/
Author: Черкасов Г.И.
Tags: строительство строительные конструкции железобетонные конструкции восточно-сибирское издательство
Year: 1974
Text
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
ИРКУТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СССР
ГЛАВВОСТОКСИБСТРОЙ
Г. И. ЧЕРКАСОВ
ВВЕДЕНИЕ
В ТЕХНОЛОГИЮ
ВВТОИА
ИРКУТСК
ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЕ КНИЖНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
1974
В книге даны теоретические осно-
вы технологии различных видов бетонов.
Первая часть посвящена подробному
рассмотрению свойств обычного (тяже-
лого) бетона, как наиболее распростра-
ненного и изученного в настоящее время
материала. Во второй и третьей частях
по той же методической схеме, но более
сокращенно рассматриваются легкие,
особолегкие и силикатные бетоны.
Материал изложен на достаточно
высоком научном уровне, методически
ясно и доступно.
Книга может быть использована в
качестве учебного пособия для факуль-
тетов повышения квалификации и само-
образования инженерно-технических ра-
ботников строительных организаций и
предприятий строительной индустрии.
Рецензент: кафедра строительных ма-
териалов Хабаровского политехничес-
кого института.
Восточно-Сибирское книжное изда1ельство 1974
ОТ АВТОРА
Настоящая монография пред-
ставляет собой изложение цик-
ла лекций по бетоноведению,
читаемого автором на факуль-
тетах повышения квалифика-
ции инженеров строительные
специальностей, значительно
расширенного и дополненного
в соответствии с пожеланиями,
полученными от инженерно-
технических работников строи-
тельной индустрии Восточной
Сибири и Дальнего Востока.
При изложении материала уч-
тено, что изучающие бетонове-
дение уже знакомы с основами
курса строительных материа-
лов, поэтому общие сведения
о бетонах, а также стандарт-
ные характеристики заполни-
телей и цементов приведены в
сокращенном объеме. Основ-
ное внимание обращено на рас-
крытие физического .смысла
технологических зависимостей,
установленных в теории бето-
на, и дальнейших перспектив
в их развитии.
Книга может быть исполь-
зована в качестве учебного по-
собия для слушателей факульт
тетов повышения квалифика-
ции и для самообразования
инженерно-технического соста-
ва заводов ЖБИ и строитель-
ных организаций. Она помо-
жет сознательно разбираться
в вопросах современной тех-
нологии, применять получен-
ные знания на практике и
углублять их путем проработ-
ки специальной технической литературы в интересую-
щих их областях теории бетонов. Студенты вузов найдут
в ней материал для углубленной проработки некото-
рых разделов курсов «Технология бетонных и железобетон-
ных изделий» и «Технология строительства».
Автор выражает глубокую признательность профессорам
О. А. Гершбергу, А. В. Волженскому, С. А. Миронову и
С. В. Шестоперову за просмотр рукописи и сделанные заме-
чания, а также рецензенту — преподавателям кафедры строи-
тельных -материалов Хабаровского политехнического инсти-
тута. Понимая, что книга не свободна от недостатков, автор
будет благодарен за все критические замечания, направлен-
ные на их устранение.
ВВЕДЕНИЕ
Бетон как строительный ма-
териал известен с глубокой
древности. Однако бетоны на
непрочных и недолговечных
вяжущих — гипсе и извести —
не могли соперничать с естест-
венными или обожженными
камнями, и применение их бы-
ло ограниченно. Вяжущие ис-
пользовались в основном для
изготовления растворов, скреп-
ляющих штучные искусствен-
ные или естественные камни.
Только развитие производ-
ства портландцемента дало
возможность превращать мел-
кие обломочные горные поро-
ды — песок, гравий, щебень —
в прочные искусственные мате-
риалы и конструкции разнооб-
разной формы. Появление же-
лезобетона позволило разнооб-
разить виды конструкций, что
сделало его универсальным
строительным материалом со-
временности.
Разработка научных основ
технологии бетона началась в
последние годы XIX столетия,
создателями их были ученые
Р. Фере (Франция), И. Г. Ма-
люга (Россия), Тетмайер (Гер-
мания).
Проф. И. Г. Малюга реко-
мендовал составы и способы
изготовления растворов и бе-
тонов и первый (1894 г.) ука-
зал на зависимость прочности
бетона от пропорций в нем
воды и цемента. Отцом русско-
го цементного производству и
автором первых исследований
коррозионной стойкости бето-
на является А. Р. Шуляченко. Н. А. Белелюбский в 1904 г.
опубликовал правила расчета железобетонных конструкций.
Широкое и. всестороннее развитие теории и технологии бе-
тона в нашей стране началось со времени появления первен-
цев гидротехнического строительства: Волховстроя (1924 г.),
ДнепрострЪя и Свирьстроя (1927—1934 гг.).
Советским ученым принадлежит приоритет многих откры-
тий в технологии бетона. Профессора Н. М. Беляев и И. П.
Александрин первыми начали развивать и внедрять научные
методы подбора состава и технологии приготовления и уклад-
ки бетона. Эти работы были продолжены К. С. Завриевым,
Б. Г. Скрамтаевым и их учениками. Наша страна является
родиной зимних бетонных работ, сборного железобетона, про-
изводства некоторых бесцементных бетонов.
Разработка и внедрение в практику зимнего бетонирова-
ния, начатые в 30-е годы, позволили' во время Великой Оте-
чественной войны быстро восстановить работу эвакуирован-
ных с Запада заводов на Урале и в Сибири. В настоящее вре-
мя по развитию зимних бетонных работ Советский Союз
(Занимает первое место .в мире. Большая заслуга в этом при-
надлежит нашим ученым И. А. Кириенко, С. А. Миронову,
В. С. Лукьянову, В. Н. Сизову, И. Г. Совалову и др.
Послевоенный период потребовал огромного размаха ра-
бот по восстановлению разрушенных и строительству новых
промышленных и гражданских зданий. Для снижения расхо-
да металла и дерева, а также сокращения сроков и трудо-
емкости* строительства в 1954 г. партией и правительством
был взят курс на производство и широкое применение сбор-
ного железобетона. По всей стране началось строительство
заводов железобетонных изделий, оснащенных современной
техникой. В результате выпуск сборного железобетона в
1960 г. составил 32 млн. л<3, а в 1970 г. 83 млн. л3, в то время
как в 1953 г. производилось только 2,2 млн. jk3. Сборного же-
лезобетона у нас выпускается ежегодно больше, чем в США,
Англии, Франции, ФРГ, Италии и Швеции вместе взятых.
В развитии и совершенствовании заводской технологии Сбор-
ного железобетона большое значение имеют работы Б. Г.
Скрамтаева, А. Е. Дёсова, Н. А. Попова, В. И. Сорокера,
С. А. Миронова, О. А. Гершберга, А. В. Саталкина. и др.
В СССР впервые в мире создано производство автоклав-
ных деталей и конструкций для сборного строительства, из-
готовляемых на базе дешевых местных материалов и отходов
промышленности без .применения цемента. Освоению этого
6
производства способствовали исследования А. В. Волжен-
ского, П. И. Баженова и др.
Одновременно с развитием сборного строительства осу-
ществлялось строительство крупнейших в мире гидротехни-
ческих сооружений, промышленных и транспортных объектов
из монолитного бетона, что требовало дальнейшего совершен-
ствования теории и практики производства бетонных работ,
в первую очередь для обеспечения долговечности и корро-
зионной 1 стойкости сооружений. Труды В. В. Кинда, 'В. М.
Москвина, Н. А. Мещанского, В. В. Стольникова, С. В. Ше-
стоперова в этой области пблучили мировую известность и
признание.
Развитие технологии бетонных работ было бы невозмож-
но без развития теории твердения вяжущих, создания новых
видов цементов, выяснения физико-химической сущности
формирования структуры цементного камня и бетона. В этой
области должны быть отмечены труды А. А. Байкова, П. П.
Будникова, Ю. М. Бутта, А. В. Волженского, В. В. Михай-
лова, Н. В. Михайлова, П. А. Ребиндера, М. И. Хигеровича,
А. Е. Шейкина и др. Сейчас по производству цементов СССР
занимает первое место в мире.
Осуществление Программы Коммунистической партии Со-
ветского Союза, принятой историческим XXII съездом КПСС,
подняло строительство в нашей стране на невиданную высоту,
и во всех его областях важнейшее значение имеет бетон —
ведущий строительный материал нашего века.
Трудно найти инженера или техника-строителя, которому
не приходится иметь дело с бетоном. Улучшение качества
строительства и его удешевление во многом зависит от усовер-
шенствования технологии бетона и правильного его использо-
вания. Эти вопросы могут быть успешно решены инженерами
на стройках, заводах ЖБИ, в проектно-конструкторских орга-
низациях на базе бетоноведения — теоретических основ техно-
логии бетона.
Наука о бетоне очень молода, ’и, хотя она успешно разви-
вается, еще много проблем ждут исследований и открытий.
7
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
«к Обозначения Принятые единицы измерения Соответст- вующие зна- чения еди- ниц измере- ния в систе- ме СИ
Re— прочность бетона при сжатии (ма- рочная отпускная либо полученная при указанных в тексте условиях твердения) Rnp— призменная прочность бетона кЦсм- 105 HjM2
Rp и Ии— прочность бетона при растяжении
и изгибе
Р и N— действующие силы кГ МН
£— относительное удлинение доли единицы (%)
з— нормальные напряжения кПсм2 105 ///^2
т— а) касательные напряжения
б) время (в главе «Зимнее бето-
нирование») мин 60 сек
Е, G— модули упругости (деформаций) кГ'см2 105
7—удельный вес материала1 кг/м3 кг)м3
70— объемный вес материала (насып-
ной объемный вес сыпучих мате-
риалов) • 99
п— пористость доли единицы (%)
Va6c— абсолютно плотный объем мате-
риала м3 м3
VeCT— естественный объем материала
В— водосодержание (водопотребность)
бетоннэй смеси л Ю-з мз
ц, п, Щ(Г)_ содержание цемента, (песка, щебня
(гравия) в 1 м3 свежеуложенного
плотного бетона кг’м3 ' кг')М3
г— доля песка в смеси заполнителей доли единицы
/ а) степень гидратации цемента ' доли единицы (%)
б) коэффициент раздвижки зерен
в методах расчета состава тя*-
а\ желых бетонов доли единицы
* в) коэффициент использования
порообразователя в ячеистых
бетонах доли единицы (%)
— частота колебаний при вибрации гц гц
'G—- вязкость пуаз (пз) 0,1 кг/ м- сек
t— а) время се с
б) температура °C т°к=т°с+
+273 J50
Q— количество теплоты ккал 4,187 А&дж
л— коэффициент теплопроводности ккал/м час • 1,163 вт!м-
град град
1 Название в системе СИ — удельная масса. । объемная масса. объемная масса, насыпная
8
ВИДЫ БЕТОНОВ
Бетонами называются искус-
ственные каменные материалы,
полученные в результате за-
твердевания специально подоб-
ранных смесей из минеральных
вяжущих материалов, воды,
крупных и мелких каменных
заполнителей. Незатвердевшая
однородно перемешанная смесь
этих материалов носит назва-
ние бетонной смеси1.
Для получения бетонов мо-
гут быть использованы любые
минеральные вяжущие, но наи-
более распространены бетоны
цементные на портландцемен-
тах и силикатные на известко-
во-кремнеземистом вяжущем
автоклавного твердения.
По виду применяемого за-
полнителя бетоны делятся на
крупнозернистые, в которых
используют смесь гравия или
щебня с песком, беспесчаные
(крупнопористые) — с одним
крупным заполнителем, песча-
ные — без крупного заполни-
теля, ячеистые — без крупных
заполнителей и песка, полу-
ченные из поризованной смеси
вяжущего и воды, как правило,
в сочетании с тонкомолотым и
минеральными добавками.
В зависимости от назначе-
ния бетоны бывают: а) кон-
структивные, применяемые для
восприятия нагрузок в различ-
ных конструкциях промышлен-
1 Название «бетон» распространя-
ется и на затвердевшие смеси из за-
полнителей и органических вяжущих
(асфальтобетоны) или полимеров
(пластобетоны).
Классификация и свойства бетонов на мине
Наименование и
структура бетона
Объемный вес, кг/м3
Прочность, кГ)см2
Обычный тяжелый бе-
тон
1800—2500
Легкий бетон
а) на пористых за-
500—1800 25-400
полнителях
Менее 500 Менее 35
Обозначения: 1—крупный заполнитель; 2—песок; 3—цементный камень; 4—воздух.
10
Т а б л и ц af 1
ральных вяжущих веществах
Теплопроводность, ккал 1м • час • град Тип структуры Назначение
Более 1 Слитная на плотных полнителях за- Конструктивное
0,25—0,80 Слитная на пористых за- полнителях; может быть структура с поризовэн- ным цементным камнем Конструктивное, конст- руктивно-теплоизоляцион- ное, теплоизоляционное
Крупнопористая на плот- ных заполнителях; мо- гут быть пористые за- полнители \
Мелкопористая
Менее 0,25 Мелкопористая Теплоизоляционное
1»
w
Hbif и гражданских зданий, в сооружениях гидротех-
нического, дорожного и других видов строительства;
определяющие показатели этих бетонов — прочность и
долговечность; б) теплоизоляционные, обеспечивающие
необходимое термическое сопротивление конструктивного
слоя сооружения; эти бетоны не воспринимают силовых
нагрузок; определяющим ^показателем их является объем-
ный вес, как свойство, регламентирующее коэффициент теп-
лопроводности бетона; в) конструктивно-теплоизоляционные,
которые воспринимают нагрузки и обеспечивают термическое
сопротивление; эти бетоны применяются в основном в* ограж-
дающих конструкциях зданий и сооружений; они должны
иметь необходимую прочность и объемный вес.не выше опре-
деленных значений. Кроме того, могут быть изготовлены бе-
тоны со специальными свойствами, например сверхтяжелые и
гидратные для поглощения гамма-лучей и нейтронов, хими-
чески стойкие в растворах солей, кислот и щелочей, жаростой-
кие, декоративные и другие.
Основным признаком для классификации бетонов принят
их объемный вес (уо), по которому бетоны делятся на особотя-
желые1 *— уо более 2500 кг!м3\ тяжелые (обычные) —у0 ог
1800 до 2500 кг!м3\ легкие — уо от 500 до 1800 кг!м3 и особо-
легкие — уо менее 500 кг)м3.
Свойства, структура и назначение видов бетонов приведе-
ны в табл. 1. Теоретические основы технологии различных
видов бетонов согласно данной классификации рассматрива-
ются .в соответствующих главах.
1 Особотяжелые бетоны имеют узкую область специального применения
и в дальнейшем не рассматриваются.
12
Часть первая
ТЯЖЕЛЫЕ
(ОБЫЧНЫЕ)
БЕТОНЫ
Тяжелые (обычные) бето-
ны— самый распространенный
IB строительстве вид бетонов:
на их долю приходится более
80% всего производства сбор-
ного и монолитного бетона,
выпускаемого в нашей стране.
В то же время тяжелые бетоны
наиболее изучены, установлен-
ные для них технологические
зависимости прошли много-
кратную практическую провер-
ку, и некоторые получили уже
«классическое» толкование.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для получения бетонного
изделия необходимо пригото-
вить бетонную смесь, плотно
уложить ее в форму и обеспе-
чить твердение свежеуложен-
ного бетона в определенных
условиях.
Чтобы затвердевший бетон
имел заданные свойства, долж-
ны быть предъявлены соответ-
ствующие требования к смеси,
свежеуложенному бетону и
условиям его твердения.
Основное технологическое
требование к бетонной смеси—
ее удобоукладываемость, т. е.
способность хорошо заполнять
форму и уплотняться в ней
под действием собственного
веса или дополнительных уси-
лий. Необходимо, чтобы смесь
была пластичной, т. е. текла
без нарушения плотности и не
р а с с л а ив а л а сь. Свеж еул ожен-
ный бетон должен иметь макси-
мальную плотность структуры.
13
Даже небольшое количество пустот при его затвердевании
вызовет значительную потерю прочности. 'Чем более удобоук-
ладываема смесь, тем легче обеспечить (плотность при укладке
ее в формы. Состав бетонной смеси обеспечивает не только
удобоукладываемость, но и получение бетона требуемых
свойств, что достигается применением материалов определен-
ного качества, взятых в соответствующих количествах. Затвер-
девший тяжелый бетон должен обладать заданной прочностью
и долговечностью, обеспечивающими надежную работу кон-
струкций.
Рис. 1. Определение подвижности бетонной смеси.
Удобоукладываемость смесей определяется показателями
подвижности и жесткости. Для определения подвижности
смесь нужно уложить в стандартный конус и уплотнить при
помощи штыкования. Затем форму-конус снимают и ставят
рядом и замеряют осадку конуса смеси в см, которая служит
показателем подвижности (рис. 1).
Увеличение осадки свидетельствует об улучшении удобо-
укладываемости бетонной смеси.
Менее удобоукладываемые . смеси могут почти не дать
осадку после снятия формы-конуса. Поэтому их удобоуклады-
ваемость определяют по показателю жесткости, для, чего ис-
пользуют технический вискозиметр, состоящий из внешнего
цилиндрического сосуда, внутреннего полого цилиндра, не до-
14
ходящего до дна на 70 мм,
объемной стандартной
формы-конуса и штанги
с диском, укрепленной
на штативе (рис, 2).
Вискозиметр устанав-
ливают на стандартную
лабораторную вибропло
щадку. Форму-конус за-
полняют бетонной смесью
и уплотняют .штыковани-
ем и кратковременным
вибрированием. 3 атем
ф ор му-конус сни маю т,
включают виброплощад-
ку, конус смеси начинает
расплываться, и смесь из
внутреннего цилиндра по-
степенно перетекает во
внешний сосуд, пока
уровни ее в обоих цилин-
драх не станут одинако-
выми. Время вибрирова-
ния в секундах, необхо-
Рис. 2. Определение жесткости бетон-
ной смеси техническим вискозиметром.
димое для выравнивания
уровней смеси в обоих цилиндрах, принимается за показа-
тель жесткости. Чем больше жесткость, тем хуже удобо-
укладываемость смеси1.
Методика определения подвижности и жесткости бетон-
ных смесей регламентирована ГОСТ 10181-62 и приводится
в пособиях по лабораторным практикумам.
В зависимости от показателей удобоуклады|ваемости бе-
тонные смеси имеют определенную классификацию (табл. 2).
Пластичность и нерасслаиваемость смеси определяют как
визуально, так и путем анализа проб, взятых из разных участ-
ков бетонируемого изделия в момент формования. Из каждой
Жесткость бетонной смеси можно определять упрощенным способом
Б. Г. Скрамтаева. Для этого на виброплощадку устанавливают форму для
изготовления образцов 20X20X20 см; в форму вставляют стандартный
конус и заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении
подвижности смеси. Затем конус снимают, включают виброплощадку и виб-
рируют до заполнения бетонной смесью формы и получения горизонталь-
ной поверхности смеси. Время вибрирования в секундах, умноженное на
коэффициент 1,5, характеризует жесткость смеси.
15
Таблица 2
Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости
Наименование смеси Жесткость, сек Осадка конуса, с .к
Жесткая Более 60 0
У меренножесткая 30—60 0
Малоподвижная 15-30 1—5
Подвижная 5—15 5-10
Сильноподвижная — 10-15
Литая — 15—25
пробы берут навеску в 5 кг, промывают под струей воды на си-
те с размером ячеек 5 мм. Оставшийся на сите крупный запол-
нитель высушивают и взвешивают. Разница содержания круп-
ного заполнителя в нерасслаиваемых смесях не должна быть
более 20%.
Плотность свежеуложенного бетона проверяют, сопостав-
ляя его фактический объемный вес с теоретическим. Для оп-
ределения фактического объемного веса в бетонируемом изде-
лии предварительно устанавливают металлические кольца
определенного объема, извлекаемые после уплотнения бетона.
На заводах при весовой дозировке смеси объемный вес опре-
деляют замеряя объем изделия. Фактический объемный вес
свежеуложенного бетона должен быть не менее 0,98 расчет-
ного, определяемого по сумме в-есювых количеств песка, круп-
ного заполнителя, цемента и воды, взятых для приготовления
1 м3 бетона/
Прочность затвердевшего бетона характеризуется его мар-
кой. Марка бетона — предел прочности при сжатии бетонных
кубов размером 20X20X20 см после~28 суток твердения в нор-
мальных условиях (в кГ/см2), округленный в меньшую сторо-
ну до установленных значений. За нормальные условия при-
нимается температура 20° и относительная влажность возду-
ха не менее 90%. Строительными нормами и правилами уста-
новлены марки тяжелого бетона 100, 150, 200, 250, 300, 400,
500, 600. При крупности заполнителя более 70 мм для опреде-
ления марки испытывают образцы 30X30X30 см, увеличивая
полученные значения прочности на 4—6%. При наибольшей
крупности заполнителя 40 мм используют образцы 15Х15Х
XI5- см, при наибольшей крупности 20 мм — образцы
10X10X10 см. Полученные при испытании значения проч-
16
ности приводят к марочной, умножая их на соответствующие
коэффициенты (глава VIII). Для некоторых конструкций,
помимо марки бетона на сжатие, устанавливают марки на
осевое растяжение и растяжение при изгибе. Марка является
эталоном прочности бетона данного состава и используется
как нормативный показатель для расчетов.
При производстве бетонных изделий условия формования
л выдерживания бетона могут отличаться от условий, приня-
тых при определении марочной прочности. Для установления
фактической прочности бетона при изготовлении образцов
следует применять средства и приемы уплотнения смеси, при-
нятые на производстве, выдерживать образцы до окончатель-
ного твердения в тех же условиях, в которых выдерживают
бетон в конструкции. Помимо изготовления контрольных об-
разцов, фактическую прочность бетона можно определять на
образцах, выпиленных или высверленных из конструкции.
В последнее время получили широкое распространение
методы определения прочности бетона в конструкциях без его
разрушения — ультразвуковые и склерометрические. Сущ-
ность методов ультразвуковых испытаний заключается в ис-
пользовании корреляционной зависимости между скоростью
.прохождения через бетон продольной ультразвуковой волны
и прочностью бетона. Склерометрические методы основаны
на применении приборов, определяющих прочность поверх-
ностных слоев бетона по упругому откосу бойка или глубине
отпечатка от вдавливания шарика. Все методы определения
прочности бетона изложены в ГОСТ 10180-67.
Долговечность бетона характеризуется марками по моро-
зостойкости Мрз 50, 100, 150, 200, 300, водопроницаемости В-2.
В-4, В-6, В-8 и другими специальными требованиями, напри-
мер устойчивостью в соответствующей агрессивной среде,
жаростойкостью и т. д.
II. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ
ДЛЯ БЕТОНА
Цементы. В качестве вяжущего для* тяжелых бетонов ис-
пользуют портландцемент и его разновидности: пластифици-
рованный, гидрофобный, быстротвердеющий, сульфатостой-
кий и др., а также шлакопортландцементы, пуццолановые
портландцементы и иногда глиноземистые цементы.
Правильный выбор цементов’для определенных изделий и
конструкций с учетом технологии их изготовления и долго-
2 Зак. 3203
17
Таблица 3
Строительно-технические свойства цементов
Показатели Характеристика бетонов на
портландцементах пуццо iaновых портландцемен- тах in л а копорт л а н д це • ментах
А. Свойства бетонов
Прочность при Обеспечивается Обеспечиваете: я только для
нормальных усло- виях твердения для всех проекти- руемых марок части проектируемых марок
Морозостойкость ч. Обеспечивается для всех проекти- руемых марок Низкая Обеспечивается только после дли- тельных сроков твердения
Морозостойкость после пропарива- ния ' Снижается Увеличивается Значительно уве- личивается
Воздухостойкость Обеспечивается Низкая Обеспечивается после длительных сроков твердения
Стойкость в агрес- сивных водах Обеспечивается Высокая Обеспечивается после длительных сроков твердения
Водонепроницае- мость Обеспечивается Высокая Обеспечивается после длительных сроков твердения
Усадка и расши- рение Могут регулироваться специальными мерами Б. Условия твердения бетона
Твердение бетона Оптимальные, Неоптимальные, вызывающие за-
при температурах от 15 до 45° обеспечив ающие нормальный рост прочности медленное твердение
Твердение при Обеспечивается Неоптимальные, вызывающие за-
температуре 0— 15° нарастание прочности медленное твердение
Твердение при теп- ловлажностной обработке Неоптимальные Оптимальные, повышающие проч- ность и долговечность
В. Некоторые особенности применения
При зимних ' ра- Обеспечивается Условия применения неоптималь
ботах нормальный рост ные
прочности
При холодном бе- Обеспечивается
тонировании необходимый рост
прочности Применять нельзя
В массивном бе- Образуются тре-
тоне щины ч Оптимальные
18
вечной работы — одно из важнейших условий проектирования
бетона.
Характеристика усредненных строительно-технических
свойств различных цементов, выпускаемых нашей промыш-
ленностью, приведена в табл. 3 (по С. В. Шестоперову).
При использовании специальных видов цементов свойства
их могут быть изменены: например, применение сульфатостой-
ких портландцементов резко улучшает стойкость в агрессив-
ной среде и' морозостойкость бетонов, портландцементы с
большим содержанием белита могут применяться для массив-
ных бетонных конструкций и т. д.
Изменения свойств цементов можно добиться введением в
них соответствующих - химических добавок.
При использовании цементов необходимо помнить, что их
характеристики, регламентируемые ГОСТ, не могут охватить
всего разнообразия технических свойств. Поэтому наиболее
правильно определять эти свойства непосредственными испы-
таниями в бетонах.
Заполнители. Заполнители в бетоне занимают 70—80%
объема, позволяя экономить дорогостоящий цемент, препят-
ствуют усадке цементного камня при твердении, воспринима-
ют совместно с цементным камнем различные напряжения при
твердении бетона и работе конструкции. От качества запол-
нителей зависят удобоукладываемость, прочность, долговеч-
ность и экономичность бетонов.
Требования к заполнителям регламентированы ГОСТ
10268-62. Они могут быть разделены на следующие основные
группы: а) требования к прочности и морозостойкости,
б) требования к зерновому составу, в) требования по ограни-
чению примесей, г) дополнительные требования, устанавли-
ваемые для специальных видов бетонов.
Методы испытаний заполнителей изложены в ГОСТ
8269-64 и 8735-65 (описаны методы определения как норми-
руемых, так и ненормируемых, но важных для технологии
бетона физико-механических свойств).
Прочность и морозостойкость следует определять только
У крупного заполнителя. Прочность щебня может быть уста-
новлена по прочности исходной горной породы. Если таких
данных нет, то прочность определяют для щебня так же, как
и для гравия, испытанием материалов на дробимость в ци-
линдре.
Необходимо, чтобы прочность заполнителей была в 1,5 ра-
2*
19
за, а для высокомарочных бетонов >в 2 раза больше прочности
бетона. Это требование связано с тем, что упругость заполни-
теля выше упругости цементного камня, вследствие чего при
совместной работе и одинаковых деформациях заполнители
испытывают повышенные напряжения.
Морозостойкость крупных заполнителей определяют либо
замораживанием и оттаиванием, либо испытанием на «сохран-
ность» в растворе сернокислого натрия.
Оценка прочности и морозостойкости песков производится
косвенным способом по их минералогическому составу. Жела-
тельно преобладание в леске кварцевых зерен.
Зерновой состав заполнителей, косвенно характеризующий
плотность их скелета и удельную поверхность, устанавлива-
ют рассевом через стандартные сита е размером отверстий
70, 40, 20, 10, 5 мм для крупного заполнителя и 5; 2,5; 1,25;
0,63; 0,315; ОД 4 мм для песка.
Рекомендуемые для использования в бетоне заполнители
должны иметь определенные зерновые составы, не выходящие
из установленных ГОСТ пределов (рис. 3 и 4).
Наибольшая крупность щебня (гравия)—Днаиб или НК—
определяется диаметром отверстий сита, где полный остаток
составляет 0—5 %. наименьшая крупность—Днаим—диаметром
отверстий сита с полным остатком 95—100%. Показатель на-
ибольшей крупности используется в технологических расче-
Рис. 3. График рекомендуемого зернового состава песка.
20
о
Рис. 4. График рекомендуемого зернового состава гравия и щебня.
при определении удобоукладываемости смесей, назначе-
нии .размеров контрольных образцов, для определения проч-
Цости бетона и регламентирует возможность применения
щебня для той или иной конструкции. Наибольшая крупность
заполнителя не должна превышать 73 минимального размера
сечения бетонного изделия и 3/4 расстояния между стержнями
арматуры. Крупность песка характеризуется условным пока-
зателем — модулем крупности, который определяется деле-
нием суммы полных остатков на стандартных ситах с отверс-
тиями от 0,14 до 2,5 мм на вес исходной навески. При выра-
жении полных остатков в процентах их сумма делится на 100:
_ А2)5 + А1 ,25 + Ао,63 + ^0,315 + А0 ,14
где Ах — полные остатки на ситах с размерами отверстий х,
выраженные в процентах.
В зависимости от значений Мк пески относятся к той или
иной группе крупности. Дополнительным показателем, опре-
21
деляющим крупность песка, является полный остаток на сите
0,063 (табл. 4).
Таблица 4
Определение групп крупности песков
Группа крупности Модуль крупности Полные остатки на сип с отверстиями 0,063 mai %
Крупный Средний Мелкий Очень мелкий Более 2,5 2,5—2,0 2,0—1,5 1,5-1,0 Более 50 30—50 10-30 Менее 10 •
Желательно, чтобы зерна заполнителей имели изодиамет-
рическую форму, близкую к форме шара и куба. Зерна плас
тинчатой и игловатой формы ухудшают удобоукладываемосп
и понижают прочность бетона, содержание их в крупном за
полнителе не должно быть более 15%.
Резко отрицател'ь-но сказывается на качестве бетона при
сутствие в заполнителях пылеватых, ило'ватых и глинисты,
частиц, ухудшающих удобоукладываемость смесей и вызы
вающих перерасход цемента. 'Содержание этих частиц, опре
деляемое отмучиванием, может быть не больше 1 % в круп
ном заполнителе и 3% в песке.
Органические примеси в заполнителях замедляют твер
дение бетона, а некоторые из них разрушают цементный
камень. Эти примеси обнаруживают при выдерживании за-
полнителей растворе едкого натра: растворяясь в нем i
вступая с ним в реакцию, они вызывают потемнение раство
ра. Количество примесей определяется цветом раствора
который должен быть не темнее установленного эталона.
Вода. Для затворения бетонных смесей необходимо 'При-
менять чистую воду из природных источников или систем
водоснабжения. Нельзя использовать воды кислые, имеющие
pH менее 4, сильно засоленные (более 5 г солей в 1 л), суль-
фатные, а также сточные воды промышленных предприятий.
III. ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ БЕТОНА
ОТ ЕГО СОСТАВА
Состав бетона выражают в весовых количествах материа-
лов на 1 л<3 свежеуложенного бетона. Содержание материа-
22
лов на 1 м3 бетона обычно обозначают первой буквой назва-
ния: В — количество воды в л, Ц — количество цемента’ в кг,
П — количество песка в кг, Щ(Г)—’количество щебня или
гравия в кг.
Часто состав бетона выражают в виде весовых отношении
Ц : П : Щ и В/Ц, принимая количество цемента за единицу.
Весовое содержание материалов подсчитывают исходя из тре-
бования плотности свежеуложенного бетона, выражаемого
формулой
В + —+— +— = 1000,
Тц Тп 7щ
где уц — удельный вес цемента;
уп — удельный вес песка;
ущ — кажущийся удельный вес щебня (гравия).
Количество цемента в кг на 1 м? бетона может быть опре-
делено как
1000
- 1 ! П Щ ‘
Определив содержание цемента, вычисляют по заданному
соотношению количество остальных материалов.
Зависимость, выраженная 'приведенной формулой, назы-
вается «уравнением абсолютных объемов» и широко исполь-
зуется в расчетах состава бетона.
Необходимо отметить, что это уравнение не является абсо-
лютно точным, так как не учитывает содержание воздуха в
свежеуложенном бетоне, которое в зависимости от технологии
уплотнения может достигать 2—5%. Однако в (предваритель-
ных расчетах бетонов из наиболее распространенных подвиж-
ных смесей этим пренебрегают.
I Подвижные бетонные смеси
и бетоны из них
? Подвижные и малоподвижные бетонные смеси применяют
наиболее широко из-за сравнительной легкости приготовления
|_и укладки, обеспечивающёй получение плотного свежеуложеи-
ного бетона. Подвижные смеси приготовляют в бетоносмеси-
телях свободного или принудительного перемешивания, про-
23
должительность которого зависит от подвижности смесей и
типа смесителя и обычно составляет одну-три минуты.
Удобоукладываемость бетонных смесей зависит от их соста-
ва, свойств применяемых заполнителей и цемента и всегда
повышается с увеличением в них содержания воды. Однако
увеличивать количество воды можно только до определенного
предела во избежание расслоения смеси. Количество воды,
взятое для приготовления 1 м3 бетонной смеси, называется ее
водосодержанием. Водосодержание, обеспечивающее опре-
деленную удобоукладываемость смеси, называется водопо-
требностыо.
Увеличение содержания цемента в пределах наиболее ши-
роко применяемых количеств — от 200 до 400 кг1м? — почти
не изменяет удобоукладываемости бетонной смеси. Это свой-
ство, установленное В. И. Сорокером, получило в технологии
бетона название «правило постоянства водосодержания» и
имеет большое практическое значение для расчетов удобо-
укладываемости бетонных смесей. Связано оно с тем, что уве-
личение вязкости цементного теста при введении дополнитель-
ного количества цемента компенсируется утолщением пленок
-цементного теста на зернах заполнителей, и в результате
удобоукладываемость бетонной смеси не изменяется. При
расходе цемента свыше 400 кг/м3 эта компенсация становится
недостаточной и удобоукладываемость ухудшается.
Только при определенном соотношении количества песка
и крупного заполнителя смесь становится наиболее удобо-
укладываемои. Увеличение содержания песка резко увеличи-
вает вязкость раствора, а уменьшение сближает между собой
частицы крупного заполнителя; и >в том и в другом случае
удобоукладываемость бетонной смеси ухудшается.
Оптимальную долю песка обычно определяют от общего
веса заполнителей1 и обозначают буквой.г:
п
Г— n-L-UT
Значение г для подвижных бетонных смесей находится в
пределах 0,3—0,4.
1 Ранее оптимальная доля песка в смеси заполнителей- г определялась
отношением абсолютных объемов материалов г
П
П ИГ
Тп / Тш
24
Большое влияние на удобоукладываемость оказывают и
физические свойства заполнителей. Уменьшение крупности
заполнителей, присутствие пылеватых и глинистых примесей
увеличивает их удельную поверхность и ухудшает удобоукла-
дываемость. Так же отрицательно влияет неокатанность, ше-
роховатость поверхности, лещадность и игловатость зерен
заполнителей.
При заполнителях определенного качества и установлен-
ном г удобоукладываемость бетонной смеси будет однозначно
определяться ее водосодержанием. Эта однозначная зависи-
мость легла в основу .построения различных графиков и таб-
лиц. На рис.' 5 приведены широко распространенные графики,
разработанные С. А. Мироновым, Б. Г. Скрамтаевым и др.,
для определения водопотребности бетонных смесей.
График построен для бетонных смесей на гравии с песком
средней крупности при значении г=0,4; параллельные кривые
выражают водопотребность смеси при гравии соответствую-
щей крупности. Использование графика для определения во-
допотребности бетонных смёсей с другими заполнителями
ясно из примечания.
По данному графику можно определить как водопотреб-
ность бетонной смеси для обеспечения заданной удобоукла-
дываемости, так и удобоукладываемость смеси при опреде-
ленном водосодержании.
Затвердевший бетон представляет собой конгломератный
материал, состоящий из заполнителей и цементного камня
(рис. 6). Прочность такого материала зависит от прочности
заполнителей, прочности цементного камня и сцепления меж-
ду ними (адгезии):
Re — f (Rsan, Ru. к., Адг).
Можно выбрать заполнители, прочности которых гораздо
больше прочности бетона, и поэтому исключить R3an из при-
веденной функции, а влияние повышенной прочности запол-
нителей на распределение напряжений учесть введением соот-
ветствующего коэффициента.
Прочность цементного камня зависит от марки це-
мента и отношения количества воды в бетоне к количеству
цемента.
.Изменение прочности цементного камня связано с повы-
шением его пористости при увеличении В/Ц, так как на хими-
ческие реакции твердения цемента воды расходуется только
25
О 10 20 30 4в 30 60 70 f
Удойоукладыбаемость по способу АГ. Сирамтаеба, сои
Рис. 5. Водопотребность бетонной смеси, изготовленной с применение?’
портландцемента, песка средней крупности и гравия с наибольшей круп
ностью: / — 10 мм; 2 — 20 мм; 3 — 40 мм; 4 — 80 мм. '
Пр имечания. 1. При применении мелкого песка с водопотребност ью свы
ше 7% расход воды увеличивается на 5 л на каждый процент увеличения водо
потребности песка, при применении крупного песка с водопотребностыо ниже 7и
расход воды уменьшается на 5 л на каждый процент уменьшения водопотребност и
(определение водопотребности песка см стр 37—38)
2. При применении щебня расход воды увеличивается на 10 л.
до 20% от веса це-
мента, остаток во-
ды затворения, ис-
паряясь, образует
поры в затвердев-
шем камне.
Адгезия зависит от
чистоты заполнителя,
шероховатости по-
верхности и минера-
логического состава,
что может быть при-
ближенно учтено ко-
эффициентом А, ха-
рактеризующим ка-
чество заполнителей.
Таким образом,за-
висимость прочности
бетона примет вид
Кб =?(Ru,-jp А).
Следовательно, при
постоянных запол-
Рис. 6. Структура затвердевшего бетона из
подвижной смеси.
кителях и определенном качестве цемента прочность
бетона зависит только от водоцементного отношения. Эта
закономерность, установленная еще в 1894 г. И. Г. Ма-
люгой, получила название «закон водоцементного отношения»
и является основной зависимостью в технологии бетона.
Н. М. Беляевым в Г927 г. была предложена формула для
выражения прочности бетона «в 28-суточном возрасте через
юдоцементное отношение, марку цемента и характеристику
применяемого заполнителя:
* Кб “ к /А?'5’
| к( и)
значения К принимают равными 3,5—4,0 «в зависимости
Йг качества заполнителей1.
Швейцарский профессор И. Боломей установил, что при
замене В/Ц на обратную величину Ц/В зависимость прочнос-
1 Н. М. Беляев и другие исследователи считали, что адгезионные и уп-
ругие свойства цемента достаточно характеризуются его маркой.
27
ти бетона приобретает линейный характер, и предложил более
удобную для практического пользования формулу
R6=A-RU(^~C).
Исследования, проведенные в нашей стране под руковод-
ством Б. Г. Скрамтаева и др., позволили установить, что за-
висимость прочности" бетона от цементоводного отношения,
имеющая криволинейный характер, может быть без больших
погрешностей заменена двумя прямыми линиями (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения:
А — зона обычных бетонов; Б — зона высокопрочных бетонов.
При использовании заполнителей, отвечающих требова-
ниям ГОСТ, прямые пересекаются в точке, примерно соответ-
ствующей Ц/В=2,5. Для прочности бетонов со значениями
Ц/В от 1,4 до 2,5 предложена формула
R6 =A1-RU(^—0,5).
Для прочности бетонов со значениями Ц/В больше 2,5, так
называемых высокопрочных, предложена формула
Re =A2-Ru(^+0,5).
28
Значения коэффициентов Ai и Аг, используемых в указан-
ных формулах, приведены в табл. 5.
Таблица 5
Значения коэффициентов А в'^формулах прочности бетона
Характеристика заполнителей At А..
Высококачественные 0,63 0,43
Средние 0,60 0,40
Пониженного качества 0,55 0,37
Цементоводное отношение, равное 2,5, соответствующее
точке пересечения прямых линий на графике, носит название
критического цементоводного отношения.
Как следует из расчетных формул, бетоны на заполните-
лях среднего качества, имеющие В/Ц ниже критического,
будут иметь прочности менее 1,2 марки цемента. При Ц/В
Меньше критического действует правило постоянства водосо-
Держания и водопотребность смесей может быть определена
но графикам и таблицам. При значениях Ц/В больше крити-
ческого содержание воды нужно увеличивать на 1—2% на
|аждую десятую долю Ц/В сверх критического.
I Из приведенных формул и графика (рис. 7) видно, что вы-
сокопрочные бетоны при увеличении Ц/В имеют меньшую
интенсивность нарастания прочности и гораздо больший рас-
код цемента, чем обычные бетоны. Большое количество це-
’ ментного камня в этих бетонах делает их не только неэконо-
мичными, но и менее долговечными1.
1 В последнее время исследованиями, проведенными в НИИЖБ под
руководством С. А. Миронова и И. М. Френкеля, установлена линейность
и непрерывность функции Re = f (Ц/В) при значениях Ц/В от 1,43 до 3,3
Для неизменных заполнителей и цемента. При этом только одно значение
Ro, примерно соответствующее (Ц/В)Кр=2,5, может находиться выше
общей прямой, что связано с наиболее благоприятными условиями гидра-
тации цемента при данном Ц/В. В то же время отмечено большое влияние
вида цемента на размещение прямой в координатах Ro—Ц/В. С. А. Ми-
ронов считает, что принятые в настоящее время расчетные формулы и коэф-
фициенты пригодны лишь для ориентировочных расчетов бетонов невысо-
ких марок. Высокопрочные бетоны следует рассчитывать по формулам,
устанавливаемым экспериментально для каждых заполнителей и цементов.
Эти замечания учтены нами при описании экспериментального метода под-
бора состава бетона.
29
Жесткие бетонные смеси Н
и бетоны из них Н
Жесткие бетонные смеси характеризуются малым соде™
жанием цементного теста. У ^подвижных смесей прослойки
теста между зернами заполнителя имеют величину более
30 мк^ у жестких смесей она может составлять всего 2—3 мку
что обусловливает некоторые особенности свойств смесей п
затвердевшего бетона. Жесткие смеси имеют плохую удобо-
укладываемость', определяемую показателем жесткости, и
требуют повышенных затрат работы для их уплотнения ин-
тенсивным вибрированием с применением иногда дополни-
тельной нагрузки в виде различных пригрузов и штампов.
Удобоукладываемость жестких смесей зависит в основном
от тех же факторов, что и подвижных, но влияют они сильнее
из-за малого водосодержания.
Зависимость между водосодержанием и жесткостью при
определенных заполнителях и постоянном Ц/В, по данны^
В. И. Сорокера, может быть выражена математически:
Ж1-В8’®=Ж2-В|’5= ...Жп • В8'5=Const.
Как следует из уравнения, даже небольшое изменени™
водосодержания резко изменяет жесткость смеси.
Для жестких смесей, так же как для подвижных, прием-
лемо правило постоянства водосодержания, однако верхний
предел расхода цемента, определяющий применимость пра-
вила, меньше, чем у подвижных смесей, и уменьшается с по-
вышением жесткости.
Удобнее связывать применимость правила постоянства
водосодержания со значениями критического Ц/В, которое
для смесей на определенных материалах почти не меняется.
Значение критического Ц/В для жестких смесей составляет
около 2,2.
Оптимальная доля песка в смеси заполнителей г для обес-
печения минимальной жесткости колеблется в пределах 0,2—
0;3.
Изменение физических свойств заполнителей — крупности,
состояния поверхности, окатанности, количества примесей —
на удобоукладываемость жестких смесей влияет сильнее, чем
на удобоукладываемость подвижных. Так, в опытах М. Кап-
лана изменение угловатости крупного заполнителя повышало
жесткость смеси постоянного состава с 35 до 100 сек, Прц
применении в бетонных смесях песков разной крупности водо-
30
потребность, необходимая для обеспечения определенной
жесткости, изменялась на 30—35%.
Учитывая однозначную зависимость между жесткостью и
водопотребностью в смесях на определенных материалах, при
определенном г и в пределах применимости правила постоян-
ства водосодержания, можно составить таблицы и графики,
выражающие эту зависимость. Такой график приведен на
рис. 5 (внизу). Однако данные этих рафиков и таблиц менее
точны, чем для подвижных смесей.
Хотя укладка жестких бетонных смесей до обеспечения
требуемой плотности 97—98% трудоемка, свежесформован-
ное изделие обладает уже некоторой прочностью (5—
10 кГ/См2), позволяющей его немедленное распалубливание.
Бетоны из жестких смесей твердеют быстрее, и их конеч-
ная прочность больше, чем прочность бетонов из подвижных
смесей при тех/же значениях Ц/В. Повышение прочности при
увеличении жесткости смесей в бетонах с одинаковым Ц/В
объясняется повышенной когезией цементного камня в тон-
ких прослойках и вовлечением скелета почти соприкасающих-
ся между собой зерен заполнителя в восприятие основной на-
грузки. Относительное увеличение прочности при увеличении
жесткости больше у бетонов с малыми значениями Ц/В, так
как при малых Ц/В вязкость цементного теста мала и прослой-
ки его тоньше, чем у бетонов с- повышенными Ц/В.
Для прочности бетонов, полученных из жестких смесей,
справедлива зависимость типа зависимости Боломея — Скрам-
таева
R6=ARu(^-±c).
С увеличением жесткости смеси прочность бетона будет
повышаться, что в общем виде может быть представлено фор-
мулой
К«=АКц(-т)";(т±С).
где А — коэффициент, характеризующий свойства заполните-
лей;
С — коэффициент, характеризующий структуру цементно-
го камня;
и — коэффициент, характеризующий толщину прослоек
цементного камня и изменяющийся с изменением Ц/В;
Цо — количество цемента, применяемое в подвижных сме-
сях.
31
В настоящее время еще не накоплены данные для установ-
ления значений коэффициентов А, С Ич п, поэтому формула
может иметь только, познавательное значение, характеризую-
щее зависимость прочности бетонов от некоторых факторов,
в частности от уменьшения прослоек цементного камня меж-
ду заполнителями.
Для расчетов зависимости прочности бетонов на заполни-
телях, удовлетворяющих требованиям ГОСТ, от Ц/В, жест-
кости смеси и марки цемента пользуются опытными данными,
приводимыми в таблицах. Выборочные значения из них при-
ведены в табл. 6 и 7.
Таблица 6
Значения Ц/В^ обеспечивающие получение заданной прочности
бетона на портландцементах разных марок и щебне, при
жесткости смесей 30—50 сек
Прочность бетона через 28 суток нормального твердения, кГ1см2 Марка цемента
300 400 500 | 600
100 0,95 .
200 1,50 1,25 1,10 —
300 2,05 1,70 1,50 1,35
400 3,05 2,25 1,95 1,65
500 — 3,20 2,70 2,25
600 — — 3,50 3,20
Значения Ц/В, данные в таблице, в зависимости от тре-
буемой жесткости следует уменьшать на величину поправки
Л Ц/В (табл. 7).
Таблица 7
Значение поправки А Ц В
Жесткость смеси, сек Поправка Д Ц/В
30-50 0
60—80 0,05
90—120 0,15
250—300 0,25 *
Заканчивая рассмотрение основных закономерностей
свойств бетона, необходимо отметить, что приведенные зави-
симости4* в настоящее время подвергаются критике со стороны
многих ученых, так как фактические результаты удобоукла-
32
дываемости смеси и прочности бетона часто значительно от-
личаются от расчетных данных.
Основные закономерности в технологии бетона: закон
водоцементного отношения, правило постоянства водосодер-
жЯния, уравнение абсолютных объемов — определены исходя
из упрощенного рассмотрения структуры и свойств бетона.
Успехи науки о бетоне позволили вскрыть сложность и
многогранность особенностей этого материала начиная с
приготовления смеси до затвердевания ее в прочный монолит
и при дальнейшем поведении бетона под нагрузкой.
В последнее время в технологию бетона успешно внедря-
ются вероятностно-статистические методы исследования. С
точки зрения математической статистики технология бетона
рассматривается как сложная математическая модель, в ко-
торой наряду с точно предвиденными взаимодействиями
(детерминированная система) действует и случайность (сто-
хастическая система).
Изучение достаточно представительных выборок экспери-
ментальных данных «состав — технология — свойства» для
этих материалов позволяет статистически устанавливать тех-
нологические связи и закономерности с необходимой досто-
верностью.
Статистическая обработка данных позволяет учесть влия-
ние многочисленных факторов, рассмотреть реализацию раз-
личных вариантов состава и технологии производства и вы-
брать оптимальные из них для получения бетона заданных
свойств.
Примеры практического использования
зависимостей свойств бетона от его состава
Задача № 1. Назначить ориентировочный состав бетона для получе-
ния Кб = 300 кГ1см2 с подвижностью смеси 5 см. Компоненты: 1) порт-
ландцем енгг: Иц=300 кГ1см\ уц=3,1 кг/дм3-, 2) заполнители среднего ка-
чества: правий НК=40 мм, уг=2,5 т/ле3; песок средней крупности,
Уп=2,5 т/м3.
1. Определяем водопотребность бетонной смеси требуемой подвижности
(по графику):
В = 170л/лЗ.
2. Определяем Ц/В, обеспечивающее требуемую 'Прочность:
300 =0,6-300 (Ц/В—0,5); Ц/В ==2,17.
3. Определяем расход цемента на 1 м3 бетона:
Ц=2,17-170^370 кг.
4. Определяем расход заполнителя на 1 м3 бетона из уравнения абсо-
лютных объемов:
3 Зак.v 3203 ,
33
170+^Т+Х5‘=1000; П-;-Г^1780 кг.
Итак, состав бе гона: В—170 л; Ц — 370 к<\ 3—1780 кг.
Если известно значение г, можно определить количество заполнителей;
допустим, г=0,4, тогда П —710 кг, Г=1070 кг.
Этот состав бетона может быть выражен в вице соотношения
1 : 1,92:2,9; В/Ц=0,46.
Задача № 2. Изменить состав бетона, определенный в задаче № 1,
так, чтобы подвижность смеси была 8 см, а прочность осталась прежней.
1. Водопотребпость смеси с ОК=8 см (по графику) — 180 л.
2. Для обеспечения прочности бетона 300 кГ1см? Ц/В остается без из-
м-енения. Расход цемента
11=2,17-180=390 кг.
3. Расход заполнителей
180+^+^=1000; П-иГ=1735 кг.
Задача № 3. Изменить состав бетона, определенный в задаче № 1,
так, чтобы прочность его составила 200 кГ)см2, без изменения подвижно-
сти (5 ел).
1. Определяем Ц/В для “обеспечения прочности 200 кГ1см2‘.
200 =0,6-300 (Ц/В—0,5); Ц/В = 1,61.
2. Так как водопотребность смеси остается без изменения, то
Ц= 1,61-170=274 кг.
3 Содержание заполнителей
170+^+^=1000; П+Г=1810 кг.
0,12,0
Задача № 4. Изменить состав бетона определенный в задаче № 1,
так, чтобы прочность его составляла 400 кГ/смЛ, без изменения подвиж-
ности смеси (5 см).
1. Отношение -511—199 = 1,33 >1,2, т. е. бетон высокопрочный.
Иц 300
Определяем Ц/В для обеспечения прочности Rc=40O кГ/см?:
400=0,4-300(Ц/В+0,5); Ц/В =2,88.
2. Считаем, что выше Ц/В критического (2,5) водопотребность увели-
чивается на 2% при увеличении Ц/В на 0,1, тогда
В=180+3-2~=191 л.
3. Количество цемента:
Ц=2,88-191=510 кг.
4. Количество заполнителей:
. 191 +|^+Д#= ЮОО; П+Г=1610 кг.
0,1 2,3
Задача № 5. Назначить состав бетона Re=300 кГ/см^ из жесткой^
смеси Ж =100 сек. м
Качество цемента и заполнителя то же, что и в задаче № 1.
1. Водопотребность смеси (по графику) — 135 л. М
2. Ц/В (по табл. 6) =2,05. И
34
-Поправка к Ц/В на жесткость (по табл. 7) ДЦ/В=0,25:
Ц/В=2,05—0,15= 1,90.
3. Ц= 1,90-135=257 кг.
4. Количество замолнителей
125+^+2^=1000; П+Щ=1980 кг.
О, 1 Z, Э
Технологические испытания
заполнителей
Регламентируемые действующим ГОСТ показатели свойств
заполнителей необходимы, но недостаточны для полной
оценки эффективности использования в бетоне того или ино-
го заполнителя. В примечаниях к ГОСТ оказано, что оконча-
тельная оценка качества заполнителей может быть дана
после их испытания непосредственно в бетоне с последую-
щим технико-экономическим обоснованием.
В настоящее время ведутся многочисленные исследования
по разработке новых методов испытаний заполнителей, позво-
ляющих более полно характеризовать их свойства. Из имею-
щихся предложений остановимся на испытании качества
крупного заполнителя и сравнении эффективности различных
песков.
Испытание качества крупного заполнителя. Метод опреде-
ления качества крупного заполнителя, предложенного И. Ф.
Френкелем и А. С. Дмитриевым, основан на следующих поло-*
жениях: 1) бетон всегда разрушается только в результате
разрушения цементного камня; 2) если заполнитель значи-
тельно прочнее цементного камня и имеет хорошее сцепление
с ним, то при увеличении количества заполнителе прочность
бетона должна возрастать; 3) если заполнитель непрочен или.
обладает плохим сцеплением с цементным камнем, то проч-
ность бетона при'увеличении количества заполнителя будет
падать. Результаты опытов по влиянию на качество бетона
различных заполнителей в разном количестве приведены на
рис. 8.
Методика испытаний заключается в том, что по требуемой
прочности бетона и удобоукладываемости смеси определяют
Ц/В, В и Ц и приготовляют два замеса с содержанием круп-
ного заполнителя 750 и 850 кг!м3. Содержание песка в заме-
сах устанавливают пег уравнению абсолютных объемов. Затем
изготовляют обрагзцы, которые после надлежащего хранения
испытывают на сжатие. Если прочность образцов из обоих
3*
35
Рис. 8. Зависимость прочности бетона от количества крупного за-
полнителя при постоянном В/Ц:
/ — гранитный щебень; 2 — кирпичный щебень; 3 — керамзитовый гравий.
замесов будет выше требуемой марочной, заполнитель пои-
годен для производства бетона этой марки.
Испытания качества песков. ‘Качество песков можно срав-
нивать, сопоставляя расходы цементного теста, необходимого
для заполнения пустот в 1 кг песка и смааки поверхности его
зерен. Этот показатель назван модулем эффективности Мэ<ь.
36
Объем пустот в 1 кг песка определяют по формуле
v"=
где уоп — объемный насыпной вес песка в кг/л.
УДельную поверхность зерен песка подсчитывают по фор-
муле А. С. Ладинского
S= К (0,635+32,5 +2а1,25+4ао.бз+8ао,з15 +16ао.14+32во,14),
где ах — частные остатки на стандартных ситах в %;
во,и — проход через сито с отверстием 0,14 мм в %;
К — коэффициент, равный для крупных песков 2, для
средних 1,65, для мелких 1,3.
Толщину пленки теста на поверхности зерен песка прини-
мают равной 0,013 мм', тогда
Мэф=Уп+0,0135[л/кг].
Песок, имеющий
меньший модуль эф-
фективности, требует
меньшего расхода це-
мента и, следовательно,
более экономичен.
Б. Г. Скрамтаев и
Ю. М. Баженов предло-
жили оценивать эффек-
тивность песков по их
водопотребности.
На стан д а р т н о м
встряхивающем столи-
ке в соответствии с ме-
тодикой ГОСТ 310—60
устанавливают расплыв
малого конуса цемент-
ного теста нормальной
густоты (В/Ц)н.г (рис.
9). Приготовляют ра-
створ состава 1:2 и под-
бирают (В/Ц)р так,
чтобы расплыв конуса
раствора был таким же,
как у теста. Затем оп-
ределяют водопотребность
Рис. 9. Определение расплыва ко-
нуса на встряхивающем столике.
песка по следующей формуле:
37
(_L) _(JL)
B = UUplU/o 1oo%
z
Обычно водопотребность песков 5—12%. Предпочтение
необходимо отдать песку с меньшей водопотребностью.
Аналогично можно определять и водопотребность .крупного
заполнителя.
Водопотребность щебня (гравия) авторы рекомендуют
определять следующим образом. Определяют осадку стан-
дартного конуса у раствора 1 :2 при (В/Ц)р, установленном
при определении водопотребности песка. Приготовляют бе-
тонную смесь состава 1 : 2 :3,5 и подбирают (В/Ц)б так,
чтобы осадка стандартного конуса равнялась осадке конуса
раствора.
Водопотребность вычисляют по формуле
в _(тг)б_(тг)р 100!Г
Ощ(г) — 2 5 1UU /о.
Водопотребность плотного гравия обычно составляет
1—2%, щебня 2—4%, щебня из пористых карбонатных по-
род до 8—10%.
IV. ПОДБОР СОСТАВА БЕТОНА
Правильный подбор состава является важнейшим меро-
приятием -технологии бетона. Цель этой операции — полу-
чение бетона, удовлетворяющего заданным техническим тре-
бованиям при принятой технологии и наиболее экономичного
по составу, т. е. бетона заданной марочной прочности при
определенной удобоукладываемости смеси с использованием
имеющихся материалов (щебень, гравий, песок, цемент).
Обычно экономичность обеспечивается минимальным расхо-
дом цемента.
Может решаться и обратная задача: при заданном расходе
цемента подобрать состав, который при принятой технологии
обеспечит получение максимальной прочности бетона.
Необходимо отметить, что, несмотря на многочисленные
предложения, в нашей стране нет еще стандартного метода
подбора состава бетона, который обеспечивал бы высокую
точность получаемых результатов, был бы достаточно прост
и нетрудоемок’по времени при его выполнении.
Методы подбора состава бетона расчетно-эксперименталь-
з&-
ные и состоят из расчетной части и обязательной эксперимен-
тальной проверки и корректировки назначенного состава.
Расчет состава бетона
Как следует из предыдущей главы, расчет количества це-
мента, воды и заполнителей для обеспечения требуемой проч-
ности затвердевшего бетона и подвижности смеси может быть
произведен по формулам и графикам, выражающим основ-
ные зависимости свойств бетона от его состава:
ту-=тк-±0,5; В—по графику;
D 2ЛГ\ц
Ц = -~ В; Va6c зап = —+—=Ю00-В- —.
. В аос.зап 7п 7щ Тц
Однако приведенные зависимости не позволяют рассчи-
тать раздельные содержания песка и щебня в смеси заполни-
телей. В то же время только при определенном г или П/Щ(Г)
обеспечивается наилучшая удобоукладываемость смеси и,
следовательно, наиболее экономичный состав бетона. При
малом содержании песка бетонные смеси расслаиваются,
при большом требуют увеличенного -количества цементного
теста.
В 30—40-х годах содержание песка определяли исходя из
необходимости получения максимальной плотности скелета
заполнителей, для чего содержание фракций заполнителей
назначали пользуясь кривыми просеивания, разработанными
Фаулером, И. Боломеем и И. П. Александриным, или подби-
рали соотношение между песком и крупным заполнителем
так, чтобы модуль крупности смеси заполнителей имел уста-
»новленные значения. Некоторые исследователи предлагали
I определять наибольшую плотность смеси заполнителей рас-
|четами и опытным путем.
Й Однако подборами состава бетонов доказано, что наибо-
|лее плотные смеси из крупного заполнителя и песка не опре-
йделяют рациональных значений г, так как цементное тесто не
только заполняет пустоты в скелете заполнителей, но и обво-
влакивает их зерна пленками, толщина которых зависит о г
|удобоукладываемости бетона и принятого водоцементного
|отношения. Так, оптимальные значения г в бетонных смесях
определенной удобоукладываемости и на одних и тех же за-
полнителях при изменении Ц/В смеси могут принимать зна-
чения от 0,28 до 0,42, тогда как определение г по максималь-
39
ной плотности скелета предполагает, что его значение не за-
висит от расхода Цемента и воды.
Наиболее точно соотношение крупного заполнителя и пес-
ка может быть установлено опытным путем. Для этого при-
готовляют несколько замесов беконной омеси при постоянных
Ц/В и водосодержании, но с разными соотношениями песка
и крупного заполнителя и находят состав, при котором смесь
будет иметь наилучшую удобоукладываемость.
Опытный метод определения соотношения между запол-
нителями точен, но-трудоемок, поэтому усилия многих ученых
были направлены на установление аналитических зависимос-
тей этой величины.
Физическая сущность оптимального соотношения между
песком и крупным заполнителем заключается в построении
такого скелета заполнителей, который требовал” бы минималь-
ного количества цементного теста определенной консистенции
для заполнения всех межзерновых пустот и создания пленок
вокруг зерен заполнителя, обеспечивающих требуемую удо-
боукладываемость бетонной смеси.
На рис. 10 приведен график нахождения оптимального
соотношения между песком и гравием для бетонной смеси при
данном В/Ц и средней толщине пленок цементного теста
вокруг зерен заполнителя 6, обеспечивающей требуемую удо-
боукладываемость смеси. Объем межзерновых пустот Vn и
удельную поверхность зерен S в смесях заполнителей с раз-
личными значениями П/Г рассчитывали по общеизвестным
формулам.
Из построенных зависимостей следует, что скелет запол-
нителей наиболее плотный при П/Г=0,43, а расход цемент-
ного теста для обеспечения требуемой удобоукладываемости
минимальный при П/Г=0,40 (г=0,28).
Изменить удобоукладываемость бетонной смеси при посто-
янном В/Ц можно изменяя толщину пленок цементного теста
вокруг зерен заполнителей; при этом найденное оптимальное
соотношение между песком и крупным заполнителем не из-
менится.
При постоянной удобоукладываемости (водосодержании)
увеличение содержания цемента вызовет необходимость
уменьшения количества песка, и наоборот.
Таким образом, оптимальное значение г (или П/Щ) в бе-
тонной смеси изменяется с изменением Ц/В смеси и не зави-
сит от ее удобоукладываемости.
