СМ 2013

191

техническими соображениями. Повышение содержания цементного камня в бетоне увеличивает ползучесть, усадку и тепловыделение, понижает морозостойкость и стойкость в агрессивных средах. Как было показано выше, снижение расхода цемента достигается правильным выбором зернового состава заполнителей по минимальной пустотности.

Таким образом подбор состава включает определение номинального состава, расчет и корректировку рабочего состава и передачу в производство.

Чтобы выполнить подбор состава бетона, нужно провести испытания исходных материалов: определить марку (класс) цемента, зерновой состав заполнителей, их пустотность и другие характеристики, которые могут влиять на качество бетона.

Подбор состава производят расчетно-экспериментальным методом  – предварительно состав определяют расчетом, а затем производят экспериментальную проверку путем приготовления пробных замесов и образцов из бетона, которые испытывают в установленные сроки.

Состав бетона рассчитывают в приведенной последовательности.

А.  Используются нефракционированные (рядовые) заполнители

1. Определяют насыпную плотность  (γн.щ) щебня (гравия) и его пустотность  Пщ после уплотнения вибрированием:

(6.9)

где γщ – истинная плотность крупного заполнителя, кг/м³.

2.Определяют насыпную плотность песка (γн.п).

3.Объем крупного заполнителя принимают равным объему проектируемого бетона. Это позволяет определить расход крупного заполнителя:

(6.10)

где Vб — объем бетона, обычно равный 1 м³.

4. Объем мелкого заполнителя (песка) принимают равным объему пустот в крупном заполнителе:

(6.11)

5. Определяют массу песка (кг) и X/Y :  X = Vп · γн.п

(6.12)

192Глава 6. Бетоны

6.Увеличивают установленный ранее расход песка на 10, 20 % и более:

(6.13)

Приготавливают смеси заполнителей, установленные ранее расчетом, и определяют объем межзерновых пустот (Vп.см ) после уплотнения вибрированием. Выбирают смесь с минимальной межзерновой пустотностью и устанавливают оптимальное соотношение  Х/У.

7. Определяют расход цемента и воды.

Объем цементного теста (в литрах) принимают равным объему межзерновых пустот смеси заполнителей плюс дополнительный объем, необходимый для раздвижки зерен:

(6.14)

Коэффициент раздвижки зерен заполнителей  k  принимают равным 1,1; 1,2 и более, в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси.

8. Определяют водоцементное отношение (В/Ц ) по формуле И. Боломея:

(6.15)

Значения коэффициента  А  приведены в табл. 6.4.

9. Определяют расход цемента Ц в килограммах. Объем цементного теста равен сумме объемов цемента и воды:

(6.16)

где Vц – объем цемента,  л;

Vв – объем воды,  л.

Массу цемента можно определить по формуле:

(6.17)

где Ц	– масса цемента,  кг;
γц	– плотность зерен цемента,  кг/м³;
γв	– плотность воды,  кг/м³, принимается равной 1000 кг/м³.

193

10. Определяют расход воды, л:

(6.18)

б= f (Ц/В) не является линейной,

иформула И. Боломея позволяет определить приблизительное значение В/Ц, необходимое для получения бетона требуемого класса по прочности. Поэтому принимают три (иногда более) значения В/Ц, отличающихся от ранее установленного расчетом на  ±0,05, и расчет расхода цемента

иводы производят для трех вариантов и более.

Оптимальный расход цемента при заданном В/Ц устанавливают путем приготовления бетонной смеси и корректировки ее состава по заданной удобоукладываемости. –

При переходе от средней прочности (R) к нормативной используется известный коэффициент вариации, а при его отсутствии V принимают равным 0,135 (13,5 %) для тяжелого и легкого бетонов.

Б.  Используются фракционированные заполнители

Использование фракционированных заполнителей с определением содержания фракций в смеси с учетом образования плотной упаковки, как было отмечено, позволяет получить бетон со сравнительно невысоким содержанием цементного камня. Возможно применение заполнителей непрерывной и прерывистой гранулометрии. Расчет производят

вследующей последовательности:

1.Определяют насыпную плотность  γ и пустотность щебня (гравия) первой (крупной) фракции после уплотнения вибрированием и устанавливают расход первой фракции У по методике, приведенной ранее (пп. 1, 2 и 3).

