Классификация бетонов и отличительные свойства

ЛЕКЦИЯ 3

БЕТОНЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Учебные вопросы:

Тяжелые бетоны

1.1 Классификация бетонов и отличительные свойства

1.2 Сырьевые материалы для тяжелого бетона, их свойства, нормативные требования

1.3 Свойства бетонной смеси и бетона

1.4 Расчет состава тяжелого бетона

1.5 Укладка и уплотнение бетонной смеси

1.6 Методы формования бетонных конструкций в зависимости от тиксотропии бетонной смеси и ее удобоукладываемости

1.7 Твердение бетона

1.9 Добавки для бетонов

ЛЕКЦИЯ 3

БЕТОНЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Вопрос 1 Тяжелые бетоны

Общие сведения

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок.

Бетон - один из основных строительных материалов. Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнообразные свойства, изменяя в широких пределах прочность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения. Бетон широко используют в гражданском, промышленном, гидротехническом, теплоэнергетическом, дорожном и других видах строительства.

Изученные в предыдущей лекции минеральные вяжущие являются в сочетании с водой основными компонентами любого вида бетона, так как обеспечивают заданную пластичность (формируемость) бетонной смеси, необходимую для получения изделий и конструкций определенной формы и размера, а так же прочность и долговечность самой бетонной конструкции.

Вследствие повышенной усадки, ползучести цементного камня, а так же высокой стоимости минеральных вяжущих при получении бетонов вводят природные и искусственные жесткие заполнители.

Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2..

Марка обозначает давление воды (МПА), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговеч­ность бетонных конструкций в нашем климате.

Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2)⁰С и оттаивания в воде при (18 ± 2)⁰С предварительно насы­щенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность од­ного цикла — 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания — оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочно­стью контрольных образцов в начале испытаний.

Установлены следу­ющие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000.

Стандартом предусмотрены и ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)⁰С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях явля­ется капиллярная пористость (рис. 10). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Так, бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, в соответст­вии с рис. 12.16 должен иметь морозостойкость F150...F200.

Рисунок 10 Зависимость морозо­стойкости от капиллярной пористо­сти:

____ - усредненная кривая; ------- - область возможных значений

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше 6,5...6 %).

Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

• пластифицирующих добавок, по­вышающих удобоукладываемость бе­тонных смесей без добавления воды.

Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона — гидрофобизация (объемная или поверхност­ная) - в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.

Теплофизические свойства.

Из них важнейшими являются:

- теплопровод­ность,

- теплоемкость,

- температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии ве­лика — около 1,2...1,5 Вт/(мК), т. е. в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича.

Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теп­лоизоляцией.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75...0,92 Дж/(кгК); в среднем - 0,84 Дж/(кгК).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линей­ного расширения тяжелого бетона (10...12)*10^-6К^-1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50°С расширение составит при­мерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растре­скивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.

Расчет состава тяжелого бетона

Подбор состава бетона. Состав бетона должен быть таким, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и т. п.), а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.

Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом, в виде формул, таблиц и номограмм. Общая схема расчета следующая.

Требуемая подвижность бетонной смеси обеспечивается выбором (по таблицам и графикам) необходимого количества воды (В).

Требуемая прочность бетона достигается:

1) выбором марки цемента (она, как правило, принимается в 1,5...2,5 раза выше марки бетона);

2) расчетом требуемого соотношения цемента и воды (Ц/В) по формуле основного закона прочности бетона.

Количество цемента определяется по известным значениям В и В/Ц:

Ц = В:(В/Ц)

Количество крупного и мелкого заполнителей рассчитывают так, чтобы расход цемента был минимальным.

Это достигается в том случае, если количество крупного заполнителя будет максимально возможным (обычно оно составляет 0,75...0,85 от объема бетона), а мелкий запол­нитель (песок) заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя.

В этом случае цементное тесто должно будет заполнить пустоты в песке и покрыть поверхность заполнителей для обеспечения связи всех частиц друг с другом.

Увеличивая или уменьшая содержание цементного теста (но не изменяя при этом рассчитанного Ц/В), т. е. увеличивая и уменьшая долю воды в бетонной смеси, можно соответственно повысить или снизить подвижность бетонной смеси, сохраняя заданную прочность бетона.

Полученный состав бетона может быть выражен двумя способами:

• количеством составляющих (кг) для получения 1 м³ бетона (например, цемент — 300, вода — 200, песок — 650 и щебень — 1250);

• соотношением компонентов в частях по массе или по объему; при этом количество цемента принимают за 1 (например, запись 1:2:4 при В/Ц = 0,7 означает, что на 1 ч. цемента берется 0,7 ч. воды, 2 ч. песка и 4 ч. крупного заполнителя).

