Сложная многокомпонентная, рационально подобранная и тщательно перемешанная смесь, состоящая из частичек вяжущего, зерен мелкого и крупного запонителей и воды, а также специальных добавок и вовлеченного воздуха. В результате перемешивания компонентов проявляются силы взаимодействия между ними, что приводит к возникновению связности системы и это позволяет рассматривать ее как единое тело с определенными физическими свойствами. Бетонная смесь занимает промежуточное положение между жидкостью и твердым телом.
СТРУКТУРА БЕТОНННОЙ СМЕСИ. Взаимодействие между твердыми частицами определяется наличием жидкой среды. Только при добавлении воды компоненты бетонной смеси приобретают присущие ей свойства. Чем меньше размер частиц – тем сильнее проявляются силы взаимодействия между ними. Характер сил взаимодействия разный: это и капиллярные силы, межмолекулярные, межатомные силы. Особенная роль у капиллярных сил, действие которых определяют пониженную вязкость бетонных смесей, их повышенную пластическую прочность.
|
|
Бетонная смесь является структурированной системой, характеризующейся предельным напряжением сдвига или пластической прочностью, эффективной вязкостью. В зависимости от состава и главным образом от количества жидкой фазы, бетонная смесь может приобретать состояние жидкости или твердого тела.
Воздействие на бетонную смесь механических колебаний, вызываемых вибрацией, приводит к тому, что в бетонной смеси нарушаются силы взаимодействия между частицами разной крупности, уменьшается ее вязкость и смесь приобретает свойства текучести. После окончания вибрации действие сил восстанавливается, восстанавливается начальная структурная прочность смеси. Это свойство - растекаться под действием механических колебаний, называется ТИКСОТРОПИЕЙ.
В зависимости от содержания воды в бетонной смеси, как уже отмечалось, изменяется пластическая прочность, вязкость. Что определяет различные подходы в способах укладки бетонной смеси. Бетонные смеси разной консистенции требуют разных технологических режимов укладки.
Основным технологическим свойством, характеризующим бетонную смесь, является УДОБОУКЛАДЫВАЕМОСТЬ – то есть, способность бетонной смеси принимать заданную форму в процессе ее укладки. Удобоукладываемость характеризуется ПОДВИЖНОСТЬЮ и ЖЕСТКОСТЬЮ.
Подвижность – это способность бетонной смеси растекаться под действием собственной массы, которая характеризуется или контролируется ОСАДКОЙ КОНУСА – расстоянием от верхнего основания конуса до вершины осевшей бетонной смеси в см (Рис.).
|
|
Жесткость – это время (в сек.), в течении которого бетонная смесь (с осадкой конуса ОК=0), в техническом вискозиметре растекается до появления цементного молока в отверстиях прибора (Рис.).
Бетонная смесь характеризуется также:
1. Средней плотностью;
2. Объемом вовлеченного воздуха (ВВ,%);
3. Расслаиваемостью;
4. Сохраняемостью или жизнеспособностью – временем в течении которого сохраняется удобоукладываемость.
Свойства бетонной смеси зависят от состава, вида и свойств отдельных компонентов. Увеличение содержания цемента приводит к увеличению пластичности смеси. Повышенное содержание песка ухудшает удобоукладываемость бетонной смеси.
Изменению свойств бетонной смеси способствуют добавки пластификаторы и суперпластификаторы.
От свойств бетонной смеси, соотношения ее компонентов, их качества, способа укладки и условий твердения зависит структура и прочность бетона.
Бетонные смеси приготавливают на стационарных бетонных заводах или в передвижных бетоносмесительных установках. На качество бетонной смеси (однородность) влияет качество её перемешивания в процессе приготовления. Продолжительность перемешивания составляет несколько минут. Допускается повторное перемешивание бетонной смеси в пределах 3…5 часов от момента её приготовления. Важнейшее условие приготовления бетонной смеси – тщательное дозирование составляющих материалов. Отклонение в дозировке допускается не более ±1% по массе для цемента и воды, и не более ±2% для заполнителей. Приготовленную бетонную смесь доставляют к месту укладки специальными транспортными средствами. Продолжительность транспортировки готовой бетонной смеси к месту укладки не должна превышать 1 час. В настоящее время бетонную смесь укладывают механизировано с помощью бетоноукладчиков, бетонораздатчиков. Уплотнение бетонной смеси во время укладки обеспечивает качественное заполнение смесью всех промежутков. Наиболее распространённый способ уплотнения бетонной смеси – вибрирование. При вибрировании бетонной смеси уменьшается трение между её составляющими, увеличивается текучесть, смесь переходит в состояние тяжёлой вязкой жидкости и под действием собственного веса уплотняется. В процессе уплотнения из бетонной смеси удаляется воздух и бетон приобретает хорошую плотность. Чтобы улучшить структурообразовывающие бетона, повысить его прочность, морозостойкость, водонепроницаемость применяют повторное вибрирование бетонной смеси через 1,5-2ч. с момента первого вибрирования.
