Основные сведения о физико-механических свойствах компонентов и готовой бетонной смеси, методы оценки её качества
Бетоны и строительные смеси получили широчайшее распространение при производстве строительных работ (заливка фундаментов, монолитное строительство, выпуск различных железобетонных конструкций) благодаря своим свойствам - высокой сопротивляемости сжимающим нагрузкам, долговечности, универсальности и удобству применения, возможности до затвердевания принимать различные формы.
Объёмы его выпуска в России достигают 25 млн. т. в год [5, 23, 26].Бетоном называется многокомпонентная система, состоящая из воды, цемента, заполнителей и добавок (основные исходные компоненты представлены в таблице 1.1). Все инертные составляющие (щебень, гравий, песок), объединенные вяжущим (цемент), в затвердевшем состоянии сопротивляются внешним нагрузкам как одно монолитное тело. Также, в приготовляемую смесь вводят специальные добавки, оказывающие различное влияние на готовый бетон. В процессе производства смеси часть её объема занимает воздух. Таким образом, бетонная смесь представляет собой многофазную среду, которая по своим свойствам находится между вязкими жидкостями и сыпучими средами [3, 7, 20, 52, 95, 115, 141].
Свойства бетона напрямую зависят от количественного и структурного соотношения различных фаз, которые в целом определяют его качество и структуру.
В качестве вяжущих компонентов при производстве бетона используются портландцементы и шлакопортландцементы по ГОСТ 10178-85, сульфатостойкие и пуццолановые цементы, а также другие виды цементов, которые по своим
стандартам и техническим условиям могут применяться для конструкций конкретных видов [3, 38].
Таблица 1.1
Исходные компоненты при производстве бетона
| Вяжущие | Заполнители | Добавки |
| • Портландцемент • Известь • Гипс • Магнезиальный цемент | • Вода • Щебень • Гравий • Песок • Керамзит • Шлаки | • Пластифицирующие • Стабилизирующие • Водоудерживающие • Замедляющие схватывание • Противоморозные |
При проектировании возводимых конструкций марку и вид цемента подбирают, исходя из условий их эксплуатации, требуемой прочности бетона, климатических и влажностных режимов работы конструкций, с учетом выполнения требований и стандартов [49, 50, 54].
В качестве крупного заполнителя в бетоне используется щебень из гранита, известняка, гравия, природный гравий, а также щебень, получаемый при переработке шлаков ТЭЦ, добываемый из попутных и пустотных пород, а также из отходов предприятий горнообогатительной отрасли [36, 60, 70].
В зависимости от предъявляемых к качеству бетона требований, крупный заполнитель подбирают по следующим показателям:
- форма зерен;
- прочность;
- зерновой состав и наибольшая крупность;
- морозостойкость;
- содержание пылевидных и глинистых частиц;
- содержание вредных примесей;
- содержание доли зерен слабых пород;
- петрографический состав;
- радиационно-гигиеническая характеристика.
Во время работы по проектированию состава бетона учитывают также водопоглощение исходной горной породы, её пористость, плотность и пустотность крупного заполнителя [71, 97, 127].
При производстве бетонных смесей в качестве мелкого заполнителя используется природный песок, а также песок из отсевов дробления и их смеси. С наиболее подходящими свойствами среди природных песков, являются кварцевые пески, которые могут применяться для производства бетонов любых стандартных классов. Применяются и другие по минералогическому составу пески - полевошпатовые, карбонатные, но только после проверки их качества в бетоне [97, 139, 149].
Пески по своему происхождению делятся на речные, морские, горные (овражные). Форма зерен у речных и морских песков отличается гладкостью, окатанностью. Это приводит к снижению коэффициента сцепления песка с цементным камнем. Зерна горного песка отличаются остроугольностью, шероховатостью зерен, которые лучше сцепляются с цементным камнем. Недостатком горного песка является частая загрязненность его пылью и глиной, а также органическими частицами, что приводит к необходимости его предварительной промывке.