При использовании влажных заполнителей необходимо учитывать содержащуюся в них воду и соответственно уменьшать количество воды затворения, чтобы суммарное количество воды было равно расчетному.

Приготовление бетонной смеси осуществляют в специальных агре­гатах — бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимо­сти (от 75 до 4500 дм³).

Вместимость смесителя указывается по суммарному объему сухих компонентов бетонной смеси, который, может быть загружен.

При перемешивании, мелкие компоненты смеси входят в межзер­новые пустоты более крупных - (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент — в пустоты песка).

Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6...0,7 от объема исходных сухих компо­нентов.

Этот показатель, называемый коэффициент выхода бетонной смеси β, рассчитывают по формуле:

Где, V_бс — объем бетонной смеси; V_u, V_n и V_K — объемы цемента, песка и крупного заполнителя соответственно.

Добавки для бетонов

Химические добавки вводят с целью целенаправленного изменения свойств бетонной смеси и бетона. Они могут быть органическими и неорганическими.

По эффекту действия до­бавки классифицируют на:

- регулирующие процесс гидратации цемента (ускорители и замедлители твердения);

- улучшающие пластичные свойства цементных смесей (пластификаторы и суперпластификаторы);

- вовлекающие воздух при перемеши­вании бетонных смесей и придающие цементному камню во­доотталкивающие свойства (воздухововлекающие и гидрофоб­ные);

- создающие ячеистую структуру в бетоне (пено- и газооб­разующие); повышающие плотность цементного камня (уплот­няющие);

- препятствующие разрушению арматуры в бетоне (ингибиторы коррозии стали);

- защищающие бетон от разру­шения микроорганизмами (биоцидные);

- обеспечивающие твердение цемента при отрицательной температуре без обо­грева — противоморозные (табл. 1).

К ускорителям твердения относятся добавки, повышаю­щие растворимость цемента, такие как:

- хлорид и нитрат каль­ция,

- сульфат натрия в количестве до 2% от массы цемента,

- кристаллические добавки-затравки (гипс), создающие усло­вия для более быстрой кристаллизации и твердения цементно­го теста.

Эти добавки применяют как при бетонировании на строительной площадке в условиях низких положительных тем­ператур, так и при получении сборных железобетонных конст­рукций на заводе, экономя энергозатраты на их производство.

Изготовление бетонной смеси на заводе и транспортировка к месту укладки, особенно в летний период, часто сопровож­даются потерей пластичности вследствие ускорения взаимо­действия цемента с водой.

В этих условиях в бетонную смесь вводят замедлители твердения, которые представляют собой или органические поверхностно-активные вещества, образу­ющие адсорбционный слой на поверхности цементных зерен, замедляющий на определенный период взаимодействие цемен­та с водой (СДБ), или вещества, эффект которых связан с кристаллизацией малорастворимых соединений, экранирую­щих поверхность цемента (сахара, соли некоторых органиче­ских кислот).

При последующем перемешивании защитный слой нарушается, и бетонная смесь приобретает свойства твер­деть и набирать прочность в обычном режиме.

Таблица 3 Классификация химических добавок

Добавки пластификаторы (ССБ, СДБ) вводят в бетон­ную смесь в количестве 0,1 - 0,3% от массы цемента. Основ­ной эффект этих поверхностно-активных веществ, связан с улучшением смачивания водой поверхности цементных зерен и облегчением скольжения их относительно друг друга.

В по­следнее десятилетие все большее распространение получают до­бавки суперпластификаторы, представляющие собой высокоэффективные органические поверхностно - активные вещества.

Введение их в количестве 0,3 — 1% от массы цемента в пересче­те на сухое вещество (так как часто это водные растворы) по­зволяет без увеличения расхода воды получить высокоподвиж­ные, литые бетонные смеси, что делает возможным частично или полностью отказаться от вибрации при формовке изделий и обеспечивает ее транспортировку по трубопроводам пневма­тическим способом или с использованием бетононасосов.

При сохранении заданной пластичности за счет значительного со­кращения расхода воды до 20% возможно снижение продол­жительности термовлажностной обработки, повышение плот­ности, прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Как показала многолетняя практика их использова­ния, добавки этого класса несколько снижают темп роста проч­ности бетона в начальные сроки естественного твердения, в связи с этим их часто используют в комплексе с ускорителя­ми твердения.