Из-за трудностей определения значений г для данных за-
40
Vu.t , м3
Рис. 10. График расхода цементного теста для обеспечения требуе-
мой удобоукладываемости бетонной смеси при различных отношениях
песка к гравию:
Vn— объем цементного теста для заполнения пустот в заполнителе; Vs —
объем цементного теста для обволакивания зерен заполнителя Уц ~~
общий объем цементного теста ¥ц s=Vn+Vs. Точка К соответствует максималь-
ней плотности скелета заполнителей, точка г — оптимальному для бетона П/Г.
полнцтелей при каждом Ц/В более удобно пользоваться дру-
гим соотношением — коэффициентом раздвижки зерен щебня
раствором а или, по другим авторам, коэффициентом избыт-
ка раствора Кизб, что то же самое:
В+—+—
где уолц — насыпной объемный вес щебня.
В числителе формулы приводится абсолютный объем це-
ментно-песчаного раствора, в знаменателе — объем пустот в
рыхло насыпанном щебне (весом Щ кг). Таким образом,зна-
чения а характеризуют увеличение объема пустот щебня за
счет раздвижки его зерен растворной частью.
Преобразуя формулу
Kj(B-|-Va6c.ii) I IZ / П \
а=-----Щ-----+ 1Чщ)опт’
где Ki и К2 — постоянные, можно видеть, что при повышении
удобоукладываемости смеси за счет увеличения первого чле-
на (водосодержания или объема цементного теста при посто-
янном В/Ц) значение а будет увеличиваться. При постоянной
удобоукладываемости (водосодержании)' увеличение коли-
чества цемента должно вызвать соответственно уменьшение
количества песка. Предполагается, что уменьшение количест-
ва песка при повышении цементоводного отношения • обеспе-
чивает оптимальное для данного Ц/В значение П/Щ. Таким
образом, коэффициент зависит от удобоукладываемости бе-
тонной смеси и не зависит от ее цементоводного (водоцемент-
ного) отношения.
Таблица 8
Значение величин а и г при изменении В,Ц в бетонной смеси с
постоянной подвижностью (ОК=2 см)
Крупный заполнитель Песок Парамет- ры сме- си Значение параметров смеси при рас- ходах цемента, кг!м3
450 400 350 300 | 250 | | 200
Щебень _ Мк=3 В/и 0,41 0,45 0,50 0,59 0,70 0,88
я 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
Г 0,29 0,31 0,33 0,35 0,36 0,38
п/щ 0,41 0,45 0,49 0,54 0,56 0,61
42
Таблица 9
Значение величины а и г в бетонных смесях разной
удобоукладываемости при постоянном В/Ц=0,5
Крупный заполнитель Песок Парамет- ры смеси Значение параметров смеси при рас- ходах цемента, кг)м3
440 415 | 385 350 314 274
Щебень 5—20 мм Мк—3 ОК, см Ж, сек а и 1,50 10 1,44 6 1,32 2 13 1,20 25 1,12 50 1,02
Г 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33
п/щ 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49
Найденные дпытным путем значения а и г, меняющйеся в
зависимости от изменения Ц/В и подвижности бетонной сме-
си н^одних и тех же заполнителях, представлены в табл. 8 и
9 (данные В. П. Сизова).
Приведенные данные хорошо иллюстрируют высказанные
положения о свойствах величины г и коэффициента раздвиж-
ки зерен а. Так как при расчете состава бетона уже известны-
содержание воды и объем цементного теста, которые опреде-
ляют удобоукладываемость бетонной смеси, можно вычислить
и связать значения а с объемом цементного теста при опти-
мальных соотношениях заполнителей. Такая зависимость
предложена Б. Г. Скрамтаевым и Ю. М. Баженовым (рис. 11)
и легла в основу их метода расчета состава бетона, который
носит название метода абсолютных объемов.
Согласно этому методу после вычисления В/Ц, В и Ц ре-
шают систему двух уравнений:
1) в+^+-5-+Щ- = 1ооо,
7ц In 7щ
откуда определяют две неизвестные величины — П и Щ
7о.щ 7 т
П=[1000-(в+^+ЗД Лп.
L v 7ц 7щ /J
43
Пример. Рассчитать состав бетона для получения Re=400 кГ/см2 с
подвижностью смеси 5 см.
Материалы: портландцемент марки 500, уц=3,1 г/см3;
песок средней крупности уц=2,70 a/cjw3; уо.п = 1,5 а/сл3;
щебень гранитный НК=40 мм, Yi4=2,6 г/см3, уо.щ = 1,48 г/см3;
заполнители удовлетворяют требованиям ГОСТ.
L Ц/'В= бГб5-500 +°>5=st73-
2. В по графику =180 л.
Ц= 1,73-180=311 кг.
Объем цементного теста V4= g-j +180=280 л.
Согласно графику а=1,38.
Рис. 11. Зависимость коэффициента раздвижки зерен от расхода це-
ментного теста на 1 м3 бетона. При уменьшении модуля крупности пес-
ка Мк на 1,0 коэффициент уменьшается на 0,10—0,15, однако он не дол-
жен быть менее 1,1.
44
п=[ 1000—(178+Щ+ И1 • 2,70=610кг.
L \ о, 1 2, о / J
Следовательно, искомый состав бетона:
1:1,93:4,12; Ц/В = 1,73 при уо=2380 кг/лА
Поскольку в методе Б. Г. Скрамтаева и Ю. М. Баженова
коэффициент а определяется в зависимости от расхода це-
ментного теста, а физические характеристики заполнителей
учитываются крайне недостаточно, только модулем крупности
песка и пустотностью щебня, то может оказаться, что при
принятом значении коэффициента а не обеспечивается опти-
мальное -соотношение между мелким и крупным заполнителем.
Поэтому рекомендуется при экспериментальной проверке
результатов, помимо расчетного состава, готовить еще два за-
меса с разницей в расходе песка и щебня приблизительно в
50 кг/м3 и выбирать состав с лучщей удобоукладываемостью.
В последнее время детальные исследования зависимостей
и Свойств коэффициента а и величины г проведены В. П. Си-
зовым, который считает, что коэффициент а нужно назначать
более обоснованно, исходя не из расхода цементноТЪ теста, а
из трех параметров: удобоукладываемости бетонной смеси,
пустотности песка и* пустотности крупного заполнителя. Для
определения значений-a им разработаны номограммы (рис. 12).
Сначала по номограмме «а» в зависимости от пустотнос-
ти заполнителей определяют значение а для смесей с подвиж-
ностью ОК=2 см, затем по графику «б» в зависимости от
фактически требуемой удобоукладываемости — поправку к
найденному коэффициенту.
В. П. Сизовым составлены также уточненные графики во-
допотребности бетонной смеси в зависимости от требуемой
удобоукладываемости, характеристики заполнителей и цемен-
тов.
Метод расчета состава бетона по абсолютным объемам
критиковали многие исследователи, предлагавшие другие ме-
тоды, однако при проверке они оказались гораздо сложнее и
не давали более точных результатов. В методе абсолютных
объемов, действительно, основная зависимость прочности
бетона, выражаемая формулой
R6=ARu(^±0,5),
не точна, так как все многообразие свойств заполнителей не
может быть выражено тремя значениями коэффициента А и
одним значением коэффициента С.
45
Хотя правильность общего вида указанной зависимости и
подтверждена большой работой, проведённой в 1963—1964 гг-
научно-исследовательскими и учебными институтами и про-
изводственными лабораториями всей страны, но установле-
ние физически обоснованных характеристик материалов, опре-
деляющих точно величину указанных коэффициентов, еще
ждет исследователей. Слишком упрощена и зависимость удо-
боукладываемости бетонной смеси от ее водосодержания,
представленная графиками и таблицами, также не учитываю-
щая многообразия свойств заполнителей, влияния свойств це-
мента и соотношения компонентов в смеси, хотя учет водопо-
требности заполнителей и нормальной густоты цементного
а
0.35 0,39 0,43 0,47 0.51 0,55
Пустотпости щойна, I/'пуст, ш
Рис. 12. Номограмма и график для определения коэффициента аг
а — значения а в зависимости от пустотности песка и щебня для бетон-
46
теста, введенный в последнее время, является значительным
шагом вперед в повышении точности расчета состава бетона.
Не совсем точна формула абсолютных объемов
в+—+—+—=1000,
Г Тц 7п 7щ
так как она не учитывает вовлеченного в смесь воздуха;
кроме того, выход цементного теста несколько отличается от
суммы абсолютных объемов воды и цемента. И, как уже было
сказано, использование коэффициента раздвижки зерен не
гарантирует оптимального соотношения песка'и щебня в бе-
тонной смеси. Все сказанное делает необходимой эксперимен-
тальную проверку расчетных данных.
Экспериментальная проверка
состава бетона
При экспериментальной проверке состава бетона изготов-
ляют пробный замес для определения фактической удобоукла-
дываемости смеси и прочности затвердевшего бетона. Объем
замеса зависит от количества образцов, необходимых для оп-
ределения прочности на сжатие.
ных смесей с ОК=2 см; б — значения поправок Да к коэффициенту а в
зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси.
47
Если готовятся только три образца, то принимают следую-
щий объем замеса:
Размер ребра образца, см 10 15 20 30
Объем замеса, л 6 12 25 85
Если удобоукладываемость смеси получилась менее тре-
буемой, следует добавить 5—10% цементного теста (цемента
и воды), не меняя определенного расчетом цементоводного
отношения. Если удобоукладываемость выше требуемой, то
добавляют 4—-10%' заполнителей, не меняя соотношения меж-
ду, песком и щебнем. Так поступают до тех пор, пока удобо-
укладываемость не будет иметь требуемого значения.
Применительно к условиям приведенного в расчетной час-
ти примера (при НК щебня=40 мм) при размере ребра об-
разца 15 см для замеса объемом 12 л расход материала со-
ставит
Ц=3,72к5 (311X0,012)
В=2,14 л
П=7,35 кг
Щ= 15,35 кг
Всего 28,56 — 28,60 кг
При проверке осадка конуса оказалась равной 2 см; сле-
дует добавить по 10% цемента и-воды; осадка конуса получи-
лась 5 см.
Новый расход материалов на замес:
Ц=4,10 кг
В=2,35 л
П=7,35 кг
Щ= 15,35 кг
Всего 29,15 кг
Для определения марки бетона следует изготовить три об-
разца в формах 15X15X15 см. При изготовлении образцов
нужно определить объемный вес свежеуложенного бетона.
Если фактический объемный вес Ve.c оказался равным
2360 кг/м3, тогда объем скорректированного замеса бетонной
смеси
v»-=T5sr=0-0123
Расход материалов на 1 м3 бетона
Ц=4,10: 0,0123=335 кг
В=2,35 : 0,0123= 190 л
П=7,35 : 0,0123 = 595 кг
Щ = 15,35 : 0,0123= 1250 кг
48
- е
Теоретический объемный вес свежеуложенного бетона
VTg°cp=335+190+595+1250 =2370 кг/м3.
Разница между фактическим и теоретическим объемным
весом не должна превышать 2%. В нашем случае эта разница
меньше 1%.
Образцы, изготовленные для определения марочной проч-
ности бетона, хранят и испытывают в соответствии с требова-
ниями ГОСТ 10180-67.
Так как значения фактической прочности образцов могу г
отличаться от рассчитанной, рекомендуется, помимо основно-
го состава, изготовлять образцы еще из двух замесов со зна-
чениями Ц/В, отличающимися от этого отношения в основном
составе на ±0,05.
После испытания прочности, если она соответствует тре-
буемым значениям, состав выдается для производства; при
несоответствии производят пересчет' состава с изменением.
Ц/В. Изменение величины Ц/В можно определить, построив
график в координатах Rs — Ц/В по значениям этих величин
и образцов из дополнительных замесов.
При подборах составов бетонов естественного твердения
для ускорения времени подбора изготовляют две партии об-
разцов на испытание — в возрасте 7 и 28 суток. При испыта-
нии семисуточных образцов можно уже ориентировочно су-
дить о соответствии полученной прочности требуемой (см.
главу VIII) и произвести корректировку состава. При подборе
состава бетона для заводских конструкций определенной от-
пускной прочности образцы испытывают после тепловлаж-
ностной обработки по режиму твердения, принятому на
заводе.
Обычно при применении заполнителей, удовлетворяющих
требованиям ГОСТ, при экспериментальной проверке расче-
та по методике абсолютных объемов результаты близко соот-
ветствуют расчетным, применение же нестандартных материа-
лов требует трудоемкой корректировки составов.
Экспериментальный метод подбора
состава бетона
На заводах ЖБИ и больших стройках обычно приходится
подбирать состав бетонов различной прочности, с постоянной
подвижностью смесей, на имеющихся местных нестандартных
материалах. В этом случае удобнее пользоваться эксперимен-
4 Зак. 3203 . 49
тальным методом. Трудоемкость его окупается точностью ре-
зультатов и тем, что подбор проводится фактически один раз.
Порядок проведения подбора следующий.
1. Для требуемой удобоукладываемости бетонной смеси
определяют ориентировочное количество воды В по графикам
или таблицам.
2. Задается ряд значений Ц/В, обычно 1,5; 2,0; (2,25);
2,5; (2,75); 3, и для каждого из них подсчитывают содержание
. цемента Ц и объем цементного теста Уц.т при принятом посто-
янном значении В.
3. Для каждого Ц/В рассчитывают абсолютный объем за-
полнителей Vgg"=1000—Уц.т и количество песка П и круп-
ного заполнителя Щ (Г), обычно соответствующее отноше-
ниям П/Щ=0,4; 0,5; 0,55; 0,60; 0,65.
Например, при П/1Ц=0,5 количество щебня и песка со-
ставит соответственно
..зап
1П— уабс'7п'7щ.
' 0.5-Гш+Тп ’
..зап
П= *абс'^п'Хш
7,ц+О75
4. Для каждого Ц/В производят пять замесов по 8—10 л
при постоянной В с пятью указанными в пункте 3 соотноше-
ниями л строят график зависимости удобоукладываемости
(ОК или Ж) отП/Щ (рис.-13).
Определяют оптимальное П/Щ по лучшей удобоукладывае-
мости смеси. Если .на графике нечетко выражено экстремаль-
ное значение, необходимо сделать дополнительные замесы с
соответствующим новым отношением П/Щ.
5. При найденном оптимальном для каждого Ц/iB значе-
нии П/Щ при необходимости добиваются требуемой удобоук-
ладываемости, корректируя состав количеством цементного
теста.
6. Для каждого Ц/В рассчитывают скорректированный
состав бетона и изготовляют образцы, которые после надле-
жащего хранения испытывают на прочность при сжатии. При
изготовлении образцов нужно обязательно, проверить соот-
ветствие фактического объемного веса расчетному.
7. Строят график зависимости Re, П/Щ и Во от Ц/В, кото-
рый позволяет точно определять состав бетонов требуемой
прочности при принятой удобоукладываемости смеси
50
(рис. 14). При необходимости приведенные на графике за-
висимости могут быть облечены в аналитическую форму.
По графику для требуемой прочности бетона R6 находят
цементоводное отношение, обеспечивающее эту прочность, и
на вертикали найденного (Ц/В)х определяют (П/Щ)х и В, по
которым несложно вычислить состав бетона.
Из графика (рис. 14) можно установить формулу проч-
ности бетонов Кб=0,4 Rn-Ц/В и критическое значение Ц/В,
равное 2,25.
Рис. 13. График зависимости удобоукладываемости бетонной смеси
от П/Щ.
Установленные.зависимости Re и П/Щ от Ц/В для наибо-
лее употребительных бетонов из подвижных и малоподвиж-
ных смесей не зависят от их удобоукладываемости, которая
однозйачно будет определяться только водосодержанием сме-
сей. «4|
Водопотребность бетонных смесей различной удобоукла-
дываемости могла бы быть представлена на графике семейст-
вом параллельных линий. Проще построить отдельный график
изменения водопотребности в зависимости от требуемой удо-
боукладываемости бетонной смеси (рис. 15), тем более что
4*
51
Rj, кГ/см*
данные для построения такого графика накапливаются уже в
процессе подбора (пункт 5)-
Полевой состав и коэффициент выхода бетона
Составы бетонов подбирают в лаборатории на сухих ма-
териалах. Эти составы называются номинальными.
Поскольку заполнители обычно имеют некоторую влаж-
ность, номинальные составы на производстве пересчитывают
на полевые, учитывая влажность заполнителей. Допустим, что
щебень и песок, используемые для бетона в вышеприведен-
ном примере расчета состава бетона, имеют текущую влаж-
ность по весу 1 и 3%; тогда песок содержит воды 585X0,03 =
= 17,5» 18 л, щебень 1250X0,01 = 12,5 л» 12 л.
Для сохранения вычисленного значения В количество во-
ды при приготовлении бетонной смеси необходимо уменьшить
на 30 л, а вес заполнителей соответственно увеличить
(табл. 10).
52
Жесткость, сек Осадка конуса, см
Рис. 15. Зависимость водопотребности бетонной смеси от требуемой
удобоукладываемости. К — коэффициент, на который нужно умножить зна-
чение водопотребности, определенное по графику, изображенному на рис. 14.
Таблица 10
Расчет полевого состава бетона
Номинальный состав бетона Полевой состав бетона
Ц=335 кг В=190 л П=585 кг Щ=1250 кг Ц=335 кг В=190—30=160 л П =585+18=603 кг Щ=1250+12= 1262 кг >
При расчете расхода материалов на замес в бетономешал-
ке следует учитывать, что геометрический объем* бетономеша-
лок позволяет вмещать сумму естественных объемов материа-
лов, которые после перемешивания дадут меньший объем
бетонной смеси.
53
Отношение объема бетонной смеси к сумме объемов сухих
материалов носит название коэффициента выхода бетона.
В нашем примере для получения одного кубометра бетонной
смеси объем бетономешалки должен бы быть
\г 335 । 585 । 1250 . елл
VeCT= Кз+г5+Г48=150° Я-
Коэффициент выхода бетона
гл __ 1000 1000 л. «у
Кв б ~ Ц . п ~~Щ=Т500~и’°
- То.ц То.п То.щ
При расчете материалов на замес бетономешалки необхо-
димо расход материалов на 1 л3 бетона умножить на емкость
бетономешалки и коэффициент выхода1.
V. ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАН ИЯ
И ОТВЕРДЕВАНИЯ БЕТОНА
*
Взаимодействие цемента с водой
При затворении в бетонной смеси сразу начинаются слож-
ные физические и химические процессы взаимодействия це-
ментных зерен с водой. Вода, проникая в микротрещины зе-
рен, вызывает их диспергирование, что значительно увеличи-
вает реакционноспособную поверхность цемента.
Взаимодействие клинкерных 'минералов с водой происходит
по вскрытой поверхности зерен, которая непрерывно меняется
как по величине, так и по минералогическому составу (за счег
вскрытых минералов), что вызывает необходимость рассмат-
ривать процессы твердения в зависимости не от расчетного, а
от «действующего» в данный момент минералогического со-
става цемента.
В результате взаимодействия воды с клинкерными мине-
ралами (C3S, C2S, С3А, C4AF)2 происходят гидролиз и гидра-
1 Емкость новых типов бетономешалок выражается не геометрически-
ми размерами, а объемом приготовленной бетонной смеси.
2 В химии цемента принято при написании формул обозначать наибо-
лее часто встречающиеся окислы одной первой буквой их химической фор-
мулы и Молекулярное содержание окисла в соединении — малой цифрой,
проставляемой оправа внизу буквы. Так, обюзна^чения минералов портлавд-
цемента примут вид: 3CaO*SiO2—C3S; 2CaO-SiO2—C2S; ЗСаО«А12О3—C3A;
4CaO-A12O3-F2O3—C4AF. Гидросиликат кальция 2CaO;SiO2*2H2O обозна-
чается C2SH2 и т. д.
54
^ация последних с образованием соответствующих гидратных
соединений в виде субмикрокристаллических коллоидных час-
тиц, а жидкая фаза насыщается окисью кальция и щелочами.
, При взаимодействии алита C3S с водой образуются гидро-
силикаты переменного состава, которые могут быть представ-
лены общей формулой CxSHy, где х изменяется от 0,8 до 2,4,
а у от 0,5 до 4.
Пр.и нормальных температурах образуются нерастворимые
гидросиликаты кальция состава С<о,8+1,5) S Н(о,5+2,0), которые,
по классификации Богга, обозначают как CSH(B). При из-
бытке навести в растворе образуются гидросиликаты
С(],7 4-2) SH(2 +4), обозначаемые по Боггу C2SH2.
Кристаллохимическая структура гидросиликатов подробно
исследована Н. В. Беловым и может быть представлена в ви-
де цепочек элементарных кремнеки'слородных тетраэдров,
связанных кальциевыми октаэдрами и призмами с укрепляю-
щими эту конструкцию группами гидроксилов.
Субмикрокристаллы гидросиликатов кальция характери-
зуются пластинчатой структурой, -причем пластинки закруче-
ны в тонкие рулончики и представляют собой как бы волокна
разной длины, в среднем около 500 А. Кристаллохимически
гидросиликаты идентичны природному минералу тобермори-
ту, поэтому их часто называют тоберморитоподобными.
Малые размеры частиц гидросиликатов и огромная
удельная поверхность (250—350 м2/г) дают основание гово-
рить о гелевидном состоянии гидросиликатов в цементном
камне. Структура гидросиликатного геля может быть упо-
доблена войлоку. Волокна новообразований имеют различ-
ную степень уплотнения и связи на разных стадиях тверде-
ния цемента (р.ис. 16).
При взаимодействии с водой белита C2S вид гидросилика-
тов не изменяется, но образование их идет гораздо медленнее.
Взаимодействие СзА с водой протекает с большой ско-
ростью при значительном выделении тепла. При этом при тем-
пературе до 25° образуется метастабильное соединение
СзАН(114-12), в виде гексагональных пластинок, которое пере-
ходит в устойчивый кубический СзАН6 При этом гидроалюми-
наты кальция выделяются в виде субмикрокристаллов, -прояв-
ляющих коллоидные свойства, но затем вследствие способ-
ности к кристаллизации частицы их укрупняются и становятся
различимы в оптический микроскоп.
Как показано С. В. Шестоперовым, гидроалюминаты каль-
дия — водорастворимые соединения, а минерал С3А в порт-
55
Рис. 16. Электронная микрофотография гидросиликатов кальция:
а — тоберморитоподобные волокнистые субмикрокристаллы (увеличение в 2000>
раз), б — гелеобразные продукты гидратации алига (увеличение в 10 000 раэ)
56
ландцементе обладает свойствам^ воздушного вяжущего ве
щества.
В результате гидратации C«AF при температурах 20—25‘
образуются кубические гидроалюмоферриты кальция соста-
ва C3AFH6, являющиеся членами непрерывного ряда тверды»
растворов между С3АН3 и C3FH6.
При гидратации стекловидной составляющей цементного
клинкера возникают кристаллические образования из твер-
дых растворов C3AFHe и гидрогранаты состава -C3AFSxHy.
Гипс, вводимый в портландцемент для замедления схваты-
вания, взаимодействует с трехкальциевым алюминатом, обра-
зуя игольчатые кристаллы гидросульфоалюмината кальция
(эттрингита) ЗСаО-АгОэ-ЗСаЭС^-ЗШгО. Эттрингит отлагает-
ся на алюминатах в виде экранирующих пленок, затрудняю-
щих доступ воды к этому минералу, вызывающему при его
•гидратации мгновенное схватывание цементного теста. Схва-
тывание замедляется на время, необходимое для перевода
гипса в гидросульфоалюминат кальция.
Эттрингит образуется с увеличением в объеме твердой фа-
зы более чем в 2,5 раза, что способствует хорошему закрытию
поверхности алюминатов в цементном тесте. В-затвердевшем
цементном камне образование этого соединения уже крайне
вредно, так как ведет к разрушению камня.
При пониженных концентрациях Са (О'Н)2 и сульфата
кальция в растворе возникает низкосульфатная форма гидро-
сульфоалюмината кальция ЗСаО-А^э-ЗСаЭОг^НгО, кото-
рая образует гексагональные пластинчатые кристаллы без
существенного изменения объема твердой фазы.
Кинетика структурообразования
и твердения цемента и бетона
Уже в начальные сроки после затворения цементное тесто
представляет собой водную суспензию клинкерных частиц г
коллоидными новообразованиями, число которых увеличи-
вается со временем.
Как известно, коллоидные системы обладают устойчи-
востью вследствие существования двойных электрических
слоев или сольватных оболочек на частицах дисперсной фазы.
При устранении этих факторов устойчивости частицы под
действием Ван-дер-Ваальсовых сил слипаются, образуя -ком-
пактные агрегаты, которые, достигнув определенной величи-
ны, теряют кинетическую устойчивость и Седиментируют.
57
В определенных условиях фактор устойчивости снимается
только с некоторых участков частиц, в результате чего они
слипаются на этих участках, образуя структуру в виде про-
странственной сетки — происходит гелеобразование. Гелеоб-
разованию способствует анизодиаметричность частиц, нали-
чие у них концов, углов и ребер, где факторы устойчивости
наименее развиты.
Новообразования цемента в щелочной среде склонны к
коагул(яционному структурообразованию, при котором колло-
идные частицы располагаются в виде пространственных сеток
со включением в них и грубодисперсных частиц; каждая ячей-
ка сетки состоит из частиц, связанных силами молекулярного
притяжения через тонкие адсорбционные пленки воды. Внут-
ри ячеек может находиться значительное количество свобод-
ной воды.
Помимо коагуляционных новообразований, в цементном
тесте могут образовываться условно коагуляционные и крис-
таллизационные структуры соответственно с непосредствен-
ными физическими и химическими связями между частицами.
Виды различных структур дисперсных систем приведены на
рис. 17.
Коагуляционные структуры обладают некоторыми свойст-
вами твердых тел, такими, как упругость и прочность.
П.ри приложении внешнего силового воздействия коагуля-
ционная структура, разрушается и цементное тесто вновь ста-
новится текучим, подчиняясь законам течения вязких жидкос-
тей1. При снятии силового воздействия структура системы
снова восстанавливается; это свойство коагуляционных дис-
персных систем носит название тиксотропии. В бетонной сме-
си в коагуляционную структуру цементного теста включаются
и заполнители, связанные с тестом силами адгезии. Подроб-
нее свойства коагуляционных структур бетонной смеси’ рас-
смотрены в главе VI.
Одновременно с процессом структурообразования прохо-
дит седиментация частиц цементной суспензии, вследствие
чего в микрообъемах между заполнителями нижняя часть
имеет повышенную концентрацию дисперсной фазы. Верхняя
же часть (под заполнителем) может содержать почти чистую
воду. Это явление, в результате которого в бетоне после испа-
рения воды создаются седиментационные пустоты, носит на-
1 Точнее говорить о коагуляционно-кристаллизационных структурах в
цементном тесте, так как даже на ранних периодах гидратации между
частицами, помимо физических, возникают и химические связи.
58
Субмикрокристаяш
5
Рис. 17. Схематическое изображение структур дисперсных систем,
состоящих из пластинчатых частиц (по В. Б. Ратинову):
а, б коагуляционные структуры; в — условно коагуляционные; г — кристал-
лизационные
59
звание блидииг. Аналогично этому явлению происходит рас-
слоение бетонной смеси, т. е. осаждение тяжелых заполните-
лей и выделение цементного молока на поверхности.
Коагуляционное структурообразование, с одной сто-
роны, полезно, так как препятствует седиментационным
явлениям, с другой, ухудшает удобоукладываемость бетон-
ных смесей.
При взаимодействии цемента с водой основное количество
гидратных новообразований, главным образом гидросульфо-
алюминатов, вначале откладывается на поверхности зерен
цемента, образуя полупроницаемые пленки, которые на опре-
деленный период затрудняют переход новообразований в меж-
зерновое пространство.'
Кинетика реакций с водой характеризуется бурным на-
чальным периодом, продолжающимся 10—30 минут после
затворения: происходит большое тепловыделение, насыщение
жидкой фазы СаО, возрастает электропроводность, прояв-
ляется некоторая пластическая прочность теста.
С развитием пленок новообразований вокруг частиц це-
мента реакции замедляются и идут только под плёнками.
Наступает так называемый индукционный период, продол-
жающийся два-четыре часа. При этом наблюдается малое
тепловыделение, пониженное содержание СаО в жидкой фазе
и незначительное нарастание пластической прочности.
Затем вследствие развития осмотического давления под
пленками происходит их разрыв. Межзерновое пространство
насыщается гидратными новообразованиями, вода имеет сво-
бодный доступ к открытым поверхностям цементных зерен,
реакции получают дальнейшее развитие за счет образования
гидроалюминатов и гидросиликатов кальция. В этот основной
период структурообразования (схватывания), продолжаю-
щийся шесть-восемь часов, снова увеличивается тепловыде-
ление, резко возрастает пластическая прочность, в конце пе-
риода исчезает тиксотропия, что связано с сильным уплотне-
нием геля, в котором гидросиликаты переплетены между
собой наподобие войлока, пронизанного кристаллами других
новообразований.
Обычно укладку и уплотнение бетонной смеси производят
в индукционный период. С применением больших уплотняю-
щих усилий уплотнять смесь можно и в данный период, пока
она обладает тиксотропными свойствами. После потери тиксо-
тропии приложение силовых воздействий недопустимо, так
как оно поведет только к разрушению бетона. Имеющиеся к
60
этому моменту дефекты в структуре бетона уже не могут
быть исправлены и Остаются в твердеющем изделии.
Начало основного периода структурообразования прибли-
женно определяется началом схватывания по Вика, конец
схватывания по Вика соответствует определенной пластиче-
ской прочности цементного теста перед концом периода. В
конце периода пластическая прочность теряет свое значение,
и поэтому понятие пластической прочности должно быть за-
менено понятием механической прочности.
После завершения схватывания начинается период твер-
дения — длительный- процесс упрочнения образовавшегося
структура
Рис, 18. Кинетика гидратации цемента.
61,
цементного камня и бетона, связанный с дальнейшей гидрата-
цией цемента, увеличением и еще большим уплотнением, кол-
лоидных новообразований гидросиликатов, основных носите-
лей прочности цементного камня.
При этом между частицами -гидросиликатов развиваются
химические связи, что дает возможность говорить о постепен-
ном развитии кристаллизационных процессов в геле. Кинети-
ка процессов структурообразования показана на рис. 18.
Структурообразование и превращение цементного теста з
камень протекают фактически гораздо сложнее из-за полими-
неральности и полидисперсности цемента."Уже в ранние сроки
гидратации появляется некоторое количество кристалличе-
ских новообразований, и в поздние сроки твердения на зернах
будут образовываться коагуляционные структуры; Замедление
гидратации зерен за счет образования пленок сменяется пе-
риодами бурного ее протекания, разрывом и уплотнением
гелевых оболочек.
Изложенный выше порядок‘течения процессов только ста-
тистически характерён для основной массы зерен цемента и
выражает внешние наблюдаемые физические процессы при
структурообразовании и отвердевании бетона.
Несмотря на то что процессы гидратации идут в бетонах
в течение нескольких лет, наиболее интенсивно твердение
проходит в первый месяц, что и используется при определе-
нии марочной прочности в возрасте 28 суток.
Гелеобразные новообразования в основном накапливаются
на поверхности зерен цемента и, увеличивая их толщину, все
больше и больше препятствуют проникновению воды к реак-
ционноспособной поверхности зерен. Поэтому затвердевший
цементный камень в 28-суточном возрасте имеет в своем со-
ставе до 30—50% негидратированных частиц цементного
клинкера, играющего как бы роль микрозаполнителя й могу-
щего служить материалом для залечивания микротрещин,
образующихся от внутренних напряжений в цементном камне.
Затвердевший цементный камень является микропористым
веществом, так как между переплетенными частицами гидро-
силикатов остаются пустоты, соизмеримые по размерам с час-
тицами геля,— примерно 25—50 А. Эти пустоты заполнены во-
дой, которая находится в состоянии мономолекулярных ад-
сорбционных пленок и имеет особые свойства. Она не может
быть вытеснена при гидростатических давлениях ниже 16 атм
и переходит в лед при температурах от —40 до —75°.
Твердая фаза новообразований цементного камня состоит
62
из основной массы волокнистых тоберморитоподобных гидро-
силикатов с разной степенью уплотнения и закристаллизо-
ванное™. Масса силикатных новообразований пронизана
крупными пластинчатыми кристаллами Са(ОН)2, гексаго-
нальными- и кубическими кристаллами гидроалюминатов и
игольчатыми кристаллами эттрингита.
В дальнейшем при наличии жидкой фазы идет медленный
процесс перекристаллизации новообразований, растворение
более мелких из них и рост более крупных. Развивающееся
кристаллизационное давление может приводить к образова-
нию микротрещин, которые залечиваются новыми новообра-
зованиями. Течение этих процессов подтверждается некото-
рыми спадами и повышениями прочности бетона в течение
длительного времени. *
а
Контракция (химическая усадка)
цементного теста-камня
Все процессы гидратации цемента связаны с проявлением
контракции — стяжения системы из цемента и воды. "
При гидратации минералов цементного клинкера абсо-
лютный объем новообразований несколько больше объема
исходных минералов, ио меньше суммы абсолютных объемов
минералов и воды до реакции, что связано’с вхождением воды
в кристаллическую решетку твердого вещества.
Рассмотрим гидратацию трехкальциевого алюмината по
реакции
ЗСаО • AI2O3+6H2O=ЗСаО • А12О3 6Н2О.
Молекулярные веса веществ, указанных в реакции, равны:
алюмината кальция 270,13; воды 108,1, гидроалюмината каль-
ция 378,28; удельные веса их соответственно 3,04, 1, 2,52.
Абсолютный объем ЗСаО-А1гОз
2-Вг=88,88 еле3.
-Абсолютный объем ЗСаО-А12О+6Н2О
88,88+108,1 = 196,98 см3.
Абсолютный объем гидроалюмината кальция ЗСаО-А12Оз-
•6Н2О, образовавшегося в результате реакции,
378,28_j гл «1 о
^-=150,11 см3.
63
Как видно из приведенного примера, грамм-молекула
трехкальциевого алюмината и 6 грамм-молекул воды зани-
мали абсолютный объем 196,98 см3, который после реакции
уменьшился на 46,87 см3, хотя объем твердой фазы алюмина-
та возрос на 61,13 см3.'
Трехкальциевый алюминат при гидратации проявляет
контракцию в 2,5—3 раза большую, чем остальные минералы
портландцементного клинкера. При гидратации же портланд-
цемента значения контракции в среднем характеризуются
уменьшением абсолютного объема цемента и воды на 6—7 л
на 100 кг цемента. Под действием контракции в цементном
камне твердевшего бетона образуются закрытые микропоры
размером от 100 40 1000 А и возникают внутренние, растя-
гивающие напряжения. При образовании контракционных пор
в них возникает вакуум, под влиянием которого они могут
быть заполнены воздухом или водой, в зависимости от усло-
вий твердения бетона.
При твердении цементного камня на воздухе наряду z
контракцией — химической усадкой происходит и физическая
усадка вследствие испарения воды из полостей микрострук-
турных элементов. Величина физической усадки меньше кон-
тракционной, развивается она в основном уже в отвердевшем
цементном камне, и ее действие проявляется в создании внут-
ренних растягивающих напряжений в бетоне (см. главу VIII).
Структура затвердевшего бетона
На реакции с цементом воды затрачивается 15—20% от
веса цемента, для затворения бетоннойхмеси — обычно 40 —
60%. Остаток воды сосредоточивается в пространстве между
зернами цемента и под зернами заполнителей в 'результате
седиментационных явлений, образуя межзерновые капилляры
и седиментационные полости. Размеры диаметров капилляр-
ных пор колеблются от долей микрона до десятков микрон,
седиментационных полостей — до сотен микрон.
Капиллярные и седиментационные поры — основные де-
фекты в структуре затвердевшего бетона, снижающие его
технические свойства — прочность и долговечность. В процес-
се гидратации цемента они заполняются цементным гелем,
уменьшаясь в объеме, что улучшает структуру бетона.
Кроме перечисленных видов пористости, при укладке и
уплотнении в бетонной смеси остаются сравнительно круп-
ные (0,1—2 мм) пузырьки вовлеченного воздуха, значительно
64
снижающие прочность бетона. Грубо можно считать, что на
каждый 1% защемленного воздуха прочность бетона падает
на 5—<8%. Это снижение прочности вызвано ослаблением се-
чения, концентрацией напряжений у поверхности пузырьков
и неоднородностью их размещения. Обычно количество во-
влеченного воздуха 'составляет 2—3%, но может доходить и
до 5—6%.
Затвердевший бетон представляет собой сложное капил-
лярно-пористое тело, состоящее из трех фаз: твердого вещест-
ва, воздуха и воды. Твердая фаза представлена заполните-
лями, осколками клинкера и новообразованиями цемента,
причем она не сплошная, а пронизана макро- и микропусто-
тами, заполненными либо воздухом, либо водой. В соответ-
ствии с размерами частиц твердой фазы и пустот можно рас-
сматривать макро- и микроструктуру бетона, которая схема-
тически представлена на рис. 19.
Вода в бетоне также находится в различных качественных
состояниях: а) химически связанная в новообразованиях це-
мента; б) псевдотвердая в гелевых порах; в) сорбционная,
осаждающаяся на твердых поверхностях за счет конденсации
водянйх паров, в виде пленок толщиной около 0,1 мк и запол-
няющая полностью открытые капилляры размерами менее
0,2 л^к1; г) капиллярная, насыщающая поры диаметром 0,2—
40 мк при непосредственном соприкосновении бетона с водой
и удерживаемая в нем капиллярными силами; д) свободная,
заполняющая иногда более крупные пустоты цементного
камня под действием гравитационных сил или давления.
Изменение термовлажностных условий среДы, в которой
находится бетон, изменяет и соотношение между разными ви-
дами воды в нем, а следовательно, ведет к изменению физико-
механических свойств бетона.
Расчетный метод определения
пористости бетона
Зная исходное водоцементное отношение и степень гидра-
тации цемента в бетоне, можно расчетным путем установить
микро- и макропористость бетона.
Степень гидратации цемента - практически может быть
1 В зависимости от сорбционного заполнения пустот водой А. В. Лыков
разделяет их на микропоры с диаметром менее 0,2 мк и макропоры с диа-
метром более 0,2 мк.
5 Зак. 3203
65
Рис. 19. Структура затвердевшего цементного камня и бетона:
а — макроструктура бетона с макропорами, являющимися основными дефекта-
ми» снижающими его прочность и долговечность, б — микроструктура цемент-
ного камня в бетоне с микропорами и переходными порами, менее вредно ска-
зывающимися на свойствах бетона; 1 — заполнитель; 2 — седиментационные по-
лости; 3 — капилляры; 4 — вовлеченный воздух; 5 — осколки зерен цемента; 6 —
кристаллические новообразования; 7 — контракционные поры; 8 — тоберморито-
подобный гель с порами.
66
определена по количеству химически связанной воды или ко-
личеству свободной СаО в цементном камне.
Для расчета введены обозначения: уц — удельный вес
цемента (для портландцемента уц=3,1); а — степень гидра-
тации цемента (отношение прогидратированного цемента ко
всему количеству цемента); W — общее количество воды,
связанное цементным гелем химически и физически, по отно-
шению к весу прогидратированного цемента; в среднем W
для портландцемента равно 0,5, причем половина количества»
воды связывается химически в новообразованиях цемента;
m — увеличение естественного объема цементного геля по
Рис. 20. Структура цементного теста и камня.
отношению к абсолютному объему прогидратированного це-
мента; примерное значение ш=2,2.
Представим графически цементное тесто в микрообъеме
бетона в виде сумм абсолютных объемов воды В и дегидра-
тированного цемента Ц/уц (рис. 20,а) и цементный камень в
этом же микрообъеме (рис. 20,6). Объем негидратированного
цемента при степени гидратации а составит величину
(1—а) Ц/уц. Естественный объем цементного геля с гелевыми
порами и водой равен т-а-Ц/уц.
5* 67
Объем гелевых пор при удельном объеме воды геля
0,8 сж3/г составит 0,25-0,8 а Ц=0,2аЦ.
При образовании гель связал физически и химически коли-
чество воды, равное WaLJ, следовательно, в межзерновых и
седиментационных пространствах осталось воды В — Wall
или В — 0,5 а Ц, которая, испаряясь из камня, вызовет обра-
зование капиллярных и седиментационных пор такого же
объема.
Оставшийся объем в цементном камне, очевидно, будет
занят контракционными порами VK:
VK=B+v— (l-a).-^-m-a-4L-(B-WaU) =
Тц Тц 7ц
=«u[w+!==].
Подставив числовые значения постоянных величин для
портландцемента, получим
Ук = 0,1аЦ.
Переходя от цементного теста-камня к бетбну и считая Ц
и В весовыми количествами цемента и воды на кубометр све-
жеуложенного бетона, получим расчетные формулы для опре-
деления пористости бетона (табл. 11).
Таблица 11
Расчетные формулы для определения пористости бетона
Пористость Формула
Капиллярная и седиментационная Контракционная Гелевая Общая _В—0,5аЦ П1— 1000 __0,1аЦ П2— 1000 _0,2аЦ Пз-1_ 1000 п— В—0,2яЦ . q Qg* П— 1000 1
*С учетом 2% вовлеченного воздуха при укладке бетонной смеси.
Пористость бетона непрерывно меняется, в процессе гид-
ратации цемента капилляры и седиментационные полости
€8
18
Степень гидратации
Рис. 21. Изменение характера пористости бетона в процессе
твердения:
1 — общая пористость; 2 — гелевая пористость; 3 — контракционная пористость;
4 — капиллярная пористость.
заполняются гелем. Макропористость уменьшается, и воз-
растает микропористость, что улучшает свойства бетона. Из-
менение характера пористости бетона ®о времени, рассчитан-
ное по вышеуказанной методике, представлено на рис. 21.
Приведенный метод расчета характеристик пористости бетона,
предложенный Г. И. Горчаковым, позволяет ориентировочно
судить о физико-механических свойствах бетона в разные
сроки его твердения.
69
Сцепление цементного камня
с заполнителями
Свойства конгломератного материала—бетона зависят от
сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей.
Желательно, чтобы прочность этого сцепления была ме менее
прочности цементного камня.
Прочность сцепления при постоянном цементном клее
обеспечивается физико-механическими факторами, зависящи-
ми от микрорельефа поверхности заполнителей, и физико-
химическими факторами, обусловленными минералогическим
составом заполнителей.
Адгезионные свойства цементов зависят от их минералоги-
ческого состава, тонкости помола и принятого цементоводно-
го отношения. Повышенной адгезией обладают цементы, даю-
щие наибольшее количество коллоидных частиц в период
приготовления бетонной смеси и уплотнения бетона. Цементо-
водное отношение должно иметь оптимальное значение, обес-
печивающее хороший расплыв цементного теста по заполни-
телю и в то же время достаточную плотность затвердевшего
цементного камня.
Прочность сцепления цементного камня с заполнителями
увеличивается во времени при твердении бетона, затем может
иметь небольшие спады и повышения вследствие перекрис-
таллизации новообразований цемента в контактной зоне до
приобретения ими наиболее устойчивого термодинамического
состояния.
Влияние минералогического состава заполнителей на
прочность сцепления их с цементным камнем в последнее
время обстоятельно исследовалось Т. Ю. Любимовой и
Э. Р. Пинусом, которые определяли микротвердость в кон-
тактных слоях. Исследованиями установлено, что заполните-
ли могут быть разделены на две группы: 1 — химически не
взаимодействующие с вяжущим изверженные горные породы
(например, гранит); 2 — химически и физико-химически
взаимодействующие с вяжущим породы (карбонатные породы
и кварцевые пески). Контактный слой в заполнителях первой -
группы отсутствует, прочность адгезионного сцепления близ-
ка к нулю, контактные слои цементного камня имеют повы-
шенную прочность (рис. 22). В этом случае сцепление цемент-
ного камня с заполнителем обеспечивается в основном за счег
физико-механических факторов — зацепления неровностей
поверхности.
70
Рис. 22. График распределения микротвердости в контактных слоях
цементного камня и заполнителя:
1 — гранит; 2 — кварц; 3 — известняк.
Повышение прочности цементного камня в контактных
слоях с заполнителем, отмечаемое в некоторых исследовани-
ях, объясняется влиянием поверхности как подложки, на
которой возникают центры кристаллизации новой фазы,
обеспечивающие ускоренное образование мелкокристалличе-
ской структуры цементного камня.
При заполнителях второй группы происходит химическое
взаимодействие между заполнителем и цементным тестом-
камнем, приводящее к некоторому снижению прочности за-
полнителя и возникновению диффузного промежуточного
слоя, состоящего из продуктов этого взаимодействия и объе-
диняющего контактирующие фазы.
Снижение твердости заполнителя в контактном слое —
следствие адсорбционного понижения его прочности (по
П. А. Ребиндеру) и частичного растворения в процессе обра-
71
зования продуктов взаимодействия фаз (карбоалюминатов и
гидросиликатов). Прочность контактной зоны в этом случае
имеет примерно одинаковый порядок с прочностью цемент-
ного камня в объеме, что способствует улучшению технологи-
ческих свойств бетона, в частности повышению однородности
бетона в напряженном состоянии (глава VIII).
Основные технологические мероприятия,
применяемые для улучшения структуры бетона
Рассмотренные выше дефекты структуры бетона свойст-
венны природе цементного бетона и не являются следствием
нарушения технологии приготовления, укладки смеси, ее
уплотнения и ухода за бетоном.
При несоблюдении требований к применяемым материа-
лам, неправильном подборе состава бетона, плохом переме-
шивании смеси, ее недоуплотнении, пересушивании твердею-
щего бетона может образоваться огромное количество макро-
дефектов, резко снижающих прочность и долговечность бе-
тона. Так, недоуплотнение бетона на 5% может снизить его
прочность на 25—40%. Эти случаи в нашем изложении не
рассматриваются.
Для улучшения структуры бетона необходимо добиваться
уменьшения количества седиментационных и капиллярных
пор, уменьшать количество и неоднородность распределения
вовлеченного воздуха, улучшать сцепление цементного камня
с заполнителем, для чего прежде всего желательно обеспечить
наиболее; полную гидратацию цемента и снижение водосодер-
жания в бетонной смеси.
Развитие теории и технологии бетона позволило разрабо-
тать технологические мероприятия для регулирования струк-
туры затвердевшего бетона, основные из которых приведены
в табл. 12.
Таблица 12
Основные технологические мероприятия, применяемые для
улучшения структуры бетона
Технологические мероприятия Достигаемая цель
Домол цемента до удельной поверх- ности 4500—5000 см2!г. , Особенно эффективен мокрый домол, в резуль- тате которого рузрушаются флокку- Увеличение степени гидратации
72
Продолжение таблицы 12
Технологические мероприятия Достигаемая цель *
лы (агрегаты) клинкерных частиц и с них сдираются пленки гидратных образований Различные методы активации це- мента в тесте, связанные с удале- нием оболочек гидратных образова- ний: виброактивация, электроакти- вация и др. Применение для приготовления бе- тона фракционированных заполни- телей с минимальной пустотн остью скелета Использование промытых и свеже- раздробленных заполнителей с уче- том их минералогического состава и текстуры поверхности Повторное или многократное вибри- рование бетонной смеси в опти- мальное время с применением уси- ленных уплотняющих воздействий Введение пластифицирующих ч по- вер1хносггноакти!вных добавок, сни- жающих водопотребность бетонной смеси (см. главу VI) Укладка бетонной смеси с примене- нием вибровакуумирования Увеличение степени гидратации цемента Уменьшение седиментационных явлений в микрообъемах. Умень- шение количества цементного • теста-камня в бетоне Улучшение сцепления цементного камня с заполнителями Уменьшение седиментационных и других видов макропустот. Уве- личение степени гидратации це- мента Уменьшение водоцементного от- ношения. В некоторых случаях уменьшение седиментационных пустот Уменьшение количества защем- ленного воздуха, капиллярных и седиментационных пустот
VI. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ1 И ТЕХНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
Реологические свойства бетонных смесей
Вследствие коагуляционного структурообразования в це-
ментном тесте бетонная смесь приобретает такие свойства
твердого тела, как упругость и эластичность. Эти свойства
проявляются при напряжениях т меньше критических зна-
чений, необходимых для разрушения пространственной сетки
коагуляционной структуры. При напряжениях т больше
1 Реология — наука, изучающая закономерности течения материалов.
73
критического значения то структура разрушается и в ней про-
исходят необратимые пластические деформации, переходя-
щие в вязкое течение. Деформации бетонной смеси во времени
Рис. 23. Зависимость деформации смеси от времени и действующего
напряжения:
— упругая деформация; еэл — эластическая деформация; еост — остаточная де-
формация.
при различных нагрузках, вызывающих касательные напря-
жения т, представлены на рис. 23.
При т<т0 мгновенно происходит упругая деформация и
затем развивается во времени до определенного предела элас-
тическая (запаздывающая упругость). При действующем на-
пряжении т на этом рост деформации прекращается. При
снятии напряжения (т=0) мгновенно устраняется упругая
деформация, а с течением времени и эластическая. При т>то
происходит упругая и эластическая деформация и затем на-
чинается пластическое течение, т. е. развитие деформации во
времени без увеличения нагрузки. При снятии напряжения
упругая и эластическая деформация устраняется, а пласти-
ческая остается.
74
Деформативные свойства бетонной смеси позволяют опре-
делить ее как упруго-эластично-вязко-пластичное тело.
При дальнейшем структурообразовании и твердении бетон
сохраняет эти свойства. Однако если в бетонной смеси наибо-
лее ярко выражены пластично-вязкие свойства, то при тверде-
нии бетона их роль уменьшается и начинают превалировать
упругие свойства вследствие уплотнения геля и развития
кристаллизационных образований.
Коагуляционные структуры образуются уже в начальный
период после затворения цемента водой даже при незначи-
тельном количестве коллоидных частиц в твердой фазе. Проч-
ность коагуляционной структуры определяется расстоянием
между узлами структурной сетки и толщиной; прослоек дис-
персионной среды между частицами в местах их контактов.
Чем больше чицдо коллоидных частиц в единице объема и
меньше их размер, тем тоньше прослойки среды и ближе рас-
стояние между узлами, следовательно, тем прочнее структура.
В индукционный период твердения цементного теста и бе-
тона прочность структуры еще сравнительно мала, что позво-
ляет производить технологические операции, применяя не-
большое силовое воздействие, которое может оказывать вес
самой смеси.
В последующий период структурообразования для обес-
печения тиксотропного разжижения смеси необходимы уже
более сильные, увеличивающиеся во времени воздействия.
Приложенные к бетонной смеси нагрузки вызывают в ней
напряжения сдвига, разрушающие структурные связи и обес-
печивающие ее течение с определенной вязкостью.
Вязкость структурированных жидкостей, к которым может •
быть отнесена и бетонная смесь, имеет переменное значение
и зависит от величины напряжения сдвига, определяющей сте-
пень разрушения структуры.
В истинновязких (Ньютоновских) жидкостях скорость те-
чения пропорциональна приложенному напряжению; эта
пропорциональность выражается постоянным коэффициентом
вязкости, характеризующим жидкость. Уравнение вязкого
течения имеет вид
de
где т — напряжение сдвига в Г/см2',
-др—градиент скорости течения в 1/сек',
т) *- коэффициент вязкости в пз.
Для структурированных жидкостей пропорциональность
75
между скоростью течения и приложенным напряжением со-
блюдается только после полного разрушения структуры. В этом
случае течение проходит при предельном напряжении сдвига,
с минимальной вязкостью. Уравнение вязкого течения струк-
турированной жидкости имеет вид
__de
х — тпред“Г
где Тпред — предельное напряжение сдвига, необходимое для
полного разрушения структуры, в Г/см2.
Вязкость дисперсных систем с предельно разрушенной
структурой может быть выражена уравнением Эйнштейна,
уточненным Смолуховским и др.,
^ = 7)0(1+КСГ,
где t]o — вязкость дисперсной среды;
С — объемная концентрация дисперсной фазы;
К — коэффициент, зависящий от формы частиц;
п — показатель степени, учитывающий взаимодействие
частиц.
Область течения бетонной смеси с минимальной вязкостью
имеет ограниченную величину. При дальнейшем повышении
напряжения сдвига скорость течения увеличивается и система
переходит в турбулентное состояние, при котором вязкость
возрастает.
До момента полного разрушения структуры изменение
вязкости от действующего напряжения носит сложный нели-
нейный характер, трудно выражаемый математически.
Наиболее полно закономерность течения каждой бетонной
смеси может быть охарактеризована реологическими кривы-
ми — реограммами, связывающими величины градиента ско-
рости течения и вязкости при изменении напряжения сдвига-
ние. 24).
На верхнем графике представлена зависимость градиента
скорости течения от изменения напряжения сдвига т. Под
этим графиком приведены значения вязкости бетонной смеси
при тех же изменениях предельного напряжения сдвига.
Внизу схематически изображены соответствующие изменения
коллоидной структуры цементного теста.
Приведенная реограмма может быть разбита вертикаль-
ными линиями на три зоны.
Первая зона—действующее напряжение сдвига т меньше
критического значения т0, коагуляционная структура цементно-
го теста не разрушена и сопротивляется усилиям упруго, тече-
76
dt/dt
(dt/dt)x
Рис. 24. Реологические кривые течения бетонной смеси.
77
ния нет, градиент скорости равен нулю, вязкость имеет макси-
мальное значение1.
Вторая зона—действующее напряжение т больше крити-
ческого, структура разрушается, начинается течение с гра-
диентом скорости^-и вязкостью т]Эф (эффективная вязкость);
по мере увеличения напряжения увеличивается и градиент
скорости течения.
Третья зона — достигнуто предельное разрушение струк-
туры, происходит течение по законам вязкой жидкости с по-
стоянной, минимальной для данной бетонной <;меси вязко-
стью.
Реограммы позволяют научно обоснованно решать вопро-
сы технологии бетонных смесей начиная с момента их приго-
товления до окончания бетонирования конструкций. Напри-
мер, имея реологические кривые течения определенной бетон-
ной смеси, можно подобрать наиболее эффективный метод ее
уплотнения, при котором течение будет происходить с мини-
мальной вязкостью.
Разрушения коагуляционной структуры бетонной смеси и
обеспечения ее течения можно добиться приложением как
статических, так и динамических (ударов, вибраций) нагру-
зок или их сочетанием.
Наиболее распространена в технологии бетона виброобра-
ботка бетонных смесей. При вибрировании подвижных и уме-
ренно жестких бетонных смесей предельное напряжение
сдвига уменьшается до нуля и смесь течет под действием
собственного веса, имея определенный коэффициент вязкос-
ти2. Реограммы течения бетонной смеси при вибрации приве-
дены на рис. 25.
На графике течение бетонной смеси при вибрировании
изображено сплошной линией. Реологические кривые смеси
(пунктирные линии) показывают, что вязкость данной смеси
могла бы быть доведена и до меньшей величины, при этом
1 Характеристика зоны «а» несколько упрощена. Фактически при весь-
ма малых напряжениях сдвига наблюдается ползучесть с наибольшей вяз-
костью, что должно быть представлено на графике 24 медленным подъе-
мом кривой над осью абсцисс.
2 При построении реограмм течения жестких бетонных смесей необ-
ходимо учитывать, что в них, помимо коагуляционного структурообразова-
ния, увеличивающего внутреннее сцепление смеси, действует внутреннее
трение и зацепление частиц крупного заполнителя между собой. Предель-
ное напряжение для обеспечения вязкого течения смеси должно быть уве-
личено на величину P:tg ф, где Р — нормальное напряжение и ф — угол
внутреннего трения.
78
Рис. 25. Реологические кривые течения подвижной бетонной сме-
си при вибрации.
эффективность технологических воздействий (например,,
уплотнения) была бы больше.
Для определения реологических кривых течения бетонной
смеси применяют сложные приборы — пластометры и виско-
79>
зиметры, к сожалению малодоступные для производства.
Однако некоторые реологические характеристики могут быть
установлены и на стандартных приборах, используемых для
определения удобоукладываемости смесей.
Предельное напряжение сдвига можно определить по
осадке стандартного конуса. Сохранение формы бетонной
смеси после осадки конуса обеспечивается действием каса-
тельных напряжений т у его основания. Как известно,
_ашах__То6-УГ р/-. э!
хпред— 2 ~ 2S [К1 1СМ г
где уоб — объемный вес смеси в кг)см?;
V — объем конуса в см?\
Отах — нормальные напряжения в основании конуса в
кГ1см2-,
S — площадь основания конуса после осадки в см2.
Если осадка конуса равна нулю, то на верхнее основание
конуса устанавливают пригруз Р, и тогда
т -Лоб-У+Р ч •
тпред 2S
Можно считать, что при небольших значениях осадки ко-
нуса диаметр верхнего основания не изменяется; тогда из
геометрических соотношений, указанных на рис. 26, устанав-
ливают зависимость между ОК и S.
Из равенства площадей трапеций АБДЕ и А'Б'Д'Е сле-
дует
H(R4-r)__(H—OK)(R4-AR-r)
2 — 2
Отсюда
/Н-AR—ОК-г\2
ОК ,) •
Замерив осадку конуса и рассчитав площадь основания,
можно найти предельное напряжение сдвига для данной бе-
тонной смеси.
Эффективная вязкость бетонной смеси при вибрировании
может быть определена по времени ее истечения из техниче-
ского вискозиметра. Примем обозначения: вязкость жидкости
г], удельный вес ее у. Площади сечений внутреннего и наруж-
ного цилиндров для технического вискозиметра примерно рав-
80
ны. Движение рассматриваем установившееся, под перемен-
ным .напором, равным h—hi (рис. 27). К величине напора
будет прибавляться вес диска вискозиметра (или пригруза),
который обозначим величиной Р-S. Расход жидкости Q при
течении прямо пропорционален напору и удельному весу и
обратно пропорционалён ее вязкости.
Влияние геометрических размеров вискозиметра и гидро-
динамических факторов деления, связанных с ними, выразим
через коэффициент пропорциональности К
6 Зак. 3203
Рис. 27. Схема истечения бетонной смеси из технического виско-
зиметра.
Q=— [т(ь—hO-SH-Ps].
Но ’
Q=V-S=-|^-S и h— hj=2h—Н,
следовательно, уравнение примет вид
- 4?=vH2h +р]да>+Р=к4-
После .интегрирования в предёлах от Н до Н/2 получаем
1 n_P_=_2Krt
ТН+Р <) ’
82
откуда по времени истечения можно определять истинную
эффективную вязкость бетонной смеси в пуазах1 -
р
1п?Н+Р
Величину К можно установить, определив скорость исте-
чения из вискозиметра вязкой жидкости с известной величи-
ной Т].
Чтобы не было разрывов сплошности смеси при течении
ее в вискозиметре, смесь при укладке в конус необходимо
уплотнять не штыкованием, а вибрированием.
Для обеспечения установившегося течения смеси целесо-
образно во внутренний цилиндр технического вискозиметра
вместо стандартного конуса вставлять доходящую до дна
жестяную обечайку, которую следует поднять после укладки
и уплотнения смеси. В настоящее время разработаны конст-
рукции таких вискозиметров, например прибор УТ-3 и др.
Основы вибрационного уплотнения
бетонных смесей
Для получения хорошей структуры бетона бетонная смесь
в статическом состоянии должна обладать достаточным' пре-
дельным сопротивлением сдвигуи достаточной вязкостью для
недопущения ее расслоения, и только в период укладки зна-
чения этих величин должны кратковременно уменьшаться до
минимума, а Датем структурные свойства должны тиксотроп-
но восстанавливаться. Достичь этого можно приложением
механических воздействий такого вида, которые наиболее
полно разрушают коагуляционные структуры в бетоне.
Как уже сказано, из всех видов механических воздёйствий
на бетонную смесь в настоящее время применяется* в основ-
ном вибрация. Сущность ее заключается в том, что бетонной
смеси сообщаются гармонически повторяющиеся силовые
1 Более точное уравнение истечения бетонной смеси из технического
вискозиметра дано В. И. Сорокером:
2у1 Г 21г~ .
где 1 — ширина щели в см;
г — радиус внутреннего кольца в см.
6*
83
импульсы, под действием которых частицы смеси колеблются
с различными скоростями. Разность в скоростях движения
частиц возникает в результате различия их размеров, плот-
ности и смещения фазы колебаний, зависящей от скорости
распространения бегущей волны.
В результате действия вибрации происходит тиксотропное
разрушение коагуляционных структур цементного теста и
подвижные бетонные смеси текут по законам вязких жид-
костей.
В жестких несвязных бетонных смесях при вибрации про-
исходит сближение частиц под действием силы тяжести, и
они превращаются в связную массу, обладающую свойствами
вязких жидкостей.
Для вибрационного воздействия на бетонную смесь ис-
пользуют вибраторы, которые по принципу действия делятся
на электромеханические, электромагнитные и пневматические.
В технологии бетона наиболее распространены электро-
механические вибраторы, у которых на вращающемся с по-
стоянной скоростью валу электродвигателя .находился, деба-
ланс, создающий возмущающую силу
Q=-y-ru)2>
где Q — возмущающая сила в кГ;
Р — вес дебаланса в кг-,
g —• ускорение силы тяжести в кПсм/сек2-,
г — расстояние от оси вращения до центра тяжести деба-
ланса в см\
<в — угловая скорость вращения в об/мин.
Вибрационные воздействия на бетонную смесь могут пе-
редаваться путем внутренней, поверхностной или объемной
вибрации, что схематически изображено на рис. 28. При за-
водском изготовлении железобетонных изделий применяют в
основном объемное (станковое) вибрирование.
Один вибратор дает круговые колебания, при которых
перемещается возмущающая сила. Такие колебания при
объемном вибрировании перемещают смесь в одну сторону и
дают неравномерную структуру свежеуложенного бетона.
Поэтому на виброплощадках устанавливают вибрационную
систему, включающую блоки по два вибратора с вращающи-
мися в разные стороны дебалансами. В этом случае колебания
получаются вертикально направленные (они могут быть так-
же горизонтально и наклонно направленными) с возмущаю-
щей силой
84
Q”"=2-E-™’.
