Бетоны и изделия из них

Бетон – это искусственный каменный материал, поучаемый в результате формирования и твердения правильно и рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего, воды, заполнителей и специальных добавок.

Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные эксплуатационные свойства (прочность, морозостойкость и т.д.)

Классификация бетонов:

По средней плотности бетоны подразделяются:

1) особо тяжелые > 2500 кг/м³, их изготавливают на особо тяжелых заполнителях (магнетит, барит, чугунный скрап и др.). Их применяют для специальных защитных сооружений;

2) тяжелые = 2200-2500 кг/м³ – на песке, гравии, щебне, из плотных горных пород. Применяют в несущих конструкциях;

3) облегченные = 1800-2200 кг/м³ – так же для несущих конструкций, но работающих при меньшей нагрузке;

4) легкие = 500-1800 кг/м³:

а) легкие бетоны на пористых заполнителях = 1000-1800 кг/м³;

б) ячеистые бетоны = 500-1000 кг/м³ – газо- и пенобетон, получаемые из смеси вяжущего и тонкомолотого кремнеземистого компонента;

в) крупнопористые (беспесчаные) на пористом крупном заполнителе;

5) особо легкие < 500 кг/м³. Применяют в самонесущих конструкциях и как ТИМ.

По назначению

- конструкционные (для несущих конструкций)

- специальные (гидротехнические жаростойкие, радиационнозащитные)

по виду заполнителей

- на плотных заполнителях (гранит, известняк)

- на пористых заполнителях (керамзит, шлак, аглопорин)

- на специальных заполнителях (шамотный заполнитель)

по структуре

- бетоны плотной структуры (щебень+песок+цемент+вода)

- бетоны порезованной структуры (щебень+песок+цемент+вода+поры)

- бетоны ячеистой структуры (пенобетон, газобетон)

- крупнопористые бетоны (беспесчаные – щебень+цемент+вода) имеют клеящую структуру.

По виду вяжущего:

1) цементные;

2) силикатные (на известково-кремнеземистом вяжущем);

3) гипсовые;

4) на смешанных вяжущих (известково-цементные и т.д.);

5) на специальных вяжущих (органических, неорганических).

По виду заполнителя:

1) на плотных заполнителях;

2) на пористых;

3) на специальных, отвечающих специальным требованиям (защита от излучения, жаростойкие, химически стойкие).

Бетон является главным строительным материалом, который применяют во всех областях строительства. На его изготовление требуется низкий уровень затрат в связи с применением местного сырья, возможности применения сборного и монолитного бетона и т.д. Бетонная смесь при надлежаще обработке позволяет формовать изделия оптимальной формы. Бетон долговечен, огнестоек, его характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами. Недостаток бетона, как и любого каменного материала, это низкая прочность на растяжение примерно а 10-15 раз ниже, чем при сжатии. Этот недостаток устраняют, используя железобетон.

В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8-15%, а заполнителя 80-85% (по массе).

Материалы для приготовления бетона

Цемент. Для тяжелого бетона применяют любой вид цемента, рассмотренные нами ранее и отвечающие требованиям ГОСТ. Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки бетона. Обычно марка цемента в 1-1, 5 раза выше, чем марка бетона.

Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя для тяжелого бетона применяют песок, состоящий из зерен размером от 0, 16 до 5 мм и средней плотностью 1800 кг/м³. Для приготовления тяжелых бетонов пригодны речные, овражные пески, а также пески, полученные дроблением твердых горных пород.

Качество песка определяется его минералогическим составов и содержанием вредных примесей.

Песок должен состоять из зерен различных размеров (фракций), при этом количество фракций устанавливается на основе проверенных рекомендаций так, чтобы зерна более мелкой фракции заполняли пустоты более крупной фракции.

Зерновой состав определяют рассевом высушенной до постоянной массы пробы 1 кг через набор стандартных сит с отверстиями 2, 5; 1, 25; 0, 63; 0, 315; 0, 16 мм и вычисляют частные и полные остатки: и .

Зерновой состав можно представить графически и сравнить с областью допустимых пределов колебаний зернового состава, или используют показатель модуль крупности:

М_К = (А_{2, 5} + … + А_{0, 16})/100.

В зависимости от модуля крупности песок подразделяется: крупный М_К > 2, 5; средний М_К = 2-2, 5; мелкий М_К = 1, 5-2 и очень мелкий М_К = 1-1, 5.

Для бетонов рекомендуется применять крупный, средний и мелкий песок. Если песок не удовлетворяет требованиям ГОСТ по зерновому составу, его фракционируют и затем смешивают фракции в нужном количестве.

