double arrow

Формирование структуры бетона


Структура бетона образуется в результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и последующего твердения бетона. Определяющее влияние на ее формирование оказывают: гидратация цемента, его схватывание и твердение.

По современным воззрениям, в начальный период при смешивании цемента с Н2О в процессе гидролиза С3S выделяется Са(ОН)2, образуя пересыщенный раствор, В этом растворе находятся ионы сульфата, гидрооксида и щелочей; Из раствора начинают осаждаться первые новообразования. Через 1 час наступает вторая стадия гидратации, которой характерно образование очень мелких гидросиликатов Са. Новообразования в первую очередь появляются на поверхности цементных зерен, с увеличением их количества и плотности их упаковки пограничный слой становится малопроницаемым для воды в течение 2-6 часов. Внутренние слои цементных зерен, реагируя с Н2О, стремятся расщепиться, ускоряется процесс гидратации. Наступает третья стадия процесса гидратации. Она характеризуется началом кристаллизации.

Этот процесс происходит очень интенсивно, т.к. на этом этапе количество гидратных фаз относительно мало, что в пространстве между частицами цемента происходит свободный рост тонких пластинок Cа(OH)2, гидросиликата Cа и эттрингита в виде длинных волокон, которые образуются одновременно. Волокна новообразований проходят через поры, разделяют их на более мелкие и создают пространственную сетку, усиливая сцепления между гидратными фазами и зернами цемента. С увеличением содержания гидратных фаз между ними возникают непосредственные контакты, число которых увеличивается - цементное тесто схватывается, затвердевает, образуется цементный камень.




Образовавшаяся жёсткая структура сначала является очень рыхлой, но постепенно она уплотняется: в заполненных водой порах этой структуры непрерывно появляются новые гидратные фазы. Объём пор и их размеры уменьшаются, возрастает количество контактов между новообразованиями, утолщаются и уплотняются гелевые оболочки на зернах цемента, срастающиеся в сплошной цементный гель, с включениями непрореагировавших центров цементных зерен. В результате возрастает прочность цементного камня и бетона.

При полной гидратации цемента в химическую связь с его минералами вступает приблизительно 20-25% Н2О от массы цемента.

Гидратация цемента сопровождается изменением относительного объёма его разных фаз.

В процессе гидратации вода, вступая в реакцию с цементом, приобретает регулярную структуру и общий объём системы «цемент-вода» уменьшается, в то время, как объём твёрдой фазы за счет присоединения Н2О увеличивается. Гидратированный цемент занимает V в 2,1 – 2,2 раза больший, чем объём цемента до гидратации.



Уменьшение объёма системы «цемент-вода» в процессе гидратации получило название «контракции». В среднем величина контракции составляет 7-9 мл на 100 г цемента.

В процессе гидратации размеры пор в цементном камне уменьшаются. Пористость геля составляет 28%. Наряду с порами геля в цементном камне сохраняются более крупные капиллярные поры, образовавшиеся приготовлением цементного теста.

При полной гидратации цемента пористость уменьшается при понижение В⁄Ц.

На пористость влияет также степень уплотнения цементного теста. При низких значениях В⁄Ц увеличивается флокуляция цементных частиц и объёмом вовлечения воздуха. В результате возрастает общая пористость цементного камня и понижается его R.

При низких В/Ц возрастает роль условий выдерживания. При твердении в Н2О увеличивается степень гидратации цемента, уменьшается пористость цементного камня, что обеспечивает повышение его R.

В обычных бетонах цемент редко гидратируется полностью, поэтому остаются непрогидратировавшие зерна и значительное количество капиллярных пор.

В бетоне цементный камень в результате введения заполнителя занимает только часть объёма, в результате изменяется и пористость.



Для практических целей часто требуется знать сроки схватывания бетонной смеси.

Время от начала затвердения до момента резкого возрастания прочности называется пределом формирования структуры.

К концу периода формирования структуры цементное тесто превращается в камень, совершается резкий переход от пластической прочности цементного теста к хрупкой прочности затвердевшего цементного камня.

В бетонной смеси на сроки схватывания существенное влияние оказывает заполнитель. Введенный в цементное тесто заполнитель вследствие проявления поверхностных сил сокращает период формирования структуры, причем, чем выше содержание заполнителя и его удельной поверхности, тем больше его влияние.

