Укладка и уплотнение бетонных смесей

 

Эти операции должны обеспечить получение однородного по плотности и прочности бетона.

В заводских условиях для получения бетонных изделий бетонную смесь укладывают и уплотняют специальным оборудованием, которое перемещается при помощи кранов, а для очень подвижных смесей используют систему пневмотранспорта.

В процессе уплотнения под нагрузкой происходят следующие процессы:

- идет сближение частиц бетонной смеси;

- более компактно размещаются зерна заполнителей;

- вытесняются пузырьки воздуха;

- отделяется небольшое количество воды.

Качество уплотнения характеризуется коэффициентом уплотнения К_у, который представляет собой отношение фактической средней плотности бетонной смеси (ρ_ср) к теоретической (ρ_т), которую определяют в лабораторных условиях

. (5.23)

Среднее значение К_у для обычных тяжелых бетонов (с маркой по удобоукладываемости Ж1, П1, П2) находится в пределах 0,96...0,97.

Формуемость бетонных смесей и способы их уплотнения тесно взаимосвязаны.

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. При этом бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая эффективно уплотняется. Бетонная смесь приобретает плотную структуру. При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при избыточном – смесь может расслоиться.

Режим виброуплотнения определяется следующими параметрами:

- амплитудой и частотой колебаний;

- интенсивностью и продолжительностью уплотнения.

Критерий интенсивности колебаний рассчитывается по формуле:

(5.24)

где И – интенсивность вибрирования, см²/с³;

А – амплитуда колебаний, см;

f – частота колебаний, с^-1 (Гц).

Для каждой бетонной смеси есть своя оптимальная величина интенсивности: при ее превышении может произойти разрушение и расслоение структуры, полученной в результате уплотнения. Интенсивность колебаний регулируется изменением амплитуды и частоты.

Наиболее распространенным оборудованием для уплотнения бетонных смесей являются стационарные виброплощадки с частотой колебаний около 3000 кол./мин (рис. 5.13). Для обычных бетонных смесей амплитуда колебаний находится в диапазоне 0,3-0,7 мм, для мелкозернистых смесей значение амплитуды уменьшается и составляет 0,15-0,4 мм. Такие значения амплитуд являются оптимальными и их повышение может привести к разуплотнению бетонной смеси.

Увеличить интенсивность колебаний можно за счет повышения частоты. Оптимальная частота колебаний находится в пределах от 3000 до 6000 кол./мин и зависит от крупности заполнителя: чем мельче заполнитель, тем больше должна быть частота.

Виброуплотнение бетонных смесей в больших массивах производится переносными глубинными вибраторами с частотой колебаний от 6000 до 20000 кол./мин (рис. 5.14).

В зависимости от вида и формы бетонируемой конструкции применяют различные формы вибраторов (рис. 5.13).

При бетонировании конструкций большой площади и небольшой толщины (до 200...300 мм), например, бетонных покрытий дорог, полов промышленных предприятий и других, используют поверхностные вибраторы (рис. 5.14, а), массивных элементов значительной толщины – глубинные вибраторы (рис. 5.14 б) с наконечниками различной формы и размеров. Часто применяют одновременно несколько вибраторов, которые собирают в пакеты. Тонкостенные бетонные конструкции, насыщенные арматурой (колонны, несущие стены) уплотняют наружными вибраторами, прикрепляемыми к поверхности опалубки (рис. 5.14, в).

Мелкозернистый бетон обычно укладывают методами торкретирования с помощью цемент-пушки или пневмобетонирования. В первом случае в цемент-пушку засыпают сухую смесь мелкозернистого бетона, которая сжатым воздухом подается по гибкому шлангу к месту укладки бетона. К выходному отверстию гибкого шланга по другому шлангу под давлением поступает в нужном количестве вода. При выходе из отверстия сопла сухая смесь смачивается водой и в готовом виде наносится на бетонируемую поверхность. При таком способе укладки получается мелкозернистый бетон высокой плотности, прочности, морозостойкости и водонепроницаемости.

