этом случае повышаются

прочность бетона на растяжение (на 10-30 %), сопротивляемость бетона ударам

и износостойкость.

Стеклянные волокна вводят в бетонную смесь в количестве 1–4 % объема

бетона. Они повышают прочность бетона на растяжение и его трещиностой-

кость.

При армировании бетона дисперсными волокнами его разрушение проис-

ходит не сразу, а постепенно. Фибра как бы поддерживает бетон, помогает ему

сопротивляться растягивающим напряжениям. При воздействии на бетон меха-

нических или тепловых ударов (пожар) бетон долгое время обеспечивает защи-

ту более глубоких слоев и не выкрашивается с поверхности.

Волокна понижают подвижность бетонной смеси и вызывают определен-

ные трудности в ее приготовлении, поэтому несколько увеличивают количество

воды и содержание мельчайших частиц (цемента – 400–500 кг/м3 и мелкого

заполнителя).

Чтобы при перемешивании бетонной смеси с фибрами не образовывалось

комков и «ежей», фибры вводят в последнюю очередь в предварительно пере-

мешанную смесь цемента, воды и заполнителя или смешивают сначала запол-

нители и волокна, а затем добавляют цемент и воду.

Дисперсная арматура в бетоне хорошо защищена от коррозии плотным

цементным камнем, но для работы фибробетона в агрессивных средах стальные

фибры защищают специальными покрытиями, которые не только повышают

стойкость фибровой арматуры к коррозии, но и улучшают сцепление между

фибрами и бетоном и тем самым повышают на 20–40 % прочность бетона на

растяжение и его трещиностойкость.

14.6. Декоративный бетон

Данный раздел – на самостоятельное изучение.

176

14.7. Жаростойкий бетон

Жаростойкие бетоны сохраняют свои свойства при продолжительном

воздействии высоких температур в тепловых агрегатах.

Обычный тяжелый бетон способен стабильно сохранять или даже не-

сколько увеличивать прочность при длительном нагревании до 100 °С. При

дальнейшем увеличении температуры может возникнуть явление постоянного

упрочнения за счет ускорения процессов гидратации. Однако при температуре

более 140–150 °С отмечается снижение прочности с ухудшением других

свойств, т.к. частично разрушаются кристаллические гидратные образования,

удаляется химически связанная вода. Для температуры в пределах 200–1580 °С

требуется применение жаростойких бетонов, а при 1580–1700 °С – огнеупор-

ных бетонов.

Жаростойкие бетоны изготавливаются из вяжущего, воды и жаростойких

заполнителей. В качестве вяжущего применяют ПЦ, ШПЦ, глиноземистый це-

мент и жидкое стекло. Для улучшения структуры цементного камня и сохране-

ния прочности в вяжущее вводят тонкомолотые минеральные добавки из хро-

митовой руды, боя шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезита,

пемзы, гранулированного доменного шлака, топливного шлака и золу-уноса.

Мелкий и крупный заполнитель: хромитовая руда, бой магнезитового,

шамотного и обыкновенного глиняного кирпича, кусковой шамот, доменный

отвальный шлак, базальт, диабаз, андезит, артикский туф. Максимальная круп-

ность щебня для массивных конструкций (фундаментов) – не более 40 мм, для

всех остальных – не более 20 мм. В заполнителях мелких частиц (менее

0,14 мм) должно быть не более 15 % по массе. Зерновой состав щебня и песка

выбирается по таблицам. Материалы и состав жаростойкого бетона в зависимо-

сти от условий и температуры его службы выбирают также по таблице.

Марку жаростойкого бетона определяют пределом прочности при сжатии

кубов 10×10×10 см, умноженном на коэффициент 0,85 (для перехода к прочно-

сти кубов 20×20×20 см). Образцы испытывают после твердения в течение 7 су-

ток – для бетонов на ПЦ и 3 суток – для бетонов на глиноземистом цементе и

177

жидком стекле. Образцы на ПЦ и глиноземистом цементе выдерживают во

влажных условиях, образцы на жидком стекле – в воздушно-сухих условиях

при температуре (18±3) °С. Перед испытанием образцы высушивают при тем-

пературе 100–110 °С в течение 32 ч, а затем охлаждают. Для жаростойких бето-

нов с предельной температурой службы свыше 600 °С определяют остаточную

прочность после нагревания. Остаточная прочность (%) есть отношение преде-

ла прочности при сжатии образцов бетона, испытанных после нагрева до необ-

ходимой предельной температуры службы (600, 700, 800 °С), к пределу проч-

ности контрольных высушенных образцов. Скорость нагревания – 150–200 °С/ч,

время выдерживания при предельной температуре – 4 ч. Затем образцы осты-

вают в печи до комнатной температуры, после чего их выдерживают в течение

7 суток над емкостью с водой и испытывают на сжатие.

ШПЦ можно применять в жаростойких бетонах, предназначенных для

службы при температуре менее 700 °С. Если содержание шлака при этом

меньше 50 %, то в бетон вводят любую тонкомолотую добавку (кроме золы-

уноса) в количестве 30 % от массы ШПЦ.

Жаростойкие бетоны на жидком стекле применяют в условиях воздей-

ствия на конструкцию кислой агрессивной среды. Однако их нельзя применять

в условиях постоянного воздействия паровой среды или воды.

Бетон на глиноземистом цементе применяют в конструкциях толщиной

более 40 см, но в первые сутки твердения температура в теле бетона не долж-

на превышать 40 °С (отвод тепла), т.к. возможно резкое снижение прочности

бетона.

При приготовлении жаростойких бетонов количество воды или жидкого

стекла должно быть минимальным, осадка конуса – не более 2 см. Для затворе-

ния жаростойких бетонов обычно требуется 170–190 кг/м3 .

Окончательный состав бетона уточняется по результатам пробных заме-

сов. Плотность жаростойких бетонов в высушенном состоянии меньше, чем в

свежеуложенном состоянии (примерно на 150–200 кг/м3).

178

15. СПЕЦИАЛЬНЫЕ БЕТОНЫ

15.1. Бетоны на специальных вяжущих веществах

1. Бетоны на магнезиальных вяжущих (БМВ).

Магнезиальные вяжущие вещества: каустический магнезит (чистый MgO,

получают из магнезита MgCO3) и каустический доломит (MgO+CaCO3, полу-

чают из горной породы доломита). Затворяют не водой, а водным раствором

хлористого магния MgCl2. Соотношение MgCl2:MgO – от 1:2,35 до 1:3,3.

Многие свойства БМВ лучше, чем у бетонов на ПЦ:

− не требуют влажного хранения при твердении;

− обеспечивают очень высокую огнестойкость;

− низкая теплопроводность;

− хорошая износостойкость;

− хорошая прочность при сжатии (50–90 МПа) и при изгибе (8–15 МПа).

В качестве заполнителей можно использовать очень широкий круг мате-

риалов: от неорганических (известняк, мраморная крошка, асбест, песок, гра-

вий, щебень из горных пород, гранулированные шлаки, сульфат магния и пиг-

менты) до органических (опилки, стружка, дробленый резиновый материал, от-

ходы пластмасс и картонажного производства, льняная костра, хлопка и т.д.).

