/ Лекции / Бетон. Классификация бетона.

• Бетон — искусственный камень, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси вяжу­щего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гра­вия). Смесь этих материалов до затвердения называют бетонной смесью.

• Бетоны классифицируют по следующим ведущим признакам: по основному назначению, виду вяжущего вещества и заполни­теля и по структуре.

По назначению бетоны бывают следующих видов.

конструк­тивные — для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (фундаменты, колонны, балки, плиты, панели перекрытий и др.

специальные — жаростойкие, химиче­ски стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоля­ционные и др.

бетоны напрягающие, бетонополимеры, полимер-бетоны.

По виду вяжущего вещества бетоны бывают: цементные , из­готовленные на гидравлических вяжущих веществах — портланд-цементах и его разновидностях; силикатные — на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными ком-понетами; гипсовые — с применением гипсоангидритовых вяжу­щих и бетоны на шлаковых и специальных вяжущих материалах.

Бетоны изготовляют на обычных плотных заполнителях, на естественных или искусственных пористых заполнителях; кроме того, разновидностью является ячеистый бетон, представляющий собой отвердевшую смесь вяжущего вещества, воды и тонкодис­персного кремнеземистого компонента. Он отличается высокой пористостью до 80. 90% с равномерно распределенными порами размером 3 мм.

В связи с этим бетоны классифицируют также по структуре: плотная, поризованная, ячеистая и крупнопористая.

По виду заполнителя различают бетоны: на плотных заполни­телях, пористых и специальных, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т. п.

По показателям прочности при сжатии тяжелые бетоны име­ют марки от 100 до 800. Марка бетона — одно из нормируемых значений унифицированного рода данного показателя качества бетона, принимаемых по его среднему значению. К различным видам бетонов устанавливаются требования по показателям, характеризующим прочность, среднюю плотность, водонепрони­цаемость, стойкость к различным воздействиям, упругопластические, теплофизические, защитные, декоративные и другие свой­ства бетонов.

Определенные требования предъявляются к материалам для приготовления бетона (вяжущим, добавкам, заполнителям), его составу и технологическим параметрам по изготовлению конст­рукций для их работы в конкретных условиях.

По показателям прочности бетона устанавливаются их га­рантированные значения — классы. В соответствии с СТ СЭВ 1406—78 бетоны, предназначенные для зданий и сооружений, Делят на классы В, основной контролируемой характеристикой которых является прочность при сжатии кубов размером 150Х XI50X150 мм и соответственно цилиндров размером 150X300 мм. Для перехода от класса бетона (МПа) при нормативном коэф­фициенте вариации 13,5% применяют формулу.

Долговечность бетона оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны делят на марки от F15 до F1500. Качество бетона оценивают по водонепроницаемости, которая определяется максимальной величиной давления воды, при кото­ром не наблюдается ее просачивания через контрольные образ­цы, изготовленные и испытанные на водонепроницаемость соглас­но требованиям действующих стандартов.

Материалы для тяжелого бетона(НАЧАЛО.

Тяжелый бетон, применяемый для изготовления фундаментов, колонн, балок, пролетных строений мостов и других несущих эле­ментов и конструкций промышленных и жилых зданий и инже­нерных сооружений, должен приобретать определенную проч­ность в заданный срок твердения, а бетонная смесь должна быть удобной в укладке и экономичной. При использовании в не защи­щенных от внешней среды конструкциях бетон должен иметь повышенные плотность, морозостойкость и коррозиестойкость. В зависимости от назначения и условий эксплуатации бетона в сооружении предъявляются соответствующие требования к со­ставляющим его материалам, которые предопределяют его со­став и свойства, оказывают влияние на технологию производ­ства изделий, их долговечность и экономичность. • Для приготовления тяжелых бетонов применяют портландце­мент, пластифицированный портландцемент, портландцемент с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент, быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) и др. Цемент выбирают с уче­том требований, предъявляемых к бетону (прочности, морозо­стойкости, химической стойкости, водонепроницаемости и др.), а также технологии изготовления изделий, их назначения и усло­вий эксплуатации.

Марку цемента выбирают в зависимости от проектируемой прочности бетона при сжатии.

