Свойства бетона

При проектировании применения в бетоне добавок необходимо проводить технико-экономические расчеты для прогнозирования ожидаемого эффекта. При этом следует учитывать, что использование добавок в технологии бетона требует дополнительных затрат для создания складов добавок, транспортных магистралей, узлов подготовки добавок, дополнительных дозаторов на бетоносмесительных цехах и заводах. Некоторые добавки имеют сравнительно высокую стоимость, поэтому их использование целесообразно только в случае достижения высокого технико-экономический эффект.

4) Вода для приготовления бетонной смеси

Для приготовления бетонной смеси используют водопроводную питьевую, а также любую воду, имеющую водородный показатель pH не менее 4, т.е. некислую, не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет. Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мл/ч (в пересчете на SO4-) и всех солей более 5000 мг/л. В сомнительных случаях пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять путем сравнительных испытаний образцов, изготовленных на данной воде и на обычной водопроводной.

Для приготовления бетонной смеси можно применять морскую и другие соленые воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Исключением является бетонирование внутренних конструкций жилых и общественных зданий и надводных железобетонных сооружений в жарком и сухом климате, так как морские соли могут выступить на поверхности бетона, а также вызвать коррозию стальной арматуры.

Для поливки бетона следует применять воду такого же качества, как и для приготовления бетонной смеси. [1, с. 14-53]

1.1.5 Приготовление и уплотнение бетонной смеси

Структура бетонных заводов.

Бетонный завод представляет собой комплекс зданий, сооружений, устройств и служб, обеспечивающих перечисленные выше функции. Особо крупные бетонные заводы иногда называют бетонным хозяйством (обычно на крупных гидротехнических объектах). Элементами бетонных заводов являются:

собственно бетоносмесительная установка, включающая расходные емкости для составляющих, дозаторы, бетоносмесители и различное вспомогательное оборудование;

склады основных составляющих бетонную смесь материалов (заполнители, цемент, добавки);

внутризаводские транспортные технологические коммуникации (конвейеры, цементопроводы, воздухопроводы и пр.);,

службы главного механика, электроцех, лаборатория и пр.

В зависимости от конкретных потребностей и особенностей строительства в состав бетонного завода могут входить дополнительные установки и оборудование для повторной сортировки заполнителей, домола цемента, изготовления льда (для бетона массивных сооружений) и пр.

Складирование и переработка заполнителей.

По основной технологической классификации по способу хранения материалов склады подразделяются на:

штабельные;

полубункерные;

силосные.

Наиболее распространены штабельные склады, предусматривающие отсыпку материалов на горизонтальную площадку. Такие склады применяют как для малых, так и для крупных бетонных хозяйств.

В полубункерных складах значительная часть объема материала размещается в заглубленном в землю бункере с наклонными стенками. Надземная часть хранящегося материала формируется, как и для штабельных складов трапецеидальной формы. Полубункерные склады, как правило, закрытого типа. Они применяются в районах с морозной зимой для бетонных заводов и заводов ЖБИ средней мощности.

Силосные склады заполнителей не новинка, хотя применяются редко из-за высокой стоимости.

Для стационарных бетонных хозяйств склады заполнителей всех типов, как правило, предусматривают прием материалов с железной дороги и в большинстве случаев являются линейными, с протяженным фронтом, хотя известны и кольцевые компоновки, с радиально-штабелирующим конвейером.

В ряде зарубежных стран большее распространение получили склады заполнителей с доставкой материалов автотранспортом. Обычно такие склады имеют небольшие, но постоянно пополняемые запасы материалов. В отечественных условиях автомобильную подачу заполнителей на склады применяют главным образом для бетонных заводов небольшой мощности, а также для притрассовых дорожных бетонных заводов. Известны примеры организации автомобильной доставки заполнителей на склады крупных бетонных хозяйств при небольшой дальности перевозки с базисных складов гравийно-сортировочных хозяйств.

Принципиальные схемы складов заполнителей приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схемы складов заполнителей:

а - открытый штабельно-кольцевой; б - открытый штабельный с подштабельной галереей; в - открытый эстакадно-штабельный с подштабельной галереей; г - закрытый эстакадно-полубункерный с подштабельной галереей; д - закрытый силосный; 1 - выносной ленточный конвейер; 2 - веерный конвейер; 3 - штабель заполнителей; 4 - разделительная стенка; 5 - самоходный разгрузчик; 6 - подштабельная галерея; 7 - наклонная галерея; 8 - верхний распределительный конвейер; 9 - силос; 10 - затвор

Эксплуатация складов заполнителей бетонных заводов связана с рядом сложностей, возникающих (особенно в периоды отрицательных температур) по всей технологической цепи, начиная с приема материалов. Наиболее трудна разгрузка смерзшихся заполнителей, не высыпающихся даже из саморазгружающихся вагонов. Смерзание заполнителей особенно часто происходит в осенний и весенний периоды при переходе температуры через ноль.