БМВ характеризуются эластичностью, высокой ранней прочностью,

стойкостью к действию масел, смазок, лаков, красок, органических растворите-

лей, щелочей и солей (в том числе сульфатов), обладают бактерицидностью.

Применяются для полов в зданиях индустриального, торгового и жилищ-

ного назначения, для стяжек под полы из ковровых материалов и линолеума.

Недостатки:

− не устойчив к воздействию воды (потеря прочности);

− не стоек к действию некоторых кислот и солей;

− может вызывать коррозию арматуры.

Но, несмотря на недостатки, интерес к этому бетону не снижается, под-

купает возможность широкого использования разнообразных отходов в каче-

179

стве компонентов вяжущего и заполнителей, а также применения широкодо-

ступного и дешевого доломита как заменителя каустического магнезита.

2. Бетоны на фосфатных цементах.

Бетоны на аммонийфосфатном цементе имеют прочность на сжатие око-

ло 30 МПа за 45 мин. твердения, на силикатнофосфатном цементе ‒ схватыва-

ются за 30 мин. и через 4 ч твердения имеют прочность более 50 МПа.

Бетоны на основе гексаметафосфата натрия вместе с MgO обладают вы-

сокой огнеупорностью (как связующее для огнеупорных бетонов и кирпича фу-

теровки электропечей при плавке чугуна). Через 24 ч твердения при температу-

ре 1200 °С получаются очень устойчивые материалы с прочностью 65 МПа и

выше.

Применяют эти бетоны при ремонте автострад, труб и сборных железобе-

тонных конструкций.

3. Кислотостойкие бетоны (КСБ).

КСБ получают при использовании кислотоупорного цемента (КУЦ). КУЦ

состоят из смеси водного раствора силиката натрия (NaO·nSiO2) или силиката

калия (K2O·nSiO2) – растворимого стекла, кислотоупорного наполнителя и до-

бавки-ускорителя твердения – кремнефтористого натрия (Na2SiF6). В качестве

микронаполнителя используют кварц, кварциты, андезит, диабаз и др. кислото-

упорные материалы. Вяжущим (связующим) материалом в КУЦ является рас-

творимое стекло.

Величина n в формуле жидкого стекла называется модулем стекла, пока-

зывает отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочного окис-

ла, n = 2,5–3,5.

Заполнитель – мелкозернистый с содержанием около 30 % частиц круп-

ностью менее 0,25 мм. Дозировка растворимого стекла в бетон – около 12 %.

КСБ имеют плотность 2100–2300 кг/м3, предел прочности при сжатии –

10–25 МПа, при изгибе – 4,5–6,0 МПа.

КСБ нельзя применять для конструкций, подверженных длительному

воздействию воды, щелочей, слабых кислот (фосфорной, фтористоводородной

180

и кремнефтористоводородной). КСБ применяют для футеровки химической ап-

паратуры, возведения башен, резервуаров и других сооружений химической

промышленности.

4. Бетоны на напрягающем цементе.

В состав этих цементов входят минеральные системы, увеличивающие

свой объем в процессе твердения и в результате уменьшающие или полностью

компенсирующие деформации усадки, либо вызывающие расширение цемент-

ного камня и бетона.

Напрягающий цемент получают совместным помолом ПЦ клинкера и

напрягающего компонента, который включает глиноземистый шлак или другие

алюмосодержащие вещества, гипс и известь (при соотношении

65:20:10:5 = ПЦ : глиноземистый шлак : гипс : известь). Напрягающий цемент

расширяется в объеме до 4 % после достижения цементным камнем прочности

15–20 МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления самона-

пряженного железобетона, в котором арматура получает предварительное

напряжение вследствие расширения бетона.

Бетоны на основе напрягающего цемента обладают высокой прочностью

(50 МПа), водо- и газонепроницаемостью. Применяются для изготовления са-

монапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей

и водопроводов большого диаметра. Эти бетоны требуют более тщательного

ухода на ранней стадии твердения, т.к. протекание физико-химических процес-

сов, вызывающих расширение материала, требует обеспечения соответствую-

щего температурно-влажностного режима твердения бетона (во избежание об-

разования поверхностных трещин, количество и размер которых значительно

превышает трещинообразование при твердении обычного бетона).

15.2. Бетоны с особыми свойствами

1. Особовысокопрочные бетоны (ОВПБ).

Срок службы ОВПБ проектируется на 100 лет и более при эксплуатации в

суровых условиях: нефтяные платформы северных морей, большепролетные

строения мостов, скоростные магистрали, небоскребы. В России используются

181

бетоны прочностью 80–100 МПа и выше, в США – 133 МПа (58 этажный небо-

скреб в Сиэтле). В 1998 г. построен небоскреб в Чикаго высотой 610 м

(125 этажей) с железобетонным каркасом на основе еще более прочного бетона.

Ориентировочный состав ОВПБ, кг/м3: ПЦ – 400; МК – 133; кварцевый пе-

сок фракции 0,25–1 мм – 141; кварцевый песок фракции 1–4 мм – 566; крупный

заполнитель – 1153; СП – 13,5; вода – 100 л. Влияние вида используемого круп-

ного заполнителя на прочность бетона в этих бетонах возрастает, а плотность бе-

тона может подняться до 2900 кг/м3 (например, на кальцинированном боксите).

Помимо ПЦ, для ОВПБ применяют специальные цементы с оптимальным

гранулометрическим составом вяжущих, позволившим снизить В/Ц. Вслед за

получением цементного камня с прочностью на сжатие свыше 250 МПа были

получены DSP-композиты – уплотненные системы, содержащие гомогенно рас-

пределенные ультрамалые частицы. Эти материалы, включающие специально

подготовленные цементы, микрокремнезем, специальные заполнители и микро-

волокна, за счет специальных технологических приемов при В/Ц = 0,12–0,22

позволяют достичь прочности 270 МПа при высокой стойкости к коррозион-

ным воздействиям и истиранию.

Известково-кварцевые материалы с прочностью до 250 МПа были полу-

чены путем формования под давлением 138 МПа перед автоклавированием.

Аналогичная обработка цементного теста позволила снизить В/Ц до 0,06 и

обеспечить прочность камня до 330 МПа в возрасте 28 суток нормального

твердения, а использование алюминатных цементов и горячего прессования

при давлении 345 МПа позволило повысить ее до 650 МПа.

2. Радиоэкранирующие бетоны (РЭБ).

РЭБ созданы в связи с развитием атомной энергетики и необходимостью

надежной защиты персонала и окружающей среды от радиоактивного излуче-

ния. Защитное экранирование – главное средство, с помощью которого можно

максимально снизить дозу, а бетон сегодня – наиболее широко применяемый

экранирующий материал. От излучения и нейтронных источников используется

сложная система комбинированной защиты.

182

К РЭБ предъявляются следующие требования:

− высокая плотность;

− однородность;

− стойкость при воздействии радиоактивного излучения;

− стойкость к тепловым воздействиям;

− газонепроницаемость.

