Тяжелые (обычные) бетоны

При выборе разновидности цемента учи­тывают характер конструкции и рекомендации нормативных доку­ментов (ГОСТа, СНиПа). Так, например, при производстве железо­бетонных конструкций промышленных зданий и многих инженер­ных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцементы с повышенным содержанием алита. Если эти конструкции относятся к массивным, то более предпочти­тельны цементы с меньшим содержанием алита, которые меньше выделяют теплоты при реакциях твердения и, следовательно, в ме­ньшей мере конструкции подвержены тепловым неравномерным на­пряжениям. Если конструкция работает в условиях воздействия морской или другой минерализованной воды, тогда выбирают малоалюминатные сульфатостойкие портландцементы и шлакопортландцементы. Гидротехнические сооружения проектируют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с пластифици­рующими и гидрофобными добавочными веществами. Аналогич­ным образом учитывают условия при выборе цемента для других видов бетона.

Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также выбор его марки, исходя из требуемой прочности бетона в конст­рукциях и минимального расхода вяжущего как наиболее дорого­стоящего компонента бетона, избыток которого увеличивает вели­чину усадочных деформаций, а потому и снижает трещиностойкость бетона. Обычно исходят из соотношения, чтобы марка по прочности цемента превышала на 10—40% марку бетона, а при низ­ких марках бетона (110—300) превышение марки цемента составля­ет 100—200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам произ­водится при различных условиях подготовки соответствующих сме­сей и при несходных структурах испытываемых материалов. Имен­но поэтому часто фактически прочность бетона получается на одну-две марки выше марки принятого цемента. Чтобы избежать случайности, следует при выборе цемента и расчетах исходить не из марки, а реальной активности (R*) при оптимальной структуре, в те­ории ИСК именуемой расчетной активностью. Она соответствует прочности цементного камня оптимальной структуры, полученной при испытании образцов, изготовленных при технологических па­раметрах и режимах, характерных для принятого или предполагае­мого производства бетона и изготовления бетонных изделий. При проектировании состава бетона общим методом можно до­статочно точно обусловить выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (9.3). Строгие требования предъявляются к качеству воды, используемой при затворении бетонной смеси, а также для промывки заполнителей и увлажнения бетона при его твердении в сухих условиях. Рекомендуется приме­нять питьевую воду; не допускаются болотные и сточные воды. Ограничивается содержание растворенных в воде солей, органиче­ских веществ, вовсе не допускаются примеси нефтепродуктов, про­веряется водородный показатель рН, который не должен быть ниже 4,0 и выше 12,5.

Для тяжелых бетонов предусмотрены требования к качеству за­полнителей. Пески используют природные или получаемые дробле­нием плотных морозостойких горных пород с размером зерен не крупнее 5 мм. Важно обеспечить повышенную плотность зернового состава (по кривым плотных смесей) при модуле крупности не ниже 2,0. Ограничивается содержание пылевато-глинистых и других вред­ных примесей, о чем указывалось выше при описании заполнителей. На стадии проектирования состава бетона устанавливают целесооб­разный зерновой состав крупного заполнителя с наименьшим объе­мом пустот и наибольшей крупностью зерен при общих требова­ниях, указанных выше в отношении качества заполнителей.

Широко используют в технологии бетона пластифицирующие, воздухововлекающие и противоморозные добавки.

Структура и свойства тяжелого бетона

Тяжелый бетон — типич­ный представитель искусственных строительных конгломератов. В нем отвердевшее цементное тесто, или цементный камень, полно­стью окружает каждую частицу мелкого и крупного заполнителя и, кроме того, заполняет пространство между этими частицами, со­ставляя, таким образом, непрерывную пространственную сетку, или матрицу. В процессе отвердевания цементного теста частицы запол­нителя оказались сцементированными в общий монолит. В моноли­те 20—30% его объема занимает цементный камень, а на долю за­полнителя приходится, следовательно, 70—80% объема. В пределах объема тяжелого бетона имеется также капиллярно-поровая часть, которая образуется в результате испарения свободной воды, недоуплотнения смеси и усадочных явлений. Поры имеются также в час­тицах заполнителя, а микропоры характерны для цементного кам­ня. Нередко воздушные поры (1—2%) равномерно распределены в объеме бетона, возникая в процессе перемешивания бетонной смеси со специальной воздухововлекающей добавкой, что обычно повы­шает морозостойкость бетона. Поры цементного камня можно раз­делить условно на особо тонкие, например, диаметром до 1000 А, ; называемые гелевыми, и более грубые диаметром, например, от ; 1000 А до 10 мкм, называемые капиллярными, поскольку многие из них взаимосвязаны, образуя своеобразную систему «микрокана­лов», доступных к проникновению и движению по ним внешней во­дной среды, понижающей морозостойкость бетона.