Теоретически наиболее эффективной мерой по борьбе со смерзанием заполнителей в вагонах является уменьшение их влажности перед погрузкой. Смерзание практически не опасно для песка при его влажности до 1,25%, а для щебня и гравия - до 2%. Эти цифры, однако, меньше, чем водоудерживающая способность материалов и не достигаются для мытых песка и гравия даже при выдержке заполнителей на площадках для дренирования влаги. Песок дренируется до постоянной влажности около суток, однако после дренирования его влажность составляет 3-6% для природного и еще больше - для дробленого песка.

Оказались малорезультативными попытки предотвратить смерзание заполнителей при обработке их солями. Даже при температурах воздуха около минус 20 °С потребовалось введение хлористого кальция в количестве, недопустимом для включения в состав бетона.

Для восстановления сыпучести смерзшихся в вагонах заполнителей применяли разнообразные методы. Простейший из них - разогрев вагонов в тепляках не получил развития из-за большой энергоемкости и длительности обогрева. Оказался неприемлемым для разгрузки из вагонов метод размораживания паровыми пиками. Он приводит к дополнительному переувлажнению материала, вызывающему его последующее смерзание в штабелях склада.

Наиболее эффективны для восстановления сыпучести рыхлительные машины - бурофрезерные и виброрыхлительные.

Бурофрезерные машины вызывают, однако, частичное измельчение щебня и гравия.

Виброрыхлители разных конструкций состоят из пригрузочной плиты с вертикальными стержнями. Виброрыхлитель опускается в смерзшийся материал под действием вибрации, расчленяя монолит на отдельные куски. Разрыхленный материал обычно содержит включения, не проваливающиеся через над бункерные решетки, что требует дополнительных затрат ручного труда.

Не меньшие сложности возникают с обеспечением текучести материалов из штабелей склада. Здесь применяют как механические, так и тепловые методы. Дробление заполнителей на открытых складах производится грейфером, экскаватором, клин-бабой и др. Наиболее часто для дробления верхней смерзшейся корки штабелей применяют бульдозер, либо разрыхляют ее гусеницами трактора. Все механические методы обеспечения сыпучести в особенности с помощью тракторов и бульдозеров приводят к большому измельчению щебня (гравия), его засорению и не исключают содержания в разрыхленном материале 10-15% крупных комьев и глыб. Поэтому механические методы являются по существу подготовительными для этапа тепловой обработки смерзшихся заполнителей.

Сравнение способов размораживания заполнителей острым паром и с помощью закрытых паровых регистров показывает определенные преимущества первого из-за лучшей теплопередачи. В этом случае дополнительное увлажнение материалов, возникающее при использовании острого пара, не связано с опасностью их последующего промерзания, так как размороженный заполнитель поступает непосредственно в расходные бункера. В то же время исключительно высокая неравномерность увлажнения песка серьезно осложняет поддержание стабильной удобоукладываемости бетонной смеси. Применение острого пара связано также с потерей конденсата, ухудшением условий труда на складах, обледенением окружающих строений и техники. Отверстия паропропускных труб забиваются и подлежат периодической очистке.

В связи с этим большее распространение получает размораживание заполнителей с помощью паровых регистров. Их устанавливают в основании штабелей, либо в отдельных бункерах подогрева, которые применяют не столько для размораживания, как для подогрева материалов. Недостатком их является необходимость предварительного механического дробления заполнителей.

Известны способы размораживания штабелей заполнителей продувкой горячим воздухом или дымовыми газами с температурой 200-250 °С. Применение дымовых газов дешевле, чем горячего воздуха. Повышенная теплоотдача при непосредственном контакте теплоносителя с прогреваемым материалом позволяет сократить расходы тепла и ускорить процесс размораживания. Поэтому имеются перспективы расширения использования этого способа. [2, с. 15,16, 23-32]

Приготовление бетонной смеси.

Приготовление бетонной смеси включает подготовку материалов, их дозирование и перемешивание бетонной смеси. Обычно большинство операций по подготовке материалов, например дробление заполнителей, удаление загрязняющих примесей и другие подобные операции, осуществляют на предприятиях, производящих материалы. На заводах сборного железобетона или на стройках проводят, если имеется необходимость, активацию цемента, приготовление растворов химических добавок, оттаивание и подогрев заполнителя в зимнее время.

