ОСНОВНОЙ ЗАКОН ПРОЧНОСТИ БЕТОНА

Бетон работает под нагрузкой как единый композиционный мате­риал, и в формировании его прочности участвуют цементный камень (матрица), зерна заполнителя и контактный слой между ними. Иными словами, прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

• прочностью затвердевшего цементного камня;

• прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента (i?_u) и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).

Чем выше марка це­мента, тем при прочих раз­ных условиях будет проч­нее цементный камень, так как марка цемента — это в действительности прочно­сть модельного (мелкозер­нистого) бетона, отформо­ванного и твердевшего в стандартных условиях (см. лабораторную работу № 7).

Зависимость прочно­сти цементного камня от соотношения цемента и во­ды в бетонной смеси объ­ясняется следующим. Це­мент при твердении хими­чески связывает не более 20...25 % воды от своей массы. Но чтобы обеспе­чить необходимую пла-

стичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо брать 40...80 % воды от массы цемента. Вода, кроме того, необходима для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя: большая удельная поверхность заполнителя требует боль­шего расхода воды (см. § 10.2). Естественно, чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоуклады-ваемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью «цементный камень — заполнитель», что приведет к резкому снижению прочности бетона.

Экспериментально кривая зависимости прочности бетона от коли­чества воды затворения (В) при постоянном расходе цемента (Ц) (т. е. фактически от В/Ц) и при одинаковом методе уплотнения (рис. 12.5) подтверждает сказанное выше. Левая ветвь кривой отвечает недоуп-лотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения до извест­ного предела бетонная смесь укладывается плотнее, уменьшается объем пустот, а прочность бетона повышается. При оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую проч­ность и плотность, что соответствует максимуму на кривой прочности.

В этом случае цементное тесто должно будет заполнить пустоты в песке и покрыть поверхность заполнителей для обеспечения связи всех частиц друг с другом (подробнее см. лабораторную работу № 9).

Увеличивая или уменьшая содержание цементного геста (но не изменяя при этом рассчитанного Ц/В), т. е. увеличивая и уменьшая долю воды в бетонной смеси, можно соответственно повысить или снизить подвижность бетонной смеси, сохраняя заданную прочность бетона.

Полученный состав бетона может быть выражен двумя способами:

• количеством составляющих (кг) для получения 1 м³ бетона (например, цемент — 300, вода — 200, песок — 650 и щебень — 1250);

• соотношением компонентов в частях по массе или по объему; при этом количество цемента принимают за 1 (например, запись 1:2:4 при В/Ц = 0,7 означает, что на 1 ч. цемента берется 0,7 ч. воды, 2 ч. песка и 4 ч. крупного заполнителя).

При использовании влажных заполнителей необходимо учитывать содержащуюся в них воду и соответственно уменьшать количество воды затворения, чтобы суммарное количество воды было равно расчетному.

Приготовление бетонной смесиосуществляют в специальных агре­гатах — бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимо­сти (от 75 до 4500 дм³).

Вместимость смесителя указывается по суммарному объему сухих компонентов бетонной смеси, который может быть загружен.

При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзер­новые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент — в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6...0,7 от объема исходных сухих компо­нентов. Этот показатель, называемый коэффициент выхода бетонной смеси В, рассчитывают по формуле:

По принципу действия различают бетоносмесители свободного падения и принудительного перемешивания.

В бетоносмесителях свободного падения (гравитационных) материал перемешивается в медленно вращающихся вокруг горизонтальной или наклонной оси смесительных барабанах, оборудованных внутри корот^. кими корытообразными лопастями (рис. 12.8). Лопасти захватывают

материал, поднимают его и при переходе в верхнее положение сбрасывают. В результате многократ­ного подъема и падения смеси обеспечивается ее перемешивание. В таких смесителях приготовля­ют пластичные бетонные смеси с заполнителями из плотных горных по­род, т. е. смеси обычного тяжелого бетона.

время перемешива­ния зависит от подвиж­ности бетонной смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем больше время, необходимое для перемешивания. Например, для бетоносмесителя 500 дм³ оно составляет 1,5...2 мин, а для бетоносме­сителя 2400 дм³ — 3 мин и более.

