ТЯЖЕЛЫЕ (ОБЫЧНЫЕ) БЕТОНЫ

Исходные материалы.При выборе разновидности цемента учи­тывают характер конструкции и рекомендации нормативных доку­ментов (ГОСТа, СНиПа). Так, например, при производстве железо­бетонных конструкций промышленных зданий и многих инженер­ных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцемента с повышенным содержанием алита. Если эти конструкции относятся к массивным, то более предпочти­тельны цементы с меньшим содержанием алита, которые меньше выделяют теплоты при реакциях твердения и, следовательно, в ме­ньшей мере конструкции подвержены тепловым неравномерным на­пряжениям. Если конструкция работает в условиях воздействия морской или другой минерализованной воды, тогда выбирают ма-лоалюминатные сульфатостойкие портландцементы и шлакопорт-ландцементы. Гидротехнические сооружения проектируют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с пластифици­рующими и гидрофобными добавочными веществами. Аналогич­ным образом учитывают условия при выборе цемента для других видов бетона.

Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также выбор его марки, исходя из требуемой прочности бетона в конст­рукциях и минимального расхода вяжущего как наиболее дорого­стоящего компонента бетона, избыток которого увеличивает вели­чину усадочных деформаций, а потому и снижает трещиностойкость бетона. Обычно исходят из соотношения, чтобы марка по прочности цемента превышала на 10—40% марку бетона, а при низ­ких марках бетона (110—300) превышение марки цемента составля­ет 100—200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам произ­водится при различных условиях подготовки соответствующих сме­сей и при несходных структурах испытываемых материалов. Имен­но поэтому часто фактически прочность бетона получается на од­ну-две марки выше марки принятого цемента. Чтобы избежать слу­чайности, следует при выборе цемента и расчетах исходить не из марки, а реальной активности (R*) при оптимальной структуре, в те­ории ИСК именуемой расчетной активностью. Она соответствует прочности цементного камня оптимальной структуры, полученной при испытании образцов, изготовленных при технологических па­раметрах и режимах, характерных для принятого или предполагае­мого производства бетона и изготовления бетонных изделий. При проектировании состава бетона общим методом (см. 3.4) можно до­статочно точно обусловить выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (9.3). Строгие требования предъявляются к качеству воды, используемой при затворении бетонной смеси, а также для промывки заполнителей и увлажнения бетона при его твердении в сухих условиях. Рекомендуется приме­нять питьевую воду; не допускаются болотные и сточные воды. Ограничивается содержание растворенных в воде солей, органиче­ских веществ, вовсе не допускаются примеси нефтепродуктов, про­веряется водородный показатель рН, который не должен быть ниже 4,0 и выше 12,5.

Для тяжелых бетонов предусмотрены требования к качеству за­полнителей. Пески используют природные или получаемые дробле­нием плотных морозостойких горных пород с размером зерен не крупнее 5 мм. Важно обеспечить повышенную плотность зернового состава (по кривым плотных смесей) при модуле крупности не ниже 2,0. Ограничивается содержание пылевато-глинистых и других вред­ных примесей, о чем указывалось выше при описании заполнителей. На стадии проектирования состава бетона устанавливают целесооб­разный зерновой состав крупного заполнителя с наименьшим объе­мом пустот и наибольшей крупностью зерен при общих требова­ниях, указанных выше в отношении качества заполнителей[35].

Широко используют в технологии бетона пластифицирующие, воздухововлекающие и противоморозные добавки.

Определение состава бетона.Одной из основных технологиче­ских задач является проектирование состава бетонной смеси. Разра­ботан ряд методов проектирования состава, имеются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необ­ходимо выбирать тот метод проектирования (или подбора), кото­рый при принятой технологии способен обеспечить получение наи­более достоверного состава и оптимальной структуры бетона. Тогда формируется качество бетона, при котором имеется не только комплекс заданных, но и экстремальных показателей свойств, что соответствует закону створа. При всех методах на начальной стадии производится обоснованный выбор исходных материалов, чему способствуют табличные данные и вспомогательные графики, поме­щаемые в соответствующие руководства по подбору составов. В них выбор исходных материалов обусловлен проектной маркой (клас­сом) бетона, разновидностью конструкций и эксплуатационными условиями с учетом не только прочности, но и морозостойкости, во­донепроницаемости и других свойств. На втором этапе всех методов проектирования с помощью расчетов и опытов в лаборатории опре­деляют количественные соотношения применяемых исходных мате­риалов. Важно найти наиболее достоверные и закономерные спосо­бы определения таких соотношений с гарантией получения бетона не только необходимого качества по показателям свойств, но и оп­тимальной структуры. На третьем этапе в методах обычно преду­смотрен выпуск пробного замеса бетонной смеси и более полная техническая характеристика качества этой смеси с возможным кор­ректированием (уточнением) проектного состава.

Изложенный в теории ИСК общий метод проектирования соста­ва и оптимальной структуры в полной мере, естественно, относится к тяжелому и другим видам цементных бетонов. Принятое в общем методе отношение с/ф становится водоцементным (В/Ц) или водо-твердым при более сложном вяжущем веществе.

Ниже изложен общий метод применительно к тяжелому плотному цементному бетону, но вначале следует уточнить общие закономер­ности из теории ИСК, на которые опирается этот метод. Среди зако­нов видное место занимает закон створа (см. рис. 3.13), а в отноше­нии механических свойств действует закон прочности оптимальных структур: произведение прочности бетона на степенную функцию фа­зового отношения (В/Ц) есть величина постоянная. Такой постоян­ной величиной служит аналогичное произведение прочности цемент­ного камня на его водоцементное отношение при оптимальной структуре, возведенное в ту же степень, т. е. R*∙(В/Ц*)ⁿ. Прочность R* цементного камня оптимальной структуры находится опытным пу­тем при испытании образцов, хотя возможен и расчетный метод по формуле Фере: R=K[c/(c+e+a)]², где K — константа; с, е, а — абсолют­ные объемы соответственно цемента, воды и воздуха в смеси. Как от­мечал А.В. Волженский [8], было бы более целесообразно в формуле принять абсолютный объем новообразований цемента с учетом объе­ма гелевых пор (Т. Пауэре. М., 1955).

Показатель степени n в обоих случаях отражает влияние запол­няющих компонентов и общую степень дефектности структуры бе­тона.

Из закона прочности оптимальных структур и общей формулы (3.1) следует и общая формула прочности бетонов:

(9.3)

где R_б — прочность цементного бетона оптимальной структуры, вы­раженная любой ее характеристикой (предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении центральном или изгибе и т. п.); R_ц* —прочность цементного камня оптимальной структуры, выра­женная той же характеристикой, которая была принята для оценки прочности цементного бетона (и в том же возрасте); x — отношение фактической величины В/Ц бетона к В*/Ц цементного камня оптимальной структуры; оно равно отношению усредненных толщин (δ; δ*) пленок водной среды в свежеизготовленных материалах, т. е. x = В/Ц / В*/Ц = δ/δ*; n — показатель степени, отражающий влияние качества заполняющих материалов, дефектов структуры на прочность бетона; R* — экстремум в зависимости R = f(В/Ц), определяется опытным путем.