Активация цемента чаще всего заключается в его дополнительном помоле. Увеличение удельной поверхности на 15...30% повышает активность цемента и ускоряет его твердение. В возрасте 1 суток прочность бетона возрастает на 30...100%. Домол проводят сухим или мокрым способом. Часто домол цемента сочетают с применением химических добавок, что обеспечивает получение быстротвердеющих бетонов. Однако активация цемента требует специального оборудования и значительных дополнительных затрат энергии, поэтому она применяется только при технико-экономическом обосновании.

Подготовка растворов химических добавок включает растворение в воде твердых, пастообразных или жидких продуктов добавок и последующее доведение раствора до заданной концентрации. Приготовление добавок осуществляют в специальных емкостях, снабженных системой трубопроводов для перемешивания раствора сжатым воздухом, а при необходимости - паровыми регистрами для подогрева. После приготовления добавки подают в расходную емкость, снабженную датчиком уровня, и по мере необходимости - через дозатор в бетоносмеситель.

Подогрев заполнителей обычно осуществляют в бункерах, реже непосредственно на крытых складах. Для подогрева используют либо контактный способ подогрева заполнителей с помощью паровых труб и гребенок, размещаемых в бункерах, либо непосредственно через заполнитель пропускают горячий воздух или газ. Последний способ более экономичен по затрате энергии, но требует специальных мероприятий по уменьшению потерь пара.

Важным технологически переделом является дозирование материалов. На современных бетонных заводах используют в основном весовые дозаторы, т.е. дозирование материалов по массе: цемент, воду и добавки с точностью до ±1%, заполнители с точностью ±2%. Точность дозирования определяет требуемую точность расчетов состава бетона; расход цемента указывают с точностью до 5 кг, воды - с точностью до 2 л (для полевых составов - до 5 л), песка и щебня - с точностью до 10 кг. При этом расход цемента округляют обычно в большую сторону, а воды - в меньшую. Большая точность состава бетона не требуется, так как существующие дозаторы не могут ее обеспечить.

В полевых условиях заполнители иногда дозируют по объему. При этом необходимо учитывать их влажность, особенно песка, так как увлажнение резко изменяет объем. В результате нарушения состава бетона могут заметно ухудшиться его свойства. Объемное дозирование заполнителя применяют для приготовления легкобетонных смесей, когда наблюдаются большие колебания насыпной массы пористого заполнителя. В этом случае точность дозирования по объему пористых заполнителей составляет ±30 л/м3. Возможно также использование объемно-весового дозирования, когда крупный заполнитель дозируют по объему, а песок - по массе с точностью ± (1...2)%.

Вторым важным технологическим переделом является перемешивание бетонной смеси. В процессе перемешивания материалов равномерно распределяются по всему объему зерна цемента и заполнителя, смачиваются водой, в результате получается однородная масса, свойства которой в любом месте объема одинаковы. Вид и состав бетона оказывают заметное влияние на требования к перемешиванию. Подвижные смеси легче перемешивать, чем жесткие: жирные перемешиваются лучше, чем тощие, крупнозернистые лучше, чем мелкозернистые или тонкозернистые.

Применяют различные способы перемешивания в зависимости от вида и характеристик бетонной смеси. При использовании крупнозернистых подвижных смесей с заполнителем из плотных пород применяют смесители свободного падения, в которых перемешивание происходит при вращении барабана-смесителя в результате многократного подъема и сбрасывания материалов с некоторой высоты. Перемешивание жестких мелкозернистых и легкобетонных смесей на пористых заполнителях осуществляют в смесителях принудительного действия, в которых необходимое для этих смесей более энергичное перемешивание достигается путем взаимного перемешивания материалов с помощью вращающихся лопаток и других подобных устройств. Разновидностью принудительного перемешивания является виброперемешивание, когда материалы в процессе перемешивания подвергаются вибрированию. В результате достигается некоторая активация цемента, что способствует повышению прочности бетона, особенно в раннем возрасте.

Большое влияние на качество перемешивания оказывает его продолжительность, которая в смесителях циклического действия определяется с момента загрузки всех материалов до начала выгрузки. При недостаточной продолжительности перемешивания ухудшается однородность бетона и понижается его прочность. Увеличение продолжительности перемешивания сверх оптимальной, соответствующей получению однородной бетонной смеси, мало сказывается на свойствах бетона и бетонной смеси (прочность бетона повышается, но крайне незначительно). Оптимальная продолжительность перемешивания зависит от состава, характеристики бетонной смеси и типа применяемого смесителя.

Уплотнение бетонной смеси.

На свойства бетона еще большее влияние, чем перемешивание, оказывает уплотнение бетонной смеси. Недоуплотнение приводит к резкому уменьшению прочности бетона, ухудшает его долговечность и другие свойства.