2.Расход второй фракции  У   устанавливают опытным путем так, чтобы получить смесь зерен заполнителя с минимальным объемом межзерновых пустот.  При определении зернового состава заполнителей с непрерывной гранулометрией, вследствие различия формы и размеров пустот между зернами первой фракции, расход второй фракции должен быть сравнительно небольшим (см. рис. 6.2). Вследствие этого расход второй фракции и соотношение  У /У   можно установить путем приготовления смесей различного состава, принимая, например, У /У  = 0,1; 0,2 и более.  Оптимальное соотношение выбирают по минимальной пустотности. При использовании смесей заполнителей прерывистой гранулометрии первоначальное отношение У /У можно установить с помощью расчета (пп. 4 и 5), что сокращает объем работ.

Зависимость  Vп = f (У  / У  ) приведена на рис. 6.2.  Из рисунка следует, что применение заполнителей с прерывистой гранулометрией

194 Глава 6. Бетоны

позволяет получить смесь зерен со сравнительно невысоким объемом межзерновых пустот.

3.Расход третьей и последующих фракций определяется с учетом заполнения пустот в смеси двух фракций и более по методике, приведенной ранее, п.2.

4.После определения расхода заполнителей по фракциям устанавливается расход цемента Ц и воды В по методикам, приведенным ранее.

При использовании влажных заполнителей содержащаяся в них вода учитывается при окончательном установлении состава бетона. При этом расход влажных заполнителей увеличивается так, чтобы масса сухих зерен соответствовала расчетной. Расход воды уменьшается на ее количество, содержащееся в заполнителях.

Технология производства изделий и конструкций из бетона

По способу выполнения все бетонные и железобетонные конструкции разделяют на монолитные – осуществляемые на месте строительства, и сборные – составляемые из отдельных элементов, изготовленных на заводе.

Процессы производства изделий можно представить в виде технологической схемы (рис. 6.8).

Подготовка заполнителей сводится к дроблению, разделению на фракции по размерам зерен, удалению вредных примесей. Подготовку часто совмещают с добычей, и на заводы заполнители поступают в готовом виде. Зимой заполнители подогревают на складе или в специальных бункерах.

Дозирование.  Для того чтобы фактический состав бетона соответствовал заданному, необходимо отдозировать компоненты: заполнители, цемент и воду. Цемент и вода всегда дозируются по массе, заполнители – иногда по объему. Применяются автоматические дозаторы периодического или непрерывного действия, которые обеспечивают необходимую точность взвешивания­ и сокращают продолжительность дозирования до 30-40 с.

Перемешивание.  При приготовлении бетонных смесей основной задачей является равномерное распределение в ней компонентов. Чем однороднее бетонная смесь, тем выше качество бетона. Перемешивание компонентов производится механизированным способом в бетоносмесителях. Бетоносмесители разделяются на два типа: цикличного и непрерывного действия, которые в свою очередь, делятся на гравитационные и принудительного перемешивания.

В гравитационных смесителях компоненты помещают во вращающийся барабан. На внутренних стенках барабана имеются лопасти, которые захватывают материалы, поднимают их на некоторую высоту, после чего они отрываются от стенок и падают, обеспечивая перемешивание. По объему загруженных материалов бетоносмесители

195

Рис.  6.8.  Технологическая схема производства изделий и конструкций из бетона

могут иметь емкость от 100 до 3500 л. Объем готовой бетонной смеси всегда меньше суммы объемов исходных материалов, загруженных в бетономешалку:

(6.19)

где β – коэффициент выхода бетонной смеси; β = 0,60-0,70;

Vб.см , Vц т , Vп , Vкр  – объемы соответственно бетонной смеси, цементного теста, песка и крупного заполнителя.

Гравитационные смесители получили более широкое распространение, что объясняется более низкой стоимостью, простотой конструкции, меньшей металло- и энергоемкостью.

