книги / Строительные материалы

стает с возрастом бетона и при понижении влажности окружающего воздуха.

Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возра­ сте, приводит к значительной и неравномерной усадке и может вызвать появление на поверхности материала уса­ дочных трещин. Во избежание этого применяют правиль­ но подобранные составы бетона (с минимальным расхо­ дом цемента), обеспечивают надлежащие условия его твердения, устраивают специальные швы, бетон в мас­ сивные сооружения укладывают отдельными блоками, применяют химические добавки, уменьшающие усадку бетона.

Деформации бетона при кратковременном нагружении включают упругую еу, пластическую епл и псевдопластическую епп, связанную с появлением и развитием в бето­ не микротрещин, части:

Сб = еу "Ь еПЛ"Ь 8ПП'

Предельные суммарные относительные деформации, при достижении которых наступает разрушение, для бе­ тона как для хрупкого материала невелики и составля­ ют при сжатии 0,0015—0,003, при растяжении 0,0001— 0,0015.

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т. е. по от­ ношению напряжения к относительной деформации, вы­ зываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен бетон. Модуль деформации бе­ тона повышается с его прочностью и составляет: для бе­ тона марки М100 1900 МПа, для бетона марки М500 4100 МПа.

Ползучесть бетона проявляется в виде необратимых деформаций, возникающих при длительном действии по­ стоянной нагрузки. Деформации ползучести наиболее за­ метно развиваются в первые сроки после приложения нагрузки и постепенно затухают. Уменьшению ползучести способствуют понижение расхода цемента и водоцемент­ ного отношения, повышение крупности заполнителей и уменьшение их деформативных свойств, увеличение воз­ раста бетона и его прочности.

Температурные деформации бетона характеризуются температурным коэффициентом линейного расширения, который в среднем составляет 1(М0_6. Этот коэффици­ ент близок к коэффициенту линейного расширения ста-

ли, что способствует совместной работе этих материалов

вЖелезобетонных конструкциях.

3.Плотность и непроницаемость, антикоррозийная стойкость, морозостойкость

Плотность бетона заметно влияет на его стойкость в различных условиях эксплуатации. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть поч­ ти совершенно плотной (имеется в виду плотность с уче­ том воды, содержащейся в смеси), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность такой бетонной смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчи­ танной по сумме абсолютных объемов материалов, если бетонная смесь не содержит вовлеченного воздуха. В за­ твердевшем бетоне только часть воды находится в хи­ мически связанном состоянии. Остальная (свободная) во­ да остается в порах или испаряется. Поэтому затвердев­ ший бетон никогда не бывает абсолютно плотным.

Пористость бетона можно опредить по формуле, %:

П1	В — хиЦ 100,
	1000

/

где В и # — расход воды и цемента на 1 м3 бетона (1000 дм); w количество химически связанной воды в долях от массы цемента.

В возрасте 28 сут цемент связывает приблизительно 15 % воды от своей массы. Например, если в 1 м3 бетон­ ной смеси содержится 320 кг цемента и 180 л воды, то пористость бетона будет:

Пх	180 — 0,15-320
	100= 13,2%.
	1000

Поры в тяжелом бетоне, образовашиеся на месте из­ быточной воды, располагаются^ цементном камне и под­ разделяются на поры геля и капиллярные поры. Если в бетоне содержится вовлеченный воздух, то суммарная пористость возрастает:

/7сум = + ^ 2»

где П2— объем вовлеченного воздуха, %.

Плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей, дающим уменьшение объема пустот в смеси заполнителей, а сде-

довательно, и содержания цементного камня в бетоне. Кроме того, можно применять цементы, присоединяющие возможно больше воды (высокопрочный портландце­ мент, глиноземистый цемент, расширяющийся цемент), или цементы, занимающие больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент). Плотность бетона мо­ жет быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что достигается введением в бетонную смесь

специальных добавок — пластификаторов,	уплотнением
бетонной смеси вибрацией, центробежным	или другим

механизированным способом. Часть свободной воды из бетонной смеси при укладке можно удалить вакуумиро­ ванием.

