РОЗДІЛ 4. Бетони з неорганічних в'яжучих.

Бетон - штучний кам'яний матеріал, який отримують у резуль­таті твердіння раціонально підібраної суміші в'яжучої речовини, води та заповнювачів. Бетон легко формується, має високу міцність та дов­говічність. В якості заповнювачів для нього використовуються порів­няно дешеві місцеві кам'яні матеріали (до 80% маси).

4.1. Класифікація бетонів

Бетони класифікують за видом в'яжучого, густиною, структу­рою і крупністю заповнювача та призначенням. У будівництві най­більш поширені цементні бетони, але застосовують також бетони на основі вапна, гіпсу, шлако-лужних та інших неорганічних та органіч­них в'яжучих матеріалів. В залежності від густини бетони розділяють

на важкі (1800-2500 кг/м), легкі (500-1800 кг/м), особливо важкі (бі-

льше 2500 кг/м³) та особливо легкі (менше 500 кг/м). При максималь­ній крупності заповнювача менш 5 мм бетони називають піщаними, менш 10 мм - дрібнозернистими, більше 10 мм - крупнозернистими. Розрізняють також щільні, пористі та ніздрюваті бетони. Ніздрювата структура утворюється при введенні в бетонну суміш піно- та газоут­ворюючих добавок, а крупнопориста - за відсутності у складі запов­нювачів піску і обмеженій витраті цементу.

За призначенням бетони діляться на звичайні, гідротехнічні, до­рожні, жаростійкі, для радіаційного захисту, кислотостійкі, декорати­вні та ін.

Гідротехнічний бетон в залежності від розташування у спорудах по відношенню до рівня води розділяється на бетон підводний, що знаходиться у воді постійно, бетон зони перемінного рівня води та надводний.

4.2. Матеріали для бетону

Будівельно-технічні властивості бетону залежать від якості ви­хідних компонентів та їхнього співвідношення у бетонній суміші.

Цементи. При виборі цементу повинні враховуватися необ­хідна міцність бетону та інтенсивність її зростання, агресивний вплив довкілля, конструктивні особливості виробів та умови проведення бе­тонних робіт. Витрата цементу у бетоні буде раціональною, якщо ма­рка цементу у 1,1. 1,5 раз вище марки бетону. Із зменшенням цього співвідношення збільшується витрата цементу, розвиваються усадочні деформації та знижується тріщиностійкість бетону, а при збільшенні - за рахунок недостатнього вмісту цементу спостерігається розшару­вання бетонної суміші, зниження щільності бетону.

Вимоги до хіміко-мінералогічного та речовинного складу бето­ну обумовлені умовами його твердіння та експлуатації. Наприклад, для виробництва збірних залізобетонних конструкцій, що твердіють при тепловологісній обробці, ефективне застосування швидкотверді- ючого портландцементу та шлакопортландцементу. У бетонах, що піддаються поперемінному заморожуванню та відтаюванню, зволо­женню та висиханню, небажано застосування цементів із підвищеним вмістом мінеральних добавок, а також трикальцієвого алюмінату (С₃А < 8 %). Для масивного гідротехнічного бетону, що вкладається у греблі і дамби, вимагаються низькотермічні цементи. Для гідротехні­чного бетону із покращеними властивостями застосовуються пласти­фіковані гідрофобні цементи. У виробництві конструкцій, як правило, віддають перевагу цементам із помірним або зниженим вмістом три- кальцієвого алюмінату та нормальною густотою цементного тіста (23­28%), що не виявляють ознак несправжнього тужавлення.

Так, при виготовленні залізобетонних напірних труб повинен застосовуватися портландцемент марки М500 та вище, що має поча­ток тужавлення не раніше 2.5 год, С₃А не більше 6% і нормальну гус­тоту не більш 26%.

При виготовленні безнапірних залізобетонних труб бажано за­стосовувати портландцемент, що має наступний мінералогічний склад, %: С38 - 50, С28 - 25, С3А - 4...6, С4АБ - 10 і Са804 - 3.5. Бетон, застосований для виготовлення залізобетонних лотків зрошувальних систем, повинен виготовляться на портландцементі або сульфатостій­кому портландцементі марки не нижче М400 із розрахунковим вміс­том трикальцієвого алюмінату не більш 5%.

Для замішування бетону, промивання заповнювачів та вологіс- ного догляду за бетоном рекомендується застосовувати звичайну пит­ну воду. Не допускаються болотні та стічні води; води, забруднені шкідливими домішками (кислоти, солі, масла та ін.); води, що мають водневий показник рН менш 4 або вміщують більше 0,27 % сульфат- іонов.

