книги / Строительные материалы

Введение в бетонную смесь’некоторых пластифициру­ ющих добавок, например СДБ, или специальных доба­ вок-замедлителей схватывания замедляет формирование структуры бетона. Этот прием используют при необходи­ мости перевозки бетонной смеси на дальние расстояния или при бетонировании в жаркую погоду. Всякое воз­ действие на бетонную смесь с целью ее формоизменения или уплотнения должно заканчиваться до начала схва­ тывания. Воздействие в более поздние сроки может при­ вести к необратимому нарушению еще слабой первона­ чальной структуры бетона.

Образовавшаяся после затвердевания бетонной смеси структура тяжелого бетона представляет собой цемент­ ный камень с втопленными в него зернами заполнителя, имеющий множество пор и пустот разных размеров и происхождения. В бетоне различают макроструктуру, представленную системой щебень — цементно-песчаный раствор; мезоструктуру, показывающую строение систе­ мы песок — цементный камень, и микроструктуру — тон­ кое строение цементного камня и заполнителя.

Макро- и мезоструктуру бетона можно разделить на три вида в зависимости от величины раздвижки зерен заполнителя цементным камнем; первый — зерна запол­ нителя значительно раздвинуты цементным камнем и как бы «плавают» в нем; второй — цементный камень запол­ няет поры между зернами заполнителя и лишь незначи­ тельно раздвигает их, покрывая тонким слоем; третий — зерна заполнителя контактируют друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, который лишь час­ тично заполняет пустоты между его зернами. Наиболее оптимальной является структура второго вида, которая обеспечивает высокую плотность и заданную прочность бетона при минимальном расходе цемента.

Микроструктура цементного камня в бетоне состоит № новообразований и непрореагировавших зерен цемен­ та и микропор различных размеров. С увеличением воз­ раста бетона его микроструктура в результате продолжа­ ющейся гидратации цемента изменяется: возрастает коли­ чество новообразований цементного камня, уменьшается его пористость, изменяется распределение пор по раз­ мерам. Изменение структуры бетона сопровождается из­ менением его свойств: бетон становится прочнее, он твердеет.

Бетон твердеет постепенно, причем прочность его при

благоприятных температуре и влажности непрерывно по­ вышается. В первые 7 сут после изготовления прочность бетона нарастает быстро, в дальнейшем же, особенно после 28 сут, это нарастание, как показывают результа­ ты опытов, замедляется.

Скорость нарастания прочности бетона зависит от ви­ да цемента. В первые дни прочность быстрее нарастает у бетонов на быстротвердеющих цементах. У бетонов на белитовых цементах прочность нарастает постепенно, но в течение длительного времени. Для твердения бетона не­ обходима теплая и влажная среда. Она может быть соз­ дана в специальных камерах, а также засыпкой бетона песком или опилками, которые постоянно увлажняют. Если бетон твердеет все время в воде, то он стано­ вится более прочным, чем при твердении на воздухе. В сухой среде через некоторое время после того, как сво­ бодная вода испарится, твердение бетона прекращается.

Твердение бетона при температуре ниже 15°С замед­ ляется, а при температуре ниже 0°С практически пре­ кращается; наоборот, при повышенной температуре идостаточной влажности (в горячей воде при температуре до 80 °С, во влажном паре с температурой до 100°С или в автоклаве при действии насыщенного водяного пара вы­ сокого давления и температуре около 175°С) твердение бетона идет значительно быстрее, чем в нормальных ус­ ловиях. Это имеет большое практическое значение при изготовлении сборных бетонных и железобетонных дета­ лей, а также при бетонировании зимой. Прогревают бе­ тон паром или электрическим током. Для ускорения твердения бетона, кроме прогрева, часто применяют хи­ мические ускорители (хлористый кальций и др.), которые вводят в бетонную смесь вместе с водой затворения. Прочность бетона при нормальных условиях твердения повышается приблизительно пропорционально логариф­ му времени

Rn = R*lg2»	’	(6Л)
где Rn — прочность бетона (предел прочности		при сжатии) в любой
срок; ^28— прочность бетона в возрасте	28	сут; 1g n — десятичный

логарифм возраста бетона, выраженного в сут.

