Бетонная смесь и ее свойства

 

Общие сведения. Классификация

 

Бетонная смесь – многокомпонентная полидисперсная смесь, получаемая путем тщательного смешивания в заданных пропорциях вяжущего, воды, добавок и заполнителей.

В бетонной смеси между дисперсными частицами существуют силы взаимодействия, а именно: силы молекулярного сцепления и вязкого трения, вследствие чего она приобретает связность и определенные свойства, характерные для структурированных вязких жидкостей.

Способность бетонной смеси деформироваться и течь под действием внешних сил определяется ее реологическими свойствами, которые оцениваются технологической характеристикой – показателем ее удобоукладываемости.

При наложении на смесь сил вибрации ее первоначальная структура разрушается, уменьшается вязкость и бетонная смесь приобретает текучесть. Как только прекращается внешнее воздействие, смесь снова восстанавливает начальную прочность структуры и приходит в малоподвижное состояние.

Свойство бетонной смеси разжижаться при механическом (вибрационном) воздействии и вновь загустевать после прекращения воздействия называется тиксотропией. Это свойство бетонной смеси широко используется при ее укладке и уплотнении.

Удобоукладываемость смесей изменяется в широком диапазоне: от сверхжестких до литых.

В соответствии с требованиями ГОСТ 7473, в зависимости от показателя удобоукладываемости, бетонные смеси подразделяются на три группы:

- сверхжесткие (СЖ);

- жесткие (ж);

- подвижные (П).

Указанные группы подразделяются на марки по удобоукладываемости (табл. 5.7).

Таблица 5.7 - Классификация бетонных смесей по показателю удобоукладываемости

 

Группа смесей	Марка по удобоукла-дываемости	Норма удобоукладываемости по показателю
жесткости Ж, с	подвижности, см
осадка конуса ОК	расплыв конуса РК
Сверхжесткие	СЖ3	Более 100	-	-
СЖ2	51-100	-	-
СЖ1	50 и менее	-	-
Жесткие	Ж4	31-60	-	-
Ж3	21-30	-	-
Ж2	11-20	-	-
Ж1	5-10	-	-
Подвижные	П1	4 и менее	1-4	-
П2	-	5-9	-
П3	-	10-15	-
П4	-	16-20	26-30
П5	-	21 и более	31 и более

 

Факторы, определяющие удобоукладываемость

Бетонной смеси

 

Расход воды – определяющий фактор удобоукладываемости. С увеличением количества воды улучшается удобоукладываемость за счет уменьшения вязкости цементного теста, а вместе с ней и бетонной смеси в целом.

Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от объема цементного теста, которое играет роль смазки, способствуя более плотному размещению зерен заполнителя.

Минимальное содержание цементного теста для получения нерасслаиваемых и хорошо уплотненных бетонных смесей составляет:

- для жесткой смеси – 170...200 л/м³;

- для подвижной и литой – 220...270 л/м³.

На удобоукладываемость оказывают влияние свойства заполнителей, а именно такие факторы:

- крупность зерен, их форма и поверхность;

- соотношение между мелким и крупным заполнителем.

Влияние крупности зерен заключается в следующем. С увеличением их размера уменьшается суммарная площадь контакта заполнителей с цементным тестом и, таким образом, снижается потребность в нем для «обмазки» заполнителей. При этом повышается подвижность смеси за счет меньшего межмолекулярного сцепления цементного теста с поверхностью заполнителей.

Более подвижные смеси получаются на заполнителях с окатанной формой зерен и гладкой поверхностью. Например, на гравии бетонные смеси имеют большую подвижность, чем на щебне; на плотных заполнителях удобоукладываемость лучше, чем на пористых при одинаковом расходе воды. Загрязняющие примеси обычно снижают подвижность.

