Регулирование свойств бетона. Текст лекций


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно
-
Уральский государственный университет

Кафедра ©Строительные материалы и изделияª



691
(07)


О
-
664










А.А. Орлов, А.А. Кирсанова


Регулирование свойств бетона


Курс лекций




















Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

2017

2


УДК 691.
32.2(075.
8)
+666.97(075.8)


О
-
664




Одобрено учебно
-
методической комиссией

архитектурно
-
строительного института




Рецензенты:

К.А. Сарайкина, В.Д. Котляр










Орлов, А.А.

О
-
664

Регули
рование свойств бетона
:

Курс

лекций / А.А. Орлов,
А.А.

Кирсанова.


Чел
ябинск: Издательский центр, 2017
.


6
4

с.



В тексте лекций приведены лекции по предмету ©Регулирование
свойств бетонаª, включающие все необходимую информацию для по
д
готовки магистрант
ов по данному предмету.

Текст лекций предназначен для магистрантов, обучающихся по
направлению 08.04.01 ©Строительствоª, а также для магистрантов, а
с
пирантов и научных сотрудников, разработкой и исследованием тяж
е
лых и высокопрочных бетонов. В тексте лекци
й рассмотрены основные
свойства бетонов и бетонной смеси и факторы.


УДК 691.
32.2(075.
8)
+666.97(075.8)





© Издательский центр ЮУрГУ, 201
7

3


ВВЕДЕНИЕ

Основным материалом для воз
ведения разнообразных строительных ко
н
струкций в настоящее время и в обозримом будущем является бетон.

Следует четко разграничивать понятия ©бетонª и ©бетонная смесьª. Бетон
а
ми называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате з
а
твердевани
я тщатель
но перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего ве
щ
е
ства с жидкостью затворения, мелкого и крупного заполнителей, взятых в опр
е
деленных пропорциях. До
затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

Бетон


один из древнейших строительных матери
алов. Из него построены
галереи египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской
стены (III

в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии. Древнего Рима и в
других местах. Однако использование бетона и железобетона для массового
строит
ельства началось только во второй половине XIX

в., после организаций
промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущим в
е
ществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон испол
ь
зовался для возведения монолитных конструкций и с
ооружений. Применялись
жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С
появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных
стержней, начинают применять более подвижные, и даже литые бетонные см
е
си, чтобы обеспечит
ь их надлежащее распределение и уплотнение в бетонир
у
емой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение
бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому
большим достижением явилось появление в 30
-
х годах способ
а уплотнения б
е
тонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение
малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне,
повысить его прочность и долговечность.

Технологии тяжелых бетонов получают развитие в работах
Ю.М. Баженова,
Б.Г. Скрамтаева, И.Н. Ахвердова, A.Е. Шейкина и многих других ученых.

В настоящее время в строительстве широко используют бетоны, приго
-
товленные на цементах или других неорганических вя
жущих веществах. Эти
бетоны обычно затворяют водой.
Цем
ент и вода являются активными соста
в
ляющими бетона: в результате реакции между ними образуется це
ментный к
а
мень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит (
Для особых видов
бетона используют органические вяжущие
вещества: битумы, полимеры и м
о
номеры
).

Между цементом, водой и заполнителем обычно не происходит химическ
о
го взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых авт
о
клавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными матер
и
алами. Однако они существенно влияют на струк
туру и свойства бетона, изм
е
няя его пористость, скорость твердения, поведение при воздействии нагрузки и
внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при
твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и
4


конструкц
ий. Применение заполнителей снижает себестоимость бетона, д
е
формации усадки, повышает жёсткость и модуль упругости материала.

В последние годы в строительстве широко используют легкие бетоны, п
о
лучаемые на искусственных пористых заполнителях. Пористые запо
лнители
снижают плотность бетона, улучшают его теплотехнические свойства. Для р
е
гулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные
химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной
смеси, делают ее более пластичн
ой и удобоукладываемой, ускоряют твердение
бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходим
о
сти изменяют и другие свойства бетона.

Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капиллярно
-
пористыми телами, вследствие испарения час
ти воды затворения, на структуру
и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние процессы вз
а
имодействия составляющих бетона, так и воздействие окружающей среды.

В течение длительного времени в бетонах происходит изменение поровой
структуры, н
аблюдается протекание структурообразующих, а иногда и д
е
структивных процессов и как результат


изменение свойств материала. С ув
е
личением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к
воздействию окружающей среды. Свойства бетона опреде
ляются не только его
составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и
укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти
факторы учитывают при проектировании состава бетона и производстве ко
н
струкций на его
основе.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т.д.)
бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую пло
т
ность и непроницаемость бетонов. Многообразие вяжущих веществ, заполн
и
телей, добавок и технологических при
емов позволяет получать бетоны с сам
ы
ми разнообразными свойствами.

Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько
раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих напряж
е
ний бетон армируют стальными стержнями, получа
я железобетон. В железоб
е
тоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие
напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная р
а
бота арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и
приблизительно одинак
овыми температурными коэффициентами линейного
расширения.

Бетон предохраняет арматуру от коррозии. Бетонные и железобетонные
конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства


м
о
нолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с

последующим
монтажом на строительной площадке


сборный бетон и железобетон.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят х
и
мические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной
смеси, делают ее более подвижной и уд
обоукладываемой, ускоря
ют твердение
5


бетона, повышают его прочность и моро
зостойкость, а также при необходим
о
сти изменяют в требуемом направлении и другие свойства.

Таким образом, бетон


основной строительный материал. Ему можно пр
и
давать в широких предела
х разнообразные свойства: прочность, плотность,
теплопроводность и т. д.

Основными направлениями развития технологии бетона при этом будут
следующие: повышение эффективности и качества сборных железобетонных
конструкций и изделий, снижение их металлоемкост
и и трудоемкости их пр
о
изводства; разработка и организация массового производства эффективных в
и
дов вяжущих веществ, арматурной стали, высококачественных заполнителей,
комплексных химических добавок; коренное улучшение технологии произво
д
ства железобетонны
х и бетонных конструкций путем массового внедрения н
о
вых более современных технологических процессов, высокопроизводительного
автоматизированного оборудования, роботов и манипуляторов, совершенных
систем контроля и управления качеством готовых изделий на о
снове развития
методов прогнозирования свойств бетона, широкого использования вычисл
и
тельной техники; применение ресурсосберегающих и безотходных технологий;
широкое использование вторичных продуктов и отходов промышленности, и
с
пользование всех резервов пр
оизводства с целью экономии материальных,
энергетических и трудовых ресурсов.

1
.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ

В настоящее время в строительстве используются различные виды бетона.
Разобраться в их многообразии помогает классификация по с
войствам, испол
ь
зуемым материалам или назначению. Основные понятия о бетоне даны в ГОСТ
25192
-
2012 ©Бетоны. Классификация и общие технические требованияª.

Бетоны классифицируются по следующим признакам: основному назнач
е
нию; виду вяжущего; виду заполнителе
й; структуре; условиям твердения.

По назначению бетоны подразделяют на:



конструкционные;



специальные (жаростойкие, химически
-
стойкие, декоративные, радиац
и
онно
-
защитные, теплоизоляционные и др.).

По виду вяжущего бетоны подразделяются на:



цементные;



известковые (силикатные);



полимербетоны;



полимерцементные;



шлаковые;



гипсовые;



специальных вяжущих.

По виду применяемых заполнителей бетоны подразделяются на:



бетоны на плотных заполнителях;



бетоны на пористых заполнителях.

6


По структуре бет
оны могут быть:



плотной структуры;



поризованной структуры;



ячеистой структуры;



крупнозернистой структуры.

По условиям твердения бетоны делятся на бетоны, твердевшие:



в естественных условиях;



в условиях тепло
-
влажностной обработки (ТВО) при атмо
сферном давл
е
нии;



в условиях ТВО при повышенном давлении.

Многие свойства бетона зависят от его плотности, на
величину которой вл
и
яют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетона. По
плотности бетоны делят на:



особо тяжелые (плотность

более 2500 кг/м
3
);



тяжелые (2000

2500 кг/м
3
);



легкие (800….
2000 кг/м
3
);



особо легкие (менее 800 кг/м
3
).

Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях


стальных
опилках или стружках (ста
лебетон), железной руде (лимонитовый и магнетит
о
вый
бетоны) или барите (баритовый бетон).

В строительстве наиболее широко используют обычный тяжелый бетон
плотностью 2000

2500 кг/м
3

на плотных заполнителях из горных пород (гр
а
ните, известняке, диабазе и др.).

Легкие бетоны получают на пористых заполнит
елях (керамзите, аглопорите,
вспученном шлаке, пемзе, туфе
и
др.).

Применение легких бетонов уменьшает
массу
строительных конструкций, удешевляет строительство, поэтому их пр
о
изводство развивается опережающими темпами.

К особо легким бетонам относят ячеист
ые бетоны,
которые получают всп
у
чиванием смеси вяжущего, тонко
молотой добавки и воды с помощью спец
и
альных спосо
бов (газобетон, пенобетон), и крупнопористый бетон на
легких з
а
полнителях. В ячеистых бетонах заполнителем, по существу, является воздух,
находя
щийся в искусственно созданных ячейках.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, я
в
ляется вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны: цементные, с
и
ликатные,
гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерце
ментные б
е
тоны и

специальные бетоны.

Цементные бетоны
приготовляют на различных це
ментах и наиболее шир
о
ко применяют в строительстве.
Среди них основное место занимают бетоны на
порт
ландцементе и его разновидностях (около 65 % общего объема произво
д
ства), применяемые для
различных ви
дов конструкций и условий их эксплуат
а
ции, успешно
используются бетоны на шлакопортландцементе (20…25

% о
б
щего объема производства) и пуццолановом цементе.

К разновидностям цементных бетонов относят: деко
ративные бетоны, изг
о
товляемые на белом
и цветных цементах; бетоны для самонапряженных ко
н
7


струкций, изготовляемые на напрягающем цементе; бетоны для специальных
целей, изготовляемые на особых видах цемента


глиноземистом, безусадочном
и т. д.

Силикатные бетоны
готовят на основе извести. Для
про
изводства изделий в
этом случае применяют автоклавный способ твердения.

Гипсовые бетоны,
изготовляемые на различных сор
тах гипса, используют
для внутренних перегородок, под
весных потолков и элементов отделки зданий.
Разновид
ность этих бетонов


гипсоцемент
но
-
пуццолановые бето
ны, облада
ю
щие повышенной водостойкостью и более широкой областью применения
(объемные блоки санитарных узлов, конструкции малоэтажных домов и др.).

Шлакощелочные бетоны:
в

качестве вяжущей системы в таких бетонах и
с
пользуют молотые шла
ки, затворенные растворами щелочей.

Полимербетоны
изготовляют на различных видах
полимерного связующего,
основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные и
др.) или мономеры, например фурфуролацетоновый, отверждаемые в бетоне с
помощь
ю специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в
агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирания, кавитации и
т.д.).

Бетоны изготавливают и на смешанном связующем, со
стоящем из цемента и
полимерного вещества. Такие бетоны называют
полимерцементными.
В кач
е
стве поли
мера используют, например, водорастворимые смолы и
латексы.

Свойства бетонов на неорганических вяжущих можно
улучшать путем пр
о
питки мономерами с последующим их отверждением в порах и капиллярах б
е
тона. Подобные материалы
называют бетонополимерами.

Специальные бетоны
готовят с применением особых
вяжущих веществ.
Например, для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое
стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее и другие вяжущие.

Бетоны применяют для раз
личных видов конструкций, изготовляемых на
заводах сборного железобетона, или для конструкций, возводимых непосре
д
ственно на
месте их будущей эксплуатации,


монолитный бетон
.

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным
требованиям
. Бетоны для обычных железобетонных конструкций должны
иметь заданную, прочность, главным образом при сжатии. Для конструкций,
находящихся на открытом воздухе, важна
еще и морозостойкость. Бетоны для
гидротехнических
сооружений должны обладать высокой плот
ностью, во
дон
е
проницаемостью, морозостойкостью, достаточной
прочностью, низкой экзоте
р
мией (выделение тепла), стойкостью против выщелачивающего действия фил
ь
трующих вод, в ряде случаев
стойкостью по отношению к действию минерал
и
зованных вод
. Бетоны для сте
н отапливаемых зданий и легких пе
рекрытий
должны обладать требуемой прочностью и
теплопроводностью; бетоны для п
о
лов


низкой истира
емостью и трещиностойкостью, требуемой прочностью при
изгибе, а бетоны
для дорожных и аэродромных покрытий


еще и моро
зост
ойк
о
стью.

8


К бетонам специального назначения предъявляются требования, обусло
в
ленные особенностью их службы.

Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие: до з
а
твердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортир
о
ваться, уклад
ываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью, не
расслаиваться); бетоны должны иметь определенную скорость твердения в с
о
ответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или соор
у
жения в эксплуатацию; расход цемента и стоимость бетона

должны быть м
и
нимальными.

Бетон


сложный материал, свойства которого могут заметно изменяться в
процессе выдерживания и эксплу
атации. Только глубокое понимание природы
этого ма
териала, закономерностей, управляющих формированием его структ
у
ры и свойств, м
ожет обеспечить рациональное
и эффективное его применение в
строительных конструк
циях различного назначения.

2
.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНОВ

2.1
.

Вяжущие вещества для бетонов

Вяжущие ве
щества


это минеральные (неорганические) и органические в
е
щества, способные образовывать пластичное тесто, которое под влиянием ф
и
зико
-
химических процессов, постепенно затвердевая, переходит в камневидное
состояние, скрепляя при этом отдельные элементы в
единый монолит.

Для приготовления бетона строительных конструкций наиболее широко и
с
пользуют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества
спо
собны образ
о
вывать пластичное тесто, схватываться (переходить из жидкого или тестоо
б
разного состояния в камневидно
е) и твердеть при смешивании с водой или др
у
гим затворителем. Различают неорганические вяжущие вещества гидравлич
е
ские (например портландцемент) и воздушные (например гипс).

Наиболее широкое применение в производстве бето
на получил портландц
е
мент.
Портланд
цемент


гидрав
лическое вяжущее вещество (наибольшую
прочность набирает при твердении в воде)
; это


порошок серого цвета, по
луч
а
емый тонким помолом клинкера с добавкой двуводного гипса.
Клинкер пол
у
чают путем равномерного обжига до спекания тщательно дози
рованной сырь
е
вой смеси, содержащей около 75…
78 % СаСО
3

и 22
-
25 % (
Si
O
2
+
Al
2
O
3
+
Fe
2
O
3
).

В результате обжига сырья при температуре 1200…1450

°С образуются
клинкерные минералы.

Ориентировочное содер
жание различных минералов в
портландцементе составляет: 37

60

% 3
CaO
·
SiO
2

(условное обозначение
C
3
S
);
15
-
37

% 2
CaO
·
SiO
2

или
C
2
S
; 5

15

% 3СаО
·
А1
2
O
3

или С
3
А; 10…18

%
4
CaO
·
Al
2
O
3
·
F
2
O
3

или
C
4
AF
.

Свойства портландцемента.

Цвет


серый с зеленоватым оттенком. То
н
кость помола характеризуется проход через сито 008 не менее 85

% и удельной
поверхностью
S
уд
 2500…3000 см
2
/г. Водопотребность, характеризуемая но
р
мальной (НГ) портландцемента 21…28 % и чем меньше НГ, тем выше качество
9


цемента. Плотность 3,0…3,2 г/см
3
, Н
схв
не ранее 45 мин, К
схв

не позднее 10 час.
Портландцемент дол
жен обладать равномерностью изменения в объеме при
твердении. При твердении выделяет большое количество тепла (процесс экз
о
термический) за счет твердения C
3
S и C
3
А. Активность и марка портландц
е
мента определяется по результатам испытания образцов, изготовл
енных из ц
е
ментно
-
песчаного раствора состава (по массе) 1:3 при В/Ц  0,40 в возрасте 28
суток нормального твердения. Марки по прочности 400, 500, 550 и 600.

Твердение портландцемента.

При затворении цемента водой после тщ
а
тельного перемешивания образуется

пластичное тесто, способное переходить в
камневидное состояние. Происходит растворение цемента по поверхности и р
е
акция с водой.

Уже в начальный период происходит быстрое взаимодействие алита с водой
(гидролиз) с образованием гидросиликата кальция и гидро
ксида кальция

2(3СаО·SiО
2
)  6Н
2
О

3СаО
2
·
SiО
2
·3Н
2
О  3 Са(ОН)
2
.


(2.1)

Белит гидратируется медленнее алита и при его взаимодействии с водой в
ы
деляется меньше Са(ОН)
2
, что видно из уравнения реакции

2(2СаО
·
SiО
2
)  4Н
2
О

3СаО
2
·
SiО
2
·

2
О  Са(ОН)
2
.

(2.2)

Взаи
модействие C
3
А с водой приводит к образованию гидроалюмината
кальция, который быстро схватывается
, но обладает малой прочностью

3СаО
·
Al
2
О
3

 6Н
2
О

3СаО
·
Al
2
О
3
·

2
О
.


(2.3)

Для замедления сроков схватывания при помоле в состав смеси вводится
гипсовый камень
, который играет роль химически активной составляющей ц
е
мента, реагирующей с C
3
А и связывающий его в гидросульфоалюминат кал
ь
ция (эттрингит) в начале гидратации портландцемента в насыщенном растворе
Са(ОН)
2

3СаО
·
Al
2
О
3

+ 3(
CaSO
4
·
2
H
2
O
)  26Н
2
О

3СаО
·
Al
2
О
3
·
3
Ca
SO
4
·
32
H
2
O
.

(2.4)

Эттрингит сначала выделяется в коллоидном тонкодисперсном состоянии.
Осаждаясь на поверхности частиц 3СаО
·
Al
2
О
3
, он замедляет их гидратацию и
затягивает начало схватывания цемента. Заполняя поры цементного камня, э
т
трингит повышает прочнос
ть и стойкость. Структура цементного камня улу
ч
шается еще и потому, что предотвращается образование в нем слабых мест в
виде рыхлых гидроалюминатов кальция.

C
4
АF при взаимодействии с водой расщепляется на гидроалюминат и ги
д
роферрит. Гидроалюминат связывае
тся природным гипсом, а гидроферрит вх
о
дит в состав цементного геля

4СаО
·
Al
2
О
3
·
Fe
2
O
3
 10Н
2
О  2Са(ОН)
2

3СаО
·
Al
2
О
3
·

2
О 

3СаО
·
Fe
2
O
3
·

2
О
.




(2.5)

В сформировавшемся цементном камне, даже после большого срока тверд
е
ния, сохраняются не полностью гидратиров
анные частицы клинкера, рассред
о
точенные среди гидратных новообразований.

10


В цементном камне имеется определенное количество пор, заполненных
воздухом и водой. Уменьшение пористости, уплотнение камня и повышение
его прочности можно производить с помощью угл
екислоты воздуха

Са(ОН)
2

 СО
2

СаСО
3

 Н
2
О
.