Водонепроницаемость бетона зависит от его плотно­ сти и структуры. Бетон мелкопористой структуры и одно­ родного состава, тщательно уплотненный и достаточно затвердевший, практически водонепроницаем в слоях значительной толщины. Водонепроницаемость бетона можно повысить, покрывая его поверхность плотным раствором, в особенности наносимым пневматическим способом (так называемым торкретированием).

Плотный бетон достаточно непроницаем не только для воды, но и для мазута и тяжелой нефти. Жидкости, име­ ющие малую вязкость и плотность значительно меньше единицы (керосин, бензин, смазочные масла и др.), прони­ кают через бетон значительно легче воды. В резервуарах, предназначенных для хранения тяжелых нефтепродук­ тов, поверхность бетона дополнительно через сутки после штукатурки и затирки три раза покрывают жидким стек­ лом, которое закрепляют раствором хлористого кальция. Для защиты от проникания бензина и керосина поверх­ ность бетона покрывают пленками из пластмасс или из­ готовляют бетон на специальном не проницаемом для этих жидкостей, расширяющемся или безусадочном цементе.

Под влиянием физико-химического действия некото­ рых жидкостей и газов бетон может разрушаться. Корро­ зия бетона вызывается почти исключительно разруше­ нием цементного камня, заполнители же всегда можно подобрать достаточно стойкие.

Защищают бетон от коррозии следующим образом: придают бетону повышенную плотность; устраивают во­ донепроницаемую оболочку вокруг бетона; выбирают це­ мент с малым выделением свободного гидроксида каль­ ция и с низким содержанием трехкальциевого алюмината

(пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкие цементы, глиноземистый цемент); по­ крывают кислотоупорными плитками или камнями, вы­ ложенными на кислотоупорном цементе, а также приме­ няют специальный кислотоупорный бетон. Эти цементы и бетон изготовляют из жидкого стекла с добавкой крем­ нефтористого натрия, молотого кварцевого песка и кис­ лотоупорных заполнителей.

Морозостойкость бетона зависит от его строения. В плотном бетоне имеются поры различных размеров и свойств. Мелкие поры (микропоры), например поры це­ ментного геля, имеющие размер менее 10“5 см, непрони­ цаемы для воды. В них содержится, обычно, связанная вода, которая не переходит в лед даже при очень низких температурах (до —70 °С). Условно можно считать, что в бетоне такой воды содержится примерно столько же, сколько химически связывается цементом. Микропоры не оказывают заметного влияния на морозостойкость бе­ тона.

Водонепроницаемость и морозостойкость бетона очень зависят от количества крупных пор (макропор) в бетоне, которые образуются водой, не вступившей в химическое

взаимодействие с цементом, и имеют		размер более
10~5 см. Относительный объем макропор		можно вычис­
лить по формуле, %:
77 =	В — 2тЦ
	100.
	1000
По данным Г. И. Горчакова, морозостойкость бетона,
цикл, составляет:
при макропористости	6 % .	250
То же	7,5 %	150
»	9 %	75

Макропористость бетона уменьшается, а его морозо­ стойкость улучшается при понижении В/Ц и с увеличе­ нием возраста бетона. Обычно для получения достаточно морозостойкого бетона В/Ц применяют менее 0,5.

Морозостойкость бетона можно улучшить также пу­ тем введения в его состав специальных гидрофобных воз­ духововлекающих добавок, уменьшающих проницаемость его пор и капилляров для воды и снижающих внутрен­ ние напряжения в бетоне при ее замерзании (рис. 6.11).

При проектировании бе­				мрз, цикл
тонных	и железобетонных
конструкций		к	ним могут
предъявляться особые требо­
вания по водонепроницаемо­
сти и морозостойкости. Для
конструкций, от которых тре­
буется	непроницаемость,
установлены марки по водо­
непроницаемости:			W2, W4,
W6, W8, W10, W12. Для кон­				Рис. 6.11. Зависимость морозостой­
струкций подвергающихся в				кости обычного (У) и бетона с вов­
увлажненном		состоянии по­		леченным воздухом (2) от ВЩ
переменному		заморажива­

нию и оттаиванию, установлены марки по морозостойко­ сти: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500.