Заповнювачі. Для приготування бетону застосовують дрібний та крупний заповнювачі. Дрібним заповнювачем служить пі­сок - природна або штучна мінеральна суміш зерен розміром від 5 до 0.16 мм. Дрібний заповнювач призначений для зниження витрати це­ментного тіста, що заповнює пустоти між зернами крупного заповню­вача, та запобігання розшаруванню бетонної суміші. Якість його за­лежить від структурно-мінералогічних особливостей, форми і крупно- сті зерен, вмісту різних фракцій (зернового складу), шкідливих домі­шок. В звичайному важкому та гідротехнічному бетоні застосовують природні або кварцеві польовошпатні піски та піски, що одержуються подрібненням щільних морозостійких гірських порід до крупності не більше 5 мм. Застосування пісків, що складаються із зерен осадових порід (щільних вапняків, доломіту та ін.), а також пористих виверже­них порід (туфу, пемзи та ін.), допускається лише після проведення лабораторних досліджень і при техніко-економічному обгрунтуванні.

Критерієм крупності піску є модуль крупності, під яким розу­міють суму повних залишків при просіюванні дрібного заповнювача на стандартних ситах, %, поділену на 100:

 

М

кр

 

Повний залишок - це сума залишків на даному і більш крупних ситах, що входять у комплект для просіювання (% від маси проби). Піски поділяють на крупні (М_кр = 3,5...2.5), середні (Мкр = 2,5...2) та дрібні (Мкр = 1,5...2).

\

Поряд з крупністю піску важливе значення має його порожнис­тість У_п, або об'єм міжзернового простору, %:

/

 

р)

V = 1

^ р

 

де р₀,р - насипна густина і густина піску.

Порожнистість піску залежить від зернового складу (рис. 4.1), який повинен відповідати стандартній кривій просіювання. Крупність та зерновий склад піску у значній мірі впливають на витрату цементу у бетоні. Із зменшенням крупності та збільшенням міжзернової пусто- тності росте питома поверхня піску та збільшується витрата цемент­ного тіста. При використанні дрібних пісків доцільно застосовувати укрупнюючі добавки, наприклад крупні фракції природного чи дроб­леного піску. Застосування дрібних пісків допускається при техніко- економічному обгрунтуванні. Водопотреба та витрата цементу при використанні дрібних пісків і пісків із несприятливим зерновим скла­дом зростають на 8.20%.

Розмір отворів контрольних ситІ мм Рис. 4.1. Рекомендований зерновий склад пісків для гідро­технічного бетону

 

Після випробувань у багатьох випадках можуть бути використа­ні в бетоні піски з попутньо добутих порід та відходів промисловості.

5 5

Подрібнені піски залежно від міцності вихідної гірської породи поді­ляються на чотири марки: М1000, М800, М600 та М400. Вивержені та метаморфічні гірські породи, що використовуються для виробництва подрібнених пісків, повинні мати границю міцності на стиск не менше 60 МПа.

Основні властивості бетону залежать від зчеплення цементного каменя із заповнювачами, на яке впливають форма та характер їх по­верхні, наявність глини та пилу, інших шкідливих домішок, хіміко- мінералогічний склад заповнювача. Зчеплення збільшується при гост­рокутній формі та шорсткій поверхні зерен, характерній, наприклад, для гірського (ярового) піску, або за рахунок хімічної взаємодії при використанні карбонатних порід.

Глинисті та пиловидні частинки завдяки високорозвинутій по­верхні суттєво збільшують водопотребу бетонних сумішей, обволіка­ють зерна заповнювачів та зменшують його зчеплення з цементним каменем. Крім того, найбільш дрібні пилуваті частинки (<0,08 мм) знижують морозостійкість бетону.

Допустимий вміст пиловидних та глинистих частинок норму­ється в залежності від виду заповнювача та призначення бетону. Для звичайного природнього піску він не повинен перевищувати 3%, по­дрібненого - 4%, для фракційованих природних та подрібнених пісків - відповідно 2% та 3%. Спеціальні обмеження вмісту пиловидних та глинистих домішок встановлені для піску, що використовується при виготовленні бетону гідротехнічних споруд, водопропускних труб, транспортних споруд. Наприклад, для бетону зони змінного рівня во­ди гідротехнічних споруд вміст у піску пиловидних та глинистих до­мішок не повинен перевищувати 2%, надводного бетону - 3%, підвод­ного бетону та бетону внутрішньої зони - 5%.