Гамма-излучение лучше всего ослабляется материалами с высоким атом-

ным номером и высокой плотностью, поэтому наиболее часто для экранирова-

ния применяют бетоны, которые в качестве заполнителя используют магнетит

(FeFe2O4), лимонит (Fe(OH)3), гематит (Fe2O3), барит (BaSO4), металлический

скрап и др. Плотность бетонов на этих заполнителях высокая, поэтому их еще

называют особотяжелыми бетонами. Так бетон на лимонитовом щебне и песке

имеет плотность 2300–3000 кг/м3, на магнетитовом – 2800–4000, на барито-

вом – 3300–3600, на чугунном скрапе – 3700–5000 кг/м3.

Для особотяжелых бетонов применяют ПЦ, ППЦ, ШПЦ, ГЦ, расширяю-

щийся гипсоглиноземистый цемент.

К заполнителям РЭБ предъявляют дополнительные требования:

− минимальная прочность при сжатии магнетита и чугунного скрапа –

200 МПа, лимонита и гематита – 350 МПа, барита – 400 МПа (испытание в ци-

линдрических образцах диаметром 150 мм и высотой 50 мм);

− содержание полуторных окислов (Al2O3, Fe2O3) в барите – не более 1 %

от массы заполнителя;

− водопоглощение магнетита и барита – 1–2 %, лимонита и гематита – 9–

10 % (по массе).

Подвижность бетонной смеси: осадка конуса 2–4 см, жесткость – 20–25 с.

При этом водопотребность смеси на барите и чугунном скрапе – 180 л/м3, на

лимонитовом песке и магнетите, барите или скрапе – 240 л/м3, на лимонитовом

песке и щебне – 280 л/м3.

Подбор состава производится по правилам, применяемым для обычного

тяжелого бетона с увеличением на 10–20 % доли песка.

183

В целях защиты от гамма-радиоактивного излучения используют и сверх-

особотяжелые бетоны. Бетон на ильмените (титанистый железняк FeTiO3 плот-

ностью 4,6–4,8 г/см3) имеет плотность более 4000 кг/м3. Для обеспечения высо-

кой однородности достаточно подвижной бетонной смеси (осадка конуса –

10 см) используют повышенную дозировку суперпластификатора и увеличива-

ют долю ильменитового песка (песок : крупный заполнитель = 1,15:1).

Сложнее защита от нейтронных источников. Нейтроны слабо поглоща-

ются в веществе, поэтому общий принцип защиты заключается в предваритель-

ном замедлении нейтронов водой, парафином, графитом, а замедленные

нейтроны затем поглощаются соединениями лития, кадмия, бора. Поглощение

нейтронов в веществе сопровождается ядерными реакциями и испусканием

гамма-квантов, поэтому следует предусматривать одновременную защиту и от

гамма-излучения.

Нейтронный поток наиболее эффективно останавливается гидратными

бетонами (имеют повышенное содержание химически связанной воды). Для их

приготовления используют глиноземистый цемент, а заполнитель – лимонит и

серпентин, также вводят карбид бора, хлорид лития, сульфат кадмия.

184

16. СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ

16.1. Основные понятия

Строительный раствор – искусственный каменный материал, получен-

ный в результате твердения смеси, состоящий из песка, вяжущего вещества и

воды.

Вяжущие вещества: цемент, известь, гипс, смешанные, с добавками хи-

мическими или тонкодисперсными минеральными.

Пески – природные, из дробленых каменных пород, дробленых шлаков,

крупностью не более 2,5 мм.

В большинстве случаев к растворам не предъявляется требование высо-

кой прочности (кладочные, штукатурные), поэтому сырьевая база расширена,

можно использовать местное сырье. При скреплении раствором более прочных

кирпичей и каменных блоков последние препятствуют разрушению тонких

слоев раствора между ними («эффект обоймы») и как бы повышают сопротив-

ление раствора нагрузке. Поэтому для кладки могут применяться растворы с

меньшей прочностью, чем прочность кирпича или каменных блоков, и чем

тоньше слой, тем более низкой может быть его прочность.

От бетонов растворы отличаются только крупностью заполнителя, по-

этому общие закономерности для бетонов распространяются и на растворы с

некоторыми коррективами.

Зерновой состав твердой фазы раствора изменяется только путем измене-

ния соотношения между вяжущим и песком. Для получения плотного и удобо-

укладываемого раствора требуется, чтобы все пустоты между зернами песка

были заполнены. Цемента вводят лишь такое количество, которое необходимо

для получения заданной прочности раствора, а для получения плотного строе-

ния количество вяжущего теста увеличивают за счет добавки к цементу тонко-

дисперсных минеральных компонентов.

Растворы применяются в тонких слоях и во многих случаях укладывают-

ся на пористые основания, способные отсасывать воду. Поэтому особое значе-

185

ние приобретает их водоудерживающая способность. При излишней потере во-

ды растворы становятся жесткими, плохо укладываемыми, понижается их

прочность и сцепление с основанием.

Растворы могут быть слитной или мелкопористой структуры, зависящей

от расхода вяжущего. Различают структуру: с плавающим заполнителем

(тип I) – с наиболее плотным расположением зерен заполнителя, полным за-

полнением пор между его частичками вяжущим тестом (тип II) и с контактным

расположением обмазанных тестом зерен заполнителя с частичным заполнени-

ем пустот между ними (тип III – мелкопористая структура). Наиболее предпо-

чтительней II тип структуры.

Структура раствора зависит от его состава (отношение вяжущего к за-

полнителю):

− составы 1:1–1:1,5 имеют слитную структуру I типа;

− составы 1:2–1:3 имеют слитную структуру II типа;

− составы 1:4–1:6 имеют мелкопористую структуру III типа с меньшим

расходом вяжущего вещества.

Составы с высоким расходом вяжущего (1:1–1:3) называются жирными,

составы с невысоким содержанием вяжущего (1:4–1:6 и более) – тощими. Для

улучшения структуры в тощие составы вводят тонкодисперсные наполнители

или применяют смешанные вяжущие (цемент + зола; цемент + известь). При

этом сумма объемов тонких частиц твердой фазы «цемент + ТДМК + тонкие

фракции песка менее 0,14 мм» должны составлять 25–35 % объема песка, или

оптимальное соотношение 1:2,5–1:4 (структура II типа).

Чем тоньше размеры частиц, тем они лучше выполняют роль смазки и

сильнее пластифицируют растворную смесь. Известь и глина издавна приме-

няются как твердые пластификаторы в растворах (удельная поверхность до

1000 м2/кг). Сегодня применяют еще и другие тонкодисперсные компоненты:

бентонит (коллоидная глина с удельной поверхностью до 10 000 м2/кг); кизель-

гур – тонкодисперсный кремнезем – диатомит (удельная поверхность до

186

2000 м2/кг); золу (удельная поверхность до 500 м2/кг), тонкомолотые шлаки,

опоку, известняк, отходы камнедробления – удельная поверхность до 300 м2/кг.

