Текст
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА БЕТОНА
РАЗЛИЧНЫХ
Ю.М. Баженов ВИДОВ
Доктор технических наук профессор Ю. М. БАЖЕНОВ
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СОСТАВА БЕТОНА
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов строительных специальностей высших учебных заведений
МОСКВА СТРОЙИЗДАГ 1975
УДК 666.97.031.1(075.8)
Рецензенты: кафедра строительных материалов Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева (зав. кафедрой д-р техн, наук проф. Г. И. Горчаков); д-р техн -наук проф А. Е. Шейкин.
Баженов Ю. М. Способы личных видов. Учеб, пособие с 268.
определения состава бетона раз-для вузов. М, Стройиздат, 1975.
Изложены практические методы проектирования состава бетонов различных видов (тяжелого, легкого, мелкозернистого, силикатного и др). Приведены научно обоснованные методы расчета, формулы, графики, таблицы. Даны примеры расчетов.
Учебное пособие предназначено для студентов строительных вузов. Может быть использовано производственными и строительными лабораториями.
Табл. 74, рис. 71, список лит.: 74 назв.
30209—218
047(01)—75
233—75
© Стройиздат, 1975
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проектирование состава — один из важнейших этапов технологии бетона. От того, насколько правильно определен состав бетона, зависят его свойства! долговечность и экономичность.
Проектирование состава бетона охватывает более широкий круг вопросов, чем просто методика определения состава. Проектирование состава бетона включает: выбор материалов; расчет состава бетона с учетом качества материалов и намечаемой технологии; определение требований к технологии, при которых гарантируется получение бетона требуемых свойств; проверку и корректировку выбранного состава путем изготовления пробных замесов; контроль качества бетона и оценку надежности технологии; проведение технико-экономических расчетов.
В основе способов расчета состава большинства видов бетона лежит метод абсолютных объемов, по которому сумма объемов составляющих бетона должна равняться объему бетона, а соотношение между составляющими должно обеспечивать получение бетона требуемых свойств. Для определения первоначального состава бетона используют обычно усредненные зависимости, полученные в результате статистической обработки опытных данных. Поэтому для уточнения состава бетона проводят пробные замесы.
В последнее время разработаны методы более точной оценки влияния качества материалов на свойства бетона. Использование этих новых структурно-технологических характеристик позволяет в ряде случаев проектировать состав бетона, не требующий корректировки. Это облегчает определение состава бетона, а также позволяет выполнять технико-экономические расчеты и выбирать для производства оптимальное решение.
В настоящем учебном пособии рассмотрены способы проектирования состава бетона различных видов, но
3
главное внимание уделено наиболее широко применяемому обычному тяжелому бетону. На его примере раскрыты взаимосвязь структуры и свойств бетона, особенности структурообразования бетона в различных условиях, методика получения и обоснования расчетных зависимостей и порядок расчета состава бетона.
Известны десятки способов расчета состава бетона. В книге рассматриваются те из них, которые получили наибольшее распространение, имеют ясные физические основы, просты и удобны в пользовании и вместе с тем обеспечивают достаточную точность расчета. Для правильного проектирования состава бетона очень важно, чтобы исполнитель четко представлял, как состав влияет на свойства бетона, ясно понимал основы методики проектирования. Вооружить его необходимыми знаниями — цель настоящей книги.
Книга предназначена для студентов инженерностроительных вузов, но может быть использована инженерами и техниками, связанными с производством сборного железобетона и возведением монолитных железобетонных конструкций.
Раздел /
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О БЕТОНАХ
§ 1. БЕТОН И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ
Бетонами называют 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. В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах.
Цемент и вода являются активными составляющими бетона: в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит. Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому часто заполнители называют инертными материалами. Однако заполнители существенно влияют на структуру и свойства бетона, что необходимо учитывать при проектировании его состава.
В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют около 85—90%, а цемент — всего 10—15% массы бетона. В последнее время в строительстве широко используют легкие бетоны, полученные на искусственных пористых заполнителях. Пористые заполнители снижают объемную массу бетона, улучшают его теплотехнические свойства.
Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав можно вводить различные химические добавки. Они ускоряют или замедляют схватывание бе*
тонной смеси, делают ее более пластичной и удобоук-ладываемой, ускоряют .твердение бетона, повышают eroi прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют в требуемом направлении и другие свойства бетона.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Бетоны — главнейшие строительные материалы. Они ценны тем, что им можно придавать самые разнообразные свойства, изменять в широких пределах их прочность, объемную массу, теплопроводность и другие свойства.
Многие свойства бетона зависят от его объемной массы, на которую влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетона. По объемной массе бетоны подразделяют на следующие группы:
а) особо тяжелые с объемной массой более 2500 кг/м3;
б) тяжелые с объемной массой от 1800 до 2500 кг/м3;
в) легкие с объемной массой от 500 до 1800 кг/м3; г) особо легкие с объемной массой менее 500 кг/м3. Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях, таких, как стальные опилки или стружки (сталебетон), железные руды (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барит (баритовый бетон).
Наиболее широко в строительстве используют обычный тяжелый бетон с объемной массой 2100—2500 кг/м3. Этот бетон приготовляют на плотных заполнителях из гордых пород (граните, известняке, диабазе и др.). Облегченный бетон с объемной массой 1800—2“?00 кг/м3 получают, применяя щебень из горных пород с объемной массой 1600—1900 кг/м3, или изготовляют бетон без песка (цементное тесто и крупный заполнитель), который называют крупнопористым.
Легкие бетоны получают, применяя пористые заполнители (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемзу, туф и др.). Применение легких бетонов уменьшает массу строительных конструкций, удешевляет строительство и поэтому развивается опережающими темпами.
К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны, которые получают, вспучивая смесь вяжущего с тонкомолотой добавкой и водой с помощью специальных спо
6
собов (газобетон, пенобетон), и крупнопористый бетон на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем, по существу, является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.
Бетоны применяют для изготовления различных видов конструкций на заводах сборного железобетона либо используют при возведении конструкций непосредственно на месте их будущей эксплуатации (монолитный бетон, применяемый в гидротехническом, дорожном и других видах строительства).
В зависимости от применения различают:
обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаменты, колонны, балки, перекрытия, мостовые и другие типы конструкций);
гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т. п.;
бетон для ограждающих конструкций (легкпй бетон для стен зданий);
бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий;
бетоны специального назначения, например жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты и др.
В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям.
Бетоны для обычных железобетонных конструкций должны иметь заданную прочность, главным образом при сжатии. Для конструкций, находящихся на открытом воздухе, важна еще морозостойкость.
Бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой, стойкостью против выщелачивающего действия фильтрующих вод, в ряде случаев стойкостью по отношению к действию минерализованных вод и незначительно выделять тепло при твердении.
Бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны иметь заданные прочность, объемную массу и теплопроводность.
Бетоны для полов должны обладать малой истираемостью и достаточной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий еще и морозостойкостью.
7
К бетонам специального назначения предъявляются требования, обусловленные особенностями их службы.
Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям таковы:
до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостыо), не расслаиваться;
бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию;
расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными.
Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям, можно при правильном проектировании состава бетона, при надлежащем приготовлении, укладке и уплотнении бетонной смеси, а также при правильном выдерживании бетона в начальный период его твердения.
Особенностью изготовления бетонных и железобетонных конструкций является то, что о качестве материала нельзя судить заранее. Необходимые свойства бетон приобретает в процессе изготовления конструкции. Отсюда важное значение имеет проектирование состава бетона с учетом принятой технологии изготовления конструкции.
§ 3. СТРУКТУРА БЕТОНА
Бетоны — очень сложные материалы. Их свойства определяются не только свойствами составляющих и соотношением между ними, но и структурой бетона, которая формируется в процессе его изготовления.
Различают макро- и микроструктуру бетона. В макроструктуре бетона, которую часто называют просто структурой, различают цементный камень и заполнитель. Важным элементом структуры являются крупные поры и пустоты, которые значительно влияют на свойства бетона. Макроструктура бетона — это по существу строение цементного камня и заполнителя. Микроструктура цементного камня включает кристаллические новообразования, возникшие в процессе взаимодействия воды и цемента, остатки непрореагировавших зерен цемента и разветвленную систему пор и капилляров.
Для ряда свойств бетонов важное значение имеет контактная зона между цементным камнем и заполнителем. В этой зоне может образовываться микроструктура материала, отличная от той, которая свойственна основной массе, что приходится учитывать в некоторых практических случаях.
Структура бетона многообразна. Однако можно выделить несколько основных типов структуры, для каждой из которых характерны свои зависимости свойств от различных факторов.
На рис. 1 показаны основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая. Плотная структура в свою очередь может иметь контактное расположение, когда заполнители соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя,
Рис. 11. Основные типы структуры бетона
I — плотная; // — плотная с пористым заполнителем; /П — ячеистая; IV — зернистая (7? "-средняя прочность структуры, Ki и — прочность составляющих)
когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга.
Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы.
Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых чсек.
Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.
Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшей — с зернистой структурой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те в свою очередь менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.
Опредслснное влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов.
Л1икроструктура условно может подразделяться на ячеис гую и зернистую.
Структура бетона, как правило, изотропна, т. е. ее свойства по разным направлениям одинаковы
Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких бетонов — плотная структура с пористыми включениями Ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые — зернистую. Конечно, подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью например в тлэтной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре могут соеди няться между собой капиллярами и т. д. Однако представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характер для каждого случая зависимости
Извесшо, что прочность каменных материалов, в том
10
числе бетонов, зависит от их объемной массы. В общем виде эта закономерность может быть представлена выражением
(V ' п
1 . (1)
Vi /
где /?[ — прочность материала при объемной масс' Ть п — показ1-теть степени, зависящий от структуры материала
D
Если принять, что —--- =А есть характеристика
Т1
данного материала, численно равная его прочности при объемной массе, равной единице, то выражение (1)
можно записать в виде:
R A у1 • <2)
Это выражение показывает, что прочность пористого материала, а бетоны являются материалами с различной степенно пористости, пропорциональна его плотное :.ч (объемной массе). Показатель степени п для материалов разной структуры может колебаться от 2 до 6. Для материалов ячеистой структуры его ориентировочно можно принять равным 2. Для материалов зернистой структуры показатель степени п зависит от формы зе-
рен составляющих материалов и прочности их контактов. В среднем его можно принимать равным 4 (при колебаниях от 3 до 6).