Мелкие частицы (пыль, ил, глина) увеличивают водопотребность бетонной смеси и, следовательно, расход цемента. Поэтому содержание в песке зерен, проходящих через сито 0, 16, не должно быть более 10% по массе, при этом количество пылевидных, илистых и глинистых частиц определяется отмучиванием, их не должно быть более 0, 1-0, 5%, т.к. глина набухает при увлажнении, тем более в песке не должно быть комков глины. Очистку песка осуществляют промывкой.

Ко вредным примесям относят также и продукты разложения остатков растений в виде органический кислот, которые понижают прочность бетона и иногда и разрушают цементный камень. Наличие органических примесей определяют колориметрическим методом (цветовой). Песок считается пригодным для бетона, если жидкость – 3% раствора NaOH над песком не окрашивается или приобретает цвет светлее эталона (эталон имеет светло-желтый цвет).

В природном песке могут содержаться и неорганические примеси, т.к. пирит – FeS и другие сернокислые соединения, которые вызывают химическую коррозию.

Слюда также относится к вредным примесям, т.к. легко раскалывается по плоскостям спайности.

Аморфный кремнезем, вступая в химическую реакцию с щелочами, вызывает расширение и растрескивание бетона. В песке допускается содержание сульфатов до 1%, а слюды до 0, 5%.

Крупный заполнитель. В его качестве применяют гравий и щебень, размеры зерна крупного заполнителя 5-70 мм. При бетонировании массивных конструкций можно применять щебень крупностью до 150 мм.

Зерна гравия имеют окатанную форму и гладкую поверхность. Обычно гравий содержит песок, глину, пыль и другие вредные примеси.

Щебень получают дроблением горных пород, и их зерна имеют угловатую форму (идеальная форма – куб). Более шероховатая поверхность способствует лучшему сцеплению с цементным камнем, поэтому для бетонов марок выше 300 обычно применяют щебень.

Качество крупного заполнителя определяется минералогическим составом исходной горной породы, зерновым составом, формой зерен и содержанием вредных примесей.

Прочность горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии должна быть в 1, 5-2 раза выше прочности бетона. Прочность крупного заполнителя определяется путем раздавливания в цилиндре. Дробимость определяют по:

%.

По дробимости щебень имеет марки 200, 300, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400.

Слабых зерен для щебня марок 1200, 1400 менее 5%, для марок 400, 600, 800, 1000 менее 10%, для марок 200, 300 менее 15%.

Морозостойкость щебня и гравия должна обеспечивать получение проектной марки бетона по морозостойкости.

Зерновой состав крупного заполнителя устанавливают с учетом Д_НАИБ и Д_НАИМ размеров щебня и гравия. За наибольший диаметр принимается диаметр верхнего сита, полный остаток на котором не превышает 5%. Наименьший размер заполнителя выбирают исходя из густоты армирования или толщины изделия:

- для густоармированных Д_НАИБ ≤ ¾ l – расстояние между стержнями;

- для тонкостенных Д_НАИБ ≤ ½ h – минимальной толщины изделия.

Наименьшая крупность соответствует размеру отверстия сита, полный остаток на котором не менее 95%.

В зависимости от крупности зерен щебень и гравий подразделяют на 4 фракции: 5-10, 10-20, 20-40, 40-70 мм. Крупный заполнитель может поступать в смесь 2-х и более фракций.

В зависимости от формы зерен ГОСТ 8267-93 предусматривает 4 группы щебня: кубовидная, содержание слабых и лещадных зерен менее 15%, кубовидная, содержание слабых и лещадных зерен 15-25%, кубовидная, содержание слабых и лещадных зерен 25-35%, кубовидная, содержание слабых и лещадных зерен 35-50%.

Содержание пылевидных, глинистых и илистых примесей допускается: в щебне из изверженных и метаморфических пород для марок свыше 600 – 1%; щебень из осадочных пород марок 600-1200 – 2%; щебень из осадочных пород марок 200-400 – 3%.

Содержание глины в комках для щебня марок свыше 400 не более 0, 25% и для марок 200-300 – 0, 5%.

Водопотребность является важной технологической характеристикой заполнителя. Зерна заполнителя поглощают воду и адсорбируют ее на своей поверхности, поэтому необходимо регулировать количество воды затворения с учетом смачивания заполнителя для получения необходимой удобоукладываемости.

Вода, применяемая для затворения бетонной смеси и поливки бетона, не должна содержать вредных примесей, препятствующих нормальному схватыванию и твердению вяжущего. Для затворения пригодна питьевая вода, а также природная, имеющая рН не менее 4 и содержащая не более 5000мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более 2700 мг/л в пересчете на SO₃.