(2.6)

Образующаяся соль практически нерастворима в воде, а ее кристаллы з
а
полняют поры, особенно в поверхностных слоях цементного камня, т.к. в пр
о
цессе карбонизации объем твердой фазы увеличивается на 10…12 %.

Нормальная густота


количество

воды затворения (в % от массы вяжущ
е
го), при котором пестик прибора Вика не доходит до дна прибора на 5…7 мм.

Нормальная густота портландцементов составляет 22

27

%, пуццолановых
портландцементов


30 % и более.

Сроки схват
ывания цемента
, определяемые на приборе Вика по глубине
проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса
превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало
схватывания при температуре
20 °С наступало не ранее
, чем через 45 мин, а к
о
нец за
вершался не позднее, чем через 10 ч с момента затворения цемента водой.
В действительности начало схватывания цемента наступает через 1

2 ч, а к
о
нец


через
5

8 ч.

Сроки схватывания цемента можно регулировать путем добавления
в б
е
тонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок. Напр
и
мер, хлористый кальций ускоряет гидратацию и схватывание цемента, повер
х
ностно
-
активные вещества, например сульфитно
-
спиртовая бражка,


замедл
я
ют. Сроки схватывания
уменьшаются также

при повышении температуры бет
о
на,
уменьшении водоцементного отношения.

При получении портландцемента, в результате помола горячего це
ментного
клинкера происходит дегидратация двуводного гипса с образованием полуги
д
рата гипса. Быстрая гидратация полуводно
го гипса при затворении цемента в
о
дой вызвает преждевременное загустевание цементного теста (©ложноеª схв
а
тывание), а как следствие и бетонной смеси, при длительном перемешивании
она способна вновь разжижаться.

Истинная плотность портландцемента без добавк
и составляет
3,05…3,15

г/см
3
.

Схватывание и твердение цемента


экзотермические
процессы.

Виды цемента.

Основу большинства цементов составляет портландцемен
т
ный клинкер. Нормируя его минералогический состав и вводя минеральные или
органические добавки, по
лучают различные цементы, несколько
отличающиеся
по свойствам, применяемые в разных об
ластях строительства.

Портландцементом
(ПЦ) называют цемент, со
держащий в своем составе
минеральных добавок не более 20 %.

Быстротвердеющий цемент


разновидность порт
лан
дцемента с добавками
ускоряющиме набор прочности.

Шлакопортландцемент
получают в результате совме
стного помола пор
т
ландцементного клинкера и гранули
рованного доменного шлака (20…60

%).
11


Шлакопортландцемент отличается от портландцемента более медленным схв
а
т
ыванием и замедленным твердением в нормальных условиях

в первые 7

10
сут. При тепловлажностной обработке способен набирать большую прочность,
чем при нормальном твердении

Пластифицированный портландцемент или вяжущее низкой водопотребн
о
сти (ВНВ)
получают п
ри
совместном тонком измельчении портландцементного
клинкера и пластифицирующей добавки.

Гидрофобный портландцемент
представляет собой продукт тонкого и
з
мельчения портландцементного клинкера с поверхностно
-
активной гидроф
о
бизирующей (т. е. не смачиваемой
водой) добавкой. Гидрофобный цементный
камень, в отличие от обыкновенного, имеет:
пони
женные водопоглощение, в
ы
сокую

водонепроницаемость и по
вышенную морозостойкость.

Сульфатостойкий цемент
имеет высокую стойкость к воздействию сул
ь
фатов.

Сульфатостойкий п
ортландцемент с добавками (СПЦД) получают совмес
т
ным помолом
портландцементного

клинкера специального состава (С
3
А< 5

%,
C
3
A

+
C
4
AF
<22 %) и тонкомолотой активной минеральной добавки. В качестве
добавки используют
трепел, опоку, диатомит (5

10 %) или доменн
ый гранул
и
рованный шлак
(10

20
%).

Пуццолановый портландцемент
(ППЦ) также отно
сится к группе сульфат
о
стойких цементов. Этот цемент
получают путем совместного помола
портлан
д
цементного

клинкера, содержащего С
3
А<8 %, с активной минеральной доба
в
кой, которую

вводят в большем количестве, чем в обычный портландцемент с
добавкой.

Специальные виды цемента и вяжущих.

С каждым

годом увеличивается н
о
менклатура цементов, использу
емых для приготовления бетона. Специальные
цементы
придают бетону особые свойства, расшир
яют возможности его прим
е
нения в строительстве.

Белый портландцемент
получают помолом маложелезистого отбеленного
клинкера,
предотвращающей его загрязне
ние, с необходимым количеством ги
п
са и небольшой до
бавкой диатомита.

Цветные портландцементы
получают со
вместным по
молом белого цемента,
гипса и пигмента.

Белый и цветные цементы предназначены для получения цветных бетонов,
архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ.

Напрягающий цемент,
предложенный В.В. Михай
ловым, получают со
в
ме
стным помолом портландцемент
ного клинкера и напрягающего компонента,
который включает глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие вещ
е
ства, гипс и известь.

Напрягающий цемент целесообразно применять для изготовления самон
а
пряженных железобетонных труб, п
окрытий дорог и аэродромов, тоннелей и
водопроводов большого диаметра и других подобных конструкций.

Расширяющиеся или безусадочные цементы
могут использоваться для пр
и
готовления водонепроницаемых
бетонов, ремонтных составов. Особенностью
12


этих цементов явл
яется наличие
составляющих, увеличивающихся в объеме в
результате
физико
-
химических процессов, происходящих при твер
дении цеме
н
та.

Фосфатные цементы
могут применяться для изготов
ления жаростойких и
других специальных бетонов. Твер
дение этих цементов происх
одит за счет
вз
а
имодействия некоторых тонкоизмельченных оксидов (диоксида титана, оксида
меди, магния, цинка и др.) и специальных составов с фосфорной кислотой.

Кислотоупорный цемент
предназначается для изго
товления

кислотостойких
изделий. Он состоит из тщ
а
тельно перемешанного молотого кварцевого песка и
кремнефтористого натрия. Затворяют этот цемент на жидком стекле.

Известь.

Для производства силикатных бетонов, по
лучивших в последние
годы широкое применение в стро
ительстве, в качестве вяжущего используют
воздушную
известь.

Воздушная известь


простейшее вяжущее, получаемое умеренным обж
и
гом карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, отходов химических
производств и др.), содержащих не более 8

% глинистых примесей. В стро
и
тельстве применяют негашеную

известь, основной частью которой является
безводная окись кальция СаО, и гашеную, получаемую в результате соединения
негашеной извести с водой и состоящую в основном из гидрата окиси кальция
Са(ОН)
2
.

При твердении на воздухе прочность известковых раствор
ов и бетонов н
е
велика


в возрасте 28 сут составляет 0,5…3,0 МПа. Прочность материала м
о
жет быть заметно повышена путем автокла
вной обработки при давлении
0,8

МПа и температуре 175

°С, в результате
чего при взаимодействии извести с
кремнеземом заполнителя
образуются сравнительно прочные гидросиликаты.
Этот прием используют для получения автоклавного
силикатного бетона, про
ч
ность которого составляет 20…50 МПа (и может быть еще выше), а также для
произ
водства ячеистых бетонов.

Строительный гипс



вяжущее веще
ство воздушного твердения. Строител
ь
ный гипс получают из природного двуводного гипса обжигом

при температуре
150…170 °С до превращения

в полуводный гипс. При смешивании гипса с в
о
дой полу
чают тестообразную массу, которая быстро схватывается, переходя из
жи
дкого состояния в твердое, затем твердеет на воздухе, набирая марочную
прочность в течении 2 часов. Гипс


быстросхватывающееся вяжущее. Начало
схватывания гипса должно наступать не ранее 4 мин, а конец


не ранее 6 мин и
не позднее 30 мин после затворения

гипса водой.

По качеству строительный гипс делят на два сорта.

При ©варкеª двуводного гипса, вместо обжига, получают высокопрочный
гипс, прочность которого составля
ет 15…30 МПа, а сроки схватывания
15

20

мин.

Ценные свойства гипса


быстрое схватывание, п
о
лучение гладких повер
х
ностей изделий правильной формы, так как при затвердевании гипс немного
расширяется и плотно заполняет формы. Недостаток гипса


он не водостоек и
имеет низкую прочность.

13


Водостойкостью обладает
гипсоцемент
но
-
пуццолановое вяжущее (ГП
ЦВ),
изученное А.В. Волженским и его учениками. Оно состоит из 50

80 %
пол
у
водного гипса и 20

50

% пуццоланового портландцемента или портландцеме
н
та с активной минеральной
добавкой. Выпускают ГПЦВ марок
100, 150, 200.

На основе ГПЦВ можно получить быстротв
ердеющие
бетоны марок М150

М250.

Недостаток ГПЦВ


необходимость защиты стальной арматуры в изделии от
коррозии с помощью соответствующих покрытий.

2.2
.

Заполнители для бетона

В бетоне применяют крупный и мелкий заполнители.
Крупн
ый запол
нитель



зерна горных пород или шлаков крупнее 5 мм, по форме поверхности подра
з
деляют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является ест
е
ственный или искусственный
песок, с размером частиц от 0,16…5

мм. Щебень
получают путем дробления г
орных пород.
Чаще всего в строительстве испол
ь
зуют известняковый
и гранитный щебень. Гравий представляет собой рыхлую
смесь выветрившихся горных пород. Обычно встречаются гравийно
-
песчаные
смеси с зернами различной
крупности. Для легких бетонов применяют е
ст
е
ственный
щебень из пористых горных пород (туфа, пемзы и др.) или чаще изг
о
товляют специальный искусственный за
полнитель (керамзит, аглопорит, шл
а
ковую пемзу и др.).

Песок представляет собой рыхлую смесь мелких зерен, образовавшуюся в
результате выветри
вания изверженных (реже осадочных) горных пород. Иногда
песок
получают дроблением горных пород, однако такой песок
гораздо дороже
естественного и применяется обычно только для специальных целей.

Назначение заполнителей



Заполнители занимают в бетоне до 80

% объема и, позволяют сократить
расход
дорогостоящих

вяжущих.



Цементный камень при твердении претерпевает объемные деформации.
Усадка его достигает 2 мм/м. Из
-
за неравномерности усадочных деформаций
возникают внутренние напряжения и трещины. Мелкие трещ
ины могут быть
невидимы невооруженным глазом, но они резко снижают прочность и долг
о
вечность цементного камня. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, к
о
торый воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку.



Жесткий скелет из высокопрочного зап
олнителя увеличивает прочность и
модуль упругости бетона (т. е. уменьшает деформации конструкций под
нагрузкой), уменьшает ползучесть (т. е. пластические необратимые деформации
бетона при длительном действии нагрузки).



Легкие пористые заполнители уменьша
ют плотность бетона и его тепл
о
проводность, делают возможным применение такого бетона в ограждающих
конструкциях, для теплоизоляции.

14




Специальные особо тяжелые и гидратные заполнители делают бетон
надежной защитой от проникающей радиации (на атомных элект
ростанциях и
т. п.).



В силикатных бетонах зерна заполнителя по

поверхности вступают во
взаимодействие с
вяжущим веществом и от их минералогического состава
и
удельной поверхности во многом зависят свойства по
лучаемого бетона.

Стоимость заполнителя состав
ляет 30…50 % (а иног
да и более) стоимости
бетонных и железобетонных кон
струкций, поэтому применение более досту
п
ных и дешевых местных заполнителей в ряде случаев позволяет снизить сто
и
мость строительства, уменьшает объем транспортных перевозок, обеспечивае
т
сокращение сроков строительства.

Правильный выбор заполнителей для бетона, их разумное использование


одна из важных задач технологии бетона. К заполнителям для бетона предъя
в
ляются требования, учитывающие особенности их влияния на свойства бетона.
Наиб
олее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой с
о
став, прочность и чистота заполнителя.

Зерновой состав

показывает содержание в заполни
теле зерен разной кру
п
ности. Он определяется просеива
нием пробы заполнителей через стан
дартные
сита с от
верстиями 0,14…
70 мм и более. Различают рядовой заполнитель, с
о
держащий зерна различных размеров, и фракционированный, если зерна запо
л
нителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких
между
собой размеров, например 5

10 или 20

40 мм.
Заполни
тель характеризуют
наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры
наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя.

С зерновым составом непосредственно связана пустотность заполнителя,
характеризующая плотность его укладки. На пустотнос
ть влияет также форма
его зерен. Пустотность заполнителя


важная характеристика, так как в извес
т
ной мере определяет расход цемента (чем больше пустот, тем больше требуется
цемента для их заполнения) и другие свойства бетона.

Прочность

заполнителя определ
яется прочностью
горной породы, из кот
о
рой он получен. Заполнители из
прочных горных пород (гранита, диабаза и др.)
обладают высокой прочностью (80

МПа и выше). Заполнители из осадочных
пород, например из известняка, имеют
прочность 30 МПа и выше.

Морозост
ойкость щебня и гравия зависит от его
строения. Морозостойкость
определяют путем испытания
заполнителя на попеременное замораживание и
оттаи
вание в насыщенном водой состоянии, либо испытанием в растворе сул
ь
фата натрия (ускоренный способ).

Морозостойкость

щебня изменяется от
F
15 до
F
300 и выше и зависит от
строения породы.

Песок целесообразно применять с шероховатой поверхностью, так как такой
песок лучше сцепляется с це
ментным камнем и способствует повышению про
ч
ности
бетона. Наличие в песке
пылеватых

и з
агрязняющих примесей снижает
его адгезию к цементному камню. Обычно предпочитают речной песок.

15


2.3
.

Вода для приготовления бетонной смеси

Для приготовления бетонной смеси используют водо
проводную питьевую, а
также любую воду, имею
щую водородный показатель рН не менее 4 (т. е. неки
с
лую, не
окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет). Вода не должна
содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на
S
O
4
) и всех солей более
5000 мг/л., На поверхности должны отсутствовать пятна мас
ел и нефтепроду
к
тов

Для приготовления бетонной смеси можно применять морскую и другие с
о
леные воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Исключением я
в
ляется бетонирование внутренних конструкций жилых и обществен
ных зданий
и надводных железобетонных
сооружений в
жарком и сухом климате, так как
морские соли могут выступить на поверхности бетона и вызвать коррозию
стальной арматуры.

Для поливки бетона следует использовать воду такого же качества, как и
для приготовления бетонной смеси.

2.4
.

Добавки к бетонам

Химические добавки.

Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и
экономии цемента применяют различные добавки. Их подразделяют на две
группы. К первой относятся
химические вещества, добавляемые в бетон в н
е
большом
коли
честве (0,1

2,0

% массы цемента) для изменения в нужном
направлении свойств бетонной смеси и бетона. Ко второй относят тонкомол
о
тые материалы, добавляе
мые в бетон в количестве 5

20

% и более для экон
о
мии
цемента или для получения плотного бетона при малых
расходах цемента.
К тонкомолотым добавкам относят
золы, молотые шлаки, пески, отходы камн
е
дробления и некоторые другие материалы, придающие бетону специ
альные
свойства (повышающие его плотность, жаростойкость, изменяющие электр
о
проводимость, окрашивающие и

др
.
). В последнее время наибольшее примен
е
ние находят химические добавки. Эти добавки классифицируют по основному
эффекту действия:

1.

Добавки, регулирующие свойства бетонных смесей: пластифицирующие,
т. е. увеличивающие подвижность
бетонной смеси; стаби
лизирующие, т. е. пр
е
дупреждаю
щие расслоение бетонной смеси; водоудерживающие,
уменьшающие
водоотделение.

2.

Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бет
о
на: ускоряющие схватывание,
замедляющие схватывание, ускоряющие тверд
е
ние, обес
п
ечивающие твердение при отрицательных температурах (противом
о
розные).

3.

Добавки, регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона:
воздухововлекающие, газооб
разующие, пенообразующие, уплотняющие (во
з
духоудаляющие и кольматирующие поры бетона)
добавки


регуляторы д
е
формаций бетона, расширяющие добавки.

16


4.

Добавки, придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие,
т. е. уменьшающие смачивание бетона; антикоррозионные, т. е. повышающие
стойкость
в агрессивных средах; ингибиторы коррозии
стали, повы
шающие з
а
щитные свойства бетона к стали; красящие; повышающие бактерицидные и и
н
сектицидные свойства.

В качестве пластифицирующих добавок широко при
меняют поверхностно
-
активные вещества (ПАВ), неред
ко получаемые из вторичных продуктов и о
т
ходов
хими
ческой промышленности.

Воздухововлекающие добавки используют главным образом в бетонах, от
которых требуется повышенная морозостойкость, и в строительных растворах.

К гидрофобно
-
пластифицирующим добавкам относят кремнийорганические
жидкости: метилсили
конат натрия (ГКЖ
-
Н), этилсиликонат натрия (ГЖК
-
10) и
этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ
-
94). Применяют их для повышения
долговечности бетона, а также в качестве гидрофобизаторов поверхности яче
и
стых бетонов.

В последнее время разработаны и внедряются в с
тро
ительство новые хим
и
ческие добавки
-
суперпластификаторы. Эти добавки резко увеличивают п
о
движность и текучесть бетонной смеси и существенно улучшают стр
ительно
-
технологические свойства бетона. В большинстве суперпластификаторы


си
н
тетические полимерные
вещества, которые вводят в бетонную смесь в колич
е
ст
ве 0,1…
1,2 % массы цемента.

Действие суперпластификаторов, как правило, ограничено 2

3 ч с момента
введения их в бетонную смесь.

В качестве ускорителей твердения применяют хлорид кальция, сульфат
натрия,
нитрит
-
нитрат
-
хлорид кальция и др. При этом необходимо учитывать
побочное действие этих добавок. Например, хлорид кальция способствует ко
р
розии арматуры, поэтому требованиями ГОСТ ограничивают его максимал
ь
ную дозировку в железобетоне (менее 2

%) и не допу
скают его применения в
конструкциях с тонкой и преднапряженной арматурой, эксплуатирующихся в
неблагоприятных условиях. Сульфат натрия может вызвать появление высолов
на поверхности конструкций, что потребует специальных предохранительных
мер.

В качестве п
ротивоморозных добавок применяют
хлорид натрия, хлорид
кальция и др. Эти добавки
понижают точку замерзания воды и способствуют
твер
дению бетона при отрицательных температурах: чем ниже температура
твердения, тем выше обычно дозировка добавки (до 10 % массы

цемента и
больше).

В качестве газообразующей добавки широко используют алюминиевую
пудру (ПАК) и ГКЖ
-
94.

Большинство добавок растворимы в воде и их вводят в бетономешалку в
виде предварительно приготовленного раствора. Некоторые добавки вводят в
виде эмул
ьсии.

Минеральные добавки.
Добавки
получаемые из природного или техногенн
о
го сырья, представляют собой порошки и отличаются от химических модиф
и
17


каторов тем, что они не растворяются в воде, являясь тонкодисперсной соста
в
ляющей твердой фазы бетона или раство
ра.