Зависимость прочности материалов от его структуры показана на рис. 2. При одинаковой относительной плотности прочность материала зернистой структуры значительно ниже, чем ячеистой. Поэтому наряду со значением пористости материалов для окончательного суждения о прочности и других свойствах материалов необходимо знать характер пористости, опредс-
Рис 2 Зависимость прочности бетона от относительной плот-
ности
J — Для материалов ячеистой струн туры, ?— для материалов зерни стой структуры
полной мерс применимо к и многие другие пор и харахгерз
ляемыи их структурой. Это в
бетонам, прочность,
долговечность
свойства которых зависят от объема
пористости бетона.
11
В дальнейшем будут рассмотрены некоторые другие особенности структуры бетона применительно к отдельным его видам, понимание которых необходимо для правильного проектирования состава бетона.
Глава 2 ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА
§ 4. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих в результате нагрузки или других факторов. Материалы в сооружениях могут испытывать различные внутренние напряжения: сжатия, растяжения, изгиба, среза и кручения.
Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже — срезу и еще хуже — растяжению (в 5—50 раз хуже, чем сжатию). Поэтому строительные конструкции обычно проектируют таким образом, чтобы бетон в них воспринимал снимающие нагрузки. При необходимости восприятия растягивающих усилий конструкции армируют. В железобетонных конструкциях напряжения растяжения и среза воспринимаются стальной арматурой, обладающей высоким сопротивлением этим видам нагрузки. Поэтому одной из важнейших характеристик бетона является его прочность при сжатии. Заданную прочность бетона при сжатии необходимо обеспечивать в большинстве случаев проектирования состава бетона.
Однако имеются отдельные типы конструкций (дорожные покрытия, полы и др.), в которых бетон должен воспринимать напряжения растяжения при изгибе. В этом случае при проектировании состава бетона исходят из необходимости получения заданной прочности бетона при изгибе или растяжении.
Разрушение в физическом понимании состоит в отделении частей тела друг ог друга. Дефекты в материале приводят к облегчению процесса разрушения, т. е. понижают прочность материала. Выше было показано, как увеличение, например, количества пор в структуре бетона понижает его прочность (см. рис. 2).
В бетонах плотной структуры определяющая роль принадлежит свойствам матрицы — цементному камню
12
или раствору (если рассматривать макроструктуру). Вполне естественно, что факторы, определяющие прочность цементного камня, в частности его пористость, оказывают большое влияние на прочность бетона.
Особенностью поведения под нагрузкой хрупких материалов, а следовательно и бетона, является то, что при сжатии они разрушаются от растягивающих напряжений, возникающих в направлениях, перпендику-
Рис. 3. Основные типы разрушения бетона (пунктиром показана плоскость разрыва)
I — по раствору и зоне сцепления заполнителя и -раствора; II — по заполнителю и раствору; III — смешанное разрушение (разрыв лишь части зерен заполнителя)
лярных действию сжимающей нагрузки, или от напряжений среза, действующих по определенным плоскостям. Поэтому прочность бетона зависит и от прочности при растяжении составляющих его структуру элементов.
В бетоне плотной структуры наблюдаются два вида поверхности разрушения. В первом случае, когда проч
13
ность заполнителя при растяжении выше прочности раствора или цементного камня (структура I), разрушение происходит по раствору и в обход зерен заполнителя. Во втором случае, когда прочность заполнителя ниже прочности раствора (структура II), разрушение происходит по раствору и по зернам заполнителя. Может быть и смешанный характер разрушения, когда прочности зерен заполнителя близки между собой и в разных участках структуры более прочным оказывается либо заполнитель, либо раствор (структура III, рис. 3).
Вполне понятно, что свойства заполнителя, его сцепление с раствором или цементным камнем будут оказывать определенное влияние на прочность бетона. Зависимости, показывающие влияние на прочность бетона свойств составляющих материалов, состава бетона и других факторов, рассматриваются ниже и используются при проектировании состава бетона.
Важное значение имеет также методика испытаний.
Рис. 4 Зависимость относитель-ной «прочности бетона от отношения высоты призмы к ширине основания (за единицу поинятя прочность ку ба,
Л—«)
Прочность бетона характеризуется пределом прочности, который равен внутренним напряжениям, приходящимся на 1 см2 первоначального сечения материала. При сжатии и изгибе предел прочности определяют как частное от деления разрушающей нагрузки (максимальной
14
Рис. 5. Характер разрушения бетонного куба при грении между опорными плитами пресса и образцом
нагрузки, после достижения которой началось разрушение материала) на площадь сечения контрольного образца.
Для определения предела прочности используют образцы установленных размеров и формы, так как от этого могут зависеть результаты испытаний. При определении прочности бетона используют кубы (кубиковая прочность) и призмы (призменная прочность), причем предел прочности последних, как правило, несколько «иже предела прочности кубов с одинаковыми размерами основания. На рис. 4 показано влияние размеров образца бегона на предел прочности, получаемой при испытаниях. Уменьшение предела прочности бетона с увеличением h/a объясняется тем, что при испытании на сжатие две грани образца прижимаются к металлическим плитам пресса. Поскольку металл меньше деформируется при на-грузке, чем бетон, то силытое-ния, возникающие по контуру между плитами пресса и гранями образца, как бы удерживают прилегающую к плитам часть образца от разрушения, тогда как боковые грани куба разрушаются вследствие поперечного расширения (рис. 5).
Однако действие сил трения проявляется лишь вблизи злит пресса, и поэтому чем больше высота образца (куба, призмы, цилиндра), т. е. чем
дальше раздвинуты опорные плоскости, тем меньше сказывается влияние сил трения, которое иногда называют < эффектом обоймы», на прочности образца. Уменьшается влияние «эффекта обоймы» и в материалах более де-формативных, например в легких бетонах. В этом случае прочность бетонных кубов обычно применяемых размеров различается столь незначительно, что ее ориентировочно в расчетах можно принимать одинаковой.
Помимо указанных причин при испытании бетонных образцов проявляются статистический и технологический факторы. Первый заключается в том. что, как известно,
15
с увеличением объема бетона возрастает вероятность появления крупных дефектов, значительно снижающих прочность бетона. Второй учитывает то обстоятельство, что с увеличением размеров образца труднее обеспечить равномерное и столь же тщательное уплотнение бетонной смеси, как в образцах .малых размеров, изменяются условия протекания процесса твердения, возрастает вероятность появления микротрещин вследствие усадки и т. д. Все это, в свою очередь, наряду с «эффектом обоймы» также приводит к тому, что предел прочности призм и кубов уменьшается с увеличением их размеров.
Зависимости, которые используются при проектировании состава бетона, выведены при условии испытания бетона и составляющих материалов fio определенным методикам. Поэтому при изменении методики испытаний в зависимости следует вносить соответствующие коррективы. Нельзя пользоваться зависимостями и формулами из устаревших источников, в которых использованы отмененные методики испытаний, например способ определения активности цемента в жестком растворе.
§ 5. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА СЖАТИЕ
В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указываются требования к прочности бетона, или его марка. Марка тяжелого бетона определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных кубов размером 20X20X20 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 сут после твердения в нормальных условиях (температура 15—20°С, относительная влажность окружающего воздуха 90—100%). Строительными нормами и правилами для тяжелых бетонов установлены следующие марки: 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600.
На производстве необходимо обеспечить заданную марку бетона. Превышение заданной марки допускается не более чем на 15%, так как это ведет к перерасходу цемента.
Кубы размером 20X20X20 см применяют в том случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителей 60 мм. При другой крупности заполнителей можно ис
пользовать кубы других размеров. Размер ребра контрольного бетонного образца должен быть примерно в 3 раза больше максимальной крупности зерен заполнителя. Для определения марки бетона в случае применения кубов с размерами, отличными от 20X20X20 см, вводится переходный коэффициент, на который умножается полученная в опытах прочность бетона. Переходные коэффициенты в соответствии со СНиП принимаются следующими:
Размер куба 7X7X7 см 10'<10х10 см 15Х15Х1Б см
Коэффициент 0,75 0,85 0,9
На практике наблюдаются значительные отклонения от приведенных выше коэффициентов, так как их значение зависит от жесткости опорных плит пресса, марки бетона и других факторов. Для получения более достоверных результатов необходимо, чтобы толщина опорных плит пресса была не менее половины размера ребра испытываемого куба. В этом случае действительные переходные коэффициенты могут оказаться выше рекомендованных СНиП и проектирование бетона с использованием последних повышает запас прочности конструкции.
Марку легкого бетона определяют при сжатии кубов 15X15X15 см. При испытании кубов других размеров переходный коэффициент не вводится. Для легких бетонов установлены марки 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300.
При изготовлении сборных железобетонных конструкций, а также при срочных работах, когда используют быстротвердеющие цементы или применяют различные способы ускорения твердения бетона, прочность его определяют в более короткий срок твердения, например в возрасте 1, 3 и 7 сут. Наоборот, бетоны на мед-леннотвердеющих цементах, применяемые в монолитных массивных сооружениях, могут иметь расчетные сроки твердения, превышающие 28 сут (60, 90 и 180 сут). Увеличение расчетного срока твердения бетона обычно ведет к экономии цемента. Назначенные сроки твердения должны быть технически и экономически обоснованы.
17
Для правильного определения состава бетона важно знать, как зависит его прочность от качества цемента и заполнителей, сооотношения между составляющими и прочих факторов. Прочность бетона в определенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от прочности (активности) цемента и водоцементного отношения. Под водоцементным отношением в этом случае понимается отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, причем учитывается только свободная, не поглощенная заполнителем вода. Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента или уменьшением водоцементного отношения. Эта зависимость может быть выражена формулой
*“ <3>
где /?е—прочность бетона после 28 сут нормального твердения в кубах 20X20X20 см; 7?ц — активность цемента; В/Ц—водоцемент-ное отношение; А' — коэффициент, учитывающий влияние других факторов.
Графически зависимость прочности бетона от водоцементного отношения изображается в виде гиперболических кривых (рис. 6).
Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры бетона. Изучение процесса гидратации цемента показало, что цемент при твердении в зависимости от качества цемента и срока твердения присоединяет всего 15—25% воды от своей массы. В течение первого месяца связывается не более 20% воды от массы цемента. Вместе с тем для придания бетонной смеси пластичности в бетон добавляют воды значительно больше (40—70% массы цемента, ВЩ=0Д . . . 0,7), так как при В1Ц—^,2 бетонная смесь является почти сухой и ее нельзя качественно перемешать и уложить. Избыточная вода, не вступающая в химические реакции с цементом, остается в бетоне в виде водяных пор и капилляров или испаряется, оставляя воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор, и чем больше их, т. е. чем больше ВЩ, тем ниже прочность бетона. Таким образом, закон водоцементного отношения по существу выражает зависимость прочности бе гона от его плотности или пористости.