Особенности структуры растворов:

1. Наличие воздушной фазы за счет воздухововлечения при приготовле-

нии и укладке раствора и за счет недостатка вяжущего теста для заполнения пу-

стот заполнителя (III тип структуры).

2. Более высокая удельная поверхность заполнителя и тонкодисперсных

компонентов приводит к увеличению в структуре поверхностей раздела твер-

дой и жидкой фазы и росту количества контактов между твердыми частицами в

единице объема раствора.

Чаще всего растворы применяют:

− для кладки фундаментов, стен, столбов, сводов;

− для оштукатуривания поверхностей стен и перекрытий, декоративной

отделки фасадов;

− пористые – для акустических штукатурок;

− водонепроницаемые – для гидроизоляции.

По виду используемых заполнителей растворы делятся на:

− тяжелые (обычные) на обычном песке или отходах камнедробления;

плотность раствора 1800–2200 кг/м3;

− легкие – обычный песок заменен шлаковым или другим мелким пори-

стым заполнителем; плотность раствора менее 1500 кг/м3 (керамзит, термозит,

перлит, вермикулит, пемза, туф).

16.2. Свойства растворов

1. Удобоукладываемость – способность раствора укладываться на осно-

вание тонким однородным слоем. Она зависит от:

− степени подвижности растворной смеси;

− ее водоудерживающей способности.

Степень подвижности определяется: редко по расплыву конуса на встря-

хивающем столике и чаще по глубине проникания в растворную смесь метал-

187

лического конуса установленной формы (вершина 30°) и веса (300 г), который

при погружении в растворную смесь раздвигает песчинки (конус

СтройЦНИЛа). Глубина погружения конуса (1–4; 4–8; 8–12 см) определяет

марку раствора по подвижности (соответственно Пк1; Пк2; Пк3).

Подвижность растворной смеси определяется расходом воды. Для то-

щих смесей (Ц:П менее 1:4) подвижность смесей разного состава достигается

при одинаковом расходе воды, а в жирных составах (Ц:П более 1:4) с увеличе-

нием расхода цемента или водопотребность возрастает.

На подвижность растворных смесей на разных песках влияет качество

песка: крупность, зерновой состав, характер поверхности зерен, чистота и ко-

личество мельчайших частиц в его составе. Чем тоньше песок, тем выше его

удельная поверхность и пустотность и тем больше требуется воды и цемента

для получения определенной подвижности растворной смеси.

2. Водоудерживающая способность предохраняет раствор от расслоения

на составные части при транспортировании и от потери слишком большого ко-

личества воды при укладке на пористые основания (кирпич, шлакоблоки, дере-

во и т.п.). Потеря воды вызывает потерю удобоукладываемости, раствор-

ная смесь становится жесткой, что затрудняет работу, понижает производи-

тельность труда каменщиков и уменьшает прочность кладки на 10–25 %, при-

водит к ухудшению сцепления раствора с основанием.

Водоудерживающую способность растворной смеси оценивают по коли-

честву воды, отсасываемой за 10 мин. из пробы растворной смеси фильтро-

вальной бумагой на специальном приборе (рис. 36).

Введение тонкодисперсных минеральных компонентов с высокой удель-

ной поверхностью повышает водоудерживающую способность раствор-

ной смеси. В современных условиях для ее повышения используют специаль-

ные органические добавки, метилцеллюлозу и др. (рис. 37). Растворы с этой до-

бавкой на различных вяжущих обладают очень высокой водоудерживающей

способностью и имеют минимальную потерю воды на пористом основании, что

обеспечивает высокое сцепление раствора с основанием.

188

Рис. 36. Схема прибора для определения водоудерживающей способности растворной смеси:

1 – кольцо с растворной смесью; 2 – марлевая ткань; 3 – 10 слоев фильтровальной

(промокательной) бумаги; 4 – стеклянная пластинка

Рис. 37. Влияние содержания метилцеллюлозы (МЦ)

на водоудерживающую способность растворной смеси

Расход вяжущего теста на 1 м3 растворной смеси выше, чем на 1 м3 бе-

тонной смеси (из-за высокой удельной поверхности зерен песка, от 5000 м2 до

15 000 м2/м3). Практически на 1 м3 мелкого песка требуется около 0,5 м3 вяжу-

щего теста, на 1 м3 крупного – 0,35 м3, при этом содержание воды в тесте не

должно превышать 70–80 % от массы цемента.

Хорошо погашенная известь может удерживать в строительном растворе

около 200 % воды (от массы извести). Поэтому известковый раствор более удо-

боукладываемый, чем цементный, а известковое или глиняное тесто добавляют

189

даже в «жирные» растворные смеси (10–20 % от объема цемента). Более то-

щие смеси всегда изготавливают с этими добавками.

Удобоукладываемые растворы можно получить, вводя в них вместо дис-

персных добавок химические пластификаторы (0,03–0,2 % от массы цемента):

ССБ, мылонафт, омыленный древесный пек, подмыленный щелок, кубовые

остатки синтетических жирных кислот, СНВ и др. Эти добавки не только улуч-

шают удобоукладываемость, но и снижают расход воды и вяжущих: расход из-

вести в известково-песчаных растворах уменьшается в 1,05–2 раза, а цементно-

известковых – 3–4 раза; расход цемента уменьшается на 10–15 %; 1 кг мылонаф-

та заменяет в растворе 100 кг цемента или более 500 кг известкового теста.

Важнейшими свойствами растворов в затвердевшем состоянии являются:

− прочность;

− морозостойкость;

− хорошее сцепление раствора с основанием;

− малая величина и равномерность деформации раствора под действием

нагрузки, изменений влажности и температуры среды.

Прочность растворов слитного строения в возрасте 28 суток можно опре-

делить по формуле (при Ц/В = 1,0–2,5):

,3,0.

−⋅⋅=

ВЦRAR ЦСМр

где ЦСМR . – активность смешанного цемента, МПа;

A – коэффициент, учитывающий качество песка и состав раствора, A =0,4.

,1

.

ЦДK

RR Ц

ЦСМ

⋅+=

где ЦСМR . – активность смешанного вяжущего, кг/см2;

RЦ – марка цемента;

Д/Ц – отношение минеральной добавки к цементу по массе;

190

К – коэффициент, зависящий от свойств добавки (плотности и активности):

для глин К = 1,3–1,5, для извести – 1,8–2, для тонкомолотого шлака и др.

добавок с высокой гидравлической активностью – 0,8–1,0.

При расходах цемента от 50 до 500 кг/м3 для ориентировочного опреде-

ления прочности раствора используют формулу:

),( 0ВЦRAR Цр −⋅⋅=

где Rц – активность цемента, МПа;

Ц – расход вяжущего, кг/м3;

A и В0 – коэффициенты, зависящие от качества песка, определяются опыт-

ным путем по испытанию растворов с тремя значениями цемента.

Н.А. Попов предложил определять прочность смешанных растворов в

возрасте 28 суток по формуле:

,4)05,0( +−⋅⋅= ЦRAR Цр

где Rц – активность цемента, кг/см2;

Ц – расход цемента, т/м3 песка;

А – эмпирический коэффициент, зависящий от качества песка и минераль-

ной добавки и тщательности смешивания раствора;

+4 – постоянный член, определен как минимальная прочность (марка) рас-

твора при предельно низком расходе цемента 50 кг/м3.