До інших шкідливих домішок в заповнювачі належать включен­ня слюди, сірчасті та сірчанокислі сполуки, оксиди та гідроксиди залі­за, мінерали, що містять аморфні різновиди кремнезему, органічні до­мішки тощо. Вони погіршують структуру бетону, негативно вплива­ють на процес твердіння цементного каменя, викликають його коро­зію.

На долю к р у п н о г о з а п о в н ю в а ч а (гравію або щебеню), що утворює жорсткий каркас бетону, припадає приблизно 50% від усієї його маси.

Г р а в і й - рихла осадова порода, утворена в результаті вивіт­рювання щільних гірських порід. Крупність зерен гравію коливається
від 5 до 70 мм. Для гравію характерні окатана форма зерен і в більшо­сті випадків підвищений вміст пилуватих частинок та зерен слабких порід.

Щ е б і н ь - продукт подрібнення гірських порід. Щебінь одер­жують також з гравію, валунів, доменних, сталеплавильних та інших шлаків.

Якість крупного заповнювача, як і піску, визначається крупніс- тю, зерновим складом (рис.4.2), формою, поверхнею зерен та вмістом домішок. Суттєве значення мають петрографічні особливості, міцність вихідної породи, водостійкість та морозостійкість.

 

	От
....
		г

& § а < І 60

(5 чи 3 мм)

І бо

№

0>^5Фтт^+ Вшах)

1,25 Оп

 

Рис. 4.2. Рекомендований зерновий склад крупного заповнювача

для гідротехнічного бетону.

Максимальний розмір крупного заповнювача не повинен пере­вищувати 1/4 мінімального перерізу конструкції. В залізобетонних конструкціях крупність заповнювача приймають меншою 2/3 відстані між стержнями арматури.

Для забезпечення оптимального зернового складу щебінь або гравій поділяють на окремі фракції, які потім змішують у рекомендо­ваних співвідношеннях. Як правило, використовують фракції 5.10, 10.20, 20.40, 40.70 мм.

В бетоні гідротехнічних та інших масивних споруд при техніко- економічному обгрунтуванні допускається використовувати щебінь та

гравій крупністю до 150 мм і більше.

Д о б а в к и д о б е т о н і в. Добавками для бетонів служать неорганічні та органічні речовини або їх суміші (комплекси), за раху­нок введення яких регулюються або забезпечуються спеціальні влас­тивості бетонних сумішей та бетонів. За основним ефектом дії добав­ки поділяють на наступні види:

- ті, що регулюють реологічні властивості, тужавлення та пористість бетонних сумішей, твердіння бетону;

- ті, що надають бетону спеціальні властивості;

- ті що регулюють і водночас надають різні властивості бетонним сумішам та бетонам (поліфункціональної дії);

- мінеральні порошки - замінники цементу.

Основні напрямки вдосконалення технології бетону з викорис­танням хімічних добавок пов'язані зі зниженням витрат праці при ви­конанні робіт на заводах збірного залізобетону та у монолітному буді­вництві, значним скороченням частки важких ручних операцій, під­вищенням якості бетону, його міцності, морозостійкості, водонепро­никності та корозійної стійкості, економією цементу. З допомогою добавок вдається змінювати та регулювати умови та строки твердіння бетону, надавати йому нові властивості, наприклад бактерицидність, гідрофобність, здатність твердіти на морозі тощо.

Найбільш розповсюдженими є п л а с т и ф і к у ю ч і д о б а в к и та розроблені в кінці 70-х років с у п е р п л а с т и ф і к а т о р и (С-3, С-4, 10-03 та ін.).

Використання суперпластифікаторів дозволяє знижувати трудоє- мність формування залізобетонних виробів в 2.4 рази і бетонування монолітних конструкцій та споруд в 5.7 разів, в ряді випадків повні­стю виключити вібрацію або замінити її короткочасним струшуван­ням, скоротити витрати палива та електроенергії, економити до 25% цементу.

Великі можливості регулювання водопотреби бетонної суміші за допомогою суперпластифікаторів і значного зниження водоцементно- го відношення забезпечують одержання високоміцних бетонів. Поряд з індивідуальними все більшого розповсюдження отримують к о м п - л е к с н і д о б а в к и з більш універсальним ефектом.

