Свойства бетонной смеси

Реологические свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тща­тельно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процес­сов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону.

По своему строению бетонная смесь представляет единое физиче­ское тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Основной структуро­образующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает дисперсность частиц твердой фазы и увеличивается клеящая и свя­зующая способность цементного теста.

Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемо- стыо, соответствующей применяемому способу уплотнения, и сохра­нять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале пре­терпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свой­ствами твердого тела и истинной жидкости.

Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздей­ствиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тик- сотропией.

Технические свойства бетонной смеси

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании мо­нолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. спо­собность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность бетонной смеси, являющуюся характе­ристикой структурной прочности смеси; жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси; связность, ха­рактеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаива­ния.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осад­кой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежа­щей испытанию (рис. 10.4, а). Подвижность бетонной смеси вычис­ляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бе­тонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибри­рования, необходимым для выравнивания и уплотнения предвари­тельно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для опре­деления жесткости (рис. 10.4, 6). Цилиндрическое кольцо прибора (его внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо встав­ляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью в установленном порядке и после этого снимают. Диск при­бора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Затем одновременно включают вибропло­щадку и секундомер; вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска диаметром 5 мм. Время виброуплотнения (с) и характеризует жесткость бетон­ной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений, выполнен­ных из одной пробы смеси.

Применяют сверхжесткие, жесткие и подвижные бетонные смеси (табл. 10.2).

Рис. 10.4. Определение удобоукладываемости бетонной смеси: а) прибор (конус) для определения подвижности бетонной смеси: / - жесткая смесь; 2 - подвижная смесь; 3 - осадка конуса; 6) прибор для определения жесткости бетонной смеси; 4 - схема испытания

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение коли­чества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются глав­ными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси

Количество воды затворения является основным фактором, оп­ределяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м³) распределяется между цементным тестом (В_ч) и заполните­лем (В_зап): В = В,, + В_зап. Количество воды в цементном тесте опреде­ляют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость.

Адсорбционная способность (или водопотребность) заполнителя В_зап является его важной технологической характеристикой; она воз­растает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков

Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоце- ментного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому воз­растание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует приме­нять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.

При определении состава бетона учитывают, что количество воды (на 1 м³ бетона), необходимое для получения из данных материалов бетонной смеси требуемой подвижности, является более или менее постоянной величиной, если расход вяжущего находится в пределах от 200 до 400 кг/м³. Поэтому количество воды затвцрения определя­ют, исходя из требуемых показателей удобоукладываемости, пользу­ясь таблицами и графиками, составленными на основании практиче­ских данных с учетом вида и крупности заполнителя (рис. 10.5).

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит как от вязкости, так и от объема вяжущего вещества.

О 2 4 6 8 10 12 14 Подвижность ОК, см Рис. 10.5. Водопотребность В бетонной смеси, приготовленной с применением портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей крупности: а) подвижные смеси; 6) жесткие смеси; 1 - 70 мм; 2 - 40 мм; 3 - 20 мм; 4 - 10 мм

Объем цементного теста. В подвижной бетонной смеси плотной структуры цементное тесто заполняет пустоты в заполнителе и обра­зует смазочные слои на поверхности его зерен, снижающие внутрен­нее трение. Из рис. 10.6 видно, что наименьший расход теста вяжу­щего на заполнение пустот соответствует минимальной пустотности смеси мелкого и крупного заполнителей, а на обмазку зерен расходу­ется теста тем больше, чем выше доля песка в смеси заполнителей, т.е. чем больше поверхность зерен. Следовательно, имеется опти­мальное соотношение между песком и щебнем (гравием), при кото­
ром потребный объем теста вяжущего получается минимальным (кривая 3 на рис. 10.6). 2

Рис. 10.6. Объем цементного

теста Уц_Т, расходуемый: 1 - на заполнение пустот между зернами заполнителя; 2 - на об­мазку зерен; 3 - интегральный; М и К - соответственно масса мелкого и крупного заполните­лей

Объем цементного раствора. На рис. 10.7 приведены типичные структуры плотной бетонной смеси. Если в бетонной смеси запол­нить цементным раствором только пустоты между зернами крупного заполнителя, то получится очень жесткая бетонная смесь (рис 10.7,

а). Для придания подвижности необ­ходимо раздвинуть зерна крупного заполнителя и окружить их оболочкой из растворной смеси, которая играет роль смазки, скрепляющей после от­верждения зерна камневидной состав-

Рис. 10.7. Структура бетон- ^{ляющей бетона (}Р^ИС' ^{, 0}'⁷'^б)- ^СлеД°^ва"

,, - тельно, объем растворной части бето-

нои смеси.

а) жесткой; 6) подвижной ^{на след}У^ет принимать равным объему

пустот в крупном заполнителе, умно­женному на коэффициент раздвижки; он равен 1, 05-1, 15 - для жест­ких смесей и 1, 2-1, 5 - для подвижных смесей.