Тонкомолотые минеральные добавки, в зависимости от их состава, химич
е
ской активности и преобладающего механизма действия, подразделяются на
следующие группы:

неактивные



добавки
-
наполнители, играющие только микронаполняющую
роль;

активные
, обладающие
самостоятельной или скрытой гидравлической а
к
тивностью или пуццоланическим действием (добавки
-
наполнители или доба
в
ки
-
заменители части цемента);

Неактивные (инертные) минеральные добавки
-
наполнители



это тонком
о
лотые или тонкодисперсные вещества естествен
ного происхождения или отх
о
ды промышленности, состоящие из кристаллического кремнезема, глинозема и
других веществ, не обладающих скрытой гидравлической активностью.

Механизм действия таких добавок основан на увеличении удельной повер
х
ности составляющих ко
мпонентов цементного теста и, в связи с этим, объема
прочно удерживаемой адсорбционной воды (при условии, что их дисперсность
будет соизмерима с размерами зерен цемента). Это обусловливает получение
необходимого количества цементного теста, обеспечивающего

образование д
о
статочной толщины обмазки на поверхности зерен заполнителя и. благодаря
этому


получение заданной удобоукладываемости смеси.

К неактивным добавкам
-
наполнителям естественного происхождения

отн
о
сятся тонкодисперсные материалы и тонкомолотые (
до тонкости помола цеме
н
та) вещества: лёссы, глинистые, песчаные, кремнистые и доломитизированные
известняки, известковая мука и т.д.

Минеральные добавки
-
наполнители
, получаемые из вышеперечисленных
сырьевых материалов, должны соответствовать следующим тех
ническим тр
е
бованиям:



тонкость помола (дисперсность)


не менее 3500 см
2
/г удельной повер
х
ности или не более 15 % по массе остатка на сите № 008;



добавки должны быть однородными и постоянными по вещественному
составу и не содержать примеси, снижающие п
рочность бетона и его корроз
и
онную стойкость;



содержание органических веществ не должно превышать такого колич
е
ства, при котором цвет раствора при колориметрической пробе получается не
темнее цвета эталона (по ГОСТ 8735).

В общем случае требуемое количес
тво
неактивных минеральных добавок
в
смеси с клинкерным цементом определяется в зависимости от марки цемента из
расчета, что замена добавкой 1 % массы цемента приводит к получению комп
о
зитного (смешанного) вяжущего с активностью меньшей на 1 %, чем без доб
а
вочного цемента.

Активные

минеральные

добавки
-
наполнители



это вещества естественного
происхождения или промышленные отходы, находящиеся в тонкодисперсном
состоянии или измельченные до тонкости помола цемента и состоящие в о
с
18


новном из аморфного кремнезем
а (SiO
2

более 50

%), обладающие гидравлич
е
ской активностью или пуццоланическим действием.

Гидравлическая активность


способность добавки связывать СаО или и
з
весть, выделяющуюся при твердении цемента, с образованием труднораств
о
римых новообразований.

Пуццо
ланическая активность


способность добавки связывать известь в
низкоосновные гидросиликаты кальция.

В качестве сырья для получения активных минеральных добавок
-
наполнителей используются горные породы осадочного и вулканического пр
о
исхождения, а также неко
торые виды промышленных отходов:



горные

породы

осадочного происхожденния;



горные

породы

вулканического происхождения;



промышленные отходы
-

золы и шлаки ТЭС
(зола
-
уноса, золо
-
шлаки) и
т.д.

Механизм действия гидравлически активных добавок в основном.
обусло
в
лен их химическим взаимодействием с известью, образующейся в результате
гидролиза С
3
S при гидратации цемента. При этом, в основном, образуются ни
з
коосновные гидросиликаты кальция типа C
-
S
-
H (B), гидроалюминаты и гидр
о
ферриты кальция, которые увеличи
вая гелевую составляющую цементного
камня, улучшают прочностные и деформативные свойства бетона.

Пуццоланический эффект действия тонкодисперсных добавок в бетонах
проявляется в химическом взаимодействии активного кремнезема с известью
по схеме:

SiO
2
+
Ca
(
OH
)
2
+
n
(
H
2
O
)

(
B
)
CaO
-
SiO
2

H
2
O
.



(2.7)

Наряду с этим, поскольку дисперсность частиц добавки соизмерима с ра
з
мерами зерен цемента, наблюдается пластифицирующий эффект, проявление
которого повышается с увеличением (до оптимального) количества вводимой
добавки. О
бразование гидросиликатов кальция обеспечивает повышение пло
т
ности и прочности цементного камня и, соответственно, бетона и раствора за
счет вовлечения активной части добавки в формирующуюся структуру цемен
т
ного камня.

Вместе с этим, уменьшение свободной г
идроокиси кальция в структуре ц
е
ментного камня способствует повышению коррозионной стойкости бетона к
коррозии 1
-
го вида


выщ
елачиванию и коррозии 2
-
го вида


химической ко
р
розии, так как исключает образование легкорастворимых гидроксидов магния,
натрия и

других.

Таким образом, введение химически активных минеральных добавок
-
наполнителей способствует не только сокращению расхода цемента, но и п
о
вышению коррозионной стойкости бетона, что свидетельствует о технической
и экономической эффективности использова
ния добавок в бетонах и растворах.



19


3. БЕТОНН
АЯ

СМЕС
Ь

3.1
.

Свойства бетонной смеси

Формирование свойств бетона начинается с приготов
ления, укладки и з
а
твердевания бетонной смеси
. Эти операции во многом определяют будущее к
а
чество бето
на, конструкции и изделия, поэтому очень важно хорошо
знать
свойства бетонной смеси, зависимость их от различных факторов, уметь пол
у
чать бетонную смесь задан
ных свойств, умело управлять процессами п
ригото
в
ления,
укладки и затвердевания бетонной смеси.

Наиболее важным свойством бетонной смеси является удобоукладыва
е
мость, или формуемость, т. е. способность смеси растекаться и принимать з
а
данную форму,
сохраняя при этом монолитность и однородность. Удо
боукл
а
дываемость определяется подвижностью
бетонной смеси в момент заполнения
формы и
пластичностью, т. е. способностью деформироваться без разрыва
сплошности.

Для описания поведения бетонной смеси в различных
условиях использ
у
ют ее
реологические характери
стики:
предельное напряжение сдвига, вязкость
и период релаксации. Для определения этих свойств применяют вискозиметры
(рис. 3.1).


Рис. 3.1
.

Схемы приборов для определения реологических свойств цемен
т
ного теста и бетонной смеси:
а



измерение скорости истечения смеси через о
т
верстие;
б



измерение глубины проникания конуса;
в



скорость погружения
ш
арика;
г



усилие выдергивания;
д



усилие вращения коаксиальных цили
н
дров

Для полной оценки бетонной смеси и правильной организации произво
д
ства бетонных и железобетонных из
делий и конструкций необходимо знать и
другие свойства смеси: ее уплотняемость, од
нородность, расслаиваемость, и
з
менение объема в процессе затвердевания,
воздухововлечение, первоначальную
прочность (для жест
ких бетонных смесей при использовании немедленной
ра
с
палубки изделий).

Особенность бетонной смеси состоит в постоянном изменении ее

свойств (в
большей или меньшей степени) от
начала приготовления до затвердевания, что
обусловливается сложными физико
-
химическими процессами, протекающими
в бетонной смеси и бетоне.

20


Решающее влияние на свойства бетонной смеси оказывает расход воды,
так ка
к он определяет объем и строение жидкой фазы и развитие сил сцепл
е
ния, характеризующих связанность и подвижность всей системы.

В процессе гидратации цемента (до момента затвердевания) появляется все
большее количество гелеобраз
ных гидратных соединений ново
образований, что
способ
ствует повышению
клеящей

и пластифицирующей
способности цемен
т
ного теста и его связующей роли в
бетонной смеси. Вместе с тем постепенно
уменьшается
подвижность смеси.

Цементное тесто относят к так называемым структурированным система
м,
которые характеризуются некото
рой начальной прочностью структуры.

Поведение структурированных систем при приложении внешних сил с
у
щественно отличается от поведения жидких тел. Если вязкость жидкости (и
с
тинная ньютоновская) постоянна и не зависит от прик
ладываемого давления
(вязкость жидкости меняется только с изменением температуры), то вязкость
структурированных систем изменяется даже при постоянной температуре в н
е
сколько раз (нередко на два
-
три порядка) в зависимости от внешних сил, де
й
ствующих на сис
тему. Вязкость зависит от напряжения сдвига системы или
скорости сдвиговых деформаций.

Под действием внешних сил происходит как бы разрыхление первоначал
ь
ной структуры, ослабляются связи между ее отдельными элементами, в резул
ь
тате возрастает способность с
истемы к деформациям (течению), увеличивается
ее подвижность.

Способность структурированных систем изменять свои
реологические
свойства под влиянием механических воз
действий и восстанавливать их после
прекращения воз
действия называется тиксотропией. В тех
нологии бетона это
свойство широко используют для формирования из
делий из малоподвижных и
жестких смесей путем воз
действия на них вибраций, встряхиванием, толчками.

Представление о поведении бетонной смеси при воздействии на нее вне
ш
них сил дает полная рео
логическая кривая (рис. 3.2), которую можно разделить
на три уча
стка.


Рис. 3.
2.

Изменение вязкопластических свойств бетонной смеси в завис
и
мости от напряжений сдвига:
а



изменение струк
турной вязкости;

б



измен
е
ние скорости деформации течения (α
0

и α
т


углы, характеризующие коэффиц
и
енты вязкости системы)

21


На первом участке при небольших напряжениях сдвига τ сохраняется н
е
разрушенная первоначальная структура бетонной смеси, характеризующ
аяся
наиболь
шей вязкостью
ŋ
0
. После достижения критического напря
жения τ
1

соо
т
ветствующего пределу текучести системы, начинается разрушение структуры,
которое продолжается до полного разрушения при предельном напряжении τ
0
.
На втором участке по мере разруш
ения системы эффективная вязкость бето
н
ной смеси постоянно падает при увеличении напряжений сдвига. После того
как система предельно разрушена, бетонная смесь приобретает наименьшую
вязкость (так называемую пластическую вязкость
ŋ
т



третий участок кривой)
,
которая не зависит от действующих напряжений и не изменяется при их увел
и
чении.

Как показали исследования, реологическая модель невибрируемой бето
н
ной смеси может быть описана уравнением Шведова


Бингама:

τ  τ
0

+
ŋ
т

(
dv/dx
),





(3.1)

где τ


напряжени
е сдвига; τ
0



предельное напряжение сдвига;
ŋ
т



пластич
е
ская (остаточная) вязкость системы, которая может рассматриваться как коэ
ф
фициент пропорциональности (коэффициент вязкости) между напряжением и
скоростью сдвига;
dv
/
dx



градиент скорости сдвига.

Эт
о уравнение характеризует поведение бетонной
смеси при транспорт
и
ровании по трубам с помощью бетононасосов и при укладке очень подвижной
смеси неко
торыми безвибрационными способами.

При вибрировании бетонной смеси ее начальная структура предельно ра
з
рушает
ся, внутреннее трение и силы сцепления уменьшаются до минимума, в
полной мере проявляется эффект тиксотропного разжижения и предельное
напряжение сдвига становится очень малым. В этих условиях поведение бето
н
ной смеси с определенной степенью приближения мо
жно описать уравнением
Ньютона:

τ 
ŋ
т

(
dv/dx
).





(3.2)

С повышением содержания в бетонной смеси крупно
го заполнителя и
уменьшения содержания воды или от
сутствием сплошной среды из цементного
теста сопротив
ление сдвигу значительно увеличивается.

В систем
е не только повышается вязкое трение, но и возникает внутреннее
сухое трение между зернами заполнителя. Для
описания поведения таких см
е
сей применяют уравнение
Кулона:

τ  σ
tφ

+
ŋ
ст
,





(3.3)

где
σ



нормальное напряжение;
φ



угол внутреннего трения;
ŋ
ст


структурная
вязкость системы.

Рассмотренные выше выражения

полезны при рассмотрении вопросов
транспортирования
бетонной смеси, выгрузке смеси из бункеров, формова
нии
изделий и т. д.

Однако на практике часто приходится решать дру
гую задачу


о подбор
е
состава бетонной смеси. Для реше
ния подобных задач необходимо знать вза
и
мосвязь меж
ду составом бетонной смеси и ее реологическими свойст
вами. Для
оценки последних в производственных усло
виях применяют упрощенные мет
о
22


ды, получая
технологические характерис
тики
бетонной смеси (показатель
жесткости, осадку конуса и
др.),

которые характеризуют
поведение смеси в
определенных условиях и служат для
ориентировочной оценки пластичности
смеси

и уплотнению при тех или иных условиях воз
действия.

Определять подвижность
, жесткость бетонной смеси необходимо в соо
т
ветствиями с требованиями
ГОСТ 10181
-
2014 ©Смеси бетонные. Методы и
с
пытанийª.
Для определения подвижности, т. е. способности смеси расплыват
ь
ся под действием собственной массы и связанности бетонной смеси, служит

стандартный конус. Он представляет собой усеченный, открытый с обеих ст
о
рон конус из листовой стали толщиной 1 мм. Высота конуса 300 мм, диаметр
нижнего основания 200 мм, верхнего


100 мм. Внутреннюю поверхность фо
р
мы
-
конуса и поддон перед испытанием сма
чивают водой. Затем форму уст
а
навливают на поддон и заполняют бетонной смесью в три приема, уплотняя
смесь штыкованием. После заполнения формы и удаления излишков смеси
форму снимают, поднимая ее медленно и строго вертикально вверх за ручки.
Подвижная бето
нная смесь, освобожденная от формы, дает осадку или даже
растекается. Мерой подвижности смеси служит величина осадки конуса, кот
о
рую изменяют сразу же после снятия формы (рис. 3.3). Из каждого замеса пр
о
бу берут два раза, измеряют осадку конуса и принимают

средний результат.


Рис. 3.3
.

Опред
е
ление подвижности
бетонной смеси при
помощи конуса:

а



общий вид к
о
нуса;

б



жесткая смесь;

в



малоподви
ж
ная;

г



подвижная;

д



очень подви
ж
ная;

е



литая смесь

В зависимости от осадки конуса различают бетонные смеси с подвижностью
от П1 до П5 (табл. 3.2). При малых расходах воды бетонные смеси не
имею
т
осадки конуса, однако при приложении внешнего силового воздействия такие
смеси (в зависимости от ра
схода воды и состава бетона) способны разжижаться.
Такие смеси называ
ют жесткими. Для оценки их свойств используют специ
ал
ь
ный прибор, с помощью которого определяют растекаемость бетонной смеси
при вибрировании.

Прибор состоит из цилиндрического сосуда выс
отой
200 мм с внутренним
диаметром 240 мм, на котором за
креплено устройство для измерения осадки б
е
тонной сме
си в виде направляющего штатива, штанги и металлического диска
толщиной 4 мм с шестью отверстиями (рис. 3.4).

23


Прибор устанавливают на виброплощадк
у и плотно прикрепляют к ней. З
а
тем в сосуд помещают металлическую форму
-
конус с насадкой для наполнения
бетонной смесью.

Размеры формы
-
конуса такие же, как при определении подвижности бето
н
ной смеси, т. е. высота
300 мм, нижний диаметр 200 мм, верхний диа
метр 100
мм.
Форму
-
конус с помощью специального кольца
-
держателя закрепляют в
приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси, уплотняя ее штыкованием
(25 раз каждый слой). Затем укрепляют форму
-
конус, поворачивают штатив,
устанавливают на поверхности бето
нной смеси диск и включают виброплоща
д
ку. Вибрирование при амплитуде 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не
начнетс
я выделение цементного теста из двух отверстий диска.
Полученное
время вибрирования в секундах


показатель жесткости бетонной смеси.


Рис. 3.4.
Стандартный прибор
для определения жесткости бето
н
ной смеси: 1


форма; 2


упоры
для крепления конуса; 3


конус; 4


воронка; 5


штанга; 6


напра
в
ляющая втулка; 7


втулка для
креп
ления диска; 8


диск с шестью
отверстиями: 9


штатив; 10


з
а
жим штатива

Таблица 3.1

Классификация бетонных смесей по жесткости и подвижности

Марка по удоб
о
укладываемости

Норма удобоукладываемости по показате
л
ю:

жесткости
, с

подвиж
ности, см

осадка
конуса

расплыв
конуса

Сверхжесткие

смеси

СЖ
3

Более

100





СЖ2

51

100





СЖ1

50

и м
е
нее






Жесткие смеси

Ж4

31

60





Ж
3

21

30





Ж2

11

20





Ж1

5

10








24


Окончание таблицы 3.1

Марка по удоб
о
укладываемости

Норма удобоукладываемости по показателю:

жестко
сти, с

подвижности, см

осадка конуса

расплыв конуса

Подвижные смеси

П1

4

и мене
е

1

4



П2



5

9



П
3



10

15



П4



16

20

26

30

П5



21

и более

31

и б
о
лее

П
римечание: СЖ1

СЖ3


сверхжесткие бетонные смеси; Ж1

Ж4


жёсткие бетонные
смеси; П1


малоподвижные (пластичные) бетонные смеси; П2


умеренно подвижные; П3


подвижные; П4


очень подвижные; П5


литые смеси.

В лабораториях иногда используют упрощенный с
пособ определения жес
т
кости бетонной смеси, предложенный Б.Г. Скрамтаевым. По этому способу и
с
пытание проводят следующим образом. В обычную металлическую форму для
приготовления кубов размером 20х20х20 см вставляют стандартный конус.
Предварительно
с него
снимают упоры и немного уменьшают нижний диа
метр,
чтобы конус вошел внутрь куба (рис. 3.5).


Рис. 3.5
.

Определение удобоукладываемости бетонной смеси упрощенным
способом: а


общий вид пр
ибора; б


бетонная смес
ь до вибрирования; в


то
же по
сле вибрирования: 1


конус; 2


форма куба;

3


бетонная смесь; 4


ви
б
роплощадка

Наполняют конус также в три слоя. После снятия металличес
кого конуса б
е
тонную смесь подвергают вибрации на
лабораторно
й площадке. Вибрация дли
т
ся до тех пор,
пока бетонная смесь не заполнит всех углов куба и ее
поверхность
не станет горизонтальной.

Продолжительность
вибрирования
в секундах

принимают за меру ж
есткости
(удобоукладываемости) бетонной смеси.

25


3.2
.

Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от различных
факторов

Технологические свойства бетонной смеси определяются ее составом и
свойствами используемых материалов

Цементное тесто придает бетонной смеси связанность,
способность ра
ст
е
каться и плотно заполнять форму. Чем выше содержание цементного теста, чем
более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бе
тонной
смеси. Введение в цементное тесто заполнителя
уменьшает подвижность смеси,
причем тем в большей степени, ч
ем выше содержание заполнителя и его удел
ь
ная поверхность.

При изменении расхода цемента в бетоне от 200 до
400 кг/м
3

при постоя
н
ном расходе воды, изменение подв
ижности бетонной смеси не наблюдается.

Подвижность

смеси изменяется только при изменении расход
а воды.
Ув
е
личение содержания цемента в
бетонной смеси повышает толщину обмазки з
е
рен заполнителя цементным тестом.