Как избыток, так и недостаток мелких зерен против оптимальных значе-

ний ведет к понижению удобоукладываемости и прочности раствора.

На прочность раствора влияет и тщательность перемешивания смеси.

Растворы по сравнению с бетонами перемешиваются труднее, поэтому в рас-

творах интенсивность и продолжительность их смешивания в большей степени

влияет на их свойства, чем в бетоне. Перемешивание растворов осуществляется

в растворомешалках принудительного перемешивания.

Заметно влияет на прочность раствора отсасывание воды пористым осно-

ванием. Степень отсасывания воды зависит от водоудерживающих свойств рас-

творной смеси. При ее хорошей водоудерживающей способности происходит

умеренное обезвоживание раствора, его твердые частицы сближаются, плот-

191

ность и прочность повышаются (до 1,5–2 раз). При слабой водоудерживающей

способности может произойти чрезмерное обезвоживание раствора, что приве-

дет к снижению прочности и сцепления с основанием.

Образцы для определения прочности раствора изготавливают в металли-

ческих формах без дна, устанавливаемых на кирпич. Водопоглощение кирпича

должно быть более 10 %, а влажность в момент приготовления образцов долж-

на быть не выше 2 %. Образцы до момента испытания хранят в течение трех

суток в камере нормального хранения, а затем – при относительной влажности

65±10 % и температурой 15–20 °С – для надземных конструкций и в воде – для

подводных и подземных конструкций. За марку раствора принимают предел

прочности при сжатии в возрасте 28 суток кубов 7×7×7 см или половинок бало-

чек 4×4×16 см. Марки растворов: 4, 10, 25, 50, 75, 100 (редко 150, 200, 300).

Сцепление раствора с основанием зависит:

− от прочности раствора и его адгезионных свойств,

− пластичности раствора,

− зернового состава твердой фазы,

− водоудерживающей способности раствора,

− водопоглощения основания.

По морозостойкости растворы делят на марки: F10, F15, F25, F35, F50,

F100, F150, F200, F300. Морозостойкость растворов зависит от тех же факто-

ров, что и морозостойкость бетонов.

16.3. Виды строительных растворов

1. Строительные растворы для каменных кладок и монтажа крупных

элементов стен выбирают в зависимости от напряжений конструкции и усло-

вий эксплуатации. Состав раствора выбирают на основе:

− заданной марки раствора;

− степени подвижности раствора, необходимой по условиям производ-

ства работ.

192

Для кладки наружных стен зданий I степени долговечности марку рас-

твора назначают в зависимости от относительной влажности помещений

(для цементно-известковых и цементно-глиняных растворов): при влажности

менее 60 %, 60-75 % и более 75 % – марка не менее 10, 25 и 50 соответственно.

Для подземной кладки в маловлажных грунтах марка не менее 25, в очень

влажных и насыщенных водой грунтах – не менее 50. Для расшивки швов в

стенах из крупных блоков и панелей – 50.

Подвижность растворной смеси по конусу СтройЦНИЛа принимается в

зависимости от назначения раствора:

− заполнение и расшивка швов при монтаже стен из панелей и крупных

блоков – 5–7 см;

− кладка из кирпича и бетонных камней – 9–13 см;

− бутовая кладка – 4–6 см.

Состав растворов назначают по таблицам, приведенным в соответствую-

щих инструкциях или справочниках – в объемных частях (например, цемент :

известковое или глиняное тесто : песок = 1:1,2:9 – для раствора марки 25 на це-

менте с классом прочности 22,5).

С применением мелких песков прочность растворов уменьшается

на 25–35 %, поэтому для получения растворов заданной прочности содержание

цемента увеличивают на 20–25 %.

Для обеспечения достаточной долговечности материала расход цемента в

цементно-известковых растворах должен быть не менее 75 кг/м3 песка, в це-

ментно-глиняных – 100 кг/м3 песка. При кладке ниже уровня грунтовых вод и в

зданиях с влажностью более 60 % этот минимальный расход цемента увеличи-

вается на 25 кг.

При производстве работ в зимних условиях марку раствора повышают на

одну ступень (50 вместо 25 и т.д.), для заполнения горизонтальных швов при

монтаже панелей и крупных блоков применяют растворы марки 100, в раство-

ры вводят добавки поташа или нитрита натрия.

193

2. Штукатурные растворы. Штукатурка состоит из нескольких слоев:

− первый – подготовительный слой (набрызг) толщиной 3–8 мм обеспе-

чивает сцепление штукатурных слоев с поверхностью основания; этот слой с

силой набрасывают на увлажненное основание и не разравнивают, чтобы уве-

личить поверхность его сцепления со следующим слоем;

− второй – основной слой грунта или намета (5–12 мм) служит для полу-

чения ровной поверхности;

− третий – тонкий отделочный слой (накрывка) имеет после разравнива-

ния и затирки толщину в обычных штукатурках около 2 мм (в декоративных –

до 15 мм).

Каждый последующий слой наносится после окончания схватывания и

начального отвердевания предыдущего слоя. Штукатурные растворы имеют

большую подвижность (около 12 см по конусу), чем кладочные, и меньшую

расслаиваемость.

Для получения быстротвердеющих, прочных и водостойких штукатурок

используют цементно-известковые растворы или чисто цементные с добавкой

гидрофобных ПАВ (для условий постоянного увлажнения). Такие добавки не

только повышают водостойкость штукатурки, но и уменьшают образование вы-

солов, портящих штукатурку и окраску.

Для оштукатуривания деревянных и других поверхностей, находящихся

внутри здания (потолки, перегородки), применяют известково-гипсовые рас-

творы. Применяют и известково-песчаные растворы, но они медленно набира-

ют прочность и долго просыхают. В известково-песчаных растворах довольно

часто образуются дутики из-за содержания непогасившихся частиц (особенно

пережега), поэтому известковое тесто необходимо выдерживать и даже проце-

живать через тонкое сито непосредственно перед применением.

Фасадные штукатурки, изготовляемые на цементах, необходимо защи-

щать от высыхания (солнце, ветер) и интенсивно увлажнять в течение первых

10–15 дней.