Дисперсні мінеральні добавки (наповнювачі) поділяють на актив­ні та інертні. Інертні добавки отримують тонким подрібненням пісків, вапняків, доломітів, лесу та інших порід, яким не притаманна гідрав­лічна активність. До активних мінеральних добавок (діатомітів, трепе- лів, опоки, зол, гранульованих доменних шлаків та ін.), що вводяться до бетонної суміші, висуваються ті ж вимоги, що й при отриманні портландцементу, пуцоланового та шлакопортландцементу. За тонкіс­тю помелу вони повинні бути близькими до цементу.

При використанні мінеральних добавок небажаним є збільшення водопотреби бетонної суміші.

Однією з ефективних добавок, що вводяться до бетону замість ча­стини портландцементу, є зола-винос ТЕС. Доля її може досягати 30% маси в'яжучого.

4.3. Основи технології та властивості бетонної суміші

Під бетонною сумішшю розуміють ретельно перемішану суміш в'яжучого, води, заповнювачів та добавок, взятих у необхідних про­порціях.

Бетонні суміші виготовляють на бетонозмішувальних вузлах, бетонних заводах або цехах заводів залізобетонних виробів.

При невеликих відстанях від заводу до будівельних об'єктів бе­тонна суміш може бути виготовлена в автобетонозмішувачах в проце­сі транспортування або безпосередньо на об'єкті з сухої суміші цемен­ту із заповнювачами.

Процес виробництва бетонної суміші складається з слідуючих технологічних операцій: підготовки матеріалів, дозування, змішуван­ня.

Підготовка матеріалів для бетонної суміші включає очищення заповнювачів від шкідливих домішок та розподіл їх на фракції, що виконується на дробильно-сортувальних заводах. При зимовому бетонуванні використовують підігрівання заповнювачів та води.

Дозування сипких матеріалів виконують за масою. Пористі за­повнювачі дозують за об'ємом з корекцією за масою. Похибка дозу­вання цементу, води та добавок не повинна перевищувати ±2%, запо­внювачів ±2,5%.

Основною стадією при виробництві бетонної суміші є перемі­шування, від ретельності якого залежать міцність та однорідність бе­тону. Залежно від способу перемішування бетонозмішувачі бувають двох основних типів: вільного падіння та примусового перемішуван­ня.

Бетонозмішувачі вільного падіння (гравітаційні) мають бараба­ни у вигляді циліндра або двох конусів, поєднаних основами. Пере­мішування відбувається за рахунок захоплення суміші лопатями при

59

обертанні барабану з наступним її вільним падінням.

Для перемішування жорстких бетонних сумішей, а також сумі­шей на пористих заповнювачах більш ефективними є змішувачі при­мусового перемішування. В них однорідність бетону підвищується за рахунок обертання лопатей у нерухомому барабані, або у барабані, що обертається у протилежному напрямку.

До основних технологічних властивостей бетонної суміші відно­сять рухливість, жорсткість та розшаровуваність. Ці властивості хара­ктеризують легкоукладальність та однорідність бетонної суміші.

Рис. 4.3. Визначення рухливості бетонної суміші: а - загальний вид зрізаного конуса для дослідження; б - жорстка суміш; в - ма­лорухлива; г - рухлива; д - дуже рухлива; е - лита.

г а е

До жорстких відносять суміші, для яких осадка конусу близька до нуля. Жорсткість (Ж) характеризується часом вібрування ко­нусу з бетонної суміші, необхідним (при використанні спеціального приладу) для його деформації та перетворення у рівновеликий ци­ліндр. Одним з найважливіших факторів, що визначає показники легко- укладальності, є водовміст (В) бетонної суміші (рис.4.4). Водопотре- ба бетонної суміші, тобто водовміст, необхідний для досягнення по-

Під рухливістю бетонної суміші розуміють її здатність розпливатися під дією власної маси. Характеристикою рухливості є осадка конуса (ОК) бетонної суміші, ущільненої штикуванням (рис.4.3). Суміші, що мають осадку конусу 5...15 см, вважаються рух­ливими, вони легко перемішуються і вже при невеликій механічній дії заповнюють форму. При осадці конусу 1.4 см суміші малорухливі, а понад 15 см - литі.

трібної рухливості та жорсткості, залежить від типу та кількості цеме­нту, питомої поверхні та пустотності заповнювачів, форми та характе­ру їх поверхні, співвідношення дрібного та крупного заповнювача, тривалості витримки суміші до її укладання, виду та вмісту пластифі­куючих добавок та ін.

Рис. 4.4. Графік водопотреби рухливої (а) і жорсткої (б) бетонної суміші, виготовленої з використанням портландцементу, піску середньої крупності і гравію найбільшої крупності: 1 - 80мм: 2 - 40мм: 3 - 20мм: 4 - 10мм.

 

Рухливість та жорсткість бетонних сумішей призначаються зале­жно від особливостей конструкцій, щільності армування, способу транспортування та ущільнення.

Залежно від легкоукладальності бетонні суміші поділяють на ма­рки (табл. 4.1).

	Норми		Норми
Марки	за жорсткіс­	за рухли­	Марки	за жорсткіс­	за рухли-
	тю, с	вістю, см		тю, с	вістю, см
Ж4	31 і більше	—	П1	1.4	4 і менше
Ж3	21.30	—	П2	—	5.9
Ж2	11... 20	—	П3	—	10.15
Ж1	5.10	—	П4	—	16 і біль­ше

Таблиця 4.1. Марки бетонної суміші за

легкоукладальністю

 

Для тонкостінних насичених арматурою виробів потрібна більша рухливість суміші, ніж для масивних малоармованих конструкцій. При

використанні сучасних способів ущільнення, особливо в заводських умовах, з'являється можливість підвищити жорсткість бетонних сумі­шей, що веде до економії цементу і покращує ряд будівельних власти­востей бетону.

Поряд з необхідною легкоукладальністю бетонних сумішей важ­ливо забезпечити їх однорідність, яка вимірюється ступенем розшару­вання сумішей при зберіганні та транспортуванні. Розшарову - в а н і с т ь бетонних сумішей розвивається в результаті седимента­ційних явищ внаслідок різної густини компонентів бетону. Застосу­вання суміші, що розшаровується, веде до нерівномірного розподілу в бетоні заповнювачів та цементного каменю та погіршення властивос­тей бетону. Зменшення розшарування спостерігається при зниженні водовмісту, введенні тонкомелених мінеральних добавок, поверхнево- активних речовин.

Бетонні суміші транспортуються на будівельні об'єкти автобето- нозмішувачами або автобетоновозами. Допускається перевезення бе­тонної суміші автосамоскидами.

До місця виконання робіт бетонна суміш може подаватися ванта­жними кранами, по лотках, стрічкових конвеєрах, трубопровідним транспортом.

4.4. Ущільнення бетонної суміші і догляд за бетоном

Бетонну суміш вкладають у форму або опалубку із попередньо встановленою арматурою і закладними деталями.

Якість укладки визначається ефективністю ущільнення матеріа­лу по всьому об'єму, запобіганням розшаровування. Зменшення щіль­ності бетону на 1 % веде до зниження його міцності приблизно на 5 %. Коефіцієнт ущільнення К_ущ повинен бути не меншим 0,97...0,98, а для бетону підвищеної щільності не менше 0,99:

_К = ^р о.ф

^УЩ" Р о

де р₀.ф - фактична середня густина ущільненої бетонної суміші; р_о - розрахункова середня густина.

Ущільнення бетонних сумішей можна здійснювати вібруванням, вакуумуванням, пневматичним бетонуванням (торкретуванням), а та­кож прокатуванням, пресуванням, центрифугуванням та ін.

Найбільш розповсюдженим та ефективним способом ущільнен­ня є вібрування. При цьому ущільненні використовуються віб-

рації з частотою від 10 до 50 Гц. Для монолітних конструкцій викори­стовують два види вібрування - глибинне та поверхневе. Глибинне вібрування засноване на зануренні до суміші робочого органу вібра­тору, його використовують для ущільнення бетонних сумішей з осад­кою конусу понад 1 см.

Поверхневе вібрування рекомендується для ущільнення бетон­них покрить, доріг, підлог і т. д. При поверхневому вібруванні добре ущільнюється шар глибиною 20...30 см.

На заводах збірного залізобетону вироби, як правило, формують на спеціальних віброплощадках. При формуванні виробів у нерухомих формах використовують поверхневі, глибинні та навісні вібратори. Останні прикріплюють до форми.

Поряд із ущільненням необхідно забезпечити і необхідний до­гляд за бетоном у період його твердіння. Сприятливий температурно- вологісний режим запобігає значним усадочним деформаціям, сприяє нормальному структуроутворенню. В літній час поверхня свіжоукла- деного бетону повинна бути захищена від дії сонячних променів і віт­ру за допомогою плівкоутворюючих матеріалів, мішковини, вологої тирси, піску та ін. В суху погоду відкриті поверхні витримують в во­логому стані до досягнення бетоном 50-70% проектної міцності.