§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА БЕТОНА

Состав бетонной смеси выражают двумя, способами. 1. В виде соотношения по массе (реже объемного, ме­ нее точного) между количествами цемента, песка и гра­ вия (или щебня) с обязательным указанием водоцемент­ ного отношения и активности цемента. Массу цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между со­ ставными частями бетона имеет вид: 1 : х : у при опреде­ ленном В/Ц и £ ц (например, 1: 2 :4 по массе при В / Ц = —0,6 и #ц=40 МПа). Устанавливать составы бетона по объему допустимо только на небольших стройках; при этом цемент всегда должен дозироваться по массе. 2. На крупных стройках и центральных бетонных за­ водах все материалы дозируются по массе, при этом со­ став бетона обозначают в виде расхода материала на 1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси, например:

цемент	280	кг
песок	700	»
щебень	1250	»
вода	170	»
И т о г о	2400	кг/м3

Расход материала указывают с точностью, которую может обеспечить принятый способ дозирования матери­ алов. Обычно расход цемента и воды указывают сточно-

стью до 1 кг, песка и щебня до 5 кг. Правильный расчет

состава — одна из наиболе важных операций	в техноло­
гии бетона. Различают два состава бетона:	номиналь­

ный (лабораторный), устанавливаемый для сухих мате­ риалов1, и производственный (полевой)— для материа­ лов в естественно-влажном состоянии.

При расчете состава бетона ставится задача — по­ лучить следующие показатели: прочность, равную полной марке бетона, или части ее, достаточной для распалубки, перевозки и частичной загрузки конструкции (обычно 70% марки); подвижность и- жесткость бетонной смеси, создающие надлежащее уплотнение в изделии или кон­ струкции; экономичность, заключающуюся в возможно меньшем расходе цемента на единицу объема бетона, но

выше	минимального	расхода,	обеспечивающего		плот­
ность	бетона (см. табл. 6.4).		При	определении	состава
бетона учитывается		необходимость		достижения	полной

или частичной прочности в сроки, соответствующие гра­ фику производства работ или изготовления конструкций.

Прежде, чем рассчитывать состав бетона, необходимо выбрать марку цемента и исследовать местные заполни­ тели (песок, гравий, щебень), а также воду. Для эконом­ ного расходования цемента необходимо, чтобы его марка превышала заданную марку бетона (см. п. 1, § 2).

При применении более низких марок цемента для при­ готовления бетона требуется слишком большой расход цемента. Наоборот, когда марка цемента слишком высо­ ка, может случиться, что расход цемента будет меньше требуемого для получения бетона необходимой плотности. В этом случае к цементу надо добавить тонкомолотую добавку — активную кремнеземистую или инертную (мо­ лотый кварцевый песок, инертный при обычном тверде­ нии бетона без автоклавной обработки; каменную муку из плотного известняка и т. п.). Добавка может быть раз­ молота в сухом состоянии и заранее смешана с цементом или же в виде водной суспензии введена непосредствен­ но в бетоносмеситель.

Для расчета состава бетона необходимо вычислить водоцементное или цементно-водное отношение; опреде­ лить расход воды на 1 м3 бетона; расход цемента на 1 м3

Для расчета номинального состава бетона (по объему) мате­ риалы принимают в стандартном рыхлом состоянии, а портландце­ мент— из расчета условной плотности 1300 кг/м34

бетона; расход песка, крупного заполнителя и его отдель­ ных фракций; проверить на опыте подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси; внести необходимые по­ правки в расчет состава, если требуемые свойства бетон­ ной смеси недостигнуты; определить окончательный расход материалов на 1 м3 бетона; изготовить бетонные образцы и испытать прочность бетона. На производстве необходимо, кроме того, пересчитывать номинальный со­ став на производственный с учетом влажности заполни­ телей.

Водоцементное отношение рассчитывают по заданным марке и сроку твердения бетона, активности цемента и виду заполнителей на основании ранее указанных фор­ мул (6.2) и (6.3) или по результатам предварительных опытов. Если задан расчетный срок п, не равный 28 сут, то сначала вычисляют # ц по формуле (6.1), затем по Яге определяют водоцементное отношение.