Заполнитель оказывает заметное влияние на структурообразование бетона после затвердения бетонной смеси формируя жёсткий каркас, упрочняющий структуру бетона. Заполнитель повышает водоудерживающею способность цементного теста, ограничивает усадочные деформации, способствует образованию кристаллического каркаса, влияет на изменение температуры и влажности твердеющего бетона.

Для удобства расчетов и прогнозирования свойств бетона процесс формирования его структуры можно разбить на три периода: первоначальный, в течение которого бетонная смесь превращается в бетон; второй, во время которого структура бетона постепенно упрочняется, и третий, когда структура стабилизируется и почти не изменяется во времени.

Структура бетона

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне.

Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость.

При прочих равных условиях объём и характер пористости, а так же соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технологические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях.

В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учётом её плотности:

1) плотная;

2) с пористым заполнителем;

3) ячеистая;

4) зернистая.

Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающие» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга.

Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала, например, цементного камня, в котором направлены зерна другого твердого материала (заполнителя) достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зёрен твердого материала.

Наибольшей R обладает материал с плотной структурой, наименьшей - с зернистой. Большое влияние на свойства материала оказывает размер зёрен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макро- и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом. В качестве структурных элементов здесь различают: крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры.

Микроструктурой называют структуру, видимую при небольшом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, который состоит из непрореагированных зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров.

Цементный камень определяет свойства и долговечность бетона. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция. Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложностью, многообразием и неоднородностью.

Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получить различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистый, зернистый, волокнистый, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры.

Определяющее влияние на свойства бетона оказывает также микроструктура заполнителя. Структура бетона изотропна, т.е. ее свойства одинаковы по всем направлениям: однако путем особых приемов формирования, или введения специальных структурообразующих элементов структуре бетона может быть придана анизотропность, т.е. ее свойства в одном направлении будут заметно отличаться от свойств в другом направлении.

Примером может служить бетон на заполнителе с лещадными зернами, ориентированными в определенном направлении.

Для разных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых – плотная, для легких конструктивных – плотная структура с пористыми включениями, ячеистый бетон имеет ячеистую структуру, крупнопористый – зернистую. Однако подразделение на приведенные типы структур – условно, в действительности структура бетона отличается сложностью. Прочность бетона обуславливается его плотностью и характером его структуры

– относительная плотность,

R1 – прочность материала при плотности ;

n – показатель, зависящий от структуры материала.

Если принять, что – есть характеристика материала, численно равная его прочности при ρ =1 то выражение можно записать

Выражение показывает, что R пористого материала пропорционально его ρ – колеблется от 2 до 6. Для материала ячеистой структуры его ориентировочно можно принять ~ 2. Для материала зернистой структуры показатель «n» зависит от формы зерен составляющих материалов и R их контактов, его можно принять равным 4 (при колебаниях от 3 до 6).

Итак, структура бетона неоднородна. Отдельные объемы материала могут значительно отличаться по своим свойствам, что оказывает заметное влияние на суммарные свойства материала.

Могут различаться по свойствам не только цементный камень и заполнитель, но и отдельные зерна заполнителя друг от друга и отдельные микрообъемы цементного камня.

Неоднородность структуры и свойств требует применения к оценке бетона вероятностно- статистических методов и должна учитываться при проектировании и организации производства бетона и ж/б конструкций.

Влияние температуры на рост прочности ( твердение) бетона

1. Твердение бетона при нормальной температуре.

При возведении монолитных конструкций и изготовлении изделий на полигонах, бетон твердеет при положительной температуре 5-35оС. При достаточной влажности рост R продолжается длительное время.

Для ориентировочного определения R бетона в разном возрасте

используют формулу

Rn , R28 - прочность в n и 28 суток ;

lgn , lg28 -десятичный логарифм возраста бетона.

Эта формула дает удовлетворительные результаты при n > 3 для бетонов, приготовляя на рядовом портландцементе и твердеющих при температуре 15-20оС. В действительности темп роста R бетона, особенно в раннем возрасте, будет зависеть от многих факторов: минералогического состава и тонкости помола цемента, состава бетона, В/Ц, вида и дозировки использованных химических добавок. Нарастание R ускоряется, если применить БТЦ, добавки-ускорители твердения, бетоны с низким В/Ц.

Наиболее существенное влияние на темп твердения бетона оказывает минералогический состав цемента.