• Для приготовления бетонной смеси применяется питьевая, а также любая вода, не содержащая вредных примесей (кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара), препятствую­щих нормальному твердению бетона. Нельзя применять воды бо­лотные и сточные, а также воды, загрязненные вредными приме­сями, имеющие водородный показатель рН менее 4 и содержа­щие сульфаты в расчете на ионы SO 4 более 2700 мг/л и всех других солей более 5000 мг/л. Морскую и другую воду, содер­жащую минеральные соли, можно применять, если общее количе­ство солей в ней не превышает 2%. Пригодность воды для бетона устанавливают химическим анализом и сравнительными испыта­ниями прочности бетонных образцов, изготовленных на данной воде и на чистой питьевой воде и испытанных в возрасте 28 сут п ря хранении в нормальных условиях. Воду считают пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность не мень­ше, чем у образцов на чистой питьевой воде, К добавкам для бетонов относятся неорганические и органи­ческие вещества или их смеси, за счет введения которых в конт­ролируемых количествах направленно регулируются свойства бе­тонных смесей и бетонов либо бетонам придаются специальные свойства. В основу классификации добавок для бетонов положен эффект их действия. По этому признаку добавки для бетонов делят на следующие группы.

1. Регулирующие реологические свойства бетонных смесей. К ним относятся пластифицирующие, увеличивающие подвиж­ность бетонных смесей; стабилизирующие, предупреждающие расслоение, и водоудерживающие, уменьшающие водоотделение.

2. Регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетонов. К ним относятся добавки, замедляющие схватывание, ускоряющие схватывание и твердение, и противоморозные, т. е. обеспечивающие твердение бетона при отрицательных темпера­турах.

3. Добавки, регулирующие пористость бетонной смеси и бе­тона. К ним относятся воздухововлекающие, газообразующие и пенообразующие добавки, а также уплотняющие (воздухоудаляющие или кольматирующие поры бетона.

4. Добавки, придающие бетону специальные свойства . гидро-фобизующие, уменьшающие смачивание, повышающие противо­радиационную защиту, жаростойкость; антикоррозионные, т. е. увеличивающие стойкость в агрессивных средах; ингибиторы кор­розии стали, улучшающие защитные свойства бетона к стали; добавки, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства.

5. Добавки полифункционального действия . одновременно регулирующие различные свойства бетонных смесей и бетонов: пластифицирующе-воздухововлекающие; пластифицирующие, по­вышающие прочность бетона, и газообразующе-пластифицирую-щие.

6. Минеральные порошки — заменители цемента . К этой группе относятся тонкомолотые материалы, вводимые в бетон в количестве 5. 20%. Это золы, молотые шлаки, отходы камне-дробления и др. придающие бетону специальные свойства (жа­ростойкость, электропроводимость, цвет и др.

В качестве пластифицирующих добавок наибольшее распро­странение получили поверхностно-активные вещества (ПАВ.

К ускорителям твердения цемента , увеличивающим нараста­ние прочности бетона, особенно в ранние сроки, относятся хлорид кальция, сульфат натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция и др.

Противоморозные добавки — поташ, хлорид натрия, хлорид кальция и др. — понижают точку замерзания воды, чем способ­ствуют твердению бетона при отрицательных температурах.

Для замедления схватывания применяют сахарную патоку и добавки СДБ, ГКЖ-10 и ГКЖ-94.

• Песок — рыхлая смесь зерен крупностью 0,16. 5 мм, образо­вавшаяся в результате естественного разрушения массивных горных пород (природные пески). Природные пески по минерало­гическому составу подразделяются на кварцевые, полевошпато­вые, известняковые, доломитовые. Из природных песков наиболь­шее применение для тяжелого бетона получили кварцевые пески.

В качестве мелкого заполнителя применяют пески повышен­ной крупности, крупные, средние и мелкие — природные и обо­гащенные; пески из отсевов дробления и обогащенные из отсевов дробления.

Зерновой состав песка имеет особое значение для получения качественного бетона. Песок для бетона должен состоять из зе­рен различной величины (0.16. 5 мм), чтобы объем пустот в нем был минимальным; чем меньше объем пустот в песке, тем меньше требуется цемента для получения плотного бетона. Зерновой со­став песка определяют просеиванием сухого песка через стан­дартный набор сит с размерами отверстий (сверху вниз) 10; 5; 2,5; 0,63; 0,315; 0,16 мм. Высушенную до постоянной массы пробу песка просеивают сквозь сита с круглыми отверстиями диаметром 10 и 5 мм. Остатки на этих ситах взвешивают и вы­числяют с точностью до 0,1%. ПРОДОЛЖЕНИЕ.