4.5. Структура, твердіння і властивості бетону

С т р у к т у р а б е т о н у. Властивості бетону у значній мірі за­лежать від його структури, тобто, його будови. Бетон складається із цементно-піщаного розчину, крупного заповнювача і пор різних роз­мірів та походження. В бетоні можна виділити макроструктуру, що характеризує систему цементно-піщаний розчин - крупний заповню­вач, мезоструктуру - структуру цементно-піщаного розчину і мікро­структуру - структуру цементного каменю.

Макро- мезоструктуру бетону розділяють на три види (рис. 4.5): базальну, пористу і контактну. В структурі першого виду вміст роз­чинної частини (або цементного тіста) значно перевищує обсяг пус­тот, і зерна заповнювача немов би "плавають" в матриці. При пористій структурі, яка найбільш характерна для бетону, розчинна частина за­повнює пори крупного заповнювач і в незначній мірі розсовує зерна. Нарешті, при контактній структурі прошарок цементно-піщаного роз­чину настільки тонкий, що його вистачає лише на часткове заповнен­ня пор, і між зернами заповнювача створюється безпосередній кон­такт.

По мірі переходу від базальної структури до контактної зростає вплив заповнювачів на властивості бетону. Можна виділити три осно­вних параметри, що характеризують цей вплив: об'ємна концентрація цементного каменю у бетоні, водоцементне відношення (особливо у кінці періоду формування структури) і ступінь гідратації цементу. За допомогою цих параметрів можна визначати обсяг і вид пор у бетоні,

Рис. 4.5. Схема макроструктур бетону а - з базальною цементацією; б - порова; в - контактна.

 

прогнозувати його властивості та модифікацію їх в часі.

В цементному камені та бетоні можна виділити три основні гру­пи пор в залежності від походження: капілярні, гелеві та контракційні. Капілярні пори утворюються в результаті випаровування надлишкової води, об'єм якої може складати від 5 до 20% об'єму бетону. Вони ма­ють розмір більше 0,1 мкм і разом із іншими, порівняно крупними по­рами і порожнинами, утвореними при розшаруванні бетонної суміші і защемленні повітря при ущільненні, знижують основні технічні влас­тивості бетону. Найдрібніші гелеві пори утворюються внаслідок випа­ровування адсорбційно зв'язаної води на поверхні продуктів гідратації цементу. Контракційні пори (10^-5...10^-4 см) є наслідком хімічної осад­ки, або контракції, - зменшення об'єму гідратів у порівнянні з сумар­ним вихідним об'ємом цементу і води. Особливий вид пор, заповне­них повітрям, утворюється в цементному камені при введенні поверх­нево-активних речовин. Ці пори, також як і контракційні, при запов­ненні їх повітрям позитивно позначаються на морозостійкості бетону. Вони служать немов би резервними ємностями, куди відтісняється вода при замерзанні.

Твердіння і міцність бетону. Твердіння бетону супроводжується комплексом фізичних і хімічних процесів, в резуль­таті яких формуються певна структура і властивості бетону. Найваж­ливішою для бетону властивістю є міцність, яка головним чином за­лежить від активності цементу (Я_ц) і водоцементного (В/Ц) або цемен­тно-водного (Ц/В) відношення. Із підвищенням активності цементу і цементно-водного відношення при належному ущільненні міцність бетону зростає практично лінійно. Ця найважливіша у технології бе­тону залежність виражається формулою:

(Ц І

Я б = АЯ Ц [Ц - СІ,

V^В у

де А, С - емпіричні коефіцієнти, що враховують вплив якості запов­нювачів та інших факторів (в середньому А = 0,6, С = 0,5). З формули слідує, що при постійних матеріалах, технології виготовлення та умо­вах твердіння міцність бетону визначається цементно-водним відно­шенням, тобто відношенням маси цементу до маси води у бетонній суміші. Ця закономірність є наслідком залежності міцності бетону від пористості: із збільшенням Ц/В (зменшенням В/Ц) зменшується кіль­кість надлишкової води, що не вступає у взаємодію із цементом, і зменшується пористість бетону (рис. 4.6). На практиці фактичне зна­чення міцності може відхилятися від визначеного по формулі, наведе­ної вище. Це пояснюється тим, що в дійсності міцність бетону зале­жить, хоч і в меншій мірі, ніж від Я_ц і Ц/В, від ряду інших факторів: виду цементу, властивостей заповнювачів та ін. Міцність бетону збі­льшується із часом в залежності від виду цементу і складу бетону. Приблизно зростання міцності через п діб (п>3) можна прогнозувати за допомогою формули