Для исходных материалов, применяемых в цементном бетоне, и принятой технологии изготовления бетона с ее конкретными пара­метрами и режимами все члены формулы (9.3) имеют вполне опреде­ленный физический смысл. Из формулы следует, что повышения прочности бетона можно достигнуть, во-первых, путем всемерного увеличения R_Ц* — введением химических добавок типа катализато­ров или поверхностно-активных веществ, увеличения содержания кристаллической фазы на стадии твердения, дополнительным помо­лом, переходом на более высокие марки вяжущего и др. Из форму­лы (9.3) следует также, что для той же цели требуется уменьшать значение реального В/Ц и показателя степени п. Первое достигается с помощью пластифицирующих и суперпластифицирующих доба­вок, интенсификацией перемешивания смеси или другими мерами, снижающими толщину пленок водной среды на твердых частицах цемента или другого вяжущего; второе достигается фракционирова­нием и промывкой заполнителя, составлением плотных смесей, при­менением кубовидного крупного заполнителя, активированием по­верхности зерен и т. п. Большой резерв повышения прочности заключается в оптимизации технологических переделов, особенно режимов уплотнения при формова­нии и тепловых режимов при обра­ботке отформованных изделий и конструкций.

Формула (9.3) графически выра­жается гиперболической кривой в прямоугольной системе координат (R, В/Ц). Понятно, что этот график (рис. 9.7) аналогичен графической зависимости для любых ИСК (см. рис. 3.15, б). Однако на рис. 3.15, б отсутствует третья плоскость и соответственно ось аппликата (В+Ц) или (П+Щ), показанная на рис. 3.8 в виде (с+ф) и на рис. 3.15, а.

Рис. 9.7. Гиперболические кривые прочности бетонов оптимальной структуры; интенсивность спада прочности зависит от заполнителя: I — прочный известняк; II — гранитный щебень; III — керамзитовый гравий; IV — природный гравий (необработанный)

На плоскости R(В+Ц) ей соот­ветствует формула прочности бето­на оптимальной структуры:

(9.4)

Ее можно также выразить не процентах, а в долях единицы.

Объединением формул (9.3) и (9.4) получена формула (9.5) в пол­ном виде:

(9.5)

В ней нашли отражение все основные факторы, влияющие на ве­личину прочности при воздействии на бетон практически любых на­пряжений (сжатия, растяжения, сдвига и др.), а именно: содержание вяжущего вещества (В+Ц), а следовательно, и заполняющей части П+Щ =100 — (В+Ц),% по массе; водоцементное отношение В/Ц; качество (расчетная прочность) вяжущего вещества оптимальной структуры R*; пористость k, %; качество заполнителя по отношению к принятому вяжущему веществу и (В+Ц) (степенной показатель n); жесткость бетона или количество заполнителя, а следовательно и (В+Ц) (показатель т); технологические параметры и режимы; эф­фективность добавочных веществ (добавок), отражающаяся на зна­чениях В*/Ц и R*. Отсюда следует, что на технологической стадии безусловно возможно и необходимо регулировать и управлять чис­ловым значением прочности и других свойств, но при непременной оптимизации структуры, соответствующей реальной технологии бе­тона. Только при ней действуют общие и объективные законы ИСК.

Здесь необходимо снова вернуться к формуле (3.13), которая применительно к бетонам выглядит так:

(9.6)

где М = В + Ц — цементное тесто в долях единицы (по массе). Из формулы по-прежнему видно, что важно всемерно увеличивать расчетную величину активности матричного (вяжущего) вещества с соответственным уменьшением значения М, что после вычисле­ния требуемого водоцементного отношения по формуле (9.6) адек­ватно уменьшению расхода цемента в бетоне (в кг/м³) до рационального минимума. Последний обычно обусловлен высо­кой плотностью и морозостойкостью бетона. При оптимальных структурах все эти параметры качества бетона находятся в тесней­шей взаимосвязи.

После уточнения формул прочности ИСК применительно к бе­тону целесообразно изложить последовательность проектирования состава тяжелого цементного бетона, в том числе с использованием компьютерной программы.

1. Определение расчетной активности цементного камня R* как матричной части бетона и минимального значения фазового отно­шения B*/Ц, обеспечивающего, при принятых технологических условиях, оптимальную структуру. Для этого из цементного теста с 3—4 различными В/Ц, отличающимися между собой на величину 0,02—0,03, изготовляют образцы-кубики размером 10x10x10 см пу­тем уплотнения их способом, принятым в технологии производства проектируемого изделия[36]. В качестве исходного может быть приня­то В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста. По­сле графического построения функции R = f(В/Ц) находят и уточня­ют искомое значение В*/Ц при наибольшей прочности цементного камня R*.

2. Определение состава плотной смеси песка (П) и щебня (Щ). Сосуд объемом 2 л заполняют мокрым щебнем и уплотня­ют способом, принятым в технологии. После установления ста­бильного уровня щебня сосуд взвешивают, определяя фактиче­скую массу щебня. Затем в сосуд постепенно добавляют заранее взвешенный и смоченный водой песок, который заполняет пус­тоты между зернами щебня при непрерывной вибрации. После полного заполнения пустот песком определяют массу сосуда с щебнем и песком, находящимся в пустотах крупного заполните­ля, тем самым устанавливая оптимальное соотношение по массе. Полнота заполнения пустот щебня песком возрастает при при­менении мокрых материалов и определяется по максимальной массе смеси (см. рис. 3.14).

3. Определение оптимального количества исходных материалов в бетонной смеси. С этой целью выполняют две последовательно че­редующиеся операции: вспомогательную и основную.

Вспомогательная операция является экспериментальной, необ­ходимой для определения показателей степени n и m, используемых в формулах прочности и составов.

По лабораторным данным строят кривую оптимальных структур (см. рис. 3.15) при произвольно выбранном значении (В/Ц)_A и находят в точке А величину R_A на кривой ДВЕ, а также значение (В/Ц)_B в точке В. Прочность R_A имеется и на кривой KL, которой к началу экспериментов хотя еще и нет, но о ее ве­роятном существовании, как и кривой оптимальных структур из теории ИСК, известно. И тогда полученных данных R_A, (В+Ц)_B, (В/Ц)_A достаточно, чтобы определить значения показателей сте­пени лит согласно вышеприведенным формулам, поскольку другие требуемые значения R_Ц* и В*/Ц ранее были определены (на первом или втором этапах проектирования). Важно по­мнить, что величина m_x — переменная и при новых В/Ц или R требует уточнения.

Основная операция второго этапа проектирования оптимально­го состава бетона (как и всех других ИСК) является расчетной, причем сначала рассчитывают расход материалов (Ц, В, П, Щ) в % по массе на 1 тонну смеси, а затем пересчитывают в % по массе на 1 м³ бетонной смеси или 1 м³ бетона, например в абсолютно плотном теле.