Из различных способов уплотнения бетонной смеси наибольшее распространение получило вибрирование. На заводах сборного железобетона изделия обычно формуют на специальных виброплощадках, монолитный бетон в конструкциях уплотняют глубинными (подвижные бетонные смеси) и поверхностными вибраторами.

При вибрировании частицам бетонной смеси сообщаются механические колебания, в результате чего связи между частицами постоянно нарушаются, силы трения и сцепления уменьшаются. Бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и под влиянием сил тяжести расплывается, заполняя форму, и уплотняется.

Для уплотнения особо жестких смесей применяют вибрирование с пригрузом, вибропрессование и виброштампование. [1, с. 319-328]

1.1.6 Свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения.

1) Реологические свойства

По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает дисперсность частиц твердой фазы и увеличивается клеящая и связующая способность цементного теста.

Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям:

обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения;

сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости. Если подвергать бетонную смесь механическим (например, вибрированию), то взаимодействие между твердыми частицами цемента и заполнителя нарушается, и бетонная смесь утрачивает структурную прочность. При этом бетонная смесь ведет себя как тяжелая вязкая жидкость, хорошо заполняющая форму. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.

2) Технические свойства

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т. е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

подвижность бетонной смеси, являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;

жесткость (Ж) являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;

связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Технические свойства бетонной смеси, определяемые доступными практическими методами и выражаемые в условных единицах, косвенно характеризуют ее реологические свойства.

Рисунок 6 - Определение удобоукладываемости бетонной смеси:

а - прибор (конус) для определения подвижности бетонной смеси:

1 - жесткая смесь; 2 - подвижная смесь; 3 - осадка конуса;

б - общий вид прибора для определения жесткости смеси:

4 - схема испытания

Подвижность. Подвижность бетонной смеси характеризуют измеряемой осадкой (в см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию (рис. 6, а).

Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси.

Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость. Жесткость бетонной смеси характеризуют временем (в с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости (рис. 5, б). Цилиндрическое кольцо прибора (его внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью в установленном порядке и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси (рис. 5, б). Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска (диск диаметром 230 мм, шесть отверстий диаметром 5 мм расположены равномерно по внутренней окружности диаметром 190 мм). Время виброуплотнения (в с) и характеризует жесткость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси.

Применяют жесткие, подвижные и литые (текучие) бетонные смеси (табл.3).

Таблица 3 - Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости

Тип бетонной смеси	Показатель удобоукладываемости (по ГОСТ 10181-76)
	Жесткость, с	Подвижность, см
Особо жесткая	13 и более	0
Жесткая	5…12	0
Малоподвижная	Менее 5	2…4
Подвижная	-	4…12
Литая	-	12 и более

Показатели удобоукладываемости бетонной смеси назначают в зависимости от типа конструкции, ее размеров, густоты армирования и применяемого способа изготовления (табл. 4).

Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Вода обтекает зерна заполнителя и стержни арматуры, образуя капиллярные ходы, повышающие водопроницаемость и понижающие морозостойкость бетона. Избыточная вода скапливается под зернами крупного заполнителя, образуя полости, ухудшающие строение и свойства бетона. На рис. 7 схематически показан процесс расслоения бетонной смеси. Большое значение для предотвращения расслоения имеет правильное определение количества мелкого заполнителя - песка, который заполняет крупные пустоты, имеющиеся между зернами щебня (гравия), а также повышает вязкость цементного теста.



Рисунок 7 - Схема расслоения бетонной смеси:

а - в процессе уплотнения; б - после уплотнения: 1 - направление, по которому отжимается вода; 2 - вода; 3 - мелкий заполнитель; 4 - крупный заполнитель

Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей. [3, с. 163-168]

Таблица 4 - Требования к удобоукладываемости бетонной смеси

Конструкции и способ изготовления	Жесткость, с (по ГОСТ 10181-76)	Подвижность, см
Сборные железобетонные, формуемые с немедленной распалубкой	20…10	0
Цементно-бетонные дорожные и аэродромные покрытия	10…6	1…2
Массивные, слабо армированные	6…4	2…4
Железобетонные колонны, ригели, балки, плиты	4 и менее	4…8
Железобетонные с густо расположенной арматурой	Менее 2	8…10
Элементы для объемно-сборного домостроения	-	12…18
Железобетонные, сильно насыщенные арматурой (стены АЭС и т. п.)	-	18…24



1.1.7 Структура бетона

Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают гидратация цемента, его схватывание и твердение.

В начальный период, называемый периодом формирования структуры, происходит медленное упрочнение свежеуложенной бетонной смеси, обусловленное образованием пересыщенного раствора новообразований и выделением их из раствора. К концу периода формирования структуры количество новообразований возрастает, частицы продуктов реакций сближаются и создаются условия для перехода коагуляционной структуры в кристаллизационную, вызывающую резкое возрастание прочности.