Зависимость прочности бетона от его водоцементно-
18
го отношения выполняется лишь в определенных пуделях. При очень низких водоцементных отношениях даже при повышенных расходах цемента и воды не удается получить удобообрабатываемые бетонные смеси и необходимую плотность бетона, поэтому зависимость
Рис. 6. кривые зависимости прочности бетона от В/Ц и /?ц (1 - л — отношение массы цемента к массе заполнителя)
/71 < Лэ<С Лз*^ Л4; ^?y|>^?v2
Рис. 7. Средние кривые зависимости прочности бетона от вододемег.тного отношения, используемые при проектировании состава бетона, и возможные отклонения прочности бетона от средних значений
/ — бетон на щебне; 2 — бетон на гравии
Ro=f (В/Ц) нарушается: с дальнейшим уменьшением В/Ц прочность бетона не увеличивается, а затем даже начинает уменьшаться (левая ветвь кривых на рис. 6). Определенную роль в снижении прочности бетона в этом случае играет и тот факт, что для гидратации цемента необходим некоторый избыток воды (в 2—3 раза) по сравнению с тем количеством, которое непосредственно вступает во взаимодействие с цементом. Уменьшение этого избытка ниже определенных пределов влечет за собой замедление гидратации и, следовательно, понижение прочности бетона.
Зависимость прочности от водоцементного отношения строго соблюдается лишь при испытании бетона на одинаковых материалах с близкой подвижностью бетон
19
ной смеси и при применении одинаковых приемов приготовления и укладки бетона. На прочность бетона хотя и менее существенное, чем /?ц и В)Ц, но заметное влияние оказывают также вид цемента, свойства заполнителей, способы приготовления образцов и другие факторы*.
Таким образом, в действительности имеется не одна строгая кривая, выражающая зависимость Яъ=$[ВЩ\, а некоторая полоса (рис. 7), на которой укладывается большинство опытных результатов с учетом возможных колебаний прочности бетона, вызванных влиянием других факторов. Однако для облегчения расчетов часто используют средние кривые для зависимости Re от В/Ц (см. рис. 7) или выражающие их формулы. В формулах прочности бетона влияние качества цемента, заполнителей и других факторов обычно учитывают применением эмпирических коэффициентов.
На практике могут наблюдаться заметные отклонения прочности бетона от значений, определенных по той или иной средней кривой или формуле. • В отдельных случаях действительная прочность может отличаться от расчетной в 1,3—1,5 раза. Поэтому при проектировании состава бетона принято проверять полученный расчетом состав бетона в контрольных замесах.
С развитием технологии бетона факторов, влияющих на прочность бетона, становится все больше, так как расширяется ассортимент цементов, заполнителей, возникают новые технологические приемы приготовления, укладки и выдерживания бетонной смеси. Поэтому особое значение приобретают предварительные испытания бетона на материалах, предназначенных к применению в соответствии с намечающейся технологией. Такие испытания обязательны при большом объеме работ, так как они дают возможность получить более надежную зависимость прочности бетона от водоцементного отношения и других факторов, которой и следует пользоваться в дальнейшем. Если предварительные испытания не проводились, эту зависимость можно уточнить в процессе производства при контрольных испытаниях бетона.
В практике строительства материалы и технология, применяемые на данном объекте или заводе, как правило, не меняются в процессе производства, и главным
* Влияние свойств заполнителей и других факторов па прочность бетона рассматривается в последующих главах
20
фактором, позволяющим получать бетоны разной прочности, является водоцементное отношение. Это еще раз подчеркивает важное значение закона водоцементнего отношения для технологии бетона.
Для определения состава бетона более удобна не зависимость его прочности от водоцементного отношения, а обратная зависимость прочности от цементно-водного отношения. При изменениях цементно-водных отношений от 1,3 до приблизительно 2,5 эта зависимость является прямолинейной и может быть выражена формулой
= (Ц/В — С). (4)
где 7?б—прочность бетона в возрасте 28 сут; Ц/В—цементно-водное отношение; А и С — эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние заполнителей и других факторов на прочность бетона; в среднем А=0,6, а С=О,б.
Зависимости (3) и (4) справедливы только для плотно уложенного бетона. Такое уплотнение легко достигается при применении подвижной бетонной смеси; жесткие бетонные смеси требуют для тщательного уплотнения особых приемов (длительного вибрирования, сильного трамбования, прокатки или прессования).
Если при уплотнении бетона в нем сохраняются воздушные поры, это должно учитываться. Обычно в этом случае объем воздушных пор прибавляют к объему пор, оставшихся от воды, подставляя в формулы вместо В значения В-\-ВВ, где В В — объем воздушных пор.
Прочность бетона в любом возрасте м,ожно определять по формуле
Rn = R^g
1g п
lg 28 ’
(5)
где Rn — предел прочности бетона при сжатии в любом возрасте; Rig— предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут; 1g п— десятичный логарифм возраста бетона.
Эта формула применима только для обычного портландцемента средних марок и дает удовлетворительные результаты начиная с п>3.
Действительная прочность бетона может быть определена только испытанием контрольных образцов, твердеющих в условиях, аналогичных имеющимся в бетонных сооружениях, или испытанием бетона в самом сооружении.
21
§ 6. УТОЧНЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ОТ ВОДОЦЕМЕНТНОГО ОТНОШЕНИЯ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ
В расчетах состава бетона обычно используют средние зависимости прочности бетона от различных факторов, выведенные из результатов многочисленных опытов. Зависимости, получаемые в отдельных лабораториях, могут отличаться от этих средних зависимостей, так как на результатах опытов сказываются качество материалов, особенности используемого оборудования, квалификация исполнителей.
Наглядное представление о возможных колебаниях зависимости прочности бетона от водоцементного отношения и других факторов дают результаты коллективной работы, выполненной рядом лабораторий при введении в действие ГОСТ 310—60. На основе этой работы были получены средние зависимости, используемые в расчетах в настоящее время.
При проведении работы было применено 197 партий цемента с 40 цементных заводов, использовано 39 разновидностей крупного заполнителя, в том числе щебень из изверженных и осадочных (карбонатных) пород, гравий, щебень, полученный дроблением гравия, и 17 разновидностей песка, преимущественно средней крупности, и в отдельных случаях — мелкого.
Опыты подтвердили, что в интервале ВЩ— = 0,4 ... 0,7 существует прямолинейная зависимость между прочностью бетона, активностью цемента и цементно-водным отношением.
При одинаковом водоцементном отношении прочность бетона мало зависит от подвижности бетонной смеси: предел прочности образцов, приготовленных из жесткой бетонной смеси, был выше прочности образцов из пластичной смеси в среднем всего на 1—5%.
Результаты опытов и их статистической обработки приведены в табл. I. Путем обобщения этих данных выведена единая формула с усредненными коэффициентами
/?б
(6)
Среднее отклонение значений RfJRn, определенных по формулам, полученным в отдельных лабораториях, ст значений, определенных по формуле (6), составляет при В/Ц=0,5 11,9% и при ВЩ—Ъ,1 12,9%. Л1аксималь-
22
Таблица L
Организация
НИИЦемент Гнпродемент ВНИИНеруд НИИЖБ
В HI 1ИЖелезобетон РИСИ
ВИА им. В. В. Куйбышева Дальоргтехстрой
Магнитострой
Оргтехстрой (Вильнюс) НИИСМ (Минск) ХАДИ ниижт
ДИСИ
Результаты опытного опоеаеления зависимости /?ц (Ц/В-С)
Число разновидностей использованных материалов Предельная крупность заполнителя, мм Размер ребра формы, см * Пределы В/Ц Число контрольных точек Значения коэффициентов в формуле (4) при испытании цемента по ГОСТ 310—60
цемента песка крупного заполнителя ч С А С
78 1 1 30 10 0,45—0,75 4 0,55 0,6
97 2 2 30 10 0,45-0,71 2 0,7 0,76
1 I 2J 20 10 0,35—0,7 4 0,6 0,7
4 1 40 15 0,3—0,7 5 0,44 0,32
4 1 20 10 0,3-0,7 5 0,55 0,3
2 2 3 20 10 0,3—0,7 5 0,64 0,66
1 1 40 15 0,4—0,7 3 0,5 0,5
3 I 40 15 0,3—0,7 5 0,53 0,39
1 1 1 43 20 0,3-0,7 5 0,42 0,4
1 1 1 2J 15 0,3—0.7 5 0,47 0,6
1 1 20 20 0.4—0,7 4 0,58 0,43
2 2 4 40 23 0,42—0,7 4 0,58 0,5
1 1 40 15 0,3-0,7 5 0,68 0,5
1 1 1 23 10 0,3-0,7 5 0,53 0,29 !
ное отклонение при В/Ц=0,5 составляет 24%, а при В/Ц=0,7—25 %.
Опыты показали, что замена щебня гравием вызывает снижение R6/Rn до 25%. Уменьшение RdRu. отмечалось также при применении мелкого песка,- местных слабых заполнителей или цементов низких марок.
Таблица 2. Значения RsIR^ при испытании цемента по ГОСТ 310—60 при В/Ц<0,4
Организация
НИИЖБ
1,02 1,25
0,82 1,05
1,10 1,55
0,90 1,23
ВНИИЖелезобетон 1,54 1,23 1,25 1,32 1,36 1,00 1,60 1,41 1,53 1,60 1,42
ниижт 1,37 1.41 1,68 1,88
РИСИ 1,27 1,16 1.11 1,53 1,45 1,31
Дальоргтехстрой 0,95 1,31 0,89 1,42 1,88 1,25
Оргтехстрой (Вильнюс) Магнитострой ДИСИ 0,87 0,87 1,15 1,05 1,20 1,39
Среднее 1,09 1,39
24
При уменьшении водоцементного отношения ниже 0,4 (или увеличении ЩВ более 2,5) прямолинейная зависимость между прочностью бетона и цементно-водным отношением нарушается. Действительные значения прочности получаются ниже расчетных. Например, при В/Ц=0,3 среднее снижение прочности составило 12%. Результаты этих испытаний приведены в табл. 2.