Расход воды В на 1 м3 бетона определяют по графи­ ку (см. рис. 6.7) в зависимости от требуемой подвижно­ сти или жесткости бетонной смеси, вида и крупности за­ полнителя. Зная В/Ц и В, определяют расход цемента на 1 м3 бетона

Ц = В( ц/В) .

Для определения расхода песка и щебня (гравия) составляют два уравнения. Первое уравнение выражает, что сумма абсолютных объемов всех составных частей бетона (в литрах) равна 1 м3 (1000 л) готового уплот­ ненного бетона, если в бетоне нет вовлеченного воздуха

ц	II	Щ
—	+ В + -	+ - = - = юоо,
Рц	Ра	Рщ

где Ц, В, П, Щ — масса материалов, кг в 1 м3 бетона; рц; рп; рщ — истинная плотность материалов, кг/л; В — водопотребность бетонной смеси, л/л.

Второе уравнение выражает, что цементно-песчаный раствор должен заполнить все пустоты между щебнем (в рыхлом состоянии) с некоторой раздвижкой зерен

_Ц	Ц	„ Щ
+- В ■	Рп	= Кщ -------- а ,
Рц		Рн.щ

где Vщ — пустотность щебня в относительных единицах; рн.щ—4 плотность щебня, кг/м3; а — коэффициент раздвижки зерен щебня раствором.

	Т А Б Л И Ц А	6.0. ЗНАЧЕНИЕ	КОЭФФИЦИЕНТА а		ДЛЯ ПОДВИЖНЫХ
	БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
	та, кг/м3		Коэффициент а при В / Ц
		0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
	250		1,3	1,26	1,32	1,32
	300	—		1,36	1,42	—
	350	1,32	1,38	1,44	—	—
	400	1,4	1,46	—	•—	—
	500	1,5	1,56	—	—	—

Решая совместно эти два уравнения, получаем фор­ мулы для определения расхода щебня и песка на 1 м3

бетона:

юоо

(6.4)

У щ « | 1

Ро.Щ Рщ

(6.5)

Коэффициент раздвижки зерен щебня а принимают для подвижной бетонной смеси по табл. 6.9.

Для жесткой бетонной смеси коэффициент а прини­ мается равным в зависимости от расхода цемента, кг/м:

до 400	1,05—1,1
400—500	1. 1- 1.2
500—600	1,2—1,25
Коэффициент а определяет соотношение между пес­
ком и щебнем в бетоне.	При излишне высоких коэффи­

циентах а бетонная смесь содержит избыточное-количест- во песка. Такая смесь обладает повышенной водопотребностью и соответственно требует большего расхода цемента. При слишком малых значениях а в бетонной смеси будет недостаток песка, что приведет к ее расслое­ нию, и, следовательно, к снижению прочности бетона, к ухудшению его морозостойкости и других свойств. Таким образом, правильный выбор коэффициента а даст воз­ можность получить экономичный по расходу цемента прочный и плотный бетон.

Физический смысл изменения коэффициента а заклю­ чается в следующем. В жесткой бетонной смеси при уме­ ренных расходах цемента содержится относительно не­ большое количество цементного теста высокой вязкости.

Такая смесь хорошо удерживает воду, и опасность водоотделения и расслоения здесь отсутствует. Требуемая жесткость бетонной смеси обеспечивается при минималь­ ной раздвижке зерен щебня раствором, при этом дости­ гают минимального расхода песка, а следовательно, водопотребности бетонной смеси и расхода цемента.

С увеличением количества воды для придания бетон­ ной смеси большей подвижности объем цементного теста возрастает, а вязкость его понижается. Чтобы избежать водоотделения и расслоения бетонной смеси и чтобы бы­ ла необходимая ее связанность, приходится увеличивать коэффициент а, сохраняя и даже увеличивая (при высо­ ких значениях В/Ц) соотношение между песком и щеб­ нем, так как более высокая удельная поверхность песка, мелкие поры и капилляры между его частицами способст­ вуют удержанию воды в жидком цементном тесте.

