Основной закон прочности бетона

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

• прочностью затвердевшего цементного камня;

• прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).

Це­мент при твердении хими­чески связывает не более 20...25 % воды от своей массы. Чтобы обеспе­чить необходимую пла­стичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо вводить 40...80 % воды от массы цемента. Чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоукладываемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью «цементный камень - заполнитель», что приведет к резкому снижению прочности бетона.

Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количе­ство воды, которое позволяет получить при данном способе уплот­нения бетон с минимальной пористостью и наибольшей проч­ностью.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен запол­нителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.

Высказанные теоретические предпосылки были положены в основу экспериментальных исследований зависимости прочности бетона от Ц/В, марки цемента и качества заполнителей (под прочностью здесь и далее подразумевается марочная прочность, т. е. прочность после 28 суток твердения в стандартных условиях). Полученные эксперимен­тальные зависимости R = (Ц/В) представляют довольно сложную кри­вую, имеющую точку перегиба. С некоторым приближением эту кривую в реальном интервале Ц/В (от 1,4 до 3,3) можно аппрок­симировать двумя прямыми, описываемыми уравнением вида

R_б = АR_ц(Ц/В ± b)

Приведенная формула предложена И. Боломеем и уточнена Б.Г, Скрамтаевым. Она выражает основной закон прочности бетона и используется для определения состава бетона по заданным параметрам.

Для обычных бетонов (марок ниже М500) в интервале Ц/В = 1,4...2,5 формула Боломея - Скрамтаева имеет вид

R_б = АR_ц(Ц/В – 0,5)

а для высокопрочных бетонов при Ц/В = 2,5...3,3

R_б = АR_ц(Ц/В + 0,5)

Эта зависимость справедлива лишь при условии обеспечения плот­ной укладки бетонной смеси.

Основы технологии бетона

Изготовление бетонных и железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические операции: подбор состава бетона, приготовление и транспортирование бетонной смеси, ее укладку и уплотнение и обеспечение требуемого режима твердения бетона.

Подбор состава бетона. Состав бетона должен быть таким, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения < п.), т. морозостойкости прочности, (удобоукладываемости, свойств>а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.

Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом, в виде формул, таблиц и номограмм. Общая схема расчета следующая.

Требуемая подвижность бетонной смеси обеспечивается выбором (по таблицам и графикам) необходимого количества воды (В).

Требуемая прочность бетона достигается: 1) выбором марки цемента; 2) расчетом требуемого соотношения цемента и воды (Ц/В) по формуле основного закона прочности бетона (см. выше).

Количество цемента определяется по известным значениям В и В/Ц: Ц = В : (В/Ц).

Количество крупного и мелкого заполнителей рассчитывают так, чтобы расход цемента был минимальным. Это достигается в том случае, если количество крупного заполнителя будет максимально возможным (обычно оно составляет 0,75...0,85 от объема бетона), а мелкий заполниитель (песок) заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя.

В этом случае цементное тесто должно будет заполнить пустоты в песке и покрыть поверхность заполнителей для обеспечения связи всех частиц друг с другом .

Увеличивая или уменьшая содержание цементного теста (но не изменяя при этом рассчитанного Ц/В), т. е, увеличивая и уменьшая долю воды в бетонной смеси, можно соответственно повысить или снизить подвижность бетонной смеси, сохраняя заданную прочность бетона.

Приготовление бетонной смесиосуществляют в специальных агре­гатах - бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимо­сти (от 100 до 4500 дм³).

Вместимость смесителя указывается по суммарному объему сухих компонентов бетонной смеси, который может быть загружен.

При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзер­новые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент — в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6...0,7 от объема исходных сухих компо­нентов. Этот показатель, называемый коэффициент выхода бетонной смеси.

Так, для бетона с коэффициентом выхода 0,65 за один замес в бетоносмесителе вместимостью 500 дм³ получится 500 • 0,65 = 325 дм³ = 0,325 м³ бетонной смеси.

По принципу действия различают бетоносмесители свободного падения и принудительного перемешивания.

Время перемешива­ния зависит от подвиж­ности бетонной смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем больше время, необходимое для перемешивания. Например, для бетоносмесителя 500 дм³ оно составляет 1,5...2 мин, а для бетоносме­сителя 2400 дм³ - 3 мин и более.

Бетоносмесительные установки мо­гут бытьпередвижные и стационарные.Чаще бетонные смеси приготовляют на специализированных бетонных заводах, имеющих высокую степень механизации и автоматизации. В этом случае будет выше стабильность свойств бетонной сме­си и бетона. Такие готовые смеси назы­вают товарным бетоном.

Транспортирование бетонной смеси.Обязательное требование ко всем видам транспортирования бетонной смеси - сохранение ее однородности и подвижности. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах — бетоновозах, имеющих грушевидную ем­кость. При движении емкость бетоновоза медленно вращается, посто­янно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бе­тонной смеси.

На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами и подают транспортерами.

Укладка бетонной смеси.Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки, а методы укладки и уплот­нения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.

Пластичные текучие смеси уплотняются под действием собствен­ного веса или путем штыкования, более жесткие смеси — вибрирова­нием

Вибрирование — наиболее эффективный метод укладки, основан­ный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колеба­тельные движения от источника колебаний - вибратора. Применяют главным образом электромехани-ческие вибраторы, основная часть которых - электродвигатель. На валу электродвигателя эксцентрично установлен груз - дебаланс, при вращении которого возникают коле­бательные импульсы.

При вибрировании жесткая бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно заполняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной смеси, при этом поднимается вверх и выходит из смеси. Бетонная смесь приобретает плотную структуру.

При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при слишком долгом - она может расслоиться: тяжелые компоненты - щебень, песок концентриру­ются внизу, а вода выступает сверху.

Твердение бетона.Нормальный рост прочности бетона происходит при положительной температуре (15...25° С) и постоянной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в первые 10... 15 суток твер­дения, когда бетон интенсивно набирает прочность.

Чтобы поверхность бето­на предохранить от высыха­ния, ее покрывают песком, опилками, периодически ув­лажняя их. Эффективна за­щита поверхности бетона от испарения влаги полимер­ными пленками, битумны­ми и полимерными эмуль­сиями. В зимнее время твердею­щий бетон предохраняют от замерзания различными ме­тодами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материалами, и подогре­вом бетона во время твердения (в том числе и электропрогрев).

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона приме­няют тепловлажностную обработку - прогрев при постоянном поддерживании влажности бетона насыщенным паром при температуре 85...90°С. При этом время твердения железобетонных изде­лий до набора ими отпускной прочности (70...80 % марочной) сокращается до 10... 16 ч (при твердении в естественных условиях для этого требуется 10...15 дн).

Для силикатных бетонов используют автоклавную обработку в среде насы­щенного пара высокой температуры 175...200°С и при давлении 0,8...1,3 МПа. В этом случае процесс твердения длится 8...10 ч.

Для ускорения набора прочности бетоном применяют быстротвердеющие (БТЦ) и особо быстротвердеющие (ОБТЦ) цементы. Быстрее других достигает марочной прочности (за три дня) бетон на глинозе­мистом цементе, однако последний нельзя использовать при темпера­­туре окружающей среды вовремя твердения выше 30...35° С.