Последовательность (алгоритм) расчета

Искомое водоцементное отношение:

Искомый расход цементного теста:

где показатель степени m_x отличается от ранее полученного значения m, так как определяется при новом значении (В/Ц)_иск, а не при преж­нем (В/Ц)_А, а именно:

Количество цемента на 1 т смеси:

Количество воды на 1 т смеси

Количество песка и щебня определяют из условия:

при ранее найденном значении П/Щ, а именно:

— количество песка,

— количество щебня[37].

Пересчет расхода материалов на 1 м³ бетонной смеси (без уче­та воздушных пор) производится в следующей последователь­ности.

Определяем абсолютные объемы всех материалов (при условии, что известны истинные плотности ρ_ц, ρ_в, ρ_п, ρ_щ, взятые в количест­вах для образования 1 т смеси):

Пишем соотношение:

если сумма соответствует 1000 кг, а 1000 л соответствует x кг, то

И тогда расход материалов на 1 м³ бетонной смеси:

цемента Ц ∙ х кг;

воды В ∙ х кг;

песка П ∙ х, кг;

щебня Щ ∙ х кг.

Контрольная проверка на плотность:

л[38].

На третьем этапе проектирования рассчитывают расход материа­ла при производственном составе, т. е. с учетом влажности песка и щебня; изготовляют контрольный замес (лучше в производственных условиях, применительно к которым были приняты технологические параметры и режимы формования и хранения) и образцы с оценкой свойств бетона в требуемом (обычно в 28-дневном) возрасте. Послед­нее производят с учетом известного логарифмического закона. На этом этапе завершается проектирование[39]; состав передается заводу.

Приведенный выше метод расчета состава бетона оптимальной структуры легко и быстро выполняется, если воспользоваться одной из компьютерных программ, а именно Microsoft EXCEL, таблица которой состоит из бесчисленного количества строк (1, 2, 3...) и ко­лонок (А, В, С, D...). Разместив в колонке «А» наименования пока­зателей свойств, а в колонке «В» соответствующие показатели этих свойств и формулы, необходимые для расчета, можно составить программу, удобную для расчета многих составов бетона с оптима­льной структурой (табл. 9.6). Числовой пример — в столбце С.

Таблица 9.6. Последовательность расчета состава бетона оптимальной структуры с использованием Microsoft EXCEL

Компьютерный метод расчета обладает большой наглядностью. Применение его позволяет после внесения в таблицу расчетных фор­мул:

мгновенно получить результаты с любой заданной точностью;

исключить ошибки, которые довольно часто возникают при ра­боте с калькулятором;

одновременно выполнять расчеты нескольких составов бетона при изменении свойств исходных материалов;

наблюдать за влиянием отдельных факторов на результаты рас­чета и анализировать их.

В настоящее время пока еще распространен подбор состава тяже­лого бетона по методу «абсолютных объемов», разработанному Б.Г. Скрамтаевым и его научной школой.

На первом этапе принимают исходные данные в отношении про­ектного класса бетона по прочности и другим свойствам. Для обо­снования данных используют технические документы — проект здания или сооружения, проект бетонных элементов, проект органи­зации работ, СНиП и другую проектную и нормативную докумен­тацию. Существенной характеристикой бетонной смеси (в зависимо­сти от проектных и производственных условий) принимается подвижность, выражаемая в сантиметрах, или жесткость, выражае­мая в секундах, и определяемые по ГОСТ 10181—81. Производится выбор заполнителей, возможных фракций при их разделении (классификации), а также размера наибольшего зерна (щебня или гравия) в зависимости от вида конструкции и способа укладки бетонной смеси. Обосновываются вид и марка цемента, его минимально допу­стимое количество в зависимости от условий работы конструкции и подвижности (жесткости) бетонной смеси. Обусловливается реко­мендуемый расход воды в зависимости от подвижности бетонной смеси, вида и крупности заполнителя, а именно: чем меньше жест­кость (выше пластичность) смеси и мельче наиболее крупный раз­мер щебня (гравия), тем больший расход воды рекомендуется при­нимать в бетонной смеси, выражаемый в л/м³.

На втором этапе определяют состав бетона расчетно-экспери-ментальным способом в такой последовательности: а) определяют водоцементное отношение (В/Ц) по данным предварительных опы­тов, которые помогают установить графическую зависимость проч­ности бетона от В/Ц при данной активности цемента и применении принятых местных заполнителей (табл. 9.7). Чаще, однако, пользу­ются формулой, которая следует из формулы прочности Боло-мея—Скрамтаева:

при В/Ц > 0,4 (9,7)

при В/Ц < 0,4 (9,7)

Таблица 9.7. Значения коэффициентов А и A₁

б) определяют расход воды (В) по требуемой подвижности бе­тонной смеси на основании результатов предварительных испыта­ний или по таблице, но с обязательным последующим корректиро­ванием применительно к исходным материалам (рис. 9.8);

Рис. 9.8. График водопотребности бетонных смесей жестких (а) и пластичных (б), приготовленных с применением портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей крупности:

1 — 80 мм; 2 — 40 мм; 3 — 20 мм; 4 — 10 мм (при использовании вместо гравия щебня расход воды увеличивают на 10 л. При использовании пуццоланового портландцемента расход воды увеличивают на 15—20 л. При применении мелкого песка расход воды увеличивают на 10—20 л)

в) находят расход цемента (Ц): Ц = В:В/Ц. Может оказаться, что полученная величина расхода цемента на 1 м³ бетона ниже допусти­мого нормами минимума и принятого по таблицам на первом этапе подбора. Тогда величину Ц увеличивают до требуемой нормы с со­ответствующим увеличением количества воды В, с тем чтобы неиз­менным оставалось расчетное водоцементное отношение. Следует отметить, что минимально допустимый расход цемента для бетон­ных конструкций 200 кг/м³, для железобетонных — 220 кг/м³;

г) по полученным значениям В/Ц и Ц устанавливают так называ­емый коэффициент раздвижки (α) зерен щебня или гравия, который вводят в расчеты для увеличения количества песка, чтобы повысить подвижность бетонной смеси за счет отдаления (раздвижки) зерен щебня или гравия друг от друга. Чем выше требуемая пластичность бетонной смеси, тем дальше должны быть отдалены зерна щебня и, следовательно, больше величина а. Она возрастает также при уве­личении расхода цемента и принимается: для подвижных смесей — 1,25—1,55, для жестких бетонных смесей — 1,05—1,15;

д) определяют расход щебня (или гравия) по формуле

(9.9)

е) определяют расход песка по формуле

(9.10)

В двух последних формулах ν_пуст = 1-(ρ_0Щ/ρ_Щ); ρ_Ц, ρ_П и ρ_Щ — ис­тинные плотности соответственно цемента, песка и щебня; ρ_0нас.Щ — насыпная плотность крупного заполнителя (щебня или гравия).

Формулы нетрудно выводятся из условий, что сумма абсолютных объемов исходных материалов в 1 м³ уплотненной бетонной смеси близка к 1000 л и что объем пустот в щебне заполняется суммой объемов песка, цемента и воды при некоторой раздвижке крупных зерен (что учитывается сомножителем α).