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 сут. твердения, когда бетон интенсивно набирает прочность (рис. 5.15). Чтобы поверхность бетона предохранить от высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Эффективной является защита поверхности бетона от испарения влаги полимерными пленками, битумными полимерными эмульсиями, что широко осуществляют при строительстве дорожных цементобетонных покрытий.

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 электропрогревом).

На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловлажностную обработку – пропаривание.

С повышением температуры скорость химических реакций взаимодействия цемента с водой увеличивается и твердение бетона ускоряется, но при обязательном условии обеспечения влажности среды. При испарении влаги из бетона его твердение практически прекращается. При этом в обезвоженном бетоне образуются трещины и снижается прочность.

Высокая температура (порядка 60-100 ˚С) при условии обеспечения близкой к 100 % влажности среды значительно ускоряет химические реакции в бетоне, что приводит к увеличению прочности в начальные сроки. Такой вид тепловлажностной обработки называется пропариванием. Прочность бетона, пропаренного в течение 7-14 ч, составляет около 70 % от проектной.

Для получения бетона плотной структуры из подвижных смесей используют способы уплотнения с удалением некоторого количества воды затворения. К ним относятся способы центрифугирования и вакуумирования.

При центрифугировании бетонная смесь уплотняется под действием центробежных сил при вращении формы. Способ используется для изготовления полых трубчатых конструкций.

Уплотнение и отжатие части воды из бетонной смеси при вакуумировании происходит за счет создания разрежения (снижение давления в бетонной смеси). Для повышения эффективности его используют совместно с вибрацией (вибровакуумирование).

 

Свойства бетона

 

К физико-механическим свойствам бетона относится ряд свойств, характеризующих его качество:

- прочность;

- морозостойкость;

- водонепроницаемость;

- деформативность;

- усадка;

- теплопроводность;

- огнестойкость.

 

Прочность бетона

Это важнейший показатель качества конструкционных бетонов.

Под действием внешних нагрузок в бетоне возникают внутренние напряжения сжатия, растяжения, изгиба. Бетон хорошо работает на сжатие и значительно хуже на растяжение. Поэтому в конструкциях его используют, прежде всего, для восприятия сжимающих нагрузок.

Основной характеристикой бетона является прочность на сжатие R_сж, которая контролируется для всех конструкционных бетонов. Прочность на растяжение R_р и растяжение при изгибе R_{р.и .} определяется только в некоторых случаях.

Фактическая прочность бетона при сжатии определяется испытанием контрольных образцов, изготовленных из той же бетонной смеси, что и конструкция, и твердевших в одинаковых с ней условиях. Величина прочности рассчитывается как среднее арифметическое результатов испытаний серии, состоящей из нескольких образцов. Прочность на сжатие определяют испытанием образцов-кубов, с размером ребра 15 см на одноосное сжатие на гидравлическом прессе. Допускается использовать кубы других размеров, но при этом результат следует умножать на соответствующие переходные коэффициенты, для учета масштаба образцов.

Прочность на растяжение при изгибе (R_{р.и .} ) определяют путем испытания балочек квадратного сечения. Размеры образцов зависят от наибольшей крупности зерен заполнителя. Испытания производят по схеме балки на двух опорах, с приложением двух сосредоточенных сил на ½ пролета. Прочность на растяжение при изгибе является одним из показателей назначения (показателей качества) бетона для дорожных и аэродромных покрытий.

Прочность на осевое растяжение (R_р) определяют испытанием образцов-«восьмерок» на разрывной машине. Прочность бетона на осевое растяжение в 15-20 раз меньше, чем прочность на сжатие, и связана с прочностью на растяжение при изгибе соотношением: R_p = 0,58R_р.и..

Для оценки прочности бетона используют его класс или марку.