1!сек, то формулу возмущающей силы
Р-ГП2
т, 2тсп
Так как <о= эд-
можно представить в виде
2-Р-г /2гсп\2_ 2Р г-п2 г 1 »- г
g \ 60) “ 90000 “ 45000*7 ’
где п — число оборотов вала вибратора в минуту.
Величина Р-г носит название кинетического момента виб-
ратора и обозначается буквой К.
а Внутренняя Вибрация
8 Поверхностная Вибрация
В Объемная Вибрация
бетонной смеси:
/ — форма; 2 — бетонная смесь; 3 — вибраторы.
Основными параметрами виброформования бетонных сме-
сей являются частота и амплитуда колебаний вибрационного
оборудования и продолжительность вибрирования.
Частота колебаний v равна количеству оборотов вала с
дебалансом. Например, при наиболее распространенных
электродвигателях с п = 3000 об!мин
85
v=3000 кол/ла«=50 кол/сек—50 гц.
Амплитуда колебаний виброплощадки А может быть при-
ближенно определена из уравнения
SK=A(G+mG6),
где SK — сумма кинетических моментов всех вибраторов пло-
щадки в кГ-см;
G — вес колеблющихся частей виброплощадки и формы
в кг-,
Gs — вес бетонной смеси в кг;
m — коэффициент. приведенной массы бетонной смеси,
т«0,4;
А — амплитуда колебаний виброплощадки и формы в см.
Амплитуда колебаний бетонной смеси затухает по мере
удаления от источника вынужденных колебаний по экспонен-
циальном}' закону, выражаемому формулой
где Ао и А — амплитуда соответственно у источника виброим-
пульса и в удалении от него на расстояние R в см;
Ro — расстояние от центра тяжести вибратора до места
приложения виброимпульсов к бетонной смеси в см\
Р—коэффициент затухания колебаний в см~х; для подвиж-
ных смесей р=0,025—0,05, для умеренножестких смесей
р=0,05—0,1.
Пользуясь данной формулой и зная требуемую амплитуду
наиболее удаленной точки формуемого изделия, можно рас-
считать амплитуду колебаний вибратора.
Приведенная' формула действительна при распростране-
нии колебаний в неограниченном объеме, что может иметь
место при глубинной вибрации бетонной смеси. При объем-
ном и поверхностном вибрировании ограниченного объема
бетонной смеси для установления закономерностей распреде-
ления амплитуд необходимо пользоваться эксперименталь-
ными данными.
Эффективность вибрирования может быть оценена вели-
чиной скорости колебаний (произведение амплитуды на час-
тоту), ускорением колебаний (произведение амплитуды на
квадрат частоты) либо затратами энергии на совершение
колебаний.
В настоящее время для характеристики эффективности
вибрирования пользуются показателем интенсивности вибра-
86
ции I, выражающим величину, пропорциональную мощности
потока колебательной энергии, получаемой бетонной смесью,
1=АЧ3.
Режим вибрирования должен обеспечить хорошее равно-
мерное уплотнение бетонной смеси при нормальной продол-
жительности вибрирования. Более жесткие смеси требуют
для их уплотнения более высокой интенсивности вибрации.
Как следует, из формулы, более целесообразно повышать
интенсивность вибрирования за счет увеличения частоты коле-
баний. Однако при очень малых амплитудах колебаний в
жестких смесях смещений частиц заполнителей может ока-
заться недостаточно для их плотной упаковки. Применение
же излишне больших амплитуд колебаний может повести к
отрыву смеси от формы и разрывам ее сплошности. Поэтому
эффективность вибрационных воздействий хорошо характери-
зуется показателем I только при применении рациональных
частот и амплитуд колебаний, характерных для данных бе-
тонных смесей.
Как уже указывалось, действие вибрации на подвижные
бетонные смеси заключается в разрушении коагуляционной
структуры и обеспечении течения их с минимальной вяз-
костью.
При вибрировании жестких смесей должны разрушаться
коагуляционная структура, обеспечиваться течение смеси и,
кроме того, создаваться наиболее - плотная упаковка частиц
скелета заполнителей.
Таким образом, в подвижных смесях, где частицы запол-
нителя находятся в сплошной среде цементного теста, уплот-
няющего действия вибраций следует избегать, так как оно
может привести к расслоению смеси. В жестких же смесях,
где частицы заполнителя покрыты пленками теста и между
ними имеются пустоты, необходимо добиваться плотной
укладки частиц возможно более полной ликвидацией воздуш-
ных пустот между ними.
Для каждой бетонной смеси при принятых параметрах вы-
нужденных колебаний существует определенное оптимальное
время вибрирования, которое можно установить, сравнивая
результаты прочности затвердевшего бетона. С увеличением
времени вибрирования прочность бетона вначале возрастает,
затем для жестких смесей остается постоянной, что связано с
максимальным уплотнением смеси, для подвижных смесей
при повышении оптимального времени вибрирования проч-
ность начинает падать из-за их расслоения (рис. 29).
87
Выбор параметров: интенсивности, частот, амплитуд и
продолжительности вибрации — различных бетонных смесей
производится на основании графиков и таблиц, приведенных
в «Инструкции по продолжительности и интенсивности вибра-
ции и подбору состава бетонных смесей повышенной удобо-
укладываемости» (1968 г.), разработанной Центральной ла-
бораторией тяжелых бетонов НИИЖБ.
(рема SuipupoSauua, пин.
Рис. 29. Зависимость прочности затвердевшего бетона от вре-
мени вибрирования смеси при укладке:
1 — жесткая бетонная смесь; 2 — подвижная бетонная смесь.
Для большей действенности вибрации надо добиваться
наибольшей скорости (амплитуды) колебания частиц в бетон-
ной смеси. Как известно, каждая материальная частица, по-
лучив силовой импульс, начинает колебаться с определенной
частотой около положения устойчивого равновесия с затухаю-
88
щей амплитудой. Эти колебания носят название собственных,
или свободных, колебаний частиц.
При совпадении частот вынужденных колебаний с часто-
тами свободных колебаний частиц наступает явление резо-
нанса, характерное резким возрастанием амплитуды. Это по-
зволило некоторым ученым считать, что для получения наи-
большей плотности бетона нужно воздействовать на зерна
заполнителей и частицы цементного теста различными часто-
тами, чтобы вызвать резонансные явления в их колебаниях.
Осредненные данные рекомендуемых параметров вибриро-
вания. взятые из работ Р. Лермита, Н. В. Михайлова и др.,
приведены в табл. 13.
Таблица 13
Частоты собственных колебаний компонентов бетонной смеси
и рекомендуемые параметры вибрирования для 'обеспечения
резонансных явлений
Компоненты бетонной смеси ''св > Рекомендуемые парамет- ры вибрирования
частота, кол!мин амплитуда, мм
Цементное тесто Песок Щебень (гравий) 150—200 50—100 50 9000-12000 3000-6000 Менее 3000 0,1—0,2 0,4-0,6 0,8—1,0
Из рассмотренного действия вибрации на бетонную смесь
можно сделать выводы о том, что подвижные смеси эффектив-
но укладцвать кратковременным вибрированием с большой
частотой колебаний и малыми амплитудами. Для жестких
смесей желательно применение разночастотного вибрирова-
ния — высоких частот для разжижения цементного теста,
средних и низких частот с большими амплитудами для уп-
лотнения заполнителей1.'
Приведенные выше положения о резонансе частиц бетон-
ной смеси исходят из так называемой корпускулярной теории
механизма ее вибрирования. Бетонная смесь представляется
как система частиц (корпускул), соединенных упругими или
упруго-пластичными связями, где каждая частица с опреде-
1 Некоторые авторы рекомендуют для формования жестких смесей
последовательно -прилагать разные частоты: -сначала низкие частоты с
большими амплитудами, затем ’высокие с -малыми амплитудами.
89>
ленной массой может иметь определенную частоту собствен-
ных колебаний. _
Наряду с корпускулярной теорией виброуплотнения в на-
шей стране и за рубежом развивались реологические и волно-
вые теории вибрации бетонной смеси. Авторы их рассматри-
вали ее как однородную, гомогенную среду с определенной
вязкостью и -плотностью. Были 'установлены основные положе-
ния виброреологии бетонных смесей. Так как у большинства
практически применяемых бетонных смесей при вибрации
предельное напряжение сдвига приближается к нулю, то их
эффективная вязкость является функцией градиента скорости
сдвига. Эта функция может быть выражена прямолинейной
зависимостью
, а
где г) — эффективная (структурная) вязкость вибрируемой
смеси;
т]о — вязкость предельно разрушенной структуры;
V — скорость колебаний;
а — коэффициент тиксотропии.
Коэффициент тиксотропии является важной реологической
характеристикой вибрируемой смеси, так как характеризует
ее способность к разжижению при действии вибрации. Эта
способность может не соответствовать показателям подвиж-
ности, определяемым по осадке стандартного конуса.
В координатах г, и 1 /V значение т)0 определяется отрезком,
отсекаемым на оси ординат, а а тангенсом угла наклона пря-
мой к оси абцисс..
Приведенная зависимость позволяет характеризовать об-
щее сопротивление дайной бетонной смеси колебаниям й на-
ходить их необходимую интенсивность.
Волновые представления о распространении колебатель-
ной энергии позволили объяснить явления неравномерного
уплотнения бетонной смеси по высоте при объемном и поверх-
ностном вибрировании.
При распространении колебаний в ограниченных объемах
бетонной смеси наблюдается отражение волн от границ раз-
дела сред различных плотностей с наложением волн и образо-
ванием зон с пучностями амплитуд или,' наоборот, с узлами,
где амплитуды близки к нулю.
Волновая теория объясняет разность в скоростях движе-
ния частиц бетонной смеси различием в фазах колебаний,
обусловленным тем, что волновой импульс достигает соседних
частиц в разное время в зависимости от скорости бегущей
<90
волны. Длина волны в смеси зависит от частоты колебаний:
чем выше частота, тем короче волна. Следовательно, макси-
мальным сдвиг фаз между центрами частиц малых размеров'
будет при более высокой частоте, а между центрами крупных
частиц при низкой частоте колебаний.
Поэтому хотя сторонники волновой теории и отвергают .
резонансные явления в колебаниях частиц, они не отрицают
положительного влияния высоких частот на разжижение
мелкодисперсных смесей.
Волновая теория объясняет наблюдаемое иногда лучшее
уплотнение смесей при определенной частоте резонансом все-
го вибрируемого объема.
Эффект разночастотного вибрирования объясняется боль-
шей суммарной скоростью колебаний, вероятным совпадением
одной из частот с собственной частотой колебаний вибрируе-
мой смеси и более равномерным распределением амплитуд
колебаний в ней, .ибо колебания каждой частоты распростра-
няются с определенной скоростью и имеют свой коэффициент
затухания.
В настоящее время корпускулярные и волновые теоретиче-
ские представления успешно объединяются в единую теорию
виброформования бетонной смеси. Ведущая роль в создании
этой теории принадлежит нашим ученым А. Е. Десову,
EL-H. Шмигальскому, Л. А. Файтельсону, Г. Я. Кунносу и др.
I Обеспечение пластичности
бетонных смесей t
Бетонные смеси должны обладать пластичностью — спо-
собностью к течению без .нарушения оплошности. Непластич-
ные смеси расслаиваются, т. е. отделяют воду или крупный
заполнитель при транспортировке и укладке. Водоудерживаю-
щая способность цементов примерно равна 1,65 .их нормаль-
ной густоты, водоудерживающая способность песка и крупно-
го заполнителя может быть оценена по их водопотребности.
Предельное количество воды для бетонной смеси может быть
определено как
ВпреД = 1,65НГ Ц+Вп П + Вщ Щ,
где НГ — нормальная густота цементного теста;
Вп и Вщ — водопотребность песка и щебня;
Ц, П, Щ — весовые количества материалов на кубометр
бетона.
91
Водопотр-ебность крупного заполнителя из плотных пород
можно принимать равной 1—2% для гравия и 2—4% для
щебня.
При механических воздействиях на цементное тесто —
толчках, транспортировке, вибрации и т. д. — его водоудер-
живающая способность снижается и составляет около 1,35
нормальной густоты. В этих случаях водоудерживающая спо-
собность бетонной смеси может быть определена по формуле
И. М. Грушко
Впред=1,35НГ-Ц+П-Вп+0,075щ,
где 5щ удельная поверхность щебня в мР/м3, которую прибли-
женно можно определить по формуле *
Sm^l,6~^fa40+2a2o+4a1o+8a5^,
где а—соответствующие частные остатки на стандартных си-
тах в % •
Расслаивание бетонной смеси может быть вызвано переме-
щением наиболее тяжелых зерен крупного заполнителя вниз
под действием силы тяжести. Сила, перемещающая зерно
щебня вниз, равна
Qi =~б'О3(тзап Траст)’?» ;
где D — средний диаметр частицы заполнителя;
7зап, ураст — удельные веса заполнителя и раствора;
• g — ускорение силц тяжести.
СиЛа, препятствующая перемещению зерна,
Q2=Ф • яО2тпред»
где Ф — коэффициент формы зерен, равный 0,65—1,00;
тпред — предельное напряжение сдвига раствора.
Для условия нерасслаиваемости смеси сила Qi должна
быть меньше или равна Q2, что выражается формулой
- к О(Тзап Траст) 'S
"пред?/---6^------
Как видно из приведенной формулы, большей способ-
ностью к расслаиванию обладают зерна заполнителя более
крупных размеров.
Для предотвращения расслаивания бетонной смеси должно
быть обеспечено определенное значение предельного сопро-
тивления сдвига растворной части. Если предельное сопро-
тивление сдвига раствора не обеспечивает нерасслаиваемости
92
бетонной смеси, что может произойти в условиях ее транспор-
тирования, и виброобработки, то необходимо замедлить ско-
рость расслаивания.
При' стационарном режиме седиментации шарообразных
частиц в вязкой среде в соответствии с законом Стокса долж-
но соблюдаться равенство
'g-gClsan Траст) • (J,
где 1]—эффективная вязкость раствора;
U — скорость оседания частиц.
Обеспечив соответствующую эффективную вязкость раст-
вора, можно получить практически нерасслаивающуюся смесь
для принятой технологии ее транспортировки и укладки.
Вязкость раствора при постоянном водосодержании опре-
деляется содержанием в нем песка и цемента: чем меньше в
растворе цемента, тем больше требуется песка, и наоборот,
при больших количествах цемента (т. е. малых В/Ц) вязкость
теста уже достаточно высока и песка может содержаться
меньше.
Помимо указанных причин внутреннего расслаивания, при
выгрузке бетонной смеси может наблюдаться отделение ще-
бенок от основной массы бетона. Это так называемое внешнее
расслоение, которое связано с высокой вязкостью раствора и
недостаточной клеящей способностью его или избытком содер-
жания щебня в смеси.
Таким образом, условия нерасслаиваемости обеспечивают-
ся оптимальным соотношением составляющих бетонной'смеси,
которое определяет как необходимую вязкость раствора, так
и достаточное сцепление между зернами заполнителя.
Удобоукладываемость бетонных смесей
При оценке удобоукладываемости бетонной смеси необхо-
димо учитывать, что по осадке стандартного конуса опреде-
ляется предельное напряжение сдвига, а жесткость в техни-
ческом вискозиметре характеризует эффективную вязкость
вибрируемой бетонной -смеси. Поскольку строгой корреляци-
онной зависимости между этими величинами нет, оценка виб-
роуплотяяемых бетонных смесей по осадке конуса может
оказаться неточной.
Изменения состава бетонной смеси и качества материалов
93
могут по-разному изменять осадку конуса и жесткость смесей.
Так, осадка конуса у малоподвижных бетонных смесей увели-
чивается с увеличением наибольшей крупности заполнителя,
а минимальное значение жесткости смесь имеет при какой-то
оптимальной крупности, связанной с параметрами вибриро-
вания.
При транспортировке, выгрузке бетонной смеси, распалуб-
ке уплотненного бетона, а также уплотнении подвижных и ли-
тых смесей без применения вибрации наиболее важен показа-
тель предельного напряжения сдвига (осадка конуса). При
виброуплотнении малоподвижных и умеренно жестких смесей
определяющее значение имеет их эффективная вязкость
(жесткость). При формовании жестких и особожестких бетон-
ных смесей большое влияние на их текучесть оказывает
внутреннее трение и зацепление частиц заполнителя, а качест-
во бетона зависит от уплотняемости скелета заполнителей.
Для таких смесей целесообразно применять вискозиметры с
пригрузом и определять в них как время истечения смеси,
так и ее плотность.
Так как универсальных приборов, определяющих все не-
обходимые реологические параметры бетонных смесей, еще
не создано, оценивать их удобоукладываемость стандартными
методами необходимо с учетом перечисленных особенностей.
Общие зависимости удобоукладываемости бетонных сме-
сей от их состава и качества заполнителей приведены в гла-
ве III. Сущность их легко подтверждается при рассмотрении
реологических свойств смесей.
Удобоукладываемость виброуплотняемых бетонных сме-
сей, или текучесть,— величина, обратная их вязкости. Соглас-
но Эйнштейну вязкость дисперсных систем увеличивается про-
порционально увеличению вязкости среды и концентрации
дисперсной фазы в ней. Эта зависимость может быть примене-
на к цементному тесту, растворной и бетонной смеси.
Цементное тесто представляет собой дисперсную систему,
где в водной среде находятся твердые частицы от коллоидных
до грубодисперсных. Следовательно, уменьшение вязкости
(улучшение текучести) цементного теста связано с увеличе-
нием количества воды в нем. Растворную часть бетонной
смеси можно представить как твердую фазу (песок), находя-
щуюся в среде — цементном тесте. Увеличение количества
цементного теста в растворной смеси .будет увеличивать ее
текучесть. И, наконец, бетонную смесь можно представить в
виде дисперсной системы, где роль среды играет растворная
94
смесь, а роль фазы — крупный заполнитель. Текучесть, или
удобоукладываемость, бетонной смеси будет улучшаться при
увеличении количества в ней растворной части определенной
вязкости или же при понижении вязкости растворной части
без изменения ее количественного содержания.
Увеличение количества воды всегда вызывает повышение
текучести бетонной смеси, увеличение количества цемента
или песка оказывает различное влияние на ее удобоукладыва-
емость. С одной стороны, будет увеличиваться вязкость сре-
ды — раствора, с другой, увеличиваться относительное содер-
жание среды и, следовательно, понижаться концентрация
фазы — крупного заполнителя. Теоретически трудно предуга-
дать, как сложатся эти противоположные воздействия. Прак-
тически же увеличение вязкости цементного теста при добав-
лении в бетонную смесь цемента и увеличение объема дисперс-
ной среды в ней, компенсирующие друг друга, послужили ос-
новой для установления правила постоянства водосодержания.
Изменение вязкости растворной смеси от изменения коли-
чества песка в ней послужило основанием для оригинальных
методов подбора состава бетонов (А. Н. Литвин, М. В. Яри-
на и др.). Сущность их заключается в назначении Ц/В це- •
ментного теста исходя из условия прочности, во введении в
тесто такого количества песка, при котором наиболее полно
проявляется его структурообразующая роль, и последую-
щем введении в растворную смеси щебня до получения тре-
буемой удобоукладываемости бетонной смеси.
Важнейшим вопросом технологии бетона является повы-
шение удобоукладываемости бетонных смесей без снижения
прочности затвердевшего бетона. Обычно для улучшения
удобоукладываемости увеличивают в смеси количество це-
ментного теста, оставляя неизменным Ц/В, требуемое усло-
виями прочности бетона. Л. И. Левиным предложена формула
для определения удобоукладываемости бетонных смесей,
аналогичная приведенной выше формуле Эйнштейна:
Ж=К3Ч|ЦТ(’"?)”,
где Ж — жесткость бетонной смеси в сек;
Уд — абсолютный объем цементного теста на 1 м3 бетон-
ной смеси в л;
т]цт — коэффициент, отражающий вязкость цементного
теста при данном Ц/В, в сек.
| Кз — коэффициент, отражающий влияние заполнителей;
L___п — показатель степени, зависящий от параметров виб-
95
рации; при амплитуде колебаний 0,35 мм п=9, при амплитуде
0,5 мм. п—8,35.
При постоянных заполнителях, оптимальном отношении
П/Щ и заданном Ц/В удобоукладываемость бетонных смесей
зависит от содержания в них цементного теста
>К=Чт
Уц.т
Данная формула может быть использована для расчетов
при необходимости изменения удобоукладываемости бетон-
ной смеси. Однако улучшение удобоукладываемости за счег
увеличения в бетоне объема цементного камня, наиболее доро
того ,и слабого компонента структуры, явно невыгодно.
Некоторые .исследователи отмечают, что наиболее прочные
коагуляционные структуры создаются у мест контакта цемент-
ного теста с поверхностью заполнителей (за исключением их
нижней поверхности). Они предлагают для лучшей удобоукла-
дываемости ослаблять коагуляционные структуры на указан-
ных участках предварительным увлажнением заполнителей
без изменения общего водосодержания бетонной смеси. При
этом некоторое увеличение прочности коагуляционной струк-
туры в общем объеме цементного теста оказывает меньшее
влияние на удобоукладываемость, чем ослабление структуры
у мест контактов с заполнителями. Так, по данным В. В. Го-
рохова, предвйрительное увлажнение песка до весовой влаж-
ности 3% снизило жесткость растворной смеси в 5 раз по
сравнению с жесткостью смеси, приготовленной по обычной
технологии. Прочность затвердевших образцов из смеси на
предварительно увлажненном песке повысилась на 10%.
Принципиально улучшения удобоукладываемости без из-
менения водосодержания можно добиться замедлением коагу-
ляционного структурообразования в бетонной смеси.
Снизить эффект коагуляционного структурообразования
можно введением в бетонную смесь добавок-пептизаторов,
действие которых сводится к повышению электрокинетическо-
го потенциала коллоидных частиц или образованию защитных
оболочек вокруг них. Добавки-пепт.изаторы отодвигают струк-
турообразование — схватывание на время, необходимое для
насыщения системы большим количеством коллоидных ново-
образований, когда введенного количества добавки уже будет
недостаточно для обеспечения указанного защитного действия.
В качестве добавок, повышающих элетрокинетический по-
тенциал частиц, можно применять слабые растворы электро-
96
литов: соляной кислоты, хлористого кальция, сернокислого
окисного железа и др.1
Добавками, дающими защитные пленки нерастворимых
химических соединений вокруг частиц, могут быть гипс, фос-
форнокислый натрий, бура, сахара и др.
Введение добавок отодвигает сроки схватывания цемента,
но не устраняет вредного действия седиментации и оказывает
сравнительно малое пластифицирующее действие, не обеспе-
чивает значительного улучшения удобоукладываемости бе-
тонных смесей.
Наибольший эффект дают органические добавки — плас-
тификаторы, создающие вокруг твердых частиц равномерные
водные, гидрофобные или воздушные пленки, позволяющие
ощутимо снизить количество воды затворения, не снижая
удобоукладываемости смесей.
Действие поверхностноактивных
органических добавок
Теория и практика применения поверхностноактивных ор-
ганических добавок — пластификаторов разработана совет-
скими учеными П. А. Ребиндером, Б. Г. Скрамтаевым,
М. И. Хигеровичем, В. С. Шестоперовым и В. В. Стольнико-
выМ.
Эти вещества делятся на две основные группы — гидро-
фильные и гидрофобные.
Наиболее распространенным представителем гидрофиль-
ных поверхностноактивных веществ является сульфитно-
спиртовая барда (ССБ) —побочный продукт при переработ-
ке сульфитно-целлюлозных щелоков на „спирт и дрожжи.
ССБ состоит в основном из -кальциевых солей лигносульфо-
новых кислот.
Молекулы ССБ представляют собой цепочки органических
радикалов с выходящими на поверхность активными поляр-
ными гидрофильными группами. На рис. 30 слева молекула
ССБ изображена в виде органической зигзагообразной цепочки
и полярных активных групп® виде темных кружочков. Молеку-
лы ССБ адсорбируются на частицах цемента и равномерно
распределяют по ним воду, препятствуя коагуляционному
Применение добавок электролитов в повышенных концентрациях
вызывает прямо противоположное действие — коагуляцию дисперсной
системы цементного теста.
7 Зак 3203
97
Гидрофильная НАД
Гидрофобная П1Д
6
Рис. 30. Схема действия поверхностноактивных добавок на
бетонную смесь:
а — силы поверхностного натяжения на границах раздела фаз; б — взаи-
модействие молекул ПАД с минеральными частицами; в — взаимодействие
ПАД с цементным тестом.
1 — цементная частица, 2 — вода; 3 — молекулы ПАД, 4 — плоскость
скольжения.
98
структурообразованию, что повышает подвижность цементно-
го теста. Кроме Того', СОБ, внедряясь в трещины цементных
зерен, способствует дальнейшей диспергации их.
В верхней части рисунка представлена схема физико-хи-
мического процесса действия ССБ, в нижней — пептизация
флоккул цемента, вызываемая этим процессом.
Необходимо отметить избирательность действия ССБ на
различные минералы порт-
ландцемента. Если гидро-
силикаты хорошо пласти-
фицируются ССБ, то на
гидроалюминаты она ока-
зывает обратное действие,
коагулируя их в прочные
структуры с большим со-
держанием воды (рис. 31).
Поэтому желательно иметь
в цементе такое количество
гипса, которое обеспечит
связывание алюминатов в
гидросульфоалюминаты в
течение всего периода при-
готовления, транспортиров-
ки и уплотнения бетонной
смеси.
В зависимости от содер-
жания сухого вещества кон-
центраты сульфидно-спир-
товой барды (ГОСТ 8518-57)
разделяют на жидкие
(КБЖ), твердые (КБТ) и
порошкообразные (КБП) •
Добавка ССБ вводится в
бетонную смесь в количест-
ве 0,15—0,25% от веса це-
мента.
В качестве примера эф-
фективности использования
ССБ приведены данные
производственного объеди-
нения «Буржелезобетон»,
которое успешно организо-
вало в последние годы пе-
Рис. 31. Общий вид кристаллов
гидроалюминатов:
а—кристаллы С3АНв в воде; б—кристаллы
СзАНв в растворе ССБ.
7 *
99
реход всех предприятий на пластифицированные бе-
тоны. (табл. 14).
, Таблица 14
Влияние добавки ССБ на прочность бетона ।
Цемент, кг/м3 Вода, л/м3 в/ц ССБ, % от веса цемента ОК, см Предел прочности при сжа- тии, кГ1см2
при пропарива- нии с предва- рительной вы- держкой 28 суток нор- мального твер- дения после пропаривания
305 180 0,59 0 4 151 232 I
275 162 0,59 0,1 4 181 295
Помимо ССБ, в качестве гидрофильных поверхностноак-
тивных добавок широко применяют сульфитно-дрожжевую
бражку (СДБ), которая также является отходом целлюлозно-
бумажной промышленности, и подмыльные щелоки — отходы
«мыловаренного производства.
К числу гидрофобных поверхностноактивных добавок от-
носятся мылонафт — натриевая соль нафтеновых кислот,
получаемая при щелочной очистке нефтяных продуктов, аси-
дол — продукт депарафинизации нефти,1 синтетические жир-
ные кислоты и их растворимые соли.
Молекулы гидрофобных добавок имеют асимметрично-
полярное строение, состоят из длинного углеводородного ра-
дикала и полярной головки из групп СООН (COONa) и др.
Строение молекул может быть выражено общей формулой
CnHjn-iCOOMe, где значение п равно 8—13.
Эти молекулы ориентируются так, что их полярные группы
присоединяются к частицам цемента. Обращенные наружу
углеводородные радикалы водой не смачиваются, а имеют
слабые связи с углеводородными радикалами других молекул,
Которые легко разрушаются под действием небольших усилий,
и частицы цемента скользят друг по другу (рис. 30 справа).
Обычно в практике добавляют мылонафт в количестве 0,1%
от веса цемента.
Эффект пластификации бетонных смесей при применении
гидрофобных добавок усиливается за счет вовлечения гидро-
фобными частицами в смесь микроскопических пузырьков
воздуха. Количество вовлеченного воздуха увеличивается при
увеличении длины углеводородного радикала добавки. На
100
этом явлении основано применение воздухововлекающих до-
бавок, представляющих собой натриевые мыла смоляных
кислот. Из добавок этого типа используют абиетаты натрия,
получаемые омылением канифоли и других смоляных кисло г
(С20Н30О2) едким натрием (техническое название СНВ —
смола нейтрализованная воздухововлекающая), и древесный
омыленный пек (добавка ЦНЙПС-1).
Воздухововлекающие добавки, вводимые в бетонную смесь
в количествах 0,05—0,1% от веса цемента, вовлекают в бетон-
ную смесь до 3—5% воздуха в виде мелких, равномерно рас-
пределяющихся пузырьков диаметром 30—200 мк.
Как установлено В. В. Стольниковым, воздушные пузырь-
ки не снижают, а даже несколько повышают пластическую
прочность цементного теста, что значительно уменьшает его
седиментацию. Пластифицирующий эффект таких добавок в
бетонной смеси объясняется увеличением объема цементного
теста вовлеченным воздухом и большим количеством воздуш-
ных пузырьков у поверхности зерен песка, где их действие
может быть уподоблено шарикоподшипникам, по которым
свободно перекатываются зерна песка (рис. 32).
Рис. 32. Пузырьки воздуха в бетонной смеси.
101
Гидрофильные поверхностноактивные добавки эффективно
применяются в подвижных бетонных смесях, где воды доста-
точно, но требуется добиться ее равномерного распределения
по частицам цемента. Гидрофобные и воздухововлекающие
добавки эффективнее в жестких и тощих смесях с малым во-
досодержанием.
В последнее время в технологии бетона начинают приме-
нять гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости
ГКЖ, ГКЖ-9—11—метилсиликонат (этилсиликонат) натрия—
представляет собой водно-спиртовый раствор кремнийорга-
нического полимера, который в результате хемосорбции на
поверхности зерен цемента и заполнителей образует защитные
водоотталкивающие пленки. ГКЖ-94 — полигидросилокса-
новая жидкость, применяемая в 10—15% -ной водной эмуль-
сии,—не только гидрофобизирует поверхность, но и выделяет
при реакции хемосорбции и поликонденсации водород. Добав-
ки ГКЖ, вводимые в бетонные смеси в количествах 0,05—
0,1 % от веса цемента, оказывают пластифицирующее дейст-
вие и гидрофобизируют капилляры бетона, а ГКЖ-94 может
использоваться и в качестве воздухововлекающей добавки.
VII. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ РАССМОТРЕНИЕ
БЕТОНА
Для исследования механических свойств различных мате-
риалов обычно в координатах: напряжение, деформация,
время — в реологии принято рассмотрение их феноменологи-
ческих (оторванных от действительности) моделей. Хотя при
этом молекулярно-кинетическая сущность явлений остается
нераскрытой, с некоторыми условиями и допущениями удает-
ся установить закономерность изменения механических
свойств, присущих этим материалам.
Механические модели сложных сред составляют из раз-
личных комбинаций трех моделей, характеризующих наибо-
лее важные свойства материалов: упругость, вязкость и плас-
тичность (рис. 33).
1. Упругое тело (тело Гука) изображают моделью в виде
пружины. Связь между напряжением и деформацией для это-
го тела определяется законом Гука
Р
S~ Е-’
где Е — модуль упругости.
102
a
б
б
р
2. Вязкое тело (тело Ньютона) изображают моделью, со-
стоящей из поршня, двигающегося в цилиндре с вязкой жид-
костью. Движение поршня под действием силы Р описывается
уравнением Ньютона
где ц — коэффициент вязкости.
3. Жестко-пластичное тело (тело Сен-Венана) изобража-
ют в виде площадки с Кулоновым трением. Тело гёри нагру-
' 103
if
женин ниже предела текучести не деформируется. Течение
развивается лишь при нагрузках, удовлетворяющих условию
текучести (P = QTp).
Обычно при рассмотрении упруго-вязкочпластичных мате-
риалов пользуются моделью Бингама, представляющей собой
сочетание перечисленных простых тел (рис. 34).
Как видно из схемы мо-
Кис. 34. Реологическая модель
Бингама:
X — воздействующее напряжение
сдвига; G — модуль упругости сдви-
ni; хо — предельное напряжение сдви-
га; tj — коэффициент вязкости.
дели, при напряжении т<т0
деформируется только пру-
жина; деформации упругие,
и их уравнение имеет вид
synp=ci7'
При значении t2>tq вклю-
чается в действие вязкий
элемент и начинается тече-
ние по закону Ньютона:
de т
dt
Общее уравнение деформа-
ции при x^To=Const
___ de
"о—
или при е0=
e==_L.ri=i.t,
Gt ij
В случае мгновенной раз-
грузки выражение остаточ-
ной деформации
е ---~ ~0 f
“ОСТ— u
Модель Бингама не характеризует упругого последствия
(эластичности), поэтому упруго-эластично-пластично-вязкие
тела более полно могут быть изображены моделью Шофилд—
Скотт-Блера (рис. 35). Эта модель состоит из тела Бингама,
последовательно соединенного с телом Кельвина, которое
представляет собой параллельно соединенные упругий и вяз-
104
L
T
Рис. 35. Модель упруго-эластично-вяз-кю'плас'гичного тела (модель
Шофилд—Скотт-Блера):
Gi — модуль упругости сдвига; -С2 — модуль эластичности сдвига; — коэффициент
истинной вязкости; rii — коэффициент вязкости замедляющего сопротивления.
кий элементы, и при силовом воздействии имитирует запазды-.
ьающую упругость.
При напряжениях меньше т0 мгновенно деформируется
пружина с модулем упругости Gi, и замедленно во времени
ввиду присутствия вязкого элемента деформируется пружина
с модулем упругости G2. Так же происходит исчезновение де-
формации после снятия нагрузки.
При напряжениях больше то включается в действие вязкий
элемент с коэффициентом вязкости т]Ь обеспечивающий вяз-
кое течение системы.
Связь между напряжением и деформацией в модели Шо-
филд—Скотт-Блера при T>To=Const выражается уравнением
TGi-Tp d2s I de
-Gr--dp+^--dt='-To-
Решение этого уравнения имеет вид
где первый член показывает упругую мгновенную деформа-
цию, второй — упругое последствие, третий — вязкое течение.
Модель Шофилд—Скотт-Блера применима не только к бе-
тонной смеси, но и к затвердевшему бетону, включая и качест-
венный переход между ними.
Замеряя на специальных приборах развитие деформаций
во времени при нагрузках, создающих напряжения меньше и
больше то, можно получить расчетные параметры Gj, гц, G2,
т]2 и, следовательно, дать аналитическое выражение зависи-
мости, качественно представленной на рис. 23, для бетона з
любой стадии твердения.
В главе VIII феноменологический метод использован для
вывода уравнений ползучести и релаксации напряжений в
бетоне.
VIII. ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА
БЕТОНА
Физические основы прочности бетона
Затвердевший бетон представляет собой неоднородный
капиллярно-пористый материал дискретной структуры, со-
стоящий из твердой фазы, воды и воздуха. В этом материале
до приложения внешних нагрузок уже действуют значитель-
103
иые и разнообразные «собственные» внутренние напряжения,
вызванные процессами химической и физической усадки це-
ментного камня, кристаллизацией новообразований, капил-
лярным давлением воды, неравномерным температурным
расширением компонентов. Все это вызывает большую неод-
нородность полей напряжений в бетоне, .находящемся под на-
грузкой. Некоторые структурные элементы оказываются пере-
напряженными, некоторые малонапряженными.
Теоретически учесть распределение напряжений в бетоне
нельзя, можно лишь, применяя принцип континуумизации
(непрерывности) к реальному материалу, рассуждать об их
усредненных значениях, причем реальность этих усредненных
напряжений тем больше, чем большую однородность имеет
структура бетона.
Общий характер распределения напряжений и деформа-
ций в структуре бетона приведен на рис. 36.
Связь средних напряжений в бетоне сто со средними напря-
жениями в растворе и щебне ор и ощ может быть выражена
^формулой
. 36=r-0P+(l-r)°ui>
где г — содержание раствора в бетоне по объему.
Рассмотрим одноосное сжатие бетонного образца.
Под действием сжимающей нагрузки бетон претерпеваем
упругие и остаточные деформации сжатия. Первые ив них
вызваны упругими свойствами твердой фазы и упругим сплю-
щиванием пустот в цементном камне. Следующие за ними
необратимые деформации возникают в результате излома
структурных элементов вокруг пустот и разрыва микрообъе-
мов твердой фазы. Необратимые деформации излома и раз-
рыва в микрообъемах наступают при средних напряжениях,
которые гораздо меньше предельных ввиду концентрации на-
пряжений на этих участках. Внешне эти деформации проявля-
ются в уменьшении объема образца.
Вследствие сплющивания пустот в бетоне происходит пе-
рераспределение поля напряжений и увеличивается его одно-
родность. Образовавшиеся в микрообъемах цементного кам-
ня разрывы твердой фазы не нарушают сплошности бетона и
могут быть залечены в дальнейшем за счёт продолжающихся
процессов гидратации цемента и перекристаллизации новооб-
разований. Повышение однородности поля напряжений даже
несколько упрочняет бетон на этой стадии напряженного
состояния.
107
Напряжение, кГ/смг Деформация, см
Рис. 36. Характер распределения напряжений^ ц деформаций в бето
.не (по И. М. Грушко). \
108
Начиная с определенного значения напряжений (предела
”рещинообразования RT), объем бетонного образца возрастает
'а счет развития поперечной деформации, вызванной образо-
ванием несмыкающихся микротрещин в направлении дейст-
вия нагрузки (рис. 37). Это состояние характеризуется увели-
ченными значениями коэффициента Пуассона. При прослуши-
вании бетона наблюдаются вместо равномерных шумов
оезкие потрескивания. С указанного значения напряжений
тактически и-начинается снижение прочности и разрушение
эетона. При дальнейшем повышении напряжений от RT до Ro
эазвитие трещин приобретает лавинный характер, микротре-
щины переходят в сплошные< макроразрывы и образец раз-
рушается.
Рис. 37. Изменение объема и коэффициента поперечной дефор-
мации при разрушении бетона.
109
Образование и развитие продольных трещин, разрушаю-
щих образец, вызвано растягивающими напряжениями в на-
правлении, перпендикулярном к действию сжимающих сил,
возникающими из-за неоднородности силовых полей и попе-
речного распора заполнителями цементного камня.
При центральном растяжении бетонных образцов вслед-
ствие развития пустот и разрыва структурных элементов рез-
ко повышается неоднородность полей напряжений, появляю-
щиеся трещины быстро соединяются в сквозную поверхность
разрушения. Поэтому значения предела прочности бетона на
растяжение примерно в 10 раз меньше предела прочности
на сжатие.
Детально исследовавший причины разрушения бетонных
образцов О. Я. Берг пришел к выводам, что разрушение мо-
жет быть только от разрыва, каково бы ни было напряженное
состояние бетона; процесс разрушения динамичен и начина-
ется при достижении напряжений в бетоне величины RT< кото-
рая наряду с пределом прочности является важнейшей
физической характеристикой напряженного состояния бетона.
В структуре бетона можно выделить три главнейших эле-
мента, от механических свойств которых зависит прочность
бетона: раствор, заполнитель и контактную зону между ними.
А. С. Дмитриев исследовал прочностныечи деформативные
свойства растворных образцов и бетонных, состоящих из того
же раствора, в который введено различное количество щебня
разного качества. Предел трещинообразования растворных
образцов RT имел более высокое значение, нежели бетонных,
что объясняется большей неоднородностью и большей кон-
центрацией напряжений в бетонных образцах, что связано с
присутствием щебня.
Однако при применении прочных крупных заполнителей
(R3=l,5—2,5 Re), имеющих хорошее механическое и хемо-
сорбционное сцепление с цементным камнем, предел прочнос-
ти бетонных образцов был выше, чем растворных. Объясняет-
ся это тем, что щебень, занимая в бетоне значительный объем,
тормозит развитие трещин, которым по растворным прослой-
кам бетона предстоит проделать гораздо больший путь, чем
в образцах чистого раствора. Увеличение содержания щебня
в бетоне удлиняет путь развития трещин и, следовательно,
увеличивает прочность образцов. Такая картина наблюдалась
при введении в растворы щебня из прочных известковых по-
род. При введении в бетон прочного гранитного щебня, имею-
щего только механическое сцепление с цементным камнем»
по
эффект упрочнения бетона был несколько ниже, чем раствора.
Наконец, при введении в бетон как слабого крупного запол-
нителя, имеющего хорошее сцепление с цементным камнем,
так и прочного заполнителя, не обладающего сцеплением,
прочность бетонных образцов была значительно ниже, чем
растворных.
Зная физическую картину разрушения бетона, можно на-
метить пути повышения прочности бетонов, которые в основ-
ном связаны с улучшением его структуры (глава V) и одно-
родности: повышение гомогенности бетонной смеси, примене-
ние повторного вибрирования и обжатия свежеуложенного
бетона (в оптимальное время) для уменьшения его микропо-
ристости, применение прочных, однородных по свойствам за-
полнителей, имеющих хорошее сцепление с цементным
камнем и др.
Прочность бетона в конструкциях
Как известно, прочность бетона при сжатии определяется
испытанием образцов размером 20X20X20 см, Необходимо
выяснить, характеризует ли значение прочности бетона, по-
лученное при испытании таких образцов, фактическую проч-
ность бетона в конструкциях.
При стандартном испытании кубического образца бетона
пр 11 сжатии на прессе разрушение имеет вид, представленный
на р»гс. 38, свидетельствующий о существов-ании onOipnoro
Рис. 38. Типичное разрушение
бетонного кубика при сжатии. -
Рис. 39. Разрушение бетонного ку-
бика при устранении сил опорного
трения.
Ш
трения между плитами пресса и горизонтальными гранями
образца. Предел прочности, образца характеризуется значе-
нием Ro.
При испытании такого же образца в тех же стандартных
условиях, но при смазке плит пресса, устраняющей оперное
трение, разрушение имеет вид, представленный на рис. 39, а
значение предела прочности R'o меньше, чем Ro.
В первом случае развитию деформаций по объему образ-
ца мешали силы трения образца у плит пресса, во втором
разрушение произошло в результате превышения предельных
деформаций в перпендикулярном к оси сжатия направлении.
Суммарные опорные силы трения 2Т=2а2т, упрочняющие
образец бетона по горизонтальным площадкам со стороной а,
должны быть распределены на весь объем образца V=a2li
(при цысоте образца 11). Тогда относительное упрочнение об-
разца может быть выражено упрочняющим напряжением в
единице объема
^упр_2Т___ 2т
°об
Из установленной зависимости можно сделать следующие
выводы.
1. При h = a относительное упрочнение образца будет
расти при уменьшении его размеров и уменьшаться при уве-
личении их
^упр _ 2т
об а •
Эта зависимость может быть выражена формулой
R2-lga1 = R2-lga2,
где ai и а2 — размеры ребер кубических образцов бетона в см-,
R1 и R2 — соответственно* прочности образцов бетона при
сжатии в кГ!см2\ •
или, учитывая, что размер стороны стандартного куба равен
20 см,
Re •lg20=Rx-Igx,
где х — размер стороны испытываемого образца в см.
Испытав кубический образец бетона со стороной х и полу-
чив прочность Rx, по этой формуле можно вычислить мароч-
ную прочность бетона Re.
Для практически используемых при изготовлении бетон-
ных образцов стандартных форм-кубов в ГОСТ 10180-67 при-
112
ведены коэффициенты для -перевода полученных значений
Re» к ма-рочной прочности бетона (табл. 15). Эти коэффици-
енты близки к полученным по выше приведенной формуле.
Таблица 15
Значения переводных коэффициентов прочности бетонных образцов
Размер стороны кубичес- кого образца, мм 300 200 150 100
Коэффициент, па кото- рый нужно умножить Ясж для Получения марочной прочности 1,04—1,06 1,00 0,90-0,96 0,81—0,85
2. Если h>a, образцы представля-
ют собой призмы с высотой больше
стороны основания. Чем дольше высо-
та призмы, тем меньше сказывается
влияние опорного трения на ее упроч-
нение.
Установлено, что при h^4a влия-
ние опорного трения уже практически
не сказывается и прочности при испы-
тании таких призм характеризуют
фактическую прочность данного бе-
тона в конструкциях (рис. 40.).
Предел прочности при сжатии та-
ких призм носит название призменной
прочности бетона (Rnp), значения ко-
торой и используются в расчетах же-
лезобетонных конструций.
Так как испытывать образцы приз-
мы 20X20X80 см практически затруд-
нительно, то Rnp определяют исходя
из кубиковой марочной прочности,
пользуясь экспериментально установ-
ленной зависимостью
Призменная прочность бетона Rnp
необходима для расчета центрально
сжатых элементов.
Рис. 40. Разрушение
бетонной призмы при
h/a>4 (силы сжатия вер-
тикальные).
В Зак. 3203
113
3. При h<a высота призмы меньше стороны ее основания.
В этом случае особенно значительно сказывается упрочняю-
щее действие сил трения на объем бетона.
В качестве примера приведены результаты испытания об-
разцов, изготовленных из бетона одного состава (табл. 16).
Таблица 16
Прочность бетонных образцов в зависимости от их размеров
Размеры и форма образцов Куб с ребром 20 см Призма 20x20X10 см Призма 20x20x5 см
Прочность при сжатии (числитель в кГ!см\ знаменатель в %) 400 ' 100 656 164 1278 320
При расчете изгибаемых и внецентренно сжатых элемен-
тов пользуются прочностью бетона на сжатие при изгибе RH
которую определяют по зависимости
Rh= 1,25 -Rnp.
Прочность бетона при растяжении может быть определена
через кубиковую прочность по эмпирической формуле 'Фепо
Rp=0,5y RT.
Однородность бетона по прочности
При массовом приготовлении бетонных конструкций и из-
делий на заводах ЖБИ или крупных стройках технология
приготовления, укладки» и твердения бетона в среднем обес-
печивает проектную марку (нормативное сопротивление). Но
можно ли использовать это значение как расчетную величину?
Фактически прочность бетона в изделиях за период работ
отклоняется от нормативного сопротивления в ту и другую
сторону, что можно установить испытанием контрольных об-
разцов. Очевидно, в качестве расчетного нужно брать не нор-
мативное сопротивление, а наименьшее, обеспечив конструк-
ции надлежащий запас прочности.
В настоящее время расчетное сопротивление вычисляют
умножением нормативного сопротивления на коэффициент
однородности бетона
Красч^С^норм ’ К»
Коэффициент однородности бетона — это нормируемое
114
значение показателя однородности. Показатель однородности
получают как частное от деления минимально вероятной
прочности на нормативное сопротивление K=-^IL-. Таким об-
разом, значения расчетного сопротивления берутся меньше
или равными минимально веррятной прочности бетона в изго-
товляемых конструкциях.
Минимально вероятным в технике считают событие, кото-
рое повторяется не более чем три раза из тысячи. Для расчета
Rmin достаточно иметь 150—'200 значений прочности бетона,
например испытаний контрольных образцов на сжатие. При
этом нужно брать данные испытаний всех образцов, без осред-
нения значений прочности в сериях образцов одного состава.
По полученной выборке прочности образцов, используя
положения теории вероятности, можно установить закономер-
ность распределения их прочностей. »
Кривая распределения вероятных событий Гаусса — Лап-
ласа выражается уравнением
1 (М-х)2
у=„ rF--e 2оа
где у — плотность распределения случаев с данной проч-
ностью;
М — среднее арифметическое значение прочности
п
. . SX]
дд __ Х1+х2-Ь-Хз + .. +х„ _ _1_
~ п ~ п ’
Xi — текущее значение прочности (данные испытания об-,
разцов);
и — количество образцов;
а — среднее квадратичное отклонение прочности образ-
цов, называемое стандартом,
/ S(M-Xi'2
,’=У -н—
Как видно из уравнения Гаусса — Лапласа, кривая рас-
пределения вполне определяется параметрами Мио, которые
могут быть вычислены по имеющимся данным испытаний
образцов.
Общий вид кривой распределения с указанием ее пара-
метров представлен на рис. 41.
8*
115
Теоретически вероятность появления случайных величин
от/И до х (в нашем случае прочностей) на кривой Гаусса —
Лапласа соответствует площади, заключенной между кривой
и осью абцисс в интервале от/Идо х.
Рис. 41. Кривая Гаусса —Лапласа.
Приравняв значение этой площади 0,997 и произведя ин-
тегрирование, получим значение минимально вероятной проч-
ности х=М—Зо.
• Исходя из этой зависимости, имея значения М и а, опре-
деляют
Rmln=-М—Зо
и показатель однородности К
116
K=^=^-(1-34) = r^-(1-3Cv),
Кнорм Кнорм' ^Vl 7 ^норм^ /
где величина обозначается через Cv и носит наименова-
ние коэффициента вариации или изменчивости.
Если Cv^0,12, то вычисление производят по приведенной
формуле. Если Cv>0,12, то расчет К надо производить с уче-
том возможностей асимметрии кривой. В этом случае вычис-
ляют значение S, называемое мерой асимметрии,
S(a—М)з
S——. J______•
° 2 П-аЗ
По отношению S/Cv, пользуясь номограммой, определяют
коэффициент q (рис. 42) и показатель однородности по фор-
Рис. 42. Номограмма для определения коэффициента q в зависимости
от Су и отношения S/Cv.
117
Накапливая данные о значениях показателей однороднос-
ти по заводам ЖБИ и стройкам ЦСУ, устанавливают единый
коэффициент однородности, обязательный при расчете бетон-
ных и железобетонных конструкций.
Современные «Строительные нормы исправила» нормиру-
ют коэффициент однородности бетона на сжатие в пределах
0,55—0,60. Значение его еще «изко (коэффициент однород-
ности для металлов имеет значения 0,85—0,90). Дальнейшее
развитие технологии и культуры производства бетонных ра-
бот позволит увеличить коэффициентчоднородности, что будет
способствовать снижению себестоимости бетонных изделий1.
Методика практического определения показателя однород-
ности бетона по прочности
1. Берут 150 значений прочности контрольных образцов,
испытанных за характерный для производства период, для
бетона определенного состава.
'2. Для упрощения расчетов значения прочностей группи-
руют в пределах ближайших 10 и 20 кГ/см2. В каждой группе
определяют среднюю прочность и количество образцов.
3. Вычисляют среднее арифметическое значение прочнос-
ти М.
4. Вычисляют стандарт о и изменчивость Cv.
5. Определяют показатель однородности по формулам
K = HL(1~3Cv) или K=jA~q.
Г^НОрМЧ 7 *хнорм
Пример. Завод ЖБИ изготовляет плиты ПКЖ из бетона марки 200
В течение месяца работы испытан 51 контрольный образец1, результаты ис-
пытаний сведены в табл. 17.
’ В настоящее время разработан проект нового ГОСТ «Бетоны. Оцен-
ка прочности и однородности», в котором вводится статистический конт-
роль прочности бетона на заводах ЖБИ, товарного бетона и jia строитель-
ных площадках. В проекте ГОСТ неоднородность бетона оценивается
показателем изменчивости Cv, которая определяется как минимум из 20
результатов испытаний. Чем выше значение Cv, тем ниже однородность
прочности бетона, и наоборот. Переход на статистический контроль позво-
лит предприятиям, выпускающим продукцию с высокой однородностью
бетона, назначать среднюю прочность ниже проектной, в то время как при
низкой однородности среднюю прочность необходимо увеличивать. Таким
образом появится реальный экономический стимул к совершенствованию
технологии и организации производства бетонных работ.
2 51 образец в примере взят для упрощения вычислений.
118
Таблица 17
Результаты испытаний контрольных образцов бетона
№ образ- ца Re № образца R6 № образца Re
Г 153 18 180 35 191
2 186 19 200 36 159
3 192 20 220 37 185
4 212 21 241 * 38 210
5 ‘ 250 22 206 39 229
6 194 23 193 40 231
7 184 24 168- 41 204
8 196 25 175 42 173
9 228 26 , 204 43 202
10 205 27 224 44 230
11 166 28 246 45 198
12 172 29 203 46 200
13 198 30 197 47 214
14 216 31 179 48 203
15 238 32 206 49 196
16 194 33 222 50 212
17 201 34 207 51 200
Наименьшее значение прочности 153 кГ/см2, наибольшее 250 кГ/см2.
Объединяем значения прочностей в пять групп — от 151 до 250 кПсм2.
В каждой группе значения прочностей разнятся между собой в пределах
20 кГ/см2 (табл 18).
Таблица 18
Результаты группировки значений прочностей
Прочность при сжатии, кГ/см2
151 — 170 171 — 190 | 191—210 | 211—230 231—250
153; 166; 168; 159 186; 184; 172; 180; 175; 179; 185; 173 192; 194; 196; 205, 198; 193; 201; 200; 206; 194; 204; 203; 197, 206; 207; 191; 210; 204; 202; 198; 200;' 203; 196; 200 212; 228; 216; 220; 224; 222; 229; 230; 214; 2К 250; 238; 241; 246; 231
Средняя 160 Средняя 180 Средняя 200 Средняя 220 Средняя 240
Образцов 4 Образцов 8 Образцов 24 Образцов 10 Образцов 5
119
В дальнейшем расчете используем средние прочности и соответствс!
ные количества образцов.
Определяем среднее арифметическое значение прочности
м 4-160+8-180+24-200-+10-220+5-240 опп ,
М=---------------------------------—202 кГ, см-.
Определяем стандарт
1 / 4(202—160)2+8(202-180)- 4-24(202-200)-’-10(202-220)* t
г _ +
* 5(202-240)-21
Изменчивость '
Cv=^=0,10<0,12.
Показатель однородности
К=||[1-3-0,1]=0,7 (70%).
Нарастание прочности бетона
во времени
Как известно, марочная прочность бетона определяется н.
28-е сутки твердения ’образцов в нормальных температурно
влажностных условиях. Твердение бетона продолжается еще
на протяжении длительного времени, но прирост прочности
идет крайне медленно. Только за два-три года последующего
твердения прирост прочности бетонов на портландцементе
может достичь значений, набранных за первые 28 дней. Пр >
длительных сроках ввода сооружений в эксплуатацию необ-
ходимо учитывать дополнительное к марочной нарастание
прочности бетона во времени, что может дать ощутимую эко-
номию цемента (табл,19).
Как видно, значения коэффициентов нарастания прочности
бетона имеют значительные колебания.
Таблица 19
Значения коэффициентов нарастания прочности бетонов
во времени
3 дня 7 дней 28 дней 3 мес. 6 мес. 1 год 2 года
0,26—0,57 0,42—0,75 1,00 1,12—1,52 1,22—1'70 1,30-2,27 1,42—2,73
I а»
Рост прочности бетонов во времени зависит от многих фак-
торов, главным образом от качества цементов, характеристик
заполнителей, содержания воды в бетоне и условий его твер-
дения. На характер нарастания прочности значительно влияет
минералогический состав цемента. Алитовые портландцемен-
ты быстро набирают прочность в первые сроки твердения (до
28 суток), в дальнейшем нарастание прочности идет весьма
медленно. Белитовые цементы, наоборот, медленно набирают
прочность в первые сроки, зато после 28 суток прирост проч-
ности у них идет значительно интенсивнее, нежели у алитовых.
Еще медленнее твердеют в первые сроки пуццолановые порт-
ландцементы и шлакопортландцементы, но интенсивность на-
бора прочности бетонов с их применением в более поздние
сроки (три месяца — один год) значительно выше, чем бето-
нов на обычных портландцементах.
Как правило, с повышением активности цементов рост
прочности бетона увеличивается в первые сроки твердения и
уменьшается в отдаленные.
Для бетонов с высокими значениями В/Ц (от 0,6 до 0,8)
оптимальными для набора прочности во времени являются
условия воздушно-влажностной среды при относительной
влажности около 90%, обеспечивающие медленное испарение
воды из бетона. Для бетонов с низкими В/Ц (от 0,3 до 0,5) оп-
тимальными для твердения являются условия стопроцентной
влажности, обеспечивающие поглощение влаги из окружаю-
щей среды.
От времени твердения зависит и отношение прочности бе-
тона на растяжение к его прочности на сжатие; как правило,
это соотношение понижается в первые три месяца твердения,
а затем стабилизируется.
Усреднив данные нарастания прочности для бегонов на
наиболее часто применяемых цементах и заполнителях, с под-
вижностью смесей 3—6 см и водоцементными отношениями'
0>4 0,6, твердеющих в нормальных воздушно-влажностных
условиях, можно построить график зависимости прочности
бетона от времени твердения (рис. 43).
Аналитически зависимость, изображенную на графике в
--Рвале измени от трех до 90 суток, можно представить
Rn __ R23
lgn~lg28’
где и время твердения бетона в сутках.
121
ишность при сжатии,
Время тВербная S сутках
Рис. 43. График нарастания прочности бетона во времени.
Эта формула, предложенная Б. Г. Скрамтаевым^ пригодна
для ориентировочных расчетов; точно учесть нарастание проч-
ности во времени можно только в результате эксперимента.
Зависимость между напряжениями
и деформациями
Увеличение вязкости гелеобразной части цементного кам-
ня в бетоне и кристаллизация новообразований во времени
характеризуются нарастанием его упругих и уменьшением
вязко-пластичных свойств.
Бетон расчетного возраста R2e имеет еще значительные
пластические свойства. Сочетание упругих и вязко-пластич-
ных свойств бетона феноменологически аппроксимируется
моделью Шофилд—Скотт-Блера, согласно которой зависи-
122
кость между деформациями и напряжениями выражается
уравнением, приведенным на стр. 106.
Как видно из уравнения, Только при мгновенном загруже-
на (t->0) бетон будет вести себя как истинно упругое тело
: определенным модулем упругости. Даже при кратков|ремен-
юм загружении имеют место эластические и пластические
(еформации, увеличивающиеся с увеличением нагрузки.
Изменение упругих и полных деформаций при кратковре-
менном нагружении образца ступенями показано на
>ис. 44.
<э
Напряжение i
Рис. 44. Зависимость между напряжениями и деформациями при крат-
ковременном нагружении бетонных образцов ступенями.
123
Полную деформацию получают как сумму упругой и оста
точной деформации, причем условно за остаточную ее часг
принимают суммарную величину пластической деформации ,
упругого последствия (эластичности).
Практически в настоящее время для характеристики де
формативности бетона используют несколько зависимосте!
между напряжениями и деформациями бетона при его кратко
временном .загружении.
Рассмотрим диаграммы изменения деформаций бетона •’
зависимости от действующего напряжения при кратковремен
ном нагружении (рис. 45).
Обозначим для точки К диаграммы:
Об — напряжение;
8У — упругая деформация;
ея — пластическая деформация;
ее — полная деформация.
Модуль упругости бетона характеризуется тангенсом угла
между касательной к кривой в нулевой точке и осью абсцисс
86=tgOo.
В нормах за характеристику упругости бетона принимает-
ся начальный модуль упругости, который представляет собой
отношение величины напряжения к величине' деформации,
причем величина напряжений должна быть менее 20% приз-
менной прочности. Условно считается, что' при. таких напря-
жениях и кратковременной нагрузке пластические деформа-.
ции в бетоне еще очень малы и между напряжением и дефор-
мацией существует линейная зависимость.
Начальный модуль упругости бетона увеличивается с уве-
личением его прочности и при изменении марки бетона от
100 до. 400 меняет соответственно значения примерно от
190 000 до 350 000 кГ/см?.
Модуль полных деформаций бетона — величина перемен-
ная, зависящая от напряжения, и может быть выражен тан-
генсом угла наклона касательной, проведенной в точке с рас-
сматриваемым напряжением,
ЕбдеФ=^а. .
В. В. Мурашев предложил пользоваться модулем упруго-
пластичности бетона Еб', определяемым тангенсам угла на-
клона секущей, проведенной из начала координат к данной
точке,
E6'=tgab
Очевидно, что
Еб'-вб=Еб-еу;
отсюда
Еб'=ЕбХ
ьб
Вводя понятие коэффициента пластичности бетона 1.= ^-,
получим
Е'б=(1- Х)Е6.
X зависит от величины напряжений и длительности дейст-
вия нагрузки, изменяется от 0 до 0,8 и является важной рас-
четной характеристикой упруго-пластических свойств бетона.
Деформативные свойства бетонов зависят от соотношения
количества щебня и раствора и их упругих свойств.
А. 'С. Дмитриевым предложена формула для расчета мо-
дуля упругости бетона:
Р_________Ез'Ер_____
^6—E3.Vp.Kp+Ep-V3.K3 ’
125
где Е3 и Ер — модули упругости крупного заполнителя и раст
вора;
V3 и Vp — относительные объемы заполнителя и раствор;
в бетоне;
Кз и >Кр — коэффициенты, характеризующие отличие сред
них напряжений в заполнителе и растворе от средних напря
жений в бетоне; при К3=1,1 и Кр=0,9.
Как следует из приведенной зависимости, введение в
раствор значительного количества высокопрочного щебня
способствует повышению модуля упругости бетона.
»
Другие виды деформации бетона
Предельные деформации бетона, при которых начинается
разрушение, зависят от его марки и длительности приложения
нагрузки. Обычно предельная сжимаемость тяжелых бетонов
колеблется в пределах от 0,8 до 3 мм^, в среднем ее прини-
мают равной 2 мм/м. Предельная растяжимость бетона в 10—
20 раз меньше, в среднем" ее значение равно 0,1 мм{м.
Коэффициент Пуассона, коэффициент поперечной дефор-
мации бетона v, при нагружении бетона до предела трещино
образования колеблемся от 0,1 до 0,3; по нормам его принима-
ют 0,15.
Коэффициент линейного расширения бетона при охлаж-
дении и нагреве в среднем принимают равным 10-10~6 Мград.
что почти соответствует коэффициенту линейного расширения
стали (р= 12-10-6 l/град). Это обстоятельство чрезвычайно
важно для совместной работы стальной арматуры и бетонно-
го камня в железобетоне.
Указанное положение нарушается при замораживании на-
сыщенного водой железобетона, в котором деформации арма-
туры и бетона не совпадают не только по величине, но и по
знаку, что приводит к развитию значительных внутренних
напряжений, могущих вызвать разрушение конструкций.
Усадка и набухание
При твердении бетонных изделий на воздухе они посте-
пенно уменьшаются в объеме — происходит усадка, при твер-
дении в воде несколько увеличиваются в объеме — происходит
набухание.
В первые один-два дня твердения, когда цементный камень
не обладает еще достаточной прочностью, усадка связана с
12G
контракцией и усилением действия капиллярных сил вследст-
вие испарения воды; при этом бетон сравнительно легко не-
обратимо деформируется без развития существенных внут-
ренних напряжений. При дальнейшем твердении усадка про-
должается; она, как и раньше, связана с удалением воды из
цементного камня; ее интенсивность зависит от относитель-
ной влажности воздуха и может быть качественно представ-
лена графиком (рис. 46).
В настоящее время нет общепризнанной теории о причинах
^формаций при высыхании или увлажнении цементного кам-
1я и бетона. Большинство ученых считают, что причиной
127
усадки в высыхающем бетоне является испарение воды из
микрокапилляров и удаление адсорбционной и цеолитной
воды из слоистых новообразований. При последующем увлаж-
нении высохшего бетона наблюдается некоторое увеличение
объема, но необратимая часть усадки достигает 30—50%.
Необратимость усадки вызвана усилением сцепления новооб-
разований под действием Ван-дер-Ваальсовых и химически’
сил, а также необратимыми разрушениями структуры.
Рис. 47. Изменение механизма усадки в зависимости от влажност.'
бетона.
3. Н. Цилосани, сопоставляя деформации усадки с десорб-
цией влаги из бетона при различной относительной" влажнос-
ти воздуха, дает следующее объяснение механизму усадк:-.
(рис. 47). На типичной кривой усадки бетона имеются харак-
терные участки, соответствующие различному влажностному
состоянию бетона. Участку А с почти неощутимыми усадоч-
ными явлениями соответствует содержание влаги в бетоне пэ
объему более 30%, что возможно при относительной влаж-
ности воздуха более 98%. Участкам «Б и В интенсивного раз-
128
р
вития усадки соответствуют содержания воды в бетоне по
объему от 12 до 30%, что наблюдается при относительной
влажности воздуха 70—98%. При этом влага в бетоне испа-
ряется из капилляров и пор радиусом от 200 до 1000 А. Это
именно те размеры пор, при которых наиболее интенсивно
действуют капиллярные силы. При уменьшении пор, запол-
ненных водой, до размеров, соизмеримых с размерами моле-
кул, капиллярные силы перестают действовать, прекращается
и усадка (участок Г). Наконец, на участке Д при объемной
влажности бетона 3—5%* наблюдается наибольшая усадка,
к которой капиллярные силы непричастны и которая может
быть объяснена только удалением межкристаллической ад-
сорбционной воды новообразования. Поскольку влажность
бетона в 3—5% возможна только в особых условиях работы
конструкций при относительной влажности воздуха менее
40%, то практически на усадочные явления в бетоне оказы- *
вают влияние сжимающие усилия на .стенки микрокапилля-
ров, развивающиеся с увеличением испарения капиллярной
воды.
Усадка выражается тем сильнее, чем больше в бетоне' це-
ментного камня, больше исходное В/Ц, -а в цементном камне
больше гелевой составляющей. Полное значение усадки для
цементного камня составляет 9—4'5 мм3/м3, или при линейном
выражении 3—5 мм/м.
Наличие в растворе и бетоне, помимо цементного камня,
скелета заполнителей уменьшает усадку: так, для цементно-
песчаных растворов ее значения составляют 0,6—1 мм/м, для
бетонов 0,2—X),5 м'м!м. Уменьшение усадки в бетоне, с одной
стороны, улучшает условия работы конструкций, с другой,
вызывает увеличение в них внутренних напряжений.
Неравномерность усадки внешних и внутренних.слоев в
массивных бетонных сооружениях вызывает появление уса-
дочных трещин. Для их предотвращения необходимо увлаж-
нять поверхности конструкций до на'бора бетоном 40—60%
марочной прочности.
Бетонные изделия, подвергнутые тепловой обработке, име-
ют пониженное значение усадки; особенно эффективна авто-
клавная обработка, понижающая усадку бетонных изделий в
2 3 раза. Указанные явления связаны с «огрублением» геля,
т. е. увеличением размеров его частиц и кристаллической час-
ти цементного камня.
При длительном нахождении цементного камня в воде
осмотическое давление в гелевых оболочках вызывает их на-
Зак. 3203
129
бухание, разрывы и в связи с этим усиление гидратации час-
тиц цемента, что вместе взятое и вызывает объемное увеличе-
ние цементного камня и бетона — их набухание. Деформации
набухания положительно влияют на качество бетона, вызывая
его самоуплотнение; внешне эти деформации проявляются а
5—10 раз слабее, чем деформации усадки.
Эластические деформации, ползучесть и
релаксация напряжений в бетоне
Рассмотрим поведение бетона как упруго-вязко-пластично
го тела во времени при постоянном напряжении и затем пр
постоянной деформации.
Для упрощения выводов будем рассматривать по отдел;-
ности составляющие модель Шофилд—Скотт-Блера тел
Кельвина и Максвелла (рис. 48).
Тело КельБина
Тело Максбёлла
Рис. 48. Реологические модели тел Кельвина и Максвелла.
130
Полное напряжение в теле Кельвина (о) будет склады-
аться из напряжений в упругом и вязком элементах
о=Е-е+^;
£ЛИ о = Const = Оо, то
de _ dt
Ее~ 1) ’
Интегрируя в пределах времени от 0 до t, получим
(Е \
1 —---* t 1
1—е ч I.
Это уравнение свидетельствует о том, что при действии на
бетон постоянной нагрузки происходит эластическая дефор-
®о
мация, которая стремится к значению
В теле Максвелла общая скорость деформации равна
сумме скоростей деформации упругого и вязкого элементов
de ____________________ da ,a
"dT~~dt-E + V
При напряжении о0 и деформации 8о следует жестко за-
крепить концы тела. Тогда =0 и уравнение примет вид
Интегрируя в пределах времени от 0 до t, получим
. а Е --
in---=------1 ИЛИ <5 = а0-е ч
°о Ч 0
Из уравнения видно, что при неизменной деформации на-
пряжения в теле падают по экспоненциальному закону. Это
свойство упруго-вязкой среды носит название релаксации
напряжений.
Время t=-g~, в течение которого напряжения падают в е
раз, носит название времени релаксации.
Аналогично можно доказать, что при неизменном напря-
жении в упруго-вязкой среде по экспоненциальному закону
будет происходить развитие деформаций во времени. Это
свойство получило название плозучести, или крипа.
Нетрудно заметить, что и ползучесть, и релаксация напря-
жении представляют собой две стороны одного явления, вы-
званного вязким течением среды, что может быть выражено
графиком (рис. 49).
Явление ползучести бетона еще мало исследовано. Некото-
рые ученые объясняют ползучесть перераспределением ка-
пиллярной и адсорбционно-связанной воды в цементном кам
не под влиянием длительной нагрузки и вызываемыми эти:
Напряжение
Рис. 49. Изменения релаксации напряжения (1) и ползучести (2)
в бетоне во времени.
Согласно гипотезе, развиваемой А.- Е. Шейниным и др.
под длительным действием нагрузки происходит вязкое тече
ние гелевой составляющей цементного камня с перераспреде-
лением напряжений на кристаллическую фазу, что вызываем
развитие в ней микротрещин; внешним проявлением этих про
, цеесов и являются деформации ползучести. Как следует и:
' приведенного выше уравнения ползучести и графика (рис. 49).
она наиболее интенсивно развивается в первые сроки после
нагружения бетона, затухая со временем по экспоненциаль-
ному закону.
В зависимости от величины приложенной нагрузки дефор-
мации стабилизируются во времени или же развиваются и мо-
гут вызвать разрушение бетона.
132
• При длительных нагрузках, величина которых вызывает
щпряжения менее 60—60% предела прочности бетона при
:жатии, развитие деформации ползучести носит линейный ха-
рактер без видимого нарушения микроструктуры бетона. При
увеличении нагрузки наблюдается значительное увеличение
деформаций ползучести .и развитие микротрещин, а при зна-
чении .напряжений, равном 0,8—0,9 предела прочности бетона,
он может постепенно разрушиться.
Затухание ползучести, во времени связано с увеличением
вязкости гелевой составляющей цементного камня, ее уплот-.
пением, развитием кристаллических образований и перерас-
пределением напряжений на них.
Величина ползучести возрастает с увеличением количества
цементного камня в бетоне, при 'повышенном содержании
гелевидной составляющей в цементном камне, повышенных
значениях водоцементного отношения, работе затвердевшего
бетона в водонасыщенном состоянии.
Ползучесть уменьшается у бетонов после тепловлажност-
ной и особенно после автоклавной обработки. Влияние этих
факторов на структуру бетона было объяснено при рассмот-
рении усадки бетона-.
Усадка и ползучесть бетона имеют много общего, как
свойства, присущие в основном гелевидной части цементного
самня. И усадка, и ползучесть наиболее интенсивно проявля-
ется в первые три-четыре месяца ' и постепенно затухают,
ючти прекращаясь к полутор a-двум годам твердения бетона.
Эдна ко усадка происходит как самопроизвольная объемная
деформация, а ползучесть — как линейная деформация под
хействием внешних сил.
Ползучесть бетона имеет большое практическое значение
для работы конструкций. В массивном бетоне она снижает
напряжения от усадки и,температурных градиентов, в желе-
зобетонных конструкциях уменьшает напряжения в бетоне и
передает их на арматуру, но в то же время увеличивает про-
гиб изгибаемых элементов, в напряженно-армированных
конструкциях вследствие ползучести могут происходить значи-
тельные потери предварительного напряжения арматуры.
Ползучесть бетона обычно выражается величиной «харак-
теристика ползучести» <р, представляющей собой отношение
полной деформации ползучести к упругой деформации при
действующем напряжении о:
133
Характеристика линейной ползучести <р для тяжелого бе-
тона имеет значения от 1,7 до 6,2, в среднем около 3.
При расчетах железобетонных конструкций учитывают
влияние ползучести, вводя значение С =-]г, называемое мерой
ползучести. Мера ползучести представляет собой относитель-
ную деформацию ползучести, под напряжением 1 кГ/см2 за
время t.
IX. УСКОРЕНИЕ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА
В нормальных термовлажностных условия? бетон дости-
гает марочной прочности через 28 суток твердения.
Современное индустриальное строительство тр'ебует уско-
ренного набора прочности при твердении бетона, особенно
при производстве сборного железобетона в заводских усло-
виях. Сокращение времени набора отпускной прочности же-
лезобетонных изделий необходимо для большей оборачивае-
мости форм, более эффективного использования оборудова-
ния и повышения производительности предприятий.
Интенсифицировать процессы твердения бетона можно
применением некоторых технологических приемов, ускоряю-
щих гидратацию и гидролиз клинкерных минералов.
Методы ускорения твердения бетона могут быть разбиты
на" три группы: ускорение твердения при естественной темпе-
ратуре среды, тепловая обработка бетона и комбинирован-
ные методы (табл. 20). '
* Таблица 20
Методы ускорения твердения бетона
В естественных усло- виях, без тепловой обработки Тепловая обработка Комбинированные методы
Применение жестких сме- сей с низкими вадоце- ментными отношениями Применение домолотых цементов Применение химических добавок — ускорителей твердения Применение специальных быстротвердеющих це- ментов Паропрогрев при атмо- сферном давлении Паропрогрев при (повы- шенном давлении в авто- клавах Электропрогрев Горячее формование Прогрев инфракрасным облучением. Индукционный прогрев. Сочетание методов ускорения твердения бетона в естественных условиях с последую- щей тепловой обра- боткой
134
I Ускорение твердения бетона
в естественных условиях без тепловой
> обработки
При низких водоцементных отношениях в цементном тесте
быстро создается перенасыщение водной среды продуктами
гидратации и гидролиза минералов цемента, что вызывает
ускоренный рост прочности. Особенно эффективно нарастание
прочности в хорошо уплотненных жестких смесях с низкими
В/Ц, где все процессы проходят в тонких пленках теста.
Значительно интенсифицируются процессы твердения в
цементе более тонкого помола вследствие возрастания реак-
ционной поверхности его частиц. Особенно эффективен мок-
эый домол цемента в вибромельницах до удельной поверх-
ности 5000—5500 см21г. Измельчение цемента до удельной
поверхности больше 5500 см21г требует больших энергозатрат,
а эффект ускорения твердения снижается из-за резкого воз-
растания водопотребности бетонной смеси. Мокрый домол
цемента в вибромельницах обеспечивает равномерное смачи-
вание новых поверхностей тонкими пленками воды, частичную
гидратацию зерен и сдирание новообразований с их поверх-
ности. Таким образом, в процессе мокрого помола происходит
пластификация теста и вскрытие минералогического состава
клинкера с выводом значительной части алюминатов из со-
става цемента. Нагрев при помоле способствует кристалли-
зации алюминатов и необратимому разрушению их коагуля-
ционных структур. Цемент становится как бы менее алюми-
натным. При использовании цементов мокрого домола улуч-
шается удобоукладываемость смеси и прочность бетона вы-
ше, чем бетонов на цементах сухого домола.
Применение указанных мер позволяет получить прочность
бетона в суточном возрасте, равную 40—90% марочной.
Усредненные данные исследований о влиянии перечислен-
ных факторов .на ускорение твердения бетона, обобщенные в
работах С. А. Миронова и В. И. Сорокера с сотрудниками,
приведены в табл. 21.
Твердение цементного теста можно ускорить, применяя
химические добавки, интенсифицирующие гидратацию клин-
керных минералов и кристаллизацию их новообразований.
В этом направлении в различных странах проводятся мно-
гочисленные исследования, предложено большое количество
патентованных добавок, в основном хлоридов и сульфатов
щелочных и щелочноземельных металлов.
135
Т а б лиц а 2
Влияние изменений состава бетона на ускорение
его твердения в естественных условиях
Параметры бетонной смеси Предел прочности бе. тона при сжатии, % от Rg» в возрасте
постоянные изменяемые
1 сутки 28 су
Состав бетона Удельная поверхность
(В, Ц, П, Щ) цемента S=2700 см21? 14 100
Удобоукладываемость S=5000 см2'г (мокрый домол) Водоцементное отноше- 95 224
смеси ние В/Ц=0,5 20 100
Водоцементное В'Ц=0,3 У добоукладываемость 52 148
отношение Ж=21 13 100
Расход цемента Ж-170 Удобоукладываемость и водоцементное отношение 25 130
Ж=8 сек, В/Ц=0,55 22 100
• Ж=180 сек, В/Ц=0,35 64 178
Исходя из - механизма действия добавок — ускорителей
твердения бетона, В. Б. Ратинов разбивает их на три класса.
Добавки первого класса — вещества, не вступающие в
реакцию с вяжущими; их действие заключается в изменения
ионной силы раствора, а следовательно, и в изменении рас-
творимости вяжущего. Кинетика твердения вяжущих — про-
цесс, включающий стадии растворения и кристалли-
зации новообразований; добавки этого класса преимущест-
венно воздействуют на одну из этих'стадий. Добавки, не име-
ющие одноименных с вяжущим ионов, такие, как NaC!
NaNOa, КС1 и др., повышают растворимость соединений вя
жущего. Добавки, содержащие одноименные с вяжущим!
ионы,— СаСЬ, Са(ЫОз)2 и др., ускоряют скорость кристалл и
зации новообразований.
Добавки второго класса — вещества, реагирующие с вя-
жущим с образованием труднорастворимых или малодиссо
циирующи'х соединений, сдвигающие реакции гидролиза i
гидратации вяжущих- вправо. Добавки этого класса по и.'
действию также могут быть разбиты на группы. Одни из них
уменьшают щелочность среды (кислоты и гидролизирующие
ся соли сильной кислоты и слабого основания — НС1, NH4C1
136
FeCh и др.), другие вступают в реакцию с гидроокисью каль-
ция (К^СОз, NaF) либо с алюминатами и ферритами (CaSO4,
NaNO2) с образованием труднорастворимых соединений.
К третьему классу добавок относятся кристаллические
затравки — тонкомолотые вещества, имеющие кристаллохи-
мическое средство с новообразованиями вяжущего. Их при-
менение эффективно в том случае, когда лимитирующей ста-
дией процесса твердения вяжущего является кристаллизация.
В нашей стране нашли практическое применение добавки
СаС12, CaSO4, Ca(NO3)HKAl(SO4)2], NaCl, Na2SO4 и некото-
рые другие. Наиболее эффективен хлористый кальций. Вве-
денный в воду затворения, он взаимодействует с Са(ОН)2 и
С3А и дает малорастворимые при высоких концентрациях
гидрооксихлориды кальция 2 СаО-'СаС12-10 Н2О и гидрохлор-
алюминаты SCaO-AljjOs-CaClrlO НгО, что углубляет гидра-
тацию C3S и алюминатных минералов С3А, C4AF, способствует
обезвоживанию и коагуляции геля. Введение хлористого
кальция в бетонные смеси позволяет уже в суточном возрасте
получать распалубочные прочности изделий. Однако при вза-
имодействии хлористого кальция с портландцементом умень-
шается pH раствора, что приводит к коррозии арматуры.
Поэтому нашими нормами регламентируется предельное ко-
личество добавки хлористого кальция в 1—2% от веса це-
мента.
Согласно данным некоторых исследований корродирующее
действие хлористого кальция может быть значительно умень-
шено при введении с хлористым кальцием такого же коли-
чества нитрита натрия. При этом из раствора уводятся хлор-
ионы и остаются нитрит-ионы, не вызывающие коррозии.
В цементах с повышенным содержанием алюмината или
более тонкого помола целесообразно применение сульфатных
добавок, которые ускоряют твердение за счет дополнительно-
го насыщения продуктов гидратации гидросульфоалюмина-
тами кальция.
Данные об эффективности применения некоторых химиче-
ских добавок для ускорения твердения .бетона приведены в
табл. 22 (по С. А. Миронову).
1 ^®К0Т0Рые авторы рекомендуют вводить в бетонную смесь
1 2/о кристаллических затравок из тонкомолотых гидрати-
рованных цементов, которые создают зародыши для кристал-
лизации новообразований. По данным И. Ямбора, введение
атравок позволяет увеличить на 77% прочность бетонных
оразцов суточного твердения. Однако многие исследователи
13Г
не получили положительного эффекта от введения затравок
Этот вопрос из-за очевидного избирательного действия доба-
вок подлежит дополнительной разработке.
Таблица 22
Влияние химических добавок на ускорение твердения бетона
Наименование добавки Добавка, % от веса цемента Предел прочности на сжатие, %, в возрасте
1 сутки 28 суток
Без добавки 0 27 100
Хлористый кальций 1 40 116
Хлористый натрий 1 43 102
Азотнокислый натрий 1 36 115
Сернокислый глинозем и хлори- стый кальций 3+1 38 140
Хлористый алюминий 1 37 100
Нитрат кальция 5 39 108
Необходимо отметить избирательное действие химически?
добавок'по отношению к бетонам на различных цементах
Одни и те же добавки могут дать разный эффект с различны
ми цементами и в различных бетонных смесях. Поэтому npi
применении даже рекомендованных химических добавок обя
зательно’их апробирование в бетонах.
В 1955 г. наша цементная промышленность начала выпуск
быстротвердеющих цементов (БТЦ), имеющих при испыта-
нии по действовавшему ГОСТ 310-41 прочность на сжатие
через сутки твердения 200 кГ/см2 и через трое суток
300 кГ1см2.
Для получения быстротвердеющих цементов применяют
сырьевые смеси с большим коэффициентом насыщения, обжиг
смеси ведут при повышенных температурах, добиваясь повы
шейного содержания в клинкере алита оптимальной микро-
структуры.
С 1961 г. организован выпуск особобыстротвердеющих
(ОБТЦ) и высокопрочных цементов. Прочность'образцов из
этих цементов при испытании по ГОСТ 310-60 достигает че-
рез сутки 300 кГ!см2, через трое суток 450 кГ!см2 и через 28
суток твердения 600 кГ1см2.
С 1965 г. в строительстве применяются предложенные
А. В. Волженским с сотрудниками гипсоцементнопуццолано-
вые вяжущие (ГЦПВ), состоящие из смеси полуводного гип-
138
са, портландцемента и активных минеральных добавок. Эти
вяжущие имеют скорость твердения гипса и устойчивость
портландцемента. Бетоны на ГЦПВ с использованием высо-
копрочного гипса достигают прочности на сжатие через три
часа 160 кГ1см2, а через семь суток 300 кГ/см2. При дальней-
ших исследованиях были предложены гипсошлакоцементные
вяжущие (ГШЦВ), в которых пуццолановые добавки эффек-
тивно заменялись молотыми гранулированными доменными
шлаками. Изделия с применением ГЦГ1В и ГШЦВ отличают-
ся повышенной сульфатостойкостью и удовлетворительной
морозостойкостью, хотя требуют защиты арматуры в бетоне
специальными покрытиями.
Дальнейшее развитие производства быстротвердеющих и
высокопрочных вяжущих, возможно, позволит отказаться от
распространенной в настоящее время громоздкой тепловой
обработки бетона.
Тепловая обработка бетона
При повышении температуры в цементном тесте ускоря-
ются процессы гидролиза и гидратации клинкерных минера-
лов, структурообразования, кристаллизации и перекристалли-
зации новообразований, что находится в качественном соот-
ветствии с правилом Вант-Гоффа.1.
Химизм процессов твердения цемента и состав новообра-.
зований при повышенных температурах в основном те же, что
и при естественном твердении. С повышением температуры
твердения наблюдается только тенденция к некоторому повы-
шению основности гидросиликатов кальция. Однако экзотер-
мические процессы гидратации цементных минералов при
тепловой обработке пройдут менее полно, чем в естествен-
ных условиях, что соответствует принципу Ле-Шателье2.
Затвердевший после тепловой обработки цементный ка-
мень имеет меньшее количество новообразований и в то же
время большую закристаллизованность их, нежели цемент-
ный камень естественного твердения. Цементный камень,
полученный после тепловой обработки, может быть уподоблен
цементному камню, твердевшему длительное время (около
Согласно правилу Вант-Гоффа повышение температуры на 10° уско-
ряет^ течение химических реакций в 2—4 раза.
см ° со°тветствии с принципом Ле-Шцтелье повышение температуры
ещает химическое равновесие в сторону эндотермических, а понижение—
в сторону экзотермических реакций.
139
года) в естественных условиях, при меньшей степени гидра-
тации цемента.
Чем выше температура тепловой обработки, тем резче про-
являются указанные особенности структуры цементного кам-
ня и тем меньше используются потенциальные возможности
цемента. Лишь автоклавная обработка цемента с кремнезе-
мистыми добавками, при которой реакции твердения допол-
няются синтезом гидросиликатов, способна компенсировать
отрицательное влияние огрубления структуры и обеспечить
получение бетонов высокой прочности.
При тепловой обработке, помимо химических процессов
твердения цемента, большое влияние на качество бетона ока-
зывают и физические процессы.
При нагреве свежеуложенного бетона происходят значи-
тельные деструктивные изменения, вызываемые большими
различиями коэффициентов температурного расширения ком-
понентов бетона. Средние коэффициенты объемного темпера-
турного расширения компонентов бетона следующие (в
см3/м3-град): влажный воздух 4000 — 9000, вода 520 —
640, цемент 40 — 60, заполнители около 35. Затвердевший
бетон имеет объемный коэффициент расширения около
36 см31м3-град.
При нагреве воздух и вода, расширяясь, разуплотняют
бетон, еще не обладающий необходимой прочностью, созда-
вая повышенную пористость изделий. Разуплотненный затвер-
девший бетон при охлаждении несколько сжимается, .но оста-
точные деструктивные изменения снижают его общую плот-
ность и прочность. Так, по некоторым данным, свежеуложен-
ный бетон при нагреве до 100° может иметь линейную
температурную деформацию до 5 мм)м, которая при охлаж-
дении восстанавливается всего на 1,2 мм. Остаточная дефор-
мация 3,8 мм/м характеризует дополнительную пористость
бетона, полученную в результате тепловой обработки.
Указанные причины приводят к тому, что бетоны на порт-
ландцементах в результате обычных режимов тепло-
вой обработки при атмосферном давлении набирают око-
ло 70% марочной прочности и затем к 28 суткам многие из
них не добирают 10 —15% марочной прочности1. В силу этих
же причин морозостойкость бетонов, подвергнутых тепловой
1 С. А. Мироновым с сотрудниками доказана возможность превыше-
ния к 28 суткам твердения пропаренных бетонов на портландцементах
их марочной прочности при условии оптимизации составов бетонов и -
условий тепловой обработки.
140
обработке, ниже, чем бетонов нормального твердения. Иск-
лючение составляют бетоны на пуццолановых и шлакопорт-
ландцементах, в которых при температурах около 100° раз-
виваются реакции синтеза гидросиликатов, упрочняющие
бетон, и их прочность к 28-суточному возрасту может быть
даже выше марочной.
Пз обычных портландцементов непригодны для тепловой
обработки белитовые и высокоалюминатные — первые из-за
медленнбго набора прочности, вторые, наоборот, из-за слиш-
ком быстрого насыщения цементного теста непрочными алю-
минатными новообразованиями, затрудняющими развитие
прочных силикатные структур.
Лучшими для тепловой- обработки следует признать вы-
сокоалитовые среднеалюминатные портландцементы.
На большинстве заводов ЖБИ установлена отпускная
прочность изделий 70% марочной, которую изделие должно
набрать непосредственно после тепловой обработки.'Если же
задан отпуск изделий с марочной прочностью, то состав бето-
на надо пересчитать по формуле
Q-^==A-Rtt(-g-±c)
и пойти на полученный в результате пересчета перерасход
цемента. Необходимо отметить, что применять зависимость
Боломея — Скрамтаева к бетону, подвергаемому тепловой
обработке, можно только после точного экспериментального
установления расчетной формулы, так как цементы одной и
той же марки после тепловой обработки покажут различные
прочности в зависимости от их минералогического состава и
введенных гидравлических добавок.
В настоящее время имеются предложения по определению
активности цементов после пропарки и использованию полу-
ченных данных в расчетах. Кардинальным решением вопроса
был бы выпуск специальных цементов для сборного железо-
бетона, обладающих высокими техническими свойствами и
нормированными показателями этих свойств в условиях теп-
ловой обработки.
В соответствии со схемой, приведенной в начале раздела,
рассмотрим различные методы тепловой обработки бетона.
Паропрогрев при атмосферном давлении
Наиболее распространенным видом тепловой обработки
бетона на заводах ЖБИ является прогрев изделий насыщен-
ным паром в камерах пропаривания.
141
Весь цикл тепловой обработки может быть разбит на че-
тыре периода (рис. 50).
Отформованное бетонное изделие некоторое время будет
неизбежно выдержано при обычной температуре (период а).
При этом бетон несколько упрочняется в зависимости от дли-
тельности его выдерживания.
Затем изделие помещают в камеру, пускают пар, и оно на-
1 — диаграмма режима тепловой обработки бетона; 2 — нарастание
прочности бетона и деструктивной пористости при тепловой обработке.
142
чинает прогреваться от наружных слоев к внутренним (пе-
риод б) и насыщается водой за счет конденсации пара при
соприкосновении его с холодными поверхностями в порах
бетона. Реакции твердения цемента ускоряются с повышени-
ем температуры1.
В этот период получают наибольшее развитие деструктив-
ные процессы вследствие различного теплового расширения
компонентов в неокрепшем бетоне. Деструкции усугубляются
неравномерностью нагрева различных слоев бетона, давле-
нием водяных паров, направленным внутрь объема, и образо-
ванием слоя конденсата на верхней, открытой поверхности
изделий. Особенно сильно деструктивные процессы развива-
ются при температурах выше 50° вследствие увеличения ко-
эффициентов объемного расширения воды и воздуха. При
достижении максимальной температуры прогрева во всем
объеме изделия деструктивные явления уже не наблюдаются
и происходит интенсивный рост прочности (период в)2.
После изотермического прогрева происходит охлаждение
изделия. Наружные слои бетона, охлаждаясь, сжимаются,
вода в виде пара выходит из тела изделия наружу, поверх-
ность бетона, высыхая, делается белой (период г). При мед-
ленном равномерном охлаждении этот период не опасен для
затвердевшего бетона. Однако резкая смена температур,
особенно при невысоких марках бетона, может привести к
образованию трещин в изделии.
Качественная картина структурообразования бетона и
деструкций при прогреве отражена в нижней части диаг-
раммы.
1 Согласно исследованиям В. В. Помазкова с сотрудниками при тем-
пературах до 40—50° в ранний период твердения портландцементов при
повышении температуры на каждые 10° скорость процесса их гидратации
увеличивается примерно вдвое. В этот период твердения цемента главную
роль играют кинетические факторы процесса. При повышении температуры
от 40—50 до 80° преобладающее значение в процессе гидратации имеют
уже диффузионные факторы и скорость гидратации цемента при повыше-
нии температуры на каждые 10° возрастает приблизительно на 20%. Это
явление связано с увеличением толщины и плотности слоя новообразова-
ний вокруг цементных частиц. Температурный коэффициент скорости гид-
ратации в рассматриваемых интервалах различается по величине примерно
в 10 раз. Различие в скорости процессов твердения бетона - в указанных
температурных интервалах способствует также его неоднородности.
2 Небольшие деструктивные процессы могут проходить и при изотер-
мическом прогреве, так как вследствие экзотермии цемента температура в
бетоне будет выше температуры камеры, что вызовет явления тепломассо-
иер-еноса из изделия наружу.
143
р 0,48 2,1 Остаточное расширение после пропа- ривания, MMlM
— *—* £ 1^5
ОО £ о S )ЧНОСТЬ пос- пропарива- кГ1см*, при
Сл СО СП 4^. W Э" Ох ГР
сл О сл Дополнитель- ная пористость бетона в ре- зультате про- 1 парипания, %
Влияние режимов пропаривания на свойства бетонов
Как следует из изложенного, важное технологическое
мероприятие при паропрогреве бетона — уменьшение деструк-
тивных явлений при подъеме температуры. Для этого следу-
ет увеличить время предварительного выдерживания отфор-
мованных изделий перед тепловой обработкой и не превышать
установленных скоростей подъема температуры до макси-
мального ее значения.
Часто затрата времени на предварительное выдерживание
и медленный подъем температуры может быть полностью
компенсирована уменьшением времени изотермического вы-
держивания с улучшением качества выпускаемых изделий.
По мнению некоторых исследователей, оптимальное время
предварительного выдерживания изделий должно быть при-
мерно равным началу схватывания бетона.
Скорость подъема температуры не должна превышать
20° в йас для изделий из подвижных смесей в открытых фор-
. мах и для распалубленных изделий из жестких смесей. При
пропаривании в формах бетонов из жестких смесей она мо-
жет быть увеличена до 35° в час, а при применении полностью
закрытых форм, исключающих деструкцию, вообще не регла-
ментируется.
Так как объемное расширение бетона до температур 35—
40° еще незначительно и достигает максимальных значений
-при температурах выше 50°, целесообразно проводить подъем
температуры ступенчатыми режимами. За полчаса — час тем-
пературу повышают до 40—45°, выдерживают изделия при
этой температуре в течение 1,5—2,5 часа для набора предва-
рительной прочности, & затем за полчаса — час поднимают
температуру до максимально принятой. Подъем температуры
может производиться и по ломаной линии. Применение сту-
пенчатых режимов позволяет отказаться от технологически
невыгодного для заводов предварительного выдерживания
бетона.
Влияние некоторых режимов пропаривания на физико-
механические свойства бетона приведено в табл. 23.
Как видно из’ таблицы, для данного состава бетона изме-
нение режима подъема температуры уменьшило остаточное
расширение изделий почти в 5 раз, пористость при пропарке
уменьшилась в 3 раза, срок тепловой обработки уменьшился
на 17—34%, прочность же возросла на 20—29%.
В табл. 24 приведены данные, характеризующие влияние
форм и их укрытия при пропарке бетонных изделий.
Наибольшее развитие процессы твердения бетона получа-
10 Зак. 3203
145
Таблица 24
Влияние укрытия форм на прочность бетона
при пропарке изделий
Виды форм и укрытия изделия
% прочности на сжатие
после пропаривания
Распалубленные на поддоне 100
В форме с открытой поверхностью 182
В форме, покрытой пленкой 192
В форме, покрытой металлическим
листом 220
В форме, покрытой жесткой крышкой ' 235
ют в период изотермического прогрева. Ориентировочные про-
должительности прогрева при пропарке бетонов на портланд-
цементах в зависимости от температуры прогрева и жестко-
сти бетонных смесей приведены на графике (рис. 51), состав-
ленном по данным исследований, проведенных в НИИЖБ.
t°c
2 4 6 8 10 12 14 16 16 21
фямя I часах
Рис. 51. Продолжительность прогрева при пропарке
бетонных изделий, сформованных из:
1 — особожестких смесей; 2 — жестких смесей; 3 — подвижных смесей; пунктирная
часть кривой — только для бетонов на пуццолановых портландцементах и шлак<
портландцементах.
146
Как видно из графика, время прогрева уменьшается при
повышении жесткости смеси, уменьшении В/Ц и повышении
температуры.
Существование указанных зависимостей вызвало мно-
гочисленные попытки облечь их в математическую фор-
му. Были предложены функции «интенсивность» и «зрелость»
тепловой обработки, представляющие произведшие темпера-
туры на время, а также формулы, связывающие температуру
изотермического прогрева с интенсивностью пропаривания,
для получения требуемой прочности. Однако ввиду многооб-
разия факторов, влияющих на время изотермического прогре-
ва, неравномерности нарастания прочности, а также недоуче-
та деструкции в бетоне при достижении температуры изотер-
мического прогрева предложения не нашли практического
применения. Поэтому длительность пропаривания назначается
на основе имеющихся опытных данных, с последующей произ-
водственной их проверкой.
Пропаривание бетонов на алитовых цементах рекоменду-
ется производить при температурах около 80°, так как даль-
нейшее повышение температуры может вызвать недобор
конечной прочности. Пропаривание при температурах, близ-
ких к 100°, целесообразно только для бетонов из жестких сме-
сей на портландцементе и бетонов с применением смешанных
цементов. При использовании прочных, полностью закрытых
форм (контактный прогрев), исключающих деструктивные
процессы в изделии, тепловая обработка при температурах,
близких к 100°, может быть применена и для подвижных бе-
тонных смесей на портландцементах.
Ю. С. Малинин и М. М. Капкин исследовали влияние про-
должительности пропаривания на процесс гидратации цемен-
та. После начала пропаривания в различные сроки определяли
количество химически связанной воды, выделившегося гид-
рата окиси кальция и контракции цементного теста. Резуль-
таты исследования приведены на графике (рис. 52).
Как следует из графика, через шесть-восемь часов пропа-
ривания количество связанной воды, выделяющейся извести
и контракция достигли практически постоянных значений.
Петрографическое исследование цементного камня показало,
что к указанному моменту, т. е. через шесть-восемь часов,
прореагировало 40% зерен цемента. В микрошлифе были
видны зерна цемента, окруженные гелеобразной массой. Пос-
ле 22 часов пропаривания количество прореагировавших зерен
цемента почти не изменилось (42%), но гелеобразная масса
10*
147
оказалась пронизанной кристаллами. На основании этих
исследований сделан вывод, что гидратация^ гидролиз закан-
чиваются в период подъема температуры и первые часы изо-
термического прогрева. В остальное время происходят уплот-
нение । геля и перекристаллизация новообразований.
Рис. 52. Влияние продолжительности пропаривания на процесс гидра-
тации цемента.
Превышение сроков оптимального изотермического про-
грева может снизить прочность пропаренного бетона из-за
дальнейшего развития процессов перекристаллизации новооб-
разований. При перекристаллизации возникают внутренние
напряжения, приводящие к образованию трещин и спаду
прочности. Затем вследствие продолжающейся гидратации
трещины залечиваются и обусловливают новое повышение
прочности. Чередование указанных спадов и возрастаний
прочности в бетонных изделиях, прогреваемых длительное
время, имеет вид, представленный на рис. 53.
Как слишком продолжительный изотермический прогрев,
так и повышение температуры прогрева бетонов на обычных
портландцементах способствуют созданию вокруг зерен це-
148
мента плотных малопроницаемых оболочек, затрудняющих
дальнейшие процессы гидратации, что отрицательно сказыва-
ется на дальнейшем нарастании прочности бетона.
После изотермического прогрева бетона температуру сни-
жают и изделия охлаждают. Как уже было сказано, возни-
кающие при этом температурные перепады приводят к обра-
зованию растягивающих напряжений. Чем массивнее изделие
и чем быстрее оно охлаждается, тем больше величина этих
напряжений. Поэтому скорость снижения температуры в ка-
мере не должна превышать 30—40° в час, а для массивных
изделий желательно 20—30° в час. Выгрузка изделий из ка-
149
меры разрешается только при разнице между температурами
наружного воздуха и изделия не более 40°.
Ориентировочное назначение режима пропаривания бе-
тонных изделий следует производить пользуясь рекоменда-
циями «Инструкции по пропариванию бетонных и железобе-
тонных изделий на заводах и полигонах», разработанной
НИИЖБ.
Весьма эффективным может оказаться сочетание пропар,-
ки с методами ускорения твердения без тепловой обработки.
Применение БТЦ, химических добавок, домол цемента позво-
ляют получить некоторое упрочнение бетона еще до пропари-
вания и уменьшить деструктивные явления при подъеме тем-
пературы, что дает возможность сократить общую продолжи-
тельность тепловой обработки.
При использовании •поверхностноактивных добавок в бе-
тонных смесях необходимо учитывать их замедляющее влия-
ние на процесс твердения в первоначальные сроки. При про-
паривании по обычным режимам в неокрепшем бетоне при
этом могут сильно развиваться деструктивные процессы. Не-
обходимо применять предварительное выдерживание и мед-
ленный подъем температуры либо вводить одновременно с
ПАД добавки — ускорители твердения. г
Паропрогрев при повышенном давлении
в автоклавах
Паропрогрев бетонных изделий в автоклавах при давле-
нии пара 8—12 атм (запарка) позволяет сохранить воду в
бетоне в капельно-жидком состоянии при температуре 160—
180°.
Существенного различия в реакциях твердения минералов
портландцемента и составе новообразований при запарке в
автоклаве и при ТЦропрогреве при атмосферном давлении нет.
Повышенные температуры только значительно ускоряют
твердение бетона, а его прочность при четырех-шести часах
изотермического прогрева может превысить марочную, при
этом цементный камень будет отличаться большей закристал-
лизованностью, а следовательно, и еще меньшей интенсив-
ностью твердения в последующие сроки, чем при пропарке при
атмосферном давлении.
Отличительной особенностью бетонов автоклавного твер-
дения является взаимодействие поверхности зерен заполни-
телей из кислых горных пород с гидролитической известью
150
портландцемента, развивающееся при температурах выше
100°. Это значительно улучшает структуру и технические
свойства бетонов. Однако ввиду сложности технологии запар-
ки и дефицитности оборудования запарка обычных’ цемент-
ных бетонов «распространения не получила.
Еще в 1934 г. было установлено, что добавка молотого
кварцевого песка к портландцементу при автоклавной обра-
ботке бетонов может значительно увеличить их прочность за
счет реакций синтеза гидросиликатов. Поэтому для автоклав-
ной обработки целесообразно применять песчанистые порт-
ландцементы, т. е. цементы, содержащие 30—60% молотого
песка либо других дисперсных силикатных или алюмосили-
катных компонентов. Бетоны автоклавного твердения на та-
ких цементах обладают более высокой прочностью, плот-
ностью, а иногда и большей долговечностью, чем бетоны на
«чистом» портландцементе.
Для" бетонов автоклавного твердения целесообразно при-
менять смешанное вяжущее на основе портландцемента и
и извести с кремнеземистой добавкой. В этом случае рацио-
нально объединяются положител'ьные технические свойства
цементных и силикатных бетонов, что дает значительный эко-
номический эффект.
Физические процессы при запарке бетонов аналогичны
процессам, проходящим при пропаривании, и связаны с раз-
витием термических деструкций, в последующем снижающих
плотность и прочность изделий.
Деформативные изменения в тяжелом бетоне состава
1:2: 3,43 при В/Ц=0,45 при запаривании в автоклаве при-
ведены на рис. 54,/, где на диаграммах показаны линейные
деформации образцов бетона при подъеме температуры и
изотермическом выдерживании. Остаточные деформации пос-
ле спуска давления и охлаждения образцов не замерялись,
так как они не характеризуют дефектность структуры, полу-
ченной в первый период запарки. Подъем температуры среды
до 100° вызывает ^значительные деструктивные процессы в
бетоне, которые наиболее интенсивно протекают в интервале
температур 40—100°.
Согласно рекомендуемым режимам запаривания пар
впускать следует в разгерметизированные автоклавы для
удаления из них воздуха. При достижении температуры сре-
ды в автоклаве 100° проводится его герметизация и поднятие
давления. Этот момент характеризуется некоторым уменьше-
нием деформаций бетона вследствие его обжатия, однако
151
бетона по режиму 2+4+1 при 9 атм с предварительным выдерживанием'
1 — 1 час.; 18 час^
152
абсолютная величина деформации остается достаточцр высо-
кой и сохраняется на протяжении всего периода изотермиче-
ского прогрева. Предварительное выдерживание изделий до
набора ими некоторой критической прочности позволяет зна-
чительно уменьшить температурные деформации бетона и
практически избежать температурных деструкций (рис. 54, 2).
Необходимая критическая прочность бетона перед запа-
риваниегл зависит от принятой скорости подъема температу-
ры; значения ее — от 3 кГ/см2 при скорости 20° в час до 7—
8 к,Г1см% при скорости 80° в час. Критическая прочность долж-
на быть набрана бетоном до достижения им температур
40—50°, что может быть обеспечено предварительным выдер-
живанием изделий, применением химических добавок — уско-
рителей твердения и прогрессивно возрастающих или ступен-
чатых режимов подъема температуры, то есть для уменьше-
ния деструктивных явлений при запарке бетона в автоклавах,
принципиально применимы те же мероприятия, что и при
пропаривании при атмооферном давлении.
Специфическим технологическим мероприятием для умень-
шения деструктивных явлений в бетоне при запарке изделий
в автоклавах является разработанный в НИИЖБ метод
быстрого впуска пара в предварительно загерметизирован-
ный автоклав. При этом за счет парциальных давлений воз-
духа и поступающего насыщенного пара возникает избыточ-
ное давление паровоздушной смеси при температурах менее
100е: так, при температуре 70° среднее давление достигаег
1,5 атм, а при 90° 2 атм.
Чем быстрее производится впуск пара в автоклав, тем
раньше возникает избыточное давление и тем значительней
оно по абсолютной величине. Практически рекомендуется
производить подъем давления до максимального значения за
один-два часа. При этом бетонное изделие оказывается в ус-
ловиях всестороннего обжатия, противодействующего разви-
тию температурных деформаций, что позволяет сократить до
минимума сроки предварительного выдерживания, запаривать
уже распалубленные изделия и сократить продолжитель-
ность общего цикла тепловой обработки.
Электропрогрев
Ускорение твердения бетона нагреванием его электриче-
ским током было внедрено в практику монолитного бетони-
рования в нашей стране еще в 1934 г.
153
Широкое применение этот метод нашел в период Великой
Отечественной войны при строительстве промышленных
объектов на Урале и в Сибири. Электропрогрев бетона исполь-
зуется как основной метод зимнего бетонирования монолит-
ных конструкций, а также для изготовления сборных железо-
бетонных конструкций. >
Свежеуложенный бетон вследствие значительного коли-
чества воды с растворенными щелочами представляет собой
проводник 2-го рода. При электропрогреве через свежесфор-
мованное бетонное изделие пропускают переменный Ток про-
мышленной частоты, который, проходя через тело бетона, вы-
деляет определенное количество тепла, определяемое по за-
кону Джоуля — Ленца:
Q=864I2Rt,
где Q — количество тепла в ккал;
I — сила тока в амперах;
R — сопротивление в омах;
t — время в часах.
Включение бетонного изделия в цепь переменного тока
производят с помощью стержневых, пластинчатых, полосовых
или сеточных электродов. Стержневые электроды из образцов
арматурной проволоки закладывают в тело бетона и оставля-
ют там после затвердения, пластинчатые и сеточные плотно
прижимают к противоположным поверхностям изделия.
В начальный период после приготовления бетонной смеси
ее сопротивление уменьшается вследствие процессов раство-
рения клинкерных веществ, а после схватывания начинает
увеличиваться, что объясняется уменьшением количества во-
ды, расходуемой на реакции с клинкерными минералами, и
«частичным ее испарением.
Поддержание определенной температуры регулируется
изменением напряжения тока, которое обычно в начале нагре-
ва составляет 50—60 вольт и затем увеличивается до 150—
220 вольт. Равномерная плотность тока в изделии, обеспечи-
вающая равномерный прогрев, достигается соответствующим
расположением электродов.
Принципиальной разницы в сущности (физических и хими-
ческих процессов ускорения твердения бетона при электро-
прогреве и других методах тепловой обработки нет. В то же
время в отличие от паропрогрева, при котором в первую оче-
редь нагреваются наружные слои изделия, при электропрогре-
ве одновременно и равномерно нагревается вся масса бетона,
что уменьшает деструкционные процессы. Коэффициент ис-
154
пользования тепла при электропрогреве в 2,5—-2,8 раза боль-
ше, чем при паропрогреве.
Однако при электропрогреве тепловые и влажностные
градиенты направлены из изделия в окружающую среду и
могут вызвать пересушивание бетона. В связи с этим при
прогреве изделий в открытых формах необходимо применять
«мягкие» режимы электропрогрева с пониженной температу-
рой. Открытые поверхности изделий необходимо укрывать
слоем мокрого песка, опилок или пленочными материалами.
Не следует применять электропрогрев в открытых формах для
изделий с модулем поверхности1 более 20, а также для изде-
лий, сильно насыщенных арматурой.
Рекомендуемые скорости подъема температуры и макси-
мальные температуры изотермического ^прогрева для различ-
ных изделий приведены в табл. 25 и 26.'
Таблица 25
Скорость подъема температуры при электропрогреве
Характеристика изделия / Тип электрода Скорость подъема температу- ры, град/ч
Изделия сложной конфигурации Полосовые я стержневые 5-10
Армированные блоки Пластинчатые и 15
прямоугольного сечения полосовые
Неармированные блоки Пластинчатые 30
Таблица 26
Температура изотермического электропрогрева бетона
Вид цемента Температура в °C при модуле поверхности изделия
менее 10 10—15 15-20
Шл акопортл а нд цемент 80 65 ‘ 50
Пуццолановый портланд-цемент 80 60 45
Портландцемент марки 300—400 70 50 40
Портландцемент марки 500—600 60 40 35
1 Модуль поверхности конструкции — отношение ее поверхности к
объему.
155
Пользуясь данными- таблиц, можно предварительно назна-
чать режимы электропрогрева бетонных изделий.
Ввиду того что мягкие режимы электропрогрева стимули-
руют последующий набор прочности бетона в естественных
условиях, распалубочная прочность при электропрогреве
обычно составляет 50% марочной.
Для уменьшения деструктивных явлений при электропро-
греве пригодны все мероприятия, рассмотренные при паро-
прогреве. Исследования последних лет показали, что при ис-
пользовании закрытых форм и бетонных смесей с повышен-
ной‘жесткостью можно успешно применять и жесткие режи-
мы электропрогрева. При подъеме температуры до 100° за
полтора-два часа, кратковременном изотермическом выдер-
живании (во избежание пересушивания) и медленном осты-
вании изделие за шесть-восемь часов набирает 70% марочной
прочности.
Горячее формование
Метод горячего формования разработан в СССР С. А. Ар-
беньевым и др. Бетонную смесь перед укладкой разогревают
до температуры 80—90° в специальных бункерах, оборудо-
ванных электродами, подключенными к сети электрического
тока напряжением 380 вольт; время разогрева восемь-десять
минут. Затем разогретую смесь быстро укладывают, уплот-
няют и выдерживают в теплоизолированных формах или ка-
мерах. Общая длительность твердения бетона меньше, чем
при пропаривании. Уменьшаются до минимума деструктив-
ные процессы в изделии, так как расширившийся воздух и
водяной пар удаляются из смеси при ее укладке. В свежеуло-
женном бетоне отсутствуют деформации расширения; осты-
вая, бетонное изделие сжимается, что повышает его плот-
ность и прочность. Преимущество горячего формования перед
электропрогревом заключается также в меньшем расходе
электроэнергии, возможности его применения при любой си-
стеме армирования бетона, в отсутствии необходимости слож-
ной изоляции форм и арматуры.
Методы укладки горячей бетонной смеси в определенных
условиях эффективны и для производства монолитных кон-
струкций. Технологический недостаток, сдерживающий широ-
кое распространение этого метода,— быстрая потеря удобо-
укладываемости смеси после ее нагрева в период укладки.
Поэтому при горячем формовании необходимо применять низ-
156
коалюминатные портландцементы с добавками ССБ. По дан-
ным В. И, Сорокера, особенно эффективно применение ССБ
с химическими добавками — ускорителями твердения СаС12
и Na2SO4. Дальнейшим развитием метода горячего формо-
вания является разработанная в НИИЖБ новая технология
термообработки бетона. По этой технологии бетонная смесь
укладывается в форму, уплотняется, затем быстро разогре-
вается до 80—95° и немедленно повторно уплотняется.
Другие методы тепловой обработки
В последнее время начинают применять методы электро-
прогрева изделий индукционными токами и инфракрасным
облучением.
Индукционный метод основан на введении железобетон-,
ного изделия внутрь камеры-соленоида. Возникающие в арма-
туре паразитные токи разогревают ее и, следовательно, массу
бетона. По мнению многих специалистов, эффект твердения
бетона усиливается омагничиванием воды, находящейся в
магнитном поле соленоида.
Прогрев инфракрасными лучами применяют для тонко-
стенных изделий. В качестве источников излучения использу-
ют специальные лампы либо нихромовые спирали, намотан-
ные на огнеупорный изолятор-сердечник. Нагреватели снаб-
жены отражателями параболической формы из листовой
стали с блестящей поверхностью. Метод инфракрасного облу-
чения бетона очень прост, экономичен, позволяет легко изме-
нять интенсивность нагрева, однако действие его распростра-
няется на небольшую глубину, примерно до 20 см. При этом
способе тепловлажностной обработки поверхности прогревае-
мых изделий желательно укрывать полиамидными пленками
во избежание высушивания бетона.
X. ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ
При замерзании свежеуложенного бетона содержащаяся
в нем свободная вода превращается в лед; активность воды,
оставшейся в микропорах в жидком состоянии, резко падает;
практически считают,’что твердение прекращается при темпе-
ратуре 0°, хотя очень медленно оно продолжается и до —10°.
Замерзающая вода из-за значительного увеличения объема
развивает силы внутреннего давления, которые разуплотняют
структуру неокрепшего бетона; кроме того, замерзшая вода
157
Сл
00
1
1 3 5 7 10 14 21 28 35
дни
Рис. 55. График нарастания прочности бетона, замороженного в раз-
ное время после укладки и затем снова твердевшего в нормальных усло-
виях:
/ — бетон ие замораживается; 2 — бетон заморожен в возрасте десять сутсме; 3 —
Пять суток; 4 — одни сутки, 5 — сразу после укладки
образует на поверхности заполнителей ледяные пленки, нару-
шающие сцепление между заполнителями и раствором.
Если бетонную смесь заморозить сразу после укладки в
опалубку, то она будет обладать прочностью при отрицатель-
ных температурах только за счет сил смерзания. При наступ-
лении положительных температур гидратация цемента возоб-
новится и бетон будет твердеть, но вследствие разуплотнения
структуры прочность его значительно ниже прочности бетона
того же состава, твердевшего без замораживания. Только бе-
тон, набравший определенную прочность, может противосто-
ять действию «морозных сил» без разрушения структуры и
после оттаивания продолжить набор прочности.
Конечные прочности бетона, подвергнутого заморажива-
нию в различные сроки после укладки смеси и затем снова
твердевшего в нормальных условиях, приведены на рис. 55.
Из кривых набора прочности бетона после заморажива-
ния, построенных на основании большого количества экспе-
риментов, следует: 1) бетон, набравший в результате предва-
рительного твердения прочность около 70% марочной, после
замораживания при последующем оттаивании продолжает
твердеть, набирая нормальную марочную прочность; замора-
живание не вызвало в бетоне деструктивных изменений, а
только из-за замерзания воды приостановило на время его
твердение; 2) при замерзании бетона, предварительно набрав-
шего 50% марочной прочности, деструкции замораживания
еще невелики; бетон при оттаивании и последующем тверде-
нии теряет около 10% прочности; 3) замораживание, бетона
до набора им 50% марочной прочности вызывает значитель-
ные потери конечной прочности после оттаивания и после-
дующего твердения.
Прочность бетона, равная 50% марочной, принята за кри-
тическую, при достижении которой бетон может быть замо-
рожен без ощутимого воздействия замораживания на свой-
ства конструкции (СНиП Ш-В 1-62). Для ответственных кон-
струкций, например пролетных строений мостов, критическая
прочность установлена в 70% марочной. За минимальное, зна-
чение критической прочности для низкомарочных бетонов
принято 50 кГ/см2.
Таким образом, сущность зимнего бетонирования сводит-
ся к обеспечению набора критической прочности бетона до
его замораживания. Для набора необходимой критической
прочности при зимнем бетонировании применяют способы
ускорения твердения бетона, связанные с использованием
159
внутреннего тепла бетона (способ термоса), подачей тепла
извне (бетонирование в'тепляках, паропрогрев, электропро-
грев) и применением химических добавок — ускорителей
твердения, одновременно понижающих температуру замерза-
ния воды в бетоне (холодное бетонирование).
Целесообразность применения того или иного способа или
их комбинации зависит от метеорологических условий, мас-
сивности конструкции, требуемой прочности и наличия энер-
горесурсов.
Использование внутреннего тепла бетона
(способ термоса)
Сущность способа термоса заключается в укладке нагре-
той бетонной смеси в утепленную опалубку. Времени до осты-
вания смеси с учетом экзотермии цемента должно быть до-
статочно для набора бетоном критической прочности.
Обычно бетонную смесь приготовляют на воде, нагретой
до 90°, и подогретых заполнителях, температура смеси на вы-
ходе из смесителя 35—45°. Большие значения температур
нагрева смеси соответствуют менее активным цементам. За
время транспортировки и укладки, в зависимости от темпе-
ратуры^ наружного воздуха, условий перевозки и укладки,
температура бетонней смеси понижается еще на 5—10°.
Расчет режима остывания бетонной смеси может быть про-
изведен по уравнению теплового баланса, предложенному
Б. Г. Скрамтаевым.
Количество тепла в бетонной смеси в результате ее нагре-
ва и экзотермии цемента Qi равно
Qi=Cot6 нН-ЭцЦ,
где Со — объемная теплоемкость бетона в ккал/м5;
to и — начальная температура’бетона после укладки в °C;
Эц — тепловыделение 1 кг цемента за период твердения
бетона в ккал.
Теплопотери Q2 в бетоне при остывании его до 0° составят
Q2 =*Т • К • Мп (to.ср — tn.B ),
где т — время остывания бетона от to.ср до 0° в часах;
tn.B — температура наружного воздуха в °C;
te.cp — средняя температура бетона за время остывания
в °C;
160
Мп — модуль поверхности охлаждения1 в /ри;
К — коэффициент теплоотдачи утепленной опалубки в
ккал]м2 -час* град
о
К=-----^-5-,
- 0.05-2-7^
hz — толщина каждого слоя утепленной опалубки в м;
Хг — коэффициент теплопроводности материала соответст-
вующего слоя опалубки в ккал) м*час-град;
0 — коэффициент, учитывающий влияние ветра, равный 1,3
при скорости ветра до 6 м!сек и 1,5 при большей скорости.
Для определения т можно пользоваться табл. 27.
Таблица 27
Время в часах, необходимое для набора бетоном
на портландцементе 50% марочной прочности
Температура бетона в °C (te.cp) Время в часах для на- бора 50% марочной прочности (<:) Значения пара- метра А* (а=^-) "X /
5 175 0,55
10 125 0,77
15 95 1,0
20 79 1,21
25 67 а 1,43
30 55 1 1,75
35 46 2,09
40 39 2,48
45 34 2,86
50 29 3,34
55 25 3,77
60 23 4,24
* Параметр А применяется для приведения времени твердения бетона
при различных температурах ко времени твердения при 15°.
Очевидно, что Qi=Q2- Из этого равенства можно опре-
делить необходимую температуру бетонной смеси и сконструи-
ровать утепленную опалубку, обеспечивающую твердение
бетона при соответствующей отрицательной температуре на-
ружного воздуха.
1 Модулем поверхности охлаждения конструкции называется отноше-
ние ее охлаждающейся поверхности к объему.
п Зак. 3203
161
Способ термоса целесообразно применять при бетониро-
вании массивных конструкций. Для большей эффективности
•способа желательно использовать высокопрочные и быстро-
твердеющие цементы, химические добавки и другие техноло-
гические мероприятия по ускорению твердения бетона.
Весьма перспективен электроразогрев бетонной смеси на
стройплощадке до более высоких температур (70—90°), по-
зволяющих проводить ее укладку в опалубку аналогично
методу горячего формования железобетонных изделий.
Способы бетонирования
с подачей тепла извне
К способам бетонирования с подачей тепла бетону извне
относятся воздухопрогрев в тепляках, паропрогрев и электро-
прогрев, обеспечивающие твердение бетона до набора им кри-
тической прочности.
Устройство тепляков, ограждающих бетонируемую кон-
струкцию,— самый старый и неэкономичный способ зимнего
бетонирования, но в то же время и самый надежный. Тепляки
делают из фанеры или брезента; для экономии тепла и мате-
риалов нужно, чтобы размеры тепляка были минимальными.
Воздух в тепляке нагревается переносными печами, калори-
ферами или при помощи временного парового отопления.
Паропрогрев бетона производится паровыми рубашками,
охватывающими конструкцию с опалубкой. Обычно паровые
рубашки делают из утепленных деревянных щитов, прикреп-
ляемых к опалубке. Щиты плотно подгоняют один к другому,
а швы между ними закрывают нащельниками либо промазы-
вают глиной. В нижнюю часть паровой рубашки впускают
насыщенный пар низкого давления. Температурный режим
бетона в конструкции примерно должен соответствовать па-
раметрам, принимаемым для пропаривания бетона при уско-
ренном твердении его в пропарочных камерах.
Паропрогрев вертикально расположенных элементов ра-
ционально производить в капиллярной опалубке, которая по-
зволяет экономить лесоматериалы и теплоизоляцию. В капил-
лярной опалубке пар проходит по узким треугольным или
прямоугольным каналам, создаваемым в щитах опалубки со
стороны, обращенной к бетону, стесыванием кромок досок
опалубки или выборкой у них четвертей и закрытием пазов
полосками кровельной стали.
Иногда балки и колонны прогревают паром, пропускае-
162
мым по трубам диаметром 13—38 мм, укладываемым перед
бетонированием в опалубку вдоль оси конструкции; после
затвердевания бетона трубы остаются в конструкции.
В настоящее время паропрогрев бетона применяется редко
и почти повсеместно заменен электропрогревом.
Электропрогрев конструкций при зимнем бетонировании
принципиально не отличается от электропрогрева, применяе-
мого для ускорения твердения бетона. Электроды используют
стержневые, струнные, нашивные и плавающие. Расположение
электродов должно обеспечивать равномерность электриче-
ского, а следовательно, и температурного поля в бетоне.
Время выдерживания бетона при электропрогреве может
быть разделено на три периода: 1) период разогрева со време-
нем Ti с плавным повышением температуры бетона от началь-
ной to н до изотермической расчетной; скорость подъема тем-
пературы в конструкциях с модулем поверхности менее 6 не
должна превышать 8° в час, а с модулем поверхности более 6
10” вчас; 2) период изотермического выдерживания продол-
жительностью Т2 с температурой tp; эта температура для бе-
тонов на портландцементе не должна превышать 50—70°?
3) период термосного остывания продолжительностью тз с по-
степенным снижением температуры 1р*до конечной 1б.к, при
которой начинается замерзание бетона. Скорость остывания
бетона по окончании прогрева не должна превышать 12° в
час для конструкций с модулем поверхности больше 10 и 5*
в час для конструкций с модулем поверхности от 6 до 10.
Расчет температурных режимов при электропрогреве вы-
полняют следующим образом.
Зная начальную температуру бетона 1б.н, назначают тем-
пературу изотермического прогрева бетона tp, скорость разо-
грева At и определяют длительность разогрева бетона в часах
tp-t6.H
tl = “At ’
а также среднюю температуру бетона за время разогрева
у tp-f-to.H
I б.сР=—2----
Далее определяют время термосного выдерживания при осты-
вании бетона (не учитывая экзоте'рмию цемента)
600 tp
Хз“ K Mn(t"6.cp—tH.B)’
где tH,B — температура наружного воздуха в °C; ,
11*
163
К — коэффициент теплоотдачи опалубки, определяемый по
приведенной ранее формуле;
tz/6.cp — средняя температура термосного выдерживания
бетона
_tp+t6.K.
I б.ср— 2
По табл. 27 устанавливают время выдерживания бетона
до приобретения им 50% марочной прочности при 15° и опре-
деляют значения параметров эквивалентных сроков выдер-
живания бетона А, приводя сроки выдерживания во всех пе-
риодах к температуре 15°: Ai — параметр, соответствующий
температуре t'e.cp, А2—температуре tp, Аз—температуре 1"б.ср.
Общая длительность эквивалентного выдерживания бето-
на (при 1=15°)
^Ал+Аг^+Аз^з [час].