В смесителях принудительного перемешивания осуществляется перемещение лопастей бетоносмесителя относительно корпуса. По количеству загружаемых материалов смесители этого типа могут иметь емкость от 100 до 3500 л.

196 Глава 6. Бетоны

Смесители принудительного действия обеспечивают высокое качество и скорость приготовления жестких бетонных смесей. Качество бетонной смеси и бетона зависит от продолжительности и условий перемешивания. В зависимости от типа бетонной смеси и объема замеса, продолжительность перемешивания может изменяться в пределах от 50 до 150 с.

Транспортирование. В зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси и расстояния от бетоносмесителя до места укладки и уплотнения, осуществляется разными способами. На строительные площадки бетонная смесь доставляется автотранспортом: в автомобилях – самосвалах, автобетоновозах и автобетоносмесителях. В пределах бетонного завода и строительной площадки транспортирование производится в бадьях кранами различных систем, транспортерами, бетононасосами.

Формование бетонных и железобетонных изделий является одной из наиболее важных технологических операций. Формование включает: подготовку форм или опалубки к бетонированию (очистку, смазку), установку арматурного каркаса, укладку бетонной смеси, ее распределение в форме и уплотнение, заглаживание открытой поверхности, расформовку. Целью формования является производство изделий заданных размеров, однородных по структуре, что, в частности, обеспечивается полным уплотнением бетонной смеси.

Изготовление изделий требуемой формы обеспечивается применением специальных форм. В заводских условиях и на строительной площадке применяют бетонные смеси с различными показателями подвижности и жесткости и различные способы их уплотнения.

Применяемые способы формования изделий можно объединить в следующие основные группы:

а)  формование способом литья, когда заполнение формы бетонной смесью происходит под действием силы тяжести; при этом часто используются пластификаторы и суперпластификаторы, позволяющие получить литые бетонные смеси с В/Ц = 0,50 и менее;

б)  формование с применением вибрирования; в)  способы, сочетающие операцию вибрирования с прессованием

(вибропрессование); г)  прессование, укатка, трамбование;

д)  способы, позволяющие получить плотный бетон из бетонных смесей с повышенным начальным содержанием воды (вибропрессование, центробежное формование, вибровакуумирование).

Распространенным способом формования является вибрирование, при котором бетонной смеси, находящейся в форме или опалубке, передают колебания относительно высокой частоты (3000-7000 кол/мин при амплитуде 0,3-0,7 мм).

197

Вынужденные колебательные движения разрушают первоначально сложившуюся структуру бетонной смеси, вследствие чего она приобретает свойства вязкой жидкости и заполняет форму под действием силы тяжести. Вибрирование позволяет уплотнять жесткие бетонные смеси и получать плотные, прочные бетоны. Вибрирование осуществляют электромеханическими, электромагнитными и пневматическими вибраторами. Наиболее распространены электромеханические вибраторы, их основа – электромотор, на валу которого укреплен с эксцентриситетом груз. Вращение груза создает колебания, которые передаются рабочей части вибратора.

По способу передачи колебаний бетонной смеси различают поверхностные, глубинные, наружные вибраторы и виброплощадки. Поверхностные вибраторы применяются для уплотнения бетонной смеси в изделиях и конструкциях с большой площадью поверхности (плитах, полах, дорожных покрытиях и др.); глубинные – для уплотнения бетонных смесей в массивных конструкциях (фундаментах, блоках плотин и др.), при этом вибронаконечник вводится в бетонную смесь (приложение, рис. А.51, А.52). Наружные вибраторы прикрепляются к форме или опалубке при изготовлении тонкостенных изделий в заводских условиях. Виброплощадки являются стационарным заводским оборудованием. Это горизонтальные платформы, которые приводятся в колебательное движение вибраторами, прикрепленными к их рамам. Виброплощадки применяются для изготовления железобетонных изделий в заводских условиях.

Для того чтобы использовать более жесткие бетонные смеси, применяют вибрирование в сочетании с давлением.

Вибрирование с пригрузом.  При вибрировании жестких бетонных смесей уплотнение верхнего слоя оказывается недостаточным, поэтому на поверхность смеси помещают пригрузочный щит, который создает давление 20-40 г/см² и улучшает уплотнение верхнего слоя бетонной смеси.

