Портал о строительстве и ремонтных работах

Архивы за 15.09.2015

Применение химических добавок позволяет существенным об­разом влиять на цементные растворы и бетоны, повышая их каче­ство и придавая им специфические свойства. Использование до­бавок практикуется в настоящее время настолько широко, что этот вопрос заслуживает особого внимания для избежания воз­можных ошибок.

Применяемые добавки могут иметь природное происхождение или могут быть получены искусственным путем в качестве основ-
ного или побочного продукта производства. По химическому со­ставу они подразделяются на минеральные и органические. Мине­ральные добавки, в свою очередь, можно подразделить на раствори­мые в воде и нерастворимые. К нерастворимым относятся актив­ные минеральные добавки (см. подразд. 8.9), а к растворимым — добавки, ускоряющие твердение бетона, и противоморозные до­бавки.

Из добавок органического происхождения применяются в ос­новном разнообразные поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Добавки, ускоряющие твердение бетона. Они представляют со­бой главным образом хорошо растворимые в воде соли сильных кислот (серной, соляной, угольной, азотной и др.). Наибольшее практическое значение имеют хлорид кальция, поташ, нитрат кальция, нитриты кальция и натрия и др.

Хлорид кальция (ХК) СаС12 — сильный ускоритель, ко­торый увеличивает суточную прочность на сжатие почти вдвое, но мало влияет на конечную прочность и может даже вызвать ее снижение. Хлорид кальция снижает также сульфатостойкость це­мента. При добавлении более 2… 3 % от массы цемента он вызыва­ет быстрое схватывание, которое можно частично нормализовать, заменяя часть ХК хлоридом натрия (ХН) NaCl. Хлориды вызыва­ют коррозию стальной арматуры, поэтому в железобетоне их при­меняют, как правило, в сочетании с нитритами и нитратами каль­ция, являющимися ингибиторами коррозии.

Поташ К2С03 (П) — очень сильный ускоритель, вызываю­щий мгновенное схватывание портландцемента. Добавки поташа, а также Na2C03 или NaF могут вызвать расширение и растрески­вание бетона, если в заполнителях содержится аморфный крем­незем, с которым щелочь вступает в реакцию. Бетон с добавкой поташа характеризуется низкой морозостойкостью, а при повы­шенной температуре твердения возможно снижение его конеч­ной прочности.

Нитрат кальция (НК) Ca(N03)2, нитриты кальция Ca(N02)2 и натрия (НН) NaN02 как ускорители твердения уступают хлориду кальция и поташу. Нитрат кальция вызывает быстрое схватывание цемента. Главным достоинством нитратов и нитритов является пассивация стальной арматуры, предотвраща­ющая ее коррозию в бетоне.

Для повышения эффективности добавок их часто делают ком­плексными, т. е. составленными из нескольких индивидуальных веществ. К комплексным добавкам-ускорителям относятся ННК — нитрит + нитрат кальция (1:1), ННХК — нитрит-нитрат + хлорид кальция (от 1:1 до 3:1) и др.

Нз органических ускорителей известен формиат кальция, ко­торый ускоряет схватывание и твердение подобно неорганическим солям.

Противоморозные добавки. Противоморозные добавки при ра­створении в воде сильно понижают температуру ее замерзания, но усложняют процессы, при этом происходящие, что нельзя не учитывать на практике. Как известно, чистая вода переходит в лед при О °С. Это обстоятельство отражается на кривой охлаждения (графике изменения температуры воды во времени) в виде пере­лома графика — критической точки (точка ах на рис. 9.10). Задер­жка в понижении температуры происходит из-за того, что пере­ход веществ из жидкого состояния в твердое сопровождается выс­вобождением внутренней энергии — выделением теплоты, благо­даря которой температура остается постоянной до конца процес­са. При обратном переходе теплота поглощается.

Если в воде растворена какая-либо соль, например NaCl, то на кривой охлаждения наблюдаются две критические точки: верхняя а2 и нижняя Ь2. При увеличении содержания соли в растворе верхняя критическая точка опускается ниже, а нижняя — остается на одном и том же уровне (-21,2 °С). При содержании NaCl в растворе 23,3 % точки а и b совпадают. Дальнейшее увеличение концентрации ра­створа приводит к тому, что на кривых охлаждения снова появляет­ся верхняя критическая точка (а6), которая по мере увеличения со­держания соли резко поднимается вверх по оси температур.

Кривая а5а„ показывает, какое максимальное количество соли можно растворить в воде при данной температуре. Так, при тем­пературе 100 °С в воде максимально растворится 28,3% NaCl, но если дать раствору остывать, такая концентрация не сохранится. Соль будет выделяться из раствора в виде кристаллов, а ее со­держание в растворе будет понижаться. При температуре а6 (око­ло -10 °С) содержание NaCl составит 25 %, а при -21,2 °С — 23,3 %. Таким образом, раствор с концентрацией соли выше 23,3 % при температуре -21,2 °С является всегда пересыщенным по соли и при охлаждении из него выделяется соль. Раствор же с концентра­цией соли ниже 23,3 % при температуре -21,2 °С является всегда пересыщенным по воде. При охлаждении из него выделяется чис­тая вода в виде кристаллов льда, а оставшийся раствор обогаща­ется солью и концентрация ее повышается, пока не достигнет 23,3%, что произойдет при температуре -21,2 °С.

Очевидно, что раствор с концентрацией 23,3 % является осо­бым, поэтому он получил название «эвтектика» (хорошо смешан­ный). Этот раствор замерзает при самой низкой температуре (в данном случае -21,2 °С), которую называют эвтектической. В твер­дом состоянии эвтектика представляет собой механическую смесь мелких кристаллов одного и другого компонента (воды и NaCl). Очевидно, что нижние критические точки (b2…b6) соответствуют образованию эвтектики из раствора, оставшегося после выделе­ния из него либо кристаллов чистого льда в доэвтектической об­ласти составов, либо кристаллов соли в заэвтектической области.

to

to

Таким образом, температурной характеристикой противомо — розных добавок является зависимость температуры начала крис­таллизации (замерзания) водного раствора от концентрации до­бавки (кривая а{а5а„), а также температура и состав эвтектики (табл. 9.4).

В качестве противоморозных добавок используются в основном те же соли, что и для ускорения твердения цемента. Однако уско­ряющее действие здесь желательно, но не обязательно. Поэтому наряду с добавками-ускорителями применяются вещества, не ус­коряющие твердения бетона, например мочевина CO(NH2)2, и даже иногда замедляющие его (раствор аммиака, не замерзаю­щий до -100 °С). Мочевина (М), как правило, не применяется самостоятельно, а входит в состав комплексных противомороз­ных добавок: НКМ — нитрат кальция + мочевина (1:1), ННКМ — нитрит-нитрат кальция + мочевина (3:1), ННХКМ — нитрит — нитрат-хлорид кальция + мочевина (3 : 1).

Чем ниже температура твердения бетона, тем больше должна быть концентрация противоморозных добавок в воде затворения.

Добавки НН и ННК можно применять независимо от вида конструкции и условий эксплуатации. Применение остальных до­бавок полностью исключается в предварительно-напряженных конструкциях и при сульфатной и общесолевой агрессивности воды-среды. Для бетона зоны переменного уровня, кроме НН и ННК, допустимо применять НКМ и ННКМ. В железобетонных конструкциях не используются добавки хлоридов, а комплексные добавки ННХК, ННХКМ и другие добавки, содержащие хлори­ды, применяют при диаметре арматуры более 5 мм.

Поверхностно-активные вещества. Поверхностно-активные ве­щества (ПАВ), применяемые в качестве добавок к цементам и бетонам, по их действию подразделяют на: 1) пластифицирую­щие; 2) замедляющие схватывание и твердение; 3) воздухововле­кающие; 4) антивспенивающие; 5) гидрофобизующие; 6) водо­удерживающие (загустители) и др. Если ПАВ обладает несколькими эффектами, то его классифицируют по преобладающему действию.

Пластифицирующие добавки повышают подвижность бетонной смеси, тем самым позволяя получить заданную ОК при меньшем

Таблица 9.4 Параметр Вид добавки СаС12 NaCl К2С03 Ca(N03)2 NaN02 Эвтектическая температура раствора, °С -49,8 -21,2 -36,5 -29,0 -19,5 Состав эвтектики, % добавки 30,5 23,3 40,8 43,5 28,1

расходе воды (В). Если при этом сохранить расход цемента Ц не­изменным (понизить В/Ц), то возрастет прочность бетона; если же сократить расход цемента (при В/Ц = const), снизится сто­имость бетона.

По эффективности действия эти добавки подразделяют на обыч­ные пластификаторы (позволяющие снизить расход воды на 5… 15%) и суперпластификаторы (позволяющие снизить расход воды на 20…30 %).

Обычные пластификаторы, получаемые, как прави­ло, из побочных продуктов производства, наряду с полезными веществами содержат вещества, отрицательно влияющие на проч­ность и скорость твердения бетона. Поэтому концентрацию таких добавок не делают выше 0,2…0,3% от массы цемента, что огра­ничивает и пластифицирующий эффект.

Из обычных пластификаторов широко применяются лигносуль — фонаты кальция или натрия, получаемые из сульфитно-целлю­лозного щелока — побочного продукта производства бумаги. Их молекулы представляют собой полимерные цепи с множеством полярных сульфатных групп —S03Na. Неочищенные промышлен­ные лигносульфонаты (ЛСТ — лигносульфонаты технические) содержат значительное количество сахаров и солей сахарных кис­лот, которые замедляют схватывание и твердение. Свойства этих добавок нестабильны и связаны с неоднородностью исходного сырья. В настоящее время технические лигносульфонаты рассмат­ривают в основном как сырье для получения эффективных доба­вок путем их очистки от вредных веществ, фракционирования по молекулярной массе и т. д. Так получают лигносульфонаты тех­нические модифицированные (ЛСТМ) типа ХДСК (ХДСК-1, ХДСК-2), НИЛ-20, НИЛ-21, «Окзил» и др. Из зарубежных к этой группе добавок относятся, например, Acosal fluid and NT, Orsan S, VN Liguidaat WS, Betokem LP, Plastiment BV 40, Pozzolith 300 N, Pozzolith 8 и др.

Суперпластификаторы (СП) получают на химических предприятиях как товарный продукт, не содержащий вредных при­месей. Их концентрацию повышают до 1 % и более без ущерба для бетона. Если же концентрацию суперпластификаторов ограничить 0,2… 0,3 %, то степень водопонижения будет такой же, как у обыч­ных пластификаторов.

Из суперпластификаторов наиболее эффективными являются:

1) водорастворимые сульфонированные меламинформальдегид — ные смолы (СМФ) (суперпластификаторы 10-03, смола МФ-АР, Melment L10 и F10, Complast Ml, Sealoplaz Super и др.);

2) водорастворимые сульфонированные нафталинформальде — гидные смолы (СНФ) (разжижители С-3 и СМФ, «Дофен», супер­пластификаторы НКНС, Agilplast, Cormix Spi, Blankol N, Tamol N, Lomar D, Rheobuild, Chryso fluid и др.).

Оба типа представляют собой линейные полимеры с повторя­ющимися сульфатными группами. Эффективность добавок связа­на главным образом с соотношением в молекуле гидрофильных (сульфатных) и гидрофобных (углеводородных) групп. Пласти­фицирующее действие усиливается при уменьшении гидрофоб­ной части молекулы и увеличении количества гидрофильных суль — фогрупп. Оба типа добавок замедляют схватывание (СМФ — не­значительно, а СНФ — значительно).

Механизм действия пластификаторов основан на адсорбции добавок на поверхности твердых частиц. Как известно, ПАВ име­ют дифильную структуру молекул (см. подразд. 1.3), которая обус­ловливает их стремление перейти из объема раствора на поверх­ность раздела фаз (вода —воздух, вода—цемент и т. д.). На поверх­ности частиц цемента происходит взаимодействие сульфогрупп с ионами кальция, в результате чего зерна цемента покрываются тонкой, прочно удерживаемой пленкой, состоящей из молекул СП. Однако не все полярные группы связываются с твердой по­верхностью, часть их обращена в сторону жидкой фазы.

Адсорбционная пленка уменьшает силы трения между части­цами и облегчает их взаимное скольжение друг относительно дру­га. Это может быть вызвано несколькими причинами (например, смазочным эффектом, характерным для многих органических ве­ществ, и уменьшением сил сцепления между частицами в резуль­тате, с одной стороны, увеличения расстояний между ними за счет образовавшейся пленки, а с другой стороны — электроста­тического отталкивания между одноименно заряженными иони­зированными сульфогруппами (SOj), находящимися на внешней поверхности адсорбционных пленок).

Кроме того, возможен еще один механизм пластифицирующе­го действия добавок. Гидрофобные радикалы в адсорбционных оболочках частиц занимают существенно большую суммарную площадь, чем гидрофильные сульфогруппы. Поэтому общим ито­гом адсорбции является гидрофобизация поверхности частиц. При­обретая водоотталкивающие свойства, частицы цемента переста­ют удерживать молекулы воды на своей поверхности и последние получают возможность перемещения, увеличивая текучесть воды и подвижность бетонной смеси.

Добавки, замедляющие схватывание и твердение, применяют, когда времени до начала схватывания недостаточно для транс­портирования и укладки бетонной смеси. Замедляющими свой­ствами обладают сахароза, цитрат кальция, глюконат натрия, лигносульфонат кальция и другие органические вещества. Добав­ка 0,1 % сахарозы от массы цемента отодвигает начало схватыва­ния с 4 до 14 ч, а 0,25 % задерживает схватывание до шести дней. Большое количество сахарозы может полностью «отравить» це­мент, замедлив схватывание на неопределенное время. Доказано, что замедление схватывания вызывается адсорбцией добавок с об­разованием экранирующей пленки на продуктах гидратации.

Воздухововлекающие добавки адсорбируются на поверхности раздела вода —воздух, ориентируясь полярными группами в сто­рону воды, а углеводородными радикалами — в сторону воздуха (см. рис. 1.5, (3). При перемешивании происходит захват воздуха и образование пены, подобно мыльной. Внутренняя поверхность оболочки пузырьков образована неполярными частями молекул ПАВ.

Воздухововлечение хотя и несколько снижает прочность бето­на, в то же время повышает его морозостойкость, водонепрони­цаемость и стойкость к коррозии. Это связано с возрастанием доли замкнутых пор и снижением капиллярной пористости. По сред­ним оценкам истинная пористость бетона возрастает на 3…5% (абс.), а водопоглощение снижается на 10… 15% (абс.). Вовлече­ние воздуха повышает удобоукладываемость бетонной смеси, что позволяет уменьшить В/Ц и частично или полностью скомпенси­ровать потерю прочности.

В качестве воздухововлекающих добавок используются ПАВ раз­личного химического строения, как простые, например натрие­вые соли жирных или алкиларилсульфоновых кислот, так и до­вольно сложные по химическому составу. В продажу поступают щелочной сток производства капролактама (ЩСПК); смола омы­ленная водорастворимая (ВЛХК); понизитель вязкости феноль­ный лесохимический (ПФЛХ); лесохимическая добавка (ЛХД); нейтрализованный черный контакт (НЧК); контакт черный ней­трализованный рафинированный (КЧНР); сульфатный черный щелок (ЧЩ); подмыльный щелок (ПМЩ) и др.

Лнтивспенивающие добавки применяют совместно с пластифи­каторами, когда воздухововлекающий эффект последних являет­ся нежелательным. Важно только обеспечить совместимость ком­понентов в таком комплексе. Для добавок типа МТС-1 в качестве пеногасителей используются высшие жирные спирты — фракции С10…С|2. В качестве пеногасителей для пластификатора НИЛ-21 рекомендованы пропинол Б-400, полиэфиры марки лапрол 2003 и 5003-25-10, кремнийорганические жидкости 115-99 и 139-104, а также технический рыбий жир (ТРЖ).

Гидрофобизующие кремнийорганические соединения (КОС), ис­пользуемые в качестве добавок к бетону, могут быть водонера­створимыми или водорастворимыми. Из водонерастворимых при­меняются гидрофобизующие кремнийорганические жидкости (ГКЖ), образующие водную эмульсию, например этилгидроси — локсан [—C2H5SiH — О—]„ — жидкость гидрофобизующая 136-41 (ГКЖ-94). Из водорастворимых широкое применение нашли этил — силиконат натрия [—C2H5SiONa —О—]„ — ГКЖ-10; метилсили — конат натрия [—CH3SiONa—О—]„ — ГКЖ-11. Эти добавки вы­пускаются также в порошке (ГКП-10 и ГКП-11) и в виде крис­таллов (ЭСНК и МСНК), что позволяет их применять в сухих смесях. Наиболее высокой гидрофобизующей способностью обла­дают алюмосиликонаты натрия.

Силиконаты и алюмосиликонаты натрия обладают умеренно выраженным пластифицирующим и воздухововлекающим действи­ем и в оптимальных дозировках (0,1…0,3% от массы цемента) позволяют снизить водопотребность бетонной смеси на 13… 16 % при сохранении заданной подвижности. Пластифицирующий эф­фект тем значительнее, чем крупнее углеводородные радикалы в молекуле КОС.

Введение КОС снижает расслаиваемость и водоотделение, за­держивает потерю подвижности. При повышении дозировки сверх оптимальной потеря подвижности ускоряется и смесь схватывает­ся в короткие сроки. Это обусловлено противоположным действи­ем отдельных фрагментов молекулы: увеличение радикалов ведет к замедлению потери подвижности, а наличие группы ONa — к ее ускорению.

Другой особенностью КОС является газовыделение в портланд- цементных составах. Реакция между Са(ОН)2 и полиэтилгидроси — локсаном протекает при обычной температуре и сопровождается выделением водорода, что вызывает увеличение объема бетонной смеси на 1 …2 %.

Прочность бетона с увеличением дозировки силиконатов и алюмосиликонатов натрия от 0 до 0,2 % возрастает на 15 …25 %, а при последующем увеличении количества добавок начинает сни­жаться.

Положительное влияние КОС на морозостойкость связано с образованием системы условно замкнутых пор.

