СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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 удобоуклады - ваемостью, 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 тиксотропией.

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).

Связность бетонной смеси обусловливает 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.

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затво­рения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и за­полнителем (Вза„): В = Вц + Взап. 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 Взап 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 водоце­ментного 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.

°) 230

п 220

>270

‘ 200

а 190

I 180

* 170

a iso

140

130

Рис. 10.5. Водопотребность В бетонной смеси, приготовленной с примене­нием портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей

крупности:

а) подвижные смеси; б) жесткие смеси;

1 — 70 мм; 2 — 40 мм; 5 — 20 мм; 4 — 10 мм

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 затворения 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.

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 пустот - ности 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 котором потребный объем теста вяжущего получается минимальным (кривая 3 на рис. 10.6).

Рис. 10.6. Объем цементного теста УцТ, 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 составляющей бетона (рис. 10.7,6). Следователь­но, объем растворной части бетона следует принимать равным объе-

му 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: гидрофили - зующих — 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. Су перпластификаторы, 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.

9 Строительные материалы

Физический смысл закона прочности бетона

Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Проч­ность вяжущего характеризуется его маркой ( Яц), 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.

40------------ r-zr-j--------------------------- Пористость----- бетона

плотной структуры вычис­ляют по формуле

П = В~-Ц 100% (10.1) 1000 v }

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 (w =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 недоуплотненным 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

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 водоцементного 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:

R6=AR4m/B-0,5). (10.2)

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

R6 =^(11/В+ 0,5), (10.3)

где Яц — 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 цементно­песчаного раствора, используемого для определения активности (марки) цемента, что предопределяет выбор коэффициентов (0,55; 0,37 при Яб>1,1/гм; 0,6; 0,4 при R6>,2R4 и 0,65; 0,43 при Дб>1,ЗД,).