Непременной структурной частью бетона, подобно другим конг­ломератам, являются контактные зоны (обычно шириной до 50—65 мкм), микроструктура цементного камня в которых несколь­ко отлична от такой же структуры в объемном цементном камне по­вышенной концентрацией кристаллической фазы и пониженным со­держанием микропор. Контактный слой может также отличаться химическим составом его кристаллической фазы. Такова в общих чертах структура и микроструктура тяжелого цементного бетона.

В значительной мере структура по свойствам неоднородна, как неоднородны составляющие ее компоненты (щебень, песок, цемент­ный камень). Она не свободна от многих дефектов, связанных с тех­нологическим и эксплуатационным периодами, что отражается на уровне показателей механических свойств и долговечности бетона.

Для тяжелых бетонов характерным является не только высокое значение средней плотности, но и высокая прочность. Значения средней плотности находятся в пределах 1800—2500 кг/м³, а проч­ность по сжатию — от 5 до 80 МПа. Проектные марки его по преде­лу прочности при сжатии: М50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700 и 800.

Класс бетона по пределу прочности при сжатии (в МПа) опреде­ляют с помощью образцов размером 15x15x15 см (с умножением на коэффициент 0,778), изготовленных из бетонной смеси и испытан­ных через 28 суток твердения при хранении в нормальных условиях, т. е. при температуре 20±2°С, относительной влажности воздуха не ниже 90%. Имеются некоторые исключения, например гидротехни­ческий бетон речных сооружений оценивают по прочности также в 60-, 90- и 180-дневном возрасте образцов нормального твердения. При других размерах образцов-кубов с ребром 7, 10, 20 и 30 см резу­льтаты испытаний умножают на масштабные коэффициенты, соот­ветственно равные 0,85; 0,91; 1,05; 1,10. Для оценки прочности вмес­то образцов-кубов нередко используют призмы размером 10x10x40 см или других размеров, испытываемых на изгиб, а также образ­цыцилиндры диаметром 7, 10, 15, 20, 30 см и высотой, равной диа­метру или двум диаметрам.

Бетон называют высокопрочным, если его марка выше 600, на­пример 700 или 800. Иногда к высокопрочному относят бетон с прочностью выше стандартной марки цемента, использованного в его составе. В настоящее время активность вяжущих — цементов (и гипсов), применяемых в бетонах, значительно увеличена, что по­зволяет получать бетоны с пределом прочности при сжатии 100 МПа. По мнению некоторых специалистов, возможности в этом направлении не исчерпаны и прочность бетона на сжатие может достигнуть 400 МПа.

Прочность бетона на растяжение составляет от 6 до 10%, а при изгибе — от 10 до 16% от предела прочности при сжатии. По пределу прочности на осевое растяжение бетоны делятся на марки от 10 до 40, а при изгибе — от 1,5 до 5,5 МПа. Упрочнить бетон на растя­жение можно армированием, поскольку металлическая арматура способна почти полностью принять на себя растягивающие напря­жения, разгружая от них бетон. Арматура может располагаться как направленно, так и в хаотическом виде (при волокнах-фибре).

Прочность бетона не остается величиной постоянной, при бла­гоприятных условиях — высокой влажности воздуха, положитель­ной температуре и т. п. — отмечается прирост прочности, определя­емый по формуле

где — возраст бетона в сутках, но не менее трех суток.

К возрасту одного года тяжелый бетон в этих условиях самоуп­рочняется на 70—90% от R₂₈.

Кроме статической прочности, иногда проверяют величину ди­намической прочности, или ударной вязкости. При вибрационных воздействиях на конструкцию важно определять усталостную проч­ность бетона, характеризуемую количеством циклов вибрационного воздействия до признаков разрушения структуры.

Долговечность бетонных конструкций в большой мере обуслов­ливают деформативные свойства бетона. Особо следует выделить ползучесть, которая проявляется при сжимающих, растягивающих и других напряжениях, действующих в течение длительного времени. Ползучесть в бетонах в значительной мере обусловлена ползуче­стью цементного камня и, в соответствии с законом конгруэнции ИСК, возрастает с увеличением в нем теплоты по мере роста водо-цементного отношения. Но ползучесть зависит также от качества заполнителя. Она больше при уменьшении модуля упругости гор­ной породы, применяемой для получения заполнителя. Кроме того, ползучесть связана с наличием микротрещин в контактной зоне на границе цементного камня с заполнителем и зависит еще от ряда других причин. Цементный бетон обладает упругими свойствами. При оптимальных структурах упругие деформации бетона тем зна­чительнее, чем более упругим является цементный камень. Кроме того, упругие свойства зависят от уровня нагружения бетона меха­ническими силами. При оценке упругости обычно принимают неко­торое постоянное напряжение, передаваемое на бетон, например, равное по величине 0,2 от предела прочности при сжатии.

При твердении бетона возникают линейные и объемные дефор­мации под влиянием усадки и набухания, что приводит к появлению трещин, поэтому стремятся уменьшить размеры этих деформаций. В возрасте 1—1,5 года конечный размер усадки бетона составляет от 0,1 до 1,5 мм/м, что зависит от разновидности принятого цемента количества цементного камня в бетоне, внешних температур­но-влажностных условий. Вызывают деформации и температурные колебания воздуха или другой внешней среды. Коэффициент теплового расширения бетона находится в пределах от 7 • 10^-6 до 12 • 10^-6 °С^-1, что зависит от разновидности крупного заполнителя; в среднем он принимается равным 10 • 10^-6 °С^-1.

Определенную пользу в «залечивании» возникающих при твер­дении дефектов и усадочных деформаций может приносить, как по­казали исследования А.В. Саталкина, статические и даже комплекс­ные (статические с динамическими и вибрационными) нагрузки на молодой бетон. При определенных условиях раннее нагружение твердеющего бетона приносит закономерное упрочнение, что про­исходит вследствие некоторой благоприятной перестройки микро- и макроструктуры при твердении под нагрузкой. Важно только, что­бы напряжения не превышали предела длительной прочности бето­на на ранней стадии его твердения.

На снижение величины усадки бетона оказывает влияние повы­шение плотности заполнителя, его гранулометрический состав, сни­жение водоцементного отношения, оптимизация структуры бетона. Применение напрягающих и расширяющихся цементов также бла­гоприятствует получению бетонов с компенсированной усадкой, повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью. За рубе­жом используют расширяющиеся синтезированные добавки, вноси­мые в смесь. НИИЖБом предложена отечественная добавка того же назначения. Конструкции из бетона с компенсированной усадкой превосходят по качеству традиционные.

Важнейшей характеристикой качества бетона является морозо­стойкость. По этому свойству бетоны маркируют: F50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500. К невыдержавшим установленного маркой числа циклов замораживания при температуре -15 — 20°С и оттаивания при температуре +15 — +20°С (по стандарту) относятся бетонные об­разцы, которые теряют более 5% по массе за время испытаний (эта оценка только для дорожных бетонов), а в прочности на сжатие — более 15% от ее первоначального значения. По стандарту для срав­нения принимается прочность образцов в так называемом эквивалентном возрасте, определяемом с учетом продолжительности твер­дения.

Бетон разделяют на марки и по водонепроницаемости, что имеет особое значение, когда в эксплуатационных условиях бетон подвер­жен длительному контактированию с водной средой. Проверка пол­ной водонепроницаемости (или иногда водопроницаемости) произ­водится в лаборатории путем воздействия напора воды на образец цилиндрической формы и толщиной 15 см при различных гидроста­тических давлениях, выражаемых в Па (от 2 • 10⁵ до 12 • 10⁵). Приняты следующие марки: W2, W4, W6, W8, W10 и W12, которые особенно важно учитывать при проверке качества бетона для труб, гидротехнического и других видов тяжелого бетона.

Непроницаемый бетон может оказаться проницаемым при более высоких давлениях воды или при жидкостях, которые более подвижны, с меньшей вязкостью, например легких нефтепродуктах. В таких случаях повышают непроницаемость бетона введением уплотняющих (например, алюмината натрия) и гидрофобизирующих добавок, употреблением защитных синтетических пленок. Фи­льтрация нефтепродуктов снижается при добавлении в бетонную; смесь хлорного железа или других проверенных добавок. Для всех жидких сред, особенно воды, фильтрация (проницаемость их) за­труднена при использовании в бетоне расширяющегося и напрягаю­щего портландцементов.

И.А. Рыбьев

“Строительное материаловедение”