Проектирование состава бетона заключается в нахождении па­раметров В/Ц, г и Ц. Если заполнители рассеиваются более чем на две фракции, то нужно находить не только долю песка г от массы заполнителей, но и долю (или процентное содержание) каждой фракции, т. е. зерновой состав (ЗС) заполнителей, кото­рый также должен быть оптимальным. Запроектированный состав бетона должен обеспечить заданные в проекте сооружения свой­ства бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость) и заданные в проекте производства работ свойства бетонной сме­си (удобоукладываемость, жизнеспособность) при наименьшем расходе цемента (наиболее дорогого компонента в бетоне).

Выбор материалов для бетона. Вид цемента выбирают из сооб­ражений стойкости бетона к коррозии, морозному разрушению и термическому трещинообразованию, а его марку выбирают исхо­дя из заданной прочности бетона.

В случае сульфатной агрессивности воды-среды следует приме­нять сульфатостойкие виды цементов. В зоне переменного уровня воды не применяют пуццолановый и шлаковый портландцемен — ты из-за их низкой морозостойкости. Для бетона массивных со­оружений необходимо применять цементы с пониженным тепло­выделением.

Высокоактивные цементы нецелесообразно применять в низ­копрочном бетоне, так как расход цемента окажется по расчету очень низким, что вызовет ухудшение связности бетонной смеси, снижение плотности и водонепроницаемости бетона.

Определение параметров состава бетона. Задано: прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут (/?2Я); подвижность (ОК) бетон­ной смеси. Экспериментально определить: В/Ц, г и Ц.

Для решения задачи есть две зависимости, связывающие свой­ства бетонной смеси и бетона с параметрами состава:

Я28 =/(В/Ц); ОК =/(В/Ц, г, Ц).

В конкретном виде эти зависимости дают два уравнения, из которых все три неизвестных (В/Ц, г, Ц) не могут быть найдены. Из первого уравнения по заданной прочности R28 можно найти В/Ц. Подставив найденное значение В/Ц во второе уравнение, получим: OK = f(r, Ц). Это уравнение имеет множество решений, каждое из которых представляет собой согласованную пару значе — ний г и Ц (изменение г влечет за собой изменение Ц для обеспе­чения заданной подвижности). Из всего множества решений нуж­но выбрать то, которое характеризуется наименьшим расходом цемента (Цтіп)- Наименьший расход цемента получается при од­ном единственном значении параметра г, которое называется оп­тимальным (гопт). Таким образом, необходимо определить г= гопт И Ц — Umitr

1. Определение В/Ц. Водоцементное отношение определяют из зависимости R28 = /(В/Ц), которую можно представить в виде фор­мулы или получить экспериментально в виде графика.

Расчетный способ позволяет ориентировочно оценить величи­ну В/Ц, обеспечивающую заданную прочность бетона R28, по любой из известных формул, например по формуле (9.3), в кото­рую кроме заданной прочности нужно подставить активность це­мента Ru и показатель качества заполнителей К.

При экспериментальном способе готовят несколько бетонных смесей с различным В/Ц и постоянными значениями расхода цемента Ц и доли песка г, взятыми произвольно[4], но в разумных пределах. Из каждой бетонной смеси изготавливают образцы-кубы. Образцы хранят в стандартных условиях и испытывают на проч­ность при сжатии в возрасте 28 сут. По полученным данным стро­ят график зависимости R28 = /(В/Ц) (см. рис. 9.5, а). По графику для заданной прочности находят искомое В/Ц. В данном случае не требуется отдельно определять активность цемента и качество за­полнителей, так как все особенности материалов отражаются не­посредственно на прочности бетона.

2. Определение гош. Известны два экспериментальных способа определения оптимальной доли песка в смеси заполнителей.

Способ 1 — определение гот по наименьшему объему пустот в смеси заполнителей. При этом способе полагают, что минимальный расход цемента в бетоне получится в том случае, если сухая смесь песка и щебня (гравия) будет иметь наименьший объем межзерно­вых пустот. Тогда потребуется наименьшее количество цементного теста, а следовательно, и цемента для заполнения этих пустот.

Готовят несколько сухих смесей песка и щебня с различным параметром г и определяют для каждой смеси объем межзерновых пустот УП. Строят график зависимости Vn = /(г), по которому для наименьшего объема пустот находят гопт (рис. 9.9).

Способ 2 — определение гот по наибольшей подвижности бе­тонной смеси. При этом способе за г0ПТ принимают такое значение г, при котором бетонная смесь имеет наибольшую подвижность. В этом случае цемента в бетоне потребуется в наименьшем коли­честве.

Рис. 9.9. Определение rom по наи-
меньшему объему пустот Vn в
смеси заполнителей

Затворяют несколько бетонных смесей с различным г и посто­янными параметрами В/Ц и Ц. Водоцементное отношение берут равным найденному значению, а расход цемента Ц, поскольку он пока еще не установлен, принимают произвольно в разумных пределах[5]. Для каждой бетонной смеси определяют осадку конуса и строят график зависимости OK = f(r). По графику находят гот, которое соответствует наибольшей ОК (см. рис. 9.3, в). Метод оп­ределения Гопт по наибольшей подвижности бетонной смеси явля­ется наиболее достоверным, так как позволяет контролировать расход цемента непосредственно в бетонной смеси.

3. Определение Ц. Затворяют несколько бетонных смесей, от­личающихся расходом цемента. Смеси должны иметь одинаковые В/Ц и г, найденные ранее. Определяют ОК каждой смеси и по полученным данным строят график зависимости ОК = /(Ц). По за­данной ОК находят необходимый расход цемента (см. рис. 9.3, б).

Проверка результатов проектирования состава бетона. Провер­ку проводят путем испытания бетонной смеси и бетона запроек­тированного состава. Необходимо, чтобы фактическая подвижность бетонной смеси соответствовала заданной или отличалась от нее не более чем на 1 см: ОКфакт = ОКзад± 1 см, а фактическая проч­ность бетона была бы не ниже заданной, но и не выше нее более чем на 15%: Дфакт = (1… 1,15)Лзад.

Коррозией (от лат. corrodo — грызу или corrosio — разъедание) бетона называются химические процессы, приводящие к сниже­нию его технических свойств. В химическое взаимодействие с при­родной водой вступают в основном продукты гидратации портланд­цемента, в первую очередь — Са(ОН)2, причиной чего является сравнительно высокая растворимость Са(ОН)2 в воде — до 1,3 г СаО в 1 л. Пока в поровом растворе поддерживается такая концен­трация извести, остальные продукты гидратации портландцемента не могут переходить в раствор, так как для них он является пересы­щенным. Только когда концентрация извести понизится, начнется растворение гидросиликата и гидроалюмината кальция.

Выщелачивающая коррозия. Она заключается в физическом растворении Са(ОН)2 и вымывании его из бетона. Этот процесс называется выщелачиванием. Выщелачивающая коррозия суще­ственно уменьшается в случае высокой временной жесткости воды, т. е. высокого содержания в ней гидрокарбонатов кальция и маг­ния — Са(НС03)2 и Mg(HC03)2, что объясняется взаимодействи­ем их со свободной известью и образованием нерастворимых со­единений, препятствующих растворению Са(ОН)2. Временная жест­кость воды принята за показатель ее агрессивности. Чем выше вре­менная жесткость, тем менее опасна вода для бетона.

Общекислотная коррозия. Под воздействием кислоты вместо Са(ОН)2 образуется хорошо растворимая соль, вымываемая из бетона, например СаС12: Са(ОН)2 + 2НС1 = СаС12 + 2Н20. Это ведет к исчезновению из бетона кристаллического сростка Са(ОН)2. Показателем агрессивности является кислотность воды, выражае­мая водородным показателем pH. Чем меньше pH (при pH < 7), тем опаснее вода.

Углекислая коррозия. При достаточной концентрации С02 в природной воде Са(ОН)2 превращается в хорошо растворимый бикарбонат кальция Са(НС03)2, вымываемый из бетона. Опасной для бетона является не вся углекислота, содержащаяся в воде, а только часть ее, называемая агрессивной. Другая часть углекисло­ты, называемая равновесной, не опасна, так как обеспечивает поддержание Са(НС03)2 в растворенном состоянии. Концентра­ция агрессивной углекислоты [С02]агр принята за показатель аг­рессивности. Чем она больше, тем опаснее вода.

Магнезиальная коррозия. При содержании в воде растворимых солей магния, например MgCl2, MgS04 и других, может происхо­дить обменная реакция: Са(ОН)2 + MgCl2-H> Mg(OH)2 + СаС12. В отли­чие от СаС12 гидроксид магния, заменяющий Са(ОН)2, нераство­рим, но образуется в виде рыхлой массы. Такая замена ведет к снижению прочности бетона. Показателем магнезиальной агрес­сивности является концентрация в воде ионов магния [Mg2+], Чем она больше, тем опаснее вода.

Аммонийная коррозия. Почти все соли аммония хорошо раство­римы и полностью диссоциируют в воде. В растворе ионы NH4 и ОН — связываются в почти недиссоциирующий гидрат аммиака, в результате чего возникает кислая среда: NH4 + Н20 = NH4OH + Н+. В результате аммонийная коррозия протекает так же, как и обще­кислотная, с образованием вместо Са(ОН)2 растворимых солей кальция, вымываемых из бетона: Са(ОН)2 + 2NH4 = Са2+ + 2NH4OH. Концентрация [NH4 ] является показателем агрессивности. С ее увеличением усиливается опасность воды.