При применении для бетона щебня или гравия не­ скольких фракций вначале устанавливают оптимальное соотношение между ними, подбирая смесь с минималь­ ным количеством пустот. Полученный расчетом состав бетона проверяют в лаборатории и при необходимости вносят в него соответствующие поправки способом после­ довательного приближения (см. пример 6.1).

Пример 6.1, Задана марка бетона М300. Подвижность бетонной смеси должна быть ОК= 4 см. Требуется определить состав бетонной смеси, если применяются: портландцемент марки 500; песок средней крупности и истинной плотностью 2,65; гранитный щебень с пре­ дельной крупностью 40 мм, истинной плотностью 2,6 и насыпной плотностью 1,4 кг/дм2.

Пустотность щебня:

Определяем Ц/В по формуле (6.2)

300 = 0,6-500	— 0 ,б ) ; Ц/В = 1 , 5 .
По графику (см. рис. 6.7)	определяем расход воды: £ = 1 7 0 +

+ 10=180 л.

Расход цемента: Z^= 180-1,5 = 270 кг.

Необходимо, чтобы этот расход был не ниже минимально допу­ скаемого по нормам (см. табл. 6.4), в данном случае 180 л. Коэф­ фициент а, в соответствии с- табл. 6.9, по интерполяции принимаем 1,35 (Ц =270 кг, В /Ц = 0,67).

Тогда расход щебня:
Щ=	1000
	-------- — ------- ;--- = 1210 кг;
	1,35	1
	0,46	2,6
	1,4

расход песка:	/	270		1210 \1
			180 + ,		2 ,6 5 = 710	кг.
п = ! ю о о —		+		2,6 )\
L	I	3,1
Плотность бетонной смеси:
рб/с =	270 + 180 +		710 +	1210 = 2370 кг/м3.
Изготовляем	пробную порцию			бетонной смеси,		определяем

осадку конуса. Из-за особенностей используемого цемента и мест­ ных заполнителей осадка конуса может отличаться от заданных. Предположим, 0/С= 1 см. Это говорит о том, что смесь недоста­ точно подвижна. Для повышения подвижности и удобоукладываемости увеличиваем в данном замесе расход цемента на 10 %, т. е. до 300 кг на 1 м3, одновременно прибавляем 10 % воды, чтобы не из­ менить В/Ц\ снова перемешиваем бетонную смесь, измеряем осадку конуса и удобоукладываемость и т. д. до тех пор, пока не получим требуемых показателей, поэтому этот метод и поручил название «способ последовательного приближения». Реже бывают случаи, ког­ да бетонная смесь получается слишком подвижной. Тогда необходи­ мо добавлять небольшое количество песка и крупного заполнителя.

После достижения требуемой подвижности бетонной смеси сле­ дует уточнить состав бетона, так как первоначальный объем порции бетонной смеси увеличивается и расчет не будет соответствовать 1 м3 бетона.

Для проверки правильности расчета после изготовления окон­ чательного замеса укладываем бетонную смесь на виброплощадке в стальную форму и определяем плотность бетонной смеси. Если смесь уложена плотно, ее плотность должна совпадать с расчетной (допускаемое отклонение ± 2 %) . Кроме того, из пробного замеса изготовляем образцы бетона для проверки прочности в заданные сро­ ки (обычно 28 сут).

Полевой состав бетонной смеси определяют с учетом влажности заполнителей. При этом находят содержание воды в заполнителе по формулам:

Bn =	Wn IJ; Вт =	\Ущ Щ,
где Bn, Вщ— содержание	воды в песке	и щебне; Wn, Wm— влаж­

ность песка и щебня в относительных единицах; /7, Щ — расход пес­ ка и щебня, кг.

Для получения заданной прочности бетона и подвиж­ ности бетонной смеси необходимо сохранить определен­ ные для номинального состава В/ Ц расход воды и плот­ ность бетона. Соответственно уменьшают расход воды, вводимый непосредственно в бетоносмеситель, так как часть воды вводится вместе с заполнителем. Новый рас­ ход воды определяют по формуле:

вя= 5 — Bn Вщ.

Расход цемента не изменяют. Для сохранения массы заполнителя увеличивают его расход соответственно с массой содержащейся в нем воды.