По П.А. Ребиндеру, сначала образуется как бы каркас кристаллизационной структуры с возникновением контактов срастания между кристаллами новообразований, потом - обрастание кристалликов каркаса, вызывающее противоречивые явления: повышение прочности и вместе с этим возникновение внутренних растягивающих напряжений в кристаллическом сростке. Достигнув значительных величин, эти напряжения могут явиться причиной появления микротрещин в цементном камне и внезапного понижения (сброса) прочности. Поэтому экспериментальная кривая нарастания прочности бетона имеет пилообразный вид. Сбросы прочности бетона, если они имеют место, не должны быть большими и не должны отрицательно сказываться на проектной несущей способности конструкции.

Продолжительность периода формирования структуры, а также пластическая прочность бетонной смеси зависят от ее состава, вида вяжущего и химических добавок. Жесткие и малоподвижные бетонные смеси, изготовляемые с небольшим В/Ц, после уплотнения имеют короткий период формирования структуры. Применение быстротвердеющих цементов н добавок-ускорителей схватывания также ускоряет формирование структуры.

В случае надобности период формирования структуры можно продлить путем введения в бетонную смесь при ее изготовлении замедлителей схватывания. Они помогают сохранить удобоукладываемость бетонных смесей в случае перевозки на дальние расстояния и в жаркую погоду. Наряду с химическими добавками широко используют температурный фактор. [3, с. 170,171]

Макроструктура. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда для анализа и построения технологических расчетов условно принимают макроструктуру, состоящую из двух элементов: крупного заполнителя и раствора, в котором объединяются цементный камень и песок.

На свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

Существуют следующие основные типы структур (рис. 8):

плотная - может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы;

ячеистая - отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек;

зернистая - представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Рисунок 8 - Основные типы макроструктуры бетона:

а - плотная; б - плотная с пористым заполнителем;

в- ячеистая; г - зернистая; Rб - средняя прочность структуры;

R1 и R2 - прочности составляющих бетона

Микроструктура. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителем). Проф. В.Н. Юнгом подобная структура была образно названа «микробетоном».

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Гидросиликаты кальция создают определенную пространственную структуру, которая включает непрореагировавшую часть зерен цемента с оболочкой новообразований в виде системы глобул и межзерновое пространство, заполненное в той или иной мере новообразованиями.

Гидросиликаты кальция имеют кристаллическое и полукристаллическое или аморфное строение. Кристаллические продукты, имеющие различные размеры кристаллитов, чаще появляются при тепловой, особенно автоклавной, обработке и при кристаллизации новообразований и межзерновом пространстве и порах. В цементном камне нормального твердения и в оболочке новообразований вблизи границы с исходным материалом, где возможности роста кристаллов ограничены, преобладают гелеобразные субмикрокристаллические продукты гидратации.

Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из различных новообразований, а также включает поры, неплотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т.е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства.

Свойства цементного камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктуры цементного камня.

Вблизи зерен заполнителя в результате влияния его поверхностных сил и ряда других причин микроструктура цементного камня может несколько изменяться по сравнению со структурой основной массы, поэтому часто рассматривают особо микроструктуру и свойства контактной зоны между цементным камнем и заполнителем, выделяя ее в виде отдельного структурного элемента.

Структура бетона, как правило, изотропна, т.е. ее свойства по разным направлениям приблизительно одинаковы. Однако путем особых приемов формования или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, т.е. ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении. Примером может служить бетон на заполнителе с лещадными зернами, ориентированными в определенном направлении (рис. 9).

Рисунок 9 - Основные типы макроструктуры бетона

Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных - плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые - зернистую. Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, например в плотной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре могут соединяться между собой капиллярами и т.д. Однако представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.

Структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала. Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня. Контактная зона, так же неоднородна, как и основной массив цемента, в ней содержатся более или менее дефектные места, непрореагировавшие зерна, микротрещины и другие элементы, снижающие однородность материала.

На рис. 10 показана элементарная ячейка бетона. Наглядно видна неоднородность структуры, включающей плотный и прочный материал с разными свойствами, переходные зоны, пустоты. Неоднородность структуры обусловливает неоднородность прочности бетона по объему.

На рис. 11 показано возможное изменение прочности бетона по сечению. Кроме того, структура и свойства бетона могут колебаться в разных изделиях и образцах даже изготовленных из одного и того же состава.