Для каждой бетонной смеси имеется оптимальное соотношение между мелким (м) и крупным (к) заполнителем, при котором обеспечивается наибольшая подвижность смеси. При прочих равных условиях такая смесь легче укладывается с формированием более плотной структуры бетона. Оптимальное соотношение (м/к) зависит от многих факторов и определяется экспериментально на стадии проектирования состава бетона.

Эффективным способом регулирования удобоукладываемости бетонных смесей является использование пластифицирующих добавок.

Такие добавки уменьшают расслаиваемость бетонных смесей, повышают их однородность. Однако эффективность действия пластифицирующих добавок снижается в жестких бетонных смесях. В этом случае желательно применять воздухововлекающие добавки в количестве, обеспечивающем воздухововлечение 4...6 % от объема бетонной смеси.

В тесной связи с удобоукладываемостью находятся и такие свойства смесей как их о днородность и расслоение.

Однородность смесей определяется их внутренней связностью, достаточная степень которой не позволяет смесям расслаиваться с отделением воды.

Расслоение смеси (седиментация) часто образуется при транспортировке, укладке и уплотнении смеси. В процессе седиментации происходит оседание твердых частиц под действием силы тяжести. При этом часть воды освобождается и поднимается вверх, образуя сеть сообщающихся капиллярных ходов и полостей под зернами заполнителя. В результате этих процессов структура бетонной смеси становится неоднородной, что в конечном счете приводит к неоднородности структуры затвердевшего бетона.

К расслаиванию склонны подвижные смеси с большим количеством воды затворения. Уменьшить водосодержание бетонной смеси можно путем правильного выбора материалов и соотношения (м/к), использования пластифицирующих добавок.

 

Тяжелый бетон

 

Тяжелым называется бетон плотной структуры, приготовленный на цементном вяжущем, мелком и крупном заполнителях. Это – искусственный строительный материал сложной структуры, состоящий из зерен заполнителей различных размеров, сцементированных в монолит цементным камнем.

Структура бетона

 

Структура бетона – пространственное расположение взаимосвязанных между собой частиц различной дисперсности.

В бетоне различают макро- и микроструктуру.

Макроструктура бетона включает:

- крупный заполнитель (щебень, гравий);

- мелкий заполнитель (песок);

- цементный камень;

- крупные воздушные поры (образующиеся при недоуплотнении бетонной смеси и защемлении воздуха);

- соединительные полосы и трещины (например, от усадки цементного камня или иных причин).

Различают два вида макроструктуры: «контактную» и с «плавающим» заполнителем.

При высокой концентрации зерен заполнителя и малом объеме цементного вяжущего формируется структура с «контактным» расположением зерен заполнителя. В этом случае зерна заполнителя скреплены друг с другом тонким слоем цементного камня, а пустоты между ними заполнены цементным раствором (рис. 5.5, а). Такая структура обеспечивает повышенную прочность бетона при сжатии, снижает опасность трещинообразования.

При увеличенном расходе цемента (подвижные, пластичные смеси) концентрация заполнителей снижается, их зерна не соприкасаются друг с другом. В результате создается структура с «плавающим» расположением зерен заполнителя (рис. 5.5, б).

В этом случае применение высокопрочного заполнителя не эффективно: прочность бетона не увеличивается. Его прочность определяется только прочностью растворной составляющей.

Микроструктура представляет собой неоднородную систему, которая состоит из цементного камня и контактной зоны между цементным камнем и заполнителем (рис. 5.6).

Микроструктура видна при большом увеличении под микроскопом.

В свою очередь, микроструктура цементного камня также представляет собой неоднородную систему, которая включает:

- новообразования из прореагировавших с водой зерен цемента;

- микропоры различных размеров и строения.

Новообразования представлены кристаллическими сростками и гелеобразными массами. Структурная пористость бетона определяется, прежде всего, микропористостью цементного камня, зависящей от начального водосодержания бетонной смеси и воздухововлечением при ее перемешивании.

 

Микропоры в цементном камне

 

Различают три вида пор в цементном камне:

- капиллярные;

- гелевые;

- контракционные.