Для практических целей удобно зависимость Rc= ={(ЩВ) при ЩВ>2,5 принимать прямолинейной, но с меньшим углом наклона прямой, чем при ЩВ менее 2,5. Ошибка расчетов в этом случае не превысит 2— 4%. При обобщении результатов опытов для этого участка получена средняя формула прочности:
/?б = 0,36/?ц (ЩВ 4-0,53).
(7)
Для высокопрочных бетонов, округлив коэффициент С, можно принять ориентировочную зависимость
Rt> = А (ЩВ + 0,5).
(8)
Возможная ошибка при вычислении результатов по средним формулам в этом случае для Д/В=0,3 . . . 0,4 составляет 1—3%, но формула получается более удобной для пользования. Дифференцированные значения коэффициента Ль полученные из условия, что при ВЩ=-=0,4 АВЦ (ЩВ—0,5) =Л1/?ц(Д/В4-0,5), приведены в
табл. 3.
Таблица 3. Значения коэффициентов А и At в формулах (9) и(10)
Характеристика заполнителей бетона
Высококачественные
Рядовые
Пониженного качества
0,65 0,6 0,55
0,43 0,4 0,37
Примечание. Высококачественные материалы: щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности по ГОСТ 10268—70 и портландцемент высокой активности, без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки; заполнители чистые, промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций.
Рядовые материалы: заполнители среднего качества, в том числе гравий, отвечающие требованиям ГОСТ 10268—70, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцеменг.
Материалы пониженного качества: крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, цементы низкой активности.
25
Таким образом, зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения и активности цемента не может быть выражена одной формулой. Строго говоря, эта зависимость вовсе не прямолинейная, как ее часто упрощенно представляют; она выражается довольно сложной кривой (рис. 8). Однако для практических це-
Рис. 8. Зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения
лей эту кривую можно заменить двумя прямыми и использовать для расчета состава бетона две эмпирические формулы:
а) для бетонов с В///>0,4 (#/£<$ 2,5)
₽в = А/?ц(«/В-0,5); (9)
б) для бетонов с B/Z/<0,4(Z^/B>2,5)
Кб = АЯц W/B+ 0,5), (10)
где /?ц — прочность портландцемента, определенная по ГОСТ 310—60.
Значения коэффициентов А и At принимаются по табл. 3.
Приведенные формулы справедливы для бетонов из умеренно жестких и подвижных бетонных смесей, уложенных вибрацией при коэффициенте уплотнения не ниже 0,98.
При определении состава бетона формулу прочности обычно используют для назначения водоцементного отношения, обеспечивающего заданную прочность бетона при определенной активности цемента. Чтобы определить, какую из формул использовать в том или ином случае, сравним прочность бетона и цемента при ВЩ={}А (это значение ВЩ наиболее часто применяется при определении прочности портландцемента).
26
В этом случае в среднем
R6- 0,6(2,5 —0,5) = 1,2 Яц.
(11)
Таким образом, прочность бетона оказывается на 10-30% (при колебаниях А от 0,55 до 0,65) выше прочности нормального цементного раствора. Это можно объяснить, с одной стороны, тем, что цементный раствор вследствие особенностей структуры и приготовления имеет большую пористость (на 3—5%), чем бетон, а, с другой стороны, применением однофракционного окатанного вельского песка, что также снижает прочность раствора (по нашим опытам прочность раствора на Вольском песке была на 15—25% ниже прочности ра створа на хорошем строительном песке при одинаковых значениях водоцементного отношения).
Таким образом, формулу (9) следует применять в следующих случаях:
если Л =0,65
» Л =0,6
» Л =0,55
. . при Rn
....... > Rfj 1,2 R ц
.............» R с 1,1 R ц
Если требуется более высокая прочность бетона, следует пользоваться формулой (10).
Было изучено также влияние пропаривания на прочность бетона. Образцы пропаривали по режиму 3-f-8-|-+2 ч при температуре изотермического прогрева 80°С и испытывали в возрасте 1 сут. Перед пропариванием образцы выдерживали 2 ч при нормальной температуре. Прочность образцов при сжатии после пропаривания в среднем составила 81 % (от марки бетона) при В/Ц=0,3; 75% при В/Ц=0,4-, 71% при В/Ц=0,5 и 63% при ВЩ=0,6 . . . 0,7.
Прочность бетона сборных железобетонных конструкций, подвергающихся пропариванию, можно ориентировочно определять по приведенным выше единым формулам, считая, что после пропаривания в возрасте 1 сут прочность бетона составляет приблизительно 70% его марки, или по зависимостям, полученным опытным путем (см. § 26).
§ 7. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА НА РАСТЯЖЕНИЕ ПРИ ИЗГИБЕ
Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливают марки бетона по прочности на растяжение при изгибе. Прочность бетона
27
на растяжение при изгибе определяют путем испытания балочек квадратного сечения, размеры которых указаны в табл. 4. Балку испытывают с приложением сил в третях пролета.
Таблица 4. Размеры стандартных балочек
Наибольшая крупность зерен заполнителей, мм Размеры, мм
сечение длина расстояние между опорами
30 юохюо 400 300
50 150x150 600 450
70 200x200 800 600
Предел прочности на растяжение при изгибе /?ивг, кгс/см2 (Па), вычисляют по формуле
Р.13г= , (12)
L/ / Г
где Рмакс—разрушающая сила, кгс (Н), b — ширина образца, см; h—высота образца, см; К — коэффициент, принимаемый равным:
для балочек длиной 40 см................................... 31,5
» » » 55 » ......................... 45
» » » 80 ».................................... 57
Прочность бетона при изгибе в несколько раз меньше его прочности при сжатии. Марки бетона на растяжение при изгибе: 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55.
Рсж, ггс/сне(Ю5Ла)
Рис. 9. Зависимость прочности бетона при изгибе /?и (/) и при растяжении /?р (2) от прочности при сжатии
Рис. 10 Зависимость отноше ния /?р//?сж от возраста бе тона
Прочность бетона при изгибе зависит от тех же факторов, что и прочность бетона при сжатии, однако количественные зависимости в этом случае получаются другими. Соотношение Rcm/Rssr повышается с увеличе
28
нием марки бетона (рис. 9). На практике обычно трудно достигнуть прочности бетона при изгибе более 60 кгс/см2 (6 МПа).
Более точная зависимость прочности бетона при изгибе от качества цемента получается, если в ней учитывается активность цемента при изгибе, которую определяют в соответствии с ГОСТ 310—60. В этом случае можно использовать в расчетах формулу
Яв и = А„ /?ц.„ (Ц/В-0,2), (13)
где — марка бетона при изгибе; Run — активность цемента при изгибе; Ал — эмпирический коэффициент, который для высококачественных материалов можно принять равным 0,42, для рядовых материалов 0,4; для материалов пониженного качества 0,37.
С увеличением возраста бетона его прочность при изгибе и растяжении возрастает более медленно, чем прочность при сжатии, и соотношение /?РД?сн< уменьшается (рис. 10).
подвижность и жесткость (УДОБОУКЛАДЫВАЕМОСТЬ) БЕТОННОЙ СМЕСИ
§ 8. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в сооружении необходимо, чтобы бетонная смесь обладала определенной консистенцией, соответствующей условиям ее укладки. В зависимости от состава бетонная смесь может иметь различную консистенцию — от жидкой до густой (тестообразной) и жесткой, едва влажной.
Для оценки консистенции бетонной смеси предложено много приборов и .методов. Наиболее широко на стройках и в лабораториях используют методы определения с помощью стандартного конуса и технического вискозиметра, включенные в ГОСТ 10181—62.
Для определения подвижности, т. е. способности смеси расплываться под действием собственной массы, и связности бетонной смеси служит стандартный конус (рис. 11). Он представляет собой усеченный, открытый с обеих сторон конус из листовой стали толщиной 1 мм. Тотчас же после наполнения конуса в три слоя бетонной смесью и удаления излишков форму снимают, под
29
нимая се медленно и строго нертш зльио за рхчкгк Подвижная бетонная смесь, освобожденная от формы, лает осадку или даже растекается. Сразу петле снятая ф'рмы осадку измеряют. Гз -ждего зам^тз пробу бс-р\т два раза, измеряет осад.у кенхеа ч принимают средний результат.
Рис. 11. Опреде темне .подвижности бетонной смеси при помощи конуса
Осадка конуса (ОК) является мерой подвижности бетонной смеси. В зависимости от осадки конуса различают подвижные (пластичные) и жесткие бетонные смеси.
Жесткая бетонная смесь пз консистенции напоминает сырую землю, требует при укладке длительного вибрирования (иногда даже под пригрузом), трамбования, прокатки или прессования. Такая смесь имеет осадку конуса, близкую к нулю, и применяется при изготовлении сборных бетонных и железобетонных дота чей и конструкций.
Подвижная бетонная смесь уплотняется при укладке кратковременным вибрированием (при ОК— = 1...10 см) или штыкованием (при ОК=8...15 см); применяется чаще всего для бетонирования монолитных железобетонных и бетонных конструкций. Подвижная смесь укладывается легче, чем жесткая, но требует большего расхода цемента, иначе получается бетон пониженной прочности.
Для малоподвижных и жестких бетонных смесей необходимо знать их жесткость (удобоукладываемость) при вибрировании, которую можно определить способом, предложенным Б. Г. Скрамтаевым.
В обычную металлическую форму для прнготовле-
30
ния кубов размером 20х20Х‘-0 см вставляют стандартный конус. Предварительно с него снимают упоры и немного уменьшают нижний диаметр, чтобы kohjc вошел внутрь куба (рис. 12). Наполняют конус также в три слоя. После снятия металлического конуса бетонную смесь подвергают .вибрации на лабораторной площадке. Вибрация длится до тех пор, пока бетонная смесь не заполнит всех углов куба и ее поверхность не станет горизонтальной.
Продолжительность вибрирования в секундах принимается за меру жесткости (удобоукладываемости) бетонной смеси. Характеристика стандартной виброплощадки следующая: кинематический момент 1 кгсХ
Рис. 12. Определение удобоукладываемости бетонной смеси упрощенным способом а общий вид прибора; б — бетон ная смесь до вибрирования; в — то же, после вибрирования
Хсм (0,1 Н-м), амплитуда для пластичных бетонных смесей 0,35 м,м, .а для жестких 0,5 мм, частота колебаний в 1 мин 2800—3200. Классификация бетонных смесей по степени их жесткости (удобоукладываемости) приведена в табл. 5.