28 ^п

^Кб = ^Кв ів28"

Зростання міцності бетону з часом визначається також темпера- турно-вологісними умовами твердіння. Для нормального твердіння необхідно зберігати достатню вологість бетону. З підвищенням тем­ператури при необхідній вологості в результаті прискорення хімічних процесів взаємодії цементу з водою твердіння бетону прискорюється. Найбільш розповсюдженим способом прискорення твердіння бетону є пропарювання при температурі до 1000 °С. Рідше використовують електропрогрівання, автоклавне твердіння та інші способи термічної обробки. З пониженням температури, і особливо з наближенням її до 0⁰ С, твердіння бетону різко сповільнюється, а в області від'ємних те­мператур не відбувається взагалі, що пояснюється замерзанням води замішування і припиненням процесів гідратації цементу. При зимово­му бетонуванні використовується ряд спеціальних технологічних при­йомів, які забезпечують твердіння за рахунок тепла, що виділяється при гідратації цементу (спосіб термоса), при пропусканні електрично­го струму (електропрогрівання) або внаслідок зниження температури

					—,
	Л	її
/		\
			ч	V
				N	N

Водоцемєнтне відношення

 

Рис. 4.6. Залежність міцності бетону від водоцементного відношення.

замерзання води при введенні спеціальних добавок та ін.

Основною властивістю бетону як конструкційного матеріалу є міцність. Границю міцності знаходять випробуванням контрольних зразків, виготовлених із суміші заданого складу або висвердлених з бетонної споруди. При випробуванні на границю міцності при стиску використовують зразки-куби (рідше циліндри) з розміром ребра від 30 до 7 см в залежності від крупності заповнювача, що використовується. Еталонними є зразки-куби з розмірами ребра 15 см. Для зразків-кубів з розмірами ребер 7; 10; 15; 20; 30 см масштабні коефіцієнти прийма­ють відповідно рівними 0,85; 0,91; 1,0; 1,05 та 1,1.

Основними показниками міцності бетону, що нормується, є його клас, тобто міцність (в МПа), яка приймається з гарантованою забез­печеністю. Встановлена, як правило, забезпеченість міцності 0,95 означає, що границя міцності бетону, яка відповідає чисельному зна­ченню класу, досягається не менше ніж у 95 випадків із 100. Для важкого бетону стандартизовані класи:

- за міцністю на стиск: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В22,5; В25; В30; В35; В37,5; В40; В45; В50; В55; В60;

- за міцністю на осьовий розтяг: ВД8; ВД,2; В_г2; В_г2,4; В_г2,8; В_г3,2.

За чисельним значенням марки бетону з урахуванням коефіцієн­та варіації (мінливості) визначають його клас за міцністю.

Між класом бетону В та середньою міцністю партії, що контро­люється, існує залежність:

В = Р (1 - 1,64 С V)

де Су - коефіцієнт варіації міцності бетону.

Коефіцієнт варіації міцності бетону знаходять за формулою:

С. = І _

де 8 - середнє квадратичне відхилення для партії бетону; Я - середня міцність бетону в партії, тобто середнє арифметичне одинич­них результатів.

Для переходу від класу бетону до середньої міцності при норма­тивному коефіцієнті варіації 13,5% (який приймається при проекту­ванні конструкцій з важкого та легкого бетонів) можна використову­вати формулу Р = В /0,778, де В - чисельне значення класу бетону.

Інтервал часу (вік бетону), через який визначається марка та клас, залежить від виду бетону та ряду виробничих умов. Його при­ймають, як правило, рівним 28 діб нормального твердіння, тобто при температурі (20±2)⁰С та відносній вологості повітря не нижче 90%. В разі необхідності вік бетону може бути збільшений до 90 або 180 діб, що сприяє економії цементу.

Неруйнівні методи дозволяють оперативно визначити міцність бетону безпосередньо у виробах та конструкціях і врахувати інші ви­робничі фактори: відхилення від заданого складу, умови укладки, тве­рдіння та ін. Найбільш поширені механічні методи неруйнівного кон­тролю, які грунтуються на залежності міцності бетону від інших ме­ханічних властивостей, а також фізичні методи, що грунтуються на залежності міцності бетону від швидкості розповсюдження ультразву­кових коливань в ньому (рис. 4.7 і 4.8).