Если цементное
тесто взять только в количестве, необходимом для запо
л
нения пустот между заполнителями, то бетонная смесь получается жесткой,

н
е
удобоукладываемой. Чтобы смесь стала подвижной, следует не только запо
л
нить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного
теста. В зависимости от свойств за
полнителя и соотношения между песком и
щебнем ми
нимальное содержание цемен
тного теста в бетонной
смеси, обесп
е
чивающее ее нерасслаиваемость и качест
венное уплотнение, составляет от
170

200 л в жесткой смеси до 220

270 л в подвижной и литой смесях.

Влияют на подвижность бетонной смеси и свойства
цемента. Применение
цемента с боле
е высокой нормальной густотой понижает подвижность бето
н
ной смеси (при постоянном расходе воды).

С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси увеличив
а
ется (но если расход цемента остается постоянным, то прочность бетона пон
и
жается).

Подвижност
ь бетонной смеси существенно зависит от крупности зерен з
а
полнителя. С увеличением крупности
зерен их суммарная поверхность умен
ь
шается, снижается их влияние на цементное тесто, в результате подвижность
бетонной смеси возрастает. Пыль, глинистые и другие з
агрязняющие примеси
обычно снижают подвижность жирной бетонной смеси.

Подвижность зависит также от соотношения между песком и щебнем.
Наилучшая подвижность достигается
при некотором оптимальном соотнош
е
нии, при котором
толщина прослойки цементного теста ма
ксимальная.

Повышение подвижности, или снижение водопотреб
ности бетонной смеси,
или уменьшение расхода цемента
может быть достигнуто применением пласт
и
фицирующих
добавок, например лигносульфоната технического (ЛСТ) в кол
и
честве от 0,1 до 0,5 % массы цемент
а (в зависи
мости от его минералогического
состава и удельной по
верхности). Еще более эффективно действие суперпл
а
26


стификаторов, например С
-
3, которые позволяют очень
значительно изменять
подвижность и водопотребность пластичных бетонных смесей
.

Подвижность
бетонной смеси с течением времени по
степенно уменьшается
вследствие физико
-
химического взаимодействия цемента и воды. Особенно
сильно ухуд
шается удобоукладываемость жесткой бетонной смеси, поэтому т
а
кую смесь следует укладывать в формы как
можно быстрее. П
ри определении
состава бетона в за
висимости от заданной подвижности бетонной смеси ус
т
а
навливают расход воды. Для этого используют зави
симость подвижности б
е
тонной смеси от расхода воды и
других факторов. Ориентировочно расход воды
можно
подбирать по табли
цам и графикам (рис. 3.6), полученным опытным п
у
тем, с последующей проверкой состава бетона пробным затворением.

При переводе показателя жесткости, полученного по способу
Б.Г.

Скрамтаева, в показатель жесткости по техническому вискозиметру и
с
пользуют перех
одной коэффициент, равный 2, т.к. значение по методу
Б.Г.

Скрамтаева получается 2 раза меньше, чем по
стандартному техническому
вискозиметру.


Рис. 3.6.

График водопотребности
В
пластичной
(а)

и жесткой
(б)
бетонной
смеси, изготовленной с применением портландцемента, песка средней крупн
о
сти (водопотребность 7 %) и гравия наибольшей крупности:
1


80 мм;
2



40
мм;
3



20 мм;
4



10 мм;
Ж
1



удобоукладываемость по техническому вискоз
и
метру;
Ж
2



то же, по способу Б.Г. Скрамтаева

4. СВОЙСТВА БЕТОНА

4.1
.

Прочность бетона

Прочность



это свойство материала сопротивлять
ся разрушению от де
й
ствия внутренних напряжений,
воз
никающих в результате внешнего возде
й
ствия. Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние
напряжения: сжатия, растяжения, изгиба, среза и кручения.

Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжатию,
значительно хуже


срезу

и еще хуже


растяжению (в 5

50 раз хуже, чем сж
а
тию), поэтому строительные конструкции

обычно проектиру
ют таким образом,
27


чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходимости во
с
приятия растягивающих усилий

конструкции армируют. В железо
бет
онных
конструкциях напряжения растяжения и среза воспринимаются стальной арм
а
турой, обладающей
высоким сопротивлением этим видам нагрузки.

Разрушение в физическом пони
мании состоит в от
делении частей тела д
руг
от друга. Дефекты в материа
ле приводят к облег
чению про
цесса разрушения,
т.
е. они понижают прочность материала.

Особенностью пов
едения под нагрузкой хрупких ма
териалов, а следовател
ь
но, и бетона является то, что при сжатии они раз
рушаются от растягивающих
напря
жений, возникающих в направлениях, перпен
дикулярных действию сж
и
мающей нагрузки, или от напряже
нии среза, действующих по определенным
плоскостям.

Прочность бетона является инте
гральной характери
стикой, которая зависит
от свойств компонентов бетона,
его состава, условий приготов
ления, твердения,
э
ксплуа
тации и испытания. В свою очередь с проч
ностью бето
на связан и ряд
других его свойств.

Прочность бетона

определяется испытанием его об
разцов под нагрузкой.

Установлено, что наблюдается два вида поверхности разрушения (рис.

4.1).
В первом сл
учае, когд
а прочность заполните
ля при растяжении выше прочн
о
сти раствора или це
ментного камня, разрушение происходит по раствору и в
обход зерен заполнителя.
Во

втором случае, когда прочность заполните
ля ниже
прочности раствора, раз
рушение происходит по раствору и з
ернам за
полните
ля.
Может быть и с
мешанное разрушение, когда проч
ности зерен заполнителя и
раствора близки между собой и в разных участках структуры более прочным
оказывается либо заполнитель, либо раствор.


Рис. 4.1.

Характер разрушения бетона:
а



по цементному раствору без ра
з
рушения заполнителя;
б



с разрывом зерен заполнителя;
в



смешанное разр
у
шение (поверхность разрушения показана пунктиром)


28


Если обобщить результаты и выводы ряда ис
следо
вателей, то современные
представления о процессе раз
рушения бетона можно свести к нескольким о
с
новным
положениям:

1.
Разрушение бетона происходит постепенно. Вначале возникают перен
а
пряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Развитие это
го
процесса сопровождается перераспределением напряжений и вовлечением в
трещинообразование все большего объема материала, вплоть до образования
сплошного разрыва того или иного вида, зависящего от формы образца или
конструкций, ее размеров и других фактор
ов. На последней стадии нагружения
процесс микроразрушений становится неустойчивым и носит лавинный хара
к
тер.

2.
Разрушение бетона при сжатии обусловлено развитием микротрещин о
т
рыва, направленным параллель
но действующему усилию. Происходит кажущ
е
еся увели
чение объема образца, но в действительности нарушается сплошность
материала. Процесс развития микротрещин определяется структурой бетона, в
частности размером и числом дефектных мест в ней, а также видом и режимом
приложенной нагрузки.

3.
Большое влияние н
а процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне.
Облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и ми
к
ротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность.
Степень влияния этого фактора зависит от скорости приложен
ия нагрузки.

4.
Прочность и деформативность бетона определяется главным образом
структурой и свойствами цементного камня, который скрепляет зерна заполн
и
теля в монолит. Структура и свойства цементного камня зависят
от его минер
а
логического состава, водоцем
ентного отношения, тонкости помола цемента, его
возраста, условий
приготовления и твердения введенных добавок. В последнее
время было показано, что путем применения
тех или иных технологических
приемов, например виб
роперемешивания или введения добавок, мож
но значи
-
тельно изменить прочность и деформативность бетона. В отдельных случаях
свойства бетона изменялись в 1,
5…
2 раза. Свойства бетона существенно зав
и
сят от вида и качества заполнителя, а также от его состава.
Прочность бетонов,
приготовленных на цемен
те одина
кового качества, при постоянном водоц
е
ментном отно
шении, но на разных заполнителях, может отличаться в 1,5

2 р
а
за.

При испытании бетонного образца в прессе напряжения возникают не тол
ь
ко в образце, но и в плитах пресса. Между плитами пресса и обра
зцом обычно
действуют силы трения.

Действие плит пресса, уменьшая деформации слоев
бетона, прилегающих к
ним, как бы оказывает на них
поддерживающее влияние и предохраняет от ра
з
руше
ния. Это явление принято называть эффектом обоймы, поэтому кубы б
е
то
на име
ют обычно характерную фор
му разрушения (рис. 4.2,
а),

когда
наибольшие дефор
мации и разрушения наблюдаются в среднем сечении обра
з
ца. Образец по
сле испытания как бы представля
ет две сложенные вершинами
усеченные пирамиды.

29


Можно изменить условия взаимодейст
вия пресса и образца и тем самым и
з
менить напряженное состояние, возникающее в образце, и результаты испыт
а
н
ия. На
пример, если с помо
щью какой
-
либо смазки ликвидиро
вать трение ме
ж
ду плита
ми пресса и образцом, то ме
няется характер разрушения (рис. 4.2, б),
образец как бы раскалывается си
стемой параллельных вертикаль
ных трещин и
вследствие отсутствия поддерживающего
влияния эффекта обоймы прочность
снижается на 20

30

%.



Рис. 4.2
.

Характер р
азрушения бетонных кубов при различных условиях и
с
пытания:
а



обычная схема испытания (пунктиром показана ориентировочная
область влияния эффекта обоймы
)
;
б

м

при смазке опорных поверхностей;
в



при применении податливых
прокладок;
R
1



прочность бетона
;
Е



модуль
упругости

Смазка вносит неопределенность в условия испытания, увеличивает разброс
результатов, поэтому был принят другой путь
определения действительной
прочности бетона, исклю
чающий поддерживающее влияние эффекта обоймы, а
именно испытание пр
изм.

Если между плитами пресса и образцом поместить достаточно толстую пр
о
кладку, модуль деформации которой меньше модуля деформации бетона, то в
ней возникают растягивающие деформации, превышающие деформации бет
о
на, вследствие чего прокладки будут способс
твовать разрыву бетона, и про
ч
ность контроль
ных кубов может оказаться на 35

50

% меньше, чем при исп
ы
тании по стандартной методике (рис. 4.2, в).

Вследствие действия эффекта обоймы значительное влияние на результаты
испытаний оказывают размер и форма конт
рольного образца. Эффект обоймы
проявляется только в тонком слое бетона, прилегающем к плитам пресса, п
о
этому чем сильнее раздвинуты плиты пресса, т.е. чем больше размер образца,
тем меньше проявляется эффект обоймы, и при испытании фиксируются мен
ь
шие зна
чения прочности образцов, приготовленных
из одного и того же бетона
30


и твердевших в совершенно
одинаковых условиях. При определении марки б
е
тона
используют обычно приведен
ные ниже средние перевод
ные коэффицие
н
ты, позволяющие перевести прочность
бетона, полу
ченную испытанием кубов
разных размеров, на прочность кубов размером 15X15X15

см.

Еще в большей ме
ре проявляется зависимость проч
ности бетона от его ра
з
меров при испыта
нии призм. Ес
ли изменять расстояние, между плитами пресса
в широких пределах, варьируя в
еличину
h
/
a

(рис. 4.3), то прочность может и
з
м
еняться в несколько раз


в тон
ких образцах она будет в 2

3 раза больше,
чем в вы
соких призмах. Прочность призм из тяжелого бетона на
20

30

%
меньше прочности, получаемой при испытании
кубов.


Рис. 4.3.

Влияние размеров образца на прочность бетона

Однако то, что при испытании образцов различных размеров получаются
разные показатели прочности, объясняется не только эффект
ом обоймы. Здесь
прояв
ляют
ся и другие факторы. Чем больше образец, тем выше вероятность п
о
явления в нем крупных дефектов, снижающих прочность бетона.

При изготовлении

образцов разных размеров на ко
нечный результат опр
е
деления прочности оказывают влияние и технологические факторы. В

таких
образцах возможны различная степень уплотнения структуры, твердение в н
е
одинаковых температурно
-
влажностных условиях, возникают различные
напряжения от усадки и действия внешних факторов и т. д. Все это может по
-
влиять на формирование структуры бето
на и прочность контрольных образцов.

Требуемую прочность бетона каждого вида рассчитывают по формуле:

R
T

=
K
T

B
норм
.





(4.1)

При контроле по схемам А и В коэффициент
K
T

принимают по таблице 2
ГОСТ 18105
-
2010
в зависимости от среднего коэффициента вариаци
и прочн
о
сти бетона за анализируемый период

или текущего коэффициента вариации
прочности бетона контролируемой партии; при контроле по схеме Б коэффиц
и
ент

рассчитывают по формуле

31


.





(4.2)

Класс тяжелого бетона опре
деляется пределом прочности (МПа) при сж
а
тии стандартных бетонны
х куб
ов 15X15X15 см, изготовлен
ных из рабочей б
е
тонной смеси в металлических формах
и испытанных в возрасте 28 сут
.

после
твердения в нор
мальных условиях (температура 15

20

°
С, относитель
ная
влажность окружающего воздуха 90

100

%).

Кубы размером
15X15X15 см пр
именяют в том слу
чае, когда наибольшая
крупность зерен заполнителя
40 мм. При другой

крупности заполнителя можно
ис
пользовать кубы иных размеров, однако размер ребра контрольного бетонн
о
го образца должен быть примерно в 3 раза больше максимальной крупности

з
е
рен заполнителя. Для определения класса бетона на кубах с раз
мерами, отли
ч
ными от 15X15X15 см, используют
масштабные коэффициенты из таблицы 4.1.

Таблица 4.1

Масштабные коэффициента для различных образцов бетона

Размер куба, см

7x7x7

10х10х10

15x15x15

20x20x20

Коэффициент

0,85

0,95

1,00

1,05

Класс легкого бетона определяют также при сжатии кубов 15X15X15 см.
При испытании кубов других размеров переходный коэф
фициент не вводится.
Для лег
ких бетонов установлены марки: М25, М35, М50, М75, М100, М150,
М20
0, М250, М300, М350, М400.

При изготовл
ении сборных железобетонных кон
струкций, а также пр
и
срочных работах, когда исполь
зуются быстротвердеющие цементы или прим
е
няют раз
личные способы ускорения твердения бетона, прочность его опред
е
ляют в бо
лее короткий с
рок твердения, на
пример в возрасте 1, 3 и 7 сут. Наоб
о
рот, бетоны на медленнотвердеющ
их цементах, применяемые в моно
литных
массивных сооружениях, могут иметь расчетные
сроки твердения, превыша
ю
щие 28 сут
.

(60, 90 и 180 сут
.
). Увеличение расчетного срока тв
ердения бетона
обычно ведет к экономии цемента.

Прочность бетона повышается
с увеличением расхода цемента или умен
ь
шением во
доцементного отношения.

Графически завис
имость прочности бетона от водо
цементного отношения
изображается в виде гипербо
ли
ческих крив
ых (рис. 4.4).

32



Рис. 4.4.

Зависимость прочности
бетона от
В/Ц

и
R
Ц

(1:
n
i



отношение
массы цемента к массе заполнителя,
R
Ц 1


R
Ц 2
)

В течение первого месяца связывается не более 20

% воды от массы цеме
н
т
а. Вместе с тем для придания бе
тонной смеси пластичности в бе
тон добавляют
воды зна
чительно больше (40

70 % массы цемента,
В/Ц  0,4

0,7
), так как
при
В/Ц0,2
бетонная смесь почти су
хая, и ее нельзя качественно перемешать и
уложить. Избыточная вода, не вступающая в химические реакции
с
цементом,
остается в

бетоне в виде водяных пор и ка
пилляров или испаряется, оставляя
воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор и чем
больше их, т. е. чем больше
В/Ц,
тем ниже проч
ность бетона.

4.2
.

Плотность, проницаемо
сть и морозостойкость бетона

Плотность бетона.

Следует различать плотность незатвердевшей бетон
ной
смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь мо
жет быть почти совершенно
плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды)
, если
она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность, такой бетонной смеси
довольно точно совпадает с тео
ретической, рассчитанной по сумме
абсолютных

объемов
материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха.

Качество уплотнения бетонной смеси
обычно оцени
вают коэффициентом
уплотнения:

,




(4.3)

где
γ
Д

и
γ
Р



соответственно действительная и расчетная плотности бетонной
смеси.

Обычно стремятся получи
ть коэффициент
k
УПЛ



1
, но
вследствие воздухов
о
вл
ечения в бетонную смесь при виб
рации и влияния других факторов
k
УПЛ

часто
составляет
0,96

0,98.

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанн
ом
состоянии. Остальная (свобод
ная) вода
остается в порах или испаряется, поэт
о
33


му за
твердевший бетон никогда не бывает абсолютно плот
ным. Пористость б
е
тона (в %) можно определить по формуле

,





(4.4)

где
В
и
Ц


расход воды и цемента, кг/м
3

бетона; ω


содержание химически
связанной воды, % массы цемента

В возрасте 28 сут цемент связывает приблизительно
15

% воды от массы ц
е
мента. Наприм
ер, если в 1 м
3

бе
тонной смеси содержится 320 кг цемента и 180 л
воды, то пористость бетона:


%

,



(4.5)

а плотность: 100


13,2 = 86,8

%.

Плотность бетона мо
жет
быть повышена путем уменьшения водоцементного
от
ношения, что, как уже
говорилось, достигается введени
ем в смесь специал
ь
ны
х добавок


пластификаторов, уп
лотнением бетонной смеси вибрацией, це
н
тробежным или
другими механизиро
ванными способами. Часть сво
бод
ной в
о
ды из бетонной смеси можно при укладке удалить
вакуумированием или пре
с
сованием.

Плотность бетона


его важнейшее свойство, в зна
чительной степени опр
е
деляющее его прочность, непро
ницаемость и долговечность.

Проницаемость бетона.

Для бетона гидрот
ехнических и других сооружений
важной характеристикой является его проницаемость. Она также в известной
мере определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажн
е
ния и за
мерзания, влиянию различных атмосферных факторов и агрессивных
сред. Для

практики наибольшее значение имеет водопроницаемость бетона.

Проницаемость бетона зависит от его пористости,
структуры пор и свойств
вяжущего и заполнителей. Бетон


капиллярно
-
пористый материал, как бы пр
о
низан
ный тончайшей сеткой

пор и капилляров различн
ых раз
меров. Мелкие п
о
ры и капилляры (микропоры) разме
ром менее 10
-
5

см, к кот
орым относятся, в
частности, по
ры цементного геля, практически непроницаемы для воды.

Микропоры и капилляры размером более 10
-
5

см до
ступны для фильтрации
воды, которая происхо
д
ит вслед
ствие действия давления, градиента влажности
или осмотического эффекта, поэтому проницаемость бетона зависит от объема
и распределения макропор и капилляров в бетоне.

Ориентировочно объем макропор
V
МП
,
%, можно вычислить по формуле

.




(4.5)

Объем макропор

в бетоне колеблется от 0 до 40 %.
Макропористость бетона
уменьшается при понижении
В/Ц,
увеличении степ
ени гидратации цемента,
уменьше
нии воздух
ововлечения в бетонную смесь, применении
химических д
о
бавок, уплотняющих структуру бетона.

34


Зависимость между проницаемостью и макропористостью показана на
рис.

4.5
.