Виброштампование.  Виброимпульсы и давление одновременно передаются бетонной смеси с открытой верхней стороны формуемого изделия с помощью профильной или плоской вибрирующей плиты, которая называется виброштампом. Виброштамп может перемещаться относительно формы или занимать стационарное положение.

Вибропрессование.  Предполагает виброобработку бетонной смеси в форме с последующим прессованием под давлением, которое обеспечивает дальнейшее уплотнение за счет вытеснения вовлеченного в бетонную смесь воздуха и отжатия части свободной (несвязанной) воды. Прессование позволяет удалить из бетонной смеси 8-12 % воды от ее количества, взятого при затворении, что повышает плотность, прочность и долговечность бетона.

Прессование.  Уплотнение бетонных смесей можно производить также путем прессования без вибрирования. В зависимости от жесткости

198 Глава 6. Бетоны

бетонной смеси давление при прессовании составляет 10-15 МПа. Прессование можно осуществить: с помощью штампа, приложением статического прессующего давления; непрерывным выдавливаванием бетонной смеси через мундштук пресса (экструзией), откуда бетонная смесь выходит в виде ленты. Этот метод аналогичен пластическому формованию керамических изделий.

Центробежный способ. Уплотнение смеси происходит под действием центробежных сил, возникающих при вращении формы. Для этой цели применяют центрифуги. Бетонная смесь, уложенная в форму трубчатого сечения, вращается с частотой 400-900 об/мин, под действием центробежных сил распределяется по стенкам формы и уплотняется. Этим способом можно формовать изделия с внутренними отверстиями, например трубы. Уплотнение центробежным способом позволяет удалить 20-30 % несвязанной воды, что повышает плотность и прочность­ бетона.

Вакуумирование.  Обычно применяется в сочетании с вибрированием

иосуществляется с помощью вакуум-щитов, которые устанавливаются на поверхности бетонной смеси после виброобработки. Вакуум-щит имеет полость, где создается разрежение, составляющее 75-80 % от полного вакуума, поэтому из бетонной смеси удается извлечь 10-20 % воды от общего ее содержания и часть воздуха, вовлеченного при перемешивании. Это позволяет понизить В/Ц, пористость и повысить прочность

идолговечность бетона.

Твердение бетона и уход за ним

Прочность бетона в раннем возрасте сравнительно быстро повышается, если созданы благоприятные условия, поддерживаются необходимые температура и влажность. Поэтому уход за бетоном на гидравлических вяжущих заключается в поддерживании определенной положительной температуры и влажности окружающего воздуха и бетона. В теплое время года основной задачей является сохранение воды в бетоне, предотвращение его высыхания. Для этого открытую поверхность бетона укрывают (песком, опилками, пленкой) и поливают водой в течение 10-15 сут. после укладки бетонной смеси. При большой площади поверхности испарения создают на ней защитную водонепроницаемую пленку, например наносят водобитумную эмульсию, латекс.

Ускорение твердения бетона

Процессы твердения бетона на портландцементе в благоприятных условиях продолжаются в течение многих лет. По своей продолжительности они значительно превышают все остальные операции по изготовлению бетонных и железобетонных конструкций. Ускорение твердения позволяет увеличить оборачиваемость форм, повысить коэффициент использования производственных­ площадей, сократить производственный цикл.

199

Твердение бетона ускоряют различными способами:

1.Применением быстротвердеющих вяжущих, например быстротвердеющего портландцемента (БТЦ);

2.Формованием изделий из жестких бетонных смесей с минимальным В/Ц;

3.Введением добавок-ускорителей (см. «Химические добавки»). Эти добавки, взаимодействуя с клинкерными минералами и продуктами их гидролиза и гидратации, ускоряют процессы твердения в раннем возрасте (1-3 сут.). Наиболее часто применяются хлорид кальция, его расход составляет 1,5-2,0 % массы цемента, увеличение расхода может привести

ккоррозии арматуры в бетоне. Введением хлорида кальция можно повысить прочность бетона через сутки в 2-3 раза;

4.Повышением температуры бетона и среды твердения.