Эта формула применима только для обыкновенного портландцемента средних марок и дает удовлетворитель­ ные данные, начиная с «>3.

Действительная прочность бетона может быть опре-. делена только испытанием контрольных образцов, твер­ деющих в условиях, аналогичных имеющимся на произ­ водстве, или испытанием бетона, выбуренного непосред­ ственно из конструкции или изделия.

§ 4. СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

Тяжелый бетон получил наиболее широкое примене­ ние в строительстве. Для его приготовления используют разные виды цемента и заполнители из плотных и прочих горных пород. В зависимости от вида конструкции или изделия и предъявляемым к ним требованиям бетон дол­ жен иметь определенную прочность и стойкость в задан­ ных условиях эксплуатации, а свойства бетонной смеси должны соответствовать принятым способам ее укладки и уплотнения и обеспечивать получение плотного бетона, имеющего хорошее сцепление с арматурой в железобе­ тонных конструкциях и предохраняющего ее от корро­ зии.

1. Прочность бетона

Прочность бетона — одно из главных его строитель­ ных свойств. Она определяет способность бетона проти­ востоять внешним механическим усилиям. Разрушение бетона под нагрузкой происходит в том случае, когда по всему сечению преодолевается предел прочности мате­ риала, т. е. сопротивление отрыву одних частиц от дру­ гих. Разрушению предшествует появление микротрещин в местах концентрации напряжений, что ведет к посте­ пенному ослаблению структуры бетона. При сжатии бе­ тон разрушается от разрыва в направлении, перпендику­ лярном действующему усилию.

Прочность бетона Re к определенному сроку при твер­ дении в нормальных условиях (температура 15—20 °С и относительная влажность окружающего воздуха 90— 100%) зависит,,главным образом, от двух факторов: прочности (активности) цемента Rn и водоцементного отношения В/Ц.

Водоцементным отношением называют отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бе­ тонной смеси, причем учитывают только свободную, не поглощенную заполнителями воду. Прочность бетона

	прямо		пропорциональна
	прочности		цемента. Зависи­
	мость	прочности		бетона от
	водоцементного			отношения
	более	сложная		(имеет		вид
	гиперболы — рис. 6.8). Эта
	зависимость была установле­
	на опытами И. Г. Малюги
	(1895	г.),	Н. М.		Беляева
	(1927 г ) и других советских
	и зарубежных			(Фере,		Аб­
	рамс, Граф) исследователей.
	Зависимость			прочности
В/ц	бетона от водоцементного от-
Рис. 6.8. Зависимостьпрочности	НОШвНИЯ О б ъ я с н я е т с я					СЛе-
бетона от водоцементного отноше-	дуюЩИМИ П рИ Ч И Н аМ И .				Изве-
	стно,	что	цемент при твер­
	дении	присоединяет				всего

10—25 % воды от своей массы в зависимости от качества цемента и срока твердения. В течение первого месяца связывается не более 20 % воды от массы цемента. Вме­ сте с тем, для придания бетонной смеси подвижности в нее добавляют воды значительно больше (40—70 % мас­ сы цемента, В / Ц = 0,4—0,7), так как при В / Ц ^ . 0,2 бе­ тонная смесь была бы почти сухой и ее было бы невоз­ можно укладывать в изделие и конструкцию. Избыточ­ ная вода, не вступающая в химическую реакцию с цементом, остается в бетоне в виде водяных воздушных пор или испаряется, оставляя на своих местах воздушные поры. В обоих случаях наличие пор ослабляет бетон: чем больше их будет, /г. е. чем больше водоцементное отно­ шение, тем ниже прочность бетона. Таким образом, закон водоцементного отношения показывает большое влияние плотности бетона на его прочность.