Длительность изотермического прогрева
т—AiTi—AqTq г 1
Т9—----и---UL Г час ] .
а2 1 J
Если прогрев осуществляется без учета термосного осты-
вания, то *
lvaci-
Потребный расход электроэнергии для прогрева одного
куоометра .бетона (без учета экзотермии цемента) может
быть рассчитан по формуле
W = Pt[квт-ч]
где Pi — мощность для разогрева 1 м3 бетона до температуры
tp в квт/м3
Pj = 116 • 10-5 [ C0At+КМП tH.B
Р2->• мощность, необходимая для поддержания температу-
ры бетона на постоянном, уровне в квт/м3,
P2=116-10-5-KMn(tp-tHB).
Холодное бетонирование
Как было сказано, твердения бетона на морозе можно до-
стигнуть введением в бетонную смесь химических добавок,
164
понижающих температуру замерзания воды и ускоряющих
процессы твердения цемента при низких температурах.
Наиболее широко в нашей стране для холодного бетони-
рования применяют добавки хлористого кальция и хлористого
натрия, углекислого калия (поташа) и азотистокислого нат-
рия (нитрита натрия).
Наибольший опыт зимнего бетонирования накоплен при
использовании совместной добавки хлористого кальция и хло-
ристого натрия. Влияние хлористого кальция на ускорение
твердения бетона было рассмотрено выше и связано с уско-
рением гидролиза C3S и образованием новых комплексных
нерастворимых соединений в цементном тесте-камне. Хлорис-
тый натрий препятствует быстрому загустеванию смеси,
пластифицирует ее, обеспечивает совместно с хлористым каль-
цием присутствие жидкой фазы в бетоне. Кроме того, хлорис-
тый натрий мешает образованию хлоралюминатов высоко-
хлоридной .формы, вредных на поздних стадиях твердения
цементного камня.
Для бетонов с противоморозными добавками хлористых
солей должны применяться портландцементы с содержанием
алита более 45%, а трехкальциевого алюмината менее 10%,
желательно также уменьшенное содержание в цементе четы-
рехкальциевого алюмоферрита и гипса.
Основным недостатком хлористых солей является их кор-
родирующее действие на арматуру в бетоне, поэтому в на-
стоящее время для холодного бетонирования железобетонных
конструкций чаще применяют добавки поташа и нитрита
натрия.
Исследования по применению поташа для твердения
строительных растворов и бетонов на морозе начаты в
1953 г. И. А. Токмаковой и др. и продолжаются в настоя-
щее время.
Ускоряющее действие поташа на твердение бетона связано
с диспергирующим действием иона СОз на зерна цемента,
отрицательной гидратацией иона калия, который понижает
вязкость воды и усиливает ее взаимодействие с цементом,
углублением гидролиза C3S вследствие связывания Са(ОН)2
в нерастворимое соединение СаСО3. При использовании'по-
таша как противоморозной добавки наиболее эффективны
среднеалюминатные портландцементы с отношением
SiO2:Al2O3 от 2 до 6.
Большим производственным недостатком поташа являет-
ся быстрое схватывание бетонных смесей, в связи с чем такие
165
смеси следует приготовлять не на централизованных бетонных
узлах, а у места бетонирования.
П. Э. Риккертом предложена противоморозная добавка
нитрита натрия. Ее действие также связано с интенсифика-
цией гидролиза C3S и образованием комплексных соедине-
ний — гидронитроалюминатов кальция. Нитрит натрия —
относительно более слабая противоморозная добавка, неже-
ли хлориды и поташ.
Количество химических добавок, вводимых в бетонные
смеси, зависит от температуры воздуха (табл. 28).
Таблица 28
Количество химических добавок, вводимых в бетонные смеси
при различных температурах воздуха
Температура возду- Количество добавок, % от веса цемента
хлористый кальций+ хлористый натрий поташ нитрит на- трия
* ха, °C
до --5 5 5
от —6 до —10 1,5+3,5 8 10
от —11 до —15 4,5+3,0 10 —
от —16 до —25 — 15 —
Противоморозные добавки обеспечивают гидратацию це-
мента и твердение бетона, но при отрицательных температу-
рах процессы идут медленно и бетон набирает критическую
прочность примерно через месяц твердения на морозе
(табл. 29).
Таблица 29
Усредненные значения относительной прочности бетонов
с химическими добавками в различные сроки твердения на морозе
Время твердения, сутки * . Относительная прочность бетона, %, с добавкой
хлористых солей поташа нитрита натрия
7 20—25 10—30 10—25
28 40—50 50—70 40—50
90 80-90 80-100 70-80
180 100 — 100
166
Свойства холодного бетона ниже, чем бетона, твердеюще-
го в нормальных условиях. При равной прочности холодные
бетоны обладают повышенной усадкой, имеют пониженные
показатели морозостойкости и водонепроницаемости. Поэтому
приводимые в табл. 28 количества химических до-
бавок являются предельными. При производстве работ необ-
ходимо стремиться к уменьшению количества вводимых в
смесь добавок, что возможно при использовании метода «хо-
лодного термоса». Бетонную смесь с химическими добавками
укладывают при температуре ее приготовления с утеплением
опалубки, обеспечивающей твердение смеси до критической
прочности при температурах выше температуры окружающе-
го воздуха. Такой режим выдерживания рассчитывают по
формуле
600 . t6.n-tH.B
К • Мп t доп 1н в *
где т — время остывания 'бетона до значения 1доп в часах;
tnon — допускаемая температура охлаждения бетона в °C. .
Применяя метод «холодного термоса», можно производите
бетонирование конструкций при температурах воздуха более,
низких, чем указанные в табл. 28 предельные значения, соб-
людая норму введения противоморозных добавок.
Правилами СНиП критическая прочность для бетонов с
добавками хлористых солей установлена в 25% марочной, но
не менее 50 кГ/см2. Для бетонов с добавками поташа и нит-
рита натрия критическая прочность такая же, как и для бе-
тонов без добавок.
Способы холодного бетонирования используют для моно-
литного бетонирования неответственных конструкций или
при изготовлении сборных железобетонных изделий зимой
на открытых полигонах. 'а-
Запрещается применение бетона с противоморозными до-
бавками в предварительно напряженных конструкциях, в
конструкциях, соприкасающихся с агрессивными водами, и
при возведении монолитных железобетонных дымовых труб.
Бетон с добавкой хлористых солей нельзя применять:
1) в конструкциях, имеющих выпуски арматуры или сталь-
ные закладные детали; в конструкциях с защищенной арма-
турой добавка хлоридов должна быть не более 2% веса це-
мента; 2) в конструкциях, на поверхности которых не допус-
каются высолы; 3) в конструкциях, не допускающих повы-
шенной их гигроскопичности.
Бетон с поташом запрещается использовать: 1) в конструк-
167
циях, работающих в условиях повышенной влажности, если
срок службы конструкций выше десяти лет; 2) в конструк-
циях, имеющих закладные части из алюминия или его
сплавов; 3) при наличии в бетоне реакционноспособного
кремнезема в заполнителях (это требование распространяет-
ся и на бетон с добавкой нитрита натрия).
XI. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БЕТОНА
Долговечностью или стойкостью бетона называется его
способность не снижать набранную прочность в течение дли-
тельного периода эксплуатации конструкций, находящихся
под воздействием внешней среды.
Нахождение бетона в постоянных нормальных воздушно-
влажностных условиях способствует постепенному нараста-
нию его прочности, однако резкие колебания температуры,
частые увлажнения и -высушивания, воздействие химически
активных воздушных и водных сред могут явиться фактора-
ми, разрушающими бетон.
Наиболее часты случаи разрушения бетонных конструк-
ций при замораживании и оттаивании в увлажненном или
насыщенном водой состоянии. Способность бетона противо-
Рис. 56. Разрушение причального сооружения от действия морокой
воды и мороза.
168
Г Коррозия выщелачивания извести ; бетоь
Рис. 58. Разрушение бетонного образца при сульфатной коррозии.
169
стоять таким воздействиям характеризуется его морозо-
стойкостью.
Способность бетона противостоять проникновению через
его толщу воды, находящейся под гидростатическим давлени-
ем, называется водонепроницаемостью бетона.
Устойчивость бетона при действии высоких температур
характеризует его жаростойкость.
Некоторые авторы морозостойкость, жаростойкость, стой-
кость к попеременному увлажнению и высушиванию опреде-
ляют как стойкость бетона к физической коррозии. Способ-
ность 'бетона противостоять действию сред, вызывающих его
химическую коррозию, определяется ^химической коррозион-
ной стойкостью бетона. Чаще всего разрушаются бетонные
конструкции, находящиеся под действием проточных вод,
кислых вод, вод, имеющих сульфатное засоление, и из-за
щелочности цементного камня, при заполнителях, содержа-
щих активный кремнезем.
Виды разрушений бетона под действием различных фак-
торов приведены на рис. 56—59.
Морозостойкость бетона
Разрушение материалов при их замораживании — процесс
сложный и многогранный. е
170,
Согласно современным воззрениям разрушение бегона
при замораживании может происходить вследствие: а) гид-
равлического давления в порах и капиллярах, возникающего
как результат отжатия воды льдом; б) различия в коэффици-
ентах температурного расширения льда и составляющих бе-
тон материалов; в) осмотического давления гелевой воды при
замерзании воды в порах и повышении концентрации солей
в поровом растворе.
В зависимости от состава, структуры бетона и условий за-
мерзания может преобладать влияние того или другого
фактора, однако первопричиной разрушения бетона являет-
ся льдообразование. При применении плотных прочных и
морбзостойких заполнителей морозостойкость бетона опреде-
ляется характером пор в цементном камне.
Поскольку вода в гелевых порах практически не замер-
зает, они неопасны для замерзающего бетона. Контракцион-
ные поры при обычных температурно-влажностных условиях
твердения бетона представляют собой замкнутые пространст-
ва, заполненные воздухом. При замерзании бетона контрак-
ционные поры играют роль запасных резервуаров, в которые
может отжиматься часть воды из капиллярных пор, что умень-
шает давление на стенки капилляров и способствует повы-
шению морозостойкостичбетонов1.
Опасны открытые межпоровые капилляры, седиментаци-
онные полости и .пустоты, возникающие вследствие недоуп-
лотнения бетонной смеси. Вопрос о влиянии на морозостой-
кость крупных пор, образованных защемленным воздухом при
уплотнении бетона, еще неясен, но их присутствие нежела-
тельно, так как они располагаются случайно и увеличивают
неоднородность структуры бетона.
Для морозостойких бетонов рекомендуется применять
алитовые низкоалюминатные цементы с содержанием мине-
ралов силикатов около 80% и трехкальциевого алюмината
не более 6%.
При проектировании морозостойких бетонов необходимо
получать наиболее плотный скелет заполнителей, уменьшаю-
щий возможность расслоений и седиментационных явлений в
микрообъемах и способствующий уменьшению количества
цементного теста-камня в бетоне.
1 Как указывает С. В. Шестоперов, контракционная пористость может
быть вредна в тех случаях, когда под влиянием вакуума коАракционные
поры заполняются не воздухом, а водой: при подводном бетонировании и
применении бетонов, обладающих высоким водосодержанием.
171
Хотя силикатный гель морозостоек, он не защищает от
разрушения неморозостойкие плотные заполнители, мине-
ральные добавки и неморозостойкие алюминатные минералы
цемента, что необходимо учитывать при оценке морозостой-
кости бетона.
При хорошем уплотнении можно избежать технологиче-
ских дефектов в Структуре бетона; объем защемленного воз-
духа при этом не превысит 1—2% объема бетона. Количество
седиментационных пор можно уменьшить, подобрав плотный
скелет, вводя добавки ПАВ и применяя бетоны с малым во-
доцементным отношением. При этом основным дефекто1м
структуры бетона, влияющим на снижение его морозостой-
кости, будет капиллярная пористость, уменьшить которую
можно за счет более полной гидратации цемента и заполне-
ния капилляров цементным гелем. Капиллярная пористость
Пк бетона в процентах может быть вычислена по формуле
Г. J4. Горчакова
В—0,5а Ц п Ц/В Л с \
пк=—io— или Пк=-]о(-ц7—0,5а) .
Как видно из формулы, капиллярная пористость бетона
будет снижаться при уменьшении количества воды затворе-
ния, увеличении количества цемента и степени гидратации
цемента. Получение бетона без капиллярных пор возможно
при значении В/Ц=0,5. Величины В/Ц и а, обеспечивающие
получение бетона без капиллярных пор, представлены на
графике (рис. 60). Следовательно, даже при полной гидрата-
ции цемента (а=1) значение водоцементного отношения не
должно быть более 0,5.
Из зависимости
-_В—0,5аЦ
пк— 10
может быть установлено, что для уменьшения капиллярной
пористости бетона на 1% необходимо уменьшение количест-
ва воды на 10 л/м.3 либо увеличение количества цемента на
20—35 кг/м3.
Повышение расхода цемента ведет к удорожанию бетона
и ухудшению его свойств, в частности, вследствие возраста-
ния усадочных явлений. Таким образом, для повышения мо-
розостойкости бетона необходимо снижать количество воды
до 150—160 л/м3, что возможно при применении пластифици-
рующих добавок и интенсивном уплотнении смеси.
Степень гидратации цемента может быть повышена прове-
172
Рис. 60. Теоретические зависимости между величинами В/Ц и а для
получения бетона без капиллярных пор.
дениехМ различных мероприятий по его активации, рассмот-
ренных в главе V. Она зависит также от времени твердения
бетона (см. стр. 176).
При надлежащем уходе за бетоном, обеспечивающем" нор-
мальное протекание процессов твердения, морозостойкость
бетона повышается со временем.
Зависимость морозостойкости бетона от его пористости по
/экспериментальным данным Г. И. Горчакова представлена в
табл.30.
Как видно из таблицы, хорошая морозостойкость бетона
(Мрз = 240) достигается при значениях капиллярной порис-
тости менее 6%. По данным других исследований, уменьше-
ние -капиллярной пористости бетона до 8% сопровождается
относительно небольшим повышением морозостойкости, даль-
нейшее уменьшение капиллярной пористости приводит к зна-
чительному повышению морозостойкости. Наибольшая моро-
зостойкость наблюдалась у бетонов с капиллярной порис-
тостью от 0 до 3 % •
173
Таблица 30
Зависимость морозостойкости бетона от пористости
(после 90 суток твердения а=0,72)
Водоце- ментное отноше- ние Пористость бетона, % Состояние образцов после 24р циклов замо- раживания и оттаивания
капил- лярная контрак- ционная гелевая общая
0,49 3,7 Данных нет Сохранились без изме- нения
0,53 4,8 Данных нет «
0,49 5,0 2,5 5,6 13,1
0,53 5,1 2,3 5,2 13,6 «
0,56 6,8 - 2,2 4,9 13,9 Мелкие дефекты поверх- ности углов
0,60 7,6 2,1 4,6 14,3 . * «
0,63 8,1 2,0 4,3 14,4
0,67 8,8 1,9 4,1 14,8 Разрушились после 240 циклов
0,70 9,2 1,8 3,9 14,9 «
0,74 9,7 1,7 3,7 _ 15,1 Разрушились после 174 циклов
0,77 10,2 1,6 3,5 15,3 Разрушились после 60 циклов
Зависимость морозостойкости от капиллярной пористости
бетона может быть приближенно выражена эмпирической
формулой
Мрз= (12—Пк)3,
где Мрз — число циклов замораживания;
пк — капиллярная пористость в %.
Важнейшим технологическим мероприятием для повыше-
ния морозостойкости бетона уже с определенными характе-
ристиками пористости является введение воздухововлекающих
добавок СНВ, ЦНИПС-1, ГКЖ и др. в количестве 0,05—0,2%
от веса цемента.
Добавки вовлекают в бетонную смесь микропузырьки
воздуха размером 0,025—0,25 мм, которые создают в бетоне
равномерно распределенные закрытые поры. Эти поры пре-
рывают капилляры, ограничивая последующее их насыщение
водой. Часть капиллярных пор может закрываться вследствие
испарения воды непосредственно в пузырьке воздуха, часть
воздушных пор, .располагаясь вблизи капилляров, служит бу-
174
ферными емкостями для воды, фильтрующейся под- давлени-
ем через стенки капилляров.
По данным отечественных и зарубежных исследований,
введение воздухововлекающих добавок может повысить мо-
розостойкость бетона на 300—700%.
Обычно для повышения морозостойкости бетона вовлека-
ют с помощью добавок 3—8% .воздуха. '
Воздухововлечение снижает прочность бетона, но при ма-
лом количестве вовлеченного воздуха (до 5%) прочность
может даже повышаться за счет пластифицирующего дейст-
вия добавок на бетонную смесь. Объем вовлеченного воздуха
и структура воздушных пор зависят от количества добавки,
характеристик заполнителей и состава бетонной смеси. Под-
бор количества воздухововлекающей добавки в каждом от-
дельном случае производят опытным путем.
Все приведенные рекомендации приемлемы и для повы-
шения морозостойкости пропаренного бетона. Однако полу-
чить достаточно морозостойкий бетон после пропарки можно
только предельно уменьшив влиянж термических деструк-
ций, т. е. применяя предварительное выдерживание изделий
и медленный подъем температуры. При пропаривании коли-
чество видов цемента для получения морозостойких изделий
может быть увеличено за ‘счет использования шл а коп орт л ан д-
цементов.
Подбор состава морозостойкого бетона может быть про-
изведен с учетом характеристик его пористости в такой по-
следовательности:
1. Определяют предельную величину капиллярной порис-
тости пк для заданной морозостойкости по табл. 31.
Таблица 31
Характеристика пористости для бетонов разной степени морозостойкости
Марка бетона Условия твердения Капиллярная пористость бетона к на- чалу замораживания, %, не более
на быстротверде- ющем портланд- цементе с СзА до 8,5% на портландцемен- те с СзА до 6% и активной добавкой до 8%
Мрз100 Мрз200 МрзЗОО Нормальные Пропаривание Нормальные Пропаривание 4 Нормальные Пропаривание 5 3 3 2 2 1 7 5 6 4 5 2
175
2. Определяют оптимальный расход цемента, • обеспечи-
вающий получение требуемой капиллярной пористости, по
Формуле
„ 2(В—10пк)
а
Количество воды для получения бетонной смеси требуемой
удобоукладываемости ориентировочно определяют по графи-
кам и таблицам, приведенным в вЛаве III.
Значение степени гидратации а для портландцементов
можно принимать следующим:
сроки твердения бетона в сутках 28 90 180
степень гидратации портландцемента а 0,58 0,66 0,68
Расход цемента, определенный из условия морозостойкос-
ти, должен быть не меньше, чем требуется для получения
заданной прочности бетона, которую вычисляют по формуле
Ra=AR„(-^-±0,5).
3. Определяют расход заполнителей по формулам метода
абсолютных объемов.
4. Экспериментально уточняют состав бетона. Для этого
делают опытный замес и определяют удобоукладываемость
смеси. Необходимо принять все меры для уменьшения водо-
содержания за счет оптимального соотношения фракций
заполнителей, введения пластификаторов *и т. д.
Если удобоукладываемость недостаточна и ее нельзя По-
высить, не увеличивая количества воды, то увеличивают
количество воды, памятуя, что для соблюдения требуемой
морозостойкости на каждые лишние 10 л воды нужно увели-
чивать количество цемента на 20/а кг.
Пример. Подобрать состав бетона нормального твердения марки
М»рз 200, Rs—ЗОО. Жесткость бетонной смеси 30 сек. Портландцемент
М-300 алитовый, С3А меньше 6%. Заполнители удовлетворяют требованиям
ГОСТ, песок средней крупности, щебень НК 20 мм,7п=Тщ=2,5,7о.п=7о.щ—
= 1,5.
1. Находим по таблице 31 допустимую пористость Пк=6%.
2 По графику (рис. 5). В = 170 л. По таблице а=0,58.
Расход цемента
п_2(170-10 6)
Ц------6758---=380
Определяем Ц из условия прочности бетона
300=0,6-300(^-0,5). -Д—2,16; Ц=370 кг.
176
3. Определяем Щ и П по методу абсолютных объемов
Щ=------гг—i = 1290 кг.
П=[ 1000- (170+^4-^)]-2,5=490 кг.
4. Приготовляем опытный замес 10 л «и определяем жесткость; допус-
тим, сна оказалась равной 50 сек.
Вводим в смесь добавку ССБ в количестве 0,1% веса цемента. Полу-
чили Ж=30 сек.
Проверяем возможность снижения водосодержания бетонной смеси;
вводим 0,15% ССБ, получаем ту же жесткость—30 сек. Принимаем перво-
начально взятое количество добавки ССБ.
Изготовляем девять образцов ЮХЮХ10 см для проверки прочности
и морозостойкости после 28 суток твердения.
В заключение раздела необходимо указать на крайнюю
условность определения морозостойкости бетона при испыта-
нии по ГОСТ 10060-62. Морозостойкость бетонных конструк-
ций назначается по результатам испытания водонасыщенных
образцов бетона на попеременное замораживание при t or
—17 до —20° и оттаивание, что не может моделировать
действительного воздействия мороза на конструкцию.
Число лабораторных циклов замораживания и оттаива-
ния грубо ориентировочно связано с числом натурных циклов
в том или ином районе. В коэффициент запаса берется пол-
ное насыщение водой лабораторных образцов, чего многие
сооружения могут не испытывать. В испытаниях совершенно
не учитывают: I) действующие в данном районе минимальные
температуры, которые при соответствующих их значениях
могут вызвать замерзание воды в мельчайших капиллярах и
быстрое разрушение бетона; 2) скорость изменения темпера-
тур и их колебания без перехода через ноль, что также может
вызвать разрушение из-за различия коэффициентов темпера-
турного расширения материалов замерзшего бетона; 3) под-
верженность конструкций различным силовым воздействиям,
которые вызывают напряженное состояние в бетоне до замо-
раживания.
Если ранее, когда основные объемы строительства выпол-
нялись в умеренных климатических условиях, можно было
ориентировочно судить о морозостойкости по числу циклов
замораживания и оттаивания согласно методике ГОСТ
10060-62, то сейчас в связи с интенсивным развертыванием
строительства в северных районах вопрос испытания морозо-
стойкости бетона требует пересмотра.
12 Зак. 3203 177
Водонепроницаемость бетона
Некоторые конструкции по условиям работы должны быть
водонепроницаемыми, в других водонепроницаемость препят-
ствует коррозионным процессам, развивающимся при филь-
трации воды через толщу бетона.
За показатель водонепроницаемости принимают величину
давления воды в атмосферах, при которой образец стандарт-
ных размеров (цилиндр диаметром и высотой 15 см) из бето-
на исследуемого состава в условиях проведения опыта соглас-
но ГОСТ 4800-59 еще видимым образом не пропускает воду.
Водонепроницаемость бетона зависит от количества откры-
тых макропор, вызванных испарением избыточной воды из
межзерновых пространств цементного камня, седиментацион-
ных полостей, технологических и усадочных трещин в местах
контакта цементного камня с заполнителем. Поры геля из-за
их малого размера практически водонепроницаемы. Мелкие
закрытые поры до определенного их количества в бетоне (3—
12%) не оказывают существенного влияния на водонепрони-
цаемость бетона. Таким образом водонепроницаемость зави-
сит от тех же факторов, что и морозостойкость1.
Снижение В/Ц в бетонной смеси, обеспечение более пол-
ной гидратации цемента, применение фракционированных
заполнителей и соответствующих эффективных уплотняющих
средств позволяет получить бетоны высокой водонепроницае-
мости.
Увеличить водонепроницаемость бетона можно применяя
заполнитель предельной наибольшей крупности, так как при
этом уменьшается объем растворной части в бетоне и снижа-
ется водопотребность бетонной смеси. Пески желательны реч-
ные окатанные. Не следует опасаться повышенного, до 30--
40%, содержания в песке фракции 0,15—0,3, которая, наобо-
рот, полезна, так как служит уплотняющей добавкой в скелете
заполнителей. По данным некоторых исследований, водоне-
проницаемый бетон должен содержать больше песка в смеси
заполнителей, нежели обычные бетоны, подбираемые по
принципу наибольшей прочности. В свя^и с этим при подборе
составов бетона значения коэффициентов раздвижки зерен
имеют повышенные значения (а=’1,4—2,0).
О том, что целесообразнее применять для повышения во-
1 По определению С. В. Шестоперова, всякий морозостойкий бетон
будет и водонепроницаемым, но водонепроницаемый бетон может быть
неморозостоек.
178
донепроницаемости—гравий или щебень, нет еще единого
мнения, так как щебень обеспечивает повышение прочности
контактной зоны с цементным камнем, а гравий позволяет
получать хорошоуплотняемые смеси при меньших расходах
воды и более низких значениях В/Ц. Бетоны высокой водоне-
проницаемости получают при применении карбонатного щеб-
ня вследствие отсоса седиментационной воды его микропора-
ми и хемосорбционных явлений на границе щебня с цемент-
ным камнем.
Применение гидрофильных пластифицирующих добавок
увеличивает подвижность бетонных смесей и, следовательно,
снижает их водопотребность, что повышает водонепроницае-
мость бетона.
По данным ряда исследователей, введение в смесь гидро-
фобных и воздухововлекающих добавок весьма эффективно
при малых напорах. Гидрофобизация капилляров при высо-
конапорном движении воды почти не препятствует ее про-
хождению через толщу бетона; положительно влияет на
водонепроницаемость только пластифицирующее действие
этих добавок. Недостаточно эффективны для увеличения во-
донепроницаемости бетонов и добавки кремнийорганических
жидкостей.
Специфичным технологическим мероприятием для повы-
шения водонепроницаемости бетонов является применение
различных уплотняющих добавок — микронаполнителей и
химических веществ.
В качестве микронаполнителей могут применяться камен-
ная мука, молотые шлаки, золы, пылевидные отходы промыш-
ленности, обычный мелкозернистый песок, а также активные
минеральные добавки и известь. [Введение таких добавок
создает в межзерновых полостях бетона как бы микроскелеты,
препятствующие возникновению седиментационных и усадоч-
ных явлений, развитию фильтрующих пор и каналов. Однако
нельзя забывать, что многие микронаполнители снижают мо-
розостойкость бетона.
Применение добавок особенно эффективно для бетонов с
пониженным содержанием цемента; при расходах цемента
в бетоне свыше 500 кг/м3 вводить эти добавки уже нецелесо-
образно. Ориентировочное количество микронаполнителя с
учетом количества цемента в водонепроницаемом бетоне
можно .назначить по данным табл. 32.
Для повышения водонепроницаемости бетонов нашли ши-
рокое применение химические уплотняющие добавки FeCl3,
12*
179
А1С1з, AI2O3, NaaO, вводимые в количествах 1—2% от веса
цемента. Действие их основано на реакции с Са (ОН) 2 и выде-
лении нерастворимых новообразований, закупоривающих
поры в бетоне.
Таблица 32
Расход микронаполнителя в бетоны с различным
крупным заполнителем
Заполнитель Суммарное содержание цемента и добавки мик-- ронаполнителя, кг[м3
вид наибольшая круп- ность, мм
Гравий 40 450—500
20 500—550
10 600—650
Щебень 40 500-600
20 600-700
10 700—800
d последние годы по предложению Г. П. Бовина в качест-
ве уплотняющей добавки успешно используют азотнокислый
кальций Са(МОз)г, который в отличие от хлорного железа
не вызывает коррозии арматуры и имеет меньшую стоимость.
Эффективность применения различных химических уплот-
няющих добавок по данным Г. П. Бовина приведена в табл. 33.
Г. П. Бовин испытывал образцы раствора состава 1:2,8
при В/Ц=0,48 без добавок и с введением различных хими-
Таблица 33
Результаты испытаний растворов на прочность и водонепроницаемость
Добавка Количество добавки, % от веса цемента Образцы стандартно-влажного хранения
непроницаемы при давлении воды, кПсм2 прочность на сжатие, %
Без добавки 0 4 100
Хлорное железо 2 10 117
Хлористый алюми- 3 15 102
ний 2 10 117
Хлористый кальций 2 8 110
Азотнокислый 0,5 10 —
кальций 1 20 102
180
ческих уплотняющих добавок. Образцы-плитки толщиной 2 см
испытывали ла водонепроницаемость в возрасте 4—5 меся-
цев. Прочность на сжатие определяли по образцам-кубикам
с ребром 5 см, твердевшим 28 суток во влажных условиях.
Водонепроницаемость бетонов можно значительно повы-
сить, применяя специальные расширяющиеся и безусадочные
цементы. При использовании обычных цементов водонепро-
ницаемость повышается с повышением их активности, связан-
ным с увеличением количества гидросиликатного геля, запол-
няющего капилляры в цементном камне. При умеренной филь-
трации воды через бетон его водонепроницаемость может
повышаться со временем вследствие кольматации (заилива-
ния) пор.
Химическая коррозионная
стойкость бетона
Коррозия портландцементных бетонов под действием вод
происходит в основном в результате растворения гидрата
окиси кальция и выноса его из толщи бетона при фильтрации
воды (коррозия выщелачивания), взаимодействия составных
частей цементного камня с содержащимися в воде кислотами
•с образованием легкорастворимых соединений либо бессвяз-
ных аморфных масс (кислотная коррозия), обменных реак-
ций между гидратом окиси кальция и солями, находящимися
в воде. Иногда обменные реакции дают новые вещества, крис-
таллизующиеся в цементном камне с увеличением объема и
разрушающие его. Наиболее часто встречается коррозия под
действием вод, имеющих растворимые сульфаты (сульфат-
ная коррозия).
Эффективным средством для борьбы с химической корро-
зией является повышение водонепроницаемости бетонов и в
некоторых случаях их гидроизоляция. Эти мероприятия пока
единственные для защиты бетона от кислотной коррозии. Дру-
гие виды коррозии могут быть ликвидированы или уменьше-
ны и в результате специальных мероприятий.
При коррозии выщелачивания извести происходит ослаб-
ление структурных связей цементного камня и снижение его
прочности, что может быть приближенно охарактеризовано
кривой (рис. 61), показывающей, что вымывание из цементно-
го раствора 25—30% извести снижает его прочность на
40—60%.
Как известно, гидросиликаты и гидроалюминаты кальция
181
100
5 10 15 20 25 30 35
J выщелоченной CaO
Рис. 61. Снижение прочности образцов из цементного раствора при
выщелачивании извести (по М. Ф. Иванову).
устойчиво существуют в цементном камне только при опре-
деленной равновесной концентрации СаО в водном растворе.
После выщелачивания всей извести начинается гидролиз
силикатов и алюминатов кальция с понижением их основности.
Интенсивность выщелачивания извести зависит от того,
является бетонное сооружение напорным или безнапорным.
При простом омывании сооружения водой вымывание извести
незначительно. При фильтрации воды через бетон скорость
выщелачивания увеличивается; первое время она примерно
пропорциональна величине напора, постепенно затухает по
мере понижения концентрации растворенной извести и прак-
182
тически прекращается при достижении концентрации СаО
0,08 г/л, когда могут устойчиво существовать только гидро-
силикаты типа CSH(B) с соотношением C/S=0,8 и гидро-
алюминаты типа С2АН7.
Действенным средством против коррозии выщелачивания
является пуццоланизация портландцементов. В пуццолановых
портландцементах активная минеральная добавка связывает
свободную известь с образованием CSiH(B) и переводит
гидросиликаты C2SH2 в CSH(B), а гидроалюминаты С4АН13
и С3АН6 переходят в С2АН7, в результате чего выщелачива-
ния не происходит.
Кроме того, пуццолановые портландцементы за счет на-
бухания гидравлической добавки и большего, чем в портланд-
цементе, выхода цементного теста увеличивают водонепрони-
цаемость бетона и, следовательно, уменьшают возможность
фильтрации воды через его толщу.
Пуццоланизация портландцемента положительно влияет
и на его стойкость в сульфатных водах. Основная причина
сульфатной коррозии — образование высокосульфатного гид-
росульфоалюмината кальция (эттрингита) из твердого высо-
коосновного гидроалюмината и растворенного гипса
ЗСаО А12О3 • 6Н.0+ЗСа S О4+ 25Н2О =
=ЗСаОА12О3 • 3CaSO4 • 31Н2О.
Объем образовавшегося эттрингита примерно в 4,6 раза
больше объема твердой фазы СзАН6, существовавшей до
реакции, что приводит к разрушению затвердевшего цемент-
ного камня. Гипс в водных растворах образуется при взаимо-
действии сульфатов с известью.
При применении пуццолановых портландцементов умень-
шается вероятность образования в цементном камне гипса,
присутствие гипса в водном растворе в «результате его взаимо-
действия с С2АН7 приводит к образованию низкосульфатных
форм гидросульфоалюмината ЗСаОА12ОзСа5О4'12Н2О, не
разрушающих бетон. Сульфатостойкость пуццолановы-х порт-
ландцементов зависит от минералогического состава цемента
и активности минеральной добавки.
В силу аналогичных физико-химических явлений повы-
шается сульфатостойкость и в бетонах, подвергнутых авто
клавной обработке.
Как известно, значительного повышения сульф а тостой кос-
ти бетонов обычно добиваются применяя сульфатостойкие
портландцементы, т. е. цементы с минимальным содержанием
183
трехкальциевого алюмината. Но, как показал С. В. Шесто-
перов. можно получать сульфатостойкие цементы и на алю-
минатных цементах при производстве мокрого домола их с
добавкой ССБ и введением повышенных количеств гипса.
При этом технологическом мероприятии удается вскрыть
весь действующий алюминат и перевести его в эттрингит в
тесте, где его образование для бетона неопасно.
В. В. Стольников указывает на повышение сульфатостой-
кости бетонов при введении воздухововлекающих добавок,
связывая это явление с гидрофобизацией пор в камне, а также
с наличием пустот для образования эттрингита.
Помимо указанных видов химической коррозии, связанной
с действием на конструкцию внешней среды, бетон может
разрушаться вследствие развития внутри его процессов кор-
розии и взаимодействия щелочей цемента с заполнителями,
содержащими реакционноспособный кремнезем.
Этот вид разрушения бетона, называемый щелочной кор-
розией, изучен не полностью. Сущность щелочной коррозии
заключается в том, что заполнители, содержащие заметные
количества опала, халцедона, тридимита, кристобалита или
стекловидной фазы, химически взаимодействуют со щелоча-
ми цемента, образуя в местах контакта заполнителя с цемент-
ным камнем водорастворимые силикаты натрия. Со стороны
цементного камня эти новообразования оказываются ограни-
ченными полупроницаемой пленкой из гидросиликатов каль-
ция. Пленки гидросиликатов проницаемы для воды и ионов
натрия, но непроницаемы для агрегат,ированных групп мо-
лекул силиката натрия. В результате в ячейках, заполненных
силикатом натрия, развивается сильное осмотическое давле-
ние, разрушающее бетон. Коррозия внешне проявляется рас-
ширением и растрескиванием бетона и вытеканием из него
силиката натрия.
Если в заполнителях есть активный кремнезем в коли-
честве более 3%, некоторые технические условия не рекомен-
дуют применять для приготовления бетонов цементы, имею-
щие щелочность более 0,6% (в расчете на NagO). Не реко-
мендуется также применение добавок солей, содержащих
щелочные металлы.
Как показано В. М. -Москвиным и Г. С. Рояком, наиболь-
шее развитие щелочной коррозии наблюдается при неблаго-
приятных соотношениях щелочей цемента и реакционноспо-
собного кремнезема заполнителей, так что вышеприведенные
рекомендации не гарантируют полной стойкости бетона.
184
Решать вопрос о возможности применения в бетонах за-
полнителей, содержащих .реакционноспособный кремнезем, с
цементами, содержащими более 0,3% щелочей, следует толь-
ко после соответствующих испытаний. При этих испытаниях
деформации расширения бетона не должны превышать 0,05%
через пять месяцев и 0,1% через двенадцать месяцев тверде-
ния бетона.
Наиболее эффективным мероприятием для предотвраще-
ния щелочной коррозии служит введение в состав цементов
10—20% тонкомолотых активных минеральных добавок, ко-
торые обеспечивают связывание извести и интенсивное про-
текание реакции со щелочами на поверхности частиц добавки
во всем объеме материала, при этом устраняются причины
развития осмотических давлений в микрообъемах на зернах
заполнителей.
Положительно действует на прекращение щелочной кор-
розии и автоклавная обработка бетонов, при которой связы-
вается гидрат окиси кальция и на зернах заполнителя созда-
ются защитные пленки гидросиликатов кальция.
Многочисленные попытки предотвратить щелочную кор-
розию бетона введением малых доз химических добавок,,
переводящих силикаты щелочей в нерастворимые соедине-
ния, пока эффективных результатов не дали. Удовлетвори-
тельные результаты для бетонов без арматуры на цементах
с малым содержанием SOs получены лишь при введении до-
бавки хлористого бария совместно с хлористым кальцием.
Стойкость бетона
к воздействию высоких температур
Бетон — огнестойкий материал. Из-за относительно малой
его теплопроводности кратковременное воздействие высоких
температур не успевает вызвать значительное нагревание
всего объема бетона и арматуры в нем.
Обычный бетон на портландцементе пригоден для службы
в условиях длительного воздействия температур до 200°. При
повышении эксплуатационной температуры до 300° прочность
бетона снижается вследствие удаления цеолитной и кристал-
лизационной-воды, значительной усадки и нарушения струк
туры. При температурах выше 500° происходит разложение
гидратных новообразований цемента с выделением свободной.
СаО. При дальнейшем нахождении бетона в воздушновлаж-
ной среде происходит вторичная гидратация окиси кальция
с увеличением объема, что вызывает разрушение конструк-
ций. При температурах 800—900° растрескиваются заполни-
тели вследствие перехода кристаллического кварца в другую
модификацию — тридимит.
Чтобы уменьшить вредное влияние свободной окиси каль-
ция, в цемент вводят различные тонкомолотые добав»ки:
шамот, трепел, туф, золу-унос, молотый доменный шлак и др.
Эти добавки при температурах 600—1000° реагируют с
окисью кальция, связывая ее в силикаты, алюминаты и дру-
гие соединения, которые .практически не реагируют с водой.
В качестве заполнителей применяют породы и материалы, не
претерпевающие при нагревании объемных изменений: ба-
зальт, андезит, шамот, кирпичный бой, отвальный доменный
шлак.
Соответствующим подбором добавок микронаполнителей
к цементу и заполнителей для бетона удается добиться сни-
жения усадочных деформаций и температурных деформаций
цементного камня, одинаковых с деформацией заполнителя.
В нашей стране работами К. Д. Некрасова и др. созданы
жароупорные бетоны на основе портландцемента, стойкие при
температурах до 1200°.
XII. ДРУГИЕ ВИДЫ ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ
Помимо рассмотренных в предыдущих главах тяжелых
бетонов «классического типа» на портландцементах с круп-
ным и мелким заполнителем, в строительной практике нахо-
дят применение и другие виды тяжелых бетонов: мелкозер-
нистые, декоративные и полимерцементные. Кроме того, для
защиты от сильноагрессивных сред изготовляются спе-
циальные солестойкие, кислотостойкие и щелочестойкие бето-
ны; для приготовления таких бетонов применяются специаль-
ные вяжущие и заполнители, стойкие в соответствующих
х средах; бетонные изделия с поверхности часто покрывают ан-
тикоррозийными покрытиями. Характеристику бетонов высо-
кой коррозионной стойкости можно найти в специальной ли-
тературе; в нашем изложении они не рассматриваются.
Мелкозернистый (песчаный) бетон
Мелкозернистые бетоны характеризуются наибольшей
крупностью заполнителей 10 мм и менее. Обычно заполните-
лем в мелкозернистых бетонах является только песок
186
крупностью до 5 мм; такие бетоны носят название пес-
чаных.
Мелкозернистые бетоны используются для изготовления
немассивных конструкций, главным образом армоцементных,
при заводском производстве железобетонных скорлуп и тон-
костенных панелей, формуемых на вибропрокатных станах,
а также тротуарных плиток и других изделий по .комплексной
вибротехнологии Н. В. Михайлова.
Свойства мелкозернистых бетонов подчиняются тем же
зависимостям, что и свойства обычных крупнозернистых бето-
нов; однако повышенная пористость и удельная поверхность
мелких заполнителей оказывают влияние на количественные
выражения этих зависимостей.
В мелкозернистых бетонах (количество цемента и воды
выше, чем в основных бетонах. Чтобы прочность мелкозер-
нистых бетонов из малоподвижных смесей была примерно
равной марке применяемого цемента, расход его должен со-
ставлять около 600—750 кг, а воды 270—320 л на 1 м3 бетона.
Отсутствие скелета крупного заполнителя способствует
увеличению деформативности, усадки и ползучести бетонов.
Вместе с тем мелкозернистые бетоны обладают и положи-
тельными свойствами, связанными со значительно большей
однородностью структуры из-за отсутствия крупного запол-
нителя.
В качестве заполнителей для мелкозернистых бетонов не-
обходимо использовать пески, удовлетворяющие по зерновому
составу требованиям ГОСТ 10268-62, причем лучше более
крупные. Целесообразно применять фракционированные пес-
ки и производить опытные подборы сочетания фракций для
получения минимальных значений пустотности и удельной
поверхности заполнителей.
Использование мелких рядовых песков приводит к значи-
тельному повышению водопотребности бетонных смесей и еще
большему расходу цемента. Особенно ухудшают технологи-
ческие свойства мелкозернистых бетонов пески с большим
содержанием частиц мельче 0,3—0,6 мм и пылеватых и гли-
нистых фракций1.
Цементы для мелкозернистых бетонов желательно приме-
нять высокомарочные из чистых клинкеров с большим содер-
* В настоящем разделе рассматриваются мелкозернистые бетоны, а не
строительные растворы, для которых содержание глины полезно вследствие
повышения водоудерживающей способности и пластификации смеси.
187
жанием алита для обеспечения наибольшей плотности цемент-
ного камня в бетоне.
Удобоукладываемость мелкозернистых бетонных смесей
можно определять различными способами. Для подвижных
смесей пользуются конусом СтройЦНИЛа, для малоподвиж-
ных — показателем растекаемости конуса на встряхивающем
столике; удобоукладываемость жестких смесей определяют
при помощи технического вискозиметра или по упрощенному
способу Б. Г. Скрамтаева, используя конусы с диаметром
нижних отверстий. 10 и 7 см, установленные в формы соответ-
ственно 10X10X10 и 7X7X7 см.
Удобоукладываемость мелкозери'стых бетонных смесей
увеличивается при повышении их водосодержания и зависит
от соотношения цемента и песка. Правило постоянства водо-
содержания для этих смесей неприменимо. Только при опре-
деленном соотношении песка и цемента смесь будет иметь
наилучшую удобоукладываемость. Оптимальное соотношение
Ц/П 1:4 для крупных и 1:1 для мелких песков.
В структуре песчано-цементной бетонной смеси Ю. М. Ба-
женов рассматривает четыре характерные реологические зо-
ны, зависящие от соотношения цемента, песка и воды, обес-
печивающего требуемую удобоукладываемость смеси (рис. 62).
Первая зона — это «жирные» смеси с соотношениями це
мента и песка выше 2,3; зерна песка в таких смесях находят-
ся на значительных расстояниях друг от друга и вязкость
смеси определяется главным образом ее цементоводным от-
ношением. Уменьшение содержания цемента в смеси снижает
ее водопотребность почти по прямой зависимости. Вызванное
уменьшением цемента увеличение песка в смеси незначитель-
но влияет на ее вязкость и только несколько искривляет ука-
занную зависимость. При вибрировании такие смеси склонны
к расслоению из-за оседания зерен песка.
Вторая зона характеризуется отношениями цемента и пес-
ка от 1/4 до 2,3, т.е. включает составы практически применяе-
мых конструктивных мелкозернистых бетонов. В цементно-
песчаных смесях второй зоны увеличение содержания песка
уже более значительно сказывается на вязкости смесей, и хо-
тя их водопотребность падает с уменьшением цементопесча-
ного отношения, кривая водопотребности более полога, чем в
первой зоне. При использовании мелких песков их влияние на
повышение вязкости больше и кривая водопотребности пойдет
выше и более полого, чем в случае применения средних
песков.
188
Рис. 62. Зависимость водопотребности мелкозернистой бетонной сме-
си от соотношения цемента и песка.
В третьей зоне при соотношениях цемента и песка пример-
но от 1/4 до 1/10 зерна песка, покрытые тонкими пленками
теста, взаимодействуют друг с другом; увеличение содержа-
ния песка значительно повышает вязкость смеси. В начале
зоны влияние увеличения количества песка и уменьшения
количества цемента на вязкость смеси взаимно компенсиру-
ется и кривая водопотребности переходит в участок прямой,
параллельный оси абсцисс. Затем влияние песка на вязкость
смеси начинает превалировать и увеличение его содержания
повышает водопотребность.
Третья зона характеризует область строительных раство-
ров, где цементного теста уже недостаточно для заполнения
189
пустот между зернами песка. Дальнейшему увеличению со-
держания песка в смеси соответствует четвертая зона. В этой
зоне цементного теста уже не хватает для смазки зерен
песка. Для сохранения удобоукладываемости приходится
увеличивать содержание воды, однако удельная поверхность
твердой фазы недостаточна для ее удержания, и, если
не применять водоудерживающие добавки, смесь расслаи-
вается.
Как видно из рассмотренной диаграммы, минимальную
водопотребность цементно-песчаные бетонные смеси будут
иметь на границе второй и третьей зон при оптимальном це-
ментопесчаном отношении, которое обеспечит наилучшую
удобоукладываемость, наибольшую плотность и прочность
бетона.
Это оптимальное соотношение Ц/П зависит от качества
песка, свойств цемента и водоцементного отношения (или
подвижности бетонной смеси).
Мелкозернистая бетонная смесь очень «чувствительна» к
изменению крупности песка, его гранулометрии, присутствию
примесей и качеству поверхности зерен песка. Эта «чувстви-
тельность» увеличивается при переходе от жирных смесей с
большим содержанием цемента к более тощим ввиду повы-
шенного влияния песка на структурообразование и изменение
реологических параметров смесей.
Ю. М. Баженовым предложены графики, связывающие
удобоукладываемость мелкозернистых бетонных смесей для
разных Ц/П с водоцементным отношением, пользуясь кото-
рыми можно подбирать составы бетонных смесей требуемой
удобоукладываемости (рис. 63). При построении графиков
качество применяемых песков определялось их водопотреб-
ностью по Б. Г. Скрамтаеву.
Прочность мелкозернистого бетона при сжатии определяет-
ся испытанием кубиков 7X7X7 см или концов призм
4X4X16 см в соответствии с ГОСТ 910-41. Для получения
значения марочной прочности результаты умножают на пере-
водные коэффициенты от 0,84 до 0,91 в зависимости от марки
бетона. Из-за разноречивных данных о величине переводных
коэффициентов многие исследователи рекомендуют не при-
водить прочность мелкозернистых бетонов к прочности стан-
дартных кубов 20X20X20 см, а использовать в расчетах
данные, полученные при испытании малых образцов.
Для выражения зависимости прочности мелкозернисты^
бетонов от их состава применим закон водоцементного отне
190
Рис. 63. График для выбора соотношения цемента и песка сред-
ней крупности (водопотребность 7%), которая обеспечивает за-
данную удобоукладываемость цементно-песчаной смеси при опре-
деленном водоцементном отношении.
Примечание. Если применяют мелкий песок с водопотребностью
более 7%, содержание его уменьшают на 5% на каждый процент увели-
чения водопотребности; при применении крупного песка с водопотреб-
ностью ниже 7% содержание его увеличивают на 5% на каждый процент
уменьшения водопотребности.
191
шения, математическое выражение которого, по данным
1О. М. Баженова, имеет вид
R6=AR„(-g--0,8),
где коэффициент А принимается равным 0,7 для высокока-
чественных материалов, 0,6 для материалов среднего качества
и 0,5 для низких марок цемента и мелких песков.
Приведенная формула применима при плотности свеже-
уложенного бетона более 0,97. Если такая плотность не мо-
жет быть достигнута, то необходимо учитывать возможное
снижение прочности примерно на 5% на каждый процент
недоуплотнения.
Повышенная чувствительность удобоукладываемости мел-
козернистых бетонных смесей при изменении их состава ска-
зывается и на прочности затвердевших бетонов.
При одном и том же способе уплотнения смеси для каж-
дого цементопесчаного отношения будет свое оптимальное
В/Ц, при котором достигается максимальная прочность бето-
на данного .состава. У жирных смесей оптимальные В/Ц зна-
чительно ниже, чем у тощих, следовательно, при применении
жирных можно получить большую прочность бетонов.
Известно, что цементный камень имеет более высокую
прочность, нежели песчаный бетон, при низких значениях
водоцементного отношения. Наибольшей прочностью облада-
ет цементный камень, полученный при В/Ц, соответствующем
нормальной густоте цементного теста. С увеличением водоце-
ментного отношения их прочности сближаются, и затем проч-
ность песчаного бетона начинает превосходить прочность
цементного камня. Это объясняется тем, что при высоких
водоцементных отношениях пористость цементного камня
более высокая, чем пористость песчаного бетона, а также тем,
что силы адгезии цементного камня с заполнителями стано-
вятся больше, чем силы когезии.
Аналогичная картина наблюдается и при сравнении мелко-
зернистых бетонов с обычными на крупных заполнителях;
мелкозернистые бетоны могут иметь повышенные прочности
при малых значениях В/Ц, что возможно при увеличенных
расходах цемента и обеспечении хорошего уплотнения. При
практически наиболее широко применяемых водоцементных
отношениях от 0,4 до 0,7 прочности обычных бетонов на круп-
ных заполнителях хорошего качества выше прочности мелко-
зернистых бетонов.
192
Для мелкозернистых бетонов отношение тАр в среднем
R R
составляет 0,85, отношения и — примерно на 20% выше,
Ro Re
чем у бетонов с крупным заполнителем.
Как уже упоминалось, отсутствие скелета крупного запол-
нителя и повышенное количество цементного камня у мелко-
зернистых бетонов повышает их деформативные свойства.
Модуль упругости мелкозернистых бетонов на 25—35% ниже
модуля упругости равнопрочных бетонов с крупными запол-
нителями. Предельные деформации мелкозернистых бетонов,
по данным Ю. М. Баженова, находятся в следующих преде-
лах: при сжатии 1,2—4,1 мм/м, при изгибе 0,3—0,45 мм!м,
при растяжении 0,17—0,3 мм/м, т. е. превосходят подобные
деформации обычного тяжелого бетона. Предельная дефор-
мативность бетонов может быть увеличена при замене квар-
цевых песков известковыми и шлаковыми, а также при вве-
дении в состав бетонов поверхностноактивлых добавок.
Мелкозернистые бетоны обладают гораздо большей усад-
кой и ползучестью, чем бетоны с крупным заполнителем. По
данным И. И. Улицкого, предельные относительные дефор-
мации усадки мелкозернистых бетонов в 2—4 раза, а значе-
ния характеристики ползучести на 20—100% выше, чем j
обычных бетонов. Изменения же величин усадки и ползучести
от различных факторов подчиняются тем же закономернос-
тям, что и у обычных бетонов.
Подбор состава мелкозернистых бетонов производят рас-
четно-экспериментальным методом, разработанным Ю. М. Ба-
женовым.
Порядок подбора следующий.
1. Определяют водоцементное отношение, необходимое
для получения заданной марки бетона, пользуясь формулой
R6=ARa(i-0,8).
2. По графикам (рис. 63) определяют соотношение между
цементом и песком, обеспечивающее заданную удобоуклады-
ваемость смеси при установленном Ц/В.
3. Пользуясь формулой абсолютных объемов, определяют
расходы цемента, песка и воды, учитывая, что песчаный бетон
при вибрировании вовлекает значительное количество воздуха
(от 2 до 8% по объему):
—+В+— = 1020-ВВ,
7ц 7п
13 Зак. 3203
193
где ВВ — объем вовлеченного воздуха в л (для подвижных
смесей BiB=20—30 л, для жестких ВВ=бО—70 л).
4. Производят экспериментальную проверку подобранно-
го состава и при необходимости его корректировку.
При больших объемах бетонных работ и необходимости
использования бетонов различных марок с разными значения-
ми удобоукладываемости смесей целесообразно построение
графиков по данным, полученным в результате эксперимен-
тального подбора состава, как это делается и для обычных
бетонов.
Мелкозернистые бетоны вследствие особенности своей
структуры, как правило, являются менее долговечным мате-
риалом, чем равнопрочные и равноподвижные с ними обыч-
ные бетоны. Однако, применяя некоторые технологические
мероприятия по увеличению плотности и уменьшению макро-
пористости цементного камня, можно получить бетоны высо-
кой долговечности. Многие исследователи считают, что высо-
кая однородность мелкозернистых бетонов, пониженные ве-
личины «собственных» напряжений, хемосор'бционное взаимо-
действие зерен кварца с цементом и другие факторы при
условии обеспечения повышенной плотности цементного кам-
ня позволяют получить даже большую долговечность мелко-
зернистых бетонов, чем обычных.
Рациональная область применения мелкозернистых бето-
нов для тонких ажурных железобетонных конструкций не
подлежит сомнению. В то же время технология мелкозернис-
тых бетонов требует большей культуры производства, нежели
обычных крупнозернистых. Применяя материалы хорошего
качества и прогрессивные технологические мероприятия при
приготовлении бетонных смесей, их укладке и последующем
твердении, можно значительно уменьшить влияние отрица-
тельных и увеличить значение положительных свойств мелко-
зернистых бетонов.
Декоративный бетон
Декоративные бетоны предназначаются для облицовки
крупных блоков и панелей наружных стен зданий, внутрен-
ней их отделки, а также для изготовления различных архи-
тектурных деталей. При изготовлении изделий из декоратив-
ных бетонов применяются цветные цементы, прочные запол-
нители с красивой расцветкой и производится соответствую-
щая обработка поверхности (насечка, шлифовка и т. д.).
194
В качестве вяжущего для декоративных бетонов исполь-
зуют белый цемент марки 400 или полученные на его основе
цветные цементы. Обычный портландцемент с добавлением
цветных пигментов применяют лишь для бетонов темных то-
нов. В качестве пигментов используют щелоче- и светостойкие
природные вещества минерального происхождения (охра,
умбра, железный сурик, окисли марганца и хрома). Мине-
ральные пигменты не должны заметно снижать прочность
бетона или существенно изменять сроки схватывания цемен-
та. Так как большинство пигментов представляет собой гли-
нистый минерал, их следует добавлять не более 8—10% от
веса цемента. Для получения равномерной и более интенсив-
ной окраски пигменты тщательно перемешивают с цементом
в шаровых и вибрационных мельницах.
Применение красителей органического происхождения
(анилиновых), повышающих интенсивность окраски, не раз-
решается вследствие их недостаточной щелочестойкости.
Заполнителями для декоративных бетонов служат мра-
морная крошка, белые и цветные пески, дробленый щебень
из мрамора, гранита, порфиров и других горных пород раз-
личной окраски.
Имитацию природных пород камня с грубооколотой, буг-
ристой или шероховатой поверхностью получают при исполь-
зовании мелкозернистых песчаных составов бетона с добав-
кой каменной крошки с дальнейшей обработкой поверхности
обкалыванием. Террацевую, или мелком оз аичную, фактуру
получают очисткой, шлифовкой и лощением поверхности
бетона, приготовленного на крупной каменной крошке из
твердых и плотных горных пород.
Из-за интенсивного воздействия атмосферных факторов
декоративный бетон должен удовлетворять определенным
требованиям в отношении прочности, плотности и долговеч-
ности (марка не ниже 160 и морозостойкость не менее 25—
50 циклов).
Составы декоративных бетонов подбирают по методам,
принятым для обычных бетонов.
Полимерцементные бетоны
К полимерцементным относят бетоны, в которых вяжу-
щими являются цементы с добавками полимерных материа-
лов. Они могут приготовляться на плотных и пористых запол-
нителях. Наиболее распространены в настоящее время поли-
13*
195
мерцементные мелкозернистые песчаные бетоны на плотных
заполнителях.
Состав полимерцементных бетонов характеризуется поли-
мерцементным отношением П/Ц1 *, которое обычно принимает-
ся равным 0,1—0,25.
Механизм взаимодействия полимера с цементным камнем
изучен недостаточно. Согласно современным воззрениям
жесткий пространственный скелет цементного камня укреп-
ляется в ослабленных местах (трещинах и порах) полимером,
что приводит к упрочнению материала и повышению его элас-
тичности.
Полимерцементные бетоны удачно сочетают в себе поло-
жительные свойства цементных бетонов и пластмасс, харак-
теризуются повышенной деформативностью, стойкостью к
ударам, имеют повышенную предельную растяжимость, тре-
щиностойкость и прочность на растяжение. Полимерные
добавки повышают плотность структуры бетонов и их сопро-
тивляемость к воздействию различных агрессивных сред.
Полимеры должны обладать хорошей адгезией к цементу и
заполнителям, а также хорошей аутогезией—способностью
отдельных частиц полимера .к прочному слипанию, должны
быть достаточно щелочестойкими и водостойкими.
Применяемые в настоящее время полимеры еще не в
полной мере обладают всеми перечисленными свойствами,
поэтому в области полимерцементных бетонов предстоят
дальнейшие исследования.
Большая заслуга в исследовании и внедрении в производ-
ство полимерцементных бетонов принадлежит нашим ученым
А. В. Саталкину, В. Э. Лейриху, Ю. С. Черкинскому.
Полимерцементные бетоны получают тремя основными
способами: 1) введением в состав бетона водных дисперсий
полимеров, которые распадаются в бетонной смеси; 2) введе-
нием в воду затворения растворимых полимеров с последую-
щим их отверждением в теле бетона с помощью добавок или
путем нагрева; 3) пропиткой бетонных изделий на требуемую
глубину маловязкими синтетическими веществами с отверж-
дением их тем или иным способом в капиллярах бетона.
В практике производства полимерцементных бетонов наи-
более широко распространен первый способ с введением в бе-
тонную смесь эмульсий высокомолекулярных винильных
соединений и латексов синтетических каучуков.
1 В данном разделе буквой П обозначается весовое количество поли-
мера на 1 м3 бетона.
196
Для предохранения водных дисперсий полимеров от преж-
девременного коагулирования в щелочной среде цементного
теста вводятся добавки стабилизаторов; особенно нуждаются
в стабилизаторах латексные полимеры.
В зависимости от характера действия стабилизаторы де-
лятся на две группы: поверхностноактивные вещества и кол-
лоиды, образующие на поверхности частиц полимера защит-
ные пленки, и электролиты, подавляющие действие ионов
кальция. К первой группе относятся белки, производные цел-
люлозы, неионогенные поверхностноактивные вещества и др.,
ко второй — соли щелочных металлов, силикат натрия
и фосфат натрия.
В Советском Союзе распространены в основном добавки
в полимерцементные бетоны поливинилацетатной эмульсии и
дивинилстирольного латекса, причем предпочтение необходи-
мо отдать латексу, так как он обеспечивает более высокую
водостойкость и морозостойкость бетонов.
Дивинилстирольный латекс — сополимер дивинила и сти-
рола с различным соотношением полимеров. В бетонах реко-
мендуется применять латексы ОКС-50 и С'КС-65 с содержани-
ем стирола соответственно 50 и 65%.
Стабилизация латексцементных смесей чаще всего произ-
водится казеинатом аммония или щелочами. Казеинат аммо-
ния хорошо стабилизирует смеси, но вызывает их загустева-
ние и для обеспечения заданной удобоукладываемости требу-
ет увеличения водосодержания смесей. Хорошая удобоукла-
дываемость смесей обеспечивается при применении в качест-
ве стабилизатора добавки поташа с содой.
В последние годы под руководством М. И. Хигеровича
проведены исследования по введению в бетонные смеси би-
тумных эмульсий с водой затворения; содержание битума
принимается в 2—5% от веса цемента. В период отвердевания
бетона эмульсия распадается и битум хорошо пидрофобизуег
поры и капилляры бетона. Битумоцементные бетоны характе-
ризуются повышенной водонепроницаемостью и большой
морозостойкостью. .
При втором способе получения полимерцементных бетонов
применяются водные растворы карбамидных и эпоксидных
смол, фуриловых и поливиниловых спиртов.
Отличительной особенностью бетонов на водораствори-
мых карбамидных и эпоксидных смолах является способ-
ность к быстрому твердению во влажных условиях и
повышенная их водостойкость. 'Оптимум механических
197
свойств наблюдается при введении смол в количестве 2% от
веса цемента.
Для пропитки бетонных изделий применяются лак этиноль,
растворы в органических жидкостях перхлорвиниловой смо-
лы, поливинилового спирта, поливинилацетата, кремнийорга-
нических и других соединений. По имеющимся в литературе
данным, бетонные образцы после пропитки лаком этиноль и
перхлорвиниловой смолой приобретали повышенную проч-
ность и долговечность.
Для облегчения проникания жидкостей в бетон применяют
различные методы, используя контракционный вакуум, тер-
модиффузионные явления, а также пропитку под давлением.
Глубину пропитки можно регулировать изменением пористос-
ти бетона.
Рассмотрим свойства полимерцементных бетонов с наи-
более распространенными полимерами. Как показал опыт
изготовления поливинилацетатноцементных бетонов, макси-
мальные прочностные показатели обеспечиваются при П/Ц,
равном 0,2. На прочность бетонов влияют влажностные усло-
вия среды. Если при твердении поливинилацетатных бетонов
в среде с относительной влажностью 50% все прочностные
показатели их выше, чем у обычных бетонов, то при твердении
в среде с относительной влажностью 100% прочности уменьша-
ются в 3—6 раз, что связано с понижением прочности поливи-
нилацетата в водной среде. Поэтому для поливинил-
ацетатноцементных, а также и латексцементных бетонов
оптимальными условиями твердения являются условия воз-
душной среды.
Зависимости механической прочности мелкозернистых
полимерцементных бетонов воздушносухого твердения от по-
лимерцементного отношения и количества цемента представ-
лены на диаграммах (рис. 64).
По данным Ю. С. Червинского, при сжатии полимерце-
мент.ного бетона (при оптимальном П/Ц), прочность тощих
составов (1:4 и 1:5) выше, чем обычных бетонов. У жирных
составов (1:2) прочность ниже, чем у бетона без добавки
полимера. Эти явления связаны с соотношением прочностей
полимера и бетона. Для тощих малопрочных составов проч-
ность поливинилацетата достаточно высока, для упрочнения
же жирных смесей необходимо применять другой, более проч-
ный полимер.
В силу указанных причин полимерцементные бетоны с
198
Ron, kI/си1 Визг, кГ/«м*
Рис. 64. Зависимости механической прочности поливинилаце-
татноцементного мелкозернистого бетона от отношения
цемент: песок и от П/Ц (по Ю. С. Черкинскому):
а — предел прочности при сжатии; б — предел прочности при изгибе.
применением дивинилстирольного латекса имеют пониженные
значения прочности при сжатии.
Прочности при растяжении и изгибе у обоих рассматривае-
мых видов полимерцементных бетонов выше, чем у обычных
бетонов такого же состава.
Прочностные показатели латексцементных бетонов зави-
сят и от вида стабилизатора. Применение высокомолекуляр-
ных веществ снижает степень гидратации цемента и, следова-
тельно, понижает прочность бетонов; применение электроли-
тов более благоприятно сказывается на нарастании прочности
бетонов во времени и на ее абсолютном значении.
При длительном увлажнении механическая прочность бе-
тонов с добавками поливинил ацетата снижается из-за недо-
статочной его водостойкости вследствие гидролиза с образо-
ванием поливинилового спирта. Повышения водостойкости
поливинилацетата можно достичь нагреванием с целью дегид-
199
ратации поливинилового спирта с добавками соединений хро-
ма, галоиднопроизводных соединений или формальдегида для
«пространственного сшивания» молекул поливинилового
спирта.
Полимерцементные бетоны характеризуются значительны-
ми деформациями усадки и ползучести, которые выше, чем у
бетонов без добавок полимеров, в два раза и более.
Если изделия из полимерцементного бетона находятся в
водной среде, деформации ползучести резко увеличиваются
и могут привести к разрушению изделия. Модуль упругости
полимерцементных бетонов ниже, чем обычных бетонов, и
уменьшается при понижении модуля упругости полимера, а
также при увеличении количества полимера в бетоне. Так,
мелкозернистые поливинилацетатноцементные бетоны опти-
мального состава по прочности характеризуются модулем
упругости менее 100 000 кГ/см3 (значение модуля упругости
этих же бетонов без добавки полимера в среднем 200 000
kI'Icm2) .
Поливинилацетатноцементные и латексцементные материа-
лы обладают высокой адгезионной способностью. Свежеуло-
женные полимерцементные бетоны и растворы хорошо скле-
иваются с разными поверхностями, в том числе и со старым
бетоном. Различные полимерцементные мастики применяются
для склеивания строительных материалов и в качестве обма-
зок для защиты арматуры от коррозии.
Полимерцементные бетоны обладают высокой стойкостью
к восприятию динамических нагрузок и большой износостой-
костью. По имеющимся данным, ударная прочность латекс-
цементных бетонов в 15 раз выше, а истираемость в 15—20
раз ниже, чем у обычных мелкозернистых бетонов.
Введение в бетоны полимерных добавок повышает их во-
донепроницаемость и морозостойкость. Особенно это заметно
у латексцементных бетонов, но при снижении гидрофильности
поливинилацетата можно получить и поливинилацетатноце-
ментные бетоны высокой водонепроницаемости и морозостой-
кости.
Особенно целесообразно применение полимерцементных
композиций для повышения химической коррозионной стой-
кости бетонов. Соответствующим подбором химически стой-
ких полимеров можно добиться и высокой стойкости бетона
в определенной среде. Так, поливинилацетатноцементные
бетоны при П/Ц=0,2 стойки к воздействиям масел, бензола.
дибуТилфталата, морской воды, щелочей, но нестойки к воз-
200
действию кислот. Полимерцементный материал на основе
латекса «рубекс» хорошо противостоит действию большинства
кислот и кислых газов; в то же время латексцементные бето-
ны не маслостойки.
Высокие технические качества полимерцементных бетонов,
и большие возможности регулирования их свойств путем
выбора полимеров и соответствующей технологии приготовле-
ния свидетельствуют о перспективности этих материалов.
Поскольку наряду с хорошими механическими свойствами,
высокой адгезией и коррозионной стойкостью полимерцемент-
ные бетоны обладают повышенной усадкой и ползучестью»
их целесообразно применять в виде тонких защитных слоев
на рабочих поверхностях конструкций из обычных бетонов.
В настоящее время полимерцементные бетоны успешно при-
меняются для устройства бесшовных полов в промышленных
и общественных зданиях, для изготовления плит, оболочек в
гидротехническом строительстве и плит для аэродромных по-
крытий, а также для ремонта повреждений и закрытия тре-
щин в железобетонных конструкциях. Дальнейшее увеличение
производства полимеров и снижение стоимости позволит зна-
чительно расширить и область их применения в строительстве.
XIII. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЕТОНА
Проектирование бетона — это сложная инженерная зада-
ча, при решении которой необходимо учесть все условия его
работы в конструкции, воздействие нагрузки, окружающей
среды, изменение свойств бетона во времени. Для изготовле-
ния бетонных конструкций должны быть выбраны такие мате-
риалы, технология приготовления, укладки и твердения бето-
на, которые обеспечивали бы требуемую прочность и долго-
вечность при наименьшей стоимости.
Рассмотренный в главе IV подбор состава бетона по
прочности лишь частично решает эту задачу.
К сожалению, существующие требования устанавливают
для бетона предельное состояние только по прочности, в то
же время другие важнейшие свойства, например морозостой-
кость, водонепроницаемость, сульфатостойкость, назначаются
не по предельным состояниям, а по очень грубо устанавливае-
мым маркам. В результате получаемые конструкции имеют
не необходимое, а излишне высокое или низкое качество.
Максимальное приближение к необходимому качеству при
проектировании бетонных конструкций позволит сэкономить
201
огромные средства и обеспечить надежность работы конструк-
ций.
При проектировании бетона вначале необходимо устано-
вить исходные данные: 1) требуемую, прочность бетона, до-
стигаемую в заданные сроки: для большинства конструкций
•прочность бетона при сжатии, для дорожного и аэродромного
бетона прочность при сжатии и изгибе, для бетона сборных
железобетонных конструкций марку по прочности и отпускную
прочность; 2) условия твердения бетона в конструкции: время
года и средние температуры воздуха, сроки достижения
требуемой прочности, способы ухода за бетоном; 3) марку
бетона по морозостойкости и водонепроницаемости, а также
стойкость к химическим коррозионным воздействиям, для
чего необходимо знать условия работы конструкции (ниже
постоянного горизонта воды, в зоне переменного уровня, ниже
или выше глубины промерзания грунта, агрессивность вод и
т. д.) и климатические условия района строительства; 4) кон-
фигурацию, вид, массивность конструкции и степень армиро-
вания; 5) имеющиеся для бетона материалы, все их физико-
механические характеристики; 6) способы и дальность транс-
портировки бетонной смеси; 7) имеющиеся механизмы для
уплотнения бетонной смеси.
Зная указанные исходные данные, можно приступить к
определению расчетных параметров для подбора состава бе-
тона и назначению оптимальной технологии.
Очень важно определить расчетную марку бетона с учетом
фактического времени загружения конструкции.
Как уже было сказано, следует возможно более точно
установить марки бетона по долговечности для различных
воздействий среды и сроки, в какие они должны обеспечи-
ваться.
Необходимо правильно выбрать материалы из имеющихся
их разновидностей.
При выборе вида цемента можно пользоваться рекомен-
дациями, указанными в предыдущих разделах. Марка цемен-
та должна соответствовать марке бетона или быть немногэ
выше, так как это обеспечивает наиболее рациональное и
экономичное расходование цемента. Высокопрочные бетоны
из подвижных смесей следует применять только в благоприят-
ных климатических условиях.
Если марка цемента значительно выше марки бетона, то
в цемент необходимо вводить тонкомолотые добавки, так как
при расчете прочности будет определено, что количество це-
202
мента очень невелико и не обеспечит водоудержания и смесь
будет расслаиваться. В то же время добавки не должны уве-
личивать водопотребность цемента. Желательно знать фак-
тическую активность применяемого цемента, кинетику его
гидратации и набора прочности в заданных условиях тверде-
ния бетона.
При выборе заполнителей нужно учитывать их минерало-
гический состав и упругие свойства, обеспечивающие улуч-
шение сцепления с цементным камнем и повышение однород-
ности бетона.
Крупный заполнитель надо применять по возможности с
предельно допустимой НК, так как это позволит уменьшить
количество цементного теста-камня в бетоне. Если имеется
возможность, следует использовать фракционированные и
промытые заполнители, подбирая оптимальное соотношение
фракций. Требуемая удобоукладываемость бетонной смеси
зависит от конфигурации конструкции, степени ее армирова-
ния и способа укладки смеси. Назначив ориентировочно
удобоукладываемость в зависимости от указанных факторов,
можно подобрать состав бетонной смеси.
Следует экспериментально изучить возможность повтор-
ного и многократного вибрирования бетонной смеси на имею-
щемся оборудовании. Для ликвидации дефектов структуры
последнее вибрирование желательно производить как можно
позднее, но когда смесь еще способна хорошо уплотняться.
Если имеется возможность, следует применять различные
усиленные воздействия для уплотнения бетонной смеси, а так-
же попытаться снизить водоцементное отношение примене-
нием пластификаторов.
Для повышения удобоукладываемости смеси желательно
проверить эффективность предварительного увлажнения за-
полнителей.
Полученные в результате экспериментов данные позволят
уточнить составы бетона при принятых технологиях его при-
готовления и укладки и изготовить определенное количество
образцов для экспериментальной проверки их свойств.
Если по исходным данным требуется повышенная морозо-
стойкость и водонепроницаемость, то проводят соответствую-
щие специальные мероприятия, например применяют возду-
хововлекающие или уплотняющие добавки. Необходимо обес-
печить твердение образцов в соответствии с условиями среды
и режимами, установленными в исходных данных. Испытав
все образцы на прочность, морозостойкость, а в необходимых
203
случаях и на водонепроницаемость и устойчивость к химиче-
ской агрессии в различные сроки их твердения, устанавлива-
ют окончательно состав и технологию, необходимые для по-
лучения бетона требуемых свойств.
Дальнейшее развитие теории бетона и методики модели-
рования действия нагрузок и среды на бетонные конструкции
испытанием на образцах позволит повысить точность проек-
тирования бетона. Широкое внедрение в технологию бетона
вероятностно-статистических методов для уточнения зависи-
мостей свойства — состав — технология позволит в даль-
нейшем производить все расчеты с необходимой достовер-
ностью и добиваться оптимизации процессов производства.
Часть вторая
ЛЕГКИЕ
И ОСОБОЛЕГКИЕ
БЕТОНЫ
А. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
НА ПОРИСТЫХ
ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Легкие бетоны на пористых
заполнителях являются наибо-
лее распространенным после
тяжелых видом бетонов. Из
них можно изготовлять прак-
тически все элементы зданий и
сооружений, имеющие кон-
структивное, конструктивно-
теплоизоляционное и иногда
теплоизоляционное назначение.
Легкие бетоны могут приме-
няться как в сборном, так и в
монолитном строительстве, в
различных видах железобето-
на как с* ненапряженной, так
и с предварительно напря-
женной арматурой. Неболь-
шой объемный вес при доста-
точной прочности делает кон-
струкции из легкого бетона
низких и средних марок более
эффективными, чем из тяже-
лого бетона. Так, коэффициент
конструктивного качества
(К.К.К.)* 1 конструкций из бе-
тона марки 200 для легких бе-
тонов может иметь значе-
ние к.к.к.=200:1400=0,14,
в то время как для тяжелого
бетона К.ЮК.=200 : 2400 =
=0,085.
1 Коэффициент конструктивного ка-
чества определяется отношением проч-
ности в кГ!см2 к объемному весу в
кг]м3 для конструкций из различных
материалов и условно позволяет срав-
нивать эффективность материалов.
205
Классификация легких бетонов по их назначению с ука-
занием основных свойств приведена в табл. 34.
Конструктивные бетоны на пористых заполнителях имеют
слитную (плотную) структуру, при которой цементно-песчаный
раствор полностью заполняет пустоты в скелете крупного
заполнителя. Для их изготовления применяют крупные порис-
тые заполнители повышенной прочности. В качестве мелкого
заполнителя часто используют плотные кварцевые пески.
Таблица 34
Классификация легких бетонов
Назначение Объемный вес в сухом состо- янии, кг!м3 Коэффициент теп- лопроводности, ккал/м-час. град Проектная марка, кГ)см2
Конструктивный Конструктивно- 1400—1800 75—400
теплоизоляцион- ный Теплоизоляцион- 500—1400 0,15—0,55 35 —75 (!00>
ный 300—500 0,1-0,2 35—25
Конструктивно-теплоизоляционные бетоны распространены
наиболее широко, в частности в сборном строительстве, слу-
жат основным материалом для изготовления ограждающих
конструкций. Желательно, чтобы конструктивно-теплоизоля-
ционные бетоны также имели слитное строение, обеспечиваю-
щее их наибольшую прочность и сохранность арматуры. Одна-
ко иногда для уменьшения объемного веса бетона необходимо
провести поризацию цементного камня и раствора в бетоне
с помощью воздухововлекающих добавок, которые также
улучшают удобоукладываемость и нерасслаиваемость бе-
тонных смесей и нередко повышают долговечность бе-
тона.
Бетоны на пористых заполнителях чисто теплоизоляцион-
ного назначения получают сильной поризацией растворной
части воздухововлекающими добавками, различными пено-
и газообразователями1 либо созданием беспесчаного скелета
заполнителя (крупнопористый бетон).
Бетонные смеси на пористых заполнителях должны обла-
дать теми же технологическими .свойствами, что и смеси на
1 Характеристика пено- и газообразующих добавок и механизм их
действия приведены в разделе «Ячеистые бетоны».
206
плотных заполнителях,— удобоукладываемостью и нерас-
слаиваемостью. Удобоукладываемость легкобетонных смесей
определяют по показателям подвижности (осадки конуса) и
жесткости в соответствии с ГОСТ 10181-62, расслаиваемость—
внешним осмотром боковых граней трех свежеоформованных
бетонных кубов размером 15X15X15 см. Если обнаружится
различие в структуре по высоте грани, то определяют пока-
затель расслаиваемое™ (ГОСТ 11051-64). Для этого каждый
из образцов мастерком делят на две равные части — верхнюк>
и нижнюю, верхние части смешивают, уплотняют и определя-
ют объемный вес свежего бетона.
Показатель расслаиваемое™ ПраСсл вычисляют по форму-
ле
Прассл=222!=^.100,
{СМ
где уСм — исходный объемный вес смеси;
V®см — объемный вес смеси из верхних частей образцов.
Показатель расслаиваемое™ не должен быть более 10%.
В свежеуложенном легком бетоне слитного строения меж-
зерновые пустоты должны быть полностью заполнены раствор-
ной частью. Плотность свежеуложенного бетона может быть
определена по формуле абсолютных объемов
о, U । П Щ
.. 7ц 7пцт~Г7щцт
р— 1000
где упцт и ущц т — объемные веса песка и крупного заполните-
ля в цементном тесте (ом. стр. 213), остальные обозначения
стандартные.
Значение плотности легких бетонов слитного строения
должно быть не менее 0,97. Для .поризованных лепкобетонных
смесей по данной формуле можно определить объем вовлечен-
ного воздуха.
Для затвердевшего легкого бетона, помимо основных
свойств прочности и долговечности, в отличие от тя-
желых бетонов первостепенное значение имеет его объемный
вес.
Предел прочности и объемный вес легкого бетона опреде-
ляют согласно ГОСТ 11050-64 на образцах размером 15Х
X15X15 см. Образцы из подвижных смесей уплотняют шты-
кованием или вибрацией до появления на их поверхности це-
ментного молока.
При изготовлении образцов из легкобетонных смесей с
207
жесткостью более 60 сек на форму укрепляют насадку, форму
с избытком (до половины высоты насадки) заполняют
смесью, на поверхность смеси устанавливают стальной пуан-
сон весом 10 кг. Затем производят вибрацию до прекращения
оседания пуансона и появления цементного молока в щелях
между формой и насадкой. После уплотнения избыток смеси
срезают и поверхность образца заглаживают стальной плитой,
при этом форму подвергают вибрации. Образцы бетона вы-
держивают в формах в течение двух суток, затем распалуб-
ливают и помещают в камеры нормального твердения, где
хранят до 28 суток с момента их изготовления. Испытания
образцов производят в 'соответствии с ГОСТ 11050-64. Значе-
ние предела прочности образцов при сжатии принимается за
марочную прочность легкого бетона.
При твердении бетонных изделий и конструкций в услови-
ях тепловой обработки, помимо марочной прочности, должна
быть определена прочность образцов, твердеющих в одинако-
вых условиях с изготовляемыми изделиями и конструк-
циями.
Объемный вес легкого бетона определяют замеряя объем
и взвешивая образцы, предназначенные для определения
предела прочности при сжатии. Поскольку при этом опреде-
ляется объемный вес образцов бетона естественной влажнос-
ти, а в расчетах используют объемный вес сухих образцов,
необходимо вести перерасчет по формуле
v сух— Ю0-7оест
‘° — 100+W’
где 7осух— объемный вес сухого бетона;
Уоест — объемный вес бетона естественной влажности;
W — весовая влажность бетона, определяемая после ис-
пытания образцов на сжатие, в %.
Установленные Строительными нормами и правилами
(СНиП) марки легких бетонов по прочности и ориентировоч-
но соответствующие им объемные веса для керамзитобетона
приведены ниже:
Марки легкого
бетона согласно
СНиП, кГ/см2 25 35 50 75 100 150 200 300
Средний объемный
вес легкого бетона
на керамзитовых
заполнителях, кг!м? 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600
208
II. ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ
ДЛЯ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Согласно ГОСТ 9757-61 к пористым неорганическим запол-
нителям относят сыпучие материалы с объемным насыпным
весом не более 1000 кг/м3 для крупных заполнителей, щебня
и гравия и не более 1200 (1300) кг/мг для песков.
Пористые заполнители делятся на природные и искусствен-
ные — отходы промышленности и специально изготовленные.
Классификация основных пористых заполнителей, наиболее
часто применяемых для приготовления легких бетонов, при-
ведена в табл. 35.
Таблица 35
Классификация основных пористых заполнителей для бетонов
Искусственные
Природные отходы промышленности специально изготовляемые
Пемза — пористая поро- да, состоящая из кисло- го вулканического стекла Вулканический шлак — пористая порода, состоя- щая из основного вулка- нического стекла Вулканический туф — мелкопористая порода, состоящая из сцементи- рованного вулканическо- го пепла и стекла Пористые известняки, из- вестняки-ракушечники, известковые туфы Топливные шлаки, обра- зующиеся *при сжигании углей или их переработ- ке в газообразное топ- ливо Металлургические от- вальные шлаки, образу- ющиеся при естествен- ном охлаждении распла- вов металлургических шлаков Керамический бой — от- ходы производства гли- няного кирпича и других пористых керамических изделий Керамзит Шлаковая пемза Перлит Аглопорит
Природные пористые заполнители имеют очаговое распро-
странение и могут быть использованы для производства лег-
ких бетонов только в районах месторождений заполнителей.
Ресурсы пористых заполнителей — отходов промышлен-
ности также недостаточны, кроме того, эти заполнители неод-
нородны по свойствам и часто недостаточно стойки во време-
14 Зак. 3203
209
Р,с. 65.
а — керамзит; о — перлит, в и
210
ни. Поэтому их .применяют главным образом лишь в произ-
водстве стеновых камней для неответственных конструкций.
Основное значение для .производства легких бетонов име-
ют специально приготовляемые пористые заполнители из-за
их высоких технических качеств, распространенности сырья и
сравнительно несложной технологии производства (рис. 65).
Керамзит —наиболее .распространенный, качественный и
перспективный пористый заполнитель для легких бетонов —
получают из легковспучивающихся легкоплавких глинистых
пород.
Наиболее распространено производство керамзитового
гравия пластическим способом. Пластичное глиняное тесто
продавливают сквозь дырчатую поверхность, в результате
чего образуются гранулы размером 8—20 мм, которые посту-
пают во вращающуюся печь на обжиг. При быстром нагреве
гранул до пиропластического состояния (около 1200°) проис-
ходит их вспучивание, главным образом за счет выделения
кислорода при восстановлении окислов железа и удаления
химически связанной воды. После охлаждения образуется по-
ристый гравий с оплавленной поверхностью. Поры в керамзи-
те в основном сферической формы, размером от нескольких
микрон до 1 мм.
Керамзитовый песок обычно получают дроблением керам-
зитового гравия, при этом с уменьшением размеров фракций
возрастает объемный вес материала.
.Шлаковую пемзу (термозит) получают в результате вспу-
чивания расплавов металлургических шлаков при их быстром
охлаждении водой. Выделяющиеся газы из-за уменьшения их
растворимости при понижении температуры, а также водяные
пары, поступающие в расплав извне, в период достижения
расплавом оптимальной вязкости вспучивают массу. После
охлаждения вспученного расплава образуется пористый ма-
териал, сходный по структуре с природной пемзой. Глыбы
шлаковой пемзы дробят в щековых и валковых дробилках и
рассеивают на соответствующие фракции пористого щебня и
песка.
Вспученный перлит получают при обжиге водосодержа-
щих вулканических стекол: перлитов, обсидианов, витрофи-
ров и др. Режим обжига подбирают, учитывая необходимость
совмещения процессов испарения химически связанной воды
и перехода вещества породы в пиропластическое состояние.
Породу предварительно дробят до получения требуемых фра-
кций, затем подсушивают и быстро обжигают. При этом зер-
14*
211
на исходной породы увеличиваются в объеме в 5—10 раз.
Конечный продукт представляет собой неокатанные, оплав-
ленные с поверхности частицы с тонкопористым строением.
Как правило, объемный вес вспученного перлитового песка
меньше, чем щебня.
Аглопорит получают при спекании на агломерационных
решетках глинистых пород и отходов от добычи угля, шлаков,
зол. Исходное сырье крупностью 5—7 мм смешивают с водой,
а в случае необходимости — с измельченным топливом и за-
гружают на агломерационную решетку слоем толщиной 20—
30 см. Верхний слой шихты зажигают и одновременно обес-
печивают просос воздуха через нее сверху вниз для постепен-
ного спекания на всю глубину. Топливо выгорает, зерна гли-
нистого сырья спекаются и образуют глыбы пористого мате-
риала, который дробят и рассеивают на щебеночные и песча-
ные фракции. Аглопоритовый щебень имеет как крупные от-
крытые поры диаметром 0,6—5 мм, так и мелкие диаметром
от нескольких микрон до 0,5 мм.
Для оценки качества пористых заполнителей производят
анализ их физико-механичеоких свойств, определяемых в со-
ответствии с ГОСТ 9758-61: объемного насыпного веса ун, объ-
емного насыпного веса щебня (гравия) в куске уо, удельного
веса у, водопоглощения, зернового состава, прочности и моро-
зостойкости. Определение их (за исключением прочности) не
отличается от определения аналогичных свойств обычных
заполнителей.
Имея показатели этих свойств, расчетным путем можно
определить открытую и закрытую пористость кусков запол-
нителя и объем его межзерновых пустот.
При расчетах бетонных смесей по принципу абсолютных
объемов необходимо определять объемные веса пористых
заполнителей в цементном тесте и растворе. Для этого навес-
ку песка смешивают с навеской цемента и водой до получения
определенной подвижности смеси (обычно 7 см по конусу
СтройЦНИЛа). Смесью наполняют литровый цилиндр,
уплотняют ее легкой вибрацией и определяют объемный вес.
Объемный вес пористого песка в цементном тесте вычис-
ляют по формуле
Y ц-т.
|п
-----------------Мл],
1000Е-\м (5а— qB
4 HI 7
где усм — объемный вес смеси в цилиндре в кг/м3-,
уд — удельный вес цемента в т/л/3;
212
S — суммарный вес всего замеса в кг\
Чп, Чи, Чв — соответственно вес песка, цемента, воды в за-
месе в кг.
Указанная формула получена преобразованием зависи-
мости
_ S
7см~' Чп , Ча , '
Тпц-Т 1 * Тц ’гЧв
Необходимо определить объемный вес каждой фракции
пористого крупного заполнителя в цементно-песчаном раство-
ре 1 :2 (песок кварцевый). Воду для замеса берут в количест-
ве, обеспечивающем жесткость бетонной смеси 10—20 сек.
Объемный вес смеси определяют в 5-литровом цилиндре
после уплотнения на виброплощадке.
Объемный вес испытываемой фракции крупного заполни-
теля в цементном растворе определяют по формуле
7см‘Яш
Ц.т __________, _ _________
7““г>=1ооо2-Тсм(Я2.+я«.+чв)’
х7п |Ц f
где ущ — вес щебня в замесе в кг\ остальные обозначения те
же, что и в предыдущей формуле.
Средний объемный вес зерна смеси фракций пористого
заполнителя рассчитывают по формуле
7ц.т =_ ЮО
* Щ(г) Xi
х2 I Х3
7 щ, 7 щ2 7 шз
здесь 7щь 7щ3 —объемный вес зерен данной фракции в
кг/л;
Xi, Хг, Хз — процентное содержание данной фракции в сме-
си по весу1.
Так как при определении объемного веса пористых запол-
нителей в цементном тесте и растворе учитывается объем зе-
рен без открытых пор, заполняемых цементным тестом и от-
1 Согласно ГОСТ 9758-61 при укладке смеси в цилиндр помещают все
зерна крупного заполнителя, находящиеся в замесе. В этом случае для
определения объемного веса применяют формулу
ц.т _____________Яш______________
Чщ \ 7п 7ц *
где V — объем сосуда в л;
q — вес смеси в цилиндре в кг.
213
сасываемой водой, то значения у3дт всегда больше, чем стан-
дартно определяемое значение объемного веса заполнителей
в куске vo-з. Особенно значительна эта разница в объемных
весах пористых заполнителей с большим количеством откры-
тых пор (аглопорит, термозит, дробленый керамзит).
Для установления прочности пористых заполнителей пред-
лагалось много методов. В настоящее время ГОСТ 9758-61
принят метод определения условной прочности пористого за-
полнителя сжатием зерен каждой фракции в стальном ци-
линдре внутренним диаметром и высотой 120 мм путем вдав-
ливания стального пуансона на глубину 20 мм.
За прочность пористого заполнителя принимают значение
удельного усилия на прессе в кГ/см2 в момент погружения
пуансона до риски, соответствующей указанной глубине.
Как доказано М. 3. Ванштейном и С. М. Изковичем, дей-
ствительная прочность пористых заполнителей в 4—5 раз
выше прочности, определяемой в цилиндре.
Наиболее точное представление о механической прочности
пористых заполнителей может быть дано только при их ис-
пытании в бетоне.
Согласно требованиям ГОСТ большинство пористых за-
полнителей должно быть проверено на равномерность изме-
нения объема и устойчивость против силикатного и железис-
того распада. Равномерность изменения объема проверяют
по методике ГОСТ 310-60 на лепешках, изготовленных из
смеси порошка заполнителя с портландцементом.
Силикатный распад заключается в переходе соединений
типа бета-кальциевого силиката в гамма-фор.му, железистый
распад возникает вследствие гидролиза сульфидов железа.
При указанных процессах появляются новообразования, уве-
личивающие объем и разрушающие заполнитель.
Для определения устойчивости против силикатного распа-
да навеску определенной фракции заполнителя пропаривают
и последующим рассевом определяют процент разрушенных
зерен. Определение стойкости против железистого распада
производят аналогично, только навеску заполнителя не про-
паривают, а выдерживают 30 суток в дистиллированной воде.
Дополнительными испытаниями пористых заполнителей
может быть определение прочности отдельных зерен, коэф-
фициента размягчения, потерь при прокаливании, содер-
жания зерен обсидиана.
По показателям объемного насыпного веса в сухом состоя-
нии (в кг/м2) пористые заполнители делятся на марки 100,
214
150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000 для щебня
(гравия) и песка и 1200, 1300 только для песка.
Крупные пористые заполнители разных марок по объем-
ному весу должны иметь прочности при сжатии в цилиндре
не менее установленных значений (табл. 36).
Таблица 36
Выборочные данные требований ГОСТ по прочности
пористых заполнителей различных марок
Марки порис- тых заполни- телей, кГ)м2 Предел прочности при сжатии в цилиндре, кГ)см\ не менее
керамзит | термозит аглопорит перлит
300 Ю (8) 5
400 17 (14) 4 4 8
500 25 (20) — 6 13
600 35 (30) 10 8 .—
800 64 (40) 20 12 —
Примечание. Значения прочности в скобках даны для керамзита
класса Б (пониженной прочности).
III. ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
ОТ ИХ СОСТАВА
Особенности свойств бетонов
на пористых заполнителях
Пористыми заполнителями обусловлено появление некото-
рых свойств бетонной смеси и бетона, отличных от свойств
смеси и бетона, приготовленных на плотных заполнителях.
Основные отличия следующие.
I. Пористые заполнители имеют более развитую поверх-
ность, чем плотные, что требует большего количества цемент-
ного теста для обмазки их поверхности и обеспечения удобо-
укладываемости смеси.
2. Система открытых пор в заполнителях вызывает подсос
воды внутрь заполнителя, который энергично развивается з
первые часы после затворения, уменьшает значение В/Ц в
бетонной смеси и ухудшает ее удобоукладываемость. Погло-
щенная заполнителями вода отсасывается капиллярами це-
215
ментного камня по мере его твердения и положительно влия-
ет на увеличение глубины гидратации зерен цемента.
3. При перемешивании бетонной смеси часть заполнителя
дробится и истирается, что увеличивает содержание мелких
фракций.
4. Объемный вес заполнителя меньше объемного веса це-
ментного теста и раствора, что может привести к расслоению
смеси и поднятию заполнителя вверх.
5. Прочность крупного заполнителя в легких бетонах мо-
жет быть ниже прочности цементного камня и раствора, что
иногда приводит к разрушению заполнителей в бетоне без .раз-
рушения цементного камня.
6. Легкие заполнители обладают повышенной адгезией с
цементным камнем, что обусловлено как наличием пористой,
хорошо развитой поверхности, так и химическим взаимодей-
ствием некоторых заполнителей с гидролитической известью
в портландцементе. х
Перечисленные свойства различны у разных видов запол-
нителей и по-разному влияют на соответствующие свойства
легких бетонов. Даже один вид заполнителей по-разному
влияет на свойства легкого бетона в зависимости от сырья,
технологии производства, зернового состава и других факто-
ров.
Все это не дает возможности установить аналитические
зависимости свойств легких бетонов от их состава, как это
сделано для тяжелых бетонов. Можно определить лишь об-
щие идеи изменения свойств легких бетонов на пористых
заполнителях, что было впервые проведено нашими учеными
Н. А. Поповым, А. И. Вагановым, М. 3. Симоновым. В настоя-
щее время эти идеи успешно развиваются уже применитель-
но к определенным заполнителям и определенным видам лег-
ких бетонов на них Г. А. Бужевичем, В. Г. Довжиком,
И. А. Ивановым, Н. Я- Спиваком и др.
Свойства легкобетонной смеси
Как было сказано, бетонные смеси на пористых заполни-
телях отличаются недостаточной удобоукладываемостыо и
склонностью к расслаиванию, что связано с особенностями
свойств заполнителей.
В легкобетонной смеси все составляющие, в том числе и
зерна заполнителей, имеют различные объемные веса, причем
216
зерна крупного заполнителя стремятся всплыть кверху. По
этой причине легкобетонные смеси не могут приготовляться в
смесителях свободного перемешивания, расслаиваются при
длительном их транспортировании, большой высоте падения
и продолжительном виброуплотнении. Большая шерохова-
тость и водопотребность заполнителей увеличивают трение и
сцепление между частицами твердой фазы. Кроме того, удо-
боукладываемость легкобетонной смеси значительно изменя-
ется со временем, особенно вначале, при транспортировке и
укладке. Все это затрудняет изучение реологических и тех-
нических свойств бетонных смесей на пористых заполнителях.
В основном же зависимость удобоукладываемости от со-
става заполнителей подчиняется закономерностям, установ-
ленным для обычных бетонных смесей. Увеличение расхода
воды в смеси снижает вязкость цементного теста и раствора
и улучшает удобоукладываемость бетонной смеси. Зависи-
мость удобоукладываемости керамзитобетоннби смеси от во-
досодержания приведена на
рис. 66.
Изменение расхода цемента
от 150 до 400 кг)м3 при посто-
янном водосодержании почти
не меняет удобоукладываемо-
сти керамзитобетонной смеси;
таким образом, на некоторые
легкобетонные смеси можно
распространить правило по-
стоянства водосодержания, ус-
тановленное для бетонных
смесей на плотных заполните-
лях.
Так же, как и у бетонных
смесей на плотных заполните-
лях, лучшая удобоукладыва-
емость легкобетонных смесей
наблюдается при определен-
ном соотношении между пес-
ком и крупным заполнителем.
Это соотношение у легкобе-
тонных смесей необходимо не
только для лучшей удобоукла-
дываемости и нераеслаивае-
мости смеси, но и наименьшего
объемного веса затвердевшего
Рис. 66. Зависимость удобо-
укладываемости керамзитобе-
тонной смеси от ее водосодер-
жания.
217
бетона. Поэтому объемная доля песка в смеси заполнителей,
так называемый структурный фактор М=п^щ^ру, является
важнейшей характеристикой легкого бетона.
Значительно ухудшают удобоукладываемость крупные и
мелкие заполнители с неокатанной поверхностью.
Изменение наибольшей крупности крупного заполнителя
в отличие от обычных бетонных смесей почти не сказывается
на удобоукладываемости легкобетонных смесей. Это объясня-
ется тем, что увеличение водопоглощения при увеличении
крупности заполнителей компенсируется уменьшением их
удельной поверхности. В некоторых случаях уменьшение
крупности заполнителя улучшает удобоукладываемость (сни-
жает жесткость смеси).
Легкобетонную смесь желательно укладывать как можно
быстрее после приготовления из-за отсоса воды из цементного
теста зернами заполнителя. Отсос воды увеличивается с уве-
личением водоцементного отношения в смеси и при значени-
ях, близких к единице, может составить около 70% полного
водонасыщения заполнителей. Из этого количества воды
около 50% заполнитель принимает в течение первых 30 ми-
нут, остальное в течение трех-пяти часов после затворения.
Предварительное увлажнение заполнителей для ликвидации
отсоса и улучшения удобоукладываемости смеси эффекта не
дает и вызывает только повышение суммарного водосодержа*
ния легкобетонной смеси.
При приготовлении легких бетонов, особенно на заполни-
телях с большой открытой пористостью, весьма эффективным
технологическим мероприятием оказалось изменение порядка
загрузки материалов в смеситель. Сначала загружают запол-
нители, тонкомолотую добавку (если она применяется) или
часть цемента и 2/3 потребного на замес количества воды.
Затем, не останавливая бетоносмеситель, вводят цемент с
остальным количеством воды. Предполагается, что тонкомо-
лотые частицы закроют часть пор на поверхности заполните-
ля. Кроме того, предварительное перемешивание щебня в ме-
шалках принудительного действия в течение трех-пяти минут
способствует некоторому его истиранию и окатыванию, что
уменьшает водопоглощение заполнителя в начальные сроки
при приготовлении бетонных смесей и улучшает их удобоук-
ладываемость.
Обычные методы повышения удобоукладываемости бетон-
ных смесей за счет увеличения в них количества воды или
218
цементного теста ухудшают технические свойства легких бе-
тонов, поэтому целесообразно использовать более жесткие
смеси и применять соответствующее формующее оборудова-
ние для полного их уплотнения (вибрирование с пригрузом,
ьибропрессование, виброштампование, вибропрокат).
При укладке жестких лепкобетонных смесей весьма эффек-
тивно применение поверхностноактивных гидрофобных до-
бавок (асидол, мылонафт, кремнийорганические жидкости и
др.), принципы действия которых разобраны ранее (см. пер-
вую часть).
Гидрофильные поверхностноактивные добавки, успешно
применяемые в подвижных смесях обычного бетона, в легко-
бетонных подвижных смесях эффекта не дают, что, очевидно,
объясняется миграцией влаги между пористыми заполнителя-
ми и цементным тестом.
Как уже упоминалось, легкобетонные смеси имеют боль-
шую склонность к расслоению. Для уменьшения расслаивае-
мости легкобетонных смесей необходимо повысить структур-
ную прочность и вязкость их растворной части, что можег
быть достигнуто увеличением содержания цемента, дисперс-
ных добавок или мелкого заполнителя в смеси, а также введе-
нием поверхностноактивных добавок-микропенообразовате-
лей.
По данным Л. П. Орентлихер, введение в керамзитобетон-
ную смесь добавки ГКЖ-Ю в количестве 0,2% от веса цемен-
та позволило расширить границы оптимального водосодержа-
ния смеси на ±24 л. Таким образом, добавка ГКЖ служит
хорошим средством против расслоения смеси и в то же время
эффективным пластификатором.
Объемный вес легких бетонов
Объемный вес затвердевшего легкого бетона является
определяющим показателем для теплоизоляционных бетонов,
имеет одинаковую значимость с прочностью при проектиро-
вании теплоизоляционно-конструктивных бетонов и важное,
но несколько меньшее значение, чем прочность, для конструк-
тивных бетонов.
Объемный вес затвердевшего сухого бетона может быть
выражен формулой
Yo=8-H,15 (1,20) Ц,
где 3 — вес заполнителей в 1 м3 бетона в кг;
Ц — вес цемента в 1 л3 бетона в кг;
219
a
б
0,15 яз 0,6 1,2 гр 5 Ю 20 40 0,15 W 0,0 1,2 2,5 5 10 20 40
Отверстия сит, нм Отверстия сит, мн
Рис. 67. График зернового состава заполнителей для пластичной
бетонной смеси (% по объему):
0 — пористый щебень; б — пористый гравий,
Рис. 68. График зернового состава заполнителя для виброуплотняемой бетонной смеси (% по объему):
а — пористый щебень; б — пористый гравий.
1,15(1,20) —коэффициенты, учитывающие увеличение ве-
са цемента при его гидратации.
В легких бетонах объемные веса заполнителей в куске
меньше объемного веса цементного камня, поэтому увеличе-
нию количества цемента в бетоне соответствует увеличение
объемного веса бетона, и, наоборот, увеличение содержания
заполнителей уменьшает его.
Наиболее легкий бетон на данных материалах можно по-
лучить при предельном насыщении его объема заполнителем,
подобрав определенным образом соотношение различных
фракций заполнителя.
По подбору наиболее плотного скелета из рыхлых камен-
ных материалов проведены многочисленные исследования, в
результате которых установлены как теоретические зависи-
мости, так и эмпирические, полученные обобщением опытных
данных.
В. В. Охотиным доказано, что наименьшая пустотность
смеси песчано-гравийных материалов наблюдается в том слу-
чае, когда средние размеры взятых фракций последовательно
.различаются в 16 раз, а весовое содержание каждой меньшей
фракции составляет 0,43% предыдущей. Однако такие смеси
плохоудобоукладываемы и малоприемлемы в производстве.
При принятом у нас разделении сыпучих материалов на
фракции последовательным уменьшением средних размеров
в два раза наибольшая плотность смеси получается при весо-
вом отношении последующей фракции к предыдущей, рав-
ном 0,7—0,85 (при материалах с одинаковым объемным весом
в куске).
Я. Ш. Штейном определены зерновые составы пористых
заполнителей, дающие наиболее полное заполнение объема в
бетоне (максимальное насыщение заполнителем), которые
обычно выражаются в виде графиков, подобных представлен-
ным на рис. 67 и 68.
На рис. 67 приведены графики непрерывной грануломет-
рии для подвижных бетонных смесей, а на рис. 68 графики
прерывистой гранулометрии для жестких смесей (без фрак-
ции 1,2—5 мм), обеспечивающих большую плотность скелета
заполнителей,- но ухудшающих показатели удобоукладывае-
мости и нерасслаиваемости смесей.
Как видно из графиков, при применении щебня количество
песчаной фракции в смеси повышается, что вызвано необхо-
димостью заполнения большого объема пустот и раздвижки
щебенок для улучшения удобоукладываемости смеси.
222
Более грубо составы плотных скелетов заполнителей могут
быть заданы значениями г — содержанием песка в смеси за-
полнителей по объему. Величина г для конструктивно-тепло-
изоляционного керамзитобетона колеблется от 25 до 55%;
значение г в указанных пределах повышается при уменьше-
нии предельной крупности заполнителей. Такой подбор скеле-
та из пористых заполнителей обычно применяется для конст-
руктивных бетонов, где объемный вес менее важен, чем проч-
ность бетона.
Увеличение песка в смеси в определенных пределах повы-
шает ее удобоукладываемость и увеличивает объемный вес
Рис. 69. Характер изменения объемного веса легкого бетона (сплош-
ные линии) и расхода вяжущего (пунктирные линии) в зависимости от
зернового состава заполнителей в равнопрочном легком бетоне.
223
бетона. Для конструктивных легких бетонов содержание лес-
ка в смеси заполнителей целесообразно несколько повышать
для обеспечения нерасслаиваемости и улучшения удобоукла-
дываемости в целях максимального уплотнения смеси.
В 1962 г. Н. А. Поповым был предложен метод нахожде-
ния зернового состава заполнителей для .конструктивно-теп-
лоизоляционных легких бетонов, обеспечивающий получение
бетона определенной прочности с заданным объемным весом
и наименьшим расходом цемента.
Анализируя составы равнопрочных легких бетонов — от
слитной структуры с избыточным количеством песка до круп-
нопористых, беспесчаных, Н. А. Полов установил, что наи-
меньший объемный ве(; имеют бетоны на заполнителях без
песчаных фракций, а наибольший бетоны с повышенным со-
держанием песка (фракций 0—4,2 и 1,2—5 мм).
Однако для обеспечения требуемой прочности крупнопо-
ристых бетонов необходим больший расход цемента, чем для
песчаных. Указанные зависимости объемного веса бетона и
расхода цемента от зернового состава заполнителей,
выраженного в треугольных координатах, приведены на
рис. 69.
Из диаграмм видно, что линия АО является геометриче-
ским местом точек, определяющих рассматриваемые составы
заполнителей. Разделив отрезок АО на четыре части, полу-
чают пять зерновых составов (табл. 37), которые и рекомен-
дуются к проверке в бетоне1.
Таблица 37
Рекомендуемые зерновые составы заполнителя, %, по объему
Номера зерновых составов заполнителя Фракции, мм
менее 1,2 1,2—5 | более 5
I 100
II 10 5 85
III 20 10 70
IV 30 15 55
V 40 20 40
Изготовив образцы равнопрочного бетона на всех соста-
вах и определив их объемный вес и расход цемента, можно
1 Указанные зависимости неприменимы к заполнителям, у которых
объемные веса песка меньше, чем щебня, например к перлитам.
224
построить график, по которому определяют зерновой состав,
обеспечивающий требуемый объемный вес при минимальном
расходе цемента.
Прочность легких бетонов
Разрушение легкого бетона при сжатии происходит вслед-
ствие разрыва его ‘в поперечном направлении, когда величина
поперечных деформаций достигает предела растяжимости.
Напряжения, возникающие в этот момент, и определяют проч-
ность легкого бетона.
Вследствие того, что в легких бетонах из-за повышенной
адгезии цементного камня к заполнителю разрушения по пло-
щади их контакта практически не происходит, разрушение'
бетонов вызывается предельными деформациями цементного
камня (раствора) и заполнителя. Так как модули деформации
пористых заполнителей в большинстве случаев меньше моду-
лей деформации раствора, то с увеличением насыщения лег-
кого бетона заполнителем прочность его снижается, или,
иными словами, повышение объема цементного камня в объе-
ме слитного легкого бетона увеличивает его прочность.
Эта зависимость может быть представлена формулой
R6_ 1-v
R'e— 1—>'*
где v и у' — относительное содержание в бетоне крупного за-
полнителя по объему;
Re и Re' — пределы прочности бетонов при сжатии при
соответственных значениях v и v'.
При определенном насыщении заполнителя А. И. Ваганов
рассматривает две фазы разрушения бетона в зависимости
от нарастания прочности раствора (рис. 70).
В легком бетоне предельная растяжимость заполнителя
является .постоянной, а растяжимость раствора — переменной
возрастающей величиной. Поэтому в зависимости от их соот-
ношения в процессе нарастания прочности бетона разруше-
ние может происходить и по раствору, и по заполнителю.
В первой фазе разрушения предельная растяжимость раст-
вора меньше, нежели пористого заполнителя; разрушение бе-
тона происходит вследствие разрыва по раствору. Повышение
прочности раствора повышает прочность бетона, как это .
наблюдается и у бетонов на плотных заполнителях.
При нарастании прочности после превышения раствором
значений предельной растяжимости пористого заполнителя
15 Зак. 3203
225
б
Рис. 70. Характерные фазы разрушения легкого бетона
(по А. И. Ваганову):
а — зависимости предельной растяжимости от Rpi / — раствор; 2 —ке-
рамзит; 3 — керамзитобетон; б — физическая картина начального разру-
шения бетона для I и П фаз.
226
наступает вторая фаза, при которой разрушение бетона про-
ходит по заполнителю*.
Предел прочности бетона при сжатии в первой фазе мо-
жет бы1ъ выражен формулой
Кб—Кб * ^б Еб * £р,
где Еб — модуль деформации бетона в Момент разрушения;
еб — предельная деформация бетона;
еР — предельная деформация раствора.
Предел прочности во второй фазе определяют из формулы
R6—Еб * ®б—Еб *
где е3 — предельная деформация заполнителя.
На основании приведенных формул можно определить за-
висимость между прочностью лепкого бетона Re и прочностью
раствора Rp.
В течение первой фазы разрушения эта зависимость опре-
деляется отношением
Re___Еб * __Ее
Ер-ер Ер’
где Ер — модуль деформации раствора в момент разрушения.
Таким образом, отношение предела прочности бетона к
пределу прочности раствора равно отношению их модулей де-
формации в момент разрушения. Так как модуль деформации
бетона является функцией возрастающего модуля деформа-
ции раствора и постоянного модуля деформации заполнителя,
то его рост отстает от роста модуля деформации раствора.
С увеличением прочности раствора отношение будет не-
Кр
сколько уменьшаться»
Во второй фазе разрушения отношение пределов прочнос-
ти бетона и раствора определяется уравнением
Re__Eg * £з
Rp Ер-ер
В этом уравнении е3 — постоянная, а отношение прочности
бетона к прочности раствора уменьшается за счет не только
увеличения Ер, но и возрастания 8Р. Все это .вызовет резкое
Re
снижение отношения-5-
Кр-
1 Зависимости А. И. Ваганова не учитывают упрочнения пористого за-
жолнителя в условиях адгезионного всестороннего обжатия его более проч-
ным раствором.
15*
227
Приведенные зависимости для определенного пористого
заполнителя представлены графически на рис. 71.
Из графика видно, что наиболее экономичные составы
легких бетонов соответствуют первой фазе разрушения бетона,
пределы которой расширяются с увеличением прочности при-
меняемого заполнителя.
Рис. 71. Зависимость прочности легкого бетона от прочности раствора.
А. И. Ваганов предложил оценивать качество легкого
заполнителя и целесообразность его использования для бе-
тонов определенных марок построением кривых, аналогичных
приведенной на рис. 70.
Обозначив отношение тр через Кп— коэффициент ис-
кр
пользования прочности раствора — и строя графики в коорди-
натах Кп и Rc, можно более наглядно сравнивать различные
пористые заполнители. Заполнители, имеющие более высокий
коэффициент использования, при той же марке бетона потре-
буют меньшую прочность раствора, а следовательно, и мень-
ший расход цемента.
228
Рис. 72. Зависимость коэффициента использования прочности
раствора от вида керамзита и прочности бетона:
керамзит с объемным весом зерен: / — 1400 кг!м\ 2—1040 кг!м\ 3 —
860 кг!м?', 4 — 520 кг)м3.
В качестве примера на рис. 72 приведены графики изме-
нения коэффициентов использования для керамзитового гра-
вия разного объемного веса и, следовательно, разной проч-
ности.
Хотя зависимости прочности легких бетонов от упругих
характеристик раствора и заполнителей, установленные
А. И. Вагановым, теоретически обоснованы, практически поль-
зоваться ими затруднительно из-за сложности определения
модулей упругости деформаций или напряжений растворов и
заполнителей.
Поэтому большое практическое распространение получили
зависимости, связывающие прочность легких бетонов с проч-
ностью цементного камня, в которых влияние заполнителей
учитывается введением коэффициентов.
В тяжелых бетонах принято прочность раствора опреде-
22®
лять водоцементным отношением. Эта зависимость положена
в основу формул, практически используемых для определения
прочности бетона. В бетонах на легких заполнителях проч-
ность цементного камня также зависит от водоцементного от-
ношения, но использовать ее для определения прочности бе-
тона не представляется возможным из-за крайне неравномер-
ного отсоса воды пористыми заполнителями.
Рис. 73. Зависимость прочности легкого бетона от водоцементного
отношения:
а — керамзитобетон; б — перлитобетон; в — шлакобетон.
Графически (рис. 73) зависимость прочности легкого бе-’
тона представляется двухветвевой кривой, где левая ветвь
выражает недостаток воды, а правая ее избыток. Максимум
прочности и вид кривой изменяются при изменении зернового
состава заполнителя и степени насыщения им бетона. Так
как количество воды в легкобетонной смеси назначается по
требуемой удобоукладываемости и в основном определяется
качеством скелета заполнителей, мало изменяясь с расходом
цемента, то прочность бетона удобнее выражать функцией
расхода цемента, которая в определенных пределах прямо-
линейна:
230
R6=ARu(U—С),
где А и С — коэффициенты, зависящие от качества заполни-
телей и цемента (рис. 74).
Рис. 74. Зависимость прочности легкого бетона от расхода цемента.
Для бетонов с определенным скелетом заполнителей при
требуемом водосодержании изготовляются Образцы с разным
содержанием цемента, испытанием которых можно получить
данные для построения графика, подобного представленному
на рис. 74, и определить коэффициенты А и С для расчетной
формулы.
231
Оптимальное водосодержание
бетонной смеси
Изменение объема уплотняемой бетонной смеси в зависи-
мости от ее водосодержания, по М. 3. Симонову, может быть
выражено графиком (рис. 75).
Нижняя кривая графика отражает объем виброуплотняе-
мой смеси, верхняя — объем смеси, уплотняющейся под дей-
ствием собственного веса. На каждой кривой можно отметить
Рис. 75. Изменение объема бетонной смеси в зависимости от водосо-. .
держания.
232
четыре характерные точки, соответствующие: 1 и 1'— сухому
состоянию; 2 и 2' — капиллярно разобщенному обводнению
твердой фазы, когда водные пленки на поверхности частиц
раздвигают их и увеличивают объем смеси; 3 и 3' — состоя-
нию, при котором вода заполняет все межзерновые пустоты,
а пленки ее в контактах между твердыми частицами имеют
минимальное значение; в этом случае при надлежащем уплот-
нении может быть достигнута максимальная плотность сме-
си; 4 и 4' — полной влагоемкости смеси, т. е. полному запол-
нению водой межзерновых пустот и образованию максималь-
ной толщины пленок воды в контактах между частицами; в
этом состоянии объем виброуплотняемой смеси увеличивает-
ся По сравнению с объемом в точке 3 и приближается к объе-
му естественно уплотняемой смеси. Точка 4 характеризует
предельную водоудерживающую способность смеси; даль-
нейшее ее увлажнение будет приводить к водоотделе-
нию.
Объемы смеси в точках 1 и 3, расположенных на прямых,
идущих параллельно оси абсцисс, равны, из чего следует, что
объем воды для обеспечения максимальной плотности смеси
примерно равен объему пустот в сухой смеси. Поэтому можно
считать, что водопотребность бетонной смеси зависит от ее
пустотности и площади поверхности частиц твердой фазы.
Практически в зависимости от принятых средств уплотнения
смеси'ее объем (а следовательно, и плотность) будет выра-
жаться различными значениями на кривой между точками
3 и 4. С понижением в смеси содержания тонкодисперсных
частиц интервал между точками 3 и 4 уменьшается, и в пре-
деле, в беспесчаных смесях, они сольются.
Естественно, что структура бетона, полученная при наи-
большем уплотнении смеси, обеспечит и наибольшую плот-
ность затвердевшего бетона.
Н. А. Поповым и М. А. Решетниковым было выдвинуто
положение, что при неизменном количестве цемента в бе-
тонной смеси и принятом режиме уплотнения наибольшая
прочность бетона будет достигнута при таком количестве
воды, которое обеспечивает минимальный объем (выход)
уплотняемой бетонной смеси (рис. 76).
Приведенные зависимости позволяют установить опти-
мальное содержание воды в смеси без испытания образцов
на прочность путем определения объема бетонной смеси при
уплотнении с разным содержанием воды. Обычно используют
10—‘5-литровый цилиндр, снабженный мерной линейкой. Сме-
233
Рис. 76. Оптимальное водосодержание бетонной смеси.
объемный Sec 1 прочность
-си уплотняют в соответствии с режимами, принятыми на про-
изводстве.
Для исходного замеса содержание воды оценивают визу-
ально по «влажности комкования». Оно должно быть таким,
чтобы бетонная смесь комковалась при сжатии в руке, но не
прилипала к ней, имела характерный 'блеск и не отделяла бы
цементное молоко при перемешивании. Затем готовят замесы,
в которых воды на 10 и 20% меньше и больше, чем в исход-
ном. Построив график зависимости Квых (а если имеется воз-
можность, то Ro) от водосодержания, находят оптимальный
расход воды. ,
234
При подборе оптимального расхода воды добиваются
наиболее выгодных составов легкого бетона, .но прй этом сме-
си получаются сравнительно жесткими и из них трудно фор-
мовать насыщенные арматурой тонкостенные конструкции.
Поэтому иногда приходится подбирать количество воды по
заданным показателям подвижности бетонной смеси опытным
путем по осадке стандартного конуса.
Для разных типов бетонируемых конструкций, принятых
средств уплотнения и используемого пористого заполнителя з
технической литературе приведены таблицы необходимых
подвижностей бетонных смесей. В качестве примера в табл. 38
даны выборочные материалы одной из таких таблиц.
Таблица 38
Требования к подвижности керамзитобетонных смесей
Тип бетонируемой конструкции Средства укладки бетонной смеси Осадка конуса, см
Сборные тонкостенные Наружные тисковые виб-
железобетонные изделия (плоские панели, насти- лы, тонкие плиты ограж- дений и покрытий), изго- товляемые в вертикаль- ном положении в кассет- раторы. Глубинные ви- браторы или виброуст- ройства, находящиеся в пустотообразователях и в двойных стенках фор- мы 10—12
ных формах Монолитные железобе- тонные конструкции боль- Поверхностные вибрато- ры или пневмотрамбовки 6-8
шого и среднего сечения (плиты, балки, колонны и т. д.) Монолитные массивные неармодраванные конютрук- ции и конструкции с редко расположенной ар- матурой Глубинные или поверх- ностные вибраторы, а также наружные тиско- I вые вибраторы или пнев- 1 мю трамбовки 3—5
IV. ПОДБОР’СОСТАВА ЛЕГКОГО БЕТОНА
Подбор состава легкобетонной смеси на пористых запол-
нителях должен обеспечить наиболее выгодное и экономичное
соотношение имеющихся заполнителей, цемента и воды для
получения заданной прочности и объемного веса затвердев-
шего бетона. Подбор производят опытным путем с использо-
ванием указанных ранее зависимостей свойств бетона от его
235
состава. Наиболее распространены разработанные Н. А. По
повым с сотрудниками опытные методы подбора легкого бе
тона с оптимальным количеством воды и. заданной подвиж-
ностью смеси и расчетно-экспериментальный метод В. Г. Дов
жика для подбора состава керамзитобетона.
Подбор состава легкого бетона
с оптимальным содержанием воды
Этот метод подбора применяют в том случае, если не
предъявляется каких-либо специальных требований к удобо-
укладываемости бетонной смеси.
Порядок подбора следующий.
1. Назначают предельную крупность заполнителя, кото-
рая не должна превышать il/З наименьшей толщины конструк-
ции и 3/4 расстояния между стержнями арматуры. Для умень-
шения объемного веса желательно использовать более круп-
ный заполнитель, хотя уменьшение его крупности часто по-
вышает удобоукладываемость и связность бетонной смеси, а
также прочность бетона.
2. Назначают зерновые составы заполнителей для опыт-
ных замесов согласно табл. 38. Для упрощения -подбора вмес-
то пяти рекомендованных составов можно брать только три—
I, III и V. Зерновые составы заполнителей могут быть назна-
чены и по графикам (рис. 67 и 68).
3. На каждый зерновой состав заполнителей назначают
три-пять расходов цемента (например, 100, 200 и 300 кг на
1 л3 заполнителей) и приготовляют сухие замесы.
4. Для каждого сухого замеса опытным путем подбирают
оптимальное количество воды по наименьшему выходу смеси.
5. Для каждого зернового состава заполнителей, каждого
расхода цемента и определенного оптимального количества
воды приготовляют опытные замесы, а затем изготовляют
образцы, после твердения которых в заданных условиях опре-
деляют объемный вес и прочность бетона.
Полученные в результате подбора данные сводят в таб-
лицу (табл. 39).
6. Обрабатывают полученные результаты, которые позво-
ляют определять составы бетонов требуемых свойств.
Для каждого зернового состава заполнителей строят ра-
бочие графики зависимостей объемного веса и прочности от
расхода цемента (иногда воды). По графикам определяют
23в
Таблица 39
Подбор состава легкого бетона с оптимальным водосодержаннем
Состав и свойства бетона Зерновые составы заполнителей
I 1 П 1 Ш
Расход заполнителя на 1 м3 бетона по объему (весу), л (кг) 31 Зш Зу
Расход цемента на 1 м3 бетона, кг Ц1, Цг, Цз, Ц1, Ц2, Цз Ц1,Ц2,Цз
Оптимальные расходы воды на. 1 м3 бетона, со- ответствующие каждому расходу цемента, л Bi, В2, Вз СО СО И со сч со со
Пределы прочности бето- на, соответствующие каждому расходу цемен- та с оптимальным расхо- дом воды, кГ)см^ Ri, R2» R3 to w"* R/'.RZ', Rs"
Объемнцй вес бетона для каждого расхода це- мента с оптимальным со- держанием воды, кг!м3 72, 7з 7i'. 7/, 7з' 7i". 72", 7з"
расход цемента и объемный вес бетона, соответствующий его
заданной марке (рис. 77).
По полученным значениям уо и Ц для каждого зернового
состава заполнителей строят график зависимости указанных
величин от зерновых составов заполнителей при заданной
прочности бетона (рис. 78). По графику находят расход це-
мента и оптимальный зерновой состав (по интерполяции),
обеспечивающий требуемый объемный вес бетона1.
Подбор состава по заданной подвижности
бетонной смеси
Принципиально этот метод отличается от предыдущего
только определением количества воды для опытных замесов.
1 Необходимо отметить, что состав бетона, подобранный по указанно-
му методу, может иметь как слитную, так и пористую структуру, что воз-
можно проверить по формуле уо=3+1,15 Ц.
237
Реш, к1/:м2
2000 1600 1200 800 40 120 200 280
Объемный бес сухого дстона. ur/нР Расход цемента {f/м*
Рис. 77. Подбор состава легкого бетона. Графики зависимости объем-
ного веса и прочности бетона от расхода цемента,
ido S Й то Ьй Й й
Содержание франции 5 —20 мм, % по одному
о ! io 1~Н Й
Содержание франции 1,2— 5 мм, % по одному
t~ w "го зо до
Содершание франции Зо 4 2 мм, по одному
Рис. 78. Подбор состава легкого бетона. График для определения
оптимального состава легкого бетона:
I /’—расход цемента; 2 «объемный вес бетона.
порядок подбора следующий.
1. Назначают наибольшую крупность заполнителей (так
же, как и в предыдущем методе).
2. По графикам Я. Ш. Штейна выбирают два-три зерновых
состава заполнителей.
3. Для каждого зернового состава назначают три расхода
239
цемента, причем для подвижных смесей их надо брать боль-
шими, чем для жестких.
4. Для каждого зернового состава и определенного рас-
хода цемента опытным путем определяют расход воды, обес-
печивающий требуемую подвижность. Поскольку подвижные
бетонные смеси склонны к расслоению, часто необходимо
изменять зерновой состав, увеличивая содержание мелкого
песка, уменьшать предельную крупность заполнителей или
вводить в смесь микропенообразующие добавки.
5. По полученным данным приготовляют опытные замесы,
изготовляют и испытывают образцы.
6. Обработку полученных результатов и назначение соста-
ва бетонной смеси проводят так же, как и в методе подбора
•состава бетона с оптимальным содержанием воды.
Расчетно-экспериментальный метод
подбора состава керамзитобетона
Данный метод, предложенный В. Г. Довжиком, основан
на расчете опытных замесов с использованием принципа
абсолютных объемов и установлении соотношения между мел-
ким и крупным пористым заполнителем исходя из условия
получения заданного объемного веса бетона.
Подбор состоит из следующих этапов:
1) расчет составов для опытных замесов;
2) приготовление опытных замесов с изготовлением и ис-
пытанием образцов;
3) обработка результатов и назначение состава бетона.
Для изготовления опытных замесов рассчитывают четыре
состава бетонных смесей. Расходы цемента задаются в за-
висимости от требуемой марки бетона согласно табл. 40.
Таблица 40
Расход цемента для опытных замесов, кг1м2
№ замеса Марка бетона
50 1 75 100 200
1 150 180 210 280
2 200 , 240 280 350
3 250 300 350 420
4 300 360 420 490
240
Расходы воды для обеспечения требуемой удобоуклады-
ваемости бетонной смеси назначают по табл. 41.
Таблица 41
Ориентировочный расход воды для пробных замесов , л,'ле3
Вид песка Осадка конуса, см Жесткость, сек
6-8 2—4 15—30 40—60 80-12 0
Легкий 320 290 250 230 210
Кварцевый 240 220 200 180 160
Количество ческа и гравия в кг/м3 для каждого замеса
рассчитывают путем решения системы из двух уравнений:
. В4-—=1000,
7ц 7п 7г
1Д5Ц+П-1 -Г=1о,
где Ц, П, Г и В—соответственно расходы на \м3 бетона, це-
мента, песка, гравия в кг и воды в л;
уо — объемный вес сухого бетона в кг/л<3;
Yn, у*’ — соответственно объемные веса песка и гравия в
цементном тесте в кг/л<3;
v4 — удельный вес цемента в кг/м3.
Получив таким образом значения В, Ц, П, Г для каждого
из четырех составов бетонов с заданным объемным весом,
изготовляют пробные замесы, на которых проверяют требуе-
мую удобоукладываемость смесей.
При проверке удобоукладываемость регулируют измене-
нием количества воды в замесе и пересчитывают состав на
1 м3 бетона1.
Из полученных четырех составов бетонной смеси изготов-
ляют образцы, которые испытывают после твердения по за-
данному режиму.
В результате подбора получены данные, приведенные в
табл. 42.
По имеющимся данным строят график зависимости проч-
ности от расхода цемента для заданного объемного веса бе-
тона, по которому назначают состав бетона. Для удобства
1 При пересчете состава изменяется объемный вес сухого бетона.
Обычно эти изменения незначительны и их можно не учитывать, при боль-
ших изменениях следхет изменить соотношение между песком и гравием.
16 Зак. 3203
241
Таблица 42
Подбор состава легкого бетона по методу В. Г. Довжика
Данные подбора Номер составов
1 2 3 4
Содержание воды, л/м3 в. в2 Вз В,
Содержание цемента, кг]м3 Ц1 Цг Цз Ц4
Содержание песка, кг/м3 п, п2 П3 п4
Содержание гравия, кг]м3 г. г2 Гз г4
Объемный вес бетона, кг/ж3 То То То То
Предел прочности бе- тона при сжатии, кГ)см* Ri r2 R3 r4
определения состава бетона на график наносят, помимо рас-
хода цемента, кривые расходов воды, песка и щебня.
Данный метод подбора проще других, но уступает им в
возможностях регулирования объемного веса изменением зер-
нового состава заполнителей. Наиболее целесообразно его
использование при подборе конструктивного керамзитобетона
и конструктивно-теплоизоляционного при применении рядо-
вых легких песка и гравия. По мнению В. Г. Довжика, метод
может быть распространен для подбора состава легких бето-
нов не только на керамзите, но и на других пористых запол-
нителях.
V. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
НА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
Прочностные свойства
Как уже сказано, за марочную прочность легких бетонов
принимается предел прочности при сжатии образцов кубов
со стороной 15 см. Переводной коэффициент к прочности нор-
мальных образцов кубов 20X20X20 см в этом случае прини-
мается за единицу. Данные исследований изменения кубико-
вой прочности образцов при изменении их размеров чрезвы-
чайно разноречивы, так как на прочность кубов влияет слиш-
242
ком большая шероховатость зерен пористого заполнителя,
которая изменяет коэффициент трения бетона с опорными
плитами пресса при изменении размеров образцов. Кроме то-
го, легкий бетон в малых образцах уплотняется хуже, чем в
больших, что снижает их прочность.
В большинстве случаев переводные коэффициенты проч-
ности легких бетонов в кубах различных размеров распола-
гаются между единицей и коэффициентами, установленными
для тяжелых бетонов. Указанное обстоятельство сказывается
•на призменной прочности легких бетонов, которая колеблется
в пределах от 0,7 до 1 их кубиковой прочности и в среднем
принимается равной 0,9 Re-
Нарастание прочности легких бетонов во времени проис-
ходит аналогично нарастанию прочности при твердении обыч-
ных бетонов. Присутствие воды в пористых заполнителях
создает более благоприятные условия для твердения бетонов
в воздушных условиях и упрощает уход за бетоном.
Некоторые естественные пористые заполнители (например,
вулканические шлаки) обладают значительной гидравличе-
ской активностью, что влияет на увеличение прочности бето-
нов при длительных сроках твердения.
Прочность легких бетонов при осевом растяжении нахо-
дится в тех же соотношениях с кубиковой прочностью, что и
для тяжелых бетонов, и может быть ориентировочно подсчи-
тана по формуле ____
Rp=0,5FRc2» .
Прочность на растяжение при изгибе примерно на 60—
80% выше прочности при осевом растяжении.
Прочность при срезе составляет обычно 15—20% проч-
ности бетона при сжатии.
Деформативные свойства
Модуль упругости легких бетонов примерно в два раза
ниже, чем у равнопрочных тяжелых.
При использовании более прочных пористых заполнителей
и кварцевого песка в конструктивных бетонах модуль упру-
гости может повыситься до 0,7—0,8 модуля упругости тяже-
лого бетона.
Невысокий модуль упругости легкого бетона, с одной сто-
роны, вызывает повышенные деформации конструкций под
нагрузкой, но, с другой, обусловливает меньшие напряжения
в бетоне при усадке и Температурных воздействиях.
16*
243
Модуль упругости легких бетонов подчиняется той же за-
висимости от прочности при сжатии и объемного веса, что и
модуль упругости тяжелого бетона. Приближенно он можег
быть определен по формуле
Е=3,6т0/Ё7,
где уо — объемный .вес бетона в кг1м\
Ra — марочная прочность бетона.
Предельные деформации легких бетонов примерно в два
раза выше, чем у тяжелых той же марки. Предельная сжи-
маемость легкого бетона 1—2 мм/м, предельная растяжимость
0,1—0,3 мм/м. С повышением марки бетона предельные де-
формации его повышаются.
Повышенная предельная деформативность легких бетонов
объясняется, во-первых, тем, что для получения той же марки
бетона на пористых заполнителях требуется более прочный
раствор, чем при плотных заполнителях; во-вторых, предель-
ная сжимаемость легкого бетона на первой фазе разрушения,
по А. И. Баганову, равна сжимаемости раствора, а предель-
ная сжимаемость тяжелых бетонов всегда меньше сжимае-
мости раствора, что обусловлено разными упругими свойст-
вами заполнителей.
Усадка и ползучесть
легких бетонов
В начальный период воздушного твердения легкие бетоны
проявляют не усадку, а набухание. Эта основная особенность
усадочных деформаций легких бетонов связана с миграцией
воды из пористого заполнителя в цементный камень и прояв-
ляется в первые 15—50 дней твердения бетона. После оконча-
ния периода набухания развитие усадки идет гораздо интен-
сивнее, чем у обычных бетонов (рис. 79). Конечное значение
усадки легких бетонов на 20—50% выше, чем у тяжелых, и
.может доходить до 2,5 мм!м.
Ползучесть легких бетонов зависит от тех же факторов,
что и у тяжелых, величина ее увеличивается с повышением
водоцементного отношения и .расхода цемента, а также с
уменьшением объемного веса заполнителей. Предельная ха-
рактеристика ползучести легких бетонов <р колеблется
от 2,5 до 9, что в 1,2—1,6 раза больше, чем у тяжелых
бетонов.
244
Рис. 79. Развитие усадочных деформаций легких бетонов во времени:
1 — тяжелый бетон; 2—керамзитобетон.
Физические свойства
Важнейшей физической характеристикой конструктивно-
теплоизоляционных и теплоизоляционных бетонов является
их объемный вес, который определяет в первую очередь проч-
ность и пористость материалов.
Пористость легких бетонов обычно находится .в пределах
40—70% и влияет на их физико-технические свойства, такие,
как влажность, теплопроводность, теплоемкость, воздухопро-
ницаемость, паропроницаемость, звукопроводность и другие.
Рассмотрим некоторые из этих свойств.
Теплопроводность легких бетонов зависит от их пористос-
ти, структуры, влажности и природы пористых заполнителей.
При одном и том же значении пористости теплоизоляцион-
245
пые свойства выше у бетонов с равномерно распределенными
мелкими замкнутыми порами, снижающими конвекционный
теплоперенос. Природа пористых заполнителей характеризует
теплопроводность их твердой фазы, которая может быть в
2—3 раза больше теплопроводности цементного камня. Одна-
ко из-за относительно малого количества твердого вещества
заполнителей в бетоне его влияние на теплопроводность бе-
тонов низкого объемного веса незначительно.
Присутствие воды в порах повышает теплопроводность
бетона: с повышением влажности на 1% коэффициент тепло-
проводности увеличивается на 2—4%. Легкие бетоны харак-
теризуются сравнительно большой величиной водопоглощения
(16—25%), поэтому всякое соприкосновение конструкций с
водой снижает их теплоизоляционные свойства. При длитель-
ном нахождении конструкций в воздушносухих условиях
(относительная влажность воздуха около 80%) устанавлива-
ется равновесная (сорбционная) влажность, которая для
легких бетонов составляет 4—8%. Легкие бетоны на пористых
заполнителях быстро поглощают влагу и медленно отдают ее,
поэтому крайне желательно при изготовлении изделий и кон-
струкций из них уменьшать их водосодержание и не допускать
увлажнения при эксплуатации.
Свойства некоторых видов бетонов по отношению к дейст-
вию влаги и значения коэффициентов теплопроводности лег-
ких бетонов приведены в табл. 43 и 44.
• Таблица 43
Свойства некоторых видов бетона по отношению к действию влаги
Вид бетона Объемный вес, KZjM2 Равновесная влажность, % по весу Во до но г лоще- ние, % по ве- су
Тяжелый Керамзитобетон Перлитобетон 2280 1240—1360 900—1000 1,0 9,73 около 9,0 6,05 15,8—16,0 18,0—28,0
Удельная теплоемкость легких бетонов колеблется в пре-
делах 0,18—0,22 ккал/кг-град, ее значения увеличиваются с
повышением влажности бетона.
Коэффициент воздухопроницаемости легкого бетона объем-
ным весом 1000кг/л<3 имеет значения 0,7—1,1 г/м-ч-мм вод. ст.,
коэффициент паропроницаемости—0,018—0,025 г/м- ч- мм
вод. ст.
240
Таблица 44
Значения коэффициентов теплопроводности легких бетонов в
зависимости от их объемного веса
Объемный вес сухого бетона, кг)мз Коэффициент теплопроводности при влажности 5—7%, ккал!м- час * град
500 0,12—0,18
600 0,15—0,21
700 0,18—0,24
800 0,20—0,28
1000 0,28—0,36
1200 0,36—0,45
1400 0,45—0,55
1600 0,55—0,65
VI. УСКОРЕНИЕ ТВЕРДЕНИЯ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Для ускорения твердения легких бетонов применяются те
же методы, что и для обычных бетонов. При тепловой обра-
ботке для твердения легкобетонных изделий необходимо учи-
тывать структурные особенности бетонов на пористых запол-
нителях, знание которых позволяет управлять процессами
твердения в желательном направлении. К таким особенностям
легких бетонов относятся присутствие значительных коли-
честв воды и воздуха в пористых заполнителях, вследствие
чего бетоны обладают пониженной теплопроводностью и боль-
шой теплоемкостью, изменяющимися во времени, и проявле-
ние гидравлической активности пористых заполнителей при
повышенных температурах, особенно у дробленых мелких
фракций и пылевидных частиц. Из-за указанных причин лег-
кобетонные изделия прогреваются медленно и с меньшими
деструктивными явлениями, чем изделия из тяжелых бетонов;
повышение температуры изотермического прогрева положи-
тельно влияет на процессы твердения бетона: разогретые из-
делия медленно остывают, длительное время сохраняя в глу-
бине температуру, близкую к температуре их изотермического
прогрева.
Пропаривание легких бетонов. Многочисленными исследо-
ваниями установлены большая интенсивность нарастания
прочности при пропаривании легких бетонов и возможность
применения ускоренных циклов тепловой обработки по срав-
нению с тяжелыми бетонами.
Для легких бетонов, как и для тяжелых, при пропаривании
247
опасны деструктивные явления при подъеме и спуске темпе-
ратуры, ввиду чего целесообразно предварительно выдержи-
вать изделия и соблюдать установленные скорости подъема
температуры и охлаждения изделий.
Л. А. Малининой и В. А. Федоровым проведены исследо-
вания эффективности пропаривания легких бетонов на раз-
личных заполнителях, результаты которых приведены в
табл. 45. Легкие бетоны марки 75 кПсм2 с жесткостью смеси
30—40 сек через три часа после изготовления пропаривали в
открытых формах по различным режимам. Прочность их после
пропарки и последующего 28-суточного твердения в нормаль-
ных условиях сопоставлялась с марочной прочностью.
Таблица 45
Влияние режима пропаривания на прочность
легких бетонов
Вид бетона Прочность, % от марочной, после пропа- ривания при 80° по режиму в часах
3+6+3 | | 3+8+3 3+12+3
Керамзитобетон Термозитобетон Аглопоритобетон Примечание. В 1 знаменателе — прочность п 62 90 64 135 65 133 шслителе — проч осле пропариваи ' 90 95 81 136 79 120 ность после г гия и 28-суточнс 80 94 78 120 ' 68 108 фопаривания, в то твердения.
Данные таблицы показывают, что легкие бетоны в зави-
симости от вида заполнителя имеют различные прочностные
показатели при одинаковых режимах пропаривания, а также
свидетельствуют о значительном наборе прочности при про-
парке по сравнительно непродолжительным режимам.
Прочность пропаренных образцов возрастает с увеличе-
нием времени изотермического прогрева до определенного
предела, а затем начинает уменьшаться. Оптимальное время
изотермического прогрева исследуемых бетонов при темпера-
туре 80° составляет восемь часов. При этом образцы набира-
ют 79—90% марочной прочности. Прочность тяжелых бетонов,
пропаренных по такому режиму, составляет обычно около
60%.
248
При повышении температуры пропаривания до 100° опти-
мальное время изотермического прогрева снижается до шести
часов, однако максимальная прочность бетонов после про-
парки в этом случае несколько меньше, чем при 8-часовом
прогреве до 80°. *
Все бетоны после пропаривания и последующего 28ссуточ-
ного твердения практически достигают марочной прочности,
а прочность бетонов на термозите и аглопорите повышает ее
на 20—36% вследствие повышенной гидравлической актив-
ности мелких фракций этих заполнителей.
На степень нарастания прочности при тепловой обработке
влияют объемный вес и марка легкого бетона. Чем легче бе-
тон, тем эффективнее пропарка, что объясняется как повы-
шенной пористостью более легких бетонов, так и пониженной
прочностью цементного камня в них, вследствие чего сразу
после пропарки прочность их может достигнуть значения,
близкого к марочной (табл. 46).
Таблица 46
*
Прочность пропаренных образцов керамзитобетона
в зависимости от объемного веса
Объемный вес свежего бетона Прочность, % от марочной, при пропарке по режиму в часах
3,54-6+3,5 при 100° 3+8+3 при 80°
900 83 90
1190 74 70
1475 70 65
1875 50 62
Последующий набор прочности пропаренных легких бето-
нов в нормальных условиях также зависит от их объемного
веса и температуры прогрева. Как правило, с уменьшением
объемного веса, повышением температуры и продолжитель-
ности прогрева интенсивность последующего твердения пада-
ет. Это связано с уменьшением количества активной мелкой
фракции в более легких бетонах, «огрублением» силикатного
геля и высушиванием бетона при повышенных темпера-
турах.
В пропариваемых легких бетонах весьма эффективной
может оказаться замена части цемента молотыми активными
добавками. Так, по данным А. В. Талисман, замена в керам-
24»
зитобетоне 20—40% цемента молотым вулканическим пеплом
обеспечивала повышение прочности во все сроки твердения
пропаренных образцов. •
Применение химических добавок — ускорителей тверде-
ния, а также домолотых цементов в легких бетонах, по дан-
ным некоторых исследований, позволяет сократить срок опти-
мального предварительного выдерживания изделий и полу-
чить после пропаривания увеличение прочности бетона на
25—30%.
Электропрогрев легких бетонов. Электропрогрев конструк-
тивно-теплоизоляционных легкобетонных изделий является
еще более эффективным методом ускорения твердения, неже-
ли пропаривание.
При электропрогреве бетон в теле изделия прогревается
равномерно, чему способствует повышенная влажность по-
ристых заполнителей. По мере повышения температуры за-
щемленный в заполнителях воздух увеличивается в объеме и
вытесняет из них воду, «саморегулируя» влажность цементно-
го теста-камня, что предотвращает возможность его пересу-
шивания. Чем меньше объемный вес легкого бетона, тем
эффективнее применение электропрогрева для ускорения его
твердения.
В табл. 47 приведены результаты сравнения эффективнос-
ти электропрогрева на бетонах различных видов, проведен-
ного Г. И. Цителаури.
Расход цемента для этих бетонов был принят одинако-
вым — 220 кг/м3 при жесткости смеси 30—40 сек и темпера-
туре изотермического прогрева 80° с остыванием в течение
12—15 часов.
Таблица 47
Прочность бетонов различных видов после электропрогрева
Вид бетона Объе мный вес, кг1м3 Прочность, % от марочной, после электропрогрева по режиму в часах
з+з+о 3+5+0
Тяжелый бетон 2280 57 58
Керамзитобетон 1120 68 77
Термозитобетон 1880 65 73
250
Данные таблицы свидетельствуют, что для легких бетонов
электропрогрев дает значительно больший прирост прочности.
Эффективность электропрогрева легких бетонов с умень-
шением их объемного веса можно подтвердить данными
В. П. Ганина, приведенными в табл. 48.
Таблица 48
Зависимость прочности легких бетонов после
тепловой обработки от объемного веса
Прочность, % от марочной, при
Объемный вес керамзито- бетона электроп] ^огреве про па ривании
после прогрева через 28 суток после прогрева после прогрева через 28 суток после прогрева
850 88 - 125 72 113
1200 62 105 45 ПО
1510 55 90 52 97
1720 55 92 70 140
Для конструктивно-теплоизоляционных бетонов (уб<1200)
электропрогрев обеспечивает большую прочность после прог-
рева и последующего твердения в нормальных условиях. Для
конструктивных бетонов (уе>1200) структурные преимуще-
ства пористых заполнителей имеют меньшее значение и их
отношение к тепловой обработке почти такое же, как тяже-
лых бетонов.
Крупноразмерные изделия из легких бетонов марок 50—
100 целесообразно разогреть до температуры 95—98° с корот-
ким изотермическим режимом для выравнивания температу-
ры в толще изделия и затем отключить ток, обеспечив твер-
дение за счет сохранения внутреннего тепла в бетоне. Медлен-
ное остывание легкого бетона (3—6° в час) обусловливает на-
бор 50—60% марочной прочности за четыре-пять часов «тер-
мосного» выдерживания.
Такой метод ускорения твердения бетона впервые был
применен на домостроительном комбинате во Владивостоке
при изготовлении керамзитобетонных стеновых панелей, в
результате чего был получен значительный технико-экономи-
ческий эффект.
В настоящее время на заводах ЖБИ успешно начинает
внедряться горячее формование изделий из легкобетонных
251
смесей. В связи со спецификой тепло- и массопереноса з
твердеющем бетоне на пористых заполнителях этот метод для
легких бетонов еще более перспективен, чем для тяжелых.
VII. ОСОБЕННОСТИ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Легкие бетоны на пористых заполнителях — более благо-
приятный материал для бетонирования в зимнее время, неже-
ли обычные бетоны.
Благодаря пониженной теплопроводности в них, особенно
внутри заполнителей, сохраняется положительная температу-
ра и более медленно замерзает свободная вода. При пони-
жении температуры объем воздуха в капиллярах заполнителя
уменьшается, повышение разрежения увеличивает капилляр-
ный отсос воды из цементного теста в заполнитель, что умень-
шает фактическое значение водоцементного отношения.
Снижение В/Ц способствует резкому уменьшению льдис-
тости при замерзании цементного камня, а следовательно, и
уменьшению деструктивных процессов в бетоне при замерза-
нии воды. Снижению деструкции способствуют также повы-
шенная плотность и прочность цементного камня в зоне кон-
такта с заполнителем.
Все указанные особенности наиболее полно проявляются
при применении заполнителей с повышенной открытой микро-
пористостью. В силу указанного бетоны на пористых заполни-
телях способны твердеть при небольших значениях отрица-
тельных температур и не снижать прочности после заморажи-
вания в раннем возрасте и последующего твердения при по-
ложительных температурах. Понятие критической прочности
бетона до замораживания, установленное для тяжелых бето-
нов, теряет свое.значение.
По данным С. А. Миронова и М. О. Саакяна, образцы
легких бетонов на вулканическом шлаке, твердея при темпе-
ратуре — 5°, за 28 суток набирали 25% марочной прочнос-
ти. При снижении температуры выдерживания до —15° твер-
дение также не прекращалось и Образцы набирали около 5%
марочной прочности. Результаты этого исследования графи-
чески представлены на рис. 80, где для сравнения приведены
показатели прочности образцов из обычного бетона, твердев-
шего в аналогичных условиях.
Все образцы из легкого бетона после замораживания до
252
Рис. 80. Нарастание прочности бетона к 28-суточному возрасту в
зависимости от температуры твердения:
/ — легкий бетон на пористых заполнителях; 2 — тяжелый бетон
—20° при последующем твердении в нормальных условиях за
28 суток набирали марочную прочность независимо от вре-
мени их замораживания.
Следовательно, для легких бетонов на пористых запол-
нителях должно быть изменено и понятие критической проч-
ности при замораживании, принятое в технологии тяжелых
бетонов.
VIII. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Водонепроницаемость. Водонепроницаемость легких бето-
нов слитного строения может быть не ниже водонепроницае-
мости тяжелых бетонов.
При твердении бетонов, имеющих хорошо подобранный
скелет из пористых заполнителей, обладающий минимальной
пустотностью, с оптимальными количествами цемента и воды,
образуется более плотный цементный камень, нежели в обыч-
ных.бетонах.
253
. В результате «самовакуумирования» легких бетонов пони-
жается водоцементное отношение в цементном тесте-камне,
ослабевают седиментационные процессы, пористая поверх-
ность заполнителей закрывается цементным камнем повышен-
ной плотности, что обеспечивает водонепроницаемость бетона.
В нашей стране впервые в истории строительной техники
в 1950 г. был успешно использован легкий пемзобетон для
строительства гидротехнических сооружений в Армянской
ССР.
Морозостойкость. Большинство пористых заполнителей —
материалы недостаточно морозостойкие. Требования по моро-
зостойкости керамзита, аглопорита и перлита предусматри-
вают потери в весе 8—10% после 15 циклов замораживания
и оттаивания. Однако закрытие пустот заполнителей цемент-
ными пленками повышенной плотности и химическое взаимо-
действие между поверхностью заполнителей и продуктами
гидратации цемента резко увеличивают морозостойкость за-
полнителей.
Значительное повышение морозостойкости заполнителей в
бетоне, отсутствие седиментационных пустот в нем, низкое
В/Ц цементного камня при начальном периоде твердения, а
также благоприятные условия для гидратации цемента в
дальнейшем позволяют получать легкие бетоны значительной
морозостойкости.
Так, А. И. Ваганов проверял влияние многократного замо-
раживания и оттаивания на конструктивный керамзитобетон.
После 100 циклов замораживания и оттаивания состояние
образцов керамзитобетона было вполне удовлетворительным,
потери прочности при сжатии составили около 4%, образцы
после замораживания показали незначительное увеличение
их водонепроницаемости, гораздо меньшее, чем бетон на гра-
нитном щебне, замораживаемый в тех же условиях.
Использование более тяжелых заполнителей повышает
морозостойкость легких бетонов. Для увеличения морозостой-
кости легких бетонов применимы также все мероприятия, ре-
комендуемые для обычных бетонов.
Огнестойкость. Огнестойкость конструкций из легких бе-
тонов выше, чем конструкций из тяжелых бетонов, вследствие
их пониженной теплопроводности и присутствия в них запол-
нителей, имеющих одинаковый порядок температурных де-
формаций с цементным камнем и уже претерпевших влияние
высоких температур.
254
На основе некоторых видов легких бетонов могут быть
получены и жаростойкие бетоны, для чего в них вводится
.молотый заполнитель, способный реагировать при нагреве с
продуктами ра!зложения цементного камня, образуя устой-
чивые нерастворимые соединения.
Химическая коррозионная стойкость. Проведенные в по-
следние годы исследования показали, что химическая корро-
зионная стойкость легких бетонов слитного строения на по-
ристых заполнителях хорошего качества не ниже, чем у
тяжелых бетонов. Так как коррозионные процессы протекают
в тяжелых и легких бетонах по общим закономерностям, для
них аналогичны и мероприятия по повышению химической
коррозионной стойкости.
Б. ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Ячеистые бетоны представляют собой искусственный порис-
тый камень с равномерно распределенными мелкими порами,
получаемый из специально подобранной амеси вяжущего,
тонкодисперсного кремнеземистого наполнителя, воды и по-
рообразователя после ее формования и твердения.
По способу образования пористой структуры ячеистые бе-
тоны разделяются на газобетоны, получаемые в результате
вспучивания бетонной смеси при помощи газа, выделяемого
специально введенным газообразователем, и пенобетоны,
получаемые перемешиванием бетонной смеси с предваритель-
но приготовленной пеной.
В качестве вяжущих для ячеистых бетонов наиболее часто
используют портландцементы, гипс и известково-кремнезе-
мистые вяжущие автоклавного твердения. Ниже рассматри-
ваются ячеистые бетоны, изготовляемые на портландцемен-
тах.
Твердение ячеистых бетонов может проходить в естест-
венных условиях, в условиях тепловлажностной обработки
при атмосферном давлении и при повышенном давлении в
автоклавах. Для • ячеистых бетонов на портландцементах
наиболее рациональна тепловлажностная обработка при
атмосферном давлении или в автоклавах.
255
В соответствии с назначением ячеистые бетоны могут
быть теплоизоляционными (объемный вес менее 500 кг1м?) и
конструктивно-теплоизоляционными (объемный вес 500—
1200 кг/м^у.
Марка ячеистых бетонов определяется пределом прочнос-
ти при сжатии затвердевших образцов кубов размером
20x20x20 см с естественной влажностью 8%.
СНиП установлены следующие марки ячеистых бетонов
по прочности на сжатие в кГ1см2: 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150
(200) и соответствующие этим маркам максимально допусти-
мые объемные - веса в кг!м3-. 400, 500, 600, 700, 900, 1000 и
1200.
При подборе состава или контроле качества ячеистых бе-
тонов предел прочности при сжатии определяют на кубиках
с размером ребра 10 см, высушенных до постоянного -веса
(контрольная характеристика). Марочную прочность устанав-
ливают по данным контрольной характеристики, пользуясь
табл. 49.
Таблица 49
Зависимость между контрольными характеристиками
и марками ячеистого бетона
Контрольные характе- ристики при размере ре- бер образцов 10 см,кГ1СМ* 25 35 50 75 100 150 200
Марки по прочности на сжатие 15 25 35 50 75 100 150
По морозостойкости для ячеистых бетонов установлены
марки 10, 15, 25, 35, 50, 100 и 200 циклов.
В настоящее время наиболее распространен в нашей стра-
не и за границей газобетон.
Технология изготовления газобетонных изделий проще,
чем пенобетонных. В результате реакций газообразования
газобетонная смесь к концу вспучивания разогревается до 60°,
что обеспечивает ускоренное нарастание структурной проч-
ности изделия и позволяет срок выдерживания изделий до
1 Ячеистые бетоны с объемным весом 900—1200 кг]м3 могут иметь
чисто конструктивное назначение.
256
тепловой обработки по сравнению с пенобетоном сократить в
2—3 раза.
Качество газобетонных изделий в большинстве случаев
выше, нежели таких же изделий из пенобетона.
II. ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ
ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
Для приготовления ячеистых бетонов применяют раствор-
ную смесь из цемента, тонкодисперсного кремнеземистого
компонента и воды (цементно-кремнеземистый раствор).
Кремнеземистый компонент уменьшает усадку ячеистого
бетона, удешевляет его, повышает прочность и другие техни-
ческие свойства бетона вследствие синтеза гидросиликатов
при взаимодействии кгремнезема с гидролитической известью
цемента.
Порообразование
в пенобетонных смесях
Как уже сказано, пенобетон получают смешивая цемент-
но-кремнеземистый раствор со специально приготовленной
устойчивой пеной.
Пена образуется при энергичном перемешивании (взбива-
нии) воды с добавками поверхностноактивных веществ, пони-
жающих поверхностное натяжение водных пленок на границе
с воздухом.
По концентрации дисперсной фазы (газа) пены подобны
высококонцентрированным эмульсиям (содержание фазы
более 74% по объему), где частицы дисперсной фазы пред-
ставляют собой полиэдры, разделенные тончайшими пленка-
ми воды. Чем меньше межфазное поверхностное натя-
жение на границе воды с воздухом, тем больше возмож-
ностей для пенообразования и мельче размеры воздушных
пузырьков в пене. Например, в мыльной воде легко образуется
устойчивая пена, тогда как в чистой воде из-за большого
межфазного натяжения получить ее не удается.
Для получения строительных пен применяют поверхност-
ноактивные вещества — пенообразователи, характеристика
которых приведена ниже.
Пены, используемые для приготовления пенобетона, долж-
ны обладать повышенной устойчиво'стью и механической проч-
17 Зак. 3203
257
200
Рис. 81. Схема прибора
ЦНИПС-1:
1 — сосуд со шкалой; 2 — алюминие-
вый поплавок; 3 — трубка-бюретка;
4 — краник.
ностыо для .возможности их перемешивания с цементно-крем-
неземистым раствором, разлива массы в форме и восприятия
нагрузок от веса вышележащих слоев массы. Поэтому при
получении пены вместе с пенообразователями вводят стаби-
лизаторы и минерализаторы, упрочняющие оболочки пузырь-
ков воздуха.
Качество строительных пен оценивается их кратностью,
т. е. выходом пены по объему из определенного количества
водного раствора пенообразователя, стойкостью против осе-
дания и синерезисом — ко-
личеством отделяемой воды
во времени.
Эти характеристики пен
определяют на приборе
ЦНИПС-1, который состо-
ит из прозрачного сосуда,
стеклянной бюретки-трубки
и алюминиевого поплавка
(рис. 81).
Верхний сосуд прибора
заполняют пеной и спустя
час определяют осадку по
шкале сосуда, синерезис по
шкале трубки-бюретки и
кратность замером всего
количества воды после пол-
ного разрушения пены. Пе-
на считается удовлетвори-
тельной по качеству, если
через час ее осадка будет
не более 10 мм, синерезис
не более 80 см3, кратность
не менее 20. Кроме этих
параметров, большое значе-
ние имеет несущая способ-
ность пены и пластифици-
рующие свойства раствора
пенообразователя.
Несущую способность пе-
ны (Н. С.) можно опреде-
лить по формуле
иг1 _______
Н-С—v-pvp
258
где V«.c — объем ячеистой смеси;
Vn — объем пены;
Vp — объем цементно-кремнеземистого раствора.
Несущая способность пены хорошего качества должна
быть не менее единицы.
Пластифицирующая -способность пенообразователя уста-
навливается по текучести пеномассы при определенном ее
водосодержании. Для определения текучести пеномассы мож-
но пользоваться прибором (СтройЦНИЛ, предложенным
Б. Н. Кауфманом (рис. 82). Текучесть характеризуется углом
наклона столика, при котором смесь начинает выливаться из
металлического ящика.
Для приготовления пенобетонной
смеси используют специальные пе-
нобетономешалки, обычно имеющие
три барабана. В одном из них взби-
вается пена, в другом приготовля-
ется раствор, в третьем пена сме-
шивается с раствором.
Структура пенобетонной массы
должна иметь однородное мелко-
ячеистое строение, без крупных
пузырей; пена выполняет роль про-
странственного каркаса, обеспечи-
вая устойчивость массы до набора
ею необходимой структурной проч-
ности.
Рис. 82. Прибор Строй-
ЦНИЛ для определения те-
кучести пеномассы.
Дефекты структуры ячеистой массы часто можно устра-
нить повышением дозировки пенообразователя и увеличени-
ем времени его перемешивания.
Пенобетонную массу заливают в формы из контейнера или
бункера не позднее чем через 15 минут после ее приготовле-
ния с помощью шланга по лоткам. Высота падения массы
должна быть не более 40 см. После заливки поверхность пе-
нобетонных изделий заглаживают рейкой.
Порообразование в газобетоне
Для получения газобетона необходимо обеспечить в це-
ментно-кремнеземистом .растворе протекание реакций с газо-
выделением. Реакции вызывают появление равномерно рас-
пределенных по объему газовых пузырьков, внутреннее дав-
ление которых должно обеспечивать устойчивое их существо-
17*
259
вание в среде раствора определенной консистенции. Все мно-
гочисленные предложения по образованию газа в цементном
тесте можно свести к трем основным способам: 1) введение
веществ, реагирующих в присутствии воды между собой,
2) введение вещества, реагирующего с вяжущим, 3) введение
вещества, разлагающегося под влиянием теплоты гидратации
вяжущего.
Газообразование по первому способу может быть вызвано
введением в бетонную смесь соляной кислоты и бикарбоната
натрия
HCl+NaHCO3=NaCl+H2O+CO2,
введением перекиси водорода и гипохлорита кальция
Н2О2+СаОС12=СаС12+Н2О+О2,
введением карбида кальция, реагирующего с водой .затворе-
ния,
СаС2+2Н2О=С2Н2+Са(ОН)г.
При втором способе газообразования в бетонную смесь
вводят тонкодисперсную металлическую пудру, которая,
взаимодействуя с гидролитической (или специально вводи-
мой) Са(ОН)2, выделяет водород по реакции
2Ме-ЬЗСа(ОН),+6Н2О=ЗСаОМе2О3 • 6Н2О+ЗН2.
По третьему способу в бетонную смесь вводят органиче-
ские добавки типа дрожжей, молочных ферментов и др.,
выделяющие при брожении газ.
Наибольшее распространение и практическое применение
получило газообразование с использованием порошка алюми-
ниевой пудры, который вводится в виде водной суспензии при
приготовлении бетонной смеси.
Для более интенсивного газовыделения в состав бетонной
смеси часто добавляют известь в количестве б—'10% от веса
цемента.
Для обеспечения реакционной способности алюминиевой
пудры необходимо удалить с поверхности частиц защитный
жировой слой, для чего пудру либо прокаливают, либо смеши-
вают с водными растворами поверхностноактивных веществ:
канифольного мыла, хозяйственного мыла, ССБ и др
Из 1 г стандартного порошка алюминиевой пудры при
реакции выделяется около 1390 смй водорода. Реакция идет
с достаточной скоростью при температуре 40° и выше, про-
должительность ее 35—40 минут.
Средний размер пор в газобетоне при применении прока-
260
ленной пудры 0,5 — 3 мм, при применении пудры с поверх-
ностноактивными веществами размер пор уменьшается.
Для получения хорошей структуры газобетона необходимо
обеспечить в период газообразования определенные реологи-
ческие характеристики растворной части. Предельное напря-
жение сдвига раствора должно быть меньше внутреннего дав-
ления в газовом пузырьке, так как иначе не произойдет рав-
номерного вспучивания массы.
Условие вспучивания массы может быть выражено -фор-
мулой
x<3cd2 -р,
где р — давление газа в пузырьке.
С другой стороны, пластическая вязкость раствора долж-
на быть достаточно высокой, так как иначе пузырьки газа
будут прорываться на поверхность и масса будет оседать.
Условие невсплывания тазовых пузырьков может быть
установлено из уравнения Стокса
т_d2(7P—р)-£
1 18U
где \’р — удельный вес раствора в г!см\
р — удельный вес газа в пузырьке в г/см3-,
U — скорость всплывания пузырька в см!сек.
Выбрав соответствующее значение скорости всплывания
пузырька, практически .неощутимое за период газообразова-
ния (например, 0,002 см!сек), можно определить необходимое
значение вязкости раствора.
Для подбора оптимальных условий структурообразования
газобетона желательно построение кривых кинетики газооб-
разования и изменения AV и т раствора во времени (рис. 83).
Однако из-за дефицитности приборов для определения ука-
занных параметров предельное напряжение сдвига цементно-
кремнеземистого раствора практически определяется по рас-
плыву цилиндра на вискозиметре Суттарда. Этот расплыв *
должен иметь определенные, установленные на основании
практического опыта значения для различной вспучиваемости
массы (различного проектного объемного веса газобетона).
Как правило, для приготовления газобетонных смесей
применяют передвижные растворомешалки с системой лопас-
тей, насаженных на вертикальный вал.
•В мешалку при включенном перемешивающем устройстве
вначале вводят воду с кремнеземистым заполнителем, затем
261
О 10 20 00 40 50
‘ ёремо 6 мин
Рис. 83. Кинетика порообразования в газобетонной смеси.
вяжущее и после перемешивания и получения однородной
смеси газообразователь. Приготовленной смесью при помощи
шланга заполняют формы на 0,7—0,9 их высоты с учетом
вспучивания массы. Заполнение следует производить в один
шрием с таким расчетом, чтобы общая продолжительность
заливки не превышала пяти минут1. Температура смеси долж-
на быть не менее 35—45°, температура в цехе при заливке и
последующем выдерживании изделий не менее 20°.
Вспучивание смеси с алюминиевой пудрой начинается
через пять-десять .минут и заканчивается обычно через три-
дцать минут после заливки в форму. Через три-пять часов
выдержки после схватывания цемента срезают излишки мас-
1 При применении в качестве газообразователя пергидроля продолжи-
тельность заливки не должна быть больше минуты.
262
сы (горбушки) сверх формы, а при необходимости разрезают
крупный отформованный блок на мелкие изделия.
Весьма эффективно для улучшения технологии газобетона
применение вибрации при приготовлении и укладке газобе-
тона. Это .позволяет получить более гомогенную смесь, сни-
зить значения предельного напряжения сдвига и пластической
вязкости смеси, ускорить темпы газообразования, применять
смеси с меньшими водотвердыми отношениями и обеспечива-
ет повышение физико-механических свойств газобетона и
увеличение производительности формующих линий. Исполь-
зование вибрационных методов в технологии газобетона было
предложено К- Э. Горяйновым, А. П. Меркиным и др.
Для уменьшения объемного веса теплоизоляционных га-
зобетонов А. П. Меркин с сотрудниками предложил произ-
водить предварительную лоризацию цементно-кремнеземис-
того раствора в смесителе небольшими добавками поверхност-
ноактивных веществ: мылонафта, ГК и др. При этом раствор
еще до вспучивания насыщается устойчивыми мелкими
(0,1—0,2 мм) порами, которые в процессе газообразования
размещаются между более крупными газовыми порами, зна-
чительно увеличивая общую пористость материала. Этим
способом можно получить ячеистый бетон с объемным ве--
•сом 300 кг!м"а.
Твердение ячеистых бетонов
Твердение ячеистых бетонов в естественных условиях до-
пускается редко и только при получении теплоизоляционных
материалов. Обычно твердение осуществляется при термо-
влажностной обработке изделий паропрогревом, электропро-
гревом или запаркой в автоклавах.
Пропаривание и электропрогрев начинают после трех-че-
тырех часов выдержки изделий и ведут по следующим при-
мерным режимам: при паропрогреве 3+14+3, при электро-
прогреве 54-12+3. Температура изотермического прогрева
около 90°.
Наиболее эффективно твердение ячеистых бетонов при
запарке изделий в автоклавах, так как при этом прочность
бетона выше, а усадка ниже, чем при тепловлажностной об-
работке при атмосферном давлении.
Примерные -режимы автоклавной обработки, принятые при
технологическом проектировании предприятий по производ-
ству ячеистых бетонов, приведены в табл. 50. Данные табли-
263
цы отражают максимальную продолжительность автоклавной
обработки изделий, которая в большинстве случаев изме-
няется на предприятиях в сторону уменьшения.
Таблица 50
Примерные режимы автоклавной обработки изделий
из ячеистых бетонов (толщина изделий до 20 см)
Давление в автоклаве, атм Продолжительность автоклав- ной обработки, часы Охлаждение при открытой крышке, часы Загрузка и выгрузка, часы Общий цикл работы, часы
подъем давления выдержка при макси- мальном давлении спуск давления
.8 12 4,5 5,0 7,5 4,5 5,0 5,5 2,0 2,0 1,0 1,0 . 20 18
Общая продолжительность цикла твердения ячеистых бе-
тонов может быть сокращена кратковременным пропарива-
нием изделий при атмосферном давлении перед автоклавной
обработкой. В этом случае в автоклавы можно загружать из-
делия без форм, что увеличит коэффициент загрузки автокла-
ва и оборачиваемость форм.
III. МАТЕРИАЛЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
Цемент. Для приготовления ячеистых бетонов применяют
алитовые малоалюминатные портландцементы, желательно
повышенной марочности.
При автоклавном твердении ячеистых бетонов с успехом
могут быть использованы смешанные вяжущие из цемента и
-извести, шлакопортландцементы и пуццолановые портланд-
цементы. Начало схватывания цементов должно быть не позд-
нее чем через два-три часа от начала затворения, а конец
схватывания не позднее чем через пять-шесть часов.
Кремнеземистый компонент. В качестве кремнеземистых
компонентов используют молотый песок, золу-унос, маршалит,
горелые породы, диатомиты. Молотый песок применяют квар-
цевый с содержанием SiO2 не менее 70%. Тонкость помола
264
песка должна характеризоваться остатком на сите 02 не бо-
лее 10% и проходом через сито 008 не менее 60%.
Зола-унос должна иметь удельную поверхность 2000—
4000 см21г, содержание кремнезема на менее 40%, MgO и SO3
не 'более 3%. Потери при прокаливании золы должны быть
ie более 15%, а яри'изготовлении изделий для наружных
лраждений не более 6%.
Газообразователи. Как уже было сказано, в качестве га-
юобразователя для получения газобетона у нас в стране
наиболее часто применяется алюминиевая пудра. Алюминие-
вая пудра представляет собой тонкозернистый материал че-
иуйчатой структуры. Чешуйки покрыты тонкой пленкой пара-
фина или стеарина, которая является пассиватором при хра-
1ении пудры. Алюминиевая пудра должна удовлетворять
требованиям ГОСТ 5994-50, отдельные данные из котового-
1риведены в табл. 51.
Таблица 51
Требования к алюминиевой пудре
1арка удры Удельная поверх- ность, см'21г, не менее Всплыва- ние, %, не менее Активно- го алю- миния, %, не менее Химический состав, %, не боле
Fe Si Са Mg
[АК-2 5000 80 87 0,7 0,7 0,1 0,01
JAK-3 6000 80 82 0,7 0,7 0,1 0,01
ИАК-4 7000 80 82 0,7 0,7 0,1 0,01
Иногда в качестве газообразователя применяется техни-
ческий пергидроль, который должен соответствовать ГОСТ
177-54.
Пенообразователи. Для приготовления пенобетона в нашей
стране в основном применяются пенообразователи клеекани-
фольный, смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый и гид-
ролизная кровь.
Клееканифольный пенообразователь приготовляют из
костного или мездрового клея, канифоли и технической щело-
чи. Канифоль омыляют щелочью и параллельно варят клеевый
раствор. Смешивая оба раствора, получают сиропообразную
265-
.массу пенообразователя, которую перед применением разво-
дят горячей водой до нужной консистенции.
Смолосапониновый пенообразователь приготовляют из
мыльного корня (сапонина) и смоляного экстракта. Раздроб-
ленный мыльный корень выдерживают в горячей воде (80°)
для экстрагирования сапонина. Затем полученную жидкость
смешивают с водным раствором смоляного экстракта.
Алюмосульфонафтеновый пенообразователь приготовляют
путем нейтрализации керосинового контакта (контакт Петро-
ва) едким натром и смешения отстоя от нейтрализации с вод-
ным раствором сернокислого глинозема.
Пенообразователь ГК (гидролизная кровь) готовится на
мясокомбинатах из боенской крови путем гидролиза ее едким
натром и нейтрализации хлористым аммонием с последую-
щим вводом минерализатора — сернокислого железа.
Все материалы для приготовления пенообразователей
должны удовлетворять требованиям ГОСТ.
Дозировка составляющих веществ и технология приготов-
ления пенообразователей приведена в соответствующих ин-
струкциях.
IV. ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
ОТ ИХ СОСТАВА
Твердая фаза ячеистобетонной смеси состоит из цемента
(или цемента и извести) и кремнеземистого компонента. На-
личие в цементном камне тонкодиспероного кремнеземисто-
го компонента улучшает его технические свойства и позволя-
ет экономить цемент.
Оптимальное значение соотношений между кремнеземис-
тым компонентом и вяжущим (С) зависит от вида добавки,
вяжущего, условий твердения бетона и подбирается опытным
путем. Общие зависимости влияния соотношения С ’при ис-
пользовании молотого кварцевого песка и портландцемента
приведены на рис. 84.
При безавтоклавном твердении ячеистого бетона на, порт-
ландцементе введение добавки снижает прочность бетона.
При автоклавном твердении введение добавки до определен-
ного предела повышает прочность бетона, а при использова-
нии смешанного известково-цементного вяжущего оптималь-
ное количество добавки увеличивается. Применение в качест-
ве кремнеземистого компонента активных минеральных доба-
266
Рис. 84. Влияние добавки молотого кварцевого песка на прочность
растворов:
1 — портландцемент, пропаривание; 2 — портландцемент, запарка при 8 атм; 3 —
известково-цементное вяжущее, запарка при 8 атм.
вок может увеличить прочность и безавтоклавного ячеистого
бетона.
Как упоминалось ранее, цементно-кремнеземистый раст-
вор, используемый для приготовления ячеистых бетонов, дол-
жен обладать определенными реологическими параметрами,
которые практически определяются показателем текучести
на вискозиметре Суттарда, который представляет собой по-
лый латунный цилиндр внутренним диаметром 5,0 см и вы-
сотой 10,0 см. Цилиндр ставят на стекло, заполняют раство-
ром, затем поднимают. Текучесть определяют по диаметру
расплыва раствора.
Установленные опытным путем значения текучести раство-
267
ра в зависимости от требуемого объемного веса бетона при-
ведены в табл. 52.
Таблица 52
Диаметры расплыва раствора на вискозиметре Суттарда , см
Заданный объем- ный вес ячеистого бетона, KzjM3 Пенобетон Газобетон Газосиликат*
400 34 34 25
500 30 30 23
700 24 22 19
900 20 15 15
1000 18 14 14
1200 14 12 12
0,46 0,5 0.54 0,56
Бодотбердое отношение ' ‘
Рис. 85. Зависимость объемного веса газобетона от водотвердого
отношения при различных расходах алюминиевой пудры, г1м3'.
7 — 250; 2 — 350; 3 — 450; 4 — 550
268
Текучесть цементно-кремнеземистого раствора определяет-
ся его водотвердым отношением; зависимость объемного веса
газобетона от водотвердого отношения при разных расходах
алюминиевой пудры приведена на рис. 85.
Хотя общий характер зависимости объемного веса от В/Т
не меняется при различных количествах газообразователя,
приведенные кривые не параллельны. Это свидетельствует о
различном влиянии газообразователя на объемный вес при
разных водотвердых отношениях. Например, совсем неэффек-
тивно получение объемного веса бетона 650 при В/Т 0,48 за
счет увеличения количества алюминиевой пудры, так как при
этом не только нерационально увеличится расход пудры, но
и ухудшится структура бетона.
Поэтому при определении состава ячеистого бетона очень
Рис. 86. Зависимость прочности ячеистого бетона Re и коэф-
фициента использования порообразователя а от водотвердого
отношения.
269
важно установить степень использования порообразователя,
т. е. отношение фактического объема пор в бетоне к теорети-
чески возможному для данного количества применяемого
поросбразователя.
Прочность ячеистых бетонов зависит как от прочности за-
твердевшего раствора, так и от однородности поровой струк-
туры бетона, ввиду чего кривая зависимости прочности ог
В/Т имеет максимум при определенном водотвердом отно-
шении. Этот максимум примерно соответствует наибольшему
значению коэффициента использования порообразователя при
данном водотвердом отношении (рис. 86).
V. ПОДБОР СОСТАВА ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА
Задачей подбора состава ячеистого бетона является опре-
деление такого соотношения между отдельными компонен-
тами, которое обеспечивало бы получение бетона заданного
объемного веса с наибольшей прочностью при наибольшем
коэффициенте расхода порообразователя.
Обычно подбор ячеистых бетонов производится расчетно-
экспериментальным методом, 'единым для газо- и пенобетонов,
предложенным А. Т. Барановым, К. И. Бахтияровым и
Л. М. Розенфельдом.
Подбор производят по трем этапам.
Первый этап — экспериментальный (на цементно-
кремнеземистых растворах). Определяют оптимальное значе-
ние отношения кремнеземистого компонента к вяжущему (С)
и В/Т. Для этого испытывают прочность растворных образ-
цов, в которых исходные соотношения С принимаются рав-
ными: для цементного вяжущего 0,75; 1; 1,25; 1,5; 1,75; для
смешанного цементно-известкового (1:1) вяжущего 1,25;
1,5; 1,75; 2; 2,5; для известково-кремнеземистого вяжущего
(при изготовлении ячеистых силикатных бетонов) 2; 2,5; 3;
3,5; 4.
При изготовлении образцов вода берется в количестве,
обеспечивающем одинаковую текучесть растворов по Сут-
тарду. Определив по табл. 52 текучесть раствора, необходимую
для получения требуемого объемного веса бетона, опытным
путем .подбирают исходное водотвердое отношение на раство-
ре с найденным оптимальным значением С при температуре
40° для газобетона и не менее 20° для пенобетона. Одновре-
менно определяют объемный вес этой растворной смеси.
270
Второй этап — расчетно-экспериментальный (на яче-
дстобетонной смеси). Рассчитывают оптимальный состав ма-
териалов на 1 м3 бетона исходя из следующих соотношений:
расход вяжущего
р — 7°’б_
Кс(1 + С) I™1'
>асход кремнеземистого компонента
Ркр--РвЯЖ*С [^2],
расход воды
В=у-(РвяжН-Ркр) [л],
'де у0 б — заданный объемный вес сухого бетона в кг/м\
Кс — коэффициент, учитывающий количество химически
:вязанной воды по отношению к весу сухих компонентов; для
эасчета Кс принимается равным 1,1.
Расход порообразователя (Рпор) определяют по формуле
рпор=У^цхг],
К-а
1де К — удельная порообразующая способность 1 кг порооб-
разователя в л; для алюминиевой пудры ПАК-3 значение
К принимают равным 1390 л, а для порообразователя ГК
равным 20 л;
а — коэффициент использования порообразователя; для
расчета берется значение а, равное 0,85;
Vnop — необходимый объем пор в ячеистобетонной смеси:
Vnop=1000- — -^-В.
|ВЯЖ Ткр
Указанные расчеты материалов и расхода порообразова-
теля выполняют для принятого значения В/Т и отличающих-
ся от него на ±0,02 и ±0,04.
Затем приготовляют опытные замесы ячеистой смеси, по
ним определяют фактические значения объемных весов раст-
вора (ур) и ячеистой смеси (уояс) для всех В/Т.
Для каждого замеса подсчитывают фактическую порис-
тость
х jфакт 1 ?о я.с
Vnop 1 7р
и коэффициент использования порообразования
Уфакт
пор
К-Р *
271
По результатам расчетов значений а выбирают оптималь-
ное водотвердое отношение (при максимальном а) и устанав-
ливают оптимальный состав ячеистого бетона.
Третий этап проводится для уточнения состава бе-
тона. Изготовляют образцы оптимального состава ячеистого
бетона, после твердения которых определяют прочность,
объемный вес и рассчитывают коэффициент количества хими-
чески связанной воды.
VI. ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
Конструктивно-теплоизоляционные ячеистые бетоны могут
успешно применяться для изготовления стеновых панелей,
блоков, панелей чердачных перекрытий и покрытий в совме-
щенных кровлях жилых и промышленных зданий.
Область применения теплоизоляционных ячеистых бетонов
еще больше. Технические свойства и долговечность бетонов,
особенно автоклавного твердения, вполне удовлетворяют тре-
бов ания м ^океяета-аапалниФей^й.
Расчетные сопротивления и модули упругости ячеистых
бетонов в зависимости от их марки приведены в табл. 53.
Таблица 53
Расчетные сопротивления и модули упругости ячеистых бетонов
Напряженное состояние Значения, кГ1см~, при марке бетона
25 | 35 | 50 75 100
Сжатие осевое (при- зменная прочность) 9 13 19 26 ' 38
Сжатие при изгибе 11 16 24 32 48
Растяжение осевое 0,9 1,3 1,5 о 3
Модуль упругости 17000 25000 38000 50000 75000
Расчетные коэффициенты теплопроводности конструкций
из ячеистых бетонов при весовой влажности 8% в зависимости
от их объемного веса принимаются по табл. 54.
Пористость ячеистых бетонов обратно пропорциональна
их объемному весу и примерно составляет 50—85%.
Недостатком ячеистых бетонов является их большая сорб-
ционная влагоемкость и плохая отдача воды при сушке. Сорб-
ционная влажность зависит от относительной влажности воз-
духа и объемного веса бетона (табл. 55).
272
Таблица 54
Расчетные коэффициенты теплопроводности
Объемный вес яче- истого бетона, кг1м2 1000 800 600 400
Коэффициент тепло- проводности, ккал!М'час град 0,3—0,35 0,22—0,25 0,16—0,18 0,11—0,12
Таблица 55
Усредненные данные сорбционной влажности ячеистых бетонов
Объемный вес сухого бетона, кг;м> Сорбционная влажность, %, по объему, при относительной влажности воздуха в %
40 60 80 | 97 | 100
300 0,7 1J 1,5 п,0 ' 3,1
500 1,4 1,8 2,9 ,2 9,4
700 2,0 2,6 4,0 8,5 12,0
900 2,8 3,4 - •> 12,0 16,0
1000 3 2 3 я - 9 13,0 lQ,0
Повышение сорбционной влажности с увеличением объем-
ного веса бетона связано с повышением количества мелких
пер, заполняемых гигроскопической влагой. /
Водопоглощение ячеистых бетонов сравнительно неболь-
шое по сравнению с их пористостью. После 3—4-суточного
нахождения в воде бетонных образцов водопоглощение их
составляет 20—40% по объему, что обеспечивает весьма удов-
летворительную их морозостойкость. В среднем морозостой-
кость ячеистых бетонов имеет значения 25—50 циклов.
Повышение долговечности ячеистых бетонов может быть
достигнуто улучшением их структуры, для чего необходимо
получать более мелкую и однородную пористость, применять
вяжущие повышенной прочности, а также гидрофобизировать
поверхности пор.
У ячеистых бетонов, особенно безавтоклавного твердения,
усадка и ползучесть выше, чем у бетонов с заполнителями.
По имеющимся данным, линейная усадка ячеистых бетонов
безавтоклавного твердения может доходить до 3,5 мм/м, при-
мерно таковы же и величины деформации ползучести при
нагрузке, равной 0,3 — 0,4 Re. У бетонов автоклавного* твер-
18 Зак. 3203 273
дения усадочные деформации снижаются до 0,4—0,6 мм/м, а
деформации ползучести до 0,3—0,8 мм)м.
В. ДРУГИЕ ВИДЫ ЛЕГКИХ И ОСОБОЛЕГКИХ
БЕТОНОВ
В качестве разновидности легкого бетона Б. Г. Скрамтаев,
Н. М. Орлянкин и Н. С. Попов предложили крупнопористые
(беспесчаные) бетоны на плотных заполнителях.
При изготовлении крупнопористых бетонов используют
гравий или щебень крупностью от 5 до 50 мм, лучше всего
однофракционный заполнитель крупностью 10—20 мм. По
физико-механическим свойствам заполнитель должен удовле-
творять требованиям ГОСТ к крупному заполнителю для
обычных бетонов.
Расход цемента в зависимости от требуемой прочности и
объемного веса бетона принимают в 70—150 кг1м\ Жела-
тельно применение портландцементов повышенных марок.
Объемный вес крупнопористого бетона определяется
объемным насыпным весом заполнителя и расходом цемента.
Прочность бетона зависит от количества контактов между
частицами заполнителей, количества цемента и консистенции
цементного теста.
Консистенция цементного теста для крупнопористых бето-
нов характеризуется 'значением В/Ц, при котором тесто до-
статочно подвижно для обволакивания поверхности заполни-
теля при перемешивании смеси 'и в то же время не стекает с
поверхности частиц заполнителя. Обычно В/Ц принимают в
0,45—0,65. '
Подбор состава бетона лучше производить опытным путем,
делая замесы с разными количествами цемента и разными
В/Ц и изготовляя и испытывая образцы бетонов. По резуль-
татам испытаний устанавливают оптимальный состав бетона.
Практически крупнопористые бетоны на плотных заполни-
телях имеют объемный вес от 1500 до 1900 кг)мг при прочнос-
ти 15—75 кГ/см2 и морозостойкости 15—Й5 циклов.
Экономичность крупнопористых бетонов по расходу це-
мента, с одной стороны, и невысокие технические свойства, с
другой, определяют его применение для неответственных со-
оружений в основном в сельском строительстве. Крупнопо-
ристый бетон применяют как для строительства набивных
274
стен в опалубке, так и для производства крупных блоков в
сборном строительстве. Стеновые конструкции из крупнопо-
ристых бетонов продуваются ветром и разрушаются при
гвоздимости, что необходимо учитывать при их использова-
нии (устройство двусторонней штукатурки, пробок и т. д.).
Более эффективно применение в строительстве крупнопо-
ристых бетонов на облегченных и легких заполнителях, как
>стественных, так и искусственных. Крупнопористые легкие
5етоны характеризуются объемным весом в 500—1000 кг/мРя.
прочностью при сжатии до 50 кГ/см2 и используются при про-
изводстве крупных стеновых и теплоизоляционных бло-
ков.
Весьма перспективны бетоны на пористых заполнителях с
поризованным цементным камнем, технология производства
которых разрабатывается в последние годы Г. А. Бужевичем,
В. Г. Довжиком и др. Эти бетоны занимают промежуточное
место между ячеистыми и легкими бетонами слитной струк-
|уры.
Поризация легкобетонной смеси может проводиться введе-
ием в нее воздухововлекающих добавок ЦНИПС-.1, СНВ и
р. (объем вовлеченного воздуха в бетон составляет 3—12%),
также пеной или газом (объем вовлеченного воздуха дости-
ает 25%).
Пеной поризуются только беспесчаные легкобетонные сме-
п, так как песок разрушает структуру пены. В качестве пе-
нообразователей применяют те же составы, что и для произ-
водства ячеистых бетонов. Для уменьшения расхода цемента
в смесь вводят молотые кремнеземистые добавки. Техноло-
гически пенопоризованный легкий бетон может приготовлять-
ся двумя способами: смешением пенобетонной смеси с порис-
тым заполнителем либо смешением беспесчаной легкобетон-
ной смеси с пеной. Пенолегкобетонные смеси характеризуются
высокой подвижностью, нерасслаиваемостью и могут наибо-
лее целесообразно использоваться для изготовления стено-
вых панелей в вертикальных кассетах.
Газом поризуют как песчаные, так и беспесчаные легко-
бетонные смеси. В качестве поризаторов могут применяться
обычные газообразующие добавки — алюминиевая пудра или
пергидроль. Технология вспучивания легкобетонной смеси в
основном не отличается от технологии производства газобе-
тона. •
Поризация цементного камня в легком бетоне позволяет
приблизить упруго-пластичные свойства цементного камня к
18*
275
свойствам пористого заполнителя, что благоприятно сказы-
вается на структуре бетона.
Поризованные легкие бетоны отличаются повышенной од-
нородностью и морозостойкостью, пониженным объемным
весом и почти такой же прочностью, как бетоны слитного
строения. Их применение позволяет уменьшить расход цемен-
та, использовать более тяжелые крупные заполнители, сни-
зить расход пористого песка или вовсе от него отказаться.
'Вследствие повышенной удобоукладываемости и йерасслаи-
ваемости поризованных смесей при их приготовлении можно
широко применять заполнители с прерывистой гранулометри-
ей, значительно упростить процессы формования изделий,
отказаться от применения пригруза при вибрировании и т. д.
В качестве примера можно привести средние данные о ке-
рамзитобетоне с поризованным цементным камнем: при объ-
емном весе керамзита 500 кг/м? и расходе вяжущего (цемент
М-300 и минеральный компонент) от 200 до 360 кг/м3 могут
быть получены легкие бетоны объемных весов от 700 до
900 кг/л*3 при марках 35 и 70 кГ!см2 соответственно.
Часть третья
СИЛИКАТНЫЕ
БЕТОНЫ
I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
К силикатным бетонам от-
носится обширная группа бе-
тонов автоклавного твердения,
изготовляемых на основе из-
вестково-кремнеземистых вя-
жущих. В качестве известково-
кремнеземистых зяжущих
применяются тонкие порошки,
полученные смешением извес-
ти (гидратной или молотой
.кипелки) с молотым песком,
молотыми металлургическими
шлаками, золами и другими
тонкодисперсными кремнезе-
мистыми материалами.
Силикатные бетоны, как и
цементные, могут быть тяже-
лыми, легкими и ячеистыми.
Тяжелые силикатные бето-
ны бывают крупнозернистые
и мелкозернистые (песчаные).
Наиболее распространены пес-
чаные силикатные бетоны. Они
изготовляются из повсемест-
но встречающихся материа-
лов — песка и извести, отлича-
ются однородным строением,
большой монолитностью струк-
туры благодаря химической
связи заполнителя с цементи-
рующей массой, пониженным
объемным весом и, несмотря
на повышенный расход извест-
ково-кремнеземистого вяжу-
щего, стоят дешевле, нежели
бетоны с крупным заполни-
телем.
Легкие силикатные бетоны
могут изготовляться на тех же
пористых заполнителях, что и
цементные бетоны,— керамзи-
277
те, аглопорите, перлите, термозите. Однако эти виды силикат-
ных бетонов не имеют технико-экономических преимуществ
перед цементными и распространения не получили.
Из ячеистых силикатных бетонов наиболее широко исполь-
зуются газосиликатные с применением алюминиевой пудры,
изготовление которых в отдельных случаях целесообразнее,
чем газобетонных. Применение известково-кремнеземис/ого
вяжущего на молотой кипелке позволяет ,в широком диапазо-
не регулировать процесс газовыделения и структур но-меха-
нические свойства вспучиваемой массы, а также обеспечивать
быстрый набор необходимой прочности изделия еще до авто-
клавной обработки вследствие гидратационного твердения
молотой кипелки.
Прочность и другие технические свойства силикатных бе-
тонов примерно такие же, как цементных бетонов, а себестои-
мость силикатобетонных изделий в большинстве случаев на
10—'20% ниже, чем цементобетонных, что позволяет рассмат-
ривать их как перспективный для сборного строительства вид
материала.
II. ПРОЦЕССЫ АВТОКЛАВНОГО ТВЕРДЕНИЯ
СИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ
Химизм процессов твердения известково-кремнеземистого
вяжущего в автоклаве сходен с твердением известково-пуц-
цолановых цементов при обычных температурах.
Давление пара в автоклаве необходимо для сохранения
при повышенной температуре водной фазы, в которой проис-
ходят растворение кристаллического кварца и реакции син-
теза гидросиликатов при взаимодействии его с известью.
Растворимость кварца в воде при обычных температурах
крайне незначительна и составляет 0,00007 г/л и увеличива-
ется в щелочной среде и при повышении температуры; при
температурах выше 150° она резко возрастает и составляет
при 160° 0,07 г 1л, а при 200° 0,24 г/л.
Растворение кремнезема в воде связано с гидратацией ц
деполимеризацией кварца, что в общем виде может быть
представлено реакцией
SiO2+2H2O=Si(OH)4>
которая значительно усиливается в щелочной среде и трак-
туется как нуклеофильная коррозия кремния ионами ОН-.
В результате атомы кремния как на поверхности твердой фа-
278
Рис. 87. Синтез гидросиликатов кальция при запарке извест-
ково-кремнеземистого вяжущего.
зы, так и в растворе оказываются насыщенными ОН-группа-
ми, образуя соединения типа поликремневых кислот (рис. 87).
Растворимость извести в воде при нормальных ^ловиях
составляет около 1,2 г/л и падает с повышением температуры.
279
При температуре 150° растворимость ‘извести 0,17 г/л, а при
190° 0,08 г!л. Ионы кальция вступают в обменную реакцию
с водородом поликремневых кислот, образуя гидросиликаты
кальция, основность которых определяется концентрацией
растворенных веществ.
По современным воззрениям, основное количество гидро-
силикатов кальция синтезируется в растворе, но не исключе-
на возможность и топохимических реакций на поверхностях
твердых фаз.
Теория автоклавного твердения силикатных бетонов была
разработана А. В. Волженским и получила дальнейшее раз-
витие в работах К. Э. Горяйнова, С. А. Миронова, П. П. Буд-
никова и Ю. М. Бутта.
. А. В.'Волженский в процессе автоклавной обработки (за-
паривании) силикатных бетонов различает три стадии. Пер-
вая стадия начинается с момента впуска пара в автоклав и
заканчивается при достижении заданного давления пара и
соответствующей ему температуре в автоклаве и в теле сфор-
мованного бетонного изделия. Вторая стадия характеризуется
постоянством давления и температуры в автоклаве и изделии.
Третья стадия начинается с момента прекращения доступа
пара в автоклав и включает время остывания изделий до мо-
мента их извлечения из автоклава.
Первая стадия запаривания. Обычно при впуске пара из
автоклава удаляют воздух, так как при достижении заданно-
го давления в автоклаве температура пара будет на 5—8°
ниже расчетной из-за того, что фиксируемое манометрами
давление в автоклаве включает в себя и парциальное давле-
ние воздуха.
Пар, впускаемый в автоклав с отформованными изделия-
ми, начинает охлаждаться и конденсироваться от соприкос-
новения с ними и холодным оборудованием.
С подъемом давления увеличивается количество пара,
проникающего в мельчайшие поры материала и конденсирую-
щегося в них. В результате к воде, имеющейся в порах изде-
лия, добавляется конденсационная вода, растворяющая до-
полнительные количества окиси кальция.
Нагревание изделий производится передачей тепла с по-
верхности изделия внутрь в силу их* теплопроводности и за
счет тепла, освобождающегося при конденсации пара, прони-
кающего внутрь изделия.
Уже при достижении температур 60—80° начинаются ре-
акции образования гидросиликатов (предположительно топо-
280
химические), которые наиболее интенсивно развиваются после»
достижения температур 120—150°. Необходимо отметить, что
ртутимое растворение кремнезема начинается именно при
Этих температурах и реакции синтеза гидросиликатов идут
уже в основном в растворе.
; Вначале, при избытке извести в растворе, образуются
двухосновные гидросиликаты; с повышением температуры и,
Следовательно, с уменьшением концентрации извести в раст-
воре протекают реакции образования малоосновных гидро-
силикатов.
При нагреве изделий в них развиваются также деструк-
тивные процессы вследствие неравномерности теплового рас-
ширения составляющих бетона. -Кроме того, на первой стадии
Запаривания ввиду неизбежной разницы температур внешних
И внутренних слоев запариваемых изделий возникают значи^
гельные температурные напряжения, величина которых зави-
сит от массивности изделий, теплопроводности материала и
характеристики его пористости. Эти напряжения могут уси-
лить деструкции в бетоне и вызвать значительное снижение
его прочности.
Наибольшие деструктивные изменения в бетоне наблю-
даются .в интервале температур 40—100°; при достижении
температуры около 100° бетон уже достаточно упрочняется,
хеструкцип необратимо фиксируются и при дальнейшем
подъеме температуры не увеличиваются.
Снизить температурные деструкции в бетоне можно при-
меняя закрытые формы, что, однако, технологически невы-
годно. Более реально предварительное упрочнение бетона.
Эти мероприятия сводятся к предварительному выдержива-
нию изделий, применению медленных и ступенчатых режимов
подъема температуры, введению ускорителей твердения и др.1
и были рассмотрены в разделе тепловой обработки цемент-
ных бетонов.
Вторая стадия запаривания. Эта стадия характеризуется
установившейся температурой процесса и интенсивным нарас-
танием количества новообразований, которые фиксируют
структуру бетона, сложившуюся в первой стадии. Равенство
температур и давлений в автоклаве и бетоне на этой стадии
1 Предварительное выдерживание изделий должно производиться до
набора бетоном «критической» прочности (6—11 кГ/си), что приемлемо для
цементных бетонов и силикатных бетонов только на молотой кипелке.
28Г
исключает возможность физических деструктивных процессов
в изделии, но они могут появиться вследствие колебаний дав-
ления и температуры при недостаточном техническом конт-
роле.
На этой стадии образуются только низкоосновные гидро-
силикаты кальция, группы CSH(B), а также ' тобермориг
CsS6H5 и ксонотлит C3S3H. Появившиеся ранее высокооснов-
иые гидросиликаты гидролизуются и переходят в менее ос-
новные.
Характер и кинетика этих процессов зависят от соотноше-
ния извести и кремнезема в составе вяжущего и удельных
поверхностей твердых фаз.
Если известь имеется в избытке, то высокоосновные гид-
росиликаты кальция, Образовавшиеся на первой стадии
запаривания, создают на зернах кварца плотные пленки, за-
трудняющие доступ 'воды к поверхности кремнезема, и основ-
ность гидросиликатов не меняется.
Если же поверхность кварца достаточно велика, то высо-
коосновные силикаты в начальной стадии процесса не успе-
вают закрыть доступ воде к поверхности кварцевых зерен, в
раствор поступают все новые порции кремнезема, реагирую-
щие с известью. Когда известь полностью свяжется с кремне-
земом, начнется гидролиз высокоосновных силикатов с обра-
зованием менее основных. В этом случае цементирующие
вещества полностью представлены низкоосновными гидроси-
ликатами кальция; однако избыток в растворе кремнезема,
не обладающего цементирующими свойствами, может отри-
цательно сказаться на прочности бетона.
Малорастворимые гидросиликаты кальция образуются
первоначально в -виде дисперсных субмикроскопических кол-
лоидных масс преимущественно на поверхностях песчинок
вследствие того, что коэффициент диффузии молекул гидра-
тированного кремнезема значительно меньше, чем коэффи-
циент гидрата окиси кальция.
С течением процесса запаривания частички кремнезема
будут как бы «набухать» .за счет возникновения на них все
новых и новых слоев гидросиликатов кальция, которые со
временем соединятся в сплошную сетку, связывающую в об-
щее целое все частицы вяжущего и заполнителя.
Естественно, чем плотнее кремнеземистый скелет силикат-
ного бетона, тем меньше понадобится новообразований для
его связи и тем. скорее будет достигнуто затвердевание бето-
на. Кроме того, с уменьшением толщины цементирующего
282
вещества между зернами скелета кремнезема улучшатся все
Бехнические свойства бетона.
- Гидросиликаты кальция и другие вещества, образовавшие-
ся вначале в коллоидном (субмикрокристаллическом) состоя-
нии, при наличии водной среды и в условиях высокой темпе-
ратуры постепенно переходят в мелко- и даже крупнокристал-
лическое состояние.
Чем выше растворимость образовавшихся веществ, тем
больше их способность к перекристаллизации с укрупнением
кристаллов: так, гидроалюминаты и высокоосновные гидро-
силикаты образуют более крупные кристаллы, нежели одно-
основные типа CSH(B).
К концу запаривания новообразования имеют различную
структуру: образовавшиеся вначале успевают в какой-то сте-
пени перекристаллизоваться, более поздние находятся еще в
виде коллоидных масс.
С увеличением времени запаривания наряду с возникно-
вением новых коллоидных масс гидросиликатов происходит их
уплотнение, усиление физических и химических связей между
субмикрокристаллами, а также перекристаллизация.
|До известного времени эти процессы положительно сказы-
аются на нарастании механической прочности бетона, кото-
ая вначале увеличивается, достигает некоторого максимума
: затем начинает падать.
Укрупнение частичек новообразований, обусловливающее
меньшение удельной поверхности и площади контактов меж-
ду ними, вызывает снижение механических показателей твер-
деющей системы. С того времени, когда процесс укрупнения
частиц вследствие перекристаллизации начинает преобла-
дать над процессом образования новых высокодисперсных
частиц, создаются предпосылки уже не к росту, а к падению
прочности бетона.
Третья стадия запаривания. С прекращением подачи пара
температура в автоклаве падает; скорость падения темпера-
туры зависит от степени изоляции автоклава, а также от на-
личия или отсутствия перепуска пара. Между стенками авто-
клава и готовым изделием создается разность температур,
изделие начинает постепенно охлаждаться с поверхностных
слоев вглубь. Происходит интенсивное испарение воды из тела
изделия и конденсация ее на стенках автоклава.
Слишком быстрое охлаждение автоклава иногда вызывает
настолько интенсивные токи пара, что они смогут нарушить
283
структуру цементирующих веществ и значительно понизить
прочность изделий. Кроме того, в изделии могут образоваться
трещины от температурных напряжений вследствие разности
температур наружных и внутренних его -слоев. Поэтому необ-
ходимо следить, чтобы скорость охлаждения автоклава не
превышала установленных критических ее значений.
С падением температуры в растворе, находящемся -в порах
изделия, увеличивается концентрация извести и уменьшается
концентрация кремнезема, что ведет к образованию высоко-
основных гидросиликатов кальция, а также к охлаждению в
порах изделия других растворенных веществ.
По мере испарения влаги из пор изделия происходит вы-
Рис. 88. Схема физических и химических процессов при
запарке силикатных бетонов.
284
гыхание цементирующих веществ, что положительно влияет
за их прочность. С этой точки зрения желательно, наоборот,
5олее быстрое охлаждение изделий путем перепуска пара,
1то также необходимо учитывать при назначении температур-
ного режима третьей стадии запаривания. Обезвоживанию
изделий может способствовать вакуумирование автоклавов
тосле выпуска из них пара.
Физические и химические процессы, происходящие при
апарке силикатных бетонов, схематично изображены на
>ис. 88.
III. МАТЕРИАЛЫ,
ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ СИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ
Известь. Для приготовления силикатных бетонов приме-
няется строительная воздушная известь в виде тонкодисперс-
?ых порошков, получаемых либо помолом комовой негашеной
Двести (молотая кипелка), либо гашением комовой извести
душонка). Применение молотой кипелки целесообразнее,
чак как дает возможность использовать эффект гидратаци-
HiHoro ее твердения непосредственно в бетонной смеси после
гладки ее в форму. В (результате изделие перед запаркой
;же будет обладать определенной критической прочностью и
пособностью хорошо противостоять термическим деструк-
ции. Прочность изделий из плотного силикатного бетона на
^вести-кипелке выше, чем изделий с применением извести-
[ушонки.
В силикатных бетонах используют кальциевую известь,
вторая должна соответствовать требованиям ГОСТ 9179-59
ейзвестьстроительная». Желательно применять известь Icop-
^а с содержанием активных CaO-j-MgO в молотой кипелке
ie менее 85% и в извести-пушонке не менее 67%.
Тонкость помола извести-кипелки должна соответствовать
)статкам на ситах 063 и 009 соответственно не более 2 и 10%.
Задержание MgO в молотой кипелке должно быть не больше
)%, так как замедленное гашение Mg'0'может вызвать рас-
трескивание изделий1. Скорость гашения молотой кипелки
холжна быть не более 20 минут.
При приготовлении сидакатных бетонов с применением
золотой кипелки необходимо регулировать сроки ее схваты-
1 В настоящее время доказана возможность применения в силикатных
>етонах и магнезиальной извести, что требует некоторого изменения техно-
югии ее обжига и гашения.
285
вания, которые должны быть подобраны таким образом, что-
бы схватывание начиналось не слишком рано, до укладки
смеси в формы, и не протекало слишком быстро с бурным
выделением тепла и обезвоживанием смеси. В то же время
схватывание не должно начинаться слишком поздно и затя-
гиваться на длительные сроки, чтобы можно было использо-
вать эффект гидратационного твердения извести.
Ускорения схватывания добиваются более тонким помолом
кипелки. Для замедления схватывания в смесь вводят добав-
ки молотого гипсового камня в количестве 5—7% от веса
извести, ССБ или мелассу в количествах 0,2—0,5% от содер-
жания активной СаО в извести. Эффективно замедляет схва-
тывание молотой кипелки совместное введение гипса (2%) и
ССБ (до 0,2%). Количество вводимых добавок уточняют
опытным путем в каждом отдельном случае.
Кремнеземистые компоненты вяжущего. Кремнеземистый
компонент вяжущего обычно приготовляют помолом песка,
используемого в качестве заполнителя. Песок, применяемый
как компонент вяжущего, должен быть в основном кварцевым
и содержать минимальное количество примесей. В качестве
кремнеземистого компонента вяжущего в силикатном бетоне
может быть использована зола-унос от пылевидного сжига-
ния топлива. Золы являются дисперсным кремнеземисто-гли-
ноземистым материалом, вовсе не требующим помола, или же
требуют незначительного домола с известью для улучшения
качества и гомогенизации вяжущего.
Заполнители. В качестве заполнителя для тяжелых сили-
катных бетонов используют главным образом пески, на ос-
нове которых изготовляется мелкозернистый силикатный
бетон.
Согласно требованиям СНиП пески должны быть кварце-
вые, с содержанием кремнезема не менее 80%. |В песке, при-
меняемом для тяжелого бетона, допускается содержание до
10% равномерно распределенных глинистых примесей, а для
газосиликата 5%. Количество слюды в песке не должно пре-
вышать 0,5%, а сернистых и сернокислых соединений быть не
больше 1%. Норма допускаемых органических примесей та-
кая же, как и для песков, используемых для цементных бе-
тонов.
Хотя СНиП и не регламентирует гранулометрический со-
став песков, однако желательно применение крупных песков
с зерновым составом, удовлетворяющим требованиям ГОСТ
286
«
10268-62 для обычных бетонов, соблюдение которых обеспе-
чивает минимальную пустотность песчаного скелета в сили-
катном бетоне.
Возможность использования в качестве заполнителя мел-
ких песков, не соответствующих требованиям ГОСТ, должна
быть в каждом случае проверена экспериментально и
подтверждена соответствующими экономическими расче-
Крупный заполнитель, применяемый для производства
крупнозернистых силикатных бетонов, должен удовлетворять
требованиям ГОСТ 10268-62 к крупным заполнителям для
цементных бетонов. Желательно использовать крупный запол-
нитель из кислых горных пород, способных химически взаи-
модействовать с известью при запаривании бетона.
Введение крупного заполнителя в силикатные бетоны по-
зволяет уменьшить расход известково-кремнеземистого вя-
жущего, снизить водопотребность бетонной смеси, что благо-
приятно сказывается на упруго-пластических свойствах и дол-
говечности материала. Крупный заполнитель особенно выго-
1ен при приготовлении силикатных бетонов повышенной проч-
ности и долговечности. Если же применение крупного запол-
нителя (особенно щебня) будет экономически невыгодно, а
требуемые свойства бетона могут быть получены и на песча-
ном бетоне, то от него надо отказаться.
IV. ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ
ТЯЖЕЛЫХ* СИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ
ОТ ИХ СОСТАВА
Известково-кремнеземистое вяжущее
Свойства затвердевшего камня из известково-кремнезе-
мистого вяжущего зависят от его структуры и фазового
состава новообразований.
Как указывалось выше, при взаимодействии извести и
кремнезема в процессе запарки образуются преимущественно
гидросиликаты типов C2SH2, Сг5Н(А), CSH(B), тоберморит
C5S6H5 и при высоких давлениях пара ксо'нотлит C3S3H.
При применении в качестве кремнеземистых компонентов
вяжущего кварцевых песков, с ограниченным содержанием
полевых шпатов наряду с гидросиликатами кальция появится
некоторое количество гидроалюминатов кальция и щелочных
287
гидросиликатов, но их влияние на свойства затвердевшего
камня незначительно1.
Характеристика свойств индивидуальных гидросиликатов
кальция, образующихся при автоклавной обработке извест-
ково-кремнеземистого вяжущего, приведена в табл. 56.
Таблица 56
/
Свойства синтетических гидросиликатов кальция
Состав гидросили- ката Условия образования при запарке извест- ково-кремнеземисто- го вяжущего Форма кристал- ла Прочность, кГ1см2, при Морозо- стой- кость, циклы
сжатии | изгибе
C2SH(A) CSH(B) Тоберморит Ксонотлит Запарка при избытке извести в смеси Запарка при опти- мальном соотношении извести и кремнезема Запарка при увели- чении времени запа- ривания Запарка при повы- шенных давлениях пара (20 атм) Плас- тинки Волокна Плас- тинки Волокна * 19 70 325 245 165 230 125 165 15 15 32 8,5 30 20 75 60 75
более 100 10 15 13 6 15 11
Примечание. В знаменателе приведены показатели свойств пос по
карбонизации образцов в течение 45 суток.
C,SH(iB) дает наиболее тонкодисперсные новообразования,
обладающие наибодьшей прочностью, тоберморит может быть
представлен как хорошо закристаллизованный одноосновной
гидросиликат, прочность которого несколько меньше, CsSH(A'i
образует кристаллы гораздо больших размеров, нежели
CSH(B), также со значительно меньшей прочностью камня.
В то же время цементный камень из C2SH(A) имеет го-
раздо большую морозостойкость, чем из CSH(B) и тобермо-
риг, а также повышенную прочность при сжатии в условиях
последующей карбонизации.
В полиминеральном цементном камне не наблюдается
1 При использовании в составе вяжущего молотых шлаков и зол фа-
зовый состав цементирующих новообразований гораздо сложнее и можег
быть представлен гидросиликатами, гидроалюминатами и гидрогранатами
нахо|Дящи,мися в различных соотношениях между собой.
288
аддитивности свойств в зависимости от количественного со-
держания отдельных минералов. О. В. Кунцевич и Л. М.
Хавкин получили наибольшие прочностные свойства цемент-
ного камня при наличии в нем CSH(B) и C2SH(A) с преобла-
данием первого, что можно объяснить большей плотностью
затвердевшего цемента, состоящего из частиц разной дисперс-
ности. При этом наблюдалось и повышение морозостойкости
цементного камня.
При использовании в качестве вяжущего извести и песка,
удовлетворяющих требованиям ГОСТ, состав новообразова-
ний зависит от удельной поверхности молотого песка, соот-
ношения извести и песка и режима автоклавной обработки
бетона.
Удельная поверхность извести-пушонки в среднем около
12 000 см21г, молотой кипелки 4000—6000 см21г, песка 2000—
3000 см2/г.
Необходимо отметить, что помол материалов — очень энер-
гоемкий процесс, а увеличение тонкости помола резко снижает
производительность мельниц. Так, при увеличении тонкости
помола песка с 1500 до 3500 см21г производительность шаровой
мельницы падает в 3 раза. Поэтому практически применяемый
молотый песок имеет удельную поверхность около 2000 см2/г,
а молотая кипелка 4000 см21г.
При определенной тонкости помола песка и давлении в
звтоклаве при запарке бетона существует оптимальное соот-
аошение между известью и молотым песком И/П=а, при
«отором вяжущее обладает наибольшей прочностью. Значе-
ния а колеблются от 0,25 до 0,5. С увеличением тонкости по-
мола песка повышается растворимость кремнезема и увели-
нивается оптимальное значение а; при этом в силикатном
эетоне увеличивается количество новообразований, повышаю-
щих его прочность.
Повышение давления в автоклаве до определенного преде-
ла (с 8 до 16 атм) также увеличивает растворимость кремне-
зема и способствует более глубокому и полному взаимодейст-
вию его с известью. Особенно эффективны повышенные дав-
ления при увеличенной удельной поверхности песка и повы-
шенном значении а. Без увеличения удельной поверхности
песка быстрая кристаллизация новообразований твердой фазы
при повышенных давлениях затрудняет дальнейшее течение
реакции, и эффект значительно снижается.
Некоторые исследователи делали попытку выразить в
математической форме зависимость а от удельной поверх-
19 Зак. 3203
289
пости молотого песка при определенных режимах запарки и
получать таким образом оптимальные составы известково-
кремнеземистого вяжущего. Однако точность предложенных
формул невелика, так как они не учитывают химико-минера-
логический состав компонентов и особенности их взаимодей-
ствия при запарке.
а 5
стии, иГ/cfif
Рис. 89. Зависимости активности известково-кремнеземистого вяжущего
от состава, дисперсности молотого леска и давления:
1 — молотый песок с удельной поверхностью 2000 см21г\ 2 —.молотый песок с удель-
ной поверхностью 3000 см?!г\ а — запарка по режиму 24-44-3 при 10 атм; б — за-
парка по режиму 24-44-3 при 12 атм
Наиболее реален и применим опытный метод подбора оп-
тимального состава известково-песчаного вяжущего с опре-
делением его активности, предложенный А, В. Саталкиным.
Согласно этому методу из имеющихся материалов изготовля-
ются смеси с разными соотношениями извести и кремнеземис-
того компонента (а=0,2; 0,35; 0,45; 0,5). Для каждого состава
полученных таким образом известково-кремнеземистых це-
ментов определяют активность в соответствии с методикой
290
ГОСТ 310-60 на испытание цементов, т. е. приготовляют рас-
творную смесь состава 1:3с использованием Вольского песка;
водопотребность смеси устанавливают по расплыву на встря*
хивающем столике. Затем изготовляют стандартные образцы-
балочки, которые запаривают в автоклаве по принятому режи-
му и испытывают. По результатам испытания прочности при
жатии определяют оптимальный состав вяжущего, его ак-
ивность и марку.
При применении жестких бетонных смесей марку вяжу-
1его можно определять по методике ГОСТ 310-41 на испыта-
ие цементов. В случае необходимости по указанной методике
югут быть подобраны дисперсность кремнеземистого компо-
ента и оптимальный режим запарки бетонов на данном вя-
жущем.
Результаты подбора состава известково-кремнеземистого
яжущего на песках разной дисперсности и при запарке в ав-
оклаве при разных давлениях приведены на рис. 89.
Удобоукладываемость бетонных смесей
Удобоукладываемость крупнозернистых силикато-бетон-
"ых смесей определяется согласно ГОСТ 10181-62 так же, как
и цементно-бетонных смесей, мелкозернистых — по показате-
лям подвижности и жесткости. Подвижность определяют глу-
биной погружения (в см) конуса СтройЦНИЛа в коническую
форму, заполненную испытуемой смесью (ГОСТ 5802-51),
жесткость — в техническом вискозиметре согласно ГОСТ
10181-62 при высоте щели между дном и внутренним цилинд-
ром, равной 10 мм.
Поскольку основной способ формования строительных де-
талей из силикатных бетонов — вибрирование в различных
видах и в сочетании с дополнительными силовыми воздейст-
виями, определяющим показателем удобоукладываемости их
является жесткость. •
Основные зависимости удобоукладываемости силикато-бе-
тонных смесей от их состава и качества заполнителей соответ-
ствуют зависимостям, установленным для цементно-бетонных
смесей.
Удобоукладываемость смеси улучшается с повышением ее
водосодержания, содержания теста из вяжущего и воды неиз-
менной консистенции (рис. 90), а также при большей окатан-
ности заполнителей и относительном увеличении их крупности.
Удобоукладываемость мелкозернистых бетонных смесей
19*
291
Рис. 90. Зависимость удобоукладываемости мелкозернистой силика-
то-бетонной смеси от водосодержания.
имеет особенности, вызванные отсутствием крупного заполни
теля и высокоразвитой удельной поверхностью песка и це
мента.
Приведенная в первой части (глава XII) зависимость из
менения водопотребности песчаных бетонных смесей от соот-
ношения цемента и песка применима и к мелкозернистыь
силикато-бетонным смесям. Необходимо учитывать, что сили-
като-бетонные смеси с использованием молотой кипелк!
обладают меньшей водопотребностью, чем смеси с при
292
менением пушонки, имеющей значительно большую удельную
поверхность. Зависимости удобоукладываемости смесей от
удельной поверхности известково-кремнеземистого вяжущего
приведены на рис. 91.
Местность, cw
6М 1008 2000 2000 000 1000 2000 2600 600 1000 2000 2000
Удемная noSepiMam из Постнова- песчаной смеси. смг/г
Рис. 91. Зависимость удобоукладываемости от удельной поверхности
известково-песчаного вяжущего и водосодержания:
заполнители: а — мелкий песок; б *- средний песок; в — крупный песок.
Удобоукладываемость силикато-бетонной смеси назнача-
ется опытным путем, в зависимости от метода ее уплотнения.
Для силикато-бетонных изделий используются главным обра-
зом малоподвижные и умеренножесткие смеси, уплотнение
которых производится'вибрацией на виброплощадках. Удобо-
укладываемость их характеризуется показателем жесткости
от 5 до 60 сек. При уплотнении вибрацией с пригрузом, сило-
вым прокатом или вибропрессованием используются смеси
жесткостью 60—200 сек.
Как особоподвижные, литые, так и ос^божесткие смеси
оказались неэффективными для производства силикато-бетон-
ных изделий и не нашли широкого применения.
Общие принципы вибрирования, рассмотренные для обыч-
ного бетона, действительны в значительной мере для силика-
293
то-бетонных смесей; однако опыты показали, что они уплот-
няются хуже, чем цементно-бетонные.
При вибрировании смесей, состоящих из зерен различной
величины, ускорения, получаемые разными зернами, пропор-
циональны их массам. Чем больше различие массы отдель-
ных зерен, тем больше эффект уплотнения смеси.
Уплотнение умеренножестких мелкозернистых смесей по-
требует повышенных ускорений, а следовательно, и увеличе-
ния интенсивности их вибрирования.
Установлено, что для мелкозернистых силикато-бетонных
смесей оптимальной частотой вибрирования является
3000 кол!мин, а рациональными амплитудами 0,5—0,7 мм.
При вибрировании силикато-бетонной смеси на ее поверх-
ности может происходить комкование частиц вяжущего, так
как более легкие частицы извести и воды будут стремиться
подняться вверх. Поэтому при уплотнении подвижных сили-
като-бетонных смесей целесообразна вибрация даже с не-
большим пригрузом — 50 г/см2. Применение пригруза в про-
цессе вибрирования обеспечивает интенсивное снижение
структурной вязкости и значительное улучшение удобоукла-
дываемости смеси. При формованиии жестких силикато-бе-
тонных смесей величина пригруза должна быть увеличена до
300—400 г)см2.
Структура и прочность тяжелых
силикатных бетонов
Структура силикатных бетонов аналогична структуре це-
ментных бетонов как по составу новообразований, так и по
характеристике пористости; аналогичны и причины образо-
вания пор и капилляров.
Дифференциальная пористость силикатных и цементных
бетонов обстоятельно изучена П. П. Ступаченко. При иссле-
дованиях им принята следующая классификация пор и ка-
Q
нилляров по размерам: микропоры с радиусом до 50 А, пере-
О
ходные поры с радиусом до 1000 А и макропоры с радиусами
О
более 1000 А. 'В цементных и силикатных бетонах максимум
О
пористости приходится на поры радиусом 500—700 А, одина-
ков у них и процент содержания фильтрующих пор с радиусом
более 1 мк. Пористость силикатных бетонов зависит от водо-
содержания смеси, качества известково-кремнеземистого вя-
294
жущего и заполнителей, а также технологии Приготовления
смеси, ее укладки и запаривания изделий. Некоторые данные
П. П. Ступаченко о структуре силикатных материалов при-
ведены в табл. 57.
Таблица 57
Показатели структуры силикатных материалов
Виды мелкозернистых силикатных бетонов
Характеристики состава, виброуплотнен- виброуплотнен- литой на нега-
структуры и свойства ный на гаше- ный на негаше- шеном извест-
материала ном известко- во-песчаном ном известко- во-песчаном ково-песчаном вяжущем
вяжущем вяжущем
Содержание активной
СаО, % Состав и содержание известково-песчаного вя- 9,8 10,5 26
жущего Формовочная влажность 1:1,5:10 1:1,5:10 1:2,5:10
смеси, °/о Объемный вес, г/сл<3 12,2 12,2 70
1,94 2,01 1,00
Суммарная пористость, 30,3 - -
% Микропористость и пе- реходная пористость 26,4 61,2
(поры до 500—1000 А),
% от общей гористости 48,0 39,8 52,8
Переходная пористость и ма1кро1пористость
(поры до 500—1000 А), 65,7 86,5
% от общей пористости Внутренняя удельная по- 78,0
верхность, Л12/г Предел прочности при 12,6 15,0 23,6
сжатии, кГ)см2 228 324 105
Из приведенных в таблице данных видно, что на порис-
тость силикатных бетонов основное влияние оказывает водо-
содержание смесей. При одинаковом водосодержании порис-
тость при использовании молотой кипелки ниже, чем при ис-
пользовании извести-пушонки, из-за увеличения объема твер-
дой фазы при гашении кипелки.
Примерно одинаковая удельная поверхность пор при раз-
ной величине пористости свидетельствует о том, что в бето-
нах на молотой кипелке относительно больше тонких пор и
капилляров и меньше ч<макрокапилляров, чем в бетонах на
295
извести-пушонке, а также о более тонкой структуре новооб-
разований при применении кипелки.
От величины и характеристики пористости зависит и проч-
ность бетона, которая имеет наименьшее значение у литого
бетона и наибольшее у виброуплотненного на молотой ки-
пел ке.
Как и в цементных бетонах, основным фактором, влияю-
щим на макропористость и переходную пористость, а следо-
вательно, и на прочность силикатных бетонов, является вя-
жущеводное отношение, которое принято обозначать, как и в
цементных бетонах, через Ц/(В, где Ц — содержание извест-
ково-песчаного вяжущего (цемента) на 1 м3 бетона в кг,
В — содержание воды на 1 м3 бетона в л.
Зависимость прочности силикатных бетонов, от Ц/В при
данных вяжущем и заполнителе почти прямолинейна, следо-
вательно, на них можно распространить действие закона водо-
цементного отношения. Прочность силикатных бетонов прямо
зависит и от активности известково-кремнеземистого вяжу-
щего и качества заполнителей, что в общем виде может быть
выражено формулой Боломея—Скрамтаева (рис. 92)
R6=ar„(4-c),
где Ro — прочность силикатного бетона в кГ/см1 2\
R4— активность (марка) известково-кремнеземисгого
вяжущего в кГ/см2-,
А и С — коэффициенты, характеризующие качество за-
полнителей и вид вяжущего.
Как известно, цементные бетоны имеют наибольшую проч-
ность при чистых заполнителях с шероховатой поверхностью,
скелет которых в бетоне обладает минимальной пустотностью
и минимальной удельной поверхностью зерен.
Эти же требования к скелету заполнителей соблюдаются
и для силикатных бетонов: более прочные мелкозернистые
бетоны получаются на чистых крупнозернистых песках, а для
крупнозернистых бетонов предпочтительнее чистый фракцио-
нированный щебень.
В настоящее время еще не накоплено достаточно данных
для определения коэффициентов А и С в формуле прочности
силикатных бетонов, поэтому их приходится устанавливать
экспериментально при подборе состава силикатных бетонов’.
1 А. В. Саталкиным рекомендуются значения коэффициентов А и С
принимать в среднем соответственно 0,46 и 0,5.
296
Рис 92. Зависимость прочности силикатного бетона от вяжу-
щеводного отношения при постоянном составе (марке) вяжущего.
Необходимо отметить, что достоверность зависимости Бо-
ломея—Скрамтаева для силикатных бетонов ниже, чем для
цементных. На прочность силикатных бетонов оказывают
влияние дополнительные факторы, связанные с видом изве-
сти, тонкостью помола компонентов, режимами запаривания
и др., которые точно не могут быть учтены значениями мар-
ки вяжущего и коэффициентами А и С. Накапливание опыт-
ных данных и статистическая обработка их позволит в даль-
нейшем уточнить эту и другие зависимости свойств бетона от
состава и технологии его изготовления.
Режимы запаривания
Сформованные силикатобетонные изделия должны быть
выдержаны некоторое время до начала их запарки в авто-
клаве.
При использовании негашеной извести необходима вы-
297
держка для полной гидратации извести, так как иначе свобод-
ная окись кальция при нагреве паром в автоклаве бурно
гидратируется с увеличением в объеме и разрушает структуру
изделия. Время предварительного выдерживания зависит 'от
состава бетона, вида извести, ее активности и скорости гаше-
ния; в среднем оно исчисляется в три-пять часов.
При формовании изделий с применением гашеной 'извести
опасных деформаций расширения за счет гашения извести
быть не может. В этом случае выдержка необходима для при-
обретения изделиями некоторой пластической прочности и
подсушки верхнего слоя, который при формовании более
увлажнен, чем основная масса изделия.
Основные принципы запаривания силикатобетонных изде-
лий были изложены при рассмотрении твердения известково-
кремнеземистого вяжущего.
В настоящее время для запаривания применяют автоклавы
со стандартным давлением от 8 до 12 атм. Изделия запари-
вают в большинстве случаев в формах без крышек.
При обычной технологии запаривания изделий с выпуском
паровоздушной смеси из автоклава рекомендуется подъем
давления и температуры до максимальных значений произ-
водить в течение двух-трех часов, причем большее время на-
грева берется для более массивных конструкций. Время изо-
термического прогрева обычно принимают равным семи-вось-
ми часам, и спуск давления осуществляется в течение
двух-четырех часов, также в зависимости от массивности'
изделия.
Определенному составу бетона и известково-кремнеземис-
тою вяжущего соответствует свое оптимальное давление,
которое в общем случае повышается с увеличением в вяжу-
щем содержания извести и тонкости помола кремнеземистого
компонента. Нашими учеными установлено, что оптимальным
при запарке силикатных бетонов следует считать давление
,12—16 атм. Используемые в настоящее время давления 8—
11 атм недостаточны для всех видов силикатных бетонов, не-
эффективны также и давления свыше 16 атм. Применение
оптимальных давлений пара позволит сократить цикл запа-
ривания и увеличить прочность бетона.
V. ПОДБОР СОСТАВА ТЯЖЕЛОГО
СИЛИКАТНОГО БЕТОНА
Задача подбора состава мелкозернистого силикатного бе-
тона сводится к нахождению соотношения количеств воды В.
298
известково-кремнеземистого вяжущего Ц и песка П, обеспе-
чивающего требуемые удобоукладываемость смеси и проч-
ность затвердевшего бетона. Подбор на данных материалах
проводят экспериментально один раз, в результате чего могут
быть построены графики и даны аналитические зависимости
для расчета других составов бетона. Предполагается, что при
подборе состава бетона уже определен оптимальный состав
известково-кремнеземистого цемента, установлены его марка
и режим запарки бетона.
Подбор производят в следующем «порядке:
1) приготовляют три замеса теста из вяжущего и воды со
значениями Ц/В, равными 1,5; 2; 2,5;
2) каждый замес теста смешивают с песком до получения
требуемой удобоукладываемости смеси; '
3) из полученных замесов формуют стандартные образцы
бетона, определяют объемные веса свежеизготовленных об-
разцов; одновременно проверяют правильность полученных
составов по формуле абсолютных объемов;
4) - образцы запаривают по заданному режиму и после
охлаждения испытывают на прочность при сжатии по стан-
дартной методике;
5) имея значения Ц/В и Ro для требуемой удобоуклады-
ваемости, строят график зависимости прочности бетона от
Ц/В, определяют коэффициенты А и С и выражают зависи-
мость прочности бетона в аналитической форме;
6) наносят на график зависимость расхода песка от Ц/Вг
необходимого для обеспечения заданной удобоукладывае-
мости смеси.
График подбора состава мелкозернистого силикатного бе-
тона приведен на рис. 93.
Пользуясь графиком, можно для каждой требуемой марки
силикатного бетона определить Ц/В, П и рассчитать коли-
чество воды по формуле
в=юоо-Д~-Д-
|Ц 1П
и затем определить Ц.
Учитывая, что установленная зависимость прочности бе-
тона от цементоводного отношения применима в достаточно
широком диапазоне для малоподвижных и умеренножестких
смесей, можно на график занести значения содержания песка
для обеспечения других значений удобоукладываемости бе-
тонной смеси. Эти значения несложно получить, сделав опыт-
29»
Рис. 93. Пример подбора мелкозернистого силикатного бетона.
ные замесы для определения только удобоукладываемости
смеси, без изготовления опытных образцов.
При подборе крупнозернистого силикатного бетона необ-
ходимо при операции по пункту 2 сделать замес теста вяжу-
щего со смесями мелкого и крупного заполнителя, взятых в
разных соотношениях. За оптимальное соотношение между
заполнителями принимают такое, при котором для обеспече-
ния нужной удобоукладываемости потребуется наименьшее
количество теста.
VI. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ТЯЖЕЛЫХ СИЛИКАТНЫХ БЕТОНОВ
Прочностные свойства
'Согласно СНиП за марку плотных силикатных бетонов по
прочности (Re) принимается- предел прочности при сжатии
,300
образцов кубов 20x 20 x20 см, прошедших автоклавную об-
работку одновременно с изделиями и испытанных в остывшем
до температуры 20—25° состоянии. .
Так же как и для цементных бетонов, в зависимости от
крупности заполнителей разрешается изготовлять кубы мень-
ших стандартных размеров; полученные в этих случаях зна-
чения прочности бетона приводят к марочной умножением на
следующие переводные коэффициенты, принятые для кубов
с ребрами: 7 см — 0,75; 10 см — 0,85; 15 см — 0,9-
Обычно прочностные показатели мелкозернистых силикат-
ных бетонов определяют на образцах размерам 10X10X10 см-,
получаемая при этом прочность будет завышена по сравнению
с марочной на 17,6%.
Призменная прочность силикатных бетонов (Rnp) находит-
ся в пределах 0,7—0,9, прочность при растяжении (Rp) — в
пределах 0,08—0,1 Ro, причем мелкозернистые бетоны харак-
теризуются верхними пределами значений Rnp и Rp.
Принятые нормативные сопротивления силикатных бето-
нов согласно СН 165-61 приведены в табл. 58.
Таблица 58
Значение нормативных сопротивлений тяжелых силикатных бетонов
Вид напряженного состояния Нормативное сопротивление плотного силикат- ного бетона, кГ/см\ при марке бетона
150 200 250 300 400
Сжатие осевое (призменная прочность) 115 145 175 210 280
Сжатие при сгибе 140 180 215 260 350
Растяжение 13 16 18 21 25
Фактически более высокие, нежели установленные норма-
ми, значения Rnp и Rp для мелкозернистых силикатных бето-
нов вызывают неучитываемый запас прочности конструкций
около 10%.
Силикатные бетоны, находясь в воздушных условиях, с
течением времени, как правило, не изменяют свою прочность.
Отмечаемые в некоторых исследованиях небольшие спады и
нарастания прочности, очевидно, объясняются частичным раз-
ложением гидросиликатов и карбонизацией свободной извес-
ти в результате неоптимального минералогического состава
301
затвердевшего вяжущего. Однако со временем положение
стабилизируется и прочностные показатели принимают посто-
янное значение.
При нахождении силикатных бетонов в воде прочность их
несколько понижается, что может быть объяснено как общида
снижением прочности материалов из-за расклинивающего
действия воды (эффект Ребиндера), так и выщелачиванием
свободной извести. И хотя силикатные бетоны относятся к во-
достойким материалам, возможность их применения для кон-
струкций, постоянно находящихся в водных условиях, тре-
бует дополнительных исследований.
Деформативные свойства
Особенности деформативных свойств силикатных бетонов,
вызваны характером их цементирующей связки, которая со-
стоит из хорошо закристаллизованных 1гидросиликатов и не
содержит веществ, способных выделять новые количества це-
ментирующих образований.. Наиболее ярко эти особенности
проявляются в мелкозернистых бетонах, характеризующихся
повышенным количеством известково-кремнеземистого вя-
жущего.
Новообразования в известково-кремнеземистом вяжущем
имеют преимущественно волокнистое строение, вввду чего
силикатные бетоны обладают повышенной деформатив-
ностью под нагрузкой по сравнению с цементными бетонами.
’Модули упругости силикатных бетонов ниже, а предельные
деформации больше, чем у равнопрочных цементных бетонов.
Так, по данным И. М. Красного, для равнопрочных тяжелых
бетонов марки 200 мгновенные .модули упругости имеют сле-
дующие значения: 280-103 кГ1см2 у цементного бетона нор-
мального твердения, 230 • 103 кГ/см2 у цементного бетона авто-
клавного твердения и 130-103 кГ1см2 у силикатного мелкозер-
нистого бетона. Величины предельных деформаций этих
бетонов соответственно 0,7; 1,1 и 1,6 мм/м.
Значения нормативных (расчетных) модулей упругости
плотных силикатных бетонов приведены в табл. 59.
Силикатные бетоны обладают меньшей усадкой и ползу-
честью, чем цементные, так как эти свойства связаны с при-
сутствием незакристаллизованного силикатного геля, которо-
го гораздо больше в цементном бетоне.
Абсолютные значения усадки силикатных песчаных бето-
нов от потери влаги не превышают 0,4 мм, т. е. ниже значений
усадки мелкозернистых цементных бетонов.
302
Таблица 59
Расчетные модули упругости плотных силикатных бетонов
Марка силикатного бетона 150 200 250 300 400
Нормативный (расчет- ный) модуль упругости, кГ1см% ПО 000 135 000 160 000 185 000 210 000
Предельная характеристика ползучести плотных силикат,
пых бетонов в среднем равна 1Д в то время как для авто-
клавных цементных мелкозернистых бетонов 1,8, а для це-
ментных бетонов естественного твердения 3,5.
'Если учесть повышенные упругие и пониженные пластиче-
ские деформации у силикатных бетонов по сравнению с це-
ментными, то суммарные полные деформации в обоих видах
бетонов будут близки.
Долговечность
Долговечность силикатных бетонов, как и обычных, опре-
деляется их морозостойкостью, водонепроницаемостью, устой-
чивостью в агрессивных средах и огнестойкостью.
Морозостойкость силикатных бетонов при применении ка-
чественных заполнителей зависит от их структуры, характе-
ристики пористости и состава новообразований. Для повыше-
ния морозостойкости бетона необходимо стремиться к умень-
шению макропор за очет развития микропористости и пере-
ходной пористости, а также к оптимальному соотношению
одноосновных и двухосновных гидросиликатов в цементном
камне.
При соблюдении указанных условий могут быть получены
силикатные бетоны с морозостойкостью 150—ООО циклов, т. е.
примерно соответствующей морозостойкости цементных бе-
тонов. При этом должно быть ограничено В/Ц смеси и коли-
чество вяжущего в бетоне. Так, по данным И. М. Красного,
для получения морозостойких силикатных бетонов необхо-
димы водоцементные отношения не выше 0,4 и жесткость сме-
сей не менее 20 сек.
Для морозостойких бетонов не следует увеличивать тон-
кость помола песка свыше 4000 см2}г и применять давления в
303
автоклаве более 13 атм, так как это ведет к резкому уменьше-
нию количества морозостойких двухосновных гидросиликатов
кальция в цементном камне.
Использование в составе вяжущего извести-кипелки по-
вышает морозостойкость силикатных бетонов вследствие зна-
чительного уменьшения водопотребности смеси и связывания
части воды известью при ее гашении. Однако исследования,
проведенные в ЛИИЖТ, показали возможность получения
бетонов высокой морозостойкости и с применением гашеной
извести при тщательном соблюдении технологии приготовле-
ния и уплотнения жестких бетонных смесей.
Повысить морозостойкость силикатных бетонов можно
также введением в их состав воздухововлекающих добавок,
таких, как СНВ, Ц|НИПС-1 и др.
Водонепроницаемость силикатных бетонов изучена недо-
статочно, однако имеющиеся данные свидетельствуют о воз-
можности получения бетонов высокой водонепроницаемости
регулированием их пористости и состава новообразований.
Все мероприятия по повышению водонепроницаемости це-
ментных бетонов в основном применимы и для силикатных
'бетонов.
Некоторыми исследователями были получены плотные
силикатные бетоны, весьма стойкие к коррозии выщелачива-
ния в пресных водах. Стойкость их в различных агрессивных
водах зависит от состава новообразований в затвердевшем
вяжущем.
Стойкость индивидуальных гидросиликатов в различных
агрессивных растворах солей, по данным исследования
Ю. М. Бутта и К. К. Куатабаева, приведена в табл. 60.
Таблица 60
Стойкость гидросиликатов кальция в агрессивных растворах
Предел прочности при изгибе, л :Г)см2, через
Среда 1 сут- ки 6 ме- сяцев 1 ГОД 1 сут- ки 6 ме- сяцев 1 год 1 сут- ки 6 ме- сяцев 1 год
CSH(B) ксонотлит C2SH(A1
Водопровод- ная вода 25 23 22 57 55 54 2 7 6
2,5% MgSO4 26 18 5 56 46 10 2 7 5
5% NaSO4 26 21 18 57 53 45 2 6 5
5% MgCl9 25 13 10 57 39 26 2 5 3
5% NaCl 26 23 21 56 57 56 2 4 •
304
Как следует из таблицы, высокоосновные силикаты более
стойки в среде MgSC>4 и NaCl, чем низкоосновные. В среде
Na2SO4 и MgCl2 наблюдается обратная картина—более устой-
чивы низкоосновные гидросиликаты.
К таким же выводам пришел и Л. М. Хавкин с сотрудни-
ками, изучая стойкость силикатных бетонов в растворах
Na2SO4 и MgSO4. Устойчивость бетонов в среде MgSO4 обес-
печивалась подбором известково-кремнеземистого вяжущего
с преобладанием высокоосновных гидросиликатов, а устой-
чивость в среде Na2SO4 подбором вяжущего с преобладанием
низкоосновных гидросиликатов.
Эти исследователи изучали стойкость силикатных бетоноз
в амонийно-ацетатных средах, свойственных сельскохозяй-
ственным производственным помещениям (силосные ямы, жи-
вотноводческие фермы и пр.). Результаты их работы подтвер-
дили высокую стойкость силикатных бетонов в указанных
средах й целесообразность их применения для строительства
сельскохозяйственных сооружений.
Исследования по повышению коррозионной химической
стойкости силикатных бетонов были проведены в Харькове
в связи с изготовлением тюбингов для крепления шахт. Вве-
дение в состав известково-кремнеземистого вяжущего доба-
вок молотого доменного шлака позволило получить сили-
катные бетоны высокой стойкости в агрессивных водах.
Необходимо отметить, что данных о химической корро-
зионной стойкости силикатных бетонов еще явно недоста-
точно, поэтому необходимо их дальнейшее изучение для по-
лучения научно обоснованных рекомендаций по повышению
долговечности бетонов в различных средах.
Огнестойкость силикатобетонных конструкций несколько
выше, чем аналогичных конструкций из обычного железобе-
тона, из-за меньшего объемного веса и, следовательно, мень-
шей теплопроводности силикатных бетонов.
Металлическая арматура в силикатном бетоне подвер-
жена коррозии сильнее, нежели в обычном бетоне. В цемент-
ном бетоне пассивирующее действие на арматуру оказывает
щелочная среда (рН=12—13,5), которой нет в силикатном
бетоне. Краме того, уже автоклавная обработка бетона спо-
собствует появлению коррозии арматуры, которая в даль-
нейшем может развиваться в процессе эксплуатации конст-
рукции. В этих условиях обязательно покрытие арматуры
антикоррозионными обмазками, например цементно-казеи-
новой, цементно-полистирольной и др.
20 Зак. 3203
305
VII. ГАЗОСИЛИКАТЫ
Как уже упоминалось, помимо тяжелых силикатных бе-
тонов, в строительной индустрии широко распространены яче-
истые силикатные газобетоны с применением извести-кипел-
ки и алюминиевой пудры — газосиликаты.
Технология приготовления газосиликатных смесей и их
вспучивания принципиально не отличается от технологии по-
лучения газобетона.
Подбор состава газосиликатов производится по единому
методу подбора ячеистых бетонов, изложенному во второй ча-
сти.
Использование молотой кипелки вызывает быстрый разо-
грев смеси и интенсификацию процесса газообразования, ко-
торый заканчивается в течение 15—35 минут, в то время как
в цементной среде длится 35—50 минут.
Для получения хорошей структуры газосиликата следует
обеспечить течение процесса газообразования до конца схва-
тывания и начала твердения смеси. Исследованиями
С. А. Кржеминского установлено, что практически конец
схватывания извести наступает при достижении газосиликат-
ной массой температуры 50—70°. Необходимо, чтобы указан-
ные температуры наступали не ранее чем через 15 минут и
не позднее чем через час от начала схватывания, для чего
сроки гашения применяемой извести должны составлять 15й--
25 минут.
Гидратационное твердение молотой кипелки приводит к
быстрому нарастанию прочности вспученной массы. При этом
необходимая критическая прочность изделий достигается уже
примерно через два часа, т е. значительно раньше, чем в га-
зобетоне на портландцементе.
Режимы запарки газосиликатных изделий отличаются от
режимов запарки плотных силикатных бетонов удлиненными
периодами впуска и выпуска пара и при давлениях пара 8—
12 атм в среднем составляют: подъем давления два-четыре
часа, выдерживание при максимальном давлении шесть-во-
семь часов, выпуск пара пять-шесть часов.
Эти особенности вспучивания и твердения газосиликатных
изделий требуют большей культуры производства, нежели
при приготовлении газобетона, но в то же время позволяют
более эффективно регулировать структуру и свойства полу-
чаемого материала.
Физико-механические и технические свойства газосилика-
306
тов в основном такие же, как свойства других ячеистых бето-
нов, стоимость же их в большинстве случаев ниже, чем бе-
тонов с применением цементов.
VIII. ДРУГИЕ ВИДЫ АВТОКЛАВНЫХ БЕТОНОВ
Как уже упоминалось в первой части книги, при тепловой
обработке цементных бетонов в автоклавах химизм тверде-
ния цемента не отличается от химизма твердения в естествен-
ных условиях; можно считать, что в результате гидратации
и гидролиза клинкерных "материалов возникают в основном
те же новообразования, но в других количествах и с большей
степенью закристаллизованности.
В затвердевшем цементном камне находится значитель-
ное количество извести, многоосновных гидросиликатов и
гидроалюминатов, снижающих его физико-механические свой-
ства» Начиная с 1934 г. многие ученые в СССР и за рубе-
жом исследуют возможность введения в состав портланд-
цемента, применяемого для автоклавных бетонов, различных
тонкомолотых кремнеземистых и других добавок. Добавки
в процессе запарки должны взаимодействовать с гидролиз-
ной известью, связывая ее в прочные гидросиликаты, и ча-
стично понижать основность ранее образованных гидроси-
ликатов кальция. Результаты опытов по введению различ-
ных добавок в портландцемент, влияние их на прочность це-
ментного камня и содержание свободной извести в нем в ус-
ловияхзапарки и нормальноготвердения приведены в табл. 61.
Как видно из данных таблицы, кремнеземистые добавки
Таблица 61
Влияние тонкомолотой добавки на прочность цементного камня
нормальной густоты и содержание свободной извести
в затвердевшем бетоне
Добавка 1 Опти- мальное содержа- ние, % от веса цемента Запаривание 3+ 4-6+3 при 9 атм 28 суток нормаль- ного тверденир
Яб,кГ/см2 Са(ОН)2, % Са(ОН)2, %
Без добавки 0 675 7,7 648 6,58
Шлак Каширской ГЭС 75 668 0,03 152 1,0
Керамзит 25 700 0,3 679 4,6
Трепел 25 880 1,21 600 5,3
Кварц 25 1171 1,34 590 6,7
20* 307
связывают при запарке значительные количества извести и,
введенные в оптимальных количествах, повышают прочность
цементного камня. Наиболее эффективной добавкой по проч-
ности оказался молотый кварц, но весыма положительно и
действие других добавок, особенно молодого шлака,, который,
почти не снижая прочности, позволяет экономить до 75% де-
фицитного цемента-
Использование добавок молотого кварца к портландцемен-
ту или портландцементно-известковому вяжущему для бето-
нов автоклавного твердения уже рассматривалось в первой
части книги.
1 В нашей стране выполнены многочисленные исследования
для определения возможности применения отходов промыш-
ленности, главным образом различных шлаков и зол, в про-
изводстве автоклавных бетонов. Все эти отходы являются
кальциево-алюминиево-силикатными материалами', способны-
ми к твердению в условиях автоклавной обработки. Активность
шлаков и зол зависит от их химического, фазового и мине-
ралогического состава, она повышается при увеличении в них
стекловидной фазы, а также количества окиси кальция в сво-
бодном виде или в виде силикатов, алюминатов и ферритов,
способных к гидролизу и гидратации при запарке в автоклаве.
Для повышения активности шлаковых и зольных вяжущих
в процессе помола к ним добавляют небольшие количеств»
извести, цемента или кремнеземистого компонента.
На базе шлаковых и зольных вяжущих могут изготовлять-
ся тяжелые, легкие и ячеистые бетоны. Представляет интерес
комплексное использование шлаков в качестве вяжущих и
заполнителей для бетонов1.
Разработка новых видов автоклавных Жетонов на базе от-
ходов промышленности осуществлена нашими учеными
П. И. Баженовым, П. П. Будниковым, А. В. Волженским идр.
’ Многие из шлаковых и зольных вяжущих способны твердеть и в усло-
виях тепловой обработки при атмосферном давлении.
308
СОДЕРЖАНИЕ
От автора......................................................3
Введение ..................................................... 5
Основные обозначения.......................................... 8
Виды бетонов...................................................9
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ТЯЖЕЛЫЕ (ОБЫЧНЫЕ) БЕТОНЫ
I. Общие сведения ...................................13
II. Требования к материалам для бетона .... 17
III. Зависимости свойств бетона от его состава .... 22
Подвижные бетонные смеси и бетоны из них....................23
Жесткие бетонные смеси и бетоны из них......................30
Примеры практического использования зависимостей свойств бе-
тона от его состава......................................33
Технологические испытания заполнителей......................35
IV. Подбор состава бетона........................... 38
Расчет состава бетона.......................................39
Экспериментальная проверка состава бетона...................47
Экспериментальный метод подбора состава бетона .... 49
V. Процессы структурообразования и отвердевания бетона
Взаимодействие цемента с водой..............................54
Кинетика структурообразования и твердения цемента и бетона 57
Контракция (химическая усадка) цементного теста-камня . . 63
Структура затвердевшего бетона.............................64
Расчетный метод определения пористости бетона..............65
Сцепление цементного камня с заполнителями.................70
Основные технологические мероприятия, применяемые для улуч-
' шения структуры бетона.................................72
VI. Реологические и технические свойства бетонных смесей
Реологические свойства бетонных смесей......................73
Основы вибрационного уплотнения бетонных смесей . . . . 83
Обеспечение пластичности бетонных смесей....................91
Удобоукладываемость бетонных смесей.........................93
Действие поверхностноактивных органических добавок ... 97
309
VII. Феноменологическое рассмотрение бетона .102
VIII. Прочность и деформативные свойства бетона . . .106
Физические основы прочности бетона.........................106
Прочность бетона в конструкциях..............................Ш
Однородность бетона по прочности...........................114
Нарастание прочности бетона во времени .... . . 120
Зависимость между напряжениями и деформациями . . . .122
Другие виды деформации бетона..............................126
Усадка и набухание.........................................126
Эластические деформации, ползучесть и релаксация напряжений
в бетоне 130
IX. Ускорение твердения бетона.......................134
Ускорение твердения бетона в естественных условиях без тепло-
вой обработки..........................................135
Тепловая обработка бетона ................................ 139
Паропрогрев при атмосферном давлении.......................141
Паропрогрев при повышенном давлении в автоклавах . . .150
Электропрогрев.............................................153
Горячее формование ........................................156
Другие методы тепловой обработки ......................... 157
X. Зимнее бетонирование.............................157
Использование внутреннего тепла бетона (способ термоса) . . 160
Способы бетонирования с подачей тепла извне...........162
Холодное бетонирование.....................................164
XI. Долговечность бетона.............................168
Морозостойкость бетона.....................................170
Водонепроницаемость бетона.................................178
Химическая коррозионная стойкость бетона...................181
Стойкость бетона к воздействию высоких температур . . . .185
XII. Другие виды тяжелых бетонов......................16
Мелкозернистый (песчаный) бетон............................186
Декоративный бетон ........................................194
Полимерцементные бетоны....................................195
XIII. Проектирование бетона..........................201
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ЛЕГКИЕ И ОСОБОЛЕГКИЕ БЕТОНЫ
А. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ НА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
I. Общие сведения.................................205
II. Пористые заполнители для легких бетонов .... 209
III. Зависимости свойств легких бетонов от их состава. . 215
Особенности свойств бетонов на пористых заполнителях . . . 215
Свойства легкобетонной смеси...............................216
Объемный вес легких бетонов................................219
Прочность легких бетонов ................................. 225
Оптимальное водосодержание бетонной смеси..................232
IV. Подбор состава легкого бетона....................235
Подбор состава легкого бетона с оптимальным содержанием
воды ......................................................236
Подбор состава по заданной подвижности бетонной смеси . . 237
Расчетно-экспериментальный метод подбора состава керамзито-
бетона.................................................246
V. Физико-механические и технические свойства легких
бетонов на пористых заполнителях....................242
Прочностные свойства.......................................242
Деформативные свойства.....................................243
310
Усадка ц ползучесть легких бетонов.............. • • 244
Физические свойства...................................... • 245
VI. Ускорение твердения легких бетонов............247
VII. Особенности зимнего бетонирования с применением
легких бетонов .................................... 252
VIII. Долговечность легких .бетонов.................253
Б. ЯЧЕИСТЫЕ БЕТОНЫ
I. Общие сведения..................................255
II. Процессы образования пористой структуры ячеистых
бетонов ......................................... . 257
Порообразование в пенобетонных смесях.....................257
Порообразование в газобетоне...............................259
Твердение ячеистых бетонов . ...........................263
III. Материалы, применяемые для ячеистых бетонов . 264
IV. Зависимости свойств ячеистых бетонов от их состава 266
V. Подбор состава ячеистого бетона.................270
VI. Технические свойства ячеистых бетонов...........272
В. ДРУГИЕ ВИДЫ ЛЕГКИХ И ОСОБОЛЕГКИХ БЕТОНОВ
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. СИЛИКАТНЫЕ БЕТОНЫ
I. Общие сведения..................................277
II. Процессы автоклавного твердения силикатных бетонов 278
III. Материалы, применяемые для силикатных бетонов . . 285
IV. Зависимости свойств тяжелых силикатных бетонов от
их состава...........................................287
Известково-кремнеземистое .вяжущее ......... 287
Удобоукладываемость бетонных смесей........................291
Структура и прочность тяжелых силикатных бетонов .... 294
Режимы запаривания ... ................... 297
V. Подбор состава тяжелого силикатного бетона . . 298
VI. Физико-механические и технические свойства тяжелых
силикатных бетонов...................................300
Прочностные свойства.......................................300
Деформативные свойства.....................................302
Долговечность..............................................303
VII, Газосиликаты..................................306
VIII. Другие виды автоклавных бетонов...............307
Георгий Иосифович Черкасов
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ БЕТОНА
Редактор Н. Г. Сеппинг
Худож. редактор А. И. Аносов-
Техн, редактор Е. М. Пестерев
Корректор Н. Б. Колкина
Сдано в набор 29 мая 1972 г. Подп. в печать 10 декабря
1973 г. Печ. л. 19,5. Уч.-изд. л. 18,02. Бумага тип. № 2.
Формат 60X84716. Заказ 3203. Тираж 1000. НЕ 10555.
Цена 1 руб. 81 коп.
Восточно-Сибирское книжное издательство Государственного
комитета при Совете Министров РСФСР по делам издательств,
полиграфии и книжной торговли, г. Иркутск, ул. Горького, 36.
Типография издательства «Восточно-Сибирская правда»,
г. Иркутск, ул. Советская, 109.