Пластификация бетонных смесей осуществляется с помощью хи­мических веществ: гидрофилизующих - JICT, гидрофобизующих - мылонафт и др., микропенообразующих - омыленный древесный пек и т.п. и комплексных добавок. Разработаны новые химические добав­ки - суперпластификаторы, весьма значительно повышающие под­вижность бетонной смеси. Все химические добавки являются моди­фикаторами бетона. Добавки изменяют не только число пор, но и их размер, конфигурацию, равномерность распределения и др. В резуль­тате этого значительно уменьшается капиллярная пористость бетона.

Суперпластификаторы в большинстве случаев представляют со­бой синтетические полимеры: производные меламиновой смолы или нафталинсульфокислоты (С-3); другие добавки (СПД, ОП-7 и др.) получены на основе вторичных продуктов химического синтеза. Су­перпластификаторы, вводимые в бетонную смесь в количестве 0, 15- 1, 2% от массы цемента, разжижают бетонную смесь в большей сте­пени, чем обычные пластификаторы.

Пластифицирующий эффект сохраняется в течение 1-1, 5 ч после введения добавки, а через 2-3 ч он уже невелик. В щелочной среде эти добавки переходят в другие вещества, безвредные для бетона и не снижающие его прочности.

Суперпластификаторы позволяют применять литьевой способ из­готовления железобетонных изделий и бетонирования конструкций с использованием бетононасосов и трубного транспорта бетонной сме­си. С другой стороны, эти добавки дают возможность существенно снизить В/Ц, сохраняя подвижность смеси, и изготовлять высоко­прочные бетоны. Применение суперпластификаторов - значительный технический прогресс в технологии бетона.

§ 4. Прочность бетона

Физический смысл закона прочности бетона

Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой (/?,,), качество заполнителя коэффициентом А, а пористость косвенно определяется величиной водо-цементного отношения В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц яв­ляется в сущности зависимостью прочности от объема пор, образо­ванных водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цемен­том.

Пористость бетона плотной структуры вычисляют по формуле:

B-wU_l0Q% 1000

где В и Ц расход воды и цемента на 1 м³ бетона (1000 л), w - количе­ство химически связанной воды (в долях от расхода цемента).

В возрасте 28 сут цемент связывает примерно 15% воды от своей массы О = 0, 15).

Кривая зависи­мости прочности бетона от количест­ва воды затворения (при постоянном расходе цемента и способе уплотне­ния), приведенная на рис. 10.8, харак­теризует физиче­ский смысл закона прочности. Левая ветвь кривой при­надлежит недоуп- лотненным бетон­ным смесям, слиш­ком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения, т.е. В/Ц, эти смеси уклады­ваются плотнее, и прочность бетона повышается. Наконец, при оп­тимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую плотность и прочность, что соответствует макси­муму на кривой прочности.

Формулы прочности бетона

Количество воды затворения, кг/м3 Рис. 10.8. Общая кривая зависимости проч­ности бетона от количества воды затворения (при определенном расходе цемента и способе уплотнения): а - область недоуплотненных жестких бетонных смесей; б - то же, наибольшей прочности и плот­ности бетона; в - то же, подвижных бетонных смесей; г - то же, литых

Обычно цементное тесто заполняет пустоты между зернами за­полнителя и лишь немного их раздвигает (на величины двух-трех средних диаметров цементных зерен) При таком сближенном (" кон­тактном") расположении зерен заполнителя его свойства будут ока­зывать заметное влияние на прочность бетона. Поэтому рекомендует­ся применять для тяжелых бетонов заполнитель с прочностью в 1, 5-2 раза больше заданной марки бетона. При большом содержании це­ментного теста зерна заполнителя раздвинуты на значительные рас­стояния, они почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому ре­шающее значение будет иметь прочность цементного камня и проч­ность сцепления его с заполнителем. На практике часто используют зависимость прочности бетона не от водо-цементного отношения, а

от цементно-водного отношения по формуле швейцарца И.Боломея и Б.Г.Скрамтаева (рис. 10.9).

Для бетонов с Ц/В < 2, 5 формула прочности имеет вид:

R_r> =AR„ (Ц/В - 0, 5). (10.2)

Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц'В > 2, 5, приме­няется формула

Rr, =ЛД, (Ц/В + 0, 5). (10.3)

где R, „ - активность цемента, определяемая по стандартной методике; коэффициенты А и А/ характеризуют качество используемых запол­нителей и цемента._____________________________

Рис. 10.9. Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента

При В/Ц = 0, 4 (Ц/В = 2, 5) прочность бетона, определенная по формулам (10.2) и (10.3) при разных значениях коэффициентов А и А/, на 10...30% оказывается выше прочности нормального цементно- песчаного раствора, используемого для определения активности (марки) цемента, что предопределяет выбор коэффициентов (0, 55; 0, 37 при/? _б> 1, 1Л„; 0, 6; 0, 4 при R_c> 1, 2R₄ и 0, 65; 0, 43 при R₀> 1, 3 R₄).