Для получения высококачественного бетона необходим соответствующий уход за свежеуложенным бетоном. Отсутствие ухода за свежеуложенным бетоном может привести к получению низкокачественного бетона. Основные мероприятия по уходу за бетоном – укрытие хорошо увлажненной мешковиной, песком, опилкой, покрытие плёнкообразующим составом. Укрывать следует не позднее чем через 30 минут после уплотнения бетонной смеси.
В зимнее время существуют следующие способы ухода: безобогревные и с искусственным прогревом. К безобогревным относят способы термоса с противоморозными добавками. Искусственный прогрев бетона осуществляется электропрогревом, паропрогревом, воздухопрогревом.
новом из зерен крупного заполнителя, сцементированных прослойками цементного камня.
Отличительной чертой, даже относительно плотного бетона (на за-полнителях плотных пород), является его капиллярно-пористая структура.
Пористость цементного камня является неизбежной (неотъемлемой) составляющей его структуры и наличие ее обусловлено тем, что только часть воды затворения вступает в химическое взаимодействие с цементом.
Суммарный объем этой, так называемой, естественной пористости в отли-чие от пористости, искусственно создаваемой в бетоне, составляет обычно 8-10 % от общего объема бетона.
|
|
Помимо пор в бетоне могут быть также микро- и макротрещины, возникающие вследствие неравномерности температурных и усадочных напряжений в теле бетона в процессе твердения.
Структура бетона и его строение в целом являются главными факторами, определяющими его основные физико-механические, упругопластические характеристики и поведение в различных эксплутационных условиях. Структура бетона формируется на различных стадиях производственного процесса: при приготовлении бетонной смеси, укладки и уплотнения смеси в формах, а также при последующем твердении бетона. Дополнительная пористость в бетоне образуется в следствии воздухововлечения, а также деструкции при формировании начальной структуры, обусловливающей нарушение сплошности, чаще всего по границе раздела “ цементный камень – зерна заполнителей”.
Приближенное суждение о плотности бетонов различного строения, можно получить по объемной массе этих бетонов.
9.4 Прочность бетона
Основными характеристиками прочностных свойств тяжелого бетона, применяемого в строительстве, являются предел прочности при сжатии и предел прочности на растяжение при изгибе.
Теоретически предел прочности при растяжении составляет примерно 0,1 предела прочности при сжатии. В действительности же вследствие большого влияния вида заполнителей и характера их поверхности на прочность бетона при растяжении, прочность бетона при сжатии в 8-20 раз больше прочности на растяжение.
Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, вида и качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси, срока и условий твердения бетона.
Влияние активно+сти цемента прямым образом влияет на прочность бетона при сжатии. Чем выше активность цемента тем выше прочность бетона.
Влияние водоцементного отношения было впервые установлено в 1895 г. И.Г.Малюгой. В дальнейшем эту зависимость уточнили профессоры Н.М. Беляев и Б.Г. Скрамтаев, приведя расчетные формулы и графики этой зависимости. Формула Н.М. Беляева для бетона в возрасте 28 дней имеет вид эмпирической зависимости
|
|
R28= Rц / A (В/Ц)ⁿ.
где А и n-эмпирические коэффициенты: А = 3,5 при применении щебня, А = 4 при применении гравия и n = 1,5.
Теоретически на твердение цемента в бетоне требуется 15-20% воды, но для смачивания заполнителей и обеспечения удобоукладываемости бетонной смеси требуется вводить значительно большее количество воды—минимально 35-40% от массы цемента, т.е. можно укладывать бетонные смеси с В/Ц = 0,35-04 и выше. Чем больше воды в бетонной смеси, тем значительно ниже будет прочность твердеющего бетона.
а) б)
R28 60 60
Мпа 50 1- 50 4-
2-
40 40 3-
3- 2-
30 30
4- 1-
20 20
10 10
0 0,4 0,6 0,8 1,0 В/Ц 0,5 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5
Цементно-водное отношение
Графики зависимости прочности бетона при сжатии от водо-цементного отношения –а, от цементно-водного –σ и марки цемента:
1 – М 400; 2 – М 500; 3 – М 550; 4 – М 600.