Рис.
4.5



Зависимость коэффиц
и
ента проницаемости бетона от объема
макропор
V
МП

При увлажнении бетона
мельчайшие поры и капил
ляры заполняются водой,
которая под действием поверхностных сил значительно теряет свою подви
ж
ность и как бы закупоривает эти капилляры. Наступает, как говорят, ©кольм
а
тацияª пор и капилляров, что приводит к уменьшению проницаемости бетона.

С увеличением возраста бетона изменяется характер
его пористости, пост
е
пенно уменьшается объем макропор,
кото
рые как бы зар
астают продуктами
гидратации це
мента, и в результате уменьшается проницае
мость бе
тона.

Проницаемость бетона можно оценив
ать коэффици
ентом проницаемости,
который измеряется количеством
воды, прошедшей через 1 см
2

образца в теч
е
ние 1 ч при
пост
оянном давлении:

,




(4.6)

где
V
В



количество воды, прошедшей через образец;
F



площадь образца;
t



время;
Р
1

Р
2



градиент давления.

Плотные бетоны обычно

не фильтруют воду, поэтому для их оценки и
с
пользуют другое понятие


марку по водонепроницаемости,

например, В2, В4 и
т.д. Эта ха
рактеристика определяется специальными испытаниями и показыв
а
ет, до какого да
вления бетон является непро
ницаемым для воды.

При

испытании с о
дной стороны образца, соприкаса
ющегося с водой, с
о
зд
ают давление, медленно его повы
шая. Наблюдая за другой стороной образца,
отмечают, при каком давлении на поверхности бетона появляются влажные
пятна или отдельные капли воды. Это давление оп
ределяет марку бетона по в
о
донепроницаемости.

Большое значение для повышения непроницаемости бетона имеют его о
д
нородность и сохранение сплошности материала в процессе его твердения и
эксплуатации. Появление микротрещин вследствие усадки бетона от действия

нагрузки при переменном увлажнении и замораживании или высыхании или от
35


действия других факторов может существенно снизить непроницаемость бе
-
тона.

Объем и характер пористости оказывают решающее влияние и на газопр
о
ницаемость бетона. Кольматация пор влаго
й или продуктами химических реа
к
ций существенно понижает газопроницаемость бетона. Газопро
ницаемость и
г
рает существенную роль в процессах коррозии бетона и стали при воздействии
атмосферных фак
торов.

Для повышения н
епроницаемости бетона помимо ра
циональног
о подбора
состава и тщательно организован
ного производства изделий и конструкций
применяют
специальные методы (табл.
4.2
).

Таблица
4.2

Методы понижения проницаемости бетона

Метод

Степень понижения
проницаемости б
е
тона, раз

Введение при приготовлении бетон
а:



органических, гидрофобных добавок;



неорганических добавок;



специальных загустевающих веществ или термопласт
и
ческих полимеров.


2

10

5

1000

10

500

Пропитка бетона после изготовления специальными в
е
ществами

50

1000

Гидрофобизация поверхностных сло
ев бетона

2

10

Покрытие поверхности бетона специальными пленкообр
а
зующими составами

10

100

Пропитка бетона мономером с последующей его полим
е
ризацией

50

1000

Введение добавок или специальных веществ при приготовлении бетона


сравнительно простое и дост
аточно эффективное мероприятие. Известно много
добавок, при
меняемых для этих целей. Хорошо зарекомендовали себя добавки
типа ПАВ, т.е. поверхностно
-
активные вещества, водорастворимые смолы, н
е
которые латексы, эмульсии (например, битумные эмульсии) и суспен
зии.

Проницаемость затвердевшего бетона может быть существенно уменьшена
путем его пропитки петролату
мом, жидким стеклом, серой, парафином и др
у
гими веществами, кольматирующими поры и капилляры бетона.
Особенно э
ф
фективна пропитка бетона мономерами или
сос
тавами на их основе с послед
у
ющей полимеризацией пропитывающего вещества в теле бетона. Практически
непроницаемы полимербетоны.

Морозостойкость бетона.

Под морозостойкостью бетона понимают его сп
о
собность в насыщенном водой состоянии выдерживать мно
гократн
ое попер
е
менное замораживание и оттаивание. Основной причиной, вызывающей разр
у
36


шение бетона в
этих условиях является давление на стенки пор и устья
микр
о
трещин, создаваемое замерзающей водой. При замерзании вода увеличивается в
объеме более чем на
9 %; рас
ширению воды препятствует твердый скелет бе
-
тона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость
замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры
бетона и к его разрушению. Сначала начинают разрушаться вы
ступающие
гр
а
ни, затем поверхностные слои, и постепен
но разрушение распространяется в
глубь бетона.

Для испытания бетона на морозостойкость применяют метод попеременного
замораживания и оттаивания.

Критерием морозостойкости бетона является количе
ство циклов, при кот
о
ром потеря в массе образца менее 5

%, а его прочность снижается не более чем
на 25

%.
Это количество циклов определяет марку бетона по мо
розостойкости,
например
F

100,
F

200 и более, которая назначается в зависимости от условий
эксплуатации конструкции.

М
орозостойкость бетона зависит от его строения, осо
бенно от характера п
о
ристости, так как последний будет определять объем и распределение льда, о
б
разующегося в теле бетона при отрицательных температурах, и, следовательно,
во
зникающие напряжения и интенсив
н
ость процесса ослабления структуры б
е
тона.

Существует два способа повышения морозостойкости
бетона:

а) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их прон
и
цаемости для воды, например за счет снижения
В/Ц,
применения добавок, ги
д
рофобизирующих
стенки пор, или кольматации пор пропиткой специальными
составами;

б) создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок
резервного объема воздушных пор (более 20 % объема замерзающей воды), н
е
заполняемых при обычном
водонасыщении бетона, но

доступ
ных для проник
а
ния воды под давлением, возникающим при ее замерзании.

Зависимость мороз
остойкости от водоцементного от
ношения приведена на
рис.
4.6
. Обычно для получения
достаточно морозостойкого бетона
В/Ц
должно
быть не менее 0,5.


Рис. 4.6
.

Зависимость мороз
о
стойкости Мрз обычного бет
о
на (1) бетона с вовлеченным
возд
у
хом (2) от В/Ц

37


Эффективным и сравнительно простым способом повышения морозосто
й
кости является применение воздуховов
лекающих добавок. Они должны обе
с
печивать получение воздушных пор возможно меньшего размера, так как это
способствует повышению морозостойкости бетона при наименьшем снижении
его прочности вследствие воздухововлечения. Оптимальный объем вовлече
н
ного воздух
а обычно составляет 4

6 % и определяется расходом цемента, в
о
ды и крупного заполнителя. Этот объем увеличивается при понижении крупн
о
сти заполнителя и повышении расхода цемента.

В бетоне с воздухововлекаюшими добавками удельная поверхность пор с
о
ставляет п
риблизительно 1000

2000 см

1
, размер пор колеблется в пределах
0,005

0,1 см, а расстояние между отдельными порами не превышает 0,025 см.

5. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ


И БЕТОНА

5.1
.

Твердение бетона при нормальных температурах

При изготовлении изделий на полигонах и при воз
ведении сборно
-
монолитных и монолитных конструкций
бетон твердеет в нормальных условиях
при температуре 15

20

°С. Рост прочности бетона в эт
ом случае опреде
ляется
минералогическим составом и тонкостью помола
цемента, составом бетона, в
первую очередь
В/Ц,
химическими добавками. Нарастание прочности ускоряе
т
ся, если применяются быстротвердеющие цементы, добавки
-
ускорители тве
р
дения, бетоны с ни
зким водоцементным отношением.

Большое значение имеет организация ухода за твердеющим бетоном в ра
н
нем возрасте, особенно обеспечение надлежащей влажности среды. Для этого
бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, ко
то
рый постоянно
увлажняют, исп
ользуют маты из синте
тических материалов, устраивают покр
ы
вающие водные, бассейны или используют другие способы, предохраняющие
бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цеме
н
та и роста прочности бетона. При быстром высыхании бетон
а в раннем во
з
расте возникают также значительные деформации усадки, появляются микр
о
трещины. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная
прочность. Исправить структу
ру созданием благоприятных усло
вий в послед
у
ющем не удается, поэтому п
равильный уход за бетоном в раннем возрасте я
в
ляется необходимым условием получения доброкачественного бетона.

Рост прочности бетона в благоприятных условиях
продолжается длительное
время. Для ориентировочного
определения прочности бе
тона в любом возрасте
исполь
зуют формулу

,




(
5
.1)

где
R
n



прочность бетона на сжатие в любом возрасте;
R
28



проч
ность бетона в
возрасте 28 сут;
lg

n



десятичный логарифм возрас
та бетона.

Эта формула дает удовлетворительные результаты начиная с
n
>3 для бет
о
нов, приготовленных на рядовом портландцементе средних марок.

38


Действительная
прочность может отличаться от расчетной, ее следует
опр
е
делять по резул
ьтатам испытания контрольных

об
разцов, выдержанных в усл
о
виях, аналогичных услови
ям твердения бетонных конструкци
й или испытанием
бе
тона, взятого непосредственно из конструкции.

Для более точной оценки прочности бетона в разном
возрасте необходимо
учитывать минералогиче
ский сос
тав це
мента.

По интенсивности нарастания прочности бетона при
нормальной температ
у
ре современные цементы можно условно подразделить на четыре типа
(табл.

5
.1).

При

этом цементы, обесп
ечивающие более быстрое нараста
ние прочности
бетона

в раннем возрасте, резко за
мед
ляют прирост прочности в длительные
сроки твердения.
Наоборот, бетоны на цементах
III

IV

типа, медленно
тверд
е
ющие вначале, показывают заметный рост прочности в течение длительного
времени. При благоприятных условиях прочность б
етона на этих цементах к
полуго
довому возрасту возрастает в 1,5

1,8 раза по сравне
нию с прочностью в
возрасте 28 сут
.
, причем отмечается и рост прочности в дальнейшем в течение
нескольких лет, хотя и более медленными темпами.

Данные табл.
5
.1
показывают, что обычно использу
емая дл
я описания кин
е
тики твердения бетона формула (
5
.1) дает более надежные результаты при пр
и
менении цемента
III

типа. В других случаях необходимо вводить поправочные
коэффициенты, учитывающие особенности твердения бетонов на разных ц
е
ментах.

Приведенные в таб
л.
5
.1 коэффициенты
k
28

90

и
k
28

180

соответствуют но
р
мальным условиям хранения (Т  15

20

°С,
W

= 90

100 %) небольших о
б
разцов. При понижении температуры и влажности твердение бетонов резко з
а
медляется.

При изготовлении конструкций не всегда удается обесп
ечить требуемую
влажность в течение всего срока твердения бетона, так как отделочные, мо
н
тажные и другие работы часто требуют не только уменьшения влажности бет
о
на, н
о даже высушивания его поверхно
сти. В этих условиях нельзя пользоват
ь
ся формулой (
5
.1
)
или

значениями коэффициентов, приведенными в табл.
5
.1.
Ориентировочно можно считать, что при твер
дении на открытом воздухе для
цементов
I

и
II

типа
k
28

90

= 1,05;
k
28

180

 1,1; для цементов
III

типа
k
28

90

= 1,05;
k
28

180

 1,25; для цементов
IV

типа
k
28

9
0

=1,1;
k
28

180

=1,3.

Способность бетона к длительному твердению можно использовать для эк
о
номии цемента. В ряде случаев конструкция воспринимает расчетные нагрузки
в более поздние сроки, чем 28 сут. В благоприятных условиях твердение бетона
продолжается и

к моменту передачи на конструкцию эксплуатационной
нагрузки прочность бетона часто превышает требуемую проектом. В подоб
ных
случаях, назначая более длительные сроки (90 или 180 сут
.
) достижения бет
о
ном проектной прочности,
можно уменьшить
R
28

и сэкономит
ь цемент, так как
для
получения бетона меньшей прочности требуется более низкий расход ц
е
мента.


39


5.2
.

Твердение бетона
при
повышенных температурах, ускорение твердения

Для ускорения твердения бетона при производстве сборных железо
бето
н
ных конструкций используют раз
личные способы: механические


повышение
удельной поверхности цемента или активизация бетонной смеси;
химические


введение добавок (СаС
l
2
, ННК и др), ус
коряющих твердение; тепловые


пр
о
паривание и электропрогрев. Теплов
ые способы, позволяющие сократить сроки
твердения бе
тона в 10…20 раз, получили. наи
большее распространение на з
а
во
дах сборного железо
бетона.

Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температ
у
ры бетона активизирует взаимо
действие воды и ц
емента и ускоряет твердение
бетона. При этом фазовый состав продуктов гид
ратации цемен
та, твердеющего
при разных температурах, практически одинаков. Рост прочности бетона при
нагреве может, как и при нормальном твердении, выражаться ло
гариф
мической
зависим
ост
ью, однако со своими коэффициен
тами. По данным ВНИИжелезоб
е
тона:

,





(
5
.2)

где
А


параметр, характеризующий поведение данного цемента при пропар
и
вании в

принятых условиях испытания, МПа;
t



время тепловой обработки,
включающее период изотермической выдержки
t
1

и часть времени разогрева и
охлаждения, в течение которого тем
пература образцов превышает 60 °С, ч; в
среднем
t
=
t
1
+3;
t
0



индукционный период тве
рдения, ч (предварительный п
е
риод до начала образования прочной структуры).

Формула (
5
.2) была выведена для бетона на специально изготовленных ц
е
ментах различного минералогического соста
ва при прогреве его по режиму
3
+
t
1
2 ч с предварительной выдержкой 2 ч

и испытании через 6 ч после извл
е
чения из пропарочной камеры. Опыты позволили установить значения
А
и
t
0

(при графических построениях зависимости; рис.
5
.1) и тем самым уточнить
влияние минералогического состава цемента на прочность бетона при пропар
и
вани
и (табл.
5
.
2
).

Параметр
А
можно определить как значение прочности
R

при
t

=10

t
0

например, для цементов
I

группы
он будет приблизительно равен 25,
II

группы


20,
III

группы


17,5. Полученные значения
А
и
t
0

в других условиях могут о
т
личаться от приведенн
ых выше, но их
можно определить путем испытания б
е
тона при 2

3 ре
жимах и ввести в рас
четы действительные значения па
раметров
для данных конкретных условий.

Приведенные данные показывают, что минералогический состав цемента
оказывает заметное влияние на про
чность бетона. В

первые часы пропаривания
наибо
лее высокую прочность показывают бетоны на цементах
II

и
III

групп,
причем тем более высокую, чем больше в клинкере
C
3
S
. Прочность бетонов на
цементах
I

груп
пы в этот период значительно меньше и только к 3

4 ч

дост
и
гает, а затем становится больше прочности
бето
нов на цементах
III

группы, а к
6

7 ч и бетонов на це
ментах
II

группы. После этого рост прочности цементов
I

группы продолжается практически до 20

24 ч изо
термической выдержки, тогда
40


как рост прочности це
ментов
II

группы практически прекращается к 9

10 ч
изо
термической выдержки, а цементов
III

группы к 7

9 ч.
Предельные значения
прочности бетона, которые могут быть получены в процессе тепловой обрабо
т
ки, за
висят от вида цемента. В табл.
5
.
1

приведены данны
е ВНИИжелезобетона,

показывающие отношение предель
ной прочности бетона при
Ц/В

= 2

2,5 к а
к
тивности цемента при пропаривавши, а также время тепловой обработки, при
которой достигаются эти значения.

Поскольку скорост
ь нарастания прочности в процес
се теплово
й обработки,
достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то
практически нецелесообразно проводить обработку до получения предельной
прочност
и. Обычно тепловую обработку за
канчивают при 70
…80

% прочности
бетона от предель
ных значений
.

Таблица
5
.1

Классификация цементов по скорости твердения

Тип

цемента

Минералогическая характ
е
ристика




I

Алюминатный цемент

3
А>12

%)

0,65…
0,8

1

1,05

1

1,1

II

Алитовый цемент
(
C
3
S
�50

%, С
3
А<
8

%)

0,6

0,7

1,05

1,2

1,1

1,3

III

Цемент со сложной минер
а
логической ха
рактеристикой
(пуццола
новый, портланд
-
цемент
с содержанием
C
4
AF
>14 %, шлакопор
т
ланд
цемент при содержании
шлака 30

40

%)

0,5

0,6

1,2

1,5

1,3

1,8

IV

Белитовый портландцемент
и шлакопорт
ландцемент
при
со
держании шлака более
50

%

0,45

0,5

1,6

1,7

1,85

Для сравнения

0,58

1,35

1,55

В этом случае обеспечивается достаточно
интенсивный рост прочности б
е
тона после обработки и
достижение в возрасте 28 сут заданной марки, а время
прогрева сокращается в 2

3 раза по сравн
ению с тем временем, которое п
о
требовалось бы для получения пре
дельной прочности.

41



Рис.
5
.1


Зависимость прочности
бетонов, приготовляемых на цементах
I



III

минералогических групп (соо
т
ветственно кривые 1
-
3) и одинаковой
активности от времени пропаривания
(масштаб полулогарифмический)

Таблица
5
.2

Параметры А и t
0

для цементов разного минералогического состава

Группа цемента

Минералогический состав
цементе, %

Относитель
-
ное значение
А
, %

t
0
, ч

Предел л
и
нейности
функции,

ч

C
3
S

С
3
А

I


низко
-
алюминатные

60

50

2

3

2
-
3

12,5

9,6

0,60

0,45

20

25

20

II


средне
-
алюминатные

60

65

50

8

8

10,0

9,5

0,15

0,2

9
-
10

9
-
10

III


высоко
-
алюминатные

55

40

50

11

22

11

12

8,5

7,0

0,15

0,18

9

7

8

Т
аблица
5
.3

Влияние минералогического состава цемента на

предельную прочность б
е
тона при пропаривании

Вид цемента

Средняя
а
к
тив
ность
ц
е
мента,
МПа

Отношение
пр
е
дельной

прочности
бетона к акти
в
ности цемента

Ориен
тиро
вочное
время
достиж
е
ния
предельной

прочност
и, ч

Продолжи
тельность
изотермиче
ской
вы
держ
ки для д
о
сти
жения 0,8
R
ПР
, ч

Портландцемент:

I

группы

II группы

III группы


32,5

35

27,5


1,45

1,15

1,10


27

33

15

18

10

12


12

6

4

ОБЩ

39

1,05

12

15

3

Шлакопортланд
-
цемент:

с 30 % шлака

с 50

% шлака



24

17



1,55

1,85



25

30

27

33



8

14

42


При этом предполагается, что пропаривание начнется приблизительно через
2 ч после формования изделия,
а подъем температуры будет плав
ным (в теч
е
ние 3 ч до 80

°С). Применение более корот
ких режимов, чем те, которые указ
а
ны в
табл.
5
.3, при
водит к перерасходу цемента.

Если рассмотреть суммарное влияние цемента на
прочность бетона при пр
о
паривании и на продолжитель
ность тепловой обработки, то наиболее подход
я
щими цементами для этого случая считают шлакопортландцементы, особенно
с
большой добавкой шлака, и средне
алюминатные цементы с повышенным с
о
держанием
C
3
S
.
Следует заметить, что на
характер нарастания прочно
сти бет
о
на при теплов
ой обработке влияют состав бето
на и ряд других фактор
ов. В
частности, ускорению твер
дения при пропар
ивании и дру
гих видах тепловой
обра
ботки содействует уменьшение водоцементного отношения в бетоне.

