Структура и свойства бетона

Важнейшей характеристикой структуры бетона является соотношение растворной части бетона и заполнителя. Относительное содержание заполнителя может быть таково, что его частицы (зерна) раздвигаются цементным тестом и практически не касаются друг друга. Схема, при которой цементное тесто заполняет поры между зернами заполнителя, но их не раздвигает, носит название контактной. Третья схема структуры - с незаполненной или частично незаполненной межзерновой пустотностью – крупнопористая. Степень и характер пористости оказывают существенное влияние на важнейшие свойства бетона: среднюю плотность, теплопроводность, прочность, морозостойкость и водонепроницаемость. В бетоне различают поры трех видов: в цементном геле, в растворной части и в заполнителе.

При смешивании компонентов бетона образуется бетонная смесь. Бетонная смесь обладает свойством тиксотропии: при воздействии вибрации она становится более подвижной, уподобляется жидкости. В состоянии покоя он приобретает некоторую структурную прочность. Для обеспечения качественного уплотнения при укладке для различных условий технологии приготавливают смеси разной консистенции – от жестких до литых.

Для характеристики консистенции бетонной смеси используют показатели подвижности и жесткости. Подвижность измеряют по осадке конуса. Подвижность – это способность отформованной в виде усеченного конуса бетонной смеси перемещаться под действием собственной силы тяжести.

Для смесей, не дающих осадки конуса, применяется оценка консистенции по показателю жесткости. Жесткость измеряется временем (сек), необходимом для растекания отформованной бетонной смеси под действием вибрации. Значения подвижности и жесткости определяются технологией укладки бетонной смеси. В связи с этим на практике возникает необходимость корректировать их значения. Подвижность бетонной смеси можно увеличить за счет увеличении содержания цементного теста или снижения относительного содержания крупного заполнителя. Известно, что применяемые цементы могут отличаться показателями нормальной густоты, то есть показателями водопотребности. Соответственно, цемент с высокой водопотребностью понижает подвижность.

Основной технической характеристикой бетона является прочность. Прочность бетона R_б зависит от цементноводного отношения Ц/В, качества заполнителей и цемента (коэффициент А), активности цемента R_ц, условий и времени твердения

R_б = А R_ц(Ц/В ±С),

где А и С –эмпирические коэффициенты.

Класс бетона устанавливают в возрасте 28 суток. При твердении в нормальных условиях взаимосвязь прочности бетона в возрасте 28 суток и n cуток (где 3 ≤n≤28), определяется выражением

R₂₈ = R_n .

Понижение Ц/В снижает прочность бетона так как снижается концентрация цементного клея.

Прочность бетона определяют разрушающим и безразрушающими методами. Рост прочности бетона во многом определяется температурно-влажностным режимом твердения. Повышение температуры влажной среды ускоряет рост прочности. Разработана технология ускорения твердения введением химических добавок - ускорителей твердения.

Мероприятия, направленные на создание благоприятных условий твердения в начальный период называется уходом за бетоном. В условиях сухого жаркого климата поверхность бетона укрывают пленкообразующими покрытиями, пленками, орошают водой. В условиях пониженных температур поверхность бетона утепляют препятствуя переохлаждению и замерзанию, в бетон вводят противоморозные добавки, используют методы прогрева и обогрева бетонных конструкций.

Технология бетона

Технология изготовления бетонных изделий состоит в дозировании компонентов, приготовлении бетонной смеси, ее транспортировке и укладке, уплотнении в формах и твердении.

Дозирование компонентов должно осуществляться с помощью весовых дозаторов по массе с точностью 1 % для цемента и воды и 2 % для заполнителей. Бетонную смесь приготавливают в смесителях непрерывного и периодического действия. По способу перемешивания смесители делят на гравитационные и принудительные.

В гравитационном смесителе на стенках смесительного барабана укреплены лопасти, которые при вращении корпуса поднимают бетонную смесь в верхнюю часть корпуса, откуда под влиянием сил гравитации она падает на дно смесителя. Таким, образом, перемешивание происходит под влиянием сил гравитации. Достоинство гравитационных смесителей определяется их экономичностью, простотой конструкции. Перемешивание жестких смесей в них затруднено. Гравитационный смеситель может работать по непрерывной схеме. Для этого его изготавливают в виде вращающегося горизонтального цилиндра, с одного торца которого идет загрузка материалов, а с другого – выгрузка бетонной смеси. В принудительном смесителе бетонная смесь приготавливается в неподвижном корпусе, в полости которого вращаются лопасти, жестко закрепленные на вертикальном или горизонтальном валу. В таких смесителях достигается качественное перемешивание как жестких, так и литых смесей, с применением тяжелых и легких заполнителей.