Зависимость прочности бетона от водоцементного от­ ношения соблюдается лишь в определенных пределах последнего. При очень низких водоцементных отношениях, даже при повышенных расходах цемента и воды не уда­ ется получить достаточно удобообрабатываемых бетон­ ных смесей и необходимой плотности бетона, поэтому за­ висимость /?о=/ (В/Ц) нарушается: с уменьшением В/Ц прочность бетона не увеличивается, а даже начина­ ет уменьшаться (см. рис. 6.8).

Определенную роль в снижении прочности бетона в

этом случае.играет то, что				RjlRii
гидратация		цемента	про­
текает благоприятно и до­
статочно полно лишь при
некотором		избытке	воды
(в 2—3 раза) по сравне­
нию с тем		количеством,
которое	необходимо		для		—|	i	l	i	,
гидратации		цемента.		0,5 0 Q5	1	15 2	2,5	J	щ д
Уменьшение этого избыт-				г	1	Ц5 Q5 04 038 ВЩ
К З НИЖ6		определенных Рис. 6.9. Зависимость прочности							бето-
пределов	влечет за		собойна от цеме!,тно-во^ного отношения
неполноту		гидратации и,
следовательно, понижение прочности бетона-

Зависимость прочности от водоцементного отношения соблюдается строго лишь при испытании бетона на оди­ наковых материалах с близкой подвижностью бетонной смеси и при применении одинаковых приемов перемеши­ вания, приготовления и укладки бетона. На прочность бетона, хотя и менее существенное, чем Ru. и ВЩ, за­ метное влияние оказывают также виды цемента, форма заполнителей, характер их поверхности, способы приго­ товления образцов и другие факторы. При использовании белитового портландцемента, шлакопортландцемента или пуццоланового портландцемента прочность бетона в воз­ расте 28 сут при одинаковом водоцементном отношении может быть на 15—20 % ниже, чем бетона на обычном портландцементе.

Прочность бетона с гравием обычно на 10—20 % ни­ же прочности бетона со щебнем (при одинаковом ВЩ) из-за менее прочного сцепления гравия с цементным раствором. Несколько пониженной прочностью иногда об­ ладают бетоны на мелких песках. Заметное влияние на прочность бетона оказывают химические добавки. Проч­ ность зерен заполнителей не имеет значения, если она выше прочности цементного камня. В этом случае бетон разрушается по наиболее слабому месту — цементному камню.

На практике часто используют зависимость прочнос­ ти не от водоцементного, а от цементно-водного отноше­ ния Ц/В. Эта зависимость показана на рис. 6.9. При Ц/В в пределах 1—3,3, которое наиболее часто встречается при приготовлении бетона, эту кривую можно заменить двумя прямыми. Тогда для расчетов можно использовать следующие формулы:

а) для бетонов с Ц/Bsz:2,5 (В/Ц^s0,4)

(6,2)

б) для бетонов с Ц / В > 2,5 (В/Ц<0,4)

(6.3)

.где Re— прочность бетона нормального твердения в возрасте 28 сут (образцы 15x15X 15 см); /?ц — активность цемента; А и Ai — эмпи­ рические коэффициенты, учитывающие влияние на прочность бетона заполнителей и других факторов.

Значение коэффициентов А и А\ принимают по табл. 6.7.

Высококачественными материалами являются: ще­ бень из плотных горных пород высокой прочности, песок хорошего зернового состава, портландцемент высокой ак­ тивности, без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. Заполнители должны быть чис­ тыми, промытыми, фракционированными с оптимальным зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы: заполнители среднего качества, отвечающие требованиям ГОСТ, в том числе гравий, портландцвхмент средней ак­ тивности или высокопрочный шлакопортландцемент. Ма­ териалы пониженного качества: крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой актив­ ности.

При проектировании состава бетона наиболее часто используют формулу (6.2). Формулу (6.3) применяют при Л = 0,65 и /?б>1,3/?ц; при Л=0,6 и /?б>1,2 /?ц; при Л =0,55 и /?б>1,1#ц. Формулы зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения справедливы только для бетона, уложенного совершенно плотно.