Неоднородность структуры и свойств требует применения к оценке бетона вероятностно-статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетонных и железобетонных конструкций. [1, с. 100-105]

Рисунок 10 - Элементарная ячейка структуры бетона:

1 - зерна заполнителя; 2 - контактная зона; 3 - зона ослабленной структуры вследствие седиментации; 4 - воздушные пузырьки; 5 - зона уплотнений структуры; 6 - крупные седиментационные поры

Рисунок 11 - Неоднородность структуры и прочности бетона по сечению образца или изделия

1.1.8 Свойства бетона

Качество бетона и его работа в конструкциях и сооружениях определяются его свойствами. Важнейшее свойство материала - прочность.

1) Прочность

Под прочностью понимают способность сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих в результате нагрузки или других факторов. Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез и кручение. Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже срезу и еще хуже растяжению (в 5...50 раз хуже, чем сжатию). Строительные конструкции обычно проектируют таким образом, чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. Поэтому одной из важнейших характеристик бетона является его прочность при сжатии. Однако имеются отдельные типы конструкций (дорожные покрытия, полы и др.), в которых бетон должен воспринимать напряжения растяжения при изгибе. В этом случае при проектировании состава бетона исходят из необходимости получения заданной прочности бетона при изгибе или растяжении.

Разрушение в физическом понимании состоит в отделении частей тела друг от друга. Дефекты в материале приводят к облегчению процесса разрушения, т.е. понижают прочность материала.

Особенностью поведения под нагрузкой хрупких материалов, а следовательно, и бетона является то, что при сжатии они разрушаются от растягивающих напряжений, возникающих в направлениях, перпендикулярных действию сжимающей нагрузки, или от напряжений среза, действующих по определенным плоскостям.

Прочность бетона является интегральной характеристикой, которая зависит от свойств компонентов бетона, его состава, условий приготовления, твердения, эксплуатации и испытания. В свою очередь, с прочностью бетона связан и ряд других его свойств.

На основе многочисленных опытов было установлено, что при разрушении бетона наблюдаются два вида разрушения поверхности (рис. 12). В первом случае, когда прочность заполнителя при растяжении выше прочности раствора или цементного камня разрушение происходит по раствору и в обход зерен заполнителя. Во втором случае, когда прочность заполнителя ниже прочности раствора, разрушение происходит по раствору и по зернам заполнителя. Может быть и смешанный характер разрушения, когда прочность зерен заполнителя и прочность раствора близки между собой и в разных участках структуры более прочным оказывается либо заполнитель, либо раствор.

Рисунок 12 - Характер разрушения бетона:

а - по цементному раствору без разрушения заполнителя;

б - с разрывом зерен заполнителя; в - смешанное разрушение

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначаются требуемые характеристики бетона, называемые проектными марками.

За проектную марку бетона по прочности на сжатие М принимают сопротивление осевому сжатию R в кгс/см2 эталонных образцов-кубов, испытанных согласно требованиям ГОСТов. Проектная марка на осевое сжатие (кубиковая прочность) является основной характеристикой бетона и указывается в проекте во всех случаях.

За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение Р принимают сопротивление осевому растяжению Rр в кгс/см2 контрольных образцов, испытанных в соответствии с ГОСТом. Эта марка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение.

Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных конструкций в возрасте 28 суток, для сборных конструкций - в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями.

Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона при растяжении составляет 1/10-1/17 предела прочности при сжатии, а предел прочности при изгибе - 1/6-1/10.

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются марки бетона по прочности на растяжение при изгибе, которые определяют путем испытания балочек квадратного сечения. Балку испытывают с приложением сил в 1/3 пролета. [1, с. 105-131]

2) Деформативные свойства

В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят объемные изменения, возникают деформации материала. Величина их зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и ряда других факторов. Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций; они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.

Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия механических нагрузок, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузок и от длительного действия - ползучесть бетона; температурные деформации бетона.

Первоначальная усадка бетона. После укладки бетонной смеси может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Этот процесс наиболее ярко проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси может выделяться вода, изменяться объем смеси. При значительной высоте изделия осадку можно наблюдать невооруженным глазом, так как деформации бетона весьма значительны и превосходят величину обычной усадки затвердевшего бетона в десятки раз.

На рис. 13 показан характер развития первоначальной усадки. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30...90 мин. Если применяются литые смеси, то в первоначальный период на поверхности бетона выделяется слой воды. Водоотделение достигает максимума через 10...20 мин, а затем начинается постепенное всасывание воды в глубь бетона вследствие интенсивного протекания процесса контракции цементного теста.

Рисунок 13 - Зависимость первоначальной усадки Депу от времени t, прошедшего с момента укладки бетонной смеси:

1 - литая смесь; 2 - подвижная смесь

Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и свойств используемых материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит н др.), при высоком содержании крупного заполнителя, обеспечивающем создание жесткого скелета в бетонной смеси.