Продолжительность перемешивания зависит от вида смеси, объема смеси и типа смесителя и обычно составляет от 50 с до 5 мин. Применение поверхностно-активных химических добавок – суперпластификаторов расширяет возможности внедрения новых видов смесителей, обеспечивающих интенсивное перемешивание компонентов и активацию цемента – турбулентных, струйных, в вибросмесителях и ультразвуковых виброактиваторах. Интенсивное перемешивание активирует растворение цементных частиц, повышает скорость нарастания прочности, сокращает время перемешивания.

Уплотнение при укладке бетона – необходимое условие получения заданной прочности. В зависимости от принятых условий технологии уплотнение осуществляют прессованием, вибрацией, вибропрессованием, вакууммированием с вибрацией, центрифугированием. Для укладки весьма подвижных смесей применяют литье. Вибрация при укладке осуществляется с помощью поверхностных, навесных и глубинных вибраторов, работающих от тока промышленной частоты 50 Гц (3000 кол/мин) с амплитудой около 0,3 мм. Для интенсификации уплотнения применяется высокочастотное и поличастотное вибрирование, а также ударное уплотнение с высокой амплитудой (3 мм) и низкой частотой (60…120 кол/мин). Центрифугирование основано на уплотнении бетонной смеси центробежными силами в процессе ее вращения. Его применяют для формовки безнапорных труб и других «кольцевых» конструкций. Вакууммирование основано на создании разницы между атмосферным давлением и давлением в порах бетона. Вакууммирование удаляет воздух и избыток воды из бетонной смеси, значительно уплотняя структуру бетона.

Твердение бетона на портландцементе – длительный процесс. Наиболее интенсивно он протекает в первые сутки. Проектную прочность бетона устанавливают в возрасте 28 суток. В благоприятных условиях набор прочности бетона может продолжаться в течение года и дольше. Интенсивность набора прочности зависит от минералогического состава цемента, от применения ускорителей твердения и условий твердения. Существует ряд технологических приемов ускоренного твердения бетона.

1 - тепловлажностная обработка (ТВО) – пропаривание насыщенным водяным паром атмосферного давления в пропарочных камерах. Цикл пропаривания включает выдержку бетонных изделий в течение 2…4 часов после изготовления в условиях комнатной температуры; нагрев до температуры 80…90 °С со средней скоростью 30 °С/ч, изотермическую выдержку в течение 8…12 часов, понижение температуры пара со средней скоростью 30 °С/ч. Общая продолжительность цикла составляет приблизительно 12…16 часов;

2 – контактный обогрев – состоит в обогреве бетонных изделий через плотные непроницаемые перегородки. Контактный обогрев выполняют с помощью теплоэлектронагревателей, размещаемых на опалубке. Контактный обогрев происходит, например, при производстве сборного железобетона в кассетах при циркуляции в их изолированных от бетона отсеках насыщенного водяного пара с температурой 90…100°С. В последнее время на строительных объектах внутрь бетонных конструкций закладывают изолированные греющие провода, нагреваемые пропусканием электрического тока. В дальнейшем провода обрезают, оставляя их в бетоне. Распространен также обогрев бетона с помощью теплоэлектронагревателей размещаемых на поверхности бетонной конструкции;

3 – электропрогрев – состоит в пропускании через бетон переменного тока напряжением 60…127 В. При этом бетонная смесь, оказывая сопротивление току, разогревается и до 60…80 °С. Так, панели наружных стен из легких бетонов рекомендуют прогревать в горизонтальных формах. В качестве одного электрода используют стальной поддон, в качестве другого – арматурную сетку, ближайшую к свободной поверхности изделия;

4 – автоклавная обработка применяется для производства силикатных бетонов и заключается в запаривании изделий насыщенным водяным паром повышенного давления в течение 8…12 часов при температуре 175…200 °С и давлении 0,9…1,6 МПа.