Проф. Б.Г.Скрамтаевым и Ю.М.Баженовым уточнены расчетные эмпирические формулы зависимости прочности бетона при сжатии от активности цемента и цементно-водного отношения:
Rσ = A · Rц (Ц/B – 0,5) для бетона с В/Ц ≥ 0,4 (Ц/В ≤ 2,5)
и Rσ = A · Rц (Ц/B + 0,5) для бетона с В/Ц < 0,4 (Ц/В > 2,5),
где Rσ – предел прочности бетона при сжатии в возрасти 28 дней;
Rц – активность цемента (или его марка); Ц/В – цементно-водное отношение; А и А1 – безразмерные коэффициенты, характеризующие качество применяемых материалов, выбираемые по ниже приведенной таблице.
Характеристика заполнителей и вяжущего (цемента) | Значение коэффициентов | |
А | А1 | |
Высококачественные Рядовые Пониженного качества | 0,65 0,60 0,55 | 0,43 0,40 0,37 |
Приведенные зависимости прочности бетона в виде формул и графиков позволяют заранее определить ориентировочную прочность бетона в 28 суточном возрасте, а также требуемое водоцементное отношение, обеспечивающее получение бетона заданной прочности.
Вид и качество заполнителей оказывают большое влияние на предел прочности при сжатии и другие свойства бетона. Применение крупных заполнителей с прочностью ниже требуемой марки бетона может значительно снизить прочность бетона. Шероховатость поверхности также оказывает влияние на прочность бетона (сцепление с цементным камнем): бетон, приготовленный на щебне, при прочих равных условиях имеет прочность выше, чем бетон на гравии. На прочность бетона оказывает влияние крупность песка (мелкие пески требуют большого расхода цемента) и количество вредных примесей в заполнителях.
Степень уплотнения бетонной смеси зависит от принятых способов и режимов уплотнения бетонной смеси при укладке ее в опалубку применения вибрации, виброштампования, проката и т.д. В этом случае большое значение имеет однородность распределения компонентной бетонной смеси при ее приготовлении и ее удобоукладываемость.
Время твердения бетона. Прочность тяжелого бетона при благоприятных условиях (продолжительной температуре и достаточной влажности) непрерывно повышается.
При нормальных условиях твердения бетонных образцов на портландцементе их средняя прочность в 7 суточном возрасти составляет 60-70% прочности 28 суточных образцов (марочной прочности). У образцов в возрасте 3 месяца прочность примерно на 25%, а в возрасте 12 месяцев на 75% оказывается выше, чем у образцов 28 суточного возраста.
На скорость твердения влияет минералогический состав цемента. Бетоны на глиноземистом и быстротвердеющем
цементах в первые 3-е твердеют (наращивают прочность) значительно быстрее бетонов в обычном портландцементе. Бетоны на цементе с активными минеральными добавками в первые 14 дней твердеют медленнее, а к возрасту 28 дней интенсивность нарастания прочности сравнивается с бетоном изготовленном на портландцементе. (см. рис)
Rб
2-
-3
-1
7 28
Твердение бетона во времени:
1 – на портландцементе; 2 – на быстродействующем портландцементе; 3 – на пуццолановом портландцементе.
Условия твердения бетона оказывают непосредственное влияние на прочность бетона. Нормальными условиями твердения бетона являются положительные температуры (20 ± 2ºС) и относительная влажность воздуха не менее 90%. Увеличение температуры и влажности среды (тепловлажностная обработка) приводят к значительному ускорению твердения бетона. На этом принципе основано заводское изготовление бетонных и железобетонных изделий. Отпуская прочность этих изделий, пропаренных при температуре 80-90ºС в течение 8-12 часов, должна составлять не менее 70% от марки данного бетона в изделии. Автоклавная обработка бетона дает 100% и выше марочной прочности. Снижение влажности среды против нормальной приводит к замедлению твердения бетона в результате быстрого испарения воды затворения и к засушиванию (прекращение твердения) бетона.
Понижение температуры среды до 0ºС замедляет скорость нарастание прочности бетона, а при отрицательных температурах твердение быстро прекращается, в результате превращения воды в лед.
Следует отметить, что повышение температуры среды (кроме автоклавной) выше 100ºС приводит к быстрому испорению воды затворения, прекращению процессов гидратации цемента в бетоне и его твердения.
Марки бетона. Марка тяжелого бетона по пределу прочности при сжатии – основная характеристика. Марка бетона характеризует прочность при осевом сжатии в кгс/см² (МПа) эталонных образцов-кубов размером 15 х 15 х 15 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси и испытанных через 28 суток твердения в нормальных условиях (темпе