Таблица 5. Классификация бетонных смесей
Характеристика смеси Подвижность, см Жесткость, с
Особо жесткая 0 Более 200
Жесткая 0 30—200
Малоподвижная 1—3 15—25
Подвижная 4—15 - —
Литая Более 15
Удобоукладываемая бетонная смесь при перевозке не расслаивается, при определении ее подвижности стандартным конусом садится целиком, не рассыпается, от нее не отделяется разжиженное цементное тесто.
31
При неудовлетворительном качестве бетонной смеси цементное тесто или раствор при встряхивании отделяется от щебня.
ГОСТ 10181—62 рекомендует также способ определения удобоукладываемости бетонной смеси с помощью прибора, называемого техническим вискозиметром.
Прибор состоит из цилиндрической формы и внутреннего цилиндрического кольца, в которое вставляется форма-конус (рис. 13). Между дном формы и нижней плоскостью внутреннего кольца оставляют зазор, размер которого зависит от крупности заполнителя, например при максимальной крупности заполнителя 40 мм за-
Рис. <13. Технический вискозиметр а — общий вид прибора; б —• схема испытания
зор будет равен 70 мм. Установив кольцо в нужном положении, его закрепляют винтами. Прибор располагают на стандартной виброплощадке и раскрепляют клиньями. После наполнения бетонной смесью форму-конус удаляют и приводят в действие вибратор. Вибрация длится до тех пор, пока риска штанги прибора не совпадет с верхней плоскостью головки штатива. Продолжительность вибрирования в секундах показывает жесткость (удобоукладываемость) бетонной смеси по техническому вискозиметру. Данный способ пригоден только для испытания бетонной смеси при крупности заполнителей до 40 мм.
Следует отметить, что жесткость (удобоукладываемость) по техническому визкозиметру получается приблизительно в 1,5—2 раза выше жесткости (удобоуклады-
32
ваемости), определяемой по способу Б. Г. Скрамтаева (для бетонной смеси той же консистенции).
§ 9. ЗАВИСИМОСТЬ подвижности И ЖЕСТКОСТИ бетонной смеси от различных факторов
.’Связность, способность растекаться и плотно заполнять форму придает бетонной смеси цементное тесто. Чем выше содержание цементного теста, чем более жидкой является его консистенция, тем больше подвижность бетонной смеси.
Введение в цементное тесто заполнителя вследствие влияния поверхностных сил уменьшает подвижность смеси, причем тем в большей степени, чем выше содержание заполнителя и его удельная поверхность.
При изменении расхода цемента в бетоне с 200 до 400 кг/м3 при постоянном расходе воды изменения подвижности бетонной смеси не наблюдается. Подвижность смеси изменяется только при изменении расхода воды. Эта закономерность, позволяющая в расчетах использовать упрощенную зависимость подвижности бетонной смеси от расхода воды, объясняется следующим образом. Увеличение содержания цемента повышает содержание цементного теста в бетонной смеси и толщину обмазки зерен заполнителя цементным тестом. Однако при этом уменьшается отношение ЩВ (при постоянном значении В), т. е. цементное тесто становится менее пластичным. Одновременное влияние этих факторов, один из которых должен был бы увеличивать, а второй — уменьшать консистенцию бетонной смеси, суммируется таким образом, что изменение расхода цемента в указанных пределах не влияет на подвижность бетонной смеси.
Наиболее заметное влияние на подвижность бетонной смеси оказывают следующие факторы.
1. Свойства цемента. Применение цемента с более высокой нормальной густотой понижает подвижность бетонной смеси (при постояннее расходе воды). Бетонные смеси, содержащие пуццолановый портландцемент с активной кремнеземистой добавкой, особенно осадочного происхождения (трепел, диатомит), характеризуются значительно меньшей осадкой конуса, чем смеси с обычным портландцементом.
2. Количество цемента. С увеличением содержания цементного теста при постоянном В/Ц или с уменьше-
нием количества заполнителей подвижность бетонной смеси возрастает, а прочность остается практически неизменной. Если цементное тесто взять только в количестве, необходимом для заполнения пустот между заполнителями, то бетонная смесь получается жесткой, неудобоукладываемой. Чтобы смесь стала подвижной, следует не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного теста
3. Количество воды. Это главный фактор. С повышением содержания воды подвижность бетонной смеси увеличивается (но, если расход цемента остается постоянным, то прочность бетона понижается). Однако каждая бетонная смесь обладает определенной водоудерживающей способностью, устанавливаемой опытным путем: при большем содержании воды часть ее отделяется от бетонной смеси, что недопустимо.
4. Крупность зерен заполнителя. С увеличением крупности зерен заполнителей суммарная площадь их поверхности уменьшается, зерна заполнителей больше раздвигаются цементным тестом, в результате подвижность бетонной смеси возрастает.
5. Количество песка. При содержании песка в смеси заполнителей сверх определенного предела, устанавливаемого опытом, бетонная смесь делается менее подвижной, что объясняется увеличением площади поверхности смеси заполнителей.
6. Чистота заполнителей. Пыль, глинистые и другие загрязняющие примеси обычно снижают подвижность жирной бетонной смеси.
7. Пластифицирующие добавки. Повышение подвижности, или снижение водопотребности бетонной смеси, или уменьшение расхода цемента может быть достигнуто применением пластифицирующих добавок, например сульфитно-спиртовой барды (ССБ) или сульфитнодрожжевой бражки (СДБ) в количестве от 0,1 до 0,3% массы цемента (в зависимости от его минералогического состава и удельной поверхности).
В табл. 6 приведены данные, характеризующие ориентировочное снижение водопотребности бетонной смеси при введении ССБ (СДБ).
Следует иметь в виду, что за счет вовлеченного воздуха при пластифицировании бетонной смеси ее объемная масса уменьшается на 2—3%.
34
Таблица 6. Снижение водопотребности бетонной смеси при введении ССБ, %
Жесткость, с Подвижность, см Расход цемента, кг/мэ
500 400 300
- 10—12 15 12 10
- 5—7 12 10 8
20—30 * 1 10 8 6
30—100 —— 8 6 - -
Для увеличения подвижности и для гидрофобизации применяют также добавки-микропенообразователи, например омыленный древесный пек (ЦНИПС-1), абиетат натрия (СНВ), мылонафт, асидол, гидролизованную кровь, но все эти добавки снижают прочность бетона и для обычных бетонов применяются значительно реже, чем ССБ.
К гидрофобно-пла-стифицирующим добавкам относятся также кремнийорганические жидкости: метилсили-конат натрия (ГКЖ-Н), этилсиликонат натрия (ГКЖ-10) и этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ-94). Применяют их для повышения стойкости бетонов и растворов в агрессивной среде, а также в качестве гидрофобизаторов поверхности ячеистых бетонов. Количество гидрофобно-пластифицирующих добавок, вводимых в бетонную смесь, колеблется в пределах 0,15—0,05% массы цемента и должно предварительно проверяться на опыте.
Подвижность бетонной смеси с течением времени постепенно уменьшается вследствие физико-химического взаимодействия цемента с ведой. Особенно сильно ухудшается удобоукладываемость жесткой бетонной смеси. Поэтому такую смесь следует укладывать в формы как можно быстрее.
При определении состава бетона в зависимости от заданной подвижности бетонной смеси устанавливается расход воды. Для этого используют зависимость подвижности бетонной смеси от расхода воды и других факторов. Ориентировочно расход воды можно подбирать по таблицам или графикам (рис. 14), полученным опытным путем, с последующей проверкой состава бетона пробными затворениями.
Более полно учесть влияние различных факторов
35
можно, если ввести понятие о водопотребности песка и щебня (Вп и Вщ). Этот вопрос рассмотрен в главе 6.
Жесткие бетонные снеси
//О—————————----------—————
О Ю 20 50 40 50 60 70 60 90 100 1/0 120 /30 /40/50 t Чдобоуклйбыбцгмость по техническому Оисколим^тру, с
О /О 20 30 40 50 60 70
Удобоукпадтбаеность по способу Б. Г. Скрамтоеба, с
Рис. 14. График водопотребности бетонной смеси, изготовленной с применением ‘порггландцемеита, «песка средней крупности ’(водолот-ребность 7%) м травия наибольшей крупности
а — 80 мм; б — 40 мм; в — 20 мм; г — 10 мм
Примечания: J. Если применяют мелкий песок с водопотребностыо свыше 7%, те расход воды увеличивают -на 5 л на каждый процент увеличения ©одопотреоности; при применении крупного песка с водопотребностью ниже 7% расход воды уменьшают на 5 л «на каждый процент уменьшения водо-погребиости.
2. При применении щебня расход воды увеличивают иа 10 л.
3. При применении пуццолановых цементов расход воды увеличивают на 15—-20 л.
4. При расходе цемента свыше 400 кг расход воды увеличивают на 10 л на каждые »100 кг цемента.
Глава 4
ОСОБЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА
§ 10. ПЛОТНОСТЬ И НЕПРОНИЦАЕМОСТЬ, АНТИКОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ, МОРОЗОСТОЙКОСТЬ
Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона. Бетонная
36
смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащейся в смеси воды, если она правильно рассчитана и плотно уложена). Объемная масса такой бетонной смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если бетонная смесь не содержит .вовлеченного воздуха.
В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость бетона можно определить по формуле (%):
В — ыЦ
1000
100,
(14)
где В и Ц—расход воды и цемента на 1 м3 бетона (1000 л); со — содержание химически связанной воды в долях от ма'осы цемента.
В возрасте 28 сут. цемент связывает приблизительно 15% воды от массы цемента. Например, если в 1 м3 бетонной смеси содержится 320 кг цемента и 180 л воды, то пористость бетона
180 - 0,15-320
1000
100 = 13,2%,
а относительная плотность: 100%—13,2% =86,8%.
Относительная плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей, обеспечивающим уменьшение объема пустот в смеси заполнителей, а следовательно, и содержание цементного камня в бетоне. Кроме того, можно применять цементы, присоединяющие возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый цемент, расширяющийся цемент), или цементы, занимающие больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент). Плотность бетона может быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что, как уже говорилось, достигается введением в смесь специальных добавок — пластификаторов, уплотнением бетонной смеси вибрацией, центробежным или другим механизированным способом. Часть свободной воды из бетонной смеси можно при укладке удалить вакуумированием.