После определения количества компонента расчетная средняя плотность бетонной смеси равна ρ_б.с= Ц + П + Щ + В (кг/м³). У тя­желых бетонов величина ρ_б.с обычно не превышает 2500 кг/м³.

На третьем этапе подбора проверяют проектный состав бетона. С этой целью приготовляют пробный замес и определяют подвиж­ность или жесткость бетонной смеси. Если величина этой характе­ристики окажется на уровне заданной, то из смеси изготовляют кон­трольные образцы из расчета не менее трех на каждый срок испытания. Их хранят в течение суток в помещении при температу­ре 16—20°С, а оставшееся время до испытания — в специальной камере или в нормальных температурно-влажностных условиях (температура 20°С; влажность воздуха 95—100%). Если величина подвижности окажется меньше заданной, то постепенно увеличива­ют содержание воды и цемента в бетонной смеси, сохраняя постоян­ным водоцементное отношение. Если подвижность окажется боль­ше заданной, то в бетонную смесь добавляют песок и щебень (или гравий), сохраняя их отношение по массе. Получив величину по­движности на уровне заданной, изготовляют пробные образцы, вы­держивают и испытывают их для проверки соответствия прочности и других свойств бетона заданным техническим требованиям.

Состав бетона представляют в двух выражениях: номинальном и производственном. Номинальный — это когда расходы материалов на 1 м³ бетонной смеси относят к расходу цемента в виде Ц/Ц:П/Ц:Щ:Ц = 1:П/Ц:Щ/Ц. Данная пропорция показывает, сколь­ко частей сухого песка и сухого щебня приходится на 1 часть (по массе) цемента при приготовлении 1 м³ бетона. Обязательно указы­вают также величину В/Ц. Переход от номинального состава к про­изводственному связан с учетом естественной влажности заполните­лей. Для этого определяют влажность и реальное содержание влаги (воды) в песке и щебне. Эту воду вычитают из расчетного расхода воды, а при дозировании на заводах ее засчитывают с массой запол­нителей, к которым добавляют их массу, равную соответствующим массам воды в сырых заполнителях.

Приготовление бетонной смеси и ее свойства.Запроектирован­ный номинальный состав, пересчитанный на производственный со­став бетонной смеси, передают на завод для изготовления изделий или конструкций. На бетонном заводе в соответствии с заданным составом производится дозирование путем отвешивания (реже - объемного отмеривания) принятых исходных материалов — цемента, песка, щебня, воды и др. Дозирование осуществляют с помощью автоматических, реже ручных дозаторов. Порции материалов по проектному составу направляют в бетоносмесительные машины с принудительным или свободным (гравитационным) смешиванием отдозированных материалов. Емкости бетоносмесителей колеблют­ся от 100 до 250 л в передвижных (рис. 9.9) и от 250 до 4500 л в стационарных установках (рис. 9.10). Чем менее подвижными, жест­кими ожидаются смеси, тем целесообразнее использовать принуди­тельное перемешивание, осуществляемое с помощью противоточ-ных или роторных бетоносмесителей. Главным смешивающим органом в них служат лопасти или лопатки, а смесь размещается в горизонтальных чашах при периодическом выпуске смеси или в ци­линдрических барабанах — при непрерывном действии смесителя. Бетоносмесители непрерывного действия имеют большую произво­дительность (до 120 м³/ч) и меньшую удельную затрату электроэнер­гии, чем бетоносмесители периодического действия.

При изготовлении мелкозернистых и песчаных бетонных сме­сей нередко используют и другие типы смесителей, например шнековые с приводным горизонтальным валом, размещенным вдоль лотка, или струйные непрерывного действия с перемешиванием в «кипящем» слое в зоне электрического поля во встречных потоках противоположно направленных струй сжатого воздуха. Процессы дозирования, загрузки и перемешивания контролируют электро­пневматической системой, особенно на стационарных заводах.

Хорошо перемешанная, однородная бетонная смесь выгружает­ся в бункер или транспортную емкость (автомобильные вагонетки, бадьи, бетононасосы, трубопроводы и др.). Если смесь обладает высокой пластичностью, то в пути следования к месту ее укладки предусматриваются специальные меры для предотвращения рассла­ивания, например дополнительное перемешивание или транспорти­рование сухой смеси с внесением расчетной порции воды в пути сле­дования к объекту, введение добавочных веществ — минеральных, пластифицирующих и др.

При выходе из смесительного аппарата фактический объем бе­тонной смеси значительно меньше суммы объемов применяемых ма­териалов, как компонентов смеси. Так, если сумму объемов исход­ных сухих материалов бетонной смеси обозначить как x+y+z, то фактический объем (V_б) бетонной смеси составит V_б = r(x+y+z), где r < 1 называется коэффициентом выхода бетона. В зависимости от состава бетона коэффициент выхода колеблется в пределах от 0,55 до 0,75. Такое снижение фактического объема бетона по сравнению с суммой объемов сухих материалов объясняется тем, что часть пес­ка и тем более цемент размещаются в межзерновом пространстве крупного заполнителя. При назначении емкости бетоносмесителя необходимо принимать не менее суммы объемов сухих материалов, т. е. (x+y+z) литров, так как поступающие сухие материалы занима­ют до перемешивания объем, почти равный сумме их объемов в от­дельности. С учетом коэффициента выхода рассчитывают количест­во (n) замесов в бетоносмесителе данной емкости (а) для получения определенного количества бетонной смеси (В), а именно: п = В/(rа).

Подобно другим конгломератным смесям, бетонная представля­ет собой дисперсную систему, в которой в роли дисперсионной сре­ды выступает цементное тесто, а твердой дисперсной фазой является механическая смесь мелких и крупных заполнителей. Если при необ­ходимости в бетонную смесь были добавлены порошкообразный наполнитель или иной микродисперсный компонент, растворимый или нерастворимый в воде, то они, являясь по размеру частиц соиз­меримыми с частицами цемента, относятся к дисперсионной среде. Понятно, что эта среда является микрогетерогенной, поэтому после отвердевания в бетоне она образует цементный камень сложного со­става, называемый, по выражению проф. В.Н. Юнга, микробето­ном. На стадии проектирования состава бетонной смеси предусмат­ривается, чтобы все компоненты в бетонной смеси находились на возможно более малых расстояниях друг от друга, с тем чтобы на микро- и макроуровнях полнее проявлялись внутренние силы взаи­модействия частиц. Особенно важно, чтобы была обеспечена опти­мизация структуры бетонной смеси, при которой цементное тесто образует непрерывную пространственную сетку (матрицу) в смеси при минимальном отношении массы жидкой (В) и твердой (Ц, Т) фаз (В/Ц или В/Т) и принятых технологических условиях изготовле­ния и применения бетонной смеси. Если снижение этого фазового отношения продолжить, то неизбежно образование дискретности (прерывистости) пленки водной среды на высокоразвитой поверх­ности частиц цемента и других микронаполнителей. Оптимизация заключается и в том, что полученная бетонная смесь однородна по пространственному расположению в ней микро- и макрочастиц. Кроме того, заполнители образуют достаточно плотную смесь, что желательно для снижения расхода вяжущего вещества и стоимости бетона.