Скорость процессов твердения бетона возрастает с повышением его температуры при сохранении в нем влаги. В промышленных условиях применяют разнообразные способы тепловой обработки бетона:

а) пропаривание в пропарочных камерах – обработка изделий водяным паром или паровоздушной смесью при атмосферном давлении и температуре 70-90 °С. Обычно пропаривание ведется до достижения бетоном 70 % проектной прочности и продолжается 6-14 ч;

б) нагрев бетона в закрытых формах (контактный обогрев) с передачей тепла бетону от поверхности поддона или формы, например применением формы с двойными стенками, между которыми пропускают водяной пар, горячую воду;

в)	электропрогрев – через влажный бетон пропускают электричес-
кий ток. Выделяющееся при этом тепло нагревает бетон;
г)	прогрев бетона индукционными токами в электромагнитном
поле;	горячее формование – бетонная смесь при ее приготовлении на-
д)

гревается до 60-80 °С и сразу укладывается в форму. При изготовлении массивных изделий этот метод позволяет отказаться от тепловой обработки или сократить ее продолжительность.

Необходимо учитывать, что ускорение процессов твердения бетона отрицательно влияет на его долговечность. Например, пропаривание уменьшает объем гелевой составляющей цементного камня, приводит к развитию напряжений в бетоне, в результате увеличивается пористость бетона за счет образования микротрещин, снижаются его морозостойкость и долговечность.

Уход за бетоном в зимнее время (зимнее бетонирование)

При отрицательной температуре вода в бетоне частично замерзает и процессы твердения прекращаются; после оттаивания они возобновляются. Дальнейший рост прочности зависит от возраста бетона в момент

200 Глава 6. Бетоны

его замораживания. Чем ранее заморожен бетон, тем больше потеря проч­ ности. Например, замораживание бетона в возрасте 1 сут. понижает его прочность на 40-50 % по сравнению с аналогичным показателем бетона, твердеющего в нормальных условиях. Снижение прочности объясняется разрушением структуры при образовании кристаллов льда в порах, а также давлением воды на стенки мелких пор и капилляров. Если прочность бетона составляет не менее 50 % проектной, то замораживание мало сказывается на ее росте после оттаивания.

Чтобы избежать отрицательного воздействия низких температур на свежеуложенную бетонную смесь, следует применять различные способы ускорения твердения, в частности разные способы тепловой обработки.

При укладке бетонной смеси в массивные конструкции при отрицательных температурах заполнители нагревают до 30-40 °С, а воду – до 80 °С, чтобы создать запас тепла в бетоне. Затем принимают меры по сохранению этого тепла, а также тепла, которое выделяется при гидратации цемента (способ термоса). Для этого укрывают открытые поверхности бетона опилками, шлаком и другими сыпучими теплоизоляционными материалами.

При небольших отрицательных температурах окружающего воздуха (до –15 °С) твердые компоненты бетонной смеси затворяют растворами NaCl,  CaCl ,  K CO с относительно более низкой температурой замерзания. Такой бетон называется «холодным», он не требует подогрева, но его можно применять только для изготовления неармированных конструкций, так как содержание солей составляет 3-7 % массы вяжущего.

6.6.  Сборные железобетонные и бетонные изделия и конструкции

Сборные конструкции и изделия из бетона и железобетона выпускают на специализированных заводах.

Прочность бетона при растяжении в 8-20 раз ниже его прочности при сжатии, поэтому в растянутую зону изгибаемых элементов и конструкций и в конструкции, работающие на растяжение, вводят материал с высокой прочностью при растяжении – стальную арматуру.  Эффективная совместная работа стали и бетона в железобетонных конструкциях обусловлена хорошим сцеплением между этими материалами, близкими по величине коэффициентами линейного расширения, защитой арматуры от коррозии, которую обеспечивает цементный камень.

Железобетонные конструкции производятся с обычной и предварительно напряженной арматурой. Предварительное напряжение приводит к возникновению сжимающих напряжений в той зоне конструкции, в которой под действием нагрузок возникают растягивающие напряжения.