194

Ориентировочные составы обычных штукатурных растворов:

− известково-песчаные для кирпичных и каменных стен: состав (в объ-

емных частях) 1:3 = известковое тесто : песок – для подготовительных и основ-

ных слоев и около 1:2 – для отделочного слоя;

− известково-гипсо-песчаные получают из известково-песчаных раство-

ров, добавляя к ним 0,2–1,0 объемных частей гипса на 1 объемную часть из-

весткового теста. Для карнизов, отделочных слоев и горизонтальных поверхно-

стей (потолков) применяют растворы с большим содержанием гипса, а для под-

готовительных слоев и вертикальных поверхностей (стен) – с меньшим;

− цементно-известковые растворы. Для цоколей и наружных карнизов

1:1:6 (цемент : известь : песок) или 1:5–1:6 (цемент : известь) с добавкой мыло-

нафта, СНВ и др. добавок, повышающих стойкость раствора в условиях увлаж-

нения. Для внутренних поверхностей – 1:2:9 (цемент : известь : песок);

− особые виды растворов: водонепроницаемые, безусадочные, декора-

тивные получают, вводя в состав раствора комплекс специальных добавок и

применяя соответствующие цементы и пески. Для водопроницаемых растворов

применяют раствор 1:3 при В/Ц = 0,45 с добавкой 2 % CaCl2 от массы цемента,

2 % сернокислого алюминия Al2(SO4)3, 0,015 % алюминиевого порошка и

0,15 % ССБ; либо только с 3 % алюмината натрия и только полимерное связу-

ющее. Для безусадочных растворов используют напрягающий цемент или

портландцемент с расширяющей добавкой (получается W12–20). Декоративные

растворы получают, применяя белый цемент и песок из декоративного камня.

16.4. Сухие строительные смеси

Данный раздел – на самостоятельное изучение.

195

17. БЕТОНИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

17.1. Технология возведения монолитных конструкций

17.1.1. Подготовительные работы

Монолитными называются конструкции, которые возводятся непосред-

ственно на месте их расположения. Возведение конструкций включает:

− установку опалубки, которая воссоздает в пространстве очертания бу-

дущей конструкции;

− установку арматуры;

− бетонирование конструкции;

− уход за твердеющим бетоном.

Опалубка может быть:

− деревянной (из досок и фанеры с полимерным покрытием);

− металлической (из металлических щитов или листов);

− железобетонной (неснимаемая опалубка);

− утепляющей (полистиролбетон или полистирол вспученный).

Арматуру устанавливают в соответствии с проектом. Используют как го-

товые армокаркасы, заранее изготовленные, так и отдельные стержни и сетки.

Сборку проводят с применением электросварки и вязки тонкой проволокой.

Бетонирование больших конструкций ведут отдельными блоками, устра-

ивая между ними рабочие швы. Блок бетонируют непрерывно, каждая после-

дующая порция бетонной смеси должна укладываться и уплотняться до того,

как схватится ранее уложенная смесь.

Большое значение имеет транспорт бетонной смеси и ее укладка в блок.

Каждый шаг в транспортировании и укладке нужно контролировать для сохра-

нения однородности бетонной смеси внутри замеса и из замеса в замес. Все

бункера необходимо снабжать вертикальной подвеской под разгрузочными от-

верстиями. При разгрузке под углом крупный заполнитель отбрасывается к

196

дальней стороне загружаемого контейнера, а растворная часть – к ближайшей

стороне, в результате чего происходит расслоение.

Бетонную смесь транспортируют различными способами: с помощью

лотков, транспортеров, бадьями, вагонетками, автосамосвалами, автобетонос-

месителями, нагнетанием по трубам. С помощью лотков, транспортеров и

нагнетанием по трубам бетонную смесь транспортируют на небольшое рассто-

яние. Для перевозки на большие расстояния используют бадьи, автосамосвалы

и автобетономешалки. Бадьи бывают различной формы, конструкции и разме-

ров, объемом 0,75–6 м3. Бадьи транспортируют на автомашинах, железнодо-

рожных платформах, кранами или комбинацией этих средств. При этом следует

предохранять бетонную смесь от вибрирования и встряхивания во избежание

расслоения.

При перевозке бетонная смесь теряет свою подвижность вследствие гид-

ратации цемента и частичной потери воды из-за испарения, поэтому состав бе-

тонной смеси назначается с учетом этого явления:

,обз

ОКОКη

=

где ОКз – осадка конуса бетонной смеси при ее приготовлении, см;

ОКоб – осадка конуса, требуемая для ее укладки на объекте после перевозки;

η – коэффициент потери подвижности бетонной смеси, зависящий от даль-

ности или времени перевозки (табл. 16).

Таблица 16

Значение коэффициента потери подвижности

Осадка конуса, см Дальность перевозки, км

10 20 30

1–3 0,4 0,2 0,15

4–6 0,45 0,25 –

7–9 0,5 0,35 –

10–14 0,55 – –

197

Удобно транспортировать бетонную смесь нагнетанием по стальным тру-

бопроводам, этот способ особенно благоприятен при производстве работ в тон-

нелях, возведении высотных зданий и сооружений и других местах с ограни-

ченным рабочим пространством. Бетоноводы имеют внутренний диаметр

76–283 мм, производительность горизонтально-поршневого насоса до 60 м3/ч.

Бетонную смесь можно нагнетать по прямому горизонтальному участку труб на

расстояние до 180–300 м, а по вертикали до 22–30 м. Изгиб трубы на 90° экви-

валентен 12 м горизонтального участка трубы, а изгиб на 45° – участку трубы

длиной 6 м.

17.1.2. Особенности состава бетонной смеси для монолитных

конструкций (для бетононасосов)

Нагнетание требует применения удобоукладываемой бетонной смеси с

повышенным содержанием мелкого заполнителя. Предельная крупность щебня

должна быть меньше 1/3 диаметра бетоновода, осадка конуса – больше 8 см для

бетононасосов с механическим приводом и больше 4 см – с гидравлическим.

Верхний предел подвижности – 14 см. Более подвижные смеси могут расслаи-

ваться при перекачке, что ведет к образованию пробок.

Минимальный расход цемента – 250 кг/м3, а количество воды должно

обеспечить получение нерасслаиваемой смеси.

Содержание песка в перекачиваемых бетонных смесях увеличивается и

обычно составляет 0,4–0,5 от массы заполнителей, с увеличением коэффициен-

та раздвижки зерен на 0,1–0,15 единицы. Содержание зерен максимальной

фракции должно быть не более 15–25 % от массы заполнителей.

Пески должны содержать достаточное количество мелких фракций (до

0,2 мм), суммарное содержание цемента и мелких фракций должно быть более

350 кг/м3. При применении мелких и тонких песков необходимо использовать

СП и ВВД для обеспечения надежного продвижения смеси по трубопроводу.

198

17.1.3. Укладка бетонной смеси

Бетонную смесь нужно разгружать как можно ближе к месту ее оконча-

тельной укладки. Не следует укладывать ее большими порциями в одно место с

последующим перемещением в опалубке на значительные расстояния, так как

это вызывает ее расслоение.

Укладка проводится горизонтальными слоями одинаковой толщины, и

каждый слой полностью уплотняется перед укладкой следующего. Толщина

слоев 15–30 см – для железобетонных конструкций и до 45 см – для массивных

сооружений. Толщина слоя зависит от расстояния между опалубкой, количе-

ства арматуры и должна быть такова, чтобы можно было закончить укладку

каждого нового слоя до схватывания предыдущего.

Бетонная смесь не должна свободно падать с высоты более чем 0,9–1,2 м.

При направленной вертикальной разгрузке смеси через специальные устрой-

ства допускается большая высота падения смеси.