Властивості, що визначають довговічність бетону. Основни­ми природними і експлуатаційними факторами, агресивно діючими на бетон споруд, є: багатократне поперемінне заморожування і відтаю- вання, зволоження і висушування; хімічна дія мінералізованих грун- тових і поливних вод; механічний вплив донних і зважених наносів і льоду, та інш.

В залежності від умов роботи у спорудах до бетону ставляться спеціальні вимоги по морозостійкості, водонепроникності, водостій­кості, зносостійкості.

Рис. 4.7. Молоток конструкції К.П. Кашкарова: а - схема; б -тарувальний графік; 1 - корпус; 2 - стакан; 3 - головка; 4 - пружина; 5 - сте­ржень; 6 - кулька; Б - діаметр відбитку на бетоні; ё - діаметр відбитку еталону

М о р о з о с т і й к і с т ь бетону характеризується найбільшим числом циклів поперемінного заморожування і відтаювання, що спро­можні витримати зразки проектного віку без зниження міцності більш ніж на 5%, і призначається в залежності від кліматичних умов району будівництва з урахуванням особливостей експлуатації конструкцій (табл. 4.2). Для важкого гідротехнічного бетону звичайно признача­ються проектні марки бетону по морозостійкості: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500.

Рис. 4.8. Схема ультразву­кового імпульсного приладу 1 - бетонний зразок; 2 - випромі­нювач; 3 - генератор випроміню­вання; 4 - задаючий генератор; 5 - вичікувальна розгортка; 6 - гене­ратор міток часу; 7 - електронно- променева трубка; 8 - підсилювач; 9 - приймач

Таблиця 4.2. Марки бетону по морозостійкості Кліматичні умови Найбільше число циклів до 50 50-75 75-100 100-150 150-200 Помірні (від 0 до -10°С)           Сурові (від -10 до - 20 °С)

 

Примітка. При числі циклів понад 200 і середньомісячній температурі найбільш холодного місяця нижче -20⁰С марка бетону по морозостій­кості обгрунтовується особливо. Можливі і більш високі марки бетону за морозостійкістю.

Морозостійкість залежить насамперед від співвідношення в бе­тоні обсягу умовно-замкнутих і відкритих пор. Умовно-замкнуті пори заповнені повітрям. При замерзанні води у бетоні вони є резервними і послаблюють тиск льоду. Резервні пори утворюються в бетоні в ре­зультаті хімічної усадки при твердінні (контракції) і при введенні спе­ціальних добавок, що сприяють втягненню в бетонну суміш бульба­шок повітря або виділенню газу. Відкриті пори - результат наявності в бетоні надлишкової, тобто не вступившої у хімічну взаємодію з цеме­нтом води, і недоущільнення бетонної суміші. Високою морозостійкі­стю буде володіти бетон, об'єм резервних пор якого в одиниці об'єму більше можливого приросту об'єму води, що наповняє відкриті пори, при переході її в стан льоду. Такий приріст об'єму становить прибли­зно 8%.

На практиці морозостійкість бетону підвищують, зменшуючи В/Ц (В/Ц < 0,6) і вводячи повітрявтягуючі добавки. Для морозостійких бетонів необхідно також застосовувати портландцемент із зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату (< 8 %) і активних мінеральних добавок, а також морозостійкі заповнювачі.

В о д о н е п р о н и к н і с т ь б е т о н у характеризується най­більшим тиском, при якому не спостерігається просочування води крізь зразки. Для бетонних конструкцій товщиною 150 мм і більше водонепроникність визначають на зразках-циліндрах діаметром і ви­сотою 150 см. Для бетонних тонкостінних конструкцій водонепроник­ність рекомендується визначати на зразках-плитках розмірами 10^х10, 15^х15 або 20^х20 см і товщиною, рівній товщині конструкції або гідро- ізолюючого шару.

Марка по водонепроникності призначається в залежності від на­пірного градієнта (відношення максимального напору води до товщи­ни конструкції) і характеру призначення конструкції (табл. 4.3).

При напірному градієнті до 5 рекомендується марка В4, від 5 до 10 - В6, від 10 до 12 - В8, 12 і більше - В12. Інтенсивність фільтрації води оцінюється коефіцієнтом фільтрації

_ О -5

^{к ф} _ ^{п к п} б Т - Т Р'

де Q - кількість фільтрату, см³; 5 - товщина зразка, см; п - коефіцієнт, що враховує в'язкість води при різній температурі; 8 - площа зразка, см, т - час випробування зразка, с; АР - різниця тиску води на вході і виході зразка, МПа; к_п - коефіцієнт, що залежить від діаметру зразка.

Основними шля