Мелкий заполнитель для бетона выбирают исходя из следующих свойств:
- зерновой состав;
- процент содержания пылевидных и глинистых частиц;
- петрографический состав;
- наличие вредных примесей;
- радиационно-гигиеническая характеристика.
Зерновой состав песка должен находиться в рамках, показанных на графике (рис. 1.1).
Качество бетонных смесей во многом определяется рядом технологических и механических свойств [10, 11, 140, 147]. К ним относятся:
Удобоукладываемость
это свойство бетона, характеризующееся
способностью под действием силы тяжести растекаться, укладываться в опалубку, полностью принимая форму емкости. Характеризуется по подвижности П и
жесткости Ж в соответствии с [40] (таблица. 1.2).
Рисунок 1.1. Кривые зернового состава песка используемого при производстве бетонных смесей:
1 - нижняя граница крупности (модуль 1,5), 2 - нижняя граница крупности (модуль 2,0), для бетонов класса В15 и выше, 3 - нижняя граница крупности (модуль 2,5), для бетонов класса В25 и выше, 4 - нижняя граница крупности (модуль 3,25)
Таблица 1.2
Характеристики удобоукладываемости бетонной смеси [43]
| По подвижности П, см | По жесткости Ж, с |
| П1 - 4 и менее | Ж1 - 5.10 |
| П2 - 5...9 | Ж2 - 11.20 |
| П3 - 10.15 | Ж3 - 21.30 |
| П4 - 16 и более | Ж4 - 30 и более |
Показатели подвижности бетонной смеси, в зависимости от её назначения, вида возводимых конструкций, степени их армирования рекомендуются в следующих границах, мм:
- Подготовка под фундаменты и полы, основания дорог................... 0-10
- Покрытия дорог, полы, массивные неармированные или
слабоармированные конструкции.................................................................. 10-30
- Массивные армированные конструкции, балки, колонны, стены.... 30-60
- Тонкостенные конструкции, плиты, балки, колонны.......................
60-80- Густоармированные конструкции................................................... 80-160
- Конструкции с большим насыщением арматуры и закладных деталей,
препятствующих укладке смеси вибраторами............................................ 180-200
Смесь, имеющая осадку конуса, равную нулю, не обладает подвижностью и её технологические свойства характеризуются показателем жесткости [51, 60, 137].
Жесткость бетонной смеси определяется временем воздействия вибрации (в секундах), которое затрачивается на выравнивание и уплотнение предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе, определяющим жесткость смеси.
При получении бетона необходимой прочности соблюдают заданные состав смеси и её водоцементное отношение. При снижении количества воды происходит значительный рост жесткости бетонной смеси. Жесткие бетоны при условии хорошего уплотнения в процессе укладки имеют большую прочность, чем подвижные, при одном и том же расходе цемента. Использование жестких бетонов приводит к экономии до 20% цемента, но при их уплотнении затрачиваются значительные усилия и время. Чаще всего жесткие бетонные смеси применяют при производстве изделий из сборного железобетона, формующиеся на виброплощадках [6, 8, 15, 65, 84, 107, 138].
По жесткости бетонные смеси подразделяются на: особо жесткие (Ж4) — имеющие показатель жесткости более 31 с; повышенно жесткие (ЖЗ) — 21...30 с; жесткие — (Ж2) — 11...20 с; умеренно жесткие (Ж1) — 5...10 с.
С ростом размера зерен заполнителя происходит увеличение подвижности бетонной смеси. Это можно объяснить тем, что при возрастании размера зерна толщина прослойки цементного теста между зернами увеличивается и снижается
размер удельной поверхности заполнителя, что приводит к снижению водопотребности при смачивании [12, 18, 32, 44, 79, 111].
На подвижность смеси также влияет соотношение объема песка и щебня. Достичь максимального уровня удобоукладываемости можно при оптимальном соотношении песка и крупного заполнителя. При отклонении от оптимального соотношения происходит снижение технологических свойств готовой бетонной смеси.
При превышении количества песка от оптимального уровня наблюдается ухудшение подвижности смеси.На величину удобоукладываемости также оказывает влияние чистота используемого заполнителя и тип цемента. При попадании примесей пылеватых, глинистых и илистых частиц происходит рост расхода воды, затрачиваемой на смачивание, что снижает удобоукладываемость. При условии одинакового соотношения цемента и воды более подвижна та смесь, в которой применяется цемент, имеющий меньшую водопотребность. Например, бетонная смесь, в которой в качестве вяжущего используется портландцемент, обладает большей подвижностью, чем смесь на основе пуццоланового цемента.
Можно повысить подвижность смесей при введении в смешиваемые компоненты пластифицирующих добавок. Использование пластификаторов, которые значительно повышают подвижность и снижают водопотребность смесей, в последние годы получило широкое распространение [9].
Плотность — одно из основных физических свойств бетона, обладающее большим влиянием на его конструктивные и технологические свойства [56]. При повышении плотности бетона улучшаются такие его качества, как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость. Повысить плотность бетона возможно подбором состава заполнителей, более эффективным уплотнением и внесением пластифицирующих добавок.
Необходимо отличать понятие плотности бетонной смеси в не затвердевшем состоянии и плотность готового бетона. На плотность смеси значительное влияние оказывает воздух, вовлеченный в неё: при увеличении его количества снижается плотность смеси. При выполнении работ по уплотнению
смеси большинство включений воздуха удаляется. Качество произведенных работ по уплотнению можно определить с помощью коэффициента уплотнения Kynn=q∕qp,где q — действительная плотность, кг/м3, qp— расчетная, кг/м3. Обычно Kywι=0,97...0,98.
При затвердевании бетонной смеси не связанная вода испаряется, что приводит к образованию пор и снижению плотности бетона [21].
Пористость бетона определяют по значению расхода воды и цемента. Применяется зависимость:П=((В-№-Ц)-100)/100,% (1.1)
где В — расход воды, кг/м3;
W — содержание воды в химически связанном виде, кг/м3;
Ц — расход цемента, кг/м3.
Прочность — это свойство бетона, характеризующее его способность сопротивляться разрушению под воздействием внешней нагрузк. Она зависит от прочности цементного камня и силы его сцепления с крупным заполнителем. Бетон хорошо воспринимает сжимающие усилия и плохо сопротивляется растяжению. Поэтому, при выполнении конструкций, возводимых из бетона, производят проектирование таким образом, что бетон воспринимает нагрузки, направленные на сжатие. Для придания бетонным конструкциям способности воспринимать растягивающие нагрузки в них предусматривают армирование. Арматура, выполненная из металла, в отличие от бетона обладает высоким уровнем сопротивления растягивающим нагрузкам [35, 55, 132].
Процесс разрушения бетона начинается с менее прочной его составляющей — цементного камня или в зоне контакта цементного камня и заполнителя. Проведенные испытания образцов под нагрузкой показывают, что в зависимости от свойств цементного камня и заполнителя возможны следующие случаи разрушения бетона (рис. 1.2):
- в случае, когда прочность используемого заполнителя больше, чем прочность цементного камня, разрушение начинает происходить по цементному камню и не затронет крупный заполнитель;
- в случае, когда прочность используемого заполнителя ниже прочности цементного камня, разрушение происходит по заполнителю.
Рисунок 1.2. Схема разрушения образцов бетона:
а) - разрушение по цементному камню, б) - разрушение с разрывом зерен заполнителя
На прочность готового бетона значительно влияет плотность и однородность цементного камня. В бетоне, при неоднородности материала возникают зоны с повышенной концентрацией напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Процесс разрушения бетона является очень сложным. Ученые А.Е. Шейкин, Б.Г. Скрамтаев, О.Я. Берг и другие разработали ряд гипотез, описывающих процессы, происходящие при разрушении бетона [20, 125, 140].
Проведем анализ факторов, оказывающих влияние на прочность бетона.
1. Водоцементное соотношение (В/Ц) характеризует пористость цементного камня в бетоне. При повышении количества воды, которую взяли для производства смеси, при одинаковом количестве используемого цемента, происходит снижение прочности бетона (рис. 1.3). Это объясняется тем, что для осуществления процесса гидратации цемента необходимо 20...25% воды от его массы, что соответствует водоцементному соотношению 0,2...0,25.
Такая смесь получится сухой и её будет трудно уложить в соответствующую форму. С целью повышения удобоукладываемости смеси расход воды увеличивают. При твердении бетона избыток воды испаряется, оставляя воздушные полости, наличие которых приводит к ослаблению цементного камня [102].
Рисунок 1.3. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения
При монолитном строительстве необходимо применять бетонные смеси, обладающие высоким уровнем подвижности. Это необходимо для облегчения ее укладки. В бетонах, в составе которых используются пористые легкие заполнители, В/Ц принимается 0,4...0,6, а для бетонов на плотных заполнителях - 0,5...0,7.
2. Качество цемента и заполнителей. Исходные материалы, применяемые в производстве бетона, делятся на высококачественные, рядовые и низкого качества [53, 145].
Бетоны высокой прочности можно получать, используя только заполнители высокого качества и высокомарочные цементы. При снижении качества заполнителей непременно происходит резкое падение физико-механических и эксплуатационных характеристик готовых бетонов и конструкций из них.
3. Форма зерен заполнителя. Зерна, обладающие более окатанной формой поверхности, имеют сниженный уровень сцепления с цементным камнем по сравнению с зернами, имеющими остроугольную поверхность неправильной формы.
4. Однородность перемешивания составляющих.
5. Условия транспортировки смеси и её уплотнения. При транспортировке и укладке бетонная смесь не должна подвергаться высыханию, замерзанию, увлажняться более необходимого и расслаиваться, т.е. заполнитель крупной фракции не должен опускаться вниз, а цементное тесто и вода подниматься на поверхность.
6. Условия твердения бетона - температурные и влажностные условия. Для протекания твердения бетона в нормальном режиме на портландцементе необходима высокая влажность, которую возможно создать, поливая бетонные конструкции водой, покрывая поверхность твердеющего изделия эмульсиями и пленками, которые обладают свойствами, предотвращающими испарение воды из бетона.
Набор бетоном прочности со временем происходит при росте уровня прочности цементного камня и сил сцепления между заполнителем и цементным камнем [145]. В начальный период, после укладки бетонной смеси в конструкцию, прочность бетона растет интенсивно, а с течением времени интенсивность роста снижается (кривая 1, рис. 1.4).
На режим набора прочности бетоном оказывает влияние температурный режим, представленный на графике (рис. 1.4). Повышение температуры значительно ускоряет набор прочности (кривая 2),а снижение (кривая 3) — замедляет. Значительное влияние на скорость и уровень набора прочности бетоном оказывает замораживание смеси (кривая 4).При оттаивании смесь прочность набирает слабо, что может привести к опасным последствиям: конструкция может разрушиться, если бетон не наберет достаточной прочности.
Для оценки связи между активностью цемента R4, прочностью бетона на сжатие Re на 28-е сутки твердения, водоцементным отношением В/Ц и качеством заполнителя имеется зависимость, позволяющая определить прочность:
для бетонов с В/Ц>0,4
где A — коэффициент, зависящий от качества крупного заполнителя.
Для бетонов с В/Ц=0,4...0,7 при использовании высококачественных заполнителей коэффициент A принимают равным 0,65; 0,6 — рядовых и 0,55 — пониженного качества.
для бетонов с В/Ц