Щелочная коррозия. При большом содержании в воде щелочей КОН и NaOH растворимость Са(ОН)2 значительно снижается, что приводит к гидролизу (разложению водой) гидросиликатов и гид­роалюминатов кальция и образованию хорошо растворимых щелоч­ных алюминатов и силикатов: Na20 • А1203 • 4Н20 и Na20 • Si02 • 9Н20.

Итогом является исчезновение из бетона гидросиликатов и гид- роалюмиинатов кальция. Чем больше концентрация в воде катио­нов [К+ + Na+], тем опаснее вода. Эта концентрация принята в качестве показателя агрессивности.

Сульфатная коррозия. Из анионов, содержащихся в природ­ной воде, агрессивное действие на бетон оказывает лишь анион S042-. В процессе коррозии участвует гидроалюминат кальция:

ЗСаО • А1203 • 6Н20 + ЗСа2+ + 3S042“ +

+ 25Н20 -» ЗСаО • А1203 • 3CaS02 • 31Н20

Катионы кальция поступают для реакции в результате раство­рения Са(ОН)2. Образующаяся комплексная соль, называемая гид- росульфоалюминатом кальция (ГСАК), имеет объем в несколько раз больший, чем объем исходных продуктов в бетоне. Это явля­ется причиной растрескивания бетона. Показателем агрессивнос­ти является концентрация в воде аниона [S04~], Чем она больше, тем опаснее вода.

Общесолевая коррозия. При испарении воды из бетона в его порах остается твердый остаток, образующийся из растворенных в воде-среде солей. Постоянное поступление воды в бетон и пос­ледующее ее испарение с открытых поверхностей приводит к на­коплению твердого осадка и росту кристаллов соли в порах бето­на. Этот процесс сопровождается расширением и растрескивани­ем бетона. Показателем агрессивности является концентрация в воде солей (соленость воды) и едких щелочей. Чем выше эта кон­центрация, тем опаснее вода.

Меры борьбы с коррозией бетона. Существуют следующие спо­собы повышения коррозионной стойкости бетона.

1. Применение сульфатостойких цементов, к которым относят­ся сульфатостойкий портландцемент, сульфатостойкий портланд­цемент с минеральными добавками, сульфатостойкий шлакопор­тландцемент и пуццолановый портландцемент.

Цементный камень глиноземистого цемента обладает повышен­ной стойкостью к кислотной (в частности, к углекислой) корро­зии, а также стойкостью в мягких и сульфатных водах. Однако в растворах щелочей глиноземистый цемент не стоек.

2. Повышение водонепроницаемости бетона осуществляется применением цементов с малой водопотребностью, уменьшени­ем водоцементного отношения, тщательным уплотнением бетон­ной смеси при укладке, введением поверхностно-активных доба­вок, понижающих долю открытой пористости.

3. Применение различных видов гидроизоляции (проникающей, мастичной, оклеечной рулонной и других).

4. Гидрофобизация — вид защиты бетона, при котором вода не может проникнуть в открытые поры, а воздух и водяной пар сво­бодно в них перемещаются, что позволяет бетону просыхать. Для этого применяют специальные жидкости, образующие на стенках пор тончайшую пленку, придающую поверхности водоотталкива­ющие свойства.

Прочность бетона при сжатии определяют по результатам ис­пытания серии образцов-кубов, твердевших в нормальных усло­виях (температура воздуха — (20 ± 2) °С; относительная влажность воздуха — не ниже 95 %) в течение 28 дней (для бетона речных сооружений — 180 дней).

За базовый образец принят куб с длиной ребра 150 мм. Проч­ность образцов иных размеров умножают на масштабный коэф­фициент (табл. 9.3).

При изготовлении образцов бетонную смесь укладывают в форму слоями высотой не более 100 мм. Каждый слой уплотняют штыко-

Таблица 9.3 Наибольшая крупность зерен заполнителя Цгаи6, мм Длина ребра куба, см Масштабный коэффициент а 10 7 0,85 20 10 0,95 40 15 1,00 70 20 1,05 100 30 1,10

ванием стальным стержнем диаметром 16 мм с закругленным кон­цом. Число штыкований равно 0,Ы, где А — площадь грани об­разца, см2. При ОК < 10 см бетонную смесь дополнительно уп­лотняют вибрированием на стандартной виброплощадке до появ­ления цементного молока на поверхности смеси. При Ж < 11 с вибрирование производят с пригрузом, создающим давление (4 + 0,5) кПа. После уплотнения избыток бетонной смеси срезают вровень с краями формы и поверхность смеси заглаживают. Об­разцы хранят в течение 1…3 сут в формах, покрытых влажной тканью, в помещении с температурой воздуха (20 ± 2) °С. Затем их освобождают от форм, маркируют и выдерживают до испытания в камере с относительной влажностью воздуха не менее 95 % при температуре воздуха (20 ± 2) °С. При испытании образцы устанав­ливают так, чтобы заглаженная грань не прилегала к плитам пресса.

Предел прочности образца при сжатии определяют по формуле

R = aF/A{)s (9.2)

где а — масштабный коэффициент (см. табл. 9.2); F— максималь­ная нагрузка, МН; Ап — расчетная площадь образца, м2.

Прочность бетона вычисляют как среднее арифметическое зна­чение результатов испытаний (в серии из трех образцов — по двум, из четырех — по трем, из шести — по четырем наибольшим зна­чениям).

Прочность бетона зависит от следующих факторов:

1) вид и качество применяемых в бетоне цемента и заполните­лей;

2) состав бетона;

3) технологические факторы (возраст бетона, условия приго­товления, уплотнения, твердения).

При определении класса бетона по прочности влияние третьей группы факторов исключают, делая их стандартными.

Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемен­та Лц. Применение щебня вместо гравия или горного песка вместо морского повышает прочность бетона в среднем на 10 %. При этом снижается ОК, так что равноподвижные смеси дают примерно равнопрочные бетоны.

Из трех параметров состава (В/Ц, г, Ц) лишь водоцементное отношение существенно влияет на прочность бетона; от двух дру­гих параметров (г и Ц) прочность бетона почти не зависит. Это обстоятельство является настолько важным для проектирования состава бетона, что его назвали законом водоцементного отноше­ния, который формулируется следующим образом: прочность бе­тона, приготовленного из неизменных материалов, зависит толь­ко от водоцементного отношения и не зависит от остальных пара­метров состава. Таким образом, если цемент и заполнители одни и те же, то зависимость прочности от состава бетона превращает-
ся в однозначную: R28 = /(В/Ц). С увеличением водоцементного отношения прочность бетона снижается. Эта зависимость исполь­зуется при проектировании состава бетона для определения В/Ц по заданной в проекте сооружения прочности бетона (рис. 9.5, а).

Приближенно задача может быть решена с помощью эмпири­ческих формул, из которых наиболее широко применяется фор­мула швейцарского ученого Боломея:

Л28 =ЛЛц(Ц/В-0,5), (9.3)

где i?2s — прочность бетона в возрасте 28 дней; А — коэффициент, учитывающий вид и качество заполнителей; Rn — активность це­мента (прочность при сжатии половинок стандартных балочек из

Заменив В/Ц обратной величиной, Боломей аппроксимиро­вал зависимость R2$ =/(Ц/В) линейной функцией (рис. 9.5, б). Формула (9.3) применима для портландцементных бетонов с Ц/В — 1,25…2,50 (В/Ц = 0,8.„0,4).

В соответствии с формулой Боломея, чем выше активность це­мента, тем больше угол наклона прямой а и выше прочность бе­тона при том же значении Ц/В.

Наиболее интенсивно процесс твердения протекает в первые семь дней и очень медленно — после 28 дней твердения. При низ­кой влажности воздуха вода затворения быстро испаряется из бето­на, что замедляет гидратацию цемента и твердение бетона. В рай­онах с сухим климатом твердеющий бетон поливают водой и ук­рывают пленкой, предотвращающей потерю влаги. Повышение температуры бетона при сохранении достаточной влажности ус-

Рис. 9.5. Графики зависимостей прочности бетона от водоцементного от-
ношения (а) и обратной ему величины (б)

коряет процессы гидратации цемента и нарастания прочности бетона. При температуре 70…90°С отпускную прочность бетона можно получить за 7…8 ч твердения. Твердение бетона ускоряют добавки неорганических солей (см. подразд. 9.8).

Прочность бетона при растяжении определяют на образцах — восьмерках квадратного сечения, сторона которого может быть равна 7, 10, 15 или 20 см. Предел прочности при растяжении вы­числяют по формуле (9.2), как и в случае центрального сжатия. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и плохо сопротивляется растяжению.

Для обычных бетонов значения Ясж/Rp = 9…20. Поэтому бетон без армирования используют там, где нет растягивающих напря­жений.

В ГОСТ 26633 — 91 на сжатие установлены следующие классы бетона: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В65; В70; В75; В80. На растяжение уста­новлены следующие классы бетона: Bt0,4; Bt0,8; В, 1,2; В, 1,6; Bt2,0; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2; Bt3,6; Bt4,0.

Класс бетона — это нормируемая прочность бетона, МПа, с гарантированной обеспеченностью (доверительной вероятностью) Г* при стандартном испытании. Если, например, Р — 0,95, то уста­новленная классом прочность обеспечивается в 95 случаях стан­дартных испытаний из 100 и лишь в пяти случаях прочность мо­жет быть ниже нормируемой. Соотношение между классом В и средней прочностью бетона р, полученной на ограниченном числе образцов, составляет:

В = (1 -%Cv)/?cP,

где х — показатель надежности, зависящий от доверительной ве­роятности Я; Cv — коэффициент вариации прочности бетона.

В нормах проектирования железобетонных промышленных и гражданских зданий и сооружений принята Р = 0,95, чему соот­ветствует х = 1,64. Коэффициент вариации прочности бетона для данных условий строительства установлен опытным путем и со­ставляет Cv = 0,135. Таким образом, (1 -%CV) = 0,78.

Для массивных гидротехнических сооружений принято Р- 0,90, чему соответствует х — 1,3, а коэффициент вариации установлен равным 0,17, что также дает (1 — %CV) = 0,78.

Морозостойкость — это способность насыщенного водой бето­на выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.

Заполняющая поры бетона вода, превращаясь в лед, увеличи­вается в объеме и вызывает микрорастрескивание бетона. С ростом числа циклов замораживания и оттаивания повреждения в бетоне накапливаются и его прочность снижается. Сильнее всего страдает бетон в зоне переменного уровня воды.

Морозостойкость бетона характеризуется его маркой: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000.

Марка означает число циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы при стандартном испытании (проч­ность при сжатии снижается не более чем на 5 %).

Базовый метод определения морозостойкости заключается в следующем. Готовят 18 образцов-кубов (с длиной ребра 10, 15 или 20 см), из них 12 основных (подлежащих замораживанию —оттаи­ванию) и шесть контрольных. Все образцы выдерживают в камере нормального твердения в течение 24 сут, затем в течение 4 сут их насыщают водой. После этого контрольные образцы испытывают на сжатие, а основные подвергают попеременному заморажива­нию и размораживанию. Замораживают образцы в морозильной камере с температурой -(18 ± 2) °С в течение не менее 2,5, 3,5 или 5,5 ч соответственно размеру образца (с длиной ребра 10, 15 или 20 см). Оттаивание образцов происходит в воде при температуре (18 ± 2) °С в течение 2, 3 или 5 ч соответственно размеру образца (с длиной ребра 10, 15 или 20 см).

После проведения числа циклов, заданного маркой, образцы испытывают на сжатие. Прочность основных образцов должна со­ставлять не менее 95 % прочности контрольных образцов.

На морозостойкость бетона влияют следующие факторы.

1. Вид цемента. Наиболее морозостойкий бетон получается на портландцементе. На шлакопортландцементе и особенно на пуц — цолановом портландцементе получаются неморозостойкие бето­ны.

2. Минералогический состав цемента. Повышенное содержание С3А в цементе снижает морозостойкость бетона.

3. Структура пористости. Морозостойкость бетона тем выше, чем меньше объем сообщающихся открытых для воды пор и чем меньше их размеры. Рост замкнутой пористости не оказывает от­рицательного влияния на морозостойкость.

4. Добавки к бетону. Для повышения морозостойкости в бетон вводят воздухововлекающие добавки. Несмотря на то что истин­ная пористость при этом увеличивается на 3…5 %, водопоглоще — ние снижается на 10… 15 %, так как уменьшается доля открытых пор.

5. Состав бетона. Из трех параметров состава бетона наиболь­шее влияние на морозостойкость оказывает водоцементное отно­шение: чем оно выше, тем ниже морозостойкость бетона (рис. 9.6). Зависимость F=/(В/Ц) используется при проектировании соста­ва бетона для определения В/Ц по заданной морозостойкости бе­тона Fw.

Водонепроницаемость бетона характеризуется его маркой по водонепроницаемости (ГОСТ 26633 — 91): W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18 и W20. Число в марке обозначает наиболь­
ший перепад давления воды, кгс/см2, который выдерживают бетонные образцы.

Для испытаний изготавлива­ют шесть образцов-цилиндров диаметром 150 мм и высотой не менее 100, 50 или 30 мм при наи­большей крупности зерен соот­ветственно 20, 10 и 5 мм.

Образцы после 28 сут тверде­ния в нормальных условиях в те­чение суток выдерживают на воз­духе в лаборатории, а затем зак­лючают в стальную обойму. За­зор между образцом и обоймой заливают парафином или воском.

Подготовленные образцы (рис. 9.7) устанавливают в гнездах ис­пытательной установки и снизу подают воду под давлением, ко­торое повышают ступенчато по 0,2 МПа до появления мокрого пятна на верхней торцевой по­верхности образцов. Время вы­держки на каждой ступени зави­сит от высоты образцов h и со­ставляет 16, 12, 6 и 4 ч (при h соответственно 150, 100, 50 и 30 мм). Водонепроницаемость бе­тона характеризуют наибольшим перепадом давления воды, при котором четыре образца из шес­ти еще не имели мокрого пятна.

На водонепроницаемость ока­зывают влияние следующие фак­торы.

1. Вид цемента. Пуццолановый портландцемент дает более водо­непроницаемый бетон, чем шла­копортландцемент и портландце­мент.

2. Вид добавок. Поверхностно­активные добавки повышают во­донепроницаемость бетона, так как создают в основном замкну­тые поры.

3. Водоцементное отношение. Чем выше В/Ц, тем ниже водо­непроницаемость (рис. 9.8). По зависимости W=f{В/Ц) определя­ют В/Ц, обеспечивающее заданную водонепроницаемость бетона W

гг зад*

4. Степень уплотнения. Чем сильнее уплотнена бетонная смесь в процессе укладки, тем выше водонепроницаемость бетона.

5. Режим твердения. Оптимальный тепловлажностный режим твердения благоприятно отражается на водонепроницаемости бе­тона.

Тепловыделение бетона обусловлено экзотермической реакцией между водой и цементом. В результате происходит саморазогрев бетонных конструкций при твердении. В, центральной части мас­сивных бетонных блоков температура может достигать 60…80°С, в то время как температура поверхности за счет охлаждения воз­духом значительно ниже. Саморазогрев бетона может вызвать тер­мические напряжения и образование трещин. Для снижения тем­пературы саморазогрева уменьшают тепловыделение бетона, ох­лаждают заполнители и воду перед затворением бетонной смеси, применяют охлаждение бетона водой, пропускаемой по заделан­ным в бетоне трубам. Для снижения тепловыделения применяют цемент с пониженной экзотермией (малым содержанием С3А и C3S) и сокращают его расход в бетоне.

Саморазогрев бетона играет положительную роль при тепло­вой обработке изделий (пропаривании, электропрогреве), уско­ряющей твердение бетона, а также в зимних условиях, когда теп­лота необходима для поддержания положительной температуры бетона при твердении. Тепловыделение, являясь в обоих случаях дополнительным источником энергии, позволяет сократить энер­гозатраты.

Расслаиваемость — разделение бетонной смеси на отдельные слои заполнителей, растворной части и воды — характеризуется двумя параметрами: водоотделением и раствороотделением. Часто расслаиваемость устраняют увеличением доли песка в массе за­полнителей.

Водоотделение бетонной смеси имеет место в состоянии покоя, когда твердые частицы оседают вниз, а избыток воды вы­тесняется вверх. Предельное содержание воды в бетонной смеси, выше которого наблюдается водоотделение, называется водоудер­живающей способностью. Для повышения водоудерживающей спо­собности используют добавки-загустители (см. подразд. 9.8).

Водоотделение сопровождается образованием в бетоне верти­кальных капиллярных ходов, снижающих его водонепроницае­мость.

Для определения водоотделен ия бетонную смесь отстаивают в мерном сосуде в течение 1,5 ч, отбирают пипеткой выделившую­ся воду и взвешивают. Водоотделение характеризуют объемом от­делившейся воды в процентах от объема бетонной смеси.

Раствороотделение определяют после вибрирования бетон­ной смеси в мерной форме на лабораторной виброплощадке в тече­ние определенного времени. При этом зерна крупного заполнителя опускаются вниз, а растворная составляющая вытесняется вверх.

Пробы, отобранные из верхней и нижней половин формы, взвешивают и пропускают через сито с диаметром отверстий 5 мм, промывая струей воды. Оставшиеся на сите зерна заполнителей сушат и взвешивают. Показатель раствороотделения вычисляют в процентах по формуле

У= Ю0(ув — у„)/(ув + ун),

где ув, ун — процентные содержания растворных составляющих соответственно в верхней и нижней половинах образца.

Удобоукладываемость характеризуется осадкой конуса (ОК) или показателем жесткости (Ж). Удобоукладываемость назначается в проекте производства работ в зависимости от массивности конст­рукции, густоты армирования, способов транспортирования, ук­ладки и уплотнения бетонной смеси.

Осадка конуса (подвижность) определяется с помощью конуса Абрамса — металлической формы, заполняемой бетонной смесью. При Д, аиб < 40 мм применяют нормальный конус, размеры которого, мм, указаны на рис. 9.2, а. Для смесей с Внаиб > 40 мм применяют увеличенный конус высотой 450 мм и диаметрами оснований 150 и 300 мм. Осадку увеличенного конуса приводят к осадке нормального конуса делением на 1,5.

Конус протирают изнутри влажной тканью и устанавливают на увлажненный металлический лист. Бетонной смесью марок П1, П2 или ПЗ конус заполняют в три слоя одинаковой высоты. Каж­дый слой штыкуют металлическим стержнем 25 раз при нормаль­ном конусе и 56 раз при увеличенном конусе. Бетонной смесью марок П4 и П5 конус заполняют в один прием и штыкуют 10 раз.

Избыток бетонной смеси срезают вровень с краями конуса, после чего конус плавно поднимают. Осадку бетонной смеси измеряют с точностью 0,5 см. Время от начала заполнения конуса до его снятия не должно превышать 3 мин.

Показатель жесткости — это время вибрирования бе­тонной смеси в секундах, необходимое на заполнение специаль­ной формы после снятия нормального конуса. Этот показатель при­меняют для жестких бетонных смесей с ОК = 0 и, следовательно, неразличимых по ОК.

Бетонные смеси марок Ж1…Ж4 и СЖ1…СЖЗ испытывают на приборе Вебе (рис. 9.2, б), который закрепляют на стандартной виб­роплощадке. Внутрь цилиндрической формы прибора помещают ко­нус Абрамса и заполняют его бетонной смесью так же, как для сме­сей марок П1… ПЗ. После снятия конуса на бетонную смесь опуска­ют диск с отверстиями и, засекая время секундомером, включают виброплощадку. Вибрирование продолжают до тех пор, пока не нач­нется выделение цементного теста из любых двух отверстий диска.

Для марок Ж1 …Ж4 жесткость можно определять также мето­дом Скрамтаева. В установленную на виброплощадке форму раз­мером 200x200x200 мм помещают конус с диаметром нижнего основания 194 мм, который заполняют бетонной смесью так же, как для смесей марок П1…ПЗ. После снятия конуса включают виброплощадку и измеряют время в секундах, необходимое для

Таблица 9.2 Марка бетонной смеси Характеристика Показатель удобоукладываемости Жесткость, с Осадка конуса, см Расплыв конуса, см СЖЗ Сверхжесткие Более 100 — — СЖ2 L/1 О о — — СЖ1 41…50 — — Ж4 Жесткие 31.„40 — — ЖЗ 21. „30 — — Ж2 11 …20 — — Ж1 5…10 — — П1 Пластичные 4 и менее 1…4 — П2 — 5…9 — ПЗ Литые — 10…15 — П4 — 16.„20 26.„30 П5 — 21 и более 31 и более

заполнения формы бетонной смесью и получения горизонталь­ной поверхности. Переходный коэффициент от метода Скрамтае — ва к методу Вебе принимают равным 0,7.

По удобоукладываемости бетонные смеси подразделяются на марки (табл. 9.2).

На подвижность бетонной смеси влияют следующие факторы.

1. Вид цемента. Чем меньше водопотребность цемента, тем выше подвижность бетонной смеси. Пуццолановый портландцемент, имеющий повышенную водопотребность, придает бетонной сме­си меньшую подвижность, чем портландцемент или шлакопорт­ландцемент.

2. Вид заполнителя. Заполнители с окатанными, гладкими зер­нами (речные и морские пески, гравий) придают большую под­вижность бетонной смеси, чем заполнители с угловатыми, шеро­ховатыми зернами (искусственные пески, щебень).

3. Наибольший размер зерен заполнителя — Рти6. Чем больше Пнаиб, тем выше подвижность бетонной смеси.

4. Вид добавок. Подвижность бетонной смеси повышают введе­нием пластифицирующих добавок (см. подразд. 9.8).

5. Параметры состава бетона: В/Ц, Ц и г (рис. 9.3). С увеличени­ем В/Ц (при постоянных Ц и г) ОК возрастает в результате раз­жижения цементного теста, играющего роль смазки в бетонной смеси. С увеличением Ц (при постоянных В/Ц и г) ОК также уве­личивается, так как растет количество теста при неизменной его густоте. Влияние параметра г (при постоянных В/Ц и Ц) характе­ризуется наличием максимума, которому соответствует значение г, называемое оптимальным (гопт). При г = гот требуется мини­мальное количество цемента, чтобы обеспечить заданную под­вижность. Снижение ОК С ростом Г (при Г > Гопт) вызвано ростом суммарной поверхности зерен при замене крупного заполнителя песком, что уменьшает толщину прослоек теста между зернами.

Рис. 9.4. Графики зависимос­тей гопт от расхода цемента Ц

(Ц. > Ц2 > Цз)

При этом вязкость теста и его количество в бетонной смеси оста­ются неизменными. При малом содержании песка в бетонной смеси (при г < гопт) она оказывается неудобообрабатываемой. После снятия формы конус бетонной смеси либо стоит, не осаждаясь, либо рассыпается.

Значение оптимальной доли песка гопт уменьшается с увеличе­нием расхода цемента (рис. 9.4).

Первый способ. Указывают расходы материалов, кг, на 1 м3 бетона. Например:

Цемента………………………..

Воды……………………………..

Песка…………………………….

Крупного заполнителя

Всего……………………………………………………………………….. Тб = 2400 кг/м3

Расходы материалов являются взаимозависимыми параметра­ми, так как связаны уравнением у6 = Ц + В + П + Кр, где уб — плотность бетона.

Второй способ. Указывают соотношение между расходами ма­териалов, принимая расход цемента за единицу. Например:

Ц/Ц: П/Ц: Кр/Ц =1:2,8: 5,2; В/Ц = 0,60.

Эти величины также взаимозависимы.

Третий способ. Указывают три независимых параметра: расход цемента (Ц = 250 кг/м3); водоцементное отношение (В/Ц = 0,60) и долю песка в смеси заполнителей: г = П/(П + Кр) = 700: (700 + + 1 300) = 0,35.

Расчет расходов материалов по Ц, В/Ц и г.

Дан о: Ц = 250 кг/м3, В/Ц = 0,60, г = 0,35. Н а йти: Ц, В, П и Кр.

Решение: Ц = 250 кг/м3;

В = Ц • В/Ц = 250 • 0,60 = 150 кг/м3.

Для нахождения П и Кр существует два способа. Первый спо­соб применяют, если известна плотность бетона (уб = 2 400 кг/м3). Тогда

П + Кр = уб — (Ц + В) = 2 400 — 400 = 2 000 кг/м3;

П = г(П + Кр) = 0,35 • 2 000 = 700 кг/м3;

Кр = (1 — г)(П ‘+ Кр) = 0,65 • 2 000 = 1 300 кг/м3.

Второй способ называется методом абсолютных объемов. В бе­тонной смеси пустоты между зернами гравия (или щебня) запол­няются песком, пустоты между зернами песка заполняются це­ментом, оставшиеся пустоты заполняются водой. Следовательно, объем бетонной смеси (без пор) равен сумме абсолютных объе­мов составляющих ее материалов:

К = Рц + св + vn + VKp.

Абсолютный объем — это объем плотной части материала; его вычисляют делением массы материала т на плотность р: К1бс = т/р.

Пусть объем бетона V5 = 1 м3, тогда массы т компонентов равны соответствующим расходам (Ц, В, П и Кр). Полагая, что поры внутри зерен цемента, песка и щебня (гравия) отсутствуют, мож­но записать:

1 = Ц/рц + В/рв + П/рп + Кр/рКр, (9.1)

где рц, рв, рп, рКр — соответственно плотности цемента, воды, песка, крупного заполнителя (определяются экспериментально).

После подстановки в уравнение (9.1) значений Ц и В = Ц • В/Ц останется два неизвестных (П и Кр), для нахождения которых нужно использовать уравнение г = П/(П + Кр).

Цемент должен удовлетворять требованиям стандарта. Вид це­мента выбирают исходя из условий службы бетона, характера и технологических особенностей конструкции.

Вода, применяемая для бетона, должна иметь водородный по­казатель не менее 4 и не более 12,5, ограниченное содержание растворимых солей, ионов S042 и СГ, а также взвешенных частиц. Питьевая вода может применяться без предварительного опробо­вания.

Мелкий заполнитель (песок с зернами не крупнее 5 мм) дол­жен удовлетворять требованиям стандарта в отношении зернового состава и содержания нежелательных примесей, к которым отно­сятся:

а) глина, ил и мелкие пылевидные частицы, определяемые отмучиванием, — увеличивают водопотребность бетонной смеси, снижают прочность и морозостойкость бетона (обволакивают зер­на песка и препятствуют хорошему сцеплению его с цементным камнем);

б) сернистые (пирит) и сернокислые (гипс, ангидрит) соеди­нения — могут образовать гидросульфоалюминат кальция;

в) слюда — имеет плохое сцепление с цементным камнем;

г) органические примеси — снижают прочность бетона;

д) опал и другие аморфные видоизменения кремнезема — ре­агируя с Са(ОН)2, вызывают неравномерное изменение объема.

Загрязненность песка глинистыми, пылевидными и органиче­скими примесями можно устранить, промыв его.

Зерновой состав песка определяют просеиванием навески вы­сушенного песка последовательно через сита стандартного набора (5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм). Остатки на каждом сите взве­шивают и выражают в процентах от массы пробы (это частные остатки я„ где / — номер сита). Вычисляют полные остатки и про­ходы. Полным Aj называется остаток, который получился бы на данном сите, если бы всю навеску просеивали только через одно это сито. Полный остаток равен сумме частных остатков на дан­ном сите и на всех предыдущих (более крупных ситах) за исклю­чением сита № 5. Например: А063 = а063 + «1,25 + a2,s-

Проходом П/ = 100 — Aj называется количество песка, которое прошло через сито. Зерновой состав характеризуют модулем круп­ности Мп = 100 (отношением суммы полных остатков к 100)

и кривой просеивания.