Марка бетона – численная характеристика какого-либо свойства, определенного как среднее значение результатов испытаний и не учитывающая колебаний свойств во всем объеме бетонируемой конструкции.

Наиболее распространенной характеристикой бетона по прочности на сжатие является марка по прочности на сжатие.

Марку бетона определяют испытанием на осевое сжатие бетонных образцов-кубов размером 15´15´15 см в возрасте 28 суток.

Численной характеристикой марки является среднее арифметическое значение прочности при сжатии образцов, полученное по двум наибольшим значениям в серии из трех образцов. Для марок бетона прочность выражается в кг/см².

Установлены следующие марки тяжелого бетона по прочности на сжатие: М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М400, М500 и выше с интервалом 100 до М1000.

В обозначении используется символ «М», а справа от него цифрой указывают предел прочности при сжатии.

По прочности на осевое растяжение тяжелый бетон имеет следующие марки: Р_t 5, P_t 10 и далее через 5 кгс/см² до P_t 50.

Для бетонов, применяемых для изготовления изгибаемых железобетонных конструкций, введены марки по прочности на растяжение при изгибе: Р_tв 5; P_tв 10 и далее через 5 кгс/см² до P_tв 90; P_tв 100.

Бетон характеризуется неоднородностью структуры, что приводит к неоднородности его свойств. Неоднородность структуры обусловлена изменчивостью свойств материалов, составляющих бетон, колебаниями параметров технологических процессов, влиянием неучтенных факторов (износ оборудования, температура, влажность окружающей среды, погрешности при испытаниях и т. д.).

В связи с изложенным, показатели свойств бетона можно считать величинами случайными, т.е. при испытании образцов одного и того же материала мы получаем разные значения, которые не можем предсказать заранее.

Для оценки случайных величин используются статистические характеристики: среднее арифметическое, среднеквадратическое отклонение S и коэффициент вариации К_в. Последние две характеристики, S и К_в используются для оценки однородности свойств бетона и зависят от разброса, т.е. отклонения данных от среднего значения. Чем больше разброс данных относительно среднего, тем больше значение S и К_в, тем меньше однородность бетона. Среднеквадратическое отклонение рассчитывется по формуле:

(5.25)

где R_i – прочность i -го образца;

n – количество образцов;

– среднее значение прочности, равное

(5.26)

Коэффициент вариации вычисляется по формуле:

(5.27)

Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон. Нормативный коэффициент вариации равен 13,5 %. Он характеризует технологию бетонных работ как удовлетворительную. Для снижения коэффициента вариации необходимо тщательно выполнять все технологические рекомендации, повышать общую культуру производства бетонных работ.

Поскольку марка бетона не учитывает фактическую неоднородность прочности, то это может привести к тому, что прочность бетона в некоторых конструкциях окажется намного ниже требуемой по расчету, тогда как в других будет неоправданно завышена.

В связи с этим используется другая оценка прочности бетона – класс бетона по прочности.

Класс бетона – это численная характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это означает, что свойство бетона, установленное данным классом (например, его прочность), будет обеспечено не менее чем в 95 случаях из 100.

В настоящее время установлены следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В15; В20; В22,5; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В60; В65; В70; В75 и В80.

Класс бетона по прочности на сжатие обозначают латинской буквой «В», а справа от нее указывают предел прочности при сжатии в МПа. Так, например, у бетона класса В35 предел прочности при сжатии должен быть не ниже 35 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95.

В некоторых случаях устанавливают также классы бетона по прочности на осевое растяжение (обозначают символом В_t) и на растяжение при изгибе (В_tв).

Бетон работает на растяжение гораздо хуже, чем на сжатие: предел прочности при растяжении в 10...20 раз меньше, чем предел прочности при сжатии. Поэтому для обеспечения прочности конструкций, работающих на растяжение при изгибе, в бетон закладывают стальную арматуру, которая хорошо работает на растяжение.