Алюминатный (СзА 12%) цемент и алитовый цемент обеспечивают более быстрое нарастание R бетона в раннем возрасте, резко замедляют прирост R в длительные сроки твердения, а бетоны на цементах со сложным минеральным составом, пуццолановом, на шлакопордландцементе и белит. п/ц, медленно твердеющих вначале, показывают заметный рост прочности в течение длительного времени. При благоприятных условиях R бетона на этих цементах к полугодовому возрасту возрастает в 1,5-1,8 раза по сравнению с R в возрасте 28 суток, отличается рост R в течение нескольких лет.

При пониженных температурах и W воздуха твердение бетона резко замедляется. Заметное влияние на твердение бетона оказывают даже сравнительно небольшие колебания температур.

Поэтому, при бетонировании масштабных сооружений, особенно в весенне-осенний период, необходимо по возможности учитывать колебания температуры и ее влияние на твердение бетона. В действительности изменение температуры не происходит мгновенно. Интенсивность нагрева и остывания зависит от перепада температур, свойств бетона, массивности конструкций и других факторов. Обычно расчет очень трудоемок.

Большое значение для твердения бетона имеет организация ухода за ним, особенно в раннем возрасте. Целью ухода является сохранение надлежащей W среды. Для этого бетон укрывают полимерной пленкой, посыпают песком, который постоянно увлажняют, используя синтетический материал, предохраняют бетон от высыхания, чтобы избежать замедления процессов гидратации цемента и роста R бетона.

При быстром высыхании бетона в раннем возрасте возникают значительные деформации усадки, появляются микротрещины. В результате ухудшается структура бетона, снижается его конечная R. Исправить структуру впоследствии не удается. Поэтому правильный уход за бетоном в раннем возрасте является необходимым условием получения доброкачественного бетона.

Твердение бетона в зимний период

При пониженных температурах R бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При температуре бетона ниже 0оС, твердение бетона прекращается, если только в бетон не добавить соли, снижающую точку замерзания воды.

Бетон, начавший твердеть, а затем замерзающий после оттаивания продолжает твердеть в теплой среде. И если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, R его постепенно нарастает, однако отстает от роста R бетона, твердеющего при нормальной температуре.

Бетон, укладываемый зимой, должен приобрести R, достаточную, для разопалубки, частичной нагрузки или даже для полной нагрузки сооружения. Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение R после оттаивания и в процессе дальнейшего твердения по сравнению с нормально твердеющим бетоном.

Это объясняется тем, что свежий бетон насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи между поверхностью заполнителей и слабым цементным камнем.

Прочность бетона тем ближе к нормальной, чем позже он был заморожен. Кроме того, из-за раннего замораживания уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в железобетоне. При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранять от замерзания до приобретения им минимальной (критической) R, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохранению в последующем при положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона. Если к бетону предъявлять повышенные требования по динамическим свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной R.

Способ зимнего бетонирования с противоморозными добавками прост и экономичен, но большое количество солей может ухудшить структуру бетона, долговечность и некоторые особые свойства, также имеется опасность коррозии арматуры от действия хлористых солей. Кроме того, образующиеся в процессе твердения едкие щелочи могут вступить в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в некоторых заполнителях и вызвать коррозию.

Поэтому бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, в конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях.

Твердение бетона при повышенных температурах

Для ускорения твердения используют различные способы:

Механические - повышение удельной поверхности цемента или активация бетонной смеси;

Химические - введение добавок ускоряющих твердение;

Тепловые - пропаривание и электропрогрев.

Как известно, нагрев ускоряет химические реакции. Повышение температуры бетона активирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента, твердеющий при разных температурах, практически остается одинаковым. Установлено, что минералогический состав цемента оказывает заметное влияние на R бетона.

Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработки, достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то практически целесообразно проводить обработку до получения предельной R. Обычно тепловую обработку заканчивают при R бетона 70-80% от предельных значений. В этом случае обеспечивается достаточно интенсивный рост R после тепловой обработки, и она достигает в возрасте 28 суток заданной средней R, а время прогрева сокращается в 2-3 раза по сравнению с тем временем, которое потребовалось бы для получения предельной R. При этом предполагается, что пропаривание начинается приблизительно через 2 часа после формования изделия, а подъём температуры будет плавным (в течение 3 часов до 80оС).