На величину первоначальной усадки могут оказать влияние форма, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки,

Создание жесткого скелета в бетонной смеси с большим расходом воды, уменьшая внешнюю первоначальную усадку, не может препятствовать протеканию седиментанионных процессов между зернами крупного заполнителя. Поэтому в бетоне увеличится доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качества бетонной смеси.

Усадка бетона. Процесс твердения бетона сопровождается изменениями его объема. Наиболее значительным является уменьшение объема при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, получившее название усадки бетона. При твердении в воде или во влажных условиях уменьшение объема бетона может не происходить, а в ряде случаев наблюдается даже его незначительное расширение.

Усадка бетона вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существеннее значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформации, названные так по виду определяющего фактора.

Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона.

Контракционная усадка вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами, вступающими в реакцию. Эта усадка развивается в период интенсивного протекания химических реакций между цементом и водой и не столько изменяет внешние размеры образца, сколько способствует изменениям в поровой структуре материала: уменьшается объем пор, занимаемых водой, возникают воздушные поры. Обычно эта усадка развивается в период затвердения бетона, когда он еще достаточно пластичен, и поэтому не сопровождается заметным растрескиванием материала.

Карбонизационная усадка вызывается карбонизацией гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.

Усадка бетона, особенно влажностная и карбонизационная, происходящая в уже затвердевшем материале, может привести к возникновению трещин в бетоне, например вдоль предварительно напряженной арматуры, или в изделиях с большой открытой поверхностью, что ухудшает качество конструкций и сооружений и их долговечность. В некоторых случаях может потребоваться ремонт конструкции. Поэтому при проектировании и производстве бетонных и железобетонных изделий необходимо учитывать влияние усадки бетона.

Величина усадки бетона зависит от его состава и свойств использованных материалов. Усадка увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей. Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке (усадка поверхностных слоев материала выше) и может вызвать появление усадочных трещин.

Модуль упругости и деформации бетона при кратковременном загружении. Деформации бетона при приложении нагрузки зависят от его состава, свойств составляющих материалов и вида напряженного состояния. Диаграмма сжатия бетона имеет криволинейное очертание, причем кривизна увеличивается с ростом напряжений (рис. 14).

С увеличением прочности бетона уменьшаются его деформации и кривизна диаграммы у-е. Низкопрочные бетоны имеют даже нисходящую ветвь диаграммы сжатия. Однако на этом участке сплошность материала уже нарушена, в нем возникают микроскопические трещины, отслоение отдельных частей. В железобетонных конструкциях арматура связывает отдельные части бетона в единое целое и для частных случаев расчета конструкций необходимо учитывать нисходящею ветвь диаграммы сжатия бетона.

Рисунок 14 - Диаграмма сжатия бетона:

еу - упругая составляющая деформации;

епл - пластическая; епп - псевдопластическая

На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют также скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды и другие факторы. Деформация бетона включает упругую еу, пластическую епл и псевдопластическую епп части (рис. 14):

Соотношение, между ними зависит от состава бетона, использованных материалов и других факторов. Величина пластической и псевдопластической частей возрастает с увеличением длительности нагрузки, понижением прочности бетона, увеличением водоцементного отношения, при применении слабых заполнителей.

О деформативных свойствах бетона при приложении нагрузки судят по его модулю деформации, т. е. по отношению напряжения к относительной деформации, вызываемой его действием. Чем выше модуль деформации, тем менее деформативен материал.

В табл. 5 приведены значения модуля деформации при сжатии некоторых видов бетона, показывающие большое влияние на него технологических факторов.

Таблица 5 - Средние значения модуля деформации E некоторых видов бетона (МПа)

Вид бетона	Прочность бетона, МПа
	10	30	50
Обычный тяжелый	19	34	41
Легкий	11	19	--
Мелкозернистый	13	23	30

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют величины предельных деформаций, при которых начинается разрушение бетона. По опытным данным, предельная сжимаемость бетона изменяется в пределах 0,0015...0,003, увеличиваясь при повышении прочности бетона. Предельную сжимаемость бетона можно также увеличивать, применяя более деформативные компоненты и обеспечивая достаточно надежное сцепление между ними.

Предельная растяжимость бетона составляет 0,0001...0,0015, т. е. примерно в 15...20 раз меньше его предельной сжимаемости.

Предельная растяжимость повышается при введении в бетон пластифицирующих добавок, использовании белитовых цементов, уменьшении крупности заполнителей или при применении заполнителей с высокими деформативными свойствами и сцеплением с цементным камнем.