Связь между гарантированной прочностью бетона (классом В) и средней прочностью (маркой бетона М) определяется выражением:

(5.28)

где t – статистический критерий, зависящий от обеспеченности. При обеспеченности 0,95 величина t равна 1,64.

Тогда (5.29)

Значение К_в определяется при статистическом контроле прочности на предприятии, а при отсутствии данных принимается равным нормативному: К_в^н = 0,135 (13,5 %). При этом средняя прочность(марка) составит:

(5.30)

В процессе производства бетона контролируется величина средней прочности с учетом класса бетона. Для обеспечения этой прочности проектируют состав бетона.

Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие и растяжение и его соответствующими марками при нормативном коэффициенте вариации К_в приведено в табл. 5.13.

 

Таблица 5.13 - Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности

 

Класс бетона	Средняя прочность бетона данного класса, кгс/см^2	Ближайшая марка бетона	Отклонение средней прочности бетона данного класса от марки, %
Сжатие
В3,5	45,8	М50	-9,2
В5	65,5	М75	-14,5
В7,5	98,2	М100	-1,8
В10	131,0	М150	-14,5
В12,5	163,7	М150	+8,4
В15	196,5	М200	-1,8
В20	261,9	М250	+4,5
В25	327,4	М350	-6,9
В30	392,9	М400	-1,8
В35	458,4	М450	+1,6
В40	523,9	М500	+5,0
В45	589,4	М600	-1,8
В50	654,8	М700	-6,9
В55	720,3	М700	+2,8
В60	785,8	М800	-1,8
В65	851,5	М900	-5,7
В70	917,0	М900	+1,8
В75	932,5	М1000	-1,8
В80	1048,0	М1000	+4,9
Осевое растяжение
Вt0,4	5,2	Рt5	+3,8
Вt0,8	10,5	Рt10	+4,8
Вt1,2	15,7	Рt15	+4,5
Вt1,6	20,9	Рt20	+4,3
Вt2,0	26,2	Рt25	+4,6
Вt2,4	31,4	Рt30	+4,5
Вt2,8	36,7	Рt35	+4,6
Вt3,2	41,9	Рt40	+4,5

 

Кроме марки бетона по прочности существуют марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости.

Марка бетона по морозостойкости F определяется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов, испытываемых в возрасте 28 суток. При этом допускается снижение прочности бетона на сжатие не более, чем на 15 %.

Марку по морозостойкости назначают и контролируют для бетона гидротехнических сооружений, мостовых, дорожных и аэродромных покрытий.

Установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800 и F1000. После символа «F» стоит число циклов замораживания-оттаивания.

Для получения морозостойкого бетона используются бездобавочные портландцементы или с ограниченным их количеством. Содержание 3СаО·SiO₂ ограничивается пределом 45...55 %, а 3СаО·Аℓ₂О₃ – 3...9 %. Крупный заполнитель должен иметь морозостойкость не ниже морозостойкости бетона. Для уменьшения водопотребности и сокращения микропор в бетоне используют различные добавки: ПАВ, воздухововлекающие, гидрофобизирующие и пластифицирующие. Воздухововлекающие добавки создают «резервную» пористость и они наиболее часто применяются. Объем воздухововлечения составляет 4...6 % от объема бетона и более 20 % от объема замерзающей воды.

Обычно для морозостойких бетонов В/Ц £ 0,5.

Марка по водопроницаемости назначается для бетонов конструкций, которые должны обладать ограниченной проницаемостью при одностороннем давлении воды.

За марку по водопроницаемости принимают наибольшее давление воды (кгс/см²), которое выдерживают образцы бетона диаметром и высотой 150 мм при испытании по установленной методике.

Утверждены следующие марки бетона по водопроницаемости (кгс/см²): W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18 и W20.

Для водонепроницаемого бетона на обычных цементах наилучшие условия создаются при его водном твердении, а наихудшие – при воздушно-сухом.