По зерновому составу песок считается пригодным для бетона, если его кривая просеивания находится в области между крайними стандартными кривыми (рис. 9.1), а модуль крупности составляет от 1,5 до 3,5. Пески подразделяются на крупные (Мп = 3,5…2,5), средние (Мп = 2,5…2,0) и мелкие (Мп = 2,0… 1,5).

В случае неоднородности зернового состава песок рассеивают на две фракции (менее 1,25 и 1,25…5,00 мм), дозируемые отдель­но.

Крупный заполнитель — гравий, щебень либо их смесь — состо­ит из зерен размером более 5 мм. Наибольший размер зерен 2)наиб не должен превышать 1 /4 наименьшего размера конструкции или 3/4 наименьшего просвета между прутьями арматуры. В горизон­тальных плитах, полах и покрытиях допускается увеличивать £>наиб до 1/2 толщины плиты.

Крупный заполнитель рассеивают на фракции (5… 10, 10…20, 20…40, 40…80, 80… 160 мм) и применяют их в наилучшем соот­ношении.

Нежелательными примесями в крупном заполнителе являются глинистые, илистые и пылевидные фракции, органические при­меси, сернокислые и сернистые соединения, реакционноспособ­ные (содержащие аморфный кремнезем) минералы и породы. Нежелательны также игловатые и лещадные (плоские) зерна; они затрудняют плотную укладку бетонной смеси. Кроме того, в гра­вии нежелательными являются зерна слабых пород. В отличие от песка к крупному заполнителю предъявляются требования по проч­ности и морозостойкости.

9.1. Общие сведения

Бетоном называется искусственный каменный материал, по­лучаемый в результате отвердевания бетонной смеси, состоящей из цемента, воды, заполнителей и добавок.

Обычный бетон изготавливают на портландцементе или его разновидностях с применением непористых заполнителей в виде песка и щебня (или гравия). При этом пользуются терминологи­ей, представленной в табл. 9.1.

Цемент и вода — химически активные материалы. В бетонной смеси они образуют пластичное тесто и придают ей подвижность. В бетоне они образуют цементный камень и придают ему проч­ность.

Заполнители (инертные) снижают стоимость бетона, так как, занимая 70…80 % объема, существенно сокращают расход цемен­та. Чем больше содержание заполнителей в бетоне, тем меньше его усадка и ползучесть.

По плотности уб, кг/м3, бетоны подразделяются на особо тя­желые (уб = 2 500…6 000); тяжелые (уб = 2 200… 2 500); облегченные (уб = 1 800…2200); легкие (уб = 500… 1 800); особо легкие (уб < 500); по виду связующего — на бетоны на минеральных связующих (це­ментные, силикатные, гипсовые) и органических связующих (ас­фальтобетон, полимербетон).

Обычный бетон (далее — бетон) относится к тяжелым. Спе­циальные бетоны помимо несущей выполняют и другие функции. К ним относятся, например, бетоны для радиационной защиты,

Таблица 9.1 Компоненты смеси Наименование материала до отвердения после отвердения Цемент + вода Цементное тесто Цементный камень Цемент + вода + песок Растворная смесь Раствор Цемент + вода + песок + круп­ный заполнитель Бетонная смесь Бетон

легкие бетоны для стен зданий, особо легкие для теплоизоляции, асфальтобетон для дорожных покрытий, жаростойкий бетон, гид­ротехнический бетон и др.

При оценке свойств цементов испытывают как само по себе вяжущее (в виде порошка), так и составы, в которые вяжущее входит в качестве одного из компонентов (тесто = цемент + вода или цементный раствор = цемент + вода + песок). Чтобы по ре­зультатам испытания раствора (или теста) оценить качество це­мента, влияние всех других факторов (количества и качества пес­ка, густоты теста или раствора, условий изготовления, хранения и испытания образцов, их возраста) нужно исключить. С этой целью установлены государственные стандарты на методы изго­товления, хранения и испытания образцов. В настоящее время дей­ствуют два российских стандарта: ГОСТ 310.1 — 5 (используемый для внутреннего рынка) и ГОСТ 30744—2001, соответствующий европейским стандартам.

Песок и вода по составу и качеству также должны удовлетво­рять требованиям стандартов. Согласно ГОСТ 6139 — 2003 стан­дартный песок для испытаний цемента должен быть кварцевым, содержать Si02 не менее 96 % и иметь допустимое количество гли­нистых, илистых и органических примесей. Он может быть моно — фракционным, состоящим из одной фракции 0,5 —0,9 мм, или полифракционным, состоящим из следующих фракций: 0,08… 0,16; 0,16…0,50; 0,50… 1,00 и 1,00… 1,60 мм.

Монофракционный песок предназначен для определения мар­ки цемента по ГОСТ 310.4 — 81. Он должен иметь сертификат со­ответствия эталонному песку — песку Привольского месторожде­ния, удовлетворяющему требованиям ГОСТ 6139 — 2003.

Полифракционный песок предназначен для определения клас­са цемента по ГОСТ 30744 — 2001. Полифракционный песок дол­жен иметь сертификат соответствия эталонному песку, удовлет­воряющему требованиям европейского стандарта EN 196-1. Со­держание воды подбирают таким образом, чтобы и тесто, и ра­створная смесь имели стандартную консистенцию (нормальную густоту). Количество воды, необходимое для получения смеси нормальной густоты, называется водопотребностъю теста (цемен­та) или раствора.

Определение водопотребности цемента. Водопотребность цемента определяют с помощью прибора Вика (см. рис. 8.2). Иглу 6 прибо­ра Вика заменяют металлическим цилиндром — пестиком 1, пе­реставляя их местами (чтобы масса перемещающейся части оста­валась равной 300 г).

По ГОСТ 310.3 — 76 тесто перемешивают вручную в течение 5 мин и заполняют им в один прием коническое кольцо 5 прибора Вика, постукивая подставкой 4 кольца о стол 5 — 6 раз. Избыток теста срезают и поверхность заглаживают. Пестик немедленно приводят в соприкосновение с тестом и сразу же дают ему возможность погружаться в течение 30 с.

По ГОСТ 30744 — 2001 тесто перемешивают в специальном сме­сителе по режиму (90 + 5 + 90) с (перемешивание —остановка — перемешивание) и переносят в один прием в коническое кольцо 5 без уплотнения и вибрации. Время с начала затворения до начала погружения пестика в цементное тесто должно состав­лять 4 мин. Фиксируют глубину погружения также за 30 с.

Нормальной (в обоих стандартах) считается густота, при кото­рой пестик не доходит до дна на 5…7 мм.

Определение сроков схватывания цемента. Пестик 1 прибора Вика (см. рис. 8.2) заменяют иглой 6, переставляя их местами. Го­товят тесто нормальной густоты и заполняют им кольцо прибора Вика. Иглу 6 прибора доводят до соприкосновения с поверхнос­тью теста и фиксируют стопорным винтом 7(верхним). Отпуская винт, дают игле возможность погружаться в тесто. Погружения иглы производят с интервалом 10 мин, каждый раз — в новое место. Перед погружением иглу протирают влажной тканью. Сро­ки схватывания считают от начала затворения.

Начало схватывания наступает, когда игла не доходит до дна: по ГОСТ 310.3-76 — на 1 …2 мм, а по ГОСТ 30744-2001 — на 3…5 мм. Конец схватывания наступает, когда игла погружается в
тесто: по ГОСТ 310.3 — 76 — не более чем на 1 …2 мм, а по ГОСТ 30744 — 2001 — на 0,5 мм.

При определении конца схватывания по ГОСТ 30744 — 2001 длинную иглу в приборе Вика заменяют на короткую с кольцеоб­разной насадкой, фиксирующей глубину погружения иглы 0,5 мм (рис. 8.2, б), и кольцо с цементным тестом переворачивают ши­роким основанием вверх.

Определение равномерности измерения объема цемента. При

твердении цементного теста иногда наблюдается искривление из­делий, их растрескивание или полное разрушение. Причиной это­го является наличие свободной (не связанной в соединения с дру­гими оксидами) извести.

При затворении цемента водой происходит гашение свобод­ной извести [СаО + Н20 = Са(ОН)2], которое сопровождается уве­личением объема твердой фазы. В отличие от быстрогасящейся воздушной извести, получаемой при температуре 900… 1 100°С, известь в портландцементе, обжигаемом при температуре 1 450 °С, представляет собой «пережог» и гасится медленно. При испытани­ях этот процесс ускоряют кипячением образцов в воде.

По ГОСТ 310.3 — 76 две навески теста нормальной густоты по 75 г каждая скатывают в шарики, кладут на стеклянные пластин­ки и, постукивая о стол, превращают в лепешки. Первые 24 ч эти лепешки хранят во влажной среде (в ванне с гидравлическим зат­вором) (рис. 8.3), затем кипятят в воде в течение 3 ч, после чего осматривают. Признаками неравномерности изменения объема являются:

1) коробление лепешек;

2) появление сетки мелких трещин;

3) наличие радиальных трещин;

4) полное разрушение лепешек (рис. 8.4).