Бетоносмесители принудительного перемешивания (рис. 12.9) пред­ставляют собой стальные чаши, в которых смешивание производится вращающимися лопатками, насаженными на вертикальные валы, ко­торые также вращаются в этой чаше. Такие смесители целесообразны

для приготовления смесей повышенной жесткости и смесей из легких бетонов на пористых заполнителях (пористые за­полнители не могут эффективно участ­вовать в перемешивании смеси в гра­витационных смесителях).

Бетоносмесительные установки мо­гут быть передвижные и стационарные. Чаще бетонные смеси приготовляют на специализированных бетонных заводах, имеющих высокую степень механизации и автоматизации. В этом случае будет выше стабильность свойств бетонной сме­си и бетона. Такие готовые смеси назы­вают товарным бетоном.

Транспортирование бетонной смеси.Обязательное требование ко всем видам транспортирования бетонной смеси — сохранение ее однородности и подвиж-

ности. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах — бетоновозах, имеющих грушевидную ем­кость. При движении емкость бетоновоза медленно вращается, посто­янно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бе­тонной смеси.

На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами и подают транспортерами.

Укладка бетонной смеси.Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки, а методы укладки и уплот­нения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.

Пластичные текучие смеси уплотняются под действием собствен­ного веса или путем штыкования, более жесткие смеси — вибрирова­нием.

Вибрирование — наиболее эффективный метод укладки, основан­ный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колеба­тельные движения от источника колебаний — вибратора. Применяют главным образом электромеханические вибраторы, основная часть которых — электродвигатель. На вату электродвигателя эксцентрично установлен груз — дебаланс, при вращении которого возникают коле­бательные импульсы.

При вибрировании жесткая бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно заполняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной смеси, при этом поднимается вверх и выходит из смеси. Бетонная смесь приобретает плотную структуру.

При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при слишком долгом — она может расслоиться: тяжелые компоненты — щебень, песок концентриру­ются внизу, а вода выступает сверху (см. рис. 12.4).

В зависимости от вида и формы бетонируемой конструкции при­меняют различные типы вибраторов. При бетонировании конструкций большой площади и небольшой толщины (до 2,00...300 мм), например бетонных покрытий дорог, полов промышленных зданий и т. п., используют поверхностные вибраторы (рис. 12.10, а), массивных эле­ментов значительной толщины — дубинные вибраторы (рис. 12.10, б) с наконечниками различной формы и размеров. Часто применяют

Тонкостенные бетонные конструкции, насыщенные арматурой (колон­ны, несущие стены), уплотняют наружными вибраторами, прикрепля­емыми к поверхности опалубки (рис. 12.10, в). В заводских условиях при изготовлении бетонных камней, крупных блоков, панелей и других изделий пользуются виброплощадками (рис. 12.10, г), на которые уста­навливают формы с бетонной смесью.

Твердение бетона.Нормальный рост прочности бетона происходит при положительной температуре (15...25° С) и постоянной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в первые 10... 15 сут твер­дения, когда бетон интенсивно набирает прочность (рис. 12.11).

Чтобы поверхность бето­на предохранить от высыха­ния, ее покрывают песком, опилками, периодически ув­лажняя их. Эффективна за­щита поверхности бетона от испарения влаги полимер­ными пленками, битумны­ми и полимерными эмуль­сиями.

В зимнее время твердею­щий бетон предохраняют от замерзания различными ме­тодами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизо-

ляционными материалами, и подогре­вом бетона во время твердения (в том числе и электропрогрев).

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона приме­няют тепловлажностную обработку — прогрев при постоянном поддерживании влажности бетона насыщенным паром при температуре 85...90° С. При этом время твердения железобетонных изде­лий до набора ими отпускной прочности (70...80 % марочной) сокращается до 10... 16 ч (при твердении в естественных условиях для этого требуется 10... 15 дн).

Для силикатных бетонов используют автоклавную обработку в среде насы­щенного пара высокой температуры

175...200 С и при давлении 0,8...1,3 МПа. В этом случае процесс твердения длится 8...10 ч (рис. 12.12).

Для ускорения набора прочности бетоном применяют быстротвер-деющие (БТЦ) и особо быстротвердеющие (ОБТЦ) цементы. Быстрее других достигает марочной прочности (за три дня) бетон на глинозе­мистом цементе, однако последний нельзя использовать при темпера­туре окружающей среды во,время твердения выше 30...35° С.