Бетонная смесь направляется для формования из нее изделий или конструкций (монолитных или сборных). Если параметры по­следующих технологических операций (транспортирования, формования, уплотнения) с бетонной смесью были учтены на стадии про­ектирования ее состава, то эти операции не вызывают каких-либо неожиданностей в поведении смеси. Она транспортируется без рас­слаивания и разрывов в потоке, формуется и уплотняется без необ­ходимости увеличения или снижения интенсивности механических воздействий, кроме тех, которые были учтены на стадии проектиро­вания состава бетонной смеси. Минимум неожиданностей возникает на стадии тепловлажностной обработки отформованных изделий и конструкций, поскольку реальные ее режимы были по возможности учтены на стадии проектирования состава бетона.

Однако в производственных условиях всегда возможны отклоне­ния от технологических параметров и режимов, принятых при проектировании состава смеси. В результате таких отклонений бе­тонная смесь может оказаться недостаточно подвижной и удобообрабатываемой на какой-либо стадии производственного цикла. Особенно важно иметь подвижные смеси при изготовлении армиро­ванных изделий. Чтобы уменьшить связанные с этим технологиче­ские дефекты в изделиях (конструкциях), контролируют реологиче­ские характеристики бетонной смеси. Простейшими и имеющими, в известной мере, физический смысл реологическими характеристика­ми на производстве и в лабораториях приняты в настоящее время подвижность и жесткость бетонной смеси, косвенно отражающие ее вязкостные свойства. Если показатели этих свойств поддерживать в заданном пределе допустимых отклонений, технологический про­цесс изготовления изделий (конструкций) окажется нормальным и бездефектным.

Подвижность отражает способность бетонной смеси, которой была предварительно придана некоторая условная форма, напри­мер правильного усеченного конуса, деформироваться под влияни­ем собственной тяжести, расплываясь или ссаживаясь и приобретая иную форму или сохраняя ее при других размерах. Подвижность бе­тонной смеси измеряют с помощью стандартного металлического конуса (рис. 9.11), который заполняют испытуемой смесью с по­слойным уплотнением. При осторожном подъеме металлической формы бетонный конус осаживается под собственной тяжестью. Если величина осадки конуса находится в пределах 2—4 см, то сме­си относят к малоподвижным, 4—12 см — к подвижным и более 12 см — к текучим (литым). При осадке конуса, равной нулю, смесь — жесткая, и тогда ее удобоукладываемость оценивается с по­мощью специального прибора для определения условного показате­ля жесткости.

Жесткость бетонной смеси характеризуют продолжительно­стью (с) вибрирования на стандартной виброплощадке (частота колебаний 3000 колебаний в минуту, амплитуда колебаний -0,5 мм), необходимого для выравнивания и уплотнения предварите­льно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для опреде­ления жесткости (рис. 9.12). Цилиндрическое кольцо прибора, внут­ренний диаметр которого 240 мм, устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и жестко закрепляют стандартный конус высотой 200 мм, который за­полняют бетонной смесью в установленном по стандарту порядке и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Затем од­новременно включают виброплощадку и секундомер и наблюдают за выравниванием и уплотнением бетонной смеси в цилиндре. Секундомер останавливают, как только начнется выделение цементно­го теста из двух отверстий диска. Продолжительность виброуплотнения является характеристикой жесткости бетонной смеси. В целях большей точности измерения жесткости из одной пробы бетонной смеси вычисляют среднее двух определений.

К особо жестким относят смеси при времени вибрации 13 с и бо­лее, к жестким — 5—12 с, к малоподвижным — менее 5 с.

Показатели подвижности и жесткости назначают с учетом густо­ты расположения арматуры, характера изделия, средств уплотнения и др. Так, например, при изготовлении тонкостенных густоармиро­ванных конструкций осадку конуса принимают 4 — 6 см, а при транспортировании смеси по трубам с помощью насосных устано­вок показатель подвижности увеличивают до 8 — 10 см.

Регулирование указанных реологических характеристик бетон­ной смеси достигается правильным проектированием состава, а при необходимости — введением в смесь пластифицирующих и других химических добавок. Их количество строго обосновывается, поско­льку оно влияет на проектный состав бетона.

Производственные операции при приготовлении бетона.Приго­товленная бетонная смесь в форме распределяется механическим укладчиком или, что реже, вручную. В зависимости от разновид­ности изделий применяют бетоноукладчики различных конструк­ций — с бункерами и питателями, с копиропитателями, с челюст­ными затворами и т. п. Бетонную смесь, уложенную в форму, подвергают уплотнению. Наиболее типичным способом уплотне­ния является вибрирование. Частые колебания, создаваемые виб­ратором (рис. 9.13), передаются бетонной смеси и всем ее части­цам, вызывая их колебательные движения. В результате снижаются силы вязкостного трения и сцепления, т. е. преодолевает­ся реологическое сопротивле­ние при размещении смеси и сближении частиц. Наиболь­ший эффект уплотнения бе­тонной смеси вибрированием достигается при резонансных режимах, когда частоты вы­нужденных колебаний частиц совпадают с частотами собст­венных колебаний вибратора. Эффективность виброуплотне­ния в значительной мере зави­сит от двух основных параметров — интенсивности вибрирования и продолжительности.

Интенсивность вибрирования характеризуется величиной амп­литуды колебаний, равной половине наибольшего перемещения ча­стицы, и частотой вынужденных колебаний, т. е. числом периодов колебаний в секунду. Об интенсивности виброуплотнения судят по амплитудному значению ускорения, сообщаемого колеблющимся частицам, при некоторой угловой скорости

(9.11)

где ω — ускорение, сообщаемое частицам, см/с²; а — амплитуда коле­баний, мм; f — частота колебаний, Гц; r — угловая скорость (рад/с). Интенсивность виброушютнения (по Шмигальскому В.Н.) ха­рактеризуется произведением скорости колебаний на ускорение и может быть вычислена по формуле

(9.12)

где U — интенсивность виброушютнения, см²/с³; ν — скорость коле­баний (ν = aω = a2πf); ω — ускорение.

Интенсивность виброуплотнения выражают обычно в единицах ускорения силы тяжести. Эта характеристика интенсивности пока­зывает, во сколько раз ускорение, полученное частицами бетонной смеси при вибрировании, больше ускорения силы тяжести.

Продолжительность виброуплотнения неразрывно связана с па­раметрами вынужденных колебаний. При заданных параметрах для каждой бетонной смеси существует своя, оптимальная продолжите­льность вибрирования. Более продолжительное вибрирование при­водит к расслоению бетонной смеси и ухудшению качественных по­казателей бетона.