Закон прочности бетона и выражающие его формулы

			А И Ai	и графики		позволяют ре­
Т А Б Л И Ц А	6.7 ЗНАЧЕНИЯ			шать две практические за­
на		А	А!	дачи:	первая — при		из­
				вестных прочности цемен­
Материалы для бето­				та	и	водоцементном
				отношении можно заранее
Высококачествен­		0,65	0,43	определить		прочность,
ные				приобретаемую бетоном
Рядовые		0,6	0,4
				через 28 сут, вторая — при
Пониженного	ка­	0,55	0,37
чества				заданной прочности			бето-

на R G и известной прочности цемента рассчитать водо­ цементное отношение, необходимое для определения пра­ вильного состава бетона.

Однако приведенные формулы и графики являются только ориентировочными. На каждой стройке или заво­ де, где ведутся большие бетонные работы, необходимо проводить предварительные опыты по уточнению зависи­ мости прочности бетона от водоцементного отношения и других факторов. Для этого готовят из бетона при трех­ четырех значениях водоцементного отношения, например при 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7, по три куба и испытывают их пос­ ле 28 сут нормального твердения. Результаты испытания наносят на график или уточняют их с помощью формулы, которые используют при расчете состава бетона из мест­ ных материалов.

Прочность бетона характеризуется его маркой, кото­ рая определяется пределом прочности при сжатии стан­ дартных бетонных кубов размером 150X150X150 мм, из­ готовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 сут после твердения в нормальных условиях. Для тяжелых бетонов применя­ ют марки M l00, M l50, М200, М250, МЗОО, М350, М400, М450, М500, М600.

На производстве необходимо обеспечить заданную марку бетонов. Превышение заданной марки свыше 15 % не допускается, так как оно вызывает перерасход це­ мента.

Кубы размером 150X150x150 мм применяются в том случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителей 40 мм. При другой крупности заполнителей допускается применение кубов других размеров с введением переход­ ных коэффициентов к прочности стандартного куба. Для кубов с длиной ребра 70 мм переходный коэффициент равен 0,85; соответственно 100 мм—0,95; 200 мм—1,05. Размер ребра куба, должен быть приблизительно в три раза больше наибольшей крупности зерен заполнителя.

Марки бетона могут быть определены также и по прочности на растяжение при изгибе, например для тя­ желых бетонов, применяемых в дорожном и аэродром­ ном строительстве. Прочность бетона на растяжение при изгибе определяется путем испытания образцов, имею­ щих форму балочек квадратного сечения с размерами, указанными в табл. 6.8. Прочность бетона при изгибе в несколько раз меньше прочности бетона при сжатии и его

ТА Б Л И Ц А 6.8. ТРЕБОВАНИЯ К ОБРАЗЦАМ И УСЛОВИЯМ ИСПЫТАНИЯ ПРОЧНОСТИ НА ИЗГИБ

Наибольшая круп­	Размеры образцов, мм		Расстояние между
ность зерен за­	по сечению	по длине	опорами мм
полнителей, мм
.30	100X100	400	300
50	150X150	600	450
70	200x200	800	600

марки на растяжение при изгибе могут быть: М15, М20, М25, МЗО, М35, М40, М45, М50, М55.

При изготовлении сборных железобетонных конст­ рукций, а также при срочных работах, когда применяют­ ся быстротвердеющие цементы или используются хими­ ческие, а также тепловые способы ускорения твердения бетона (пропаривание, электропрогрев), прочность бето­ на определяется в более короткие сроки твердения, на­ пример в возрасте 1, 3 и 7 сут. Наоборот, бетоны на медленнотвердеющих цементах, применяемые в монолит­ ных массивных сооружениях, могут иметь расчетные сро­ ки твердения, превышающие 28 сут (60, 90, 180 сут) со­ ответственно с графиком работ и сроками строительства. Увеличение расчетного срока твердения бетона сверх 28 сут обеспечивает экономию цемента.