Водонепроницаемость бетона зависит 'от его плотности и структуры. Бетон мелкопористой структуры
37
и однородного состава, тщательно уплотненный и достаточно затвердевший, практически водонепроницаем в слоях значительной толщины. Водонепроницаемость бетона можно повысить, покрывая его поверхность плотной штукатуркой, в особенности наносимой пневматическим способом, так называемым торкретированием.
Плотный бетон достаточно непроницаем не только для воды, но и для мазута и тяжелой нефти. Жидкости, имеющие малую вязкость и массу значительно меньше единицы (керосин, бензин, смазочные масла и др.), проникают через бетон значительно легче воды.
В резервуарах, предназначенных для хранения тяжелых нефтепродуктов, поверхность бетона через сутки после оштукатуривания и затирки три раза покрывают жидким стеклом, которое закрепляют раствором хлористого кальция. Для защиты от проникания бензина и керосина поверхность бетона покрывают пленками из пластмасс или изготовляют бетон на специальном, непроницаемом для этих жидкостей расширяющемся или безусадочном цементе.
Под влиянием физико-химического действия некоторых жидкостей и газов бетон .может разрушаться. Коррозия бетона вызывается почти исключительно разрушением цементного камня, заполнители же всегда можно подобрать достаточно стойкие.
Защищают бетон от коррозии следующим образом: придают бетону повышенную плотность (табл. 7);
Таблица 7. Максимальные водоцемеитные отношения для бетонов марки не ниже 200, применяемых в агрессивных средах
Агрессивные воздействия
Условия службы конструкций слабые средине сильные
Конструкции, работающие в помещениях с влажностью воздуха более 60% 0,55 0,5 0,45
То же, работающие в условиях переменного смачивания и высушивания н в зоне капиллярного подсоса 0,5 0,45 0,4
То же, в жидкой среде (омывание без на-лора) * 0,55 0,5 0,45
То же, под воздействием одностороннего гидростатического напора 0,5 0,45 0,4
38
устраивают водонепроницаемую оболочку вокруг бетона;
выбирают цемент с незначительным выделением свободной гидроокиси кальция при твердении и с низким содержанием трехкальциевого алюмината (пуццо-лановый портландцемент, шлакопортландцемент, сульфатостойкие цементы, глиноземистый цемент);
покрывают гидроизоляционными материалами;
покрывают кислотоупорными плитками или камнями, выложенными на кислотоупорном цементе.
В особо агрессивных условиях применяют специальный кислотоупорный бетон. Эти цементы и бетон изготовляют из жидкого стекла с добавкой кремнефтористого натрия, молотого кварцевого песка и кислотоупорных заполнителей.
Морозостойкость бетона зависит от его строения. В плотном бетоне имеются поры различных размеров. Мелкие поры (микропоры), например поры цементного геля размером менее 10-5 см, непроницаемы для воды. В них содержится обычно связанная вода, которая не переходит .в лед даже при очень низких температурах (до — 70° С). Условно можно считать, что в бетоне такой воды содержится примерно столько же, сколько химически связывается цементом. Микропоры не оказывают заметного влияния на морозостойкость бетона.
Водопроницаемость и морозостойкость бетона зависят от количества крупных пор (макропор) в бетоне, которые образуются водой, не вступившей в химическое взаимодействие с цементом, и имеют размер более 10-5 см. Относительный объем макропор (%) можно вычислить по формуле
В — 2&Ц
-------— 100
1000
(15)
По данным проф. Г. И. Горчакова, зависимость между макропористостью и морозостойкостью такова:
Макропористость, % 6 7,5 9
Морозостойкость, циклы 250 150 75
Макропористость бетона уменьшается, а его морозостойкость возрастает при понижении В/Ц и увеличении возраста бетона. Обычно для получения достаточно
39
Р-ис. 15, Зависимость -морозостойкости бетона от водоце-ментного отношения
морозостойкого бетона В/Ц должно быть менее 0,5 (рж. 15).
Морозостойкость бетона можно увеличить также путем введения в его состав специальных гидрофобных добавок, уменьшающих проницаемость его пор и капилляров для воды и снижающих внутренние напряжения в бетоне при ее замерзании.
§ 11. УСАДКА И РАСШИРЕНИЕ
Процесс твердения бетона сопровождается изменениями его объема. При твердении на воздухе бетон дает усадку, при твердении в воде он или не изменяется в объеме, или незначительно разбухает. В больших массивах бетон может расширяться вследствие нагревания до 30—60°С (от внутреннего выделения тепла). Расширение значительно превосходит усадку. Температурный коэффициент линейного расширения обычного бетона 0,00001. Коэффициент усадки в расчетах обычно принимается 0,00015, т. е. на 1 м длины бетонного сооружения усадка составляет 0,15 мм.
Усадка вызывается давлением воды ® капиллярах цементного камня при ее испарении. Опытами установлено:
усадка бетона зависит от его состава и тем в большей степени, чем выше содержание в нем цемента и воды;
быстротвердеющие и высокопрочные портландцементы, а также белитовый и пуццолановый портландцементы обычно вызывают большую усадку бетона;
усадка бетона выше при использовании мелкозернистых и пористых заполнителей;
влажный режим твердения и специальные покрытия предотвращают быстрое высыхание бетона с поверхно
40
сти, тем самым устраняются последствия большой и неравномерной усадки (трещины).
Усадку и расширение бетона учитывают при проектировании конструкций и производстве бетонных работ; в сооружениях большой длины устраивают специальные швы, в массивных сооружениях бетон укладывают отдельными блоками, применяют цементы с минимальными тепловыделением и усадкой.
Имеются зависимости, которые связывают усадку бетона с его составом и могут быть использованы при проектировании его состава. Например, Лермит предложил формулу, показывающую влияние качества заполнителя на усадку бетона:
V = ’+PV’ (16)
Об Уц
где 5ц и So — усадка цементного камня и бетона; V3 и Уц—объемы заполнителя и цемента; ₽ — константа материала, которая зависит от В/Ц, крупности заполнителя и других факторов (Р= 1,5..3,1).
§ 12. ДЕФОРМАТИВНЫЕ СВОЙСТВА
При проектировании конструкций важное значение имеют деформативные свойства бетона. Деформации бетона при сжатии, изгибе и растяжении отличаются друг от друга. Характер нарастания деформаций поц влиянием нагрузки зависит от способа и скорости ее приложения, продолжительности действия, от формы и размеров образца, от температурно-влажностного состояния бетона и окружающей среды и других факторов.
В общем случае полная деформация бетона состоит из упругой и пластической части:
— 8у -f- 8п. (17)
Пластическая или остаточная деформация зависит от состава бетона и его способности к ползучести, под которой понимают процесс развития деформаций во времени под действием постоянной нагрузки. Ползучесть бетона обусловлена ползучестью цементного камня, она увеличивается с ростом ВЩ. Заполнители уменьшают деформацию ползучести бетона и тем в большей степени, чем выше их содержание в бетоне и модуль деформации. Аналогично влияют заполнители и на общую деформацию бетона.
Для оценки ползучести бетона удобно пользоваться
41
мерой ползучести С, под которой понимается ползучесть бетона при единичной нагрузке:
С= —, (18)
о
где еил —конечная деформация ползучести.
При проектировании состава бетона с учетом его ползучести можно использовать зависимости, полученные О. Я. Бертом.
Окончательная мера ползучести определяется по формуле
Ск — 52 £з £б.
(19)
где Со—исходная мера ползучести, принимаемая равной для бетона без ускорителей твердения на обычном портландцементе 15,2 •il0~6 и для бетона на высокопрочном цементе 10,2-ИО-6 омЕ 2/кгс: ('15,2-10~7 и 10,2-10-7 см2/Н) ; £i> ^4» Bs—поправочные коэффициенты,
учитывающие влияние В1Ц, расхода цемента, размеров сечения образца и фактической влажности воздуха (рис. 16).
Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют предельные деформации, при которых начинается разрушение бетона. Предельная сжимаемость бетона равна 0,0015—0,002 и зависит от состава бетона и свойств составляющих материалов. Предельная сжимаемость повышается с уменьшением В/Ц и при применении высокомарочных цементов.
Предельная растяжимость бетона равна 0,0001— 0,000015, т. е. она в 15—20 раз меньше его предельной сжимаемости. Предельная растяжимость повышается при введении в бетон пластифицирующих добавок, при использовании белитовых цементов, заполнителей с высокими деформативностью и сцеплением с цементным камнем.
В ряде расчетов железобетонных конструкций используется модуль деформации бетона, и способ проектирования состава бетона наряду с другими свойствами материала должен гарантировать получение и этой характеристики. Модуль деформации бетона, кгс/см2 (Н/см2), определяется по формуле
Е = —, (20)
е
где а—'напряжение, к»гс/см2 (Па), а е— относительная деформация.
42
Поскольку бетой не упругий материал, то модуль упругости будет зависеть от напряжений, при которых он определяется, уменьшаясь с их увеличением. Обычно в расчете используют модуль деформации, определенный при о=0,5 7?пр.
Для
1 7 __1 19 28 1 so 90 Возраст в момент нагружения, сут
f 2 .. _ । . 0,35 i г j I о,5 1 ОД 1 1 0,1 1 0,8 В/Ц
Сз 10 1 15 i 20 i 25 _ । 30 1_ Содержание цементного теста по массе, %
10 1 15 1 20 । 25 1 3D л. Размер сечения, см 1
f 5 90 I 80 _I 10 _1 SO L_ 50 1 90 Влажность воздуха, °/с
Рис. L6. Значения (поправочных коэффициентов для определения меры ползучести бетона
А. Е. Шейкин предложил формулу, связывающую модуль деформации бетона Е-, с начальным модулем упругости бетона Ео:
(21)
где а—коэффициент, учитывающий влияние на деформации бетона его состава и других (факторов.
Модуль деформации бетона зависит от его состава, возраста, длительности приложения нагрузки и других факторов. Он растет с повышением плотности бетона,
43
седержания ® нем заполнителей, увеличением их модуля упругости, марки цемента, уменьшением водоцементного отношения.
Ориентировочно модуль упругости бетона (при о= =0,5/?пр) можно определить в зависимости от его прочности по формуле
1000 000
(22)
Если при проектировании состава необходимо обеспечить получение бетона с определенными деформатив-ны.ми свойствами, используют зависимости этих свойств от состава бетона и других факторов, имеющиеся -в литературе.