Обычно амплитуда колебаний находится в пределах 0,3—0,7 мм при частоте колебаний около 3000 в 1 мин. В последние годы полу­чают распространение низкочастотные резонансные виброплощад­ки с амплитудой 0,7 мм и частотой 25—40 Гц, которые более эко­номны в расходе энергии и менее шумные в работе. При вибрировании бетонной смеси в густоармированных конструкциях целесообразно использовать высокочастотный вибратор с частотой до 7 колебаний в 1 мин с гибким валом и цилиндрической рабочей частью (рис. 9.14).

Эффект уплотнения и качество изделий контролируют пе­риодической проверкой величины коэффициента уплотнения, рав­ного отношению фактической средней плотности свежеуложенного бетона к ее номинальной величине, получаемой при расчете проект­ного состава. Если коэффициент уплотнения находится в пределах 0,98—1,0, можно полагать, что достигнута вполне достаточная сте­пень уплотнения изделия. Уменьшение плотности бетона на 1% при­водит к снижению прочности его примерно на 5%. Понятно, что с уменьшением подвижности бетонной смеси требуется увеличивать интенсивность и продолжительность виброушютнения. При поверх­ностном вибрировании слой бетонной смеси не должен быть толще 20—25 см. Для повышения эффекта уплотнения бетонной смеси ма­лой подвижности принимают меры по увеличению удельной нагруз­ки на поверхность вибрируемого массива, т. е. осуществляют вибри­рование с пригрузом, например, в размере от 10 до 40 или 50 г на 1 см² (или 0,1—0,5 МПа) поверхности. Возможно вибрирование, со­вмещаемое с прессованием под давлением 0,5—1,5 МПа, что назы­вается вибропрессованием. При уплотнении отдельных изделий вибраторы специальной формы и размеров (виброиглы, вибробула­вы и т. п.) погружают в тело бетонного массива. Распространенные способы уплотнения — виброштампование и особенно вибропро­кат: Последний выполняют на специальных вибропрокатных ста­нах. При уплотнении подвижных бетонных смесей применяют виб­рационное воздействие в сочетании с вакуумированием и удалением некоторой доли воды из уплотняемой массы, двойное вибрирова­ние, а также некоторые другие способы уплотнения, например без­вибрационное уплотнение при изготовлении полых изделий — труб, колонн, столбов (опор) и др. Для их уплотнения бетонную смесь по­мещают в соответствующие формы, которые подвергают вращению, и смесь уплотняется за счет воздействия центробежных сил, развивающихся при частоте вращения до 900—1000 об/мин. К без­вибрационным способам относятся также наливной (с добавлением в смесь суперпластификатора) и набивной (торкретирование, с вы­бросом смеси из сопл бетононасоса).

При укладке в конструкцию в зимнее время бетонную смесь пре­дохраняют от замерзания как в процессе уплотнения, так и в перво­начальный период отвердевания отформованного монолита. Важно до замерзания получить определенную прочность бетона, что уста­навливается в зависимости от конкретных условий, но обычно не менее 30—50% его проектной (марочной) прочности. С этой целью используют противоморозные добавки, подогрев исходных матери­алов и другие мероприятия.

В зимнее время сохранить внутреннюю теплоту в бетоне, выде­ляющуюся в результате экзотермических реакций при его тверде­нии, можно, покрыв его слоем теплоизоляции (шлака, древесных опилок, соломита и др.). Этот способ дает особенно эффективный результат при относительно малых поверхностях охлаждения конст­рукций, например массивных, при отношении поверхности S к объ­ему V не более 6. Сохранение внутренней теплоты получило назва­ние «способа термоса». Внутренний запас теплоты увеличивают также путем предварительного подогрева воды до 80°С, заполните­лей — до 40°С с тем, однако, чтобы температура бетонной смеси к моменту укладки не была выше 40—50°С. Нередко бетонную смесь подогревают в электродно-пластинчатом бункере. Изделия, напри­мер фундаменты, приобретают 50% марочной прочности при моро­зе до -40°С. При бетонировании в зимних условиях конструкций и элементов с большой поверхностью охлаждения (при отношении S/V значительно большем 6) можно укладывать бетон без подогре­ва, т. е. использовать холодный бетон. Для этого в бетонную смесь вводят противоморозные добавки (нитрат натрия, поташ и др.), ко­торые снижают температуру замерзания воды в бетоне, а некоторые добавки выполняют еще и функцию катализатора твердения вяжу­щего вещества. Холодный бетон обычно укладывают при тем­пературах окружающей среды не ниже -20°С с последующей тепло­изоляцией, устройством ветрозащитных ограждений, утеплением опалубки, обогревом нагревательными проводами и др. Эти прово­да закрепляют на арматурном каркасе; длину и количество прово­дов определяют расчетом с учетом нагрева до 40°С. В качестве про­водов используют оцинкованную стальную сетку с поливиниловой изоляцией диаметром 1,2 мм.

В летнее время поверхность свежеуложенного бетона защищают от непосредственного воздействия солнечных лучей и ветра пленко­образующими материалами, влажными опилками, матами и т. п. В сухую погоду открытые поверхности бетона увлажняют водой. Используют также полиэтиленовые и поливинилхлоридные пленки, розлив по поверхности защищаемого бетона битумной эмульсии и др.

При укладке в конструкцию бетонной смеси в очень жаркую и сухую погоду ее предохраняют от повышения температуры и быст­рого высыхания после укладки.

От нагревания солнечными лучами предохраняют и компонен­ты: периодически увлажняют заполнители холодной водой или при­меняют охлаждающие устройства для понижения их температуры; укрывают водопроводные линии, окрашивают баки с водой в белый цвет и т. п.

Воду затворения нередко искусственно охлаждают или частично заменяют льдом, с тем чтобы он успел растаять к моменту выгрузки смеси.

Все изложенные выше меры особенно полезны при строительст­ве массивных сооружений с использованием больших объемов бе­тонной смеси.

В наиболее жаркое время дня в условиях сухого и жаркого кли­мата целесообразно в исключительных случаях сделать перерыв в производстве бетонных работ на строительном объекте.

Отформованные и уплотненные изделия или конструкции из бе­тона подвергают тепловой, тепловлажностной, автоклавной или другой обработке, чем достигается существенное ускорение процес­сов твердения. Прочность при нормальных условиях твердения на­растает сравнительно медленно, поэтому приходится длительное время ожидать получения необходимой прочности изделий, напри­мер 60—70% от марочной, определяемой в 28-суточном сроке хране­ния. Самым распространенным способом ускорения структурообра-зования и упрочнения служит тепловая обработка в пропарочных камерах периодического или непрерывного действия или в формах с термоподдонами. Применяют также бетонирование с электроразог­ревом смеси. Для этого бетонную смесь в течение 10—15 мин разо­гревают до температуры 50—90°С с помощью электронагреватель­ных устройств, укладывают в стальную опалубку, уплотняют и укрывают от охлаждения, что позволяет поднять суточную проч­ность бетона до 60—65% марочной. Ускорить твердение бетона можно также химическими методами: путем введения в бетонную смесь небольших количеств хлористого натрия, хлористого каль­ция, растворимого стекла или комплексных веществ — нитрит-ни­трата натрия, нитрита натрия, солей более сложного состава и др. На практике используют одновременно несколько способов ускоре­ния твердения, что приводит обычно к получению значительного технико-экономического эффекта, позволяет производить бетони­рование в зимнее время при температурах -10, -15°С и ниже. При введении химических добавок удается снижать водосодержание, поскольку некоторые добавки оказывают пластифицирующее воздей­ствие на бетонную смесь.