В тонких конструкциях следует применять подвесные металлические или

резиновые желоба. В ограниченном пространстве между опалубкой тонких стен

можно устанавливать металлические желоба прямоугольного сечения, чтобы

разместить их между стержнями арматуры. Подвесные желоба должны состо-

ять из секций, которые можно крепить с помощью крючков одну к другой, ре-

гулируя тем самым длину желобов по мере бетонирования.

В высокие тонкие стены бетонную смесь иногда укладывают через отвер-

стия на боковых сторонах опалубки, так называемые «окна», с использованием

внешнего бункера. Бетонирование ведут до линии приблизительно на 30 см

ниже верха стены и выдерживают около 1 ч, чтобы произошла осадка смеси.

Затем до схватывания уложенной бетонной смеси бетонирование возобновляют

во избежание образования шва. Бетонную смесь укладывают на несколько сан-

тиметров выше опалубки и затем избыточный бетон после его частичного схва-

тывания удаляют.

Во избежание образования трещин вследствие осадки бетон в колоннах и

стенах выдерживают около 2 ч до начала бетонирования плит, балок и прого-

199

нов, которые опираются на эти колонны и стены. При бетонировании плит

укладку бетонной смеси надо начинать с дальнего конца сооружения так, чтобы

каждый замес бетонной смеси разгружался вплотную к ранее уложенной смеси.

Не следует укладывать бетонную смесь отдельными кучками и затем эти кучки

разравнивать и обрабатывать.

Порядок укладки бетонной смеси также имеет значение. В стенах первые

замесы укладывают в любом конце секции, затем укладку ведут по направле-

нию к середине и так для каждого слоя. Этот способ можно также использовать

и при укладке балок или прогонов. В большие открытые блоки первые замесы

укладывают по их периметру. Во всех случаях производство работ должно

быть таким, чтобы предотвратить скопление воды в концах и углах опалубки и

вдоль ее поверхности.

17.1.4. Уплотнение бетонной смеси

В обычных условиях бетонную смесь нужно компактно укладывать и

уплотнять вибрированием с помощью вибраторов внутреннего или наружного

действия. В процессе уплотнения должны устраняться пустоты и крупные пу-

зырьки воздуха, обеспечиваться хорошее сцепление каждого нового слоя с ра-

нее уложенным слоем, арматурой и закладными частями, а также выделение на

лицевых и верхней поверхностях достаточного количества мелкого заполните-

ля, что необходимо для производства соответствующей отделки.

Вибрирование само по себе не делает бетон более прочным, водонепро-

ницаемым или стойким против действия попеременного замораживания и отта-

ивания. Оно лишь позволяет применять менее пластичные смеси и тем самым

использовать либо бетонные смеси с пониженным В/Ц, либо при заданном В/Ц

уменьшить расход цемента. При применении вибрации получают лучшие по-

верхности бетона и более прочные рабочие швы.

Внутренний вибратор имеет вибрирующий элемент, который погружает-

ся в бетонную смесь. Поверхностный (наружный) вибратор может прикреп-

ляться к опалубке или перемещаться по поверхности бетонной смеси. Внутрен-

ние вибраторы должны погружаться в бетонную смесь в вертикальном положе-

200

нии на расстоянии 50 см один от другого в зависимости от применяемого обо-

рудования и характера бетонной смеси, но так, чтобы зоны вибрирования от

каждого погружения немного перекрывали друг друга. Вибратор должен по-

гружаться на всю глубину укладываемого слоя и даже немного проникать в

нижележащий слой, если бетон этого слоя еще становится пластичным под

действием вибрации.

Продолжительность вибрирования зависит от подвижности бетон-

ной смеси. Излишне долгое вибрирование в одной точке приводит к расслое-

нию бетонной смеси. Нужно стремиться к тому, чтобы не осталось непровиб-

рированных участков и чтобы было обеспечено полное уплотнение бетон-

ной смеси без ее расслоения. На возможность окончания вибрирования обычно

указывает выделение раствора вдоль опалубки и погружение крупного запол-

нителя в растворную часть смеси.

Задержка начала вибрирования безвредна до тех пор, пока бетонная смесь

способна еще разжижаться под давлением вибрации, и вибратор не оставляет в

ней углублений.

17.1.5. Уход за бетоном

Важное значение имеет уход за бетоном. Необходимыми условиями для

твердения являются присутствие влаги и наличие благоприятной температуры.

Если не принять мер предосторожности, значительное количество воды затво-

рения будет потеряно в результате ее испарения; при температуре ниже нор-

мальной гидратация протекает намного медленнее, а при температуре, близкой

к точке замерзания воды или ниже ее, химические реакции прекращаются. Та-

ким образом, бетон необходимо предохранять от потери влаги на ранней стадии

твердения и выдерживать при температуре, которая содействовала бы гидрата-

ции цемента.

Способы сохранения влаги:

− задержка распалубки;

− поливка или устройство запруд на плоских поверхностях;

201

− применение влагоудерживающих покровов (пленки, специальной бу-

маги);

− нанесение защитного слоя на бетон в жидком виде пленкообразующих

составов.

Следует предохранять поверхности от высыхания и в промежутке между

поливами. Процесс попеременного увлажнения и высыхания свежеуложенного

бетона приводит к образованию волосяных трещин или растрескиванию по-

верхности.

Непрерывное разбрызгивание воды обеспечивает более постоянный при-

ток влаги, чем обильная поливка водой, чередующаяся с периодами высыхания.

Защитные пленкообразующие составы для ухода за бетоном наносят в

один или два слоя сразу после окончания отделки бетона. Если случится за-

держка, то бетон до момента окрашивания должен сохраняться влажным.

На поверхности, прилегающей к опалубке, защитный слой следует наносить

после их распалубки и увлажнения.

Продолжительность ухода за бетоном определяется сроком, при котором

его прочность достигает 50–70 % от проектной марки.

17.2. Зимнее бетонирование

При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в

теплой и влажной среде в течение срока, обеспечивающего набор бетоном кри-

тической прочности, гарантирующей сохранение структуры бетона и удовле-

творительное его твердения после оттаивания. Это достигается 2 способами:

1. Использованием внутреннего запаса теплоты бетона.

2. Дополнительной подачей бетону теплоты извне, если внутренней теп-

лоты недостаточно.

Для этого применяют:

− высокопрочный и быстротвердеющий цемент;

− ускорители твердения цемента: CaCl2, нитрат натрия (NaNO3), поташ

(K2CO3), формиат натрия и др.;

202

− пластификаторы и ВВД для уменьшения количества воды в бетон-

ной смеси.

Все это дает возможность ускорить сроки твердения бетона при возведе-

нии зданий и сооружений и добиться того, чтобы бетон приобрел достаточную

(критическую) прочность перед замораживанием. Внутренний запас теплоты в

бетоне создают:

− подогревом материалов, составляющих бетонную смесь;

− использованием экзотермии цемента.

В зависимости от массивности конструкций и температуры наружного

воздуха подогревают воду для бетонной смеси (до 90 °С) или воду и заполните-

ли (до 50 °С). Бетонная смесь по выходу из бетоносмесителя должна иметь

температуру не более 40 °С, так как при более высокой температуре она быстро

густеет. Минимальная температура бетонной смеси при укладке в массивы

должна быть не менее 5 °С, а в тонкие конструкции – не менее 20 °С.