Материалы для тяжелого бетона(КОНЕЦ.

Из пробы песка, прошедшего сквозь указанные выше сита, отвешивают 1000 г (G) песка и просеивают его последовательно сквозь набор сит с отверстиями размером 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Остатки на каждом сите взвешивают (G,) и вычис­ляют.

частный остаток на каждом сите — как отношение массы остатка на данном сите к массе просеиваемой навески (а;) — вычисляют с точностью до 0,1.

полный остаток (Л,) на каждом сите — как сумму частных остатков на всех ситах с большим размером отверстий плюс остаток на данном сите — вычисляют с точностью до 0,1.

где а2.5, a1,25. — частные остатки на ситах с большим размером отверстий начиная с сита размером отверстий 2,5 мм, %; а,— частный остаток на данном сите.

Модуль крупности песка М к (без фракций гравия с размером зерен крупнее 5 мм) определяют как частное от деления на 100 суммы полных остатков на всех ситах, начиная с сита с размером отверстий 2,5 мм и кончая ситом с размером отверстий 0,16 мм.

модуль крупности песка вычисляют с точностью до 0,1.

По величине модуля крупности песок делят на повышенной крупности М к — З. 3,5, крупный с М к 2,5, средний М к = 2,5. 2,0, мелкий Мк = 2,0. 1,5 и очень мелкий М к = 1,5. 1,0.

полные остат­ки на сите № 063 (% по массе) соответственно равны: 65. 75, 45. 65, 30. 45, 10. 30 и менее 10.

Зерновой состав мелкого заполнителя должен соответствовать указанному и на графике (рис. 6.1). При этом учитывают только зерна, проходящие через сито с круглыми отверстиями диамет­ром 5 мм.

• В Качестве КРУПНОГО заполнителя для тяжелого бетона применяют гравий и щебень из горных пород или щебень из гравия размером зерен 5. 70 мм.

Гравий — зерна окатанной формы и гладкой поверхности размером 5. 70 мм, образовавшиеся в результате естественного разрушения горных пород. Качество гравия характеризуется: зерновым составом и формой зерна, прочностью, содержанием зерен слабых пород, наличием пылевидных и глинистых при­месей, петрографической характеристикой, плотностью, пористо­стью, пустотностью и водопоглощением. Для бетона наиболее пригодна малоокатанная (щебневидная) форма зерен, хуже яйце­видная (окатанная), еще хуже пластинчатая и игловатая, по­нижающие прочность бетона.

Часто гравий залегает вместе с песком. При содержании в гравии песка 25. 40% материал называют песчано-гравийной смесью. Гравий, подобно песку, может содержать вредные приме­си пыли, ила, глины, органических кислот.

Оценку прочности гравия производят испытанием на дробимость в цилиндре. Последняя определяется путем раздавливания пробы гравия в цилиндре статической нагрузкой. После этого пробу просеивают через сито с размером отверстия, соответству­ющим наименьшему размеру зерна в исходной пробе гравия, и устанавливают величину потери в массе. В зависимости от этой величины гравий делят на марки: Др8 (при потере в массе до 8%), Др12 (свыше 8 до 12%), Др16 (свыше 12 до 16%) и Др24 (свыше 16 до 24.

Для конструкции промышленных и гражданских зданий проч­ность зерен гравия должна быть более чем в 1,5. 2 раза выше прочности бетона.

По степени морозостой­кости гравий делят на марки F 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300. Морозостойкость гравия определяют непосредственным замора­живанием или испытанием в растворе сернокислого натрия. Гра­вий считают морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократные (15 циклов и бо­лее) попеременные замораживание при температуре —17°С и от­таивание. При этом потеря в массе после испытания составляеyt более 5%. Для марок F 15 и 25 допускается потеря массы 10.

Хорошим зерновым составом гравия считается тот, в котором имеются зерна разной величины, что создает наименьшую пустотность. Зерновой состав гравия определяется просеиванием 10 кг сухой пробы через стандартный набор сит с размерами отвер­стий 70, 40, 20, 10 и 5 мм. Зерновой состав каждой фракции или смеси нескольких фракций гравия должен находиться в пределах, указанных на графике рис. 6.3. За наибольшую крупность зерен гравия D наиб принимают размер отверстий сита, на котором полный остаток не превышает 10% навески, и за наименьшую крупность гравия Dнаим — размеры от­верстия одного из верхних сит, через которое проходит не более 5% просеиваемой пробы. Ниже приведены зна­чения полных остатков на контрольных ситах при рас­севе гравия (шебня) фрак­ций от 5 (3) до 10 мм, свы­ше 10 до 20; свыше 20 до 40 и свыше 40 до 70 мм.

Щебень получают путем дробления массивных горных пород, гравия, валунов или искусственных камней на куски размером 5. 120 мм. Для приготовления бетона обычно используют щебень, полученный дроблением плотных горных пород, гравия, доменных и мартеновских шлаков. Дробление производят в камнедробил­ках. При этом получают не только зерна щебня, но и мелкие фракции, относящиеся по крупности к песку и пыли. Зерна щебня имеют неправильную форму. Лучшей считается форма, приближающаяся к кубу и тетраэдру. Вследствие шероховатой поверхности зерна щебня лучше сцепляются с цементным камнем в бетоне, чем гравий, но бетонная смесь со щебнем менее под­вижна.

По дробимости, морозостойкости, зерновому составу, износу к щебню предъявляют такие же требования, как и гравию.

В зависимости от формы зерен ГОСТ 8267—82 устанавливает три группы щебня из естественного камня: кубовидную, улучшен­ную и обычную. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в них не превышает соответственно 15, 25 и 35% по массе. К пластинчатой и игловатой форме зерен относят такие, в которых толщина или ширина их меньше длины в 3 раза и более.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических пород, в щебне из гравия и в гравии для всех видов тяжелого бетона не должно превышать 1 % по массе, а в щебне из осадочных пород в зависимости от вида конструкции и ее назначения — не более 2. 3%, в том числе глины в комках — не более 0,25.

На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание воды и цементного теста, крупность запол­нителей, форма зерен, содержание песка.

Введение в бетонную смесь ПАВ, например СДБ, повышает подвижность бетонной смеси и уменьшает ее водопотребность. Положительное воздействие на подвижность смеси оказывают суперпластификаторы (С-3, 10-03, 40-03 и др.). Их эффектив­ность выше в подвижных смесях, они позволяют снизить водо­потребность смеси на 20. 25.

Вместе с тем следует учитывать, что подвижность смеси со временем уменьшается вследствие физико-химического взаи­модействия цемента с водой.

Связанность- хар-ет однородность строения бетона.

Проектирование состава бетона.

Проектирование состава имеет цель установить такой расход материалов на 1 м 3 бетонной смеси, при котором наиболее эконо­мично обеспечивается получение удобоукладываемой бетонной смеси и заданной прочности бетона, а в ряде случаев необхо­димой морозостойкости, водонепроницаемости и специальных свойств бетона.

Состав бетонной смеси выражают в виде соотношения по мас­се (реже по объему) между количествами цемента, песка и щебня (или гравия) с указанием водоцементного отношения. Количество цемента принимают за единицу. Поэтому в общем виде состав бетонной смеси выражают соотношением цемент: песок:щебень = 1: х:у при В/Ц = z (например, 1:2,4:4,5 при В/Ц = 0,45.

Различают два состава бетона: номинальный (лаборатор­ный), принимаемый для материалов в сухом состоянии, и произ­водственный (полевой) — для материалов с естественной влаж­ностью.

К моменту расчета состава бетонной смеси нужно определить качество исходных материалов: цемента, воды, песка и щебня (гравия) — согласно требованиям ГОСТов.

В зависимости от условий, в которых будет находиться бетон в сооружении или конструкции, к нему могут предъявлять­ся также и другие требования, например степень морозостой­кости, стойкость к воздействию агрессивных вод, водонепро­ницаемость. Высокая морозостойкость и непроницаемость плот-ноуложенного бетона регулируются В/Ц и расходом вяжущего, отсюда вытекает необходимость нормирования В/Ц в гидротех­ническом, дорожном и других специальных бетонах.

Расчет состава бетона производят в следующем порядке-определяют цементно-водное отношение, обеспечивающее получе­ние бетона заданной прочности и расход воды; рассчитывают потребный расход цемента, а затем щебня (или гравия) и песка-проверяют подвижность (жесткость) бетонной смеси при откло­нениях этих показателей от проекта; производят корректирова­ние состава бетонной смеси; приготовляют образцы для опреде­ления прочности и испытывают в заданные сроки; пересчиты­вают номинальный состав бетонной смеси на производственный.

• Определение цементно-водного отношения производят по сле­дующим формулам.

для бетонов с Ц/В = 2,5.

• Определение расхода воды . Оптимальное количество воды в бетонной смеси (водосодержание, л/м 3 ) должно обеспечивать необходимую подвижность (или жесткость) бетонной смеси. Ко­личество воды для затвердения 1 м 3 бетонной смеси для всех расчетов в соответствии с ОНТП 07—85 принимается равным 200 л независимо от вида, жесткости и подвижности бетонных смесей.

• Определение расхода цемента . При определенном из формулы значении Ц/В и принятой водопотребности бетонной смеси В рас­считывают ориентировочный расход цемента, кг/м 3 бетона.

Расход цемента на 1 м 3 бетона должен быть не менее мини­мального. Если расход цемента на 1 м 3 бетона окажется ниже допустимого, то необходимо довести его до ■ нормы или ввести тонкомолотую добавку.

• Определение расхода заполнителей (песка и щебня или гра­вия) на 1 м 3 бетона. Для определения расхода песка и щебня (гравия) задаются двумя условиями.

1) сумма абсолютных объемов всех составных частей бетона (л) равна 1 м 3 (1000 л) уплотненной бетонной смеси.

где Ц, В, П, Щ — содержание цемента, воды, песка и щебня, (гравия) кг/м 3 ; q u . q b . g n . Q m — плотности этих материалов,кг/м 3.

2) цементно-песчаный раствор заполнит пустоты в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой зерен.

где Упуст.щ(г) — пустотность щебня или гравия в стандартном рыхлом состоянии (в формулу подставляется в виде относитель­ной величины); а — коэффициент раздвижки зерен щебня (или избытка раствора); для жестких смесей а= 1,05. 1,20, для подвижных смесей а= 1,2. 1,4 и более; q h . щ ( Г — насыпная плот­ность щебня (гравия), кг/л; Q m (г —плотность щебня (гравия),кг/л.

Коэффициент а определяет отношение между песком и щеб­нем в бетоне.

После определения расхода щебня или гравия рассчитывают расход песка (кг/м 3 ) как разность между проектным объемом бетонной смеси и суммой абсолютных объемов крупного заполни­теля, цемента и воды.

Если гравий или щебень составляют из нескольких фракций, то необходимо заранее установить оптимальное соотношение между ними, пользуясь графиком наилучшего зернового состава или подбирая смесь с минимальным количеством пустот.

• Проверка подвижности бетонной смеси . После произведенного предварительного расчета состава бетона делают пробный замес и определяют осадку конуса или жесткость. Если бетонная смесь получилась менее подвижной, чем требуется, то увеличи­вают количество цемента и воды без изменения цементно-водного отношения. Если подвижность будет больше требуемой, то до­бавляют небольшими порциями песок и крупный заполнитель, сохраняя соотношения их постоянными. Таким путем добиваются заданной подвижности бетонной смеси.

• Уточнение расчетного состава бетона на пробных замесах. Производят опытные замесы бетона при трех значениях водо-цементного отношения, из которых одно принимают расчетное, а два других больше или меньше на 10. 20%. Количество цемен­та, воды, песка и щебня (гравия) для бетона с водоцементным отношением, не равным расчетному, определяют по вышеизло­женному методу. Из каждой приготовленной смеси готовят по три образца куба размером 20X20X20 см, которые выдержи­вают в нормальных условиях и испытывают в возрасте 28 сут при определении класса бетона (или в другие сроки). По резуль­татам испытаний строят график зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения, с помощью которого выбирают Ц/В, обеспечивающее получение бетона заданной прочности.

При пробных замесах проверяют также подвижность или жесткость бетонной смеси (она должна удовлетворять проект­ной), определяют ее плотность и по результатам испытания пробных замесов вносят соответствующие коррективы в рассчи­танный состав бетона. При изменении содержания песка и щебня (гравия) учитывают их влажность.

• Прочность бетона. В конструкциях зданий и сооружений бе­тон может находиться в различных условиях работы, испыты­вая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основными факторами при этом ока­зываются активность цемента и водоцементное отношение.

Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц = =0,4. 0,7, в то время как для химического взаимодействия це­мента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, что ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Исходя из этого, прочность бетона можно повысить путем умень­шения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.

Наряду с активностью и качеством цемента, водоцементным отношением и качеством заполнителей на прочность бетона в значительной степени влияют степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона.