В практике производства бетонных работ для оценки свойств бетонной смеси используют технические характеристики. Самая важная характеристика — удобоукладываемость, т.е. способность бетонной смеси заполнять форму при заданном способе уплотнения и образовывать в результате уплотнения плотную, однородную массу. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность, жесткость и связность смеси.
Подвижность бетонной смеси определяют по осадке стандартного конуса (рис. 6.3). Усеченный конус изготовляют из тонкой листовой стали следующих размеров: высота 300 мм, диаметр нижнего основания 200, верхнего — 100 мм. Конус устанавливают на горизонтальной площадке, не впитывающей влагу. Берут пробу бетонной смеси, например, из автобетоносмесителя. Конус наполняют в три приема, каждый раз уплотняя смесь 25 ударами металлического стержня-штыковки. Поверхность смеси заглаживают, затем конус снимают и устанавливают рядом. Под действием силы тяжести бетонная смесь деформируется и оседает. Разность высот металлической формы конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в сантиметрах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают подвижность пластичных бетонных смесей.
Жесткость смесей, у которых значение ОК = 0, характеризуют показателем жесткости, определяемым на приборе (рис. 6.4), который представляет собой металлический цилиндр 2 диаметром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на лабораторную виброплощадку 1 со стандартными характеристиками частоты (50 Гц) и амплитуды колебаний (0,5 мм в ненагруженном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус 3 и заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении подвижности. После этого конус снимают и, поворачивая штатив, опускают стальной диск 4 на бетонную смесь. Общая масса диска с шайбой и штангой составляет около 2750 г, что создает при уплотнении пригруз 0,9 кПа. Включив виброплощадку, смесь подвергают вибрации до тех пор, пока цементное тесто не начнет выделяться из всех отверстий диска. В этот момент вибратор выключают. Время, необходимое для уплотнения смеси в приборе, называют показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.
В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси.
Связность — это способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. В результате уплотнения смеси частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и полости под зернами крупного заполнителя. Крупный заполнитель, плотность которого отличается от плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), также перемещается в теле бетонной смеси. Если заполнитель плотный и тяжелый, например гранитный щебень, частицы его оседают (рис. 6.5 б), пористые легкие заполнители — керамзит, аглопорит — всплывают. Все это ухудшает структуру бетона, делает его неоднородным, увеличивает водопроницаемость и снижает морозостойкость. Чтобы повысить связность и предотвратить расслоение бетонной смеси, необходимо правильно назначать количество мелкого заполнителя в составе бетона, а также сокращать расход воды затворения, используя пластифицирующие добавки.
Рис. 6.3. Определение удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса:
1 — опоры; 2 — ручки; 3 — конус; ОК — осадка конуса
На удобоукладываемость бетонных смесей оказывает влияние содержание цементного теста, воды, вид цемента, крупность и форма зерен заполнителей, соотношение между крупным заполнителем и песком, чистота заполнителей, поверхностно-активные добавки.
Содержание цементного теста. Чем больше в бетонной смеси цементного теста (цемент + вода), тем выше ее удобоукладываемость. Цементного теста должно быть достаточно для заполнения пустот и обволакивания зерен заполнителей с некоторой раздвижкой. С толщиной слоя трение между зернами уменьшается, и удобоукладываемость бетонной смеси повышается.
Подвижность смеси при расходе цемента от 200 до 400 кг/м3 зависит, в основном, от расхода воды. Эта закономерность называется законом постоянства водопотребности.
Содержание воды. С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси увеличивается. Однако ее количество должно быть оптимальным, с тем чтобы не происходило расслоения, которое сопровождается осаждением заполнителей и выделением воды на поверхности уложенного бетона. В бетоне на портландцементе этого не происходит при В/Ц не больше 1,65 нормальной густоты цементного теста. Добавки могут изменить эту “границу”. Следует иметь также в виду, что с повышением расхода воды при постоянном расходе цемента увеличивается В/Ц, и прочность бетона понижается.
Рис. 6.4. Схема определения жесткости бетонной смеси:
а — прибор в исходном состоянии; б — после окончания вибрирования; 1 — виброплощадка; 2 — цилиндр; 3 — конус с бетонной смесью;
4 — диск с отверстиями; 5 — втулка; 6 — штанга; 7 — штатив
Вид цемента. Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от нормальной густоты цементного теста. Так, пуццолановые портландцементы, в особенности с добавками диатомита и трепела, имеют высокую НГЦТ, образуют более вязкое цементное тесто, и бетонные смеси на них имеют худшую удобоукладываемость по сравнению со смесями на портландцементе.
Крупность заполнителей. С повышением крупности щебня, гравия, песка суммарная площадь их зерен уменьшается. Требуется меньше цементного теста, чтобы обволочь зерна, толщина прослоек между зернами увеличивается, удобоукладываемость бетонной смеси повышается.
Соотношение между крупным заполнителем и песком должно быть оптимальным с таким расчетом, чтобы пустотность их смеси была как можно меньше. При повышенном содержании песка удельная поверхность зерен повышается и бетонная смесь становится менее подвижной.
Форма зерен заполнителя. Лучшую удобоукладываемость имеют бетонные смеси на заполнителях с гладкой поверхностью — гравии и речном или морском песке по сравнению с бетонными смесями на щебне и горном песке.
Чистота заполнителей. Пылевидные, и особенно глинистые, частицы в заполнителях отрицательно влияют на удобоукладываемость бетонных смесей. Они имеют большую удельную поверхность и повышенную водопотребность.
Поверхностно-активные добавки. Применение ПАВ, и в особенности пластификаторов, является одним из самых эффективных средств повышения удобоукладываемости бетонных смесей. Так, добавка ЛСТ снижает водопотребность бетонных смесей на 10–12, С-3 — на 20–30%. Эффективность их действия возрастает с увеличением содержания цемента, в жестких смесях — снижается.
Прочность бетона
Важнейшим свойством бетона является прочность. Лучше всего он сопротивляется сжатию. Поэтому конструкции проектируют таким образом, чтобы бетон воспринимал сжимающие нагрузки. И только в отдельных конструкциях учитывается прочность на растяжение или на растяжение при изгибе.
Прочность при сжатии. Прочность бетона при сжатии характеризуется классом или маркой (которые определяют чаще всего в возрасте 28 суток). В зависимости от времени нагружения конструкций прочность бетона может назначаться и в другом возрасте, например 3; 7; 60; 90; 180 суток.
Рис. 6.5. Схема возможного расслоения бетонной смеси:
а — в процессе транспортирования и уплотнения; б — после уплотнения;
1 — направление, по которому отжимается вода; 2 — вода;
3, 4 — мелкий и крупный заполнители
В целях экономии цемента полученные значения предела прочности не должны превышать предел прочности, соответствующей классу или марке, более чем на 15%. Класс представляет собой гарантированную прочность бетона в МПа с обеспеченностью 0,95 и имеет следующие значения: Вb1; Вb1,5; Вb2; Вb2,5; Вb3,5; Вb5; Вb7,5; Вb10; Вb12,5; Вb15; Вb20; Вb25; Вb30; Вb35; Вb40; Вb50; Вb55; Вb60. Маркой называется нормируемое значение средней прочности бетона в кгс/см2 (МПа½10).
Тяжелый бетон имеет следующие марки при сжатии: Мb50; Мb75; Мb100; Мb150; Мb200; Мb250; Мb300; Мb350; Мb400; Мb450; Мb500; Мb600; Мb700; Мb800.
Между классом бетона и его средней прочностью при коэффициенте вариации прочности бетона n = 0,135 и коэффициенте обеспеченности t = 0,95 существуют зависимости:
Вb = Rb х0,778, или Rb = Вb / 0,778.
При проектировании конструкций чаще всего назначают класс бетона, в отдельных случаях — марку. Соотношение классов и марок для тяжелого бетона по прочности на сжатие приведены в табл. 6.3.
Прочность при растяжении. С прочностью бетона на растяжение приходится иметь дело при проектировании конструкций и сооружений, в которых не допускается образование трещин. В качестве примера можно привести резервуары для воды, плотины гидротехнических сооружений и др. Бетон на растяжение подразделяют на классы: Bt0,8; Bt1,2; Bt1,6; Bt2; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2 или марки: Рt10; Bt15; Bt20; Bt25; Bt30; Bt35; Bt40.
Прочность на растяжение при изгибе. При устройстве бетонных покрытий дорог, аэродромов назначают классы или марки бетонов на растяжение при изгибе.
Классы: Bbt0,4; Bbt0,8; Bbt1,2; Bbt1,6; Bbt2,0; Bbt2,4; Bbt2,8; Bbt3,2; Bbt3,6; Bbt4,0; Bbt4,4; Bbt4,8; Bbt5,2; Bbt5,6; Bbt6,0; Bbt6,4; Bbt6,8; Bbt7,2; Bbt8.
Марки: Pbt5; Pbt10; Pbt15; Pbt20; Pbt25; Pbt30; Pbt35; Pbt40; Pbt45; Pbt50; Pbt55; Pbt60; Pbt65; Pbt70; Pbt75; Pbt80; Pbt90; Pbt100.
Технологические факторы, влияющие на прочность бетона. На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона, повторное вибрирование.
Активность цемента. Между прочностью бетона и активностью цемента существует линейная зависимость R b = f (R Ц). Более прочные бетоны получаются на цементах повышенной активности.
Содержание цемента. С повышением содержания цемента в бетоне его прочность растет до определенного предела. Затем она растет незначительно, другие же свойства бетона ухудшаются. Увеличивается усадка, ползучесть. Поэтому не рекомендуется вводить на 1 м3 бетона более 600 кг цемента.
Водоцементное отношение. Прочность бетона зависит от В/Ц. С уменьшением В/Ц она повышается, с увеличением — уменьшается. Это определяется физической сущностью формирования структуры бетона. При твердении бетона с цементом взаимодействует 15–25% воды. Для получения же удобоукладываемой бетонной смеси вводится обычно 40–70% воды (В/Ц = = 0,4...0,7). Избыточная вода образует поры в бетоне, которые снижают его прочность.
При В/Ц от 0,4 до 0,7 (Ц/В = 2,5...1,43) между прочностью бетона Rв, МПа, активностью цемента RЦ, МПа, и Ц/В существует линейная зависимость, выражаемая формулой:
R b = А RЦ (Ц/В – 0,5).
При В/Ц < 0,4 (Ц/В > 2,5) линейная зависимость нарушается. Однако в практических расчетах пользуются другой линейной зависимостью:
R b = А1 R Ц (Ц/В + 0,5).
Ошибка в расчетах в этом случае не превышает 2–4%. В вышеприведенных формулах: А и А1 — коэффициенты, учитывающие качество материалов. Для высококачественных материалов А = 0,65, А1 = 0,43, для рядовых — А = 0,50, А1 = 0,4; для пониженного качества — А = 0,55, А1 = 0,37.
Прочность бетона при изгибе R bt, МПа, определяется по формуле:
R bt = А’ R Ц’(Ц/В — 0,2),
где R’Ц — активность цемента при изгибе, МПа; А’ — коэффициент, учитывающий качество материалов. Для высококачественных материалов А’ = 0,42, для рядовых — А’ = 0,4, материалов пониженного качества — А’ = 0,37.
Таблица 6.3