Новым способом является электроразогрев бетонной смеси в специаль-

ном бункере непосредственно перед укладкой в конструкцию. Электрический

ток пропускают через бетонную смесь и разогревают ее до 50–70 °С. Разогре-

тую смесь надо сразу же уложить и уплотнить, так как она быстро густеет.

В процессе твердения цемент выделяет значительное количество тепло-

ты. Эта теплота выделяется главным образом в первые 3–7 суток твердения.

Чтобы сохранить теплоту в бетоне на определенный срок, опалубку и все от-

крытые части бетона покрывают хорошей теплоизоляцией (минеральная вата,

пенопласт, опилки, шлак и т.п.), толщина которой определяется теплотехниче-

ским расчетом. Этот способ зимнего бетонирования называется способом тер-

моса. Необходимо сохранить теплоту в первые 5–7 суток. Это возможно при

массивных или тщательно изолированных, средних по толщине конструкциях,

имеющих модуль поверхности не более 6 (Sохл.пов. : Vбетона).

Более тонкие конструкции или конструкции, возводимые при очень низ-

ких температурах, следует бетонировать с подачей теплоты извне:

203

1. Обогрев бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой,

окружающей бетон, или по трубам, находящимся внутри бетона или установ-

ленным в опалубке. Температура пара – 50–80 °С. За 2 суток набирается проч-

ность, эквивалентная 7 суткам естественного твердения.

2. Электропрогрев – через бетон пропускают электрический переменный

ток по электродам (пластины, стержни). В начале подогрева подается ток низ-

кого напряжения (50–60 В, трансформированный с 220 В). По мере затвердева-

ния бетона его электрическое сопротивление возрастает и напряжение прихо-

дится поднимать. Повышают температуру медленно (не более 5 °С/ч) и доводят

до 60 °С. Через 36–48 ч твердения бетон приобретает прочность более 7 суточ-

ной нормального твердения.

Можно использовать также греющий электрический кабель, укрепляемый

на ее поверхности или на опалубке, греющие пленки и листы для периферийно-

го обогрева внешних слоев бетона.

3. Обогрев воздуха, окружающего бетон в тепляках, обогреваемых вре-

менными печами, специальными газовыми или топливными горелками, кало-

риферами, инфракрасными излучателями. В тепляках ставят сосуды с водой,

чтобы создать влажную среду для твердения, или поливают водой бетон. Этот

способ дороже предыдущего и применяется при очень низких температурах,

малых объемах бетонирования, а также при отделочных работах.

Применяют и холодный способ зимнего бетонирования, при котором ма-

териалы не нагревают, но в воду для приготовления бетонной смеси вводят

большое количество солей, обеспечивающих твердение бетона на морозе (про-

тивоморозные добавки).

Для различных расчетов по зимнему бетонированию (определение вре-

мени остывания бетона, требуемых свойств теплозащиты, средней температуры

бетона и др.) используют уравнение теплового баланса, предложенное

Б.Г. Скрамтаевым:

( )( ). .

. .

2500,б н б к

б ср в ср

t t Ц Эt

k M t t⋅ ° − ° + ⋅

=⋅ ⋅ ° − °

204

где t – продолжительность остывания, ч;

.б нt° – температура свежеуложенного бетона, ºС;

.б кt° – температура бетона, до которой продолжается его остывание, ºС;

Ц – расход цемента, кг/м3;

Э – тепловыделение цемента, кДж/кг;

.в срt° – температура воздуха за период остывания (по прогнозу погоды), Сº;

.б срt° – средняя температура бетона, ºС;

М – модуль поверхности конструкции, м2/м3;

k – коэффициент теплопередачи от бетона через опалубку в окружающую

среду, кВт/(м2·°С):

1

1 ,0,05

ni

i i

kkλ=

=+∑

где ik – толщина каждого слоя, м;

iλ – теплопроводность изоляционного слоя, кВт/м·ч·°С (для стали λ = 58;

сосны – 0,175; снега – 0,35; если опалубка воздухопроницаема, в ней есть

щели и неплотности, то λ увеличивается в 1,5–2 раза).

Тепловыделение к 28 суткам ПЦ класса прочности 42,5 составляет

500 кДж/кг, 32,5 – 420 кДж/кг, 22,5 – 340 кДж/кг; ШПЦ и ППЦ – на 15–20 %

меньше. Для ориентировочных расчетов тепловыделение к определенному сро-

ку принимают пропорционально его относительной прочности. Например: для

цемента класса прочности 32,5 тепловыделение к возрасту 7 суток при нор-

мальном твердении составит 0,6·420 = 252 кДж/кг.

Среднюю температуру бетона ориентировочно определяют в зависимости

от модуля поверхности: при М < 8 . . / 2,б ср б нt t° = ° при М ˃ 8 . . / 3.б ср б нt t° = °

Более точные теплотехнические расчеты для зимнего бетонирования вы-

полняются с использованием ЭВМ.

205

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. ‒ М. : АСВ,

2002. ‒ 500 с.

2. Звездов, А.И. Технология бетона и железобетона в вопросах и отве-

тах / А.И. Звездов, Л.А. Малинина, И.Ф. Руденко. ‒ М. : НИИЖБ, 2005.

3. Батраков, В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика /

В.Г. Батраков. ‒ М. : Стройиздат, 1998. ‒ 768 с.

4. Баженов, Ю.М. Модифицированные высококачественные бетоны /

Ю.М. Баженов, В.С. Демьянова, В.И. Калашников. ‒ М. : АСВ, 2006. ‒ 368 с.

5. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты /

В.М. Москвин [и др.]. ‒ М. : Стройиздат, 1980. ‒ 536 с.

6. Баженов, Ю.М. Способы определения состава бетона различных ви-

дов / Ю.М. Баженов. ‒ М. : Стройиздат, 1975. ‒ 286 с.

7. Технология бетона, строительных изделий и конструкций / Ю.М.

Баженов [и др.]. ‒ М. : АСВ, 2004. ‒ 256 с.

8. Стройиндустрия и промышленность строительных материалов.

Энциклопедия. – М. : Стройиздат, 1996. 169 с.

9. Несветаев, Г.В. Бетоны / Г.В. Несветаев. ‒ Ростов на Дону : Феникс,

2011. ‒ 345 с.

10. Дворкин, Л.И. Основы бетоноведения / Л.И. Дворкин, О.П. Двор-

кин. ‒ С-Петербург: ООО «Стройбетон», 2006. ‒ 690 с.

Учебное электронное текстовое издание

Ежов Виталий Борисович

ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА,

СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Редактор А.В. Ерофеева Компьютерная верстка А.В. Ерофеевой Выпускающий редактор Н.В. Лутова

Рекомендовано Методическим советом Разрешен к публикации 20.10.2014

Электронный формат – pdf Объем 11,47 уч.-изд. л.

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Информационный портал УрФУ http://www.ustu.ru

Оглавление - urfu.ru · Свойства заполнителей .....27 2.3....

Documents