Деформации ползучести. Под ползучестью бетона понимают его способность деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки. Физическая природа ползучести еще недостаточно выяснена, но большинство исследователей считают, что пластические деформации ползучести обусловливаются пластическими свойствами цементного камня и изменением состояния основной составляющей бетона. Деформации ползучести наиболее заметно развиваются в первые сроки после приложения нагрузки и постепенно затухают, но они наблюдаются иногда у бетона в возрасте одного года и больше. Полная деформация ползучести может значительно превосходить деформации, получаемые бетоном в момент загружения.

Ползучесть бетона зависит от еще большего числа факторов, чем его усадка, причем большинство факторов действует на деформации ползучести подобно их влиянию на деформации усадки. На ползучесть бетона влияют расход и вид цемента, водоцементное отношение, вид и крупность заполнителя, степень уплотнения бетона, степень гидратации цемента к моменту приложения нагрузки, температура и влажность окружающей среды и самого бетона, размеры образца и относительное значение напряжений в бетоне. Ползучесть бетона увеличивается при повышении содержания цемента, увеличении водоцементного отношения, уменьшении крупности заполнителей и повышении их деформативности, например при применении пористых заполнителей.

Температурные деформации. Бетон, как и другие материалы, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. В среднем коэффициент линейного расширения бетона составляет 1010-6. Однако в действительности он колеблется в зависимости от состава бетона и свойств заполнителей и вяжущего. С увеличением содержания цементного камня коэффициент линейного расширения б увеличивается. Например, в одном из опытов раствор состава 1:3 имел б =10,410-6, а цементный камень - б=13,110-6. Определенное влияние на коэффициент линейного расширения оказывает вид заполнителя. Например, бетон на граните в опытах показал б=9,810-6, бетон на керамзите - б =7,410-6, бетон на известняке - б=8,610-6. Зависимость коэффициента линейного расширения бетона бб от коэффициента линейного расширения заполнителя бз приведена на рис. 15.

Рисунок 15 - Зависимость коэффициента линейного

расширения бетона бб от коэффициента линейного

расширения заполнителя бз: 1 - водное твердение;

2 - воздушное твердение

Изменение температуры в пределах 0...50 °С мало влияет на коэффициент температурного расширения сухого бетона, если при этом в бетоне отсутствуют физико-химические превращения. При изменении температуры влажного бетона температурные деформации складываются с влажностной усадкой или расширением. При замерзании влажного бетона существенное влияние на его деформации оказывает образование льда в порах и капиллярах материала. В ряде случаев вместо деформации сжатия при остывании бетона ниже 0°С могут наблюдаться деформации расширения, вызываемые давлением образующегося льда.

Температурные деформации бетона близки к температурным деформациям стали, что обеспечивает их надежную совместную работу в железобетоне при различных температурах окружающей среды.

3) Физические свойства

Плотность. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бетонная смесь может 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 теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если она не содержит вовлеченного воздуха.

Качество уплотнения бетонной смеси обычно оценивают коэффициентом уплотнения:

,

где и - действительная и расчетная плотность бетонной смеси.

Обычно стремятся получить коэффициент , но вследствие воздухововлечения в бетонную смесь при вибрации и других факторов часто составляет 0,96...0,98.

В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость (%) бетона можно определить по формуле:

,

где В и Ц -- расходы воды и цемента, кг/м3 бетона; - содержание химически связанной воды, доли от массы цемента. Обычно для бетона в возрасте 28 суток принимают .

Относительная плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей, обеспечивающим меньший объем пустот в смеси заполнителей, а следовательно, и минимальное содержание цементного камня в бетоне. Кроме того, можно применять цементы, присоединяющие при гидратации возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый и расширяющиеся цементы), или цементы, занимающие больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент). Плотность бетона может быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что, как уже говорилось, достигается введением в смесь специальных добавок - пластификаторов, уплотнением бетонной смеси вибрацией, центробежным или другим механизированным способом. Часть свободной воды из бетонной смеси можно при укладке удалить вакуумированием или прессованием.

Плотность бетона является его важнейшим свойством, в значительной степени определяющим прочность, непроницаемость и долговечность бетона.

Проницаемость. Для бетона гидротехнических и ряда других сооружений важной характеристикой является его проницаемость. Она в известной мере определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замерзания, 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 является капиллярно-пористым материалом, как бы пронизанным тончайшей сеткой пор и капилляров различных размеров. Мелкие поры и капилляры (микропоры) размером менее 10-5 см, к которым относятся, в частности, поры цементного геля, практически непроницаемы для воды. Микропоры и капилляры размером более 10-5 см доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности или осмотического эффекта. Поэтому проницаемость бетона зависит от объема и распределения макропор и капилляров в бетоне.