Введение органических гидрофобных добавок в количестве 0,01 — 0,03% от массы цемента не только снижает смачиваемость водой стенок пор, капилляров цементного камня, но и по­верхность бетонных изделий.

При перемешивании бетонной смеси добавки вызывают повышенное воздухововлечение, что обеспечивает преобладание в бетоне замкнутых, недоступных проникновению воды пор, заполненных воздухом, которые значительно повышают морозостойкость бетона.

С целью придания бетону ячеистой структуры, характери­зующейся равномерно распределенными замкнутыми порами по всему объему примерно одного размера, заполненными газом или воздухом, вводят газо - и пенообразующие добав­ки. Наиболее часто применяемой является алюминиевая пуд­ра, реакция которой с продуктом гидратации трехкальциевого силиката — гидрооксидом кальция или самим вяжущим — известью, приводит к образованию газообразного водорода.

Органические соединения, обладающие способностью обра­зовывать устойчивую пену (мыла, гидролизованная кровь животных), применяют при получении пенобетона.

Условия эксплуатации таких конструкций, как железобе­тонные трубы, емкости для хранения жидких продуктов, тре­буют, чтобы бетон обладал высокой плотностью.

Для увели­чения плотности вводят специальные уплотняющие добавки в количестве 1 - 3% от массы цемента: хлорид железа, сульфат алюминия.

Продукты взаимодействия добавки с гидратными новообразованиями цементного камня, обладая низкой ра­створимостью, заполняют (кольматируют) поры бетона, по­вышая его плотность.

При введении хлорсодержащих добавок (ускорителей, уплотняющих, противоморозных), вследствие высокой актив­ности содержащихся в них ионов хлора по отношению к сталь­ной арматуре, возникает опасность ее коррозии. Аналогич­ные опасения имеют место и при эксплуатации железобетон­ных конструкций в условиях действия жидких и газообразных соединений хлора. Чтобы исключить разрушение арматуры, приводящее впоследствии к потере несущей способности всей конструкции, в бетонную смесь вводят самостоятельно или в комплексе с используемыми хлорсодержащими добавками та­кие ингибиторы коррозии, как нитриты, хроматы и бораты.

В последние годы все больше внимания уделяют биопо­вреждениям в строительстве. В частности, долговременные исследования эксплуатации зданий и сооружений показали, что микроорганизмы разрушают не только древесину и поли­меры, но и такие неорганические материалы, как металлы и бетон. Этот вид коррозии характерен для сельскохозяйствен­ных сооружений, предприятий пищевой и деревообрабатыва­ющей промышленности, банно-прачечных комбинатов и т.д. С целью исключения развития микроорганизмов на поверхно­сти бетонной конструкции и разрушения их продуктами жиз­недеятельности в бетонную смесь вводят биоцидные добавки, представляющие собой соединения меди.

Определенный обширный класс составляют противоморозные добавки. Механизм их действия заключается в способно­сти некоторых солей понижать температуру замерзания воды, причем тем в большей степени, чем выше концентрация ра­створа. Таким свойством обладают органические и неоргани­ческие соединения. Так как в случае перехода воды в лед вся­кие химические взаимодействия прекращаются, то введение таких добавок в бетон, обеспечивая сохранность воды (раство­ра) в жидком состоянии, создает нормальные условия для прохождения реакций гидратации цемента при отрицательной температуре.

В качестве противоморозных добавок используют как однокомпонентные:

- хлорид натрия и кальция,

- карбонат ка­лия (поташ),

- нитрит натрия,

- мочевину,

так и комплексные:

- нитрит - нитрат Са (ННК),

- нитрит – нитрат - хлорид Са (ННХК).

Контрольные вопросы

§ Классификация бетонов

§ Основные требования к заполнителям для тяжелого бетона

§ Что такое тиксотропия бетонной смеси?

§ Что такое подвижность бетонной смеси, как она определяется?

§ Что такое жесткость бетонной смеси, как она определяется?

§ Условия твердения бетона

§ Структура бетона, влияние на нее уплотнения и условий твердения, виды добавок

§ Тепловлажностная обработка бетона: виды, режимы

§ Что такое марка и класс бетона по прочности?

§ Методы формования в зависимости от тиксотропии бетона

§ Виброобработка бетонной смеси

§ Невибрационные методы уплотнения бетонной смеси

§ Способы зимнего бетонирования, виды противоморозных добавок

§ Разновидности тяжелого бетона и их применение

§ Маркировка бетонных смесей

ЛЕКЦИЯ 3

БЕТОНЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Учебные вопросы:

Тяжелые бетоны

1.1 Классификация бетонов и отличительные свойства

1.2 Сырьевые материалы для тяжелого бетона, их свойства, нормативные требования

1.3 Свойства бетонной смеси и бетона

1.4 Расчет состава тяжелого бетона

1.5 Укладка и уплотнение бетонной смеси

1.6 Методы формования бетонных конструкций в зависимости от тиксотропии бетонной смеси и ее удобоукладываемости

1.7 Твердение бетона

1.9 Добавки для бетонов

ЛЕКЦИЯ 3

БЕТОНЫ И ЖЕЛЕЗОБЕТОН

Вопрос 1 Тяжелые бетоны

Общие сведения

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок.

Бетон - один из основных строительных материалов. Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнообразные свойства, изменяя в широких пределах прочность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения. Бетон широко используют в гражданском, промышленном, гидротехническом, теплоэнергетическом, дорожном и других видах строительства.

Изученные в предыдущей лекции минеральные вяжущие являются в сочетании с водой основными компонентами любого вида бетона, так как обеспечивают заданную пластичность (формируемость) бетонной смеси, необходимую для получения изделий и конструкций определенной формы и размера, а так же прочность и долговечность самой бетонной конструкции.

Вследствие повышенной усадки, ползучести цементного камня, а так же высокой стоимости минеральных вяжущих при получении бетонов вводят природные и искусственные жесткие заполнители.

Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью.

Классификация бетонов и отличительные свойства

Бетоны классифицируют по (рис. 1):

- средней плотности,

- виду вяжущего вещества,

- назначению.

По плотности различают:

- особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м³;

- тяжелые – 1800...2500 кг/м³;

- легкие – 500...1800 кг/м³;

- особо легкие – менее 500 кг/м³.

Особо тяжелые бетоны получают на основе заполнителя из железной руды, барита, чугунного скрапа, свинцовой дроби;

тяжелые – на основе заполнителя из плотных горных пород: гранитов, диабаза, песчаника и др.

В легких бетонах используют природный или искусственный пористые заполнители, в том числе пемзу, керамзит, аглопорит и др.

Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) отличаются тем, что своеобразным заполнителем в них являются воздушные или газовые поры-ячейки.

Рисунок 1 Классификация бетонов

По виду вяжущего бетоны делят на:

- цементные (цементобетоны),

- гипсовые (гипсобетоны),

- силикатные,

- полимербетоны,

- асфальтобетоны и т.д.

По назначению бетоны бывают:

- общего назначения (для несущих и ограждающих конструкций);

- специального назначения (для защиты от радиации, для дорожных и аэродромных покрытий, жароупорные, кислотостойкие, гидроизоляционные, декоративные и др.).

В зависимости от применения различают бетоны:

- обычный - для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, сводов, мостов и т. п.);

- специального назначения, например кислотоупорный, жароупорный…

- гидротехнический - для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т. п.;

- бетон для стен зданий (главным образом, легкий бетон) и легких перекрытий;

- теплоизоляционный особо легкий (пено- и газобетон);

- бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий.

1.2 Сырьевые материалы для тяжелого бетона, их свойства, нормативные требования

Бетоны - искусственные каменные материалы,получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.

Вода для приготовления бетонной смеси.Для приготовления бетонной смеси используют любую воду, отвечающую согласно ГОСТ 23732 определенным требованиям. Ограничения, предъявляемые к воде затворения, обусловлены свойствами самогоцементного камня, т. е. в воде не должны содержаться те компоненты, которые могут вызвать его разрушение в процессе эксплуатации.

Так кислотность воды не должна быть меньше 4, так как цементный камень обладает низкой кислотостойкостью и не более 12,5.

Содержание сульфатов не должно превышать 2000 – 2700 мг/л, в зависимости от ответственности конструкции, а всех солей от 3000 до 5000 мг/л, так как соли могут вызвать не только высолы на поверхности конструкции, но и коррозию арматуры, сопровождаемую отслаиванием защитного бетонного слоя и разрушением конструкции в целом.

Вяжущее вещество.Для изготовления обычного бетона наиболее широко применяют минеральные вяжущие вещества, прежде всего портландцемент и его разновидности.

Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона.

Заполнители создают жесткий каркас и поэтому значительно уменьшают деформации бетона при твердении и под нагрузкой. В качестве заполнителей преимущественно используют местные горные породы и вторичные ресурсы (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % объема бетона. Легкие пористые заполнители снижают плотность бетона и улучшают его теплотехнические свойства.