При тепловой обработке бетона происходят сложные физико
-
химические
процессы. Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся новоо
б
разования це
ментного

камня как бы закрепляют расширившийся объем бетона.
При охлаждении бетон сжимается, однако возникшая структура препятству
ет
этому и в бетоне на
блюдаются остаточные деформации, т. е. его объем после
тепловой обработки
оказывается больше, чем первона
чальный
. Увеличение
объема приво
дит к повышению по
ристости бетона и понижению его прочности.
Кроме того,
при прогреве могут возникать микротрещины и другие дефекты,
которые, незн
ачительно изменяя пористость бе
тона, могут заметно понизить
его прочность.

При длител
ьном т
вердении наивысшую прочность по
казывает бетон, объем
которого при данном количестве материалов является наименьшим, т. е. в этом
случае плотность новообразований цемент
ного камня будет на
ибольшей. Этим
требованиям соответствуют укладка и первоначальн
ое твер
дение бетона при
температуре 0…
4 °С, так как при 4

°
С плотность воды наибольшая.

Уменьшение предельно достижимой прочности при
тепловой обработке б
у
де
т зависеть от ее режима. При на
греве в меньшей мере расши
ряются цемент,
песок и ще
бень, температурн
ы
й коэффициент линейного расшире
ния
а
кот
о
рых колеблется в пределах от 8·10

6

до
12·10

6

(температур
ный коэффициент
объемного расши
рения β  3α, т. е. в 3 раза больше).

Температурный коэффициент объемного расширения воды на два порядка
больше и зависит от

ее температуры
, указаны в табл. 5.4
.

Таблица 5.4

Температурный коэффициент объемного расширения воды

Температура, °С

20…40

40…60

60…80

80…100

β·10

4

3,02

4,58

5,87

6,88

Увеличение объема воды, %

0,6

1,5

2,7

4,1

Еще в большей мере, если нет препятствий
, расширяется при нагреве воздух
или пар. На рис.
5
.2 показано увеличение объема газообразной фазы в бетоне,
которое
в условиях свободного расширения при нагреве до 80 °С
должно пр
е
вышать первоначальный объем в 2 раза.

43


В действительности это
го не происходи
т, так как струк
тура бетона препя
т
ст
вует свободному расширению газо
образной фазы. В результате в бетоне во
з
никает внутреннее давление (в пузырь
ках воздуха и пара), которое мо
жет д
о
стигать 0,01…
0,015 МПа. Избыточное давление зависит от строения бетона.
При
определенном давлении сплошность строения

нарушается


пар выходит
из бе
тона, избыточное давление далее не растет и даже снижается, однако при
этом может значительно ухудшиться структура бетона.


Рис.
5
.2.

Расширение газовой фазы
в бетоне: 1


вследствие расширения
воздуха без парообразования при да
в
лении в порах 0,1 МПа; 2

4


всле
д
ствие расширения воздуха с парообр
а
зованием при давлении в порах соо
т
ветственно 0,1; 0,11 и 0,15 МПа

Важное
значение при твердении имеет и контракция цементного камня. Д
о
полнительный объем пор, возни
кающий вследствие контракции, является тем
резерв
ным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении, п
о
этому контракция способствует уменьше
нию дефектнос
ти структуры бетона.

Возникновение избыточного давления в бетоне зави
сит от режима прогрева
.
Обычно бетон нагревается с по
верхности, поэтому и избыточн
ое давление в
первую оче
редь возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыто
ч
ное давление бывае
т очень небольшим, так как миграция влаги из области с п
о
вышенным давлени
ем в более холодные части изделий и диффузия пара спо
-
собствуют уменьшению избыточного давления. При
очень быстром нагрев
е эти
факторы не успевают прояв
ляться в должной мере и избыточ
ное давление резко
воз
растает, что в ряде с
лучаев может привести к непопра
вимым дефектам и
браку, в частности к вспучиванию верхней поверхности изделий.

Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может
сопротивляться вну
т
ренним напряжениям, возникающим
пр
и его нагреве, особен
но вследствие
нагрева воды и га
зообразной фазы. Наибольшие изменения в структуре возн
и
кают, если нагрев начинается сразу же

после окон
чания формования изделия,
когда прочность мала и не
оказывает противодействия расширению составл
я
ющих

бетона, а температу
рные деформации ничем не ограни
чены (пропарив
а
ние изделия в открытой форме или на
поддоне). При этом чем быстрее растет
температу
ра бе
тона, тем больше раз
рыхляется его структура и увели
чивается
остаточная деформация. Если нагрев начинае
тся после того, как бетон схвати
т
44


ся и достигнет опреде
ленной прочности, то температурные деформации резко
уменьшаются, так как образовавшая
ся структура про
тиводействует расшир
е
нию воды и газообразной фазы. Разрыхление структуры и остаточные дефо
р
мации резк
о уменьшаются (рис.
5
.3), свойства бетона улучшаются.


Рис.
5
.3
.

Деформация бетона
ε

при
нагреве в зависимости от продолж
и
тельности предварительной выдержки
t
: 1


деформация во время изо
терм
и
ческого прогрева при
t

= 80
°
С; 2


остаточная деформация

Для получения наилучших результатов необходимо, что
бы прочность стру
к
тур
ы в процессе нагрева всегда пре
восходила внутренние напряжения в бетоне.

В наименьшей степени бетон расширится в том слу
чае, когда возрастет
только объем твердой фазы. Расширение же воды будет компенсировано за счет
воздушных пор, а давление газообразной фазы погашено сопротив
лением
структуры бетона. В этом случае ориентировочно
дополнительный объем (по
существу, дополнител
ьный объем
pop
) при нагреве до 80 °С составит,

,




(5.3)

или 1,8 л/м
3

бетона (0,18 %).

В том случае, если
расширение воды не будет компен
сировано, то дополн
и
тельный объем бетона
за счет рас
ширения воды увеличится на
Δ
V
2
 0,2·500·

10

6
·60 

6·10

3
, или на 6 л/м
3

бетона (0,6
%).

При расчете при
нято, что вода з
а
нимает
7
Б
часть объема бетона (ориен
тировочный расход 200 л/м
3
), а средний
температурный
коэффициент объемного расширения в интервале от 20
до 80

°С
приблизительно равен 500·10

6
. Суммарный до
полнительный объем
от расш
и
рения воды и твердой фа
зы составит 0,78

%. Если увеличение объема бетона
при
тепловой обработке бо
льше этой величины, то это пока
зывает, что на его
прираще
ние оказали влияние газооб
разная фаза и избыточно
е давление, которое
не б
ыло ком
пенсировано сопротив
лением структуры бетона. Естест
венно, что в
этом случае количество дефектов в структуре
увеличится, а прочность бетона
уменьшится.

При организации контроля за расширением бетона в процессе тепловой о
б
работки можно считать, что

Δ
V

=
V
2



V
1
,




(5.4)

где
V
1



первоначальный объем бетона, равный для куба
а
3

(здесь
а


сторона
куба);
V
2



объем бетона после расширения, равный
(ах)
3

(здесь
х


удлинение
стороны куба:
x
=
αaΔt
);

45


Δ
V

 а
3

 3а
2
х  3ах
2

 х
3



а
3



2
х



t

а
3
,


(5.5)

так

как
3ах
2

и
х
3

пренебрежимо малы по сравнению с

2
х.
Поскольку
а
3

=
V
,
то
линейная температурная де
формация бетона
α
t
Δ
V
/3
.

Применительно к рассмотренным выше примерам ли
нейная деформация
должна составлять при тепловом расширении твердой фазы

0,18:3  0,06 %, или
0,6мм/м; при расширении твердой фазы и воды 0,78:3  0,26, или 2,6 мм/м.
Приведенные на рис.
5
.3 данные показывают, что на практике вследствие с
о
противления структуры бетона деформации всегда меньше.

При охлаждении в бетоне возникают
напряжения вследствие того, что обр
а
зовавшаяся структура препятст
вует его температурному сжатию. В результате
бетон не может уменьшиться до

первоначальных размеров, а воз
никшие вну
т
ренние напряжения постепенно релаксируются, но оказывают некоторое вли
я
ние
на его последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона,
особенно при испытании сразу же после охлаждения, а также его усадку.

Пористость в проц
ессе тепловой обработки увеличи
вается главным образом
за счет капиллярных пор, так как поры геля, обра
зующиеся при твердении ц
е
ментного камня, обычно появляю
тся и развиваются несколько поз
же, чем пр
о
исходит ос
новное расширение бетона при на
гревании. Кроме того, дополн
и
тельный объем, нео
бходи
мый для компенсации давления в порах геля, очень
мал
и обычно для
этого вп
олне достаточно объема пор, воз
никающих при ко
н
тракции цементного камня. Так как при пропаривании увеличивается объем к
а
пиллярных пор, то снижается морозостойкость и ухудшаютс
я дру
гие свойства
бетона. Применение жестких закрытых форм, ограничивающи
х расширение б
е
тона, способству
ет улучшению его качества.

Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает также процесс
теплообмена при тепловлажностной обработке. В этих
условиях в изделиях
возника
ют градиенты температур и влажности, под действи
ем которых влага и
газо
образная фаза перемещаются в бе
тоне, разрыхляя его структуру. В некот
о
рых случаях (при неправильных режим
ах тепловой обработки) влага мо
жет и
с
паряться из бе
тона, замедляя гидратацию цемен
та, оставляя сквозные капилл
я
ры, резко повышаю
щие проницаемость бетона и ухудшающие его долгове
ч
ность.

При тепловой обраб
отке надо стремиться, чтобы гра
диенты температуры и
влажности были минимальными
или во всяком случае ни
же предельных, при
которых на
чинается заметная деструкция бетона. Значения пре
дель
ных град
и
ентов зависят от прочности структуры бетона
к моменту начала нагрева и др
у
гих факторов и могут оп
ределяться опытным путем. Уменьшению деструкции
вследствие тепломассообмена способствует применение горячих бетонных см
е
с
ей, когда изделие формую
т из за
ранее разогретой до определенной температ
у
ры бетон
ной смеси.

Опыты подтверждают высказанные выше положения.
В табл.
5
.
5

приведены
данные Л.А. Малининой. Об
разцы из тяжелого бетона состава
1:1,87:2,77

при
В/Ц

 0,45 на белго
родском портландцементе пр
опари
вались при 80

°С по р
е
46


жиму 16 ч, а затем остывали вместе с камерой. Прогрев начинали через 1 ч
после изготовления образцов.

Несколько более высокая проч
ность пропаренных без деформаций (первая
строчка) образцов по сравнению с бетоном нормального твер
де
ния в возрасте
28 сут
. объясняется более глубокой гид
ратацией цемента при прогреве.

Опыты подтверждают большое влияние на структуру и прочность бетона
его теплового ра
сширения и тепло
массообмена. Для ориентировочных расчетов
можно при
нять, как и при нор
мальном твердении, что 1 % увеличения порист
о
сти снижает прочность бетона в возрасте 28

сут
.

на 5 %.

Таблица
5
.
5

Влияние условий тепловой обработки на степень развития деструктивных
процессов в бетоне

Условия твердения

Теплофизический пр
о
цесс

Прочность на
сжатие,
, МПа

Пористость
в возрасте
28 сут, %

тепловое
расшир
е
ние

внешний
массообмен

1 сут

28 сут

В термокомпенсир
о
ванной закрытой
форме, не изменя
ю
щей размеры при
нагреве

Отсутств
у
ет

Отсутствует



14,8

В зак
рытой форме

Огранич
е
но во всех
направл
е
ниях

Отсутствует



16,5

В открытой форме

Огранич
е
но в двух
направл
е
ниях

Имеется с
одной п
о
верхностью



17
,
6

В форме на поддоне

Не огран
и
чено

Не огран
и
чено



24,8

В пленке на поддоне

Не огран
и
чено

Практич
е
ски отсу
т
ствует



22,0

Твердение 28 сут
при 20
О
С в герм
е
тичной форме

Практич
е
ски отсу
т
ствует

Отсу
т
ствует




15,5

Проведенный анализ поведения бетона при прогреве позволяет наметить
т
ехнологические приемы, использо
вание которых обеспечивает повышение к
а
чества бетона в условиях

тепловой обработки (табл.
5
.
6
).

47


Наиболее распространенным видом тепловлажност
ной обработки является
пропаривание бетона. Прочность бетона после пропаривания определяется р
е
жимом пропаривания, видом и активно
стью цемента и составом бетона.

Таблица
5
.
6

Спос
обы снижения влияния деструктивных процессов в бе
тоне при подъеме
температуры

Технологический прием

Физическая сущность приема

Тепловлажностная обработка в
паровоздушной или паровой ср
е
де с избыточным давлением (в
автоклавах и напорных проп
а
рочных камерах
)

Создаваемое в паровоздушной среде давл
е
ние уравновешивает
избыточное да
в
ление,
возникающее
в бетоне, препятствует его
свобод
ному расширению, уменьшает
вну
т
ренний массообмен, уплотняет стру
к
туру
бетона в целом

Тепловая обработка в закр
ы
тых
металлических
формах

Ограничивает свободное тепловое расшир
е
ние бетона, устраняет внешний масс
о
обмен

Пропаривание с подъемом те
м
пературы в прогрессивно возра
с
тающем темпе или по ступенч
а
тому графику так, чтобы вну
т
ренние напряжения не пре
выш
а
ли прочности бетона в
данно
е
время

Избыточное давление, образующееся в б
е
тоне, компенсируется
внутриобъемным в
а
куумом; возни
кающим напряжениям прот
и
во
действует прочность сформировавше
й
ся
структуры бетона. В результате темпер
а
турные деформации прогреваемого бетона
не превышают темпе
ратурных деформаций
затвердевшего бетона

Предварительное выдерживание

Приводит к развитию контракционных я
в
лений и появлению на
чальной ©критич
е
скойª прочности
бетона, что способствует
сопротивлению бетона внутренним напр
я
жениям, возникающим при нагреве, и

их
уменьшению.

Тепловлажностная обработка в
среде с переменной относител
ь
ной влажностью

Уменьшает избыточное давление в
бетоне,
позволяет регулировать внешний и внутре
н
ний тепломассо
обмен.

Применение жестких хорошо
уплотненных бетонных смесей
и
все спос
обы ускорения твердения
бетонов в начальный период пр
о
грева (твердения)

Предварительный электро
-

и
п
а
роразогрев бетонной смеси
до
формования изделий

Ограничивает содержание воды и воздуха,
ускоряет рост прочности бетона и возни
к
новение контракционных явлен
ий.

Устраняет температурно
-
влажностный гр
а
диент по сечению изделий, ускоряет пр
о
цессы гидратации цемента.



48



Окончание таблицы 5.6

Технологический прием

Физическая сущность приема

Ограничение температуры нагр
е
ва, (например, ниже 80 °С)

Уменьшает расшир
ение составля
ющих б
е
тона, особенно газообразной фазы, которая
резко возрастает после 80 °С и тем самым
снижает избыточное давление в бетоне и
возникающее внутреннее давление

Обобщение опытных данных позволяет установить приближенную завис
и
мость прочности
бетона, пропарен
ного при оптимальном режиме, от водоц
е
ментного отно
шения (табл.
5.7
).

Таблица
5
.
7

Зависимость прочности пропаренного бетона от В/Ц

В/Ц

Прочность бетона, % от его марки

через 4 ч после пропар
и
вания

через 28 сут после пр
о
паривания

0,6 и бо
лее

0,4

0,5

Менее 0,4

60

65

65

70

70

85

85

95

95

105

100

110

Цементы средне
алюминатные с высоким содержани
ем алита показывают
относительную прочность на 0,05 выше предельных в табл.
5.7

значений. Пр
о
ектирование состава бетона обычно проводят в предположен
ии, что
бетон п
о
сле пропарива
ния набирает 70 % марочной проч
ности. Как показывает табл.
5.7
,
это может быть вполне достигнуто при правильном выборе режима твердения.

При необходимости получения после пропаривания
100 %
-
ной прочности
сл
едует проектировать с
остав бето
на более высокой марки, что вызывает ув
е
личение рас
хода цемента, поэтому получение 100

%
-
ной прочности бетона
должно назначаться только в исключительных случаях, например для нару
ж
ных конструкций, изготов
ляемых и вводимых в действие в зимний пери
од.

Предварительная

выдержка бетона до тепловой об
работки повышает коне
ч
ную прочность бетона, позволя
ет применять более форси
рованные режимы, что
сокра
щает длительность тепловой обработки. Обычно для бетонов из подви
ж
ных смесей рекомендуется выдержка в теч
ение 3

6 ч, из жестких смесей


не
менее 2

3 ч, а из особо жестких


1

2 ч. Чем выше марка бетона и ниже
В/Ц,
тем короч
е предварительная выдержка. Вве
дение добавок


ускорителей тве
р
дения сокращает, а поверхностно
-
активных добавок удлиняет предваритель
ную

выдержку. Например, при введении в бетон до

0,2

% СДБ предварительную
выдержку увеличивают до 4

6 ч.

Предварительная выдержка необходима при прогреве изделий без форм или
с большой открытой поверхностью.

Если изделия находятся в герметичных формах или в к
ассетах, где металл
и
ческая, закрытая со всех сторон форма препятствует температурному расшир
е
нию бетона, то предварительной выдержки не требуется, и допустим быстрый
49


подъем температуры. Более того, в
формах сложной конструкции с большим
количеством
закладн
ых деталей немедленный прогрев бетона сразу же после
формования полезен, так как иначе усадочные яв
ления

и деформации металла
форм при
прогреве могут
вызвать появление в изделии трещин.

Скорость нагрева бетона зависит от состава бетона, конструкции форм, в
ида
изделия и других факторов.
Она должна быть такой, чтобы свести к минимуму
де
структивные процессы. Обычно для тонкостенных изде
лий скорость подъ
ема
температуры не должна превы
шать 25 °С/ч, для более массивных изделий


20

°С/ч. Для изделий из жестких с
месей с низким
В/Ц
(менее 0,45) скорость
подъема температуры может составлять 30

35 °С/ч, для издел
ий в закрытых
металлических фор
мах


40

60 °С/ч. Получение бетона хорошего качества
обеспечивают ступенчатые режимы или ре
жимы с про
грессивно возрастающей
ск
оростью. В первом случае за
1

1,5 ч температуру поднимают до 35

40 °С,
выдержи
вают изделия при этой температуре в течение 1

2 ч, а затем за 1

ч
поднимают температуру до температуры изотермического прогрева. Во втором
случае в первый
час температуру подним
ают до 10

°
С, во второй


на
15
…20

°С, в последующие часы


на 20

30 °С и так до
максимальной.

Оптимальной темп
ературой изотермического прогре
ва для бетона на пор
т
ландцементе является температу
ра 80

85 °С. Дальнейшее повышение темпер
а
туры не
приводит к рос
ту прочности бетона, хотя и мо
жет не
сколько ускорить
его твердение в первые часы. При этом замедляется рост прочности после пр
о
паривания, в

результате пропаренный бетон в возрасте 28 сут
.