Капиллярные поры. Их происхождение порождают излишки воды: для химического взаимодействия с цементом достаточно 18...22 % воды от массы цемента, а для получения удобоукладываемой смеси требуется 40...60 % воды. Излишки воды, не вступившей в процесс гидратации цемента, при испарении образуют капиллярные поры.

Размер капиллярных пор изменяется в большом диапазоне: радиус микропор составляет менее 0,1 мкм, а радиус макропор – до 2 мкм. Объем капиллярных пор может находиться в пределах от 0 до 40 % от объема цементного камня.

Ориентировочно объем капиллярных пор можно рассчитать по формуле:

(5.2)

где α – степень гидратации1) цемента в относительных единицах (изменяется от 0 до 1).

При этом, чем больше воды взято при приготовлении бетонной смеси, тем больше образуется капиллярных пор в цементном камне. Например, при увеличении В/Ц от 0,35 до 0,70 капиллярная пористость увеличивается от 25 до 50 %. При В/Ц менее 0,25 капиллярная пористость не образуется.

Гелевые поры. Это самые мелкие поры с размерами от 0,0015 до 0,030 мкм, которые формируются в новообразованиях цементного камня коллоидных размеров. Вода в гелевых порах прочно удерживается адсорбционными силами, что делает гелевые поры практически водонепроницаемыми (кроме того, это объясняется тем, что молекулы воды больше размеров гелевых пор). Гелевая пористость трудно определяема. Поэтому при расчетах ее принимают равной 20 % от массы цемента. Объем гелевых пор составляет 28 % от объема новообразований в цементном камне. Такие поры оказывают влияние на усадку, ползучесть и другие деформативные свойства бетона.

 

Контракционные поры. Такие поры являются замкнутыми. Они образуются в результате уменьшения объема системы «цемент – вода» при ее усадке в процессе гидратации. Объем контракционных пор составляет 7-9 см³ на 100 г цемента. Наличие таких пор способствует повышению морозостойкости и сульфатостойкости бетона.

В среднем, пористость цементного камня составляет около 2,5 %.

 

Общая пористость бетона

 

Общая пористость бетона на плотных заполнителях, как отношение объема пор к объему материала (бетона), описывается уравнением

(5.3)

Здесь В и Ц – расходы соответственно воды и цемента, кг на 1 м³ уплотненной бетонной смеси; α – степень гидратации цемента; δ – степень уплотнения бетонной смеси при укладке (структурная плотность).

Первое слагаемое в числителе дроби соответствует объему пор в цементном камне, а второе – объему пор, образующихся при недоуплотнении бетонной смеси, т.е. когда δ < 1.

Из формулы (5.3) следует, что общая пористость бетона тем выше, чем больше расход воды на 1 м³ бетона, т.е. чем выше водопотребность бетонной смеси и чем меньше δ.

Общая пористость бетона уменьшается во времени с увеличением степени гидратации цемента α и тем интенсивнее, чем больше расход цемента на 1 м³ бетона.

Все факторы, способствующие увеличению степени гидратации цемента, например, такие, как повышенная тонкость помола цемента, благоприятные температурно-влажностные условия в начальный период твердения цемента, правильный уход за свежеуложенным бетоном, исключающий возможность испарения из него влаги в окружающую среду, и др., способствуют уменьшению конечной пористости, т.е. повышению плотности бетона.

При вовлечении воздуха в бетонную смесь образуются сферические, замкнутые, достаточно крупные поры размером 0,1-2,0 мм. Эти поры оказывают положительное влияние на стойкость бетона в некоторых условиях, хотя при этом прочность снижается. Например, для повышения морозостойкости в бетонную смесь специально вводят воздухововлекающие добавки, которые способствуют образованию таких равномерно распределенных по объему, так называемых «резервных пор».

Пористость бетона зависит от степени гидратации цемента и со временем изменяется: общая и капиллярная пористость снижается, гелевая и контракционная увеличивается.