По ГОСТ 30744 — 2001 два кольца Ле Шателье (рис. 8.5) уста­навливают на пластинки 3 и наполняют в один прием цементным тестом нормальной густоты без уплотнения или вибрации. Избы­ток теста срезают, накрывают кольца пластинками с пригрузом 4 и помещают в камеру влажного хранения (см. рис. 8.3) на 24 ч. После этого измеряют штангенциркулем расстояние d между кон­цами индикаторных игл 2 с точностью до 0,5 мм, освобождают от

Рис. 8.3. Ванна с гидравличе-
ским затвором:

1 — образцы; 2 — решетка

Рис. 8.4. Образцы (а…в), не
выдержавшие испытания

пластинок и пригруза и кипя­тят в воде в течение 3 ч. Затем кольца извлекают, охлаждают и измеряют расстояние / между концами игл. После этого вычис­ляют разность z=f-d для каж­дого кольца.

Определение активности, марки и класса цемента. Прочност­ные свойства цемента при изгибе и сжатии определяют на об — разцах-балочках размерами 40x40x160 мм, приготовленных из стандартного цементного раствора состава 1 : 3 (цемент: стандарт­ный песок).

По ГОСТ 310.4—81 растворную смесь готовят на монофракци — онном песке в стандартной лопастной или бегунковой растворо­мешалке и определяют ее водопотребность по расплыву (диаметру нижнего основания) отформованного из смеси конуса после 30 па­дений с высоты 10 мм встряхивающего столика (рис. 8.6).

При В/Ц = 0,40 нормальной считается густота, при которой рас — плыв конуса РК = 106… 115 мм. Если РК < 106 мм, то В/Ц увеличи­вают до получения значения РК = 106… 108 мм. Если РК >115 мм, то В/Ц уменьшают до получения значения РК = 113… 115 мм.

в Рис. 8.5. Кольцо Ле Шателье:

а — вид сверху; б — вид сбоку; в — после расширения образца; 1 — кольцо с
прорезью; 2 — индикаторная игла; 3 — стеклянная пластинка; 4 — пригруз

Растворную смесь нормальной густоты укладывают в трехсек­ционную форму (рис. 8.7), закрепленную на стандартной вибро­площадке, и уплотняют вибрированием в течение 3 мин. По оконча­нии вибрирования форму снимают, избыток смеси срезают и по­верхность образцов заглаживают. Образцы хранят в течение 24 ч в

а

Рис. 8.8. Схема испытания образца-
балочки на изгиб

формах во влажном пространстве (см. рис. 8.3), затем освобождают от форм и хранят до испытания в воде при температуре (20 + 2) °С.

Испытание образцов проводят в возрасте 28 сут сначала на из­гиб (рис. 8.8), а полученные шесть половинок балочек — на сжа­тие с помощью стандартных пластин (рис. 8.9) с рабочей площа­дью 25 см2 (40×62,5 мм). Предел прочности на сжатие определяют как частное от деления разрушающей нагрузки на рабочую пло­щадь пластины. Полученное по шести образцам среднее значение предела прочности при сжатии называется активностью цемента и обозначается Rn.

По ГОСТ 30744 — 2001 растворную смесь готовят на полифрак — ционном песке с В/Ц = 0,50. Перемешивают в стандартном лопа­стном растворосмесителе сначала цемент с водой на малой ско­рости в течение 30 с, затем добавляют песок и перемешивают на большой скорости по режиму: 30 с перемешивание; 90 с останов­ка; 60 с перемешивание.

Смесь укладывают двумя слоями в трехсекционную форму (рис.

8.7, а), закрепленную с насадкой на платформе встряхивающего устройства. Сначала укладывают приблизительно по 300 г смеси в каждую секцию. Уложенную смесь разравнивают лопаткой 1 (рис.

8.7,

б) для первого слоя и уплотняют 60 ударами (падениями с высоты 15 мм) встряхивающего стола. Затем отсеки заполняют оставшейся смесью, которую разравнивают лопаткой 2 для вто-

Марка цемента	Предел прочности, МПа, не менее
при изгибе	при сжатии
300	4,5	30,0
400	5,5	40,0
500	6,0	50,0
550	6,2	55,0
600	6,5	60,0

Таблица 8.7 Класс цемента Прочность на сжатие, МПа, в возрасте, суток, не менее Начало схва­тывания, мин, не ранее Показатель равномерности изменения объема z, мм, не более 2 7 28 22,5 Н — 11 22,5 75 10 32,5 Н — 16 32,5 32,5 Б 10 — 42,5 Н 10 — 42,5 60 42,5 Б 20 — 52,5 Н 20 — 52,5 45 52,5 Б 30 —

рого слоя и уплотняют циклом из 60 ударов. Затем поступают так же, как и при испытании по ГОСТ 310.4—81, однако рекоменду­ются нажимные пластины размерами 40×40 мм, но допустимы и пластины размерами 40,0×62,5 мм.

Технические требования к цементам. Согласно ГОСТ 10178 — 85 по прочности цементы подразделяются на марки (табл. 8.6).

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее чем через 45 мин, а конец — не позднее чем через 10 ч с начала затво — рения. Цементы должны показать равномерность измерения объе­ма. Остаток на сите № 008 не должен превышать 15 % от массы пробы.

Согласно ГОСТ 31108 — 2003 по прочности цементы подраз­деляются на классы: 22,5; 32,5; 42,5; 52,5, а по скорости тверде­ния — на два подкласса: Н — нормально твердеющий; Б — быст­ро твердеющий (табл. 8.7).

Многие вяжущие вещества при твердении дают усадку. Этого можно избежать применением расширяющихся цементов, кото­рых насчитывается более 50 разновидностей. В большинстве случа­ев расширение при твердении цементного камня связано с обра­зованием гидросульфоалюмината кальция (ГСАК), объем которого значительно превышает объем исходных твердых продуктов реакции. Образование ГСАК происходит в системе, содержащей алюминаты кальция (соединения с общей формулой «СаО • /иАЬ03) и CaS04 в присутствии воды. Такие вещества содержатся, в частности, в портландцементе. При гидратации портландцемента ГСАК обра­зуется по реакции:

ЗСаО • А1203 • 6Н20 + 3(CaS04- 2Н20) + 19Н20 — э
-> ЗСаО • А1203 • 3CaS04 ■ 31Н20

Количества ГСАК в обычном ПЦ недостаточно для расшире­ния. Чтобы его получить, нужно к ПЦ добавить расширяющую добавку, включающую в себя недостающие компоненты (кальци­евый — СаО, алюминатный — А1203 и сульфатный — CaS04) в нужном количестве и соотношении. Расширяющую добавку полу­чают различными способами. В качестве вещества, содержащего CaS04, обычно берут природный гипс, ангидрит или побочные продукты некоторых производств. Алюминаты кальция входят в состав глиноземистого цемента или его клинкера (глиноземисто­го шлака). Их получают также путем плавления или спекания бок­сита и мела.

Путем обжига смеси из трех составляющих (боксита, мела и гипса) получают продукт, состоящий из сульфоалюмината каль­ция (ЗСаО • ЗА1203 • CaS04). На его основе можно создавать как рас­ширяющую добавку, так и расширяющийся цемент.

Большинство расширяющихся цементов производятся на базе портландцемента и глиноземистого цемента путем введения до­бавок, которые либо размалываются отдельно и перемешиваются с готовым цементом, либо размалываются совместно с клинке­ром. Реже добавки вводятся в сырьевую смесь с целью получения клинкера расширяющегося цемента.

В зависимости от степени расширения цементы подразделяются на безусадочные, расширяющиеся и напрягающие. Последние обла­дают самой большой энергией расширения и способны натягивать арматуру для создания предварительного напряжения в бетоне.

Гипсоглиноземистый цемент (ГГЦ) является быстротвердеющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного помо­ла или смешения высокоглиноземистого шлака (70 %) и природ­ного двуводного гипса (30 %). Расширение образцов из ГГЦ на­блюдается при твердении в воде. В воздушных условиях происхо­дит усадка. Расширение заканчивается через 1…3 сут твердения. Относительное удлинение через 3 сут составляет 0…0,7 %.

Расширяющийся портландцемент (РЦ) получают путем совмест­ного помола портландцементного клинкера (60…65%), высоко­глиноземистого шлака (5…7%), двуводного гипса (7… 10%) и активной минеральной добавки (20… 25 %). Гидравлическая добавка связывает Са(ОН)2, выделяющийся при гидратации C3S, и уско­ряет растворение алюминатов кальция и образование ГСАК.

Напрягающий цемент (НЦ) предназначен для изготовления специальных железобетонных изделий, арматура которых напря­жена в нескольких направлениях. Силы, вызывающие напряже­ние арматуры, возникают при расширении цементного камня. Это явление получило название самонапряжения, а железобетон по­лучил название самонапряженного. Напрягающий цемент пред­ставляет собою тонкомолотую смесь, состоящую из 65 % порт­ландцементного клинкера, 20 % глиноземистого шлака и 15 % гипса. Давление, развиваемое образцами из напрягающего цемента при твердении, достигает 9… 10 МПа.