имеет
меньшую
прочность, чем бетон нормального твердения.

Для бетоно
в на шлакопортландцементе и пуццолановых цементах опт
и
мальной является температура 90

95

°С.

На рис.
5
.4 приведены графики ориентировочных за
висимостей относител
ь
ной прочности бетона от темпера
туры и длительности изотермического прогр
е
ва. По гра
фикам можн
о назна
чать продолжительность изотерми
ческого прогр
е
ва. Скорость остывания бетона обычно не
должна превышать 30

°С/ч, выгр
у
жать изделия из про
парочной камеры желательно при перепаде температур
между поверхностью бетона и окружающей средой не
более 40 °С, т
ак как ин
а
че в изделии могут возникнуть
значительные деформации. После тепловой о
б
работки
изделия выдерживают в цехе в течение 4

6 ч для осты
вания.

Для получения морозостойких бетонов следует при
менять более мягкие р
е
жимы: увеличивать предварительную выдер
жку, подъем температуры пров
о
дить со ско
ростью 10

15

°С/ч, у
меньшать температуру изотермиче
ского пр
о
грева до 60

80 °С; понижать температуру бетона со скоростью не более
10

15

°С/ч.

50




Рис.
5
.4
.

Кривые нарастания прочности портландцемента (а) и шлакопор
т
ландцемента (б) при пропарива
н
ии (цифры на кривых обозначают температуру
в °С изот
ермической выдержки)


Рис.
5
.5.

Влияние времени выдер
ж
ки
t

на изменение подвижности гор
я
чих бетонных смесей на цементах: 1


низкоалюминатных; 2


среднеалюм
и
натных; 3


высокоалюминатных


Для устранения вре
дного влияния на структуру бето
на температурного ра
с
ширения составляющих при на
греве и для некоторого сокращения продолж
и
тельности
тепловой обработки в последнее время на

некоторых за
водах практ
и
куют предварительный разогрев бетона эле
ктрическим током или паром и фо
р
мование изделий
из горячих бетонных с
месей. При этом резко уменьшают
ся
температурные гради
енты в теле изделия, что способ
ствует повышению кач
е
ства бетона. В

некоторых случа
ях можно после горячего формования огран
и
читься тер
м
осным выдерживанием, в других


применить более
сокращенный
режим прогрева для получения требуемой
прочности.

Для прогрева бетонной смеси требуется следующее ориентировочное кол
и
чество тепла:

,




(5.6)

где
Q



количество тепла, кДж;
V



объем разогреваемой бетон
ной смеси, м
3
;
γ



плотность бетонной смеси, кг/м
3
;
с



удельная
теплоемкость бетонной смеси,
ориентировочно принимаемая 1,05 кДж/(
кг·°С);
Т
К

конечная температура раз
о
грева (обычно 80

90 °С), но иногда и меньшая, если бетон нагревается до б
о
лее высоких температур уже непосредственно в форме,
°
C
; Т
Н



начальная те
м
пература бетонной смеси,
°
С.

Экзотермией цемента при быстром начальном р
азогреве можно пренебречь.
В среднем для разогрева 1 м
3
бетонной смеси требуется примерно 125

170 Дж.

51


При разогреве смеси электрическим током требуемая мощность
Р,
Вт, опр
е
деляется по формуле
:

,
(
5.7
)

где
t



продолжительность разогрева, ч.

При разогреве бетонная смесь загустевает. На рис.
5
.5 показана зависимость
загустевания бетонной смеси от времени выдержки ее до укладки
. Наиболее
заметно
густеют смеси на в
ысокоалюминатных цементах. Соот
ветственно и
з
меняются и сроки схватывания бетона.
Кроме того, для получения заданной п
о
движности необ
ходимо увеличивать расход воды на 10

15 %. Это, хотя
и в
меньшей мере, чем

в обычных см
есях, снижает проч
ность бетона. Для сохран
е
ния заданной прочности бето
на приходится несколько повышать расход цеме
н
та.

Применение комплексных добавок, состоящих из
компонентов, способств
у
ющих ускорению разогрева и
твердения, а также пластифицирующих бетонн
ую
смесь, позволяет в ряде случа
ев получить бетоны с тем же рас
ходом цемента,
что при обыч
ном изготовлении
изделий.

Нарастание прочн
ости горячих бетонных смесей за
висит от температуры
разогрева и выдерживания, водо
цементного отношения и других факторов.
Об
ычно рост прочности предварительно разогретого бетона в раннем
возрасте
происходит более быстро, чем при пропарива
нии, а затем выравнивается и при
обычно применяемых
режимах, когда требуется получить 70 % марочной
про
ч
ности, сокращени
е продолжительности те
пловой об
работки при горячем форм
о
вании не превышает 10

15 % (с учетом применения бетонов повышенной вод
о
потребности).

5.3
.

Твердение бетона при отрицательных температурах

При пониженной
температуре прочность бетона на
растает медл
еннее,
чем
при нормальной. При темпера
туре бетона ниже 0

°С

твердение практически
прекраща
ется, если только в
бетон не добавлены соли, снижаю
щие точку з
а
мерзания воды. Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший, после оттаив
а
ния продолжает твер
деть, приче
м, если он не был поврежден замерзающей в
о
дой в самом начале

твердения, прочность его посте
пенно нарастает (рис.
5
.6).
Интенсивность нарастания
прочности зависит от температуры среды. Повыш
е
ние температуры ускоряет
твердение бетона, особенно в ус
ловиях вла
жной ср
е
ды. Прочность бетона в возрасте до 28 сут
.
, твердеющего при температурах
5
…35

°С, может быть приблизительно определена по табл.
5
.
8
.

Бетон, укладываемый зимой, должен приобрести прочность, достаточную
для распалубки, частичной нагрузки или даже для

полной загрузки сооружения.
За
мерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой зна
чительное понижение
его прочности после оттаивания и
в процессе дальнейшего твердения по сра
в
нению с нор
мально твердевшим бетоном. Это объясняется тем, что свежий б
е
тон
насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи
между поверхностью за
полнителей и слабым цементным камнем. Прочность бе
-
52


тона тем ближе к нормальной, чем позже он был замо
рожен. Кроме того, из
-
за
раннего замораживания значи
тельно умен
ьшается сцепление бетона со стал
ь
ной арма
турой в железобетоне.


Рис.
5.6
.

Относительная прочность
R
Б

бетона в зависимости от его возра
с
та
t

в момент замораживания (В/Ц 
0,6): 1


бетон не
замороженный; 2


бетон, замороженный в возрасте 7 сут;

3


то же, 3 сут; 4


то же.
1 сут; 5


то
же, 6 ч.

При любом способе

производства работ бетон следу
ет предохранить от з
а
мерзания до приобретения им ми
нимальной (критической) прочности, которая
обесп
ечи
вает необходимое сопротивление давлению льда и сохра
нение в посл
е
дующем при положительных температурах способности к твердению без знач
и
тельного ухудшения
основных свойств бетона (табл.
5
.8).

Таблица
5
.
8

Относительная прочность бетона на портландцемен
те сред
ней марки в ра
з
ные сроки твердения при разных температурах

Сроки твердения,

сут.

Средняя температура твердения,
°
С

5

10

15

25

35

3

5

7

10

15

28

0,15

0,25

0,35

0,45

0,55

0,80

0,20

0,32

0,44

0,52

0,65

0,92

0,30

0,45

0,60

0,70

0,80

1,00

0,37

0,54

0,70

0,77

0,85

1,05

0,45

0,60

0,72

0,77

0,85



При использован
ии быстротвердеющего высокопроч
ного цемента необх
о
димое время выдерживания сокра
щается примерно в 1,5 раза. Если к бетону
предъявляют
ся высокие требования по водонепроницаемости и моро
-
зостойко
сти, то его следует предохранять от замерзания до достижения маро
ч
ной прочности, так как заморажи
вание при минимальной прочности, не сказ
ы
ваясь замет
но на прочности бетона

при сжатии, может несколько на
рушить
структуру и ухудшить его особые свойства.

При б
етонировании зимой необходимо обеспечить
твердение бетона в те
п
лой и влажной среде в течение срока, устанавливаемого в зависимости от з
а
данной

прочности.



53


Таблица
5.9

Минимальная прочность, которую должен приобрести бетон к моменту з
а
мерзания

Класс (марка
)

бетона

Минимальная прочность, не
менее

Время выдерживания б
е
тона на порт
ландце
менте
при 15

20 °С, сут

% от R
28

МПа

В7,5 (М100)

В15 (М200)

В22,5 (М300)

В30 (М400)

В40 (М550)

5,0

4,0

3,5

3,0

2,5

5,0

7,0

10,0

12,0

12,5

5

7

3

5

2

2,5

1,5

2

1

2

Это дости
га
ется двумя способами: 1) исполь
зованием внутреннего
запаса
тепла бетона; 2) дополни
тельной подачей бетону тепла извне, если внутреннего
тепла недостаточно.

При первом спос
обе необходимо применять высоко
прочный и быстротве
р
деющий портландцем
ент, исполь
зов
ать

ускорители твердения цемента

хлористый кальций и др., уменьшать количество воды в бетонной смеси, вводя
в нее пластифицирующие воздухововлекающие добавки. Все это даст возмо
ж
ность ускорить сроки твердения бетона при возведении сооружений и до
бить
ся
то
го, чтобы бетон приобрел достаточную прочность перед замораживанием.

Внутренний запас тепла в бетоне создают путем по
догревания материалов,
составляющих бетонную смесь; кроме того, в твердеющем бетоне тепло выд
е
ляется при химической реакции, происходящей
между цементом и водой (экз
о
термия це
мента). В зависимости от массив
ности конструкций и температуры
наружного воздуха
подогревают или воду для бетона (до 90

°
C
), или воду и
з
а
полнители


песок, гравий, ще
бень (до 50 °С). Бетон
ная смесь при выходе из
бетоно
смесителя должна иметь температуру не выше 40 °С, так как при более
высокой температуре она быстро густеет. Минималь
ная темпе
ратура бетонной
смеси при укладке в массивы должна быть не ниже 5 °С,
а при укладке в тонкие
конструк
ции


не ниже 20 °С.

В последн
ее время применяют новый способ


электроподогрев бетонной

смеси в специальном бункере не
посредственно перед укладкой в конструкцию.
В этом случае электрический ток пропускают через бетонную смесь и разогр
е
вают ее до 50

70 °С.

Разогретую смесь надо сразу
же укладывать и уплотнять, так как она быстро
густеет.

В процессе твердения цемент выделяет значительное количество тепла. Эт
о
тепло выделяется главным обра
зом в первые 3

7 сут
.

твердения. Чтобы сохр
а
нить теп
ло в бетоне на определенный срок, необходимо пок
рыть
опалубку и все
открытые части бетона хорошей изоляцией (матами из минеральной ваты, п
е
нопласта, опилками,
шлаком и
т.д.),

толщина которой определяется тепло
-
техническим расчетом.

54


Этот способ зимнего бетонирования называют способом термоса, так как
под
огретая бетонная смесь твердеет в условиях теплои
золяции. Применение
данного спо
соба рационально, если тепло, необходимое для его пер
-
воначального твердени
я, сохраняется в бетоне по край
ней мере 5

7 сут. Это
возможно только при массивных
или тщательно изол
и
рованных средних по
толщине кон
струкциях, имеющих отношение охлаждающейся поверх
ности б
е
тона к его о
бъему, так называемый модуль по
верхности, не более 6.

Конструкции более
тонкие или со слабой теплоизоля
цией, а также возвод
и
мые при очень сильных морозах
следует бетонировать
с подачей тепла извне.
Существу
ют три разновидности

этого способа. Первая разновид
ность


обогрев
бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой, окружающей бетон,
или по трубам, находящимся внутри
бетона или установленным в опа
луб
ке.
Обычная температура пара 50

80 °С. При этом бетон твердеет быстро, дост
и
гая в течение 2 сут
.

такой
прочности, которую он
приобретает через 7 сут. при
нор
мальном твердении.

Вторая разновидность


электропрогрев, который осуществляют, пропуск
ая
через бет
он электрический пе
ременный ток. Для
этого стальные пластинки


элек
троды, соединенные с

электрическими проводами, укла
дывают сверху или
с
боковых сторон конструкции бето
на в начале его схватывания. При электр
о
подогреве

в ко
лонне или балке в бе
тон закладыв
ают продольные элек
троды или
вбивают ко
роткие стальные стержни для при
соединения проводов. После з
а
твердения бетона высту
пающие концы этих стержней срезают. Пластинчатые
электооды применяют главным образом для подогрева плит и стен, продольн
ые
электроды и
поперечные корот
кие стержни


для балок и колонн.

В начале подогрева

обычно подается ток низкого на
пряжения (50

60
В),

получаемый путем трансформиро
вания обычного тока
220 В. Сырой бетон при
пропуска
нии тока разогревается

и затвердевает. По мере затвер
дени
я бетона
его эле
ктрическое сопротивление возрас
тает и напряжение приходится пов
ы
шать. Нагревать бе
тон следует медленно, чтобы избежать высушивания и
поя
в
ления в нем трещин (повышать температуру нужно не более чем на 5 °С в
час),
и доводить температуру бе
то
на до 60 °С. При этих условиях бетон в течение
36

48

ч твердения приобретает прочность, не меньшую, чем за 7 сут
.

но
р
мального твердения. При бетонировании
массивных сооружений зимой целес
о
образно применять
электропрогрев только поверхностного слоя бетона (
так
называемый перифери
йный электропрогрев), чтобы пре
дохранить его от пре
ж
девременного замерзания.

Третья разновидно
сть бетонирования с подачей теп
ла


обогрев воздуха,
окружающего бетон. Для этого устраивают фанерный

или брезентовый тепляк,
в кото
ром уст
анавливают в
ременные печи, специальные газо
вые горелки (при
этом

нужно строго соблюдать противо
пожарные правила)
, воздушное отопл
е
ние (калорифе
ры) или электрические отражательные печи. В тепляках ставят
сосуды с водой, чтобы создать влажную среду для
тверд
ения, или поливают б
е
тон. Этот способ дороже предыдущего и применяется при очень низких темп
е
ра
турах, малых объема
х бетонирования, а также при от
делочных работах.

55


Кроме описанных

выше способов зимнего бетониро
вания, требующих под
о
грева составляющих бетона

или
самого бетона, в нашей стране применяют х
о
лодный способ зимнего бетонирования, при котором материалы не подогрев
а
ют, но в воде для приготовления бетона растворяют большое количество солей:
хлори
стого каль
ция (СаС
l
2
), хлористого натрия (
NaC
l
), нитрита
натрия
(
NaN
О
3
), поташа (К
2
СО
3
). Эти соли снижают точку за
мерзания воды и обесп
е
чивают твердение бетона на мо
розе, хотя и очень медле
нное. Количество соли,
добавлен
ное в бетон, зависит от ожидаемой средней температуры
твердения б
е
тона (табл.
5
.
10
).

Бетонная

смесь с добавкой поташа быстро густеет и
схватывается, что з
а
трудняет ее укладку в опалубку.

Для сохранения удобоукдадываемости бетонной смеси с поташом в нее д
о
бавляют сульфитно
-
спиртовую барду
или мылонафт. Для приготовления бето
н
ной смеси с про
тивоморо
зными добавками можно использовать холодные з
а
полнители, укладывать бетонную смесь с температурой до


5 °С.

Прочность бетона на портландцементе с добавками, твердеющего на морозе,
может быть определена ориентировочно по табл.
5
.1
1
. Бетон с добавкой нитр
и
т
а натрия при температуре


5 °С твердеет медленнее, а при температуре ниже


10 °С


почти так же, как бетон с добавкой хлористых солей.

Способ зимнего бе
тонирования с применением проти
воморозных добавок
пр
ост и экономичен, но большое ко
личество соли, ввод
имой в бетон, может
ухудшить струк
туру, долговечность и некоторые особые свойства. При эксплу
а
тации конструкции во влажных условиях имеется
опасность коррозии ар
матуры
от действия хлористых со
лей (нитрит натрия и поташ коррозии не вызывают).

Таблица
5
.
10

Р
екомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне (в расчете
на безводную соль)

Температура твердения
бетона, °С, до

Содержание добавок в бетоне, % от массы цемента

NaCl + CaCl
2

NaNO
3

К
2
СО
3



5



10



15



20



25

30 или 03

3,5 + 1,5

3,5 + 4,5





4

6

6

8

8

10





5

6

6

8

8

10

10

12

12

15






56


Таблица
5
.1
1

Прочность бетона с противоморозными добавками,
% от
R
28

Добавка

Температура
твердения бет
о
на,
°
С

Относительная прочность бетона, %
от R
28
, при твердении на морозе, сут

7

14

28

Хлористые с
оли



5



10



15

36

26

15

65

35

25

80

45

35

Поташ



5



10



15



20



25

50

30

25

22

20

65

50

40

35

30

75

70

60

55

50

Кроме того, образующиеся в процессе твердения бетона с добавками едкие
щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содерж
а
щимся в
некоторых за
полнителях, и вызыв
ать коррозию бетона, поэтому бе
тон с прот
и
воморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных ко
н
струкциях, в конструкци
ях, предназначенных для эксплуатации во влажных ус
-
ловиях, при наличии реакционноспо
собного кремнезема в зернах заполнителя,
а бетон с хлористыми солями


в железобетонных конструкциях.

Для различных расчетов по зимнему бетонированию (определение времени
остывания бетона, требуемых свойств теплозащиты, средней температуры б
е
тона и др.) ши
роко используют уравнение теплового баланса:

,




(
5
.
8
)

где
t



продолжительность остывания, ч;
Т
Б.Н.



температура свеже
уложенного
бетона;
Т
Б.К.



темпер
атура

бетона, до которой продол
жается его остывание (для
бетон
а без добавки в расчетах термос
ного выдерживания обычно принимают
Т
Б.К.

 0°С);
Ц


расход це
мента, кг/м
3
;
Э


тепловыделение цемента, кДж/кг;
k



коэффици
ент теплопередачи от бетона через опалубку в

окружающую среду,
кВт/(м
2
·°С);
М


модуль поверхности конструкции:
М 
F
:
V
,
м
-
1
;
Т
Б.СР.



сре
д
няя температура бетона за период остывания;
Т
В.СР.



средняя температура во
з
духа за период остывания (по прогнозу погоды).

Коэффициент теплопередачи определяют п
о формуле






(
5
.
9
)

где
h
i



толщина каждого слоя изоляции, м;
λ
i



теплопроводность
изоляционн
о
го слоя, кВт/(м·ч·°С).

Теплопроводность для стали 58, для сосны 0,175, для снега 0,35 Вт/(м·°С).
Если опалубка возд
ухопроницае
ма, в ней имеются щели и неплотности, то зн
а
чение ко
эффициента теплопередачи увеличивается в 1,5

2,0 раза.

57


Тепловыделение портландцемента в возрасте 28 сут
.