Морскую воду, с содержанием солей не более 3, 4%, разрешается применять для затворения и поливки бетона на ПЦ для бетонировании массивных неармированных конструкций, когда допускается появление высолов на поверхности.

Разрешено использование и оборотной воды и конденсата из камер ТВО при содержании в них остатков масла не более 0, 1% и только после экспериментальной проверки. Не допускается применение болотных и сточных бытовых промышленных вод без очистки.

Добавки. Введение добавок в цемент, растворную или бетонную смесь является простым и удобным способом повышения качества цемента, растворного камня и бетона. Позволяющим значительно улучшить не только их свойства но и технические, эксплуатационные показатели. Добавки используют при производстве вяжущих веществ, приготовлении строительных растворов и бетонных смесей. Они позволяют изменить качество бетонной смеси и самого бетона; воздействуя на удобоукладываемость, механическую прочность, морозостойкость, трещиностойкость, водостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность, стойкость к окружающей среде.

Свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения.

Состав бетонной смеси обозначают в виде расходов материала на 1 м³ уплотненной смеси.

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

Независимо от бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям:

1) обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения;

2) сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

Под действием возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, и после преодоления структурной прочности она течет подобно вязкой жидкости.

Технические свойства бетонной смеси

Удобоукладываемость – способность заполнять форму при данном способе укладки и уплотнения, сохраняя однородность. Для ее оценки используют:

1) подвижность, являющуюся структурной прочностью смеси и характеризующуюся осадкой конуса (в см), отформованного из бетонной смеси. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее из двух определений, выполненных из одного замеса. По подвижности бетонную смесь делят: П1 = 1-4 см, П2 = 5-9 см, П3 = 10-15 см, П4 > 15 см. Если осадка конуса равна нулю – это жесткие смеси;

2) жесткость – динамическая вязкость бетонной смеси. Она характеризуется временем (с) от начала вибрирования предварительно отформованного конуса или цилиндра до появления цементного молока в 2-х их 6 отверстий диаметром 5 мм на специальном приборе. По жесткости бетонная смесь подразделяется: Ж1 = 5-10 с, Ж2 = 11-20 с, Ж3 = 21-30 с, Ж4 > 31 с;

3) связность характеризуется водоотделением после ее отстаивания и обуславливает однородность. Очень важно сохранять связность (однородность) при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных смесей происходит сближение зерен, и при этом часть воды отжимается вверх. Вода, обтекая зерна заполнителя и арматуру, образует капиллярные ходы, тем самым снижает водонепроницаемость и морозостойкость. Избыточная вода может скапливаться и под зернами крупного заполнителя, образуя полости, что снижет все характеристики бетона. Для борьбы с расслаиваемостью используют: применение ПАВ, повышение водоудерживающей способности бетонной смеси при помощи правильного зернового состава.

Факторы, влияющие на Удобоукладываемость

1) количество воды затворения - основной фактор, определяющий удобоукладываемость. Вода затворения распределяется между цементным тестом и заполнителем: В_ЗАТ = В_ЦТ + В_ЗАП. Таким образом, вода затворения зависит от водопотребности цемента и заполнителей;

2) объем цементного теста. В подвижной бетонной смеси плотной структуры цементное тесто заполняет пустоты в заполнителе и образует смазочные слои на поверхности зерен, снижающие внутреннее трение. Объем цементного теста увеличивается с увеличением удельной поверхности заполнителя. Объем цементного теста следует принимать равным объему пустот в заполнителе, умноженному на коэффициент раздвижки для жестких смесей, он равен 1, 05-1, 15 и 1, 2-1, 5 для подвижных смесей.

Пластификация бетонной смеси осуществляется с помощью химических веществ: ПАВ и других. Разработаны суперпластификаторы С-3 и т.д., которые сильно повышают подвижность.

Основной закон прочности бетона

Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой, пористость косвенно определяется В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц является по сущностью зависимостью прочности от объема пор, образованных водой, не вступившей в химические реакции.

Прочность плотно уложенного бетона прямо пропорциональна прочности цемента и обратно пропорциональны В/Ц:

,

где k и n – параметры, зависящие от вида и качества заполнителя, для тяжелого бетона n = 1, 5, при щебне k =, 05, гравии k = 4.

На основе этих исследований была выведена формула Баламея-Скрамтаева для предварительного расчета прочности бетона:

для обычных бетонов (с Ц/В < 2, 5)

R_Б = АR_Ц(Ц/В – 0, 5),

Для высокопрочных (Ц/В > 2, 5)

R_Б = А₁R_Ц(Ц/В + 0, 5).

При высококачественных материалах А = 0, 65, А₁ = 0, 43; рядовых – А = 0, 6, А₁ = 0, 4; пониженного – А = 0, 55.

Основной закон прочности является общим для материалов с конгломератной структурой.

Факторы, влияющие на прочность бетона

1) плотность и строение бетона;

2) прочность крупного заполнителя;

3) форма зерен крупного заполнителя, наличие лещадных и игловидных зерен снижает прочность;

4) характер поверхности крупного заполнителя (гладкая имеет меньшую адгезию к цементному камню, чем шероховатая);

5) цементно-водное отношение (т.е. прочность цементного камня);

6) наличие пылевидных и глинистых частиц.

Исходя из вышеперечисленного для получения качественного бетона необходимо, чтобы прочность щебня была на 1-2 марки выше прочности проектируемого бетона, а марка цемента также должна быть на 1-2 марки выше проектируемого бетона.

Проектирование состава выполняют с использованием действующих рекомендаций и нормативных документов в такой последовательности:

1. Назначают для заданной марки бетона R_б рациональную марку цемента R_ц.

2. Определяют водоцементное отношение В/Ц, для обычного бетона с В/Ц ≥ 0, 4: В/Ц=А·R_ц/(R_б+0, 5А·R_ц); где R_ц – марка цемента; R_б – марка бетона; А – коэффициент учитывающий качество используемых компонентов.

3. Назначают ориентировочный расход воды на 1м³ бетонной смеси. Расход воды, необходимый для получения бетонной смеси заданной подвижности, зависит не только от вида и наибольшей крупности заполнителя, но и от формы и шероховатости зёрен.

4. Рассчитывают расход цемента (кг на 1м³ бетона) по найденному отношению В/Ц и принятому ориентировочному расходу воды: ;

5. Вычисляют расход заполнителей исходя из условия, чтобы сумма абсолютных объёмов всех составляющих материалов бетона была равно 1м³ уложенной и уплотнённой бетонной смеси:

Ц, В, П, Кр – расходы цемента, воды, песка, крупного заполнителя на 1м³ смеси, кг.

ρ _ц, ρ _в, ρ _п, ρ _кр – плотность этих материалов, кг/м³;

- их абсолютные объёмы, м³.

Формулы для определения расхода заполнителей (кг на 1м³ бетона):

крупного заполнителя:

r – коэф. раздвижки зёрен крупного заполнителя, принимается ориентировочно (табличные данные)

П_кр – пустотность крупного заполнителя.

Ρ _н.кр – насыпная плотность крупного заполнителя.

мелкого заполнителя (песка):

6. Вычисляют расчётную среднюю плотность бетонной смеси:

и коэффициент выхода бетона:

Коэффициент выхода бетона β должен быть в пределах 0, 55…0, 75.

Запроектированный состав бетонной смеси уточняют на пробных замесах. На них же проверяют подвижность бетонной смеси. Если подвижность бетонной смеси окажется больше требуемой, то в замес небольшими порциями добавляют воду и цемент, сохраняя при этом постоянным отношение В/Ц до тех пор, пока подвижность бетонной смеси станет равной заданной. Если подвижность окажется больше заданной то в неё добавляют песок и крупный заполнитель (порциями по 5% первоначального количества), сохраняя выбранное отношение В/Ц. По результатам пробных замесов вносят коррективы в запроектированный состав бетонной смеси, учитывая что в производственных условиях используемые песок и крупный заполнитель находятся во влажном состоянии, а крупный заполнитель имеет некоторое водопоглащение, расход (л) требуемой воды на приготовление 1м³ бетонной смеси уточняют по формуле:

В – расход найденной (расчётной) воды, л/м³

П, Кр – расход песка и крупного заполнителя, кг/м³

W_п, W_кр – влажность песка и крупного заполнителя, %.

В_кр – водопоглащение крупного заполнителя, %.

Марка бетона – это предел прочности при сжатии образцов кубов с ребром 15 см возрасте 28 суток, твердевших в нормальных условиях при температуре 15-20 ± 2⁰С и влажности 90-100%. М = 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600. В связи с переходом на европейский стандарт в настоящее время пользуются понятием класс бетона.

Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие образцов кубов с ребром 15 см, твердевших 28 суток при t = 20 ± 2⁰С и влажности 90-100% с обеспеченностью 0, 95.

Различают следующие классы В = 1, 1, 5, 2, 2, 5, 3, 5, 5, 7, 5, 10, 12, 5 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Для перехода от класса бетона к средней прочности при нормативном коэффициенте вариации 13, 5% следует применять формулу: R_Б = В/0, 778.