Проведение предварительных опытов с использованием оптимального планирования эксперимента позволяет получить наиболее надежные зависимости требуемого свойства бетона от различных факторов и исполь-зввать их затем при проектировании состава бетона.
Г л а в а 5
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНА
Качество бетона в большой степени зависит от используемых материалов. Правильный выбор материалов для бетона, учитывающий как требования к бетону, так и свойства самих материалов,—важная операция при проектировании состава бетона. Для бегона используют .материалы, свойства которых должны удовлетворять соответствующим государственным стандартам и техническим условиям.
§ 13. ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА
Для приготовления бетона, применяемого в строительных конструкциях, наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества способны при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов схватываться, т. е. переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное, и твердеть, т. е. постепенно увеличивать свою прочность. Неорганические вяжущие вещества подразделяют на вещества водного (цементы) и воздушного (известь, гипс и др.) твердения.
44
а) Портландцемент
Наибольшее применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент — вяжущее вещество, твердеющее в воде (лучше всего) или на .воздухе; представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер получают путем равномерного обжига до спекания тщательно дозированной сырьевой смеси, содержащей около 75—78% Са.СО3 и 22—25% SiO2+Al2O3+Fe2O3. Такой состав имеют некоторые природные известковые мергели. Однако в природе они не часто встречаются. Поэтому приходится применять искусственные сырьевые смеси двух, а иногда и трех различных горных пород (известняка, глины и др.).
Для получения цемента высокого качества необходимо, чтобы его химический состав, а следовательно, и состав сырьевой смеси были устойчивы. Обычные пределы колебания химического состава клинкера портландцемента следующие (%): окись кальция СаО — 60—67, кремнезем SiO2—19—24, глинозем А120з— 4—7, окись железа Fe2O3—2—6. Содержание в цементе других веществ не должно превышать: MgO—5% и SO3—3,5%.
При помоле к цементному клинкеру можно добавлять до 15% гранулированных доменных шлаков или активных минеральных (кремнеземистых) добавок.
При обжиге в сырьевой смеси происходят сложные физико-химические процессы: при температуре 1200— 1450°С свободная окись кальция, образовавшаяся при разложении углекислого кальция, соединяется с глиноземом, окисью железа и кремнеземом. В результате образуются клинкерные минералы: алюмоферриты кальция переменного состава хСаО-г/А12Оз-2ре2Оз, трех-кальциеьый алюминат ЗСаО-А12О3, двухкальциевый силикат 2CaO-SiO2 и трехкальциевый силикат 3CaO-SiO2. Эти четыре соединения — основные составные части цементного клинкера, но два последних (силикаты кальция) составляют 70—80% его массы. Ориентировочное содержание различных минералов в портландцементе (%): 3CaO-SiO2, или C3S, —37—60, 2CaO-SiO2, или C2S,— 15—37,
ЗСаО-А12Оз, или С3А, — 5—15, 4СаО • А120з• Fe2O3, или C4AF,— 10—18.
В цементе не должн содержаться более 0,05% сво-
45
бедной окиси кальция, так как пережженная СаО, подобно MgO, очень медленно гасится, увеличиваясь в объеме и вызывая растрескивание затвердевшего цемента.
Основное значение для цемента имеет высокое содержание трехкальциевого силиката (так называемого алита), который обладает свойствами быстротвердею-щего гидравлического вещества высокой прочности. Двухкальциевый силикат (белит) — медленно твердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трех-кальциевый алюминат твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Четырехкальциевый алюмоферрит облапает средними свойствами. Свойства отдельных минералов цементного камня приведены в табл. 8. Изменяя минералогический состав цемента, можно варьировать его качество.
Цементы высоких марок и быстротвердеющие изгото вляют с повышенным содержанием трехкальциевого силиката (алитовые цементы). Цемент с высоким содержанием белита называется белитовым. Это медленно-твердеющий цемент, прочность которого, однако, нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет может оказаться достаточно высокой.
Свойства портландцемента должны соответствовать требованиям ГОСТ 10178—62 (табл. 9).
Прочность (марка)—основное свойство, характеризующее качество любого цемента. По ГОСТ 10178—62 цементы делятся на пять марок: 200, 300, 400, 500 и 600. Марка цемента соответствует пределу прочности при сжатии половинок балочек 4X4X16 см из раствора 1:3 по массе с нормальным Вольским песком через 28 сут после затворения водой. Вначале образцы твердеют во влажном воздухе (одни сутки), а затем после распалубки — в воде при комнатной температуре 20±2°С.
Прочность балочек на изгиб должна быть соответственно марке не менее чем 35, 45, 55, 60, 65 кгс/см2 (3,5; 4,5; 5,5; 6; 6,5 МПа).
При приемке цемента допускается отклонение в прочности до 5% ниже марочной. Таким образом, к марке 400 будут относиться цементы, имеющие предел прочности при сжатии от 380 до 475 кгс/см2 (от 38 до 47,5 МПа) и соответственно прочность при изгибе 53— 57 кгс/см2 (5,3—5,7 МПа). Действительную прочность
46
Таблица 8. Свойства клинкерных минералов
Минералы Степень гидратации, % полной гидратации Глубина гидратации, мкм Прочность, относительные единицы* Теплота гидратации» кал/г**
Возраст бетона, сут
3 7 28 180 3 7 28. 180 1 7 28 180 3 7 28 180
c3s C4S С3А C4AF 61 18 56 31 69 ' 30 62 44 73 48 82 66 84 66 96 91 3,5 0,6 10,7 7,7 4,7 0,9 10,4 8 7,9 1 11,2 8,4 15 2,7 14,5 13,2 1 0 0,02 0 4,2 0,1 0,18 0,2 4,9 0,63 0,4 0,25 6,7 5,2 0,6 0,4 97 15 141 42 по 25 158 60 116 40 209 90 135 55 245
в суточном возрасте.
* За единицу принята прочность CsS ** 1 кал/г=4,2 Дж/г,
Таблица 9. Требования к прочности цементов различных марок_________________________
Цемент Марка цемента
200 300 400 500 600 200 300 400 500 600
Предел прочности при изгибе через 28 сут, кгс/см2 (106 Па), ие менее Предел прочности при сжатии через 28 сут, кгс/см1 (10* Па), ие меиее
Портландцемент, пластифицированный и гидрофобный портландцемент Сульфатостойкий портландцемент и портландцемент с пониженным выделением тепла при твердении , . * Шлакопортлаидцемеит, пуццолановый портландцемент 35 | 45 45 45 55 55 55 60 60 65 200 300 300 300 400 400 400 500 500 600
цемента называют его активностью. Например, если прочность контрольных образцов окажется 440 кгс/см2 (44 МПа), то активность этого цемента будет 440 кгс/см2, а марка 400. При проектировании состава бетона лучше 'Использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Повышение прочности цемента на 10 кгс/см2 (МПа) приводит к снижению расхода цемента на 2—5 кг/м3, причем более заметное снижение наблюдается ® высокопрочных бетонах. Если предположить, что учет активности цемента позволяет использовать в расчетах данные о прочности цемента на 20—40 кгс/см2 (2—4 МПа) более высокие, чем устанавливаемые по его марке, то это будет обеспечивать экономию цемента в размеве 5—20 кг/м8 бетона.
Цементная промышленность выпускает в основном цементы марок 300—500, а по особому заказу — марки 600. Прочность цемента высоких марок нарастает быстрее, чем цемента низких марок. Например, цемент марки 500 уже через 3 сут имеет прочность 200—250 кгс/см2. Поэтому цементы высоких марок являются не только высокопрочными, но и до известной степени быстротверде-ющими. Применение таких цементов обеспечивает быструю распалубку сооружений, ускоренное изготовление сборных железобетонных конструкций.
В лабораториях цементных заводов и на стройках проводят также испытания цементов в более раннем возрасте — через 3 и 7 сут. Установив предварительными опытами переходный коэффициент, можно по результатам краткосрочных испытаний ориентировочно определить марку цемента. При этом надо учитывать, что различные по минералогическому составу цементы будут твердеть с различной скоростью и для каждого цемента необходимо использовать свой коэффициент.
Помимо прочности к цементам предъявляются и другие требования. Важными характеристиками являются нормальная густота и сроки схватывания цемента.
Нормальной густотой называют то содержание воды в процентах, которое необходимо добавить к цементу, чтобы получить стандартную консистенцию цементного теста. Портландцементы имеют нормальную густоту 22—27%, пуццолановые портландцементы 30% и более. Нормальная густота увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок, обладающих
48
большой водопотребностью, например трепела, опоки. Наименьшую нормальную густоту имеют чистоклинкерные цементы.
Нормальная густота цемента в известной .мере определяет реологические свойства цементного теста и тем самым влияние цемента на подвижность бетонной смеси. Чем меньше нормальная густота цемента, тем ниже водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определенной подвижности (жесткости) смеси. В среднем в зависимости от состава бетона уменьшение нормальной густоты цемента на 1% понижает водопотребность бетонной смеси на 2—5 л/м3, причем большее снижение водопотребности наблюдается у высокопрочных бетонов. Сокращение расхода воды в свою очередь приводит к уменьшению расхода цемента в среднем на 5—10 кг/м3 на 1% водопотребности песка. В бетонах желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой.
Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по глубине проникания иглы ,в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса превращения материала в твердое тело. По ГОСТ 10178— 62 требуется, чтобы начало схватывания при температуре 20°С наступало не ранее чем через 45 мин, а конец завершался не позднее чем через 12 ч с момента затворения цемента водой. В действительности начало схватывания цемента наступает через 1—2 ч, а конец — через 5—8 ч. Эти сроки обеспечивают производство бетонных работ, так как дают (возможность транспортировать и укладывать бетонные смеси и растворы до их схватывания.
Сроки схватывания цемента можно регулировать путем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок. Хлористый кальций и поваренная соль ускоряют гидратацию и схватывание цемента, поверхностно-активные вещества, например сульфитно-спиртовая бражка, — замедляют. Сроки схватывания ускоряются также при повышении температуры бетона, при уменьшении водоцементного отношения.
Портландцемент имеет, как правило, тонкий помол: через сито № 008 (с ячейками размером в свету 0,08Х Х0,08 мм) должно проходить не менее 85% общей массы цемента. Это сито имеет около 4900 отверстий на 1 см2. Средний размер частиц цемента составляет 15—
49
20 мкм. Тонкость помола цемента характеризуют также удельной поверхностью зерен, содержащихся в 1 г цемента. Удельную поверхность цемента определяют специальным прибором. Цемент среднего качества имеет удельную поверхность 2000—2500 см2/г, высокого качества — 3500 см2/|г и более.
Портландцемент должен равномерно изменяться .в объеме, что контролируется специальными испытаниями. Неравномерность изменения объема цемента можег привести к появлению микротрещин в растворе и бетоне и понизить прочность и долговечность последних.
Неравномерность изменения объема наблюдается у цементов, которые из-за нарушения технологического процесса обжига содержат много свободного СаО или MgO и не были выдержаны на заводе в течение времени, необходимого для гашения этих окислов. Цементы, обнаружившие неравномерность изменения объема, можно откорректировать путем их дополнительного вылеживания или введения в состав бетонов добавки NaCl.
Плотность портландцемента без добавок составляет 3,05—3,15. Объемную массу портландцемента при расчетах состава бетона условно принимают в уплотненном состоянии равной 1300 кг/м3.
Схватывание и твердение цемента — экзотермические процессы. Практически 1 кг цемента марки 300 выделяет в бетоне за 7 сут с момента затворения цемента водой не менее 40 ккал (170 кДж), 1 кг цемента марки 400— не менее 50 ккал (210 кДж).
Количество тепла зависит от минералогического состава цементного клинкера, типа введенных добавок и тонкости помола цемента. Из клинкерных минералов, входящих в состав цемента, наибольшее тепловыделение у трехкальциевого алюмината, за мим следует трехкальциевый силикат, у остальных соединений оно значитель-
Таблица 10. Повышение прочности цемента при сухом дополнительном помоле
Удельная поверхность, СМ*/Г Прочность при сжатии, кгс/см1 (106 Па), в возрасте, сут
1 7 28
2300 150 510 645
4300 330 620 730
6200 380 660 802
50
но меньше. Главная масса тепла выделяется в течение первых 3—7 сут твердения цемента.
При зимних бетонных .работах выделение тепла при твердении цемента полезно. Однако при бетонировании массивных сооружений (плотин, толстых стен и т. д.) летом приходится принимать специальные меры по снижению тепловыделения в бетоне, чтобы избежать появления в конструкциях трещин от их неравномерного разогрева. С этой целью применяют цементы с пониженным тепловыделением (с уменьшенным содержанием C3S и СзА, с повышенным C2S, с кремнеземистыми и другими добавками), затворяют бетон на холодной воде, ведут бетонирование отдельными блоками, поливают бетон водой и т. п.
Для ускорения твердения бетона и сокращения сроков изготовления железобетонных конструкций необходимо ускорить твердение цемента. Для этого используют активацию цемента, введение химических добавок — ускорителей твердения или применяют прогрев бетона.
Активация цемента заключается в дополнительном измельчении цементных зерен и, тем самым, в повышении удельной поверхности и улучшении взаимодействия с водой. Активацию осуществляют сухим или мокрым способом (помол цемента с водой). Данные табл. 10 показывают, как повышается прочность бетона разного возраста при сухом дополнительном помоле цемента.
При дополнительном помоле в цемент вводят 2—3% гипса, чтобы предотвратить слишком быстрое схватывание и улучшить структуру затвердевшего цементного камня. Для активации требуется специальное оборудование, производительность которого постепенно уменьшается при повышении тонкости помола, например для дополнительного помола цемента с удельной поверхностью от 3000 до 4000 см2/г требуется приблизительно 3—5 мин, а для помола до удельной поверхности 5000 см2/г — 20— 30 мин. Поэтому этот метод применяется весьма ограниченно.
Ю. Я. Штаерман предложил осуществлять активацию цемента путем продолжительной вибрации (15— 20 мин) готовой бетонной смеси в специальных бункерах. В результате прочность бетона в раннем возрасте (1— 3 сут) возрастает на 20—30%.
Пэ химических ускорителей наиболее часто исполь
51
зуют хлористый кальций СаС12, который в виде водного раствора в небольшом количестве (1,5—2% от массы цемента) вводят при приготовлении бетонной смеси. Оптимальный процент добавки хлористого кальция устанавливается для каждого цемента опытным путем. При правильно выбранном проценте добавки прочность цемента или бетона повышается: при сроке твердения 3 сут — примерно в 2 раза; 7 сут — в 1,5 раза, 28 сут — в 1,1 раза. Если добавки взято слишком много, то схватывание цемента может недопустимо ускориться, а проч ность, быстро нарастая в первые сутки, окажется в дальнейшем ниже, чем у цементов без добавки. Хлористый кальций способствует коррозии арматуры в бетоне, находящемся во влажных условиях, поэтому его нельзя применять в конструкциях с арматурой диаметром менее 5 мм, в конструкциях, предназначенных для эксплуатации при относительной влажности воздуха более 60%, и там, где недопустимы высолы на поверхности бетона.
Для ускорения твердения бетона можно также использовать хлористый натрий NaCl, сернокислый натрий Na2SO4, азотнокислый кальций Са(ЬЮз)2 и другие добавки, однако их эффективность ниже эффективности хлористого кальция.
Заметно ускоряется твердение цемента при повышении температуры среды, в которой выдерживаются образцы или детали. При производстве сборных железобетонных конструкций широко используют прогрев бетона ларом и электропрогрев. В этом случае уже через 6—12 ч прочность бетона достигает 70% марочной.
При зимнем бетонировании наряду с этими методами широко применяют подогрев заполнителей и затворение бетонной смеси горячей водой.
При понижении температуры физико-химические процессы в цементном камне замедляются, а при температуре ниже нуля прекращаются, если только не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды.
При проектировании состава бетона в случаях, когда твердение цемента ускоряется, необходимо учитывать закономерности, определяющие этот процесс.
Перевозят и хранят цемент так, чтобы предохранить его от увлажнения, распыления и других потерь. На стройках рациональна перевозка цемента в автомашинах (цементовозах) со специальными кузовами и винтовыми
52
или пневматическими устройствами для выгрузки. При перевозке в обычных автомашинах цемент необходимо закрывать брезентом. Хранить цемент нужно в закрытых складах с плотной крышей, стенами -и деревянным полом, возвышающимся над землей.
При хранении даже в закрытых складах активность цемента, особенно тонкомолотого, постепенно падает, так как он поглощает влагу и углекислый газ из воздуха. Как показали опыты, обычный цемент при нормальных условиях хранения через 3 мес теряет до 20% прочности, через 6 мес —до 30%, через 1 год — до 40%.
На стройках не следует создавать больших запасов цемента, а если запасы все же образовались, необходимо испытывать цемент через каждые 3 мес и вводить соответствующие поправки в ранее запроектированные составы бетона.
б) Особые виды портландцемента
В последние годы в строительстве широко применяют особые виды портландцемента. Их получают, регулируя минералогический состав портландцемента и вводя в него небольшое количество добавок (не .более 15%).
Быстротвердеющий портландцемент применяют для изготовления сборных железобетонных конструкций. Клинкер должен содержать не менее 50% C3S, сумму С35-|-СзА не менее 60%. Цемент имеет очень тонкий помол, т. е. удельную поверхность не менее 3500 см2/г. Прочность на сжатие этого цемента через 3 сут не менее 250 кгс/см2 (25 МПа), через 28 сут обычно не ниже 500 кгс/см2 (50 МПа).
Сульфатостойкий портландцемент получают путем совместного тонкого помола портландцементного клинкера специального состава (клинкер должен содержать не более 50% C3S и не более 5% СзА) и 5—15% активной кремнеземистой добавки. Этот цемент предназначен для бетонных и железобетонных конструкций морских ч ряда других сооружений, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также для сооружений водохозяйственного строительства. Такие сооружения подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод, часто при одновременном многократном замерзании и оттаивании или многократном увлажнении и высыхании. Сульфатостойкий цемент имеет марки 300 и 400.
53
Портландцемент с умеренной экзотермией отличается от обычного портландцемента тем, что при твердении выделяет меньшее количество тепла и обладает пониженной скоростью твердения в первоначальные сроки и несколько повышенной сульфатостойкостью. Его применяют для железобетона наружных зон гидротехнических сооружений, работающих в условиях многократного попеременного замораживания и оттаивания в пресной или слабо минерализованной воде. Клинкер этого цемента содержит уменьшенное количество C3S. Содержание в нем С3А ограничивают 8%. Цемент выпускают двух марок: 300 и 400.
Пластифицированный портландцемент получают при совместном тонком измельчении портландцементного клинкера и пластифицирующей добавки. Этой добавкой служат концентраты сульфитно-спиртовой барды (отход гидролизно-спиртовой промышленности) в количестве 0,1—0,25% сухого вещества от массы цемента. Сульфитно-спиртовая барда является поверхностно-активным веществом, препятствующим коагуляции цемента в воде и создающим на частицах цемента смазывающие оболочки.
При использовании пластифицированного цемента повышается пластичность растворов и бетонов. Он позволяет облегчить и ускорить укладку бетонных смесей или добиться экономии цемента в бетоне на 5—8%, или снизить водоцементное отношение и тем самым повысить прочность и морозостойкость бетона. Пластифицированный цемент имеет те же марки, что и обычный.
Гидрофобный портландцемент представляет собой продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с поверхностно-активной гидрофобизирующей ( т. е. несмачиваемой водой) добавкой. Такой добавкой служит мылонафт или асидол (нефтяные продукты), которые берут в количестве 0,1—0,15% от массы цемента. Гидрофобный цемент в отличие от обыкновенного имеет следующие особенности:
пониженную гигроскопичность, вследствие чего при длительном хранении и перевозках, даже во влажном воздухе, он остается сыпучим и не теряет активности;
повышенную пластичность (хотя и меньшую, чем у пластифицированного цемента);
пониженные водопоглощенпе и водопроницаемость и повышенную морозостойкость в бетоне.
54
Гидрофобный цемент имеет те же марки, что и обыкновенный портландцемент.
Белый и цветные портландцементы предназначены для отделочных работ: оштукатуривания, изготовления облицовочных плит и разных архитектурных изделий. Белый цемент отличается от белых гипсовых вяжущих веществ большей прочностью (марки 300—500) и гидрав-личностью. В зависимости от степени белизны подразделяется на три сорта.
в) Пуццолановый цемент
Пуццолановый портландцемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера и активной минеральной (чаще всего кремнеземистой) добавки (трепела, диатомита, туфа, трасса, пемзы и др.). Предварительно добавку высушивают. Содержание ее составляет 20—40% массы смеси.