Влияние производственных факторов на качество бетона (приготовление и уплотнение бетонной смеси, условия твердения бетона).

В процессе переработки исходного сырья в готовый бетонный элемент качество бетона может изменяться под воздействием ряда объективных и субъективных факторов. Совокупность этих производственных факторов можно условно разделить на группы, охватывающие все этапы бетонных работ.
Первый этап — оценка качества исходных материалов и определение состава бетона. В число факторов, оказывающих решающее влияние на показатели качества бетона (прочность, долговечность, экономичность), входит качество цемента, заполнителей и воды.
Качество цемента должно обеспечить получение бетона заданной прочности и долговечности. Поэтому марку цемента следует выбирать в зависимости от проектной прочности бетона, а вид цемента — в соответствии с условиями эксплуатации конструкции.
Как правило, марка цемента должна быть выше требуемой прочности бетона в 1,25... 2 раза. Если марка цемента намного превышает прочность бетона, то расход цемента, рассчитанный из условия прочности, оказывается меньше необходимого по условию плотности бетона. Чтобы избежать перерасхода высокомарочного цемента, вводят в состав бетона тонкомолотую минеральную добавку.
Снижение расхода цемента как наиболее дорогостоящего компонента бетона важно не только по экономическим причинам. При сокращении количества цемента уменьшается усадка бетона, возрастает его трещиностойкость. В массивных конструкциях, например гидротехнических сооружениях, большой расход цемента вызывает значительное тепловыделение, которое может привести к растрескиванию бетонного массива в результате неравномерного разогрева бетона.
Вид цемента выбирают с учетом особенностей изготовления и условий эксплуатации бетона. Например, бвклротвердеюшие цементы целесообразно использовать при изготовлении сборных железобетонных изделий, так как при быстром наборе прочности ускоряется оборачиваемость металлических форм. Однако такие цементы вследствие большой экзотермии не рекомендуются для бетонов в массивных конструкциях гидротехнических сооружений. Для этих целей больше подходят смешанные цементы (пуццолановый и шлакопортландцемент). Для повышения морозостойкости бетона рекомендуется использовать цементы с органическими добавками — гидрофобный и пластифицированный.
Качество заполнителей оценивают зерновым составом, содержанием пылевидных и глинистых примесей, органических растительных остатков, вредных примесей и т.д. Загрязненные заполнители подвергают промывке и классификации, рассеивая на отдельные фракции.
Качество воды для изготовления бетона зависит от содержания сульфатов, хлоридов и ряда других соединений. Без предварительного испытания можно применять воду, пригодную для питья, речную и озерную воду.
Второй этап — приготовление бетонной смеси и укладка ее в конструкцию. На данном этапе необходимо обеспечить приготовление однородной, хорошо перемешанной бетонной смеси, обладающей заданной удобоукладываемостыо, и плотную укладку смеси в опалубку. Здесь главными факторами, определяющими качество бетона, являются однородность смешивания компонентов и качество уплотнения бетонной смеси.
Приготовление бетонной смеси включает операции дозирования и перемешивания составляющих материалов. Дозирование компонентов бетона осуществляют по массе, обычно с помощью автоматических дозаторов. Отклонения от заданной массы при дозировании на замес не должны превышать ±2 % для цемента, воды и водных растворов добавок и ±2,5 % для заполнителей. Однородность смешивания компонентов достигается выбором типа смесителя и режима перемешивания в соответствии с удобоукладываемостыо приготовляемой бетонной смеси. При смешивании материалов приходится преодолевать силы сцепления между частицами, сопротивление смеси сдвигу, а также силы тяжести. Подвижные смеси с повышенным содержанием воды и вяжущего вещества, обладающие малым сопротивлением сдвигу, перемешиваются значительно легче, чем жесткие. По принципу перемешивания бетоносмесители подразделяют на гравитационные и с принудительным перемешиванием.
Гравитационные бетоносмесители выполнены в виде барабана, вращающегося вокруг горизонтальной оси. При перемешивании частицы смеси поднимаются на некоторую критическую высоту и, как только сила тяжести становится больше суммы центробежной силы и сил сцепления между частицами, они падают и, имея значительную кинетическую энергию, внедряются в бетонную смесь в нижней части смесительного барабана. Тем самым достигается эффект перемешивания.
Продолжительность перемешивания определяют опытным путем в строительной лаборатории. Для этого отбирают из смесителя пробы бетонной смеси с интервалом 15...30 с, изготовляют контрольные образцы. После затвердевания бетона определяют прочность и рассчитывают коэффициент вариации прочности бетона. Чем меньше коэффициент вариации, тем более однороден бетон. Продолжительность перемешивания назначают по времени, при котором коэффициент вариации прочности бетона не превышает 4...5 %. Время перемешивания отсчитывают от момента окончания загрузки материалов в смеситель до начала выгрузки.