Применение коротких режимов будет приводить к перерасходу цемента.

Проницаемость бетона

Для бетона гидротехнических и ряда других сооружений важной характеристикой является его проницаемость. Она в известной мере определяет способность материала сопротивляться воздействию увлажнения и замораживания, влиянию различных атмосферных и других факторов и агрессивных сред.

Проницаемость – бетона зависит от его пористости, структуры пор и свойств вяжущего и заполнителей.

При увлажнении бетона мельчайшие поры и капилляры заполняются водой, которая под воздействием физических поверхностных сил значительно теряет свою подвижность и как бы закупоривает эти капилляры. Наступает «кольматация» пор и капилляров, что приводит к уменьшению проницаемости бетона с увеличением возраста бетона изменятся характер его пористости, постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации цемента и в результате уменьшается проницаемость бетона.

K пр. = At (p1-p2)

A – площадь образца

t - время

р1-р2 – градиент давления.

Коэффициент проницания оценивается количеством воды, прошедшим через 1 см образца в течение 1 часа при постоянном давлении.

Плотные бетоны обычно не фильтруют воду, поэтому для их оценки используют другие понятия – марка по водонепроницаемости. Например, W2,W4 и т. д. Эта характеристика показывает до какого давления бетон является непроницаемым для воды.

Появления микротрещин вследствие усадки бетона при попеременном увлажнении и замораживании или высыхании может существенно снизить непроницаемость бетона. Для повышения непроницаемости бетона применяют так же специальные методы: введение при приготовлении бетона органических и гидрофобных добавок, неорганических добавок, загустевших веществ или гетермопластичных полимеров, пропитка специальными веществами, гидрофобизация поверхностных слоев бетона, покрытие специальными пленкообразующими составами, пропитка мономеров с последующей полимеризацией.

Морозостойкость бетона

Под морозостойкостью бетона понимают его способность в насыщении водой в состоянии выдерживания многократно попеременного замораживания и оттаивания.

При замерзании вода увеличивается в объеме, более чем на 9%. Расширению Н2О препятствует твердый скелет бетона, в котором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона и к его разрушению. Сначала начинают рушиться выступающие грани, затем поверхностные слои и постепенно разрушение распространиться вглубь бетона. Некоторое влияние будут оказывать и напряжения, вызываемые различием в коэффициентах и температурных расширенных составляющих бетона и температурно-влажностным градиентом.

Критерием морозостойкости бетона является количество циклов, при котором потеря в массе образца < 5%, а его R снижается не менее чем на 25%. Это количество циклов определяет марку бетона по морозостойкости: для тяжелого бетона F50 … F500, которая назначается зависимости от условий эксплуатации конструкции. Морозостойкость бетона зависит от его строения, особенно от характеристик пористости.

Существуют два способа повышения морозостойкости бетона:

1) повышение плотности ρ бетона, уменьшение объёма макропор и их проницаемости для воды, например за счёт снижения В/Ц , применения добавок, гидрофибизирующих стенки пор, или кольматации при пропитке специальным составом.

2) создание в бетоне с помощью специальных воздухововлекающих добавок резервного объема воздушных пор (более 20% V замерзающей воды). Чтобы получить морозостойкий бетон В/Ц должно быть < 0,5. Кроме того, расстояние между пузырьками воздуха, т.е. толщина прослоек между соседними воздушными порами не должна превышать 0,025 см т.е. необходимо получение воздушных пор меньшего размера. Оптимальный объем вовлечения воздуха составляет 4-6 % и определяется расходом цемента, воды и крупных заполнителей.

Механические свойства

Прочность бетона при сжатии. Для конструкций, которые проектируют с учетом требований СТ СЭВ 1406-78, Rб на сжатие характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0.95. Бетоны подразделяют на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; 5; 7,5;10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50; 55;60.

Между классами бетона и его средней прочностью имеется зависимость

В=R (1- t υ)

В – класс бетона по R мПа;

R – средняя R, которую следует обеспечить при производстве конструкций ,

t– коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона,

υ - коэффициент вариации прочности бетона.

Для перехода от класса бетона В к средней Rб (МПа) калибруемой на производстве для образцов 15х15х15 см (при нормативном коэффициенте вариаций 13,5% и t = 0,95) следует применять формулу Rб =В/0,778. Например, для класса В5 получим среднюю Rб =6,43 МПа, а для класса В40 – Rб =51,4МПа.