примерно составляет:
для марки 500



500 кДж/кг, мар
ки 400



420, марки 300



340 кДж/кг
. Шлак
о
портландцемент и пуццолановый цемент выделяют теплоту на
15

20 % мен
ь
ше. Для ориентировоч
ных расчетов при
нимают тепловыделение цемента к
определенному сроку
пропорционально его относительной прочности. Напр
и
мер, для цемента марки 400 тепловыделение
к возрасту 7 сут
.

при нормальном
твердении составит 0,6·420  252 кДж/кг.

Среднюю темпера
туру бетона ориентировочно опре
деляют в зависимости от
модуля поверхности:

при
М
8
Т
Б.СР.

=
Т
Б.Н.

/
2;

при
М

�8

Т
Б.СР.

=
Т
Б.Н.

/ 3.

Более точные теплотехнические ра
счеты для зимнего бетонирования в
ы
полн
яются на основе современной тео
рии тепло
-

и массообмена с использов
а
нием ЭВМ.

6
.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕТОНА

6
.1
.

Экономический аспект

Постоянная и эффективная эко
номия материальных, энергетических

и тр
у
довых ресурсов в производстве бетона и железобетонных конструкций

и изд
е
лий является важнейшей народнохозяйственной задачей. На ее решение напра
в
лены правильный выбор матери
алов для бетона, определение оп
тимального с
о
става бетона, рациональная организация его производства.

Заданные свойства
бетона должны обесп
ечиваться при минимальном расход
е материальных, эне
р
гетических и трудовых ресурсов.

Наиболее дорогим и энергоемким

компонентом бетона является це
мент.
Расход усл
овного топлива на произ
водство портландцемента М400 со
ставляет
около 280 кг/т, М600
-

345 кг/т, в т
о время как на производство при
родных з
а
полнителей расходуется 3
...
6 кг/м
3

и искусственных легких заполнителей
90
...
130

кг/м
3

условного топ
лива, поэтому экон
омия цемента


важнейшая зад
а
ча технологии бетона. П
рименяя различные способы эконо
мии цемента, можно

сократить расход цемента на 10
...25

% по сравнению

со средними статистич
е
скими

данными для рядовой технологии
.

Наиболее реальные способы экономии цемента
следующие: правильный в
ы
бор цемента в зависимости от прочности бетона и условий эксплуатации; введ
е
ние в бетон суперпластификаторов, пластифицирующих, воздухововлекающих
и комплексных добавок, уменьшающих водопотребност
ь

бетонной смеси (ос
о
бенно эффективно

применение добавок в производстве высокопрочных и мор
о
зостойких бетонов); применение бетонных смесей с минимально допустимой по
условиям формования изделий и конструкций подвижностью (для производства
сборного железобетона, как правило, жестких и малоподв
ижных смесей); пр
и
менение чистых заполнителей опти
мального зернового состава и максимальной
крупности, допустимой из условий бетонирования конструкций; выбор опт
и
58


мального соотношения м
еж
ду песком и щебнем с учетом их свойств,

расхода
цемента, условий формо
вания и последующей эксплуатации издел
ий; использ
о
вание способов акти
вации цемента и бетонной смеси; применение микронапо
л
нителей, в том

числе золы, молотого шлака и другого вторичного сырья пр
о
мышленности

для бетонов невысокой прочности; использование спо
собов уд
а
ления из
лишней воды из бетона в процессе формования изделий (гидропресс
о
вание,

вакуумирование и др.); рациональный выбор режимов твердения бетонов
с

учетом свойств используемого сырья и условий производства, в частности,

окончание тепловой обра
бот
ки при достижении бетоном 50
...60

% про
ект
ной
прочности и использование последующего роста прочности, который в

этом
случае проходит более интенсивно, чем после длительного прогрева;

повыш
е
ние однородности бетона и всле
дствие этого уменьшение требова
ний к
средней
прочности бетона; назначен
ие требований к прочности и дру
гим свойствам б
е
тона с учетом реальных сроков строительства и роста

прочности во времени, в
частности устан
овление заданной прочности бето
на по его прочности в возрасте
90 и 180 сут
.
; своевре
менная корректировка

состава бетона и режимов технол
о
гичес
ких операций при изменении усло
вий производства с целью обеспечения
минимального расхода цемента в

любых условиях.

В табл.
6
.1 приведены данные по

относительному изменению расхо
да цеме
н
та разных мар
ок в бетоне без добавок и с суперпластификаторами.

За едини
ч
ный показатель принят расход цемента 315 кг/м
3

в бетоне прочно
стью 30

МПа
на цементе М400, необходимы
й для получения подвижной бе
тонной смеси
(осадка конуса 1...3 см, предельная крупность щебня 20

мм).

Повышение марки
цемента, жесткости с
меси или введение суперпластифи
каторов позволяет зн
а
чительно уменьшит
ь расход цемента. При этом необ
ходимо учитывать, что во
з
можное снижен
ие расхода цемента ограничивает
ся требованием получения
плотн
ого бетона. Для

условий табл. 6
.1

мини
мально допустимое снижение о
т
носительного расхода цемента составит

0,
64, для достижения большей экон
о
мии необходимо применен
ие микроза
полнителей.

Таблица
6
.
1

Относительные показатели расхода цемента в бетонах

Бетонная смесь

Относител
ьный показатель расхода цемента

в бетонной смеси без

добавки

в бетонной смеси с

суперпл
а
стификатором

при марке цемента

400

500

600

400

500

600

Жесткая

0,77

0,66

0,59

0,6

0,52

0,45

Подвижная

1

0,85

0,76

0,77

0,66

0,59

Литая

1,27

1,09

0,97

1

0,85

0,85

Важное значение имеет правильное

назначение класса бетона. Завы
шение
его, что иногда имеет место в связи с неблагоприятными условиями

последу
ю
щего твердения или для передачи усилий преднапряжения на горячий бетон, в
е
59


дет к перерасходу цемента. Расход
цемента М400 в бетоне

прочностью 30

МПа
по сравнению с бетоном прочностью 20 МПа возр
аста
ет на 31

%, 40 МПа


на
64

%, 50 МПа


на 102

%. Окончательное суждение о
т
правильности принятого
решения требует
, однако, учета различных факто
ров, а не только расход
а ц
е
мента на 1 м
3

бетона. Применение бетона высо
кой прочности позволяет умен
ь
шить раз
меры некоторых изделий и тем са
мым снизить расход бетона на их и
з
готов
ление, шире использовать предва
рительное напряжение арматуры. В этом
случае необходимо учитывать рас
х
од цемента на единицу чистой продукции, а
также принимать во внимание

другие положительные факторы, полученн
ые за
счет применения более лег
ких и прогрессивных конструкций.

При выборе решений необходимо

учитывать как интересы конкрет
ного пр
о
изводства, так и

общий народнохозяйственный эффект. Повышение

марки ц
е
мента ведет к снижению его расхо
да в бетоне, однако цемент высо
ких марок
производит ограниченное коли
чество заводов. Применение этого
цемента для
бетонов низких и в ряде случаев даже для средних марок н
е

только может пр
и
вести к его нерациональному использованию из
-
за невозможности значительн
о
го снижения расхода цемента ввиду необходимости

обеспечения плотности б
е
тона, но вызывает резкое увеличение средней

дальности перевозок цемента, п
о
требно
сти в вагона
х, излишнее расшире
ние складского хозяйства на заводах
сборного железобетона. В результате

экономический эффект, полученный за
счет снижения расхода цемента, не

покрывает возросших транспортных и др
у
гих расходов. С точки зрения

обеспечения максимального на
родно
-
хоз
яйственного эффекта целесообраз
но разумно использовать в обычных бет
о
нах рядовые марки цемента, одно
временно широко применяя суперпластифик
а
торы и другие химические до
бавки, качественные местные заполнители и рац
и
ональную технологию бе
тона. Цемент

высоких марок применяют в высок
о
прочных и специальных

бетонах при соответствующем технико
-
экономическом
обосновании.

На долю цемента приходится бол
ьшая часть суммарных энергетиче
ских з
а
трат в производстве бетона. В среднем на производство
1
м
3

тяжело
го бе
тона
расходуется
110...21
0

кг условного топлива: из них
65
...75

%

топлива необх
о
димо на производство цемента,
2...3

%

топлива расходует
ся на получение з
а
полнителя, 10...15

%



на различные технологические

операции по изготовл
е
нию бетона и железобетонных из
делий, 13...18

%


на

тепловую обработку и
з
делий. Суммарный расход топлива увеличивается в

основном из
-
за повышения
расхода цемента
, так как расход топлива на дру
гие нужды практически измен
я
ется мало, составляя в среднем
40...50
кг/м
3
.

Возможное изменение
средних
энергозатрат на производство бетона по
каза
но в табл.
6
.2 (при применении п
о
движных бетонных смесей).




60


Таблица
6
.2

Зависимость энергозатрат на производство бетона от его марки
и вида цеме
н
та

Вид цемента

Средние затраты условного топлива, кг,

пр
и
хо
дящиеся на долю цемента

Прочность бетона, МПа

20

30

40

50

Портландцемент

70

95

130

165

Портландцемент с активными

минеральными добавками

65

90

130

175

Шлакопортландцемент

45

60

80

105

Энергозатраты на производство бетона сокращаются с понижением

его
ма
р
ки и особенно при применении шлакопортландцемента. Портландцемент с м
и
неральными добавками эффективен в бетонах низких и средних

марок. Необх
о
димо также учитывать, что при применении этого цемента и

шлакопортландц
е
мента значительно уменьшается расход кл
инкера
, наибо
лее дорогостоящего и
энергоемкого компонента цемента, например, расход

клинкера на производство
1

м
3

бетона прочностью 30 МПа составляет при

применении портландцемента
290
...35
0 кг (при разной подвижности бе
тонной смеси), а при применении шл
а
к
опортландцемента


165...235 кг.

Соответственно 1 т клинкера в первом случае
обеспечивает производство

2,85...3,45

м
3
, а во втором


4,25
...6,05

м
3

бетона.

В легких бетонах при применении

искусственных пористых заполни
телей,
на производство которых расходу
е
тся значительное количество топ
лива, во
з
растают общие энергетические затраты на производство бетона на

10...15

% и
относительная доля энергетических затрат, расходуемых на

производство з
а
пол
нителей, увеличивается до 20
...50

% при соответствую
щем уменьшени
и о
т
носительных затрат
на цемент и технологические опе
рации. В производстве
легкого бетона д
ля снижения суммарных энергозат
рат помимо рассмотренных
выше способов экономии цемента особо важное

значение имеет применение
менее энергоемких заполнителей, наприм
ер,

термозита (вспученного шлака),
природ
ных легких заполнителей, пориза
ции бетонной смеси.

Проведение мероприятий, направленных на экономию цемента, способств
у
ет снижению суммарных энергети
ческих затрат в производстве бе
тона, более
рациональному использов
ан
ию материальных ресурсов. Сниже
ние энергозатрат
достигается также при сокращении продолжительности

прогрева бетона, разу
м
ном снижении требований к отпускной прочности

бетона (с учетом роста про
ч
ности в последующем), применении к
омплекс
ных добавок, содерж
ащих ускор
и
тель тв
ердения и пластификатор, исполь
зовании пропарочных камер с мин
и
мальными теплопотерями.

Значительное и снижение материальных и энергетических затрат

можно п
о
лучить при использовании в производстве бетона втори
чного сы
рья промы
ш
ленности (зо
л, шлаков) и малоэнергоемких вяжущих (гипсовых

и др).

Необходимо всемерно бороться с потерями цемента на производстве.

Эти
потери возникают из
-
за применения горячего цемента с признаками

ложного
61


схватывания, неудовлетворительной организации транспорта и

ск
ладирования
цемента, смешивания цем
ента разных марок, низкого каче
ства нерудных мат
е
риалов, несовершенства формовочного оборудования и

изготовления изделий с
завышенной толщиной. Четкая орган
изация произ
водства позволяет сократить
непроизво
дительные потери

и сэкономить до
10 % цемента в год.

Для сокращения трудовых затрат в производстве бетона и сборных

желез
о
бетонных изделий решающее значение имеют широкая механизация

и автом
а
тизация технологических операц
ий, использование роботов, мани
пуляторов и
управляющ
их автоматичес
ких комплексов. Для более рацио
нального произво
д
ства необходимо пр
именение бетонных смесей с хоро
шей удобоукладываем
о
стью, химически
х добавок, особенно суперпластиф
икаторов и комплексных д
о
бавок на их
основе, применение для производ
ства ряда
изделий литых бетонных
смесей.

В современных условиях имеет
ся широкий выбор средств и меро
приятий,
обеспечивающих экономию мат
ериальных, энергетических и тру
довых ресурсов
в технологии бетона и сборного железобетона. Всемерная

экономия всех видов
ресурсов
-

задача раз
носторонняя, и ее решение требу
ет комплексного подхода,
высокой орган
изованности действий всех участ
ников производственного пр
о
цесса.

6
.2
.

Экологический аспект

В последние годы вопросы экологии стали важнейшими проблем
ами

чел
о
вечества, так как развивающееся п
ромышленное производство, транс
порт и
энергетика резко увеличили нагрузку на природную среду. Т
р
ебует

специал
ь
ных мероприятий борьба с вредными выбросами; возрастают объемы техноге
н
ных отходов, так как только незнач
ительная часть природных

ресурсов превр
а
щается в конечную прод
укцию, а основная становится от
ходом; для экологич
е
ской безопасности требуется повышенный контроль за

качеством материалов и
производственным процессом.

Бетон и железобетон обладают

большими пот
енциальными возмож
ностями
для защиты природы и среды
обитания человека от вредных по
следствий его
деятельности. В бетоне успешно используются техногенныеотходы различных
производств.

Экологическая оценка эффективности применения различных видов

бетона
вклю
чает экологическую оценку воздействия на окружающую среду

процесса
добычи природного сырья или

использования техногенных отхо
дов, оценку
экологической безопасности

производства, оценку эксплуата
ционных характ
е
ристик, включая долгове
чность, оценку возможнос
ти пере
работки и повторного
использования при выводе из эксплуатации здания

или сооружения, где этот б
е
тон был использован.

Наиболее широко в технологии бетона используются техногенные

отходы
металлургии и энергетик
и: шлаки, золы, микрокремнезем
. Отходы хи
мической,
нефтехимической и лесоперерабатывающей

промышленности используются в
62


производстве различных химических д
о
бавок. Отходы деревопереработки и
с
пол
ьзуются при изготовлении арболи
та и других строительных изделий. Отх
о
ды горноперерабатывающей про
мышленн
ости используются в качестве песка и
щебня.

В последние годы резко возрос объем строительных отходов от разборки
зданий и сооружений, отслуживших

свой срок. После разборки стро
ительные
изделия и конструкции дробятся на специальных установках. Из

них отделя
ется
арматура, которая направл
яется в переработку на металлур
гические предпри
я
тия.

Из каменной части зданий и кон
струкций получают щебень различ
ных
фракций: 5...10 мм, 10...20 мм, 20...40 мм, 40...80 мм. Щебень из бетона

по др
о
бимости соответствует марке

400, морозостойкость щебня 100 циклов. Свойства
щебня зависит от свойств и возраста исходного бетона, так

как он представляет
собой неоднородную

смесь, состоящую из фрагментов
конгломератов: цемен
т
ного камня, крупног
о и мелкого заполнителя, исполь
зованных

при изготовлении
исходного бетона. Такое строение заполнителя

оказывает влияние на структуру
и свойств
а бетонных смесей, приготавлива
емых с его применением. Водоп
о
требность
заполнителей (табл. 6.3) оказы
вается выше, чем при использовании
природного сырья
(за счет наличия

включений цементного камня).

Таблица
6
.3

Водопотребность заполнителей от разборки зданий

Размер фракций

Водопотребн
о
сть,

%

0

5

12,8

5

10

10,1

10

20

8,2

20

40

6,1

Средняя прочность щебня колеблется в пределах 2,1…2,25

МПа по
вышаясь
с у
величением его предельного размера. Пустотность ориенти
ро
вочно равна
38...42

%. Щебень из бетона можно использовать в качестве

крупного заполн
и
теля для тяжелого бетона
до

класса В25, а также для до
рожно
-
строительных р
а
бот.

При дроблении бетона образуется о
тсев фракций менее 10 мм (до 2
5…
30

%
объема материала), содержащий большое количе
ство пылевидных ча
стиц и
мельчайших остатков цементного камня.

Отсев состоит из аморф
ной и криста
л
лической фаз и содержит

следующие материалы: кварц, по
левые шпаты, кал
ь
цит, д
оломит, портландит, эттрингит, известняк, гидросиликаты кальция и м
и
нерал
ы негидратированного цемента. Их
содержание зависит от исходного с
ы
рья, используемого при приготовлении

бетона разбираемых конструкций, и его
свойств.

63


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ

СПИСОК

1.

ГОСТ 26633
-
2012 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические
условия
.

2.

ГОСТ 18105
-
2010. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности
.

3.

ГОСТ 24211
-
2008.
Д
обавки для бетонов и строительных растворов
. О
б
щие технические условия
.

4.

Г
ОСТ 10181
-
2014 ©Смеси бетонные. Методы испытанийª
.

5.

Баженов Ю.М.
Технология бетона, строительных изделий и конструкций.
Учебник для вузов.

/

Ю.М. Баженов, Л.А. Алимов, В.В. Воронин [и др.].
/

М.:
Изд
-
во АСВ, 2004.


256 с.

6.

Капустин, Ф.Л. Химия минерал
ьных вяжущих веществ / Ф.Л. Капустин,
И.С. Семериков.
/
Екатеринбург: Изд
-
во УГТУ
-
УПИ, 2005.


82 с.

7.

Справочник по химии цемента. / Ю.М. Бутт, Б.В. Волконский, Г.Б. Ег
о
ров, В.И. Корнеев и др.; под ред. В.В.Волконского и Л.Г. Судакаса.


Л.:
Стройиздат,
1980.


224 с.

8.

Шумилин, Ф.Г. Минеральные вяжущие в
ещества: Пособие к курсу
©Строи
тельные материалыª /Ф.Г. Шумилин, Н.П. Блювштейн.


Челябин
ск:
Изд
-
во ЧПИ, 1966.


95 с.

64


ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

................................
................................
................................
......................

3

1. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ

................................
................................
...............

5

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНОВ

................................
................................
.................

8

2.2. Заполнители для бетона

................................
................................
.............

13

2.3. Вода для приготовления бетонной смеси

................................
................

15

2.4. Добавки к бетонам

................................
................................
.....................

15

3. БЕТОННАЯ СМЕСЬ

................................
................................
................................
.

19

3.2. Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от
различных фактор
ов

................................
................................
................................
..

25

4. СВОЙСТВА БЕТОНА

................................
................................
..............................

26

4.2. Плотность, проницаемость и морозос
тойкость бетона

..........................

32

5. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ

И
БЕТОНА

................................
................................
................................
.........................

37

5.2. Твердение бетона
при
повышенных температурах, ускорение
твердения

................................
................................
................................
....................

39

5.3. Твердение бетона при отрицательных температурах
.............................

51

6. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕТОНА

................................
....................

57

6.2. Экологический аспект
................................
................................
................

61

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

................................
................................
..........

63




Приложенные файлы

  • pdf 1669492
    Размер файла: 898 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий