Свойства Бетонной Смеси И Бетона

Бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам укладки ее.

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из новообразований, образовавшихся при взаимодействии вяжущего с водой, непрореагированных частиц клинкера, заполнителя, воды, вводимых специальных добавок и вовлеченного воздуха. Ввиду наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами.

Определяющее влияние на свойства бетонной смеси будут оказывать количество и качество цементного теста, которое, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы.

В процессе гидратации цемента количество гелеобразных новообразований растет, увеличивается дисперсность твердой фазы, повышается клеящаяся способность цементного теста и его связующая роль в бетонной смеси.

Цементное тесто относят к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью. Определенная структура цементного теста создается за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды. Пленки жидкой фазы в структуре цементного теста придают ему свойство пластичности. Структурная вязкость цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии. Поведение структурированных систем при приложении внешних сил в отличие от жидких тел резко меняется.

В зависимости от значения действующих внешних сил вязкость структурированных систем изменяется, часто на 2...3 порядка даже при постоянной температуре.

Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства под действием внешних сил и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. Это свойство широко используют, когда производят уплотнение бетонной смеси, например для формования изделий путем вибрации. Для получения изделий высокого качества необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую методам ее укладки и уплотнения. Консистенцию бетонной смеси оценивают показателями подвижности или жесткости. ee

Подвижность бетонной смеси - способность ее растекаться под собственной массой. Для определения подвижности используют конус (рис. 1), который послойно в три приема заполняют бетонной смесью, уплотняя ее штыкованием. После уплотнения последней форму снимают. Образовавшийся при этом конус бетонной смеси под действием собственной массы оседает. Величина осадки конуса (см) служит оценкой подвижности бетонной смеси. По этому показателю различают смеси подвижные (пластичные) с осадкой конуса 1...12 см и более и жесткие, которые практически не дают осадки конуса, однако виброуплотнение бетона (воздействие вибрацией) повышает формовочные свойства последних. Для оценки жесткости этих смесей используют свои методы.

Рис. 1. Стандартный конус для определения подвижности бетонной смеси: 1 - конус; 2 - ручки; 3 - упоры

Показатель жесткости бетонной смеси определяют на специальном приборе (рис. 2), который состоит из цилиндрического сосуда с внутренним диаметром 240 мм и высотой 200 мм с закрепленным на нем устройством для измерения осадки бетонной смеси в виде направляющего штатива, штанги и металлического диска и шестью отверстиями. Прибор устанавливают на виброплощадку и плотно к ней прикрепляют. Затем в сосуд помещают металлическую форму-конус с насадкой, который с помощью специального кольца-держателя закрепляют в приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси. Затем удаляют форму-конус, поворачивая штатив, устанавливают на поверхности бетонной смеси диск и включают виброплощадку.

Рис. 2. Стандартный прибор для определения жесткости бетонной смеси: 1 - форма; 2 - упоры для крепления конуса; 3 - конус; 4 - воронка; 5 - штанга; 6 - направляющая втулка; 7 - втулка для крепления диска; 8 - диск с шестью отверстиями; 9 - штатив; 10 - зажим штатива

Вибрирование с амплитудой 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска. Время вибрирования (с) и определяет жесткость бетонной смеси. Классификация бетонных смесей по степени их жесткости (удобоукладываемости) приведена на рис. 3.

Рис. 3. Классификация бетонных смесей

На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание воды и цементного теста, крупность заполнителей, форма зерен, содержание песка. Бетонные смеси одного и того же состава, но на разных цементах обладают разной водопотребностью. Чем она выше, тем меньше подвижность или больше жесткость смеси. Бетонные смеси, в составе которых портландцемент с гидравлическими добавками, имеют подвижность меньшую, чем смеси на портландцементе при одном и том же количестве воды, взятой для приготовления смеси.

С увеличением содержания воды при неизменном расходе цемента подвижность бетонной смеси возрастает, но прочность бетона уменьшается. С увеличением содержания цементного теста подвижность бетонной смеси также повышается при сохранении практически той же прочности после затвердевания. Это объясняется тем, что при более высоком содержании цементного теста оно не только заполняет пустоты и обволакивает зерна заполнителей, но и раздвигает их, создавая между ними обильные прослойки, уменьшающие трение между зернами, а это повышает подвижность смеси.

При более крупных заполнителях суммарная поверхность зерен получается меньше; следовательно, при том же количестве цементного теста прослойки его между зернами заполнителей оказываются толще, что увеличивает подвижность бетонной смеси. Увеличение количества песка сверх оптимального, установленного опытом, уменьшает подвижность бетонной смеси вследствие возрастания суммарной поверхности заполнителей.

Форма зерен влияет на подвижность смеси - при округлой и гладкой поверхности зерен заполнителей суммарная поверхность их и трение между ними меньше, чем при острогранной форме и шероховатой поверхности. Поэтому бетонная смесь с гравием и окатанным песком подвижнее, чем смесь с щебнем и горным песком.

Наиболее экономичными являются жесткие бетонные смеси, так как они требуют меньшего расхода цемента, чем подвижные. Подвижность бетонной смеси следует выбирать более низкую, но в то же время она должна обеспечивать удобную и качественную укладку смеси. При выборе подвижности бетонной смеси учитывают размеры конструкции, простоту армирования и способы укладки и уплотнения смеси (рис. 4).

Введение в бетонную смесь ПАВ, например СДБ, повышает подвижность бетонной смеси и уменьшает ее водопотребность. Положительное воздействие на подвижность смеси оказывает применение пластификатора С-3, а также 10-03, 40-03 и др. Их эффективность выше в подвижных смесях, они позволяют снизить водопотребность смеси на 20...25%.

Вместе с тем следует учитывать, что подвижность смеси со временем уменьшается вследствие физико-химического взаимодействия цемента с водой.

Рис. 4. Требования к подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси

Структура бетона образуется в результате затвердевания бетонной смеси и его превращения в камень. Уплотненная бетонная смесь в начальный период гидратации цемента сохраняет способность к пластическим деформациям. Со временем количество новообразований цементного камня увеличивается, система уплотняется и твердеет, образуется прочный камень определенной структуры. Время формирования структуры и свойств бетона зависит от состава и применяемых материалов. На формирование структуры оказывают влияние вид цемента, химические добавки, В/Ц, температура бетонной смеси, влажность среды и др.

Применение суперпластификаторов при подготовке бетонных смесей, например СДБ, замедляет схватывание цемента в начальный период; повышение температуры ускоряет процесс схватывания и твердения.

Структура затвердевшего тяжелого бетона представляет собой цементный камень с размещенными в нем зернами заполнителя, с множеством пор и пустот разных размеров и происхождения.

Макроструктура бетона может быть представлена системой - щебень - цементно-песчаный раствор.

Макроструктура представляет строение системы песок - цементный камень, микроструктура - тонкое строение цементного камня. Микроструктура цементного камня в бетоне состоит из новообразований, непрореагировавших зерен цемента и микропор. С увеличением возраста бетона микроструктура меняется в результате гидратации цемента и роста новообразований, пористость уменьшается, меняются распределение пор и их размеры, бетон становится плотнее и прочнее. Прочность бетона растет неравномерно, в первые 7 сут после затворения она нарастает быстро, а в дальнейшем замедляется. Скорость нарастания прочности бетона зависит от вида цемента.

В первые дни твердения прочность бетона на быстротвердеющих цементах выше, чем, например, на белитовых цементах.

Для твердения бетона необходима теплая и влажная среда. При повышенной температуре и влажной среде (в горячей воде с температурой 80°C, во влажном паре с температурой до 100 °C или в автоклаве при температуре 175°С и среде насыщенного водяного пара высокого давления) твердение протекает значительно быстрее, чем в нормальных условиях.

Твердение бетона при температуре ниже 15°C замедляется, а при температуре ниже 0°С практически прекращается. Изложенное выше имеет важное значение, когда производятся сборные железобетонные изделия и конструкции на заводах, а также при бетонировании в зимнее время.

Кроме прогрева бетона паром или электрическим током для ускорения применяют химические добавки, например хлористый кальций и др.

Все вышеизложенное оказывает влияние на твердение бетона, формирование его структуры и, следовательно, свойств бетона.

Высокая плотность бетона достигается рациональным подбором зернового состава заполнителей (с минимальной пустотностью), применением бетонных смесей с низким водоцементным отношением, интенсивным уплотнением, введением в бетонную смесь добавок. Даже выполнение указанных мероприятий не дает возможности получить абсолютно плотный бетон. Поры в бетоне образуются в результате испарения воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, а также вследствие неполного удаления воздушных пузырьков при уплотнении бетонной смеси. Поэтому бетон является материалом газопроницаемым.

Водопроницаемость бетона характеризуется небольшим давлением воды, при котором она еще не просачивается через образец. Плотный бетон при мелкопористой структуре и достаточной толщине конструкции оказывается практически водонепроницаемым. По водонепроницаемости бетон делят на шесть марок: В2, В4, В6, B8, В10 и В12, выдерживающих соответственно давление 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 МПа. В более тонких конструкциях добиваются высокой водонепроницаемости бетона также применением использованием гидрофобного цемента, а водоизоляционных покрытий, наносимых на поверхность пневматическим способом (торкретированием).

Плотный бетон может быть непроницаем не только для воды, но и для жидких нефтяных продуктов вязкой консистенции - мазута и тяжелой нефти. Легкие средние нефтяные фракции, например бензин и керосин, проникают через бетон легче, чем вода. Чтобы защитить сборные железобетонные изделия и конструкции, предназначенные для хранения тяжелых нефтепродуктов, поверхности сооружений покрывают жидким стеклом, а от проникания легких и жидких нефтяных продуктов (бензина, керосина и др.) применяют специальные бензинонепроницаемые мембраны, поверхностные покрытия - пленки из пластмасс - или изготавливают бетон на непроницаемом для указанных жидкостей расширяющемся цементе (см. Расширяющийся и напрягающий цемент).

Морозостойкость бетона характеризуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдерживать образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности при сжатии более чем на 25% и без потери в массе более 5%. Морозостойкость является одним из главных требований, предъявляемых к бетону гидротехнических сооружений, дорожных покрытий, опор мостов и других подобных конструкций. Морозостойкость бетона зависит от его структуры. Для конструкций, подверженных в увлажненном состоянии попеременному замораживанию и оттаиванию, установлены следующие марки по морозостойкости: F50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 600. Марку бетона по морозостойкости выбирают в зависимости от климатических условий (числа перемен уровня воды на омываемой поверхности бетона или числа смен замораживания и оттаивания за зимний период). Морозостойкими оказываются, как правило, бетоны высокой плотности. Не менее важную роль в морозостойкости бетона играет морозостойкость заполнителей. Марка заполнителей по морозостойкости должна быть не ниже этого показателя для бетона.

Бетон под нагрузкой ведет себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы. Область упругой работы бетона идет от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по границе сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины, при дальнейшем нагружении микротрещины образуются уже в цементном камне и возникают пластические неупругие деформации бетона. Развитию пластических деформаций способствует также гелевая составляющая, которую имеет цементный камень. Бетон ведет себя как упруговязкопластическое тело.

Опытами установлено, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация. Если напряжение превосходит 0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная (пластическая) деформация (рис. 5). Полную деформацию можно представить как сумму упругой и пластической деформаций (εпл + εупр). Поэтому диаграмма деформирования (зависимость напряжения σ от относительной деформации ε) не прямолинейна, для каждого напряжения существует свой модуль упругости. Принято за начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимать отношение нормального напряжения к относительной деформации при значении напряжения не более 0,2 от предела прочности. Следовательно, начальный модуль упругости представляет собой тангенс угла наклона касательной ОА и, следовательно, Eн = 0,2R/ε0.2R. Для других точек кривой, лежащих за указанной границей, модуль деформаций является переменной величиной, равной отношению соответствующего напряжения к полной деформации.

Рис. 5. Кривая «напряжение - деформация» бетона

Начальный модуль упругости растет при увеличении прочности бетона и уменьшается с увеличением пористости бетона. При одинаковом классе бетона модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе в 1,7...2,5 раза меньше тяжелого бетона. Модуль упругости ячеистого бетона еще ниже. Модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой.

Коэффициент Пуассона μ бетона изменяется в довольно узких пределах 0,13...0,22 и в среднем равен 0,167. Модуль деформаций легких бетонов на пористых заполнителях примерно в два раза меньше, чем у равнопрочных тяжелых бетонов, повышение предельной деформации бетона увеличивает его трещиностойкость.

Ползучесть - явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной нагрузки. Полная относительная деформация бетона при длительном действии нагрузки слагается из его начальной упругой и пластической деформации ползучести. Ползучесть проявляется при всех видах деформации. При растяжении бетона она в 1,5 раза выше, чем при сжатии.

Ползучесть бетона объясняют пластическими свойствами влажного цементного геля, а также возникновением и развитием микротрещин. Ползучесть зависит от того, какой используется портландцемент и заполнители, состав бетона, его возраст, водоцементное отношение, влажность и условия твердения. Меньшая ползучесть у бетонов на высокомарочных цементах и плотных заполнителях. Легкие бетоны на пористых заполнителях имеют большую ползучесть, чем тяжелые.

В процессе твердения происходят объемные изменения бетона. Твердение бетона на воздухе, за исключением бетонов на безусадочном и расширяющемся цементах, сопровождается уменьшением объема, т. е. усадкой. При твердении бетона в воде вначале объем его несколько увеличивается и в воздушно-сухих условиях бетон дает усадку. Значительную усадку имеют бетоны из жидких смесей (с большим расходом цемента, а также водоцементным отношением). Наибольшая усадка в бетоне происходит в начальный период твердения - за первые сутки она составляет до 60...70% от месячной усадки. Объясняется это тем, что в указанный период особенно интенсивно обезвоживается тесто вследствие испарения и поглощения влаги гидратирующимися зернами цемента. В результате обезвоживания частицы сближаются между собой и цементный камень дает усадку.

Объемные изменения в бетоне в первый период твердения вызываются расширением от нагревания (иногда до 50°С внутри массивных конструкций) в результате экзотермических реакций цемента с водой. Объемные изменения бетона могут вызвать значительные деформации конструкций и даже появление трещин. Для предотвращения их в массивных бетонных конструкциях устраивается специальный температурно деформационный шов. Чтобы уменьшить экзотермию бетона, применяют цементы с малым выделением тепла. Величина усадки бетона на портландцементе зависит от минералогического состава и тонкости помола цемента. Усадка бетона возрастает с увеличением тонкости помола цемента.

Бетон - огнестойкий материал, выдерживающий высокие температуры во время пожара. Огнестойкость бетона позволяет применять его для устройства дымовых труб промышленных печей, их фундаментов.

Огнестойкость бетона зависит не только от вида цемента, но и природы заполнителей. Если в качестве заполнителей применяют горную породу, в состав которой входит кристаллический кварц, то при температуре около 600°С в бетоне могут появиться трещины вследствие значительного увеличения объема кварца.

При проектировании бетонных конструкций, подвергающихся длительному воздействию температур, необходимо учитывать, что при температуре 150...250°С прочность бетона на портландцементе снижается на 25%. При нагревании бетона выше 500°С и последующем увлажнении он разрушается. Вначале происходит дегидратация гидроксида кальция CA(OH)2 → CaO + H2O, а затем при последующем увлажнении образовавшаяся СаО гасится с увеличением в объеме, что приводит к разрушению цементного камня и бетона.

Для строительных конструкций, подвергающихся длительному воздействию высоких температур (свыше 200°C), применяют специальный жаростойкий бетон.