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

Качество бетона нельзя достаточно полно оценить по его средней прочности или марке. На практике всегда наблюдается отклонение от этой величины. Колебания активности цемента, свойств заполнителей, дозировки материалов и других факторов приводят к определенной неоднородности структуры бетона и к колебанию его свойств. Более полное суждение о качестве бетона можно сделать при одновременном учете средней прочности бе­ тона и его однородности, определяемой на основе стати­ стического анализа коэффициентом вариации прочности v, который равен отношению среднего квадратического отклонения отдельных результатов испытаний прочности

бетона к его средней прочности. Чем выше однородность бетона, тем с большей надежностью получают задан­ ную прочность бетона.

Коэффициент вариации прочности бетона колеблется от 0,05 до 0,2. На предприятиях с хорошо налаженной технологией значение v не превышает 10%. Снижение коэффициента вариации обеспечивает экономию цемента.

При проектировании железобетонных конструкций учитывают однородность бетона. Нормативную кубиковую прочность бетона RH, используемую в расчетах, при­ нимают равной:

Д" = М(1 — 1,64«).

При заданной нормативной прочности проектная мар­ ка бетона М будет зависеть от коэффициента вариации. При ц=0,07 М=1,12/?", при у=0,14 M = l,3 R'1 и соот­ ветственно на 15—20 % возрастет расход цемента.

При проведении статистического контроля качества бетона, когда суждение о прочности бетона выносится по результатам большого количества испытаний, расчет конструкции может производиться не по средней, а по гарантированной прочности бетона.

Для конструкций, которые проектируют с учетом тре­ бований СТ СЭВ 1406—78 и СНиП 2.03.01—84 прочность бетона характеризуется классами. Класс бетона опреде­ ляется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяются на клас­ сы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12.5; В15; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (в МПа), контролируемой на производстве для образцов 15Х15Х Х15 см (при нормативном коэффициенте вариации

13,5%)	следует применять формулу: R t p= B / 0,778. На­
пример,	для класса В5 получим среднюю прочность

#£р= 6,43 МПа, для класса В40 # | р = 51,4 МПа.

2. Деформативные свойства бетона

Деформации бетона можно разделить на собственные деформации — усадку и расширение, возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия нагрузки, причем раз­ личают деформации от кратковременного действия на-

О	3 0	ВО	9 0 i, cynt	грузки и от длительного дей­
				ствия — ползучесть бетона;
				температурные деформации
				бетона.		бетона,	т. е.
				Усадка
				уменьшение его объема, про­
				является	при	твердении бе­
				тона в атмосферных услови­
				ях или	при	недостаточной
				влажности среды, способст­
				вующей	высыханию		бетона.
				При твердении в воде или во
Рис. 6.10. Кривые усадки			2 — раство­	влажных	условиях		усадка
/ —цементного камня;				резко уменьшается, а в ряде
ра; 3 — бетона				случаев происходит незначи­
				тельное расширение			бетона.
Общая величина деформаций усадки складывается из
влажностной,		контракционной и карбонизационной де­

формации, названной так по виду определяющего фак­ тора.

Влажностная усадка вызывается изменением распре­ деления, перемещением и испарением влаги в образо­ вавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообра­ зований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта. усадка раз­ вивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует измене­ ниям в поровой структуре материала: уменьшается объ­ ем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Обычно эта усадка развивается в период затвердевания бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материа­ ла. Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидрата окиси кальция и развивается постепенно с по­ верхности бетона в глубину.

Наибольшую усадку дает чистый цементный камень. Введение заполнителя резко уменьшает усадку (рис. 6.10). В среднем годичная усадка тяжелого бетона сос­ тавляет 0,0002—0,0004 или 0,2—0,4 мм/м. Усадка бетона уменьшается при сокращении расходов цемента и воды и понижении водоцементного отношения. Усадка возра-