Гравитационные смесители оказываются малопригодными для перемешивания жестких бетонных смесей; в таких случаях применяют машины принудительного перемешивания. В них компоненты смеси подвергают принудительному перемещению по весьма сложным траекториям, благодаря чему и получается однородная бетонная смесь. Продолжительность смешивания крупнозернистых смесей 2...3 мин, мелкозернистых — 3...5 мин.
Качество уплотнения бетонной смеси должно быть таким, чтобы уложенный в опалубку или форму бетон обладал однородным строением с минимальным объемом вовлеченного воздуха — не более 2 %. Энергетические затраты на уплотнение тем больше, чем выше жесткость бетонной смеси. Основным способом уплотнения является вибрирование. При вибрировании частицы бетонной смеси совершают вынужденные колебания, в результате которых ослабляются силы внутреннего трения и сцепления между частицами. Бетонная смесь переходит в состояние пластично-вязкого течения и, подобно тяжелой жидкости, равномерно укладывается в форму. Для уплотнения монолитного бетона на строительной площадке применяют переносные поверхностные и глубинные вибраторы.
На заводах железобетонных изделий используют эффективные комбинированные способы уплотнения бетонных смесей: вибрирование под нагрузкой, вибро-штампование, вибропрокат, прессование, трамбование. Для изготовления полых железобетонных изделий, форма которых приближается к поверхности вращения (трубы, опоры ЛЭП), применяют уплотнение с помощью центробежных сил — центрифугирование.
Третий этап — твердение бетона. Уложенная в опалубку бетонная смесь благодаря гидратации цемента самопроизвольно затвердевает. Заданная проектом прочность достигается при определенном уходе за твердеющим бетоном, т.е. при создании оптимального температурно-влажностного режима твердения и защите бетона от ударов и сотрясений, которые могут нарушать еще не сложившуюся структуру.
Важнейшими факторами, влияющими на качество бетона на данном этапе, являются условия и длительность твердения. Условия твердения считают нормальными, если бетон находится в теплой и влажной среде. При преждевременном высыхании или замерзании взаимодействие цемента с водой прекращается, что отрицательно сказывается на строении и свойствах бетона.
Часто возникает необходимость ускорить твердение бетона. Для этой цели используют преимущественно тепловую обработку, позволяющую повысить температуру бетона при обязательном сохранении его влажности. В результате скорость взаимодействия цемента с водой значительно возрастает и прочность бетона в начальные сроки увеличивается. В качестве теплоносителя применяют пар или паровоздушную смесь с температурой 60...90 С. Прочность бетона после пропари-вания в течение 10...14 ч достигает 70...75 % марочной. Еще более ускоряет твердение бетона обработка насыщенным паром при давлении 0,8...1,2 МПа и температуре 175...190 ° С,осуществляемая в автоклавах. Однако такую обработку можно использовать только в заводских условиях, поэтому ее применяют в тех случаях, когда обычные методы ускорения твердения неэффективны, например для изделий из силикатных и ячеистых бетонов. Кроме тепловой обработки пропариванием для ускорения твердения бетона применяют электропрогрев изделий.
На строительных площадках широко используют тепловую обработку с помощью инфракрасного излучения. Излучатели инфракрасных лучей нагреваются электрическим током или газом. Выделяемая ими лучистая энергия поглощается стенками опалубки либо непосредственно изделием и аккумулируется в бетоне в виде теплоты.
Для ускорения твердения бетона применяют также добавки-ускорители. Введение в бетонную смесь таких добавок повышает прочность бетона в возрасте 3 сут в 2..3 раза, а к 28 сут прочность оказывается такой же, как и у бетона без добавки.

Марки и классы бетона. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначают требуемые характеристики бетона: класс (марку) прочности, марки морозостойкости и водонепроницаемости. За проектную марку бетона по прочности на сжатие принимают сопротивление осевому сжатию (кгс/см²) эталонных образцов-кубов. За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение принимают сопротивление осевому растяжению (кгс/см²) контрольных образцов. Эта марка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение. Проектную марку бетона по прочности на сжатиеконтролируют путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных конструкций – в возрасте 28 сут, для сборных конструкций – в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями. Прочность бетона определяют путем испытания образцов, которые изготовляют сериями; серия, как правило, состоит из трех образцов. Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона при растяжении составляет 1/10–1/17 предела прочности при сжатии, а предел прочности при изгибе – 1/6–1/10. Класс бетона – это числовая характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в 5-ти случаях можно ожидать его не выполненным. Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60. Соотношение между классом и марками бетона по прочности при нормативном коэффициенте вариации n=13,5% следует принять R=В/0,778, например, для класса В5 средняя прочность будет R=6,43 Мпа.