За последние годы разработан способ — эргобетонирование[40], который заключается в том, что бетонную смесь в процессе ее пере­мешивания подвергают интенсивному одновременному и согласо­ванному обрабатыванию механической (вибрационной), тепловой и электрической энергиями, одновременному барботированию в уcловиях магнитной пароионной среды. Последующее постепенное остывание отформованного материала благоприятствует более пол­ному протеканию процессов структурообразования с минимумом технологической пористости. Наилучший способ такой комбиниро­ванной синэнергообработки воспроизводится с помощью специаль­ного оборудования — синэнергогенератора.

Разработаны высокоэффективные пластификаторы и суперплас­тификаторы, с введением которых можно уменьшать на 20—30% и более содержание воды в бетонной смеси, т. е. уменьшать В/Ц, а сле­довательно, увеличивать прочность бетона, например в суточном возрасте на 50% и более, в месячном — на 30—40%. Если количест­во воды в бетонной смеси не уменьшать, то при добавлении супер­пластификатора эта смесь становится литой, легкоподвижной, удоб­ной при изготовлении тонкостенных конструкций или фасонных деталей с тесно расположенной арматурой. Литые бетонные смеси удобны также при подаче их бетононасосом, при создании плотной поверхности изделий.

Добавление суперпластификатора несколько удорожает бетон, но увеличивает производительность труда при изготовлении изде­лий, уменьшает продолжительность тепловлажностной обработки бетона.

В качестве суперпластификаторов используют либо сульфинированные меламиноформальдегидные смолы, либо низкомолекуляр­ные полимеры продукты взаимодействия нафталинсульфо-кислоты и формальдегида. Такого рода добавки способствуют диспергированию гидратированного цемента, обволакиванию дис­персных частиц экранирующими пленками органического вещества с эффектом пластификации смеси без нарушения основных процес­сов отвердевания и формирования структуры цементного камня и бетона.

При применении пластифицирующих добавок проверяют, осо­бенно при использовании новых добавок, чтобы они не были вос­пламеняющимися, ядовитыми, не вызывали коррозии металличе­ской арматуры в бетоне.

Для повышения интенсивности твердения бетона кроме тепло-влажностной обработки иногда активируют воду затворения. Так, по данным И.М. Грушко, добавление в воду щелочи, например ед­кого натра, и части отдозированного цемента с последующей обра­боткой ультразвуком и электромагнитным полем способствует об­разованию микрокристаллических частиц как «затравок» в твердеющем цементном тесте.

В производственных условиях осуществляют постоянный тех­нологический контроль за качеством исходных материалов, посту­пающих на завод, их подготовкой к употреблению в составе ком­понентов смеси, за качеством бетонной смеси (подвижностью, жесткостью, фактическим составом бетонной смеси, однородно­стью перемешивания и т. п.), за качеством отвердевшего бетона, особенно за его прочностью и ее нарастанием во времени.

При оценке прочности бетона пользуются как разрушающими методами (испытанием образцов с их разрушением), так и адест-руктивными—ультразвуковым импульсным методом, методом упругого отскока, радиометрическим методом, рентгеновскими лу­чами в специальных установках и др. Эти методы позволяют так­же обнаруживать трещины и другие дефекты в бетонных изделиях и конструкциях.

Структура и свойства тяжелого бетона.Тяжелый бетон — типич­ный представитель искусственных строительных конгломератов. В нем отвердевшее цементное тесто, или цементный камень, полно­стью окружает каждую частицу мелкого и крупного заполнителя и, кроме того, заполняет пространство между этими частицами, со­ставляя, таким образом, непрерывную пространственную сетку, или матрицу. В процессе отвердевания цементного теста частицы запол­нителя оказались сцементированными в общий монолит. В моноли­те 20—30% его объема занимает цементный камень, а на долю за­полнителя приходится, следовательно, 70—80% объема. В пределах объема тяжелого бетона имеется также капиллярно-поровая часть, которая образуется в результате испарения свободной воды, недо-уплотнения смеси и усадочных явлений. Поры имеются также в час­тицах заполнителя, а микропоры характерны для цементного кам­ня. Нередко воздушные поры (1—2%) равномерно распределены в объеме бетона, возникая в процессе перемешивания бетонной смеси со специальной воздухововлекающей добавкой, что обычно повы­шает морозостойкость бетона. Поры цементного камня можно раз­делить условно на особо тонкие, например, диаметром до 1000 А, называемые гелевыми, и более грубые диаметром, например, от 1000 А до 10 мкм, называемые капиллярными, поскольку многие из них взаимосвязаны, образуя своеобразную систему «микрокана­лов», доступных к проникновению и движению по ним внешней во­дной среды, понижающей морозостойкость бетона.

Непременной структурной частью бетона, подобно другим конг­ломератам, являются контактные зоны (обычно шириной до 50—65 мкм), микроструктура цементного камня в которых несколь­ко отлична от такой же структуры в объемном цементном камне по­вышенной концентрацией кристаллической фазы и пониженным со­держанием микропор. Контактный слой может также отличаться химическим составом его кристаллической фазы. Такова в общих чертах структура и микроструктура тяжелого цементного бетона.

В значительной мере структура по свойствам неоднородна, как неоднородны составляющие ее компоненты (щебень, песок, цемент­ный камень). Она не свободна от-многих дефектов, связанных с тех­нологическим и эксплуатационным периодами, что отражается на уровне показателей механических свойств и долговечности бетона.

Для тяжелых бетонов характерным является не только высокое значение средней плотности, но и высокая прочность. Значения средней плотности находятся в пределах 1800—2500 кг/м³, а проч­ность по сжатию — от 5 до 80 МПа. Проектные марки его по преде­лу прочности при сжатии: М50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700 и 800.

Класс бетона по пределу прочности при сжатии (в МПа) опреде­ляют с помощью образцов размером 15x15x15 см (с умножением на коэффициент 0,778), изготовленных из бетонной смеси и испытан­ных через 28 суток твердения при хранении в нормальных условиях, т. е. при температуре 20±2°С, относительной влажности воздуха не ниже 90%. Имеются некоторые исключения, например гидротехни­ческий бетон речных сооружений оценивают по прочности также в 60-, 90- и 180-дневном возрасте образцов нормального твердения. При других размерах образцов-кубов с ребром 7, 10, 20 и 30 см резу­льтаты испытаний умножают на масштабные коэффициенты, соот­ветственно равные 0,85; 0,91; 1,05; 1,10. Для оценки прочности вмес­то образцов-кубов нередко используют призмы размером 10x10x40 см или других размеров, испытываемых на изгиб, а также образ­цы-цилиндры диаметром 7, 10, 15, 20, 30 см и высотой, равной диа­метру или двум диаметрам.

Бетон называют высокопрочным, если его марка выше 600, на­пример 700 или 800. Иногда к высокопрочному относят бетон с прочностью выше стандартной марки цемента, использованного в его составе. В настоящее время активность вяжущих — цементов (и гипсов), применяемых в бетонах, значительно увеличена, что по­зволяет получать бетоны с пределом прочности при сжатии 100 МПа. По мнению некоторых специалистов, возможности в этом направлении не исчерпаны и прочность бетона на сжатие может до­стигнуть 400 МПа.

Прочность бетона на растяжение составляет от 6 до 10%, а при изгибе — от 10 до 16% от предела прочности при сжатии. По пределу прочности на осевое растяжение бетоны делятся на марки от 10 до 40, а при изгибе — от 1,5 до 5,5 МПа. Упрочнить бетон на растя­жение можно армированием, поскольку металлическая арматура способна почти полностью принять на себя растягивающие напря­жения, разгружая от них бетон. Арматура может располагаться как направленно, так и в хаотическом виде (при волокнах-фибре).

Прочность бетона не остается величиной постоянной, при бла­гоприятных условиях — высокой влажности воздуха, положитель­ной температуре и т. п. — отмечается прирост прочности, определя­емый по формуле

(9.13)

где τ — возраст бетона в сутках, но не менее трех суток.

К возрасту одного года тяжелый бетон в этих условиях самоуп­рочняется на 70—90% от R₂₈.

Кроме статической прочности, иногда проверяют величину ди­намической прочности, или ударной вязкости. При вибрационных воздействиях на конструкцию важно определять усталостную проч­ность бетона, характеризуемую количеством циклов вибрационного воздействия до признаков разрушения структуры.

Долговечность бетонных конструкций в большой мере обуслов­ливают деформативные свойства бетона. Особо следует выделить ползучесть, которая проявляется при сжимающих, растягивающих и других напряжениях, действующих в течение длительного времени. Ползучесть в бетонах в значительной мере обусловлена ползуче­стью цементного камня и, в соответствии с законом конгруэнции ИСК, возрастает с увеличением в нем теплоты по мере роста водо-цементного отношения. Но ползучесть зависит также от качества заполнителя. Она больше при уменьшении модуля упругости гор­ной породы, применяемой для получения заполнителя. Кроме того, ползучесть связана с наличием микротрещин в контактной зоне на границе цементного камня с заполнителем и зависит еще от ряда других причин. Цементный бетон обладает упругими свойствами. При оптимальных структурах упругие деформации бетона тем зна­чительнее, чем более упругим является цементный камень. Кроме того, упругие свойства зависят от уровня нагружения бетона меха­ническими силами. При оценке упругости обычно принимают неко­торое постоянное напряжение, передаваемое на бетон, например, равное по величине 0,2 от предела прочности при сжатии.

При твердении бетона возникают линейные и объемные дефор­мации под влиянием усадки и набухания, что приводит к появлению трещин, поэтому стремятся уменьшить размеры этих деформаций. В возрасте 1—1,5 года конечный размер усадки бетона составляет от 0,1 до 1,5 мм/м, что зависит от разновидности принятого цемента, количества цементного камня в бетоне, внешних температур-но-влажностных условий. Вызывают деформации и температурные колебания воздуха или другой внешней среды. Коэффициент теплового расширения бетона находится в пределах от 7∙10^-6 до 12∙10^{-6 o}С^-1, что зависит от разновидности крупного заполнителя; в среднем он принимается равным 10∙10^{-6 o}С^-1.

Определенную пользу в «залечивании» возникающих при твер­дении дефектов и усадочных деформаций может приносить, как по­казали исследования А.В. Саталкина, статические и даже комплекс­ные (статические с динамическими и вибрационными) нагрузки на молодой бетон. При определенных условиях раннее нагружение твердеющего бетона приносит закономерное упрочнение, что про­исходит вследствие некоторой благоприятной перестройки микро- и макроструктуры при твердении под нагрузкой. Важно только, что­бы напряжения не превышали предела длительной прочности бето­на на ранней стадии его твердения.

На снижение величины усадки бетона оказывает влияние повы­шение плотности заполнителя, его гранулометрический состав, сни­жение водоцементного отношения, оптимизация структуры бетона. Применение напрягающих и расширяющихся цементов также бла­гоприятствует получению бетонов с компенсированной усадкой, повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью. За рубе­жом используют расширяющиеся синтезированные добавки, вноси­мые в смесь. НИИЖБом предложена отечественная добавка того же назначения. Конструкции из бетона с компенсированной усадкой превосходят по качеству традиционные.

Важнейшей характеристикой качества бетона является морозо­стойкость. По этому свойству бетоны маркируют: F50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500. К невыдержавшим установленного маркой числа циклов замораживания при температуре -15—20°С и оттаивания при температуре +15 — +20°С (по стандарту) относятся бетонные об­разцы, которые теряют более 5% по массе за время испытаний (эта оценка только для дорожных бетонов), а в прочности на сжатие — более 15% от ее первоначального значения. По стандарту для срав­нения принимается прочность образцов в так называемом эквива­лентном возрасте, определяемом с учетом продолжительности твер­дения.

Бетон разделяют на марки и по водонепроницаемости, что имеет особое значение, когда в эксплуатационных условиях бетон подвер­жен длительному контактированию с водной средой. Проверка пол­ной водонепроницаемости (или иногда водопроницаемости) произ­водится в лаборатории путем воздействия напора воды на образец цилиндрической формы и толщиной 15 см при различных гидроста­тических давлениях, выражаемых в Па (от 2∙10⁵ до 12∙10⁵). Приняты следующие марки: W2, W4, W6, W8, W10 и W12, которые осо­бенно важно учитывать при проверке качества бетона для труб, гидротехнического и других видов тяжелого бетона.

Непроницаемый бетон может оказаться проницаемым при более высоких давлениях воды или при жидкостях, которые более по­движны, с меньшей вязкостью, например легких нефтепродуктах. В таких случаях повышают непроницаемость бетона введением уплотняющих (например, алюмината натрия) и гидрофобизирующих добавок, употреблением защитных синтетических пленок. Фи­льтрация нефтепродуктов снижается при добавлении в бетонную смесь хлорного железа или других проверенных добавок. Для всех жидких сред, особенно воды, фильтрация (проницаемость их) за­труднена при использовании в бетоне расширяющегося и напрягаю­щего портландцементов.

Значение прочности в технологии бетона существенно возрастает, если в заданном пределе она остается постоянной при изготовлении массовой продукции. Если же она меняется от замеса к замесу, то полу­чаемая продукция вследствие неоднородности по прочности является низкой по своему качеству и дорогой по стоимости. Однородность бе­тона заданной марки оценивают по результатам контрольных испы­таний бетонных образцов за более или менее длительный период времени. С этой целью определяют коэффициент вариации по форму­ле V = S/R_cp, где S—среднее квадратичное отклонение частных резуль­татов испытания от средней прочности (R_cp):

(9.14)

Средняя прочность бетонных образцов равна

(9.15)

где R_i