В строительстве используют следующие марки: М50; М75; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 450; 500; 600 и выше. Превышение заданной R допускается не более чем на 15%, т. к. это ведет к перерасходу цемента. Размер ребра контролируемого образца бетона должен быть в 3 раза больше максимальной крупности зерен заполнителя. Для определения марки бетона на кубах с другими размерами вводятся специализирующие переходные коэффициенты.

Размер куба , см 7х7х7, 10х10х10, 15х15х15, 20х20х20

Коэффициент 0,85 0,85 1,0 1,05

На практике наблюдаются значительные отклонения от приведенных выше коэффициентов, т.к. их значение зависит от жесткости опорных плит пресса, марки бетона и других факторов. Для получения более достоверных результатов необходимо, чтобы толщина опорных плит пресса была не менее половины величины ребра испытываемого куба. В этом случае действительны переходные коэффициенты могут оказаться выше рекомендованных и проектирование бетона с использованием последних повышает запас R конструкции. Средний R легкого бетона определяют также при сжатии кубов 15х15х15 см. При испытании кубов других размеров переходный коэффициент не вводится. Для лёгких бетонов установлены классы: В2,5; В3,5: 5; 7,5; 10; 12,5; 15;20;25;30;35;40.

При изготовлении сборных ж/б конструкций, а так же при срочных работах, когда используется БТЦ или применяют различные способы ускорения твердения, R его определяют в более короткий срок твердения: 1, 3, 7 суток.

Наоборот, бетоны не медленно твердеющие вяжущие, например, в монолитных массивных сооружениях могут иметь расчетные сроки твердения: 60, 90, 180 суток. Увеличение расчетного срока твердения бетона обычно ведет к экономии цемента.

Для правильного определения состава бетона важно знать, как зависит его R от количества цемента и заполнителей, соотношение между составляющими и прочих факторов.

Rб в определенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от R (активности) цемента и В/Ц отношение Rб повышается с увеличением R/Ц или уменьшением В/Ц.

Rб = Rц /(А (В/ц)1/2) А коэффициент, увеличивает влияние других факторов.

При очень низких В/Ц отношениях, даже при повышенных расходах цемента и H2O не удается получить удобообрабатываемой бетонной смеси и необходимую плотность бетона. С дальнейшим уменьшением В/Ц , Rб не увеличивается , а затем даже начинает уменьшается.

Зависимость Rц от В/Ц строго соблюдается лишь при испытании бетона на одинаковых материалах, с близкой подвижностью бетонной смеси.

При значениях В/ц = 0,4-0,7 существует прямолинейная зависимость между Rб, активностью цемента и Ц/В отношением.

При одинаковом В/Ц отношении Rб мало зависит от подвижности бетонной смеси, приготовленной из жёстких бетонных смесей, был выше Rб образцов из пластичной смеси в среднем на 1-5%.

На основании опытных данных была выведена единая формула с усреднен. коэффициентом Rб = 0,56 Rц (Ц/В-0,5).

Опыт показывает, что замена щебня гравием вызывает снижение Rб/Rц до 25%.

При Ц/В больше 2,5 прямолинейная зависимость между прочностью бетона Ц/В отношение нарушается. Действительные значения прочности получаются ниже расчетных. Для расчета состава бетона используется две эмпирические формулы .

Для бетонов с В/ц >= 0,4(Ц/В<=2,5)

Rб = АRц (Ц/В-0,5)

Для бетонов с В/ц<=0,4(Ц/В>=2,5)

Rб = А1 *Rц (Ц/В+0,5)

А- характерное качество заполнителя.

Методика испытаний

На результаты определения Rб влияет много факторов, даже образцы одного и того же замеса, твердеющие в одинаковых условиях и испытанные на одном прессе, показывает различные значения. Если же имеются отклонения в методике испытаний, то различия в R существенные.

Рассмотрим влияния различных факторов, связанных с подготовкой и испытанием образцов на Rб при сжатии. Эти факторы можно разделить на три группы: статические, технологические, методические.

Факторы, связанные с приготовлением образцов и их качеством, относятся к технологическим. К методическим факторам относится различные аспекты методики испытаний, каждый из которых оказывает определенное влияние на его результат как показывает статистика определенную роль играет и организация технологического процесса, чем лучше организован процесс и ниже коэффициент вариации прочности бетона, тем меньшей мере должен проявляться масштабный эффект.

Прочность бетона на растяжении при изгибе

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются марки бетонов по прочности на растяжение при изгибе, которые определяют путем испытаний балочек квадратного сечения. Балку испытывают с приложением сил в 1/3 пролета.

Прочность на растяжение при изгибе Rизг(МПа) вычисляют по формуле Rизг=k . Pmax/(b h2 ), где Pmax - разрушающая сила, кН, b- ширина образца. см, h-высота, см, k-коэффициент; для балочек L = 40 см; k = 31,5; L= 50 см; k =45; L = 80 см; k = 57.

Прочность бетона при изгибе несколько раз меньше его прочности при сжатии марки бетона на растяжение при изгибе: М5; М10;М15;М20;М25;М30;М35;М40;М45;М50.

Деформативные свойства.

Первоначальная усадка бетонной смеси

Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций, они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.

Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды: собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; деформации от действия механических нагрузок, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузок и от длительного действия полученного бетона; температурные деформации бетона.

Величина первоначальной усадки зависит от состава бетонной смеси и свойств используемых материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадки, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшением расхода цемента, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду при высоком содержанием крупного заполнителя, обеспечивается создание жесткого скелета бетонной смеси. На величину первоначальной усадки могут оказывать влияние формы, арматурный каркас и производственные факторы. Густое армирование и узкая форма будут препятствовать проявлению первоначальной усадки.

Создание жёсткого скелета в бетонной смеси с большим расходом H2O уменьшая внешнюю первоначальную усадку не может препятствовать протеканию седиментационных процессов между зернами крупного заполнителя. Поэтому в бетоне увеличивается доля скрытой усадки, протекающей в отдельных микрообъемах и вызывающей расслоение и ухудшение качества бетонной смеси. Деформации первоначальной усадки и упругого последействия необходимо учитывать при формовании бетонных и ж/б изделий, т.к. они влияют на окончательные размеры изделия и качество его открытых поверхностей.

Усадка бетона.

Процесс твердения бетона сопровождается изменением его объема. Наиболее значительным является уменьшение объема при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной W среды, получившее название усадки бетона.

Усадка вызывается физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Суммарная величина деформаций усадки складывается из ряда составляющих, из которых наиболее существенное значение имеют влажностная, контракционная и карбонизационная деформация, названные так по виду определяющего фактора.

Влажностная усадка - вызывается изменением распределения перемещением и испарением влаги в образовавшемся скелете цементного камня. Это составляющее играет ведущую роль в суммарной усадке бетона.

Контракционная усадка - вызывается тем, что объем новообразований цементного камня меньше объема, занимаемого веществами , вступающими в реакцию. Обычно эта усадка развивается в период затвердевания бетона, когда он ещё достаточно пластичен, и поэтому все сопровождается заметным растрескиванием материала.

Карбонизационная усадка - вызывается карбонизаций гидроксида кальция и развивается постепенно с поверхности бетона в глубину.

Величина усадки бетона зависит от его состава и свойств использованных материалов. Усадка увеличивается при повышении содержания цемента и Н2О, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей. Быстрое высыхание бетона приводит к значительной и неравномерной усадке( усадка поверхностных слоев материала выше) и может вызвать появление усадочных трещин.

Модуль упругости и деформации бетона при кратковременном напряжении.

Деформации ползучести.

Температурные деформации. (самостоятельно)

Проектирование состава тяжелого бетона

В результате проектирования состава бетона должно быть определено такое соотношение между материалами, при котором будет гарантировано Rб в конструкции с учетом технологии её изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона (минимальный расход цемента).

Проектирование состава бетона включает:

а) назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей службы и изготовления конструкций;

б) выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства;

в) определение предварительного состава бетона;

г) проверку состава в пробных замесах;

д) контроль за бетонированием;

е) корректировку состава в процессе производства при колебаниях свойств заполнителя и др. факторов.

Определение предварительного состава бетона производят на основе зависимости Rб от активности цемента, Ц/В отношения, количества используемых материалов, и зависимости подвижности бетонной смеси от расхода Н2О.

Для получения уточненной зависимости свойств бетона и бетонной смеси от его состава, если имеется возможность, проводят предварительные испытания.

Подвижность (жесткость) бетонной смеси назначают в зависимости от размеров конструкции, густоты армирования, способов укладки и уплотнения. Бетонная смесь обладает необходимой удобоукладываемостью только при содержании в ней достаточного количества цемента. Уменьшение количества цемента до определенных значений повышает опасность расслоения бетонной смеси и может привести к появлению в смеси микропустот и снижению R и долговечности бетона. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси и крупности заполнителя. Для экономии расхода цемента необходимо, чтобы его марка по возможности превышала требуемую Rб.

Прочность бетона, МПа 10 15 20 30 40 50

Марка цемента 300 400 400 500 600 600

В качестве заполнителя бетона стремятся использовать, как правило, местные материалы, или материалы из близко расположенных карьеров, но выбирают из них те, которые позволяют получать бетон с заданными свойствами при минимальных расходах цемента.

Заданную подвижность бетонной смеси обеспечивают правильным назначением расхода воды, а прочность бетона - правильным назначением В/Ц - отношения и расхода цемента.

Минимального расхода цемента добиваются правильным выбором содержания крупного и мелкого заполнителя. В современных методах расчета обычно используют коэффициент раздвижки зерен щебня (гравия) раствором, который показывает, насколько объём раствора превышает объём пустот в щебне.

Оптимальные значения коэффициента «а» в пластичной бетонной смеси зависят от содержания в бетоне цементного теста и крупности песка: они возрастают с увеличением цементного теста и крупности песка.

В жесткой бетонной смеси наилучшая удобоукладываемость бетонной смеси и R бетона достигаются при минимальной раздвижке зерен щебня (гравия), т.к. при этом расход песка и суммарная площадь поверхности заполнителей являются также минимальными. В результате зерна заполнителя укладываются наиболее плотно, обеспечивая хорошее качество бетона.

С увеличением количества Н2О для придания бетонной смеси большей подвижности абсолютный объём цементного теста возрастает, а его вязкость понижается. Чтобы избежать водоотделения и расслоения бетонной смеси и обеспечить её связанность, необходимо увеличить коэффициент «а», сохраняя тем самым, а иногда даже увеличивая (при высоких значениях В/Ц) соотношение между песком и щебнем. При постоянном расходе цемента увеличение В/Ц ведёт к увеличению расхода Н2О и объёма цементного теста и соответственно к повышению оптимальных значений коэффициента «а».

Уменьшение крупности песка при прочих равных условиях вызывает уменьшение оптимальных значений «а». Это объясняется тем, что более мелкие пески с повышенной удельной поверхностью обладают более высокой водоудерживающей способностью и позволяют получить связную и нерасслаиваемую бетонную смесь при меньшем расходе песка. Форма зёрен крупного заполнителя практически не влияет на оптимальные значения коэффициента «а», т.е. для бетона на щебне и гравии можно применять одинаковые значения «а».

Введение в бетонную смесь химических добавок практически не изменяет оптимальных значений коэффициента «а» если водоудерживающая способность бетонной смеси достаточна. Если же при введении пластификаторов и суперпластификаторов получаются литые бетонные смеси и возникает опасность их расслоения, то коэффициент «а» повышают, чтобы увеличить водоудерживающие свойства смеси. При введении воздухововлекающих добавок как бы увеличивая объём цементного теста за счет мельчайших пор вовлеченного воздуха, что необходимо учитывать, несколько увеличивая оптимальные значения «а», или назначая «а» исходя из суммарного объема, занимаемого цементным тестом и вовлеченным воздухом.

Порядок расчета состава бетона

Различают лабораторный состав бетона, устанавливаемый для сухих материалов, и производственный (полевой) – для материалов в естественно- влажном состоянии состав бетона предварительно рассчитывают по абсолютным объёмам.

Порядок расчета:

1) Определение В/Ц в зависимости от требуемого Rб, срока и условий твердения бетона.

a) Для обычного бетона при В/Ц > 0,4;

В/Ц = АRц/(Rб+А∙0,5Rц);

б) Для высокопрочного бетона при В/Ц < 0,4:

В/Ц = А1∙Rц(Rб + А1∙0,5Rц),

А и А1 – характерное качество заполнителя.

2) Определения расхода Н2О в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси и максимальной крупности заполнителя.

3) Расход цемента Ц=В : В/Ц.

Если расход цемента на 1 м3 бетона окажется ниже допускаемого по СНиП, то следует увеличить его до требуемой нормы или ввести тонкомолотую добавку. Последнюю применяют в случае, если активность цемента слишком велика (высока) для бетона данной марки.

4) Устанавливают коэффициент раздвижки «а» для пластичных бетонных смесей по графику в зависимости от количества цементного теста и крупности песка.

5) Расход щебня, гравия и песка.

6) Проверяют на пробных замесах подвижность бетонной смеси, при необходимости вносят поправки в расчет состава бетона.

Экспериментальная проверка

Для экспериментальной проверки состава бетона изготовляют пробную порцию бетонной смеси и определяют её подвижность. Вследствие особенностей свойств применяемого цемента и местного заполнителя осадка или жесткость бетонной смеси может отличаться от заданной. Её приводят в соответствии с заданными требованиями, корректируя её вяжущим, водой, песком и щебнем. Затем уточняют состав бетона, т.к. первоначальный объем порции бетонной смеси увеличивается. Для этого определяют фактическую плотность бетонной смеси при способе уплотнения, принятом в производственных условиях. Испытания производят следующим образом: пустую форму взвешивают, проверяют её внутренние размеры, заполняют смесью, уплотняют её и вновь взвешивают.

Плотность уплотнения бетонной смеси:

Ρ б.см. = (m2 – m1) / Vф,

m1 и m2 – масса пустой формы и формы с бетоном, кг;

Vф – внутренний объём формы, л.

Далее устанавливаем фактический объем полученной бетонной смеси в пробном замесе:

Vф = Σm/ρ,ф

Σm – сумма масс материалов, израсходованных на пробный замес, кг;

ρ,ф – фактическая плотность уплотненной бетонной смеси, кг/л.

Зная объем полученной бетонной смеси и расход материалов на пробный замес, определяют фактический объем материалов на 1 м3 бетона.

Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы в течение двух суток хранят в формах в помещении с температурой 16-20оС, затем освобождают от форм, маркируют и до момента испытания хранят в камере с W 100% или в периодически смачиваемых песке, опилках. Перед испытанием измеряют грани, взвешивают.

При испытании прочности образец укладывают на нижнюю опорную плиту боковыми гранями. Предел прочности при сжатии бетона вычисляют с точностью до 0,1 МПа, как среднее арифметическое результатов испытания трех образцов, при условии, что наименьший результат отличается не больше чем на 20% от ближайшего показателя. При превышении этой разницы более чем на 20% вычисление производят по двум наибольшим результатам.

Если действительная прочность бетона на сжатие отличается от заданной более, чем на 15 %, то следует внести коррективы в состав бетона: для повышения прочности увеличивают расход цемента (т.е. Ц/В), для снижения R – уменьшают его.

Определение производственного состава бетона

1. Количество влаги, содержащейся в заполнителе, должно учитываться при определении действительного расхода воды. Вначале определяют содержание воды в заполнителе:

Вп = П . Wп ; Вщ = Щ . Wщ

Затем действительный расход воды:

Вд = В – Вп – Вщ

2. Расход песка и щебня увеличивается на массу воды, которая в них содержится.

Расход цемента при данной корректировке состава сохраняется неизменным.

Для сохранения В/Ц и заданной прочности бетона расход воды, полученной при расчете, для сухих заполнителей уменьшается, а сухой песок и гравий заменяются влажным.

При загрузке цемента и заполнителей в бетоносмеситель их первоначальный объем больше объема полученной бетонной смеси, т.к. при перемешивании происходит как бы уплотнение массы.

Для оценки объема полученной бетонной смеси используют коэффициент выхода Вб:

Влияние воды при определении коэффициента выхода бетона не учитывают, т.к. вода сразу же пропитывается в пустоты твердых материалов и на их первоначальный объем не влияет. Коэффициент выхода бетона зависит от состава бетона и свойств используемых материалов и колеблется от 0,55 до 0,75.

При расчете выхода материалов на один замес бетоносмесителя принимают, что сумма объемов цемента, песка и щебня (в рыхлом состоянии) соответствуют ёмкости барабана бетоносмесителя.

Vз – объем бетона, полученного из одного замеса:

Vз = Вб . Vб.с. (ёмкость бетоносмесителя)

Строят по результатам график зависимости Rб от Ц/В.

Определение состава бетона с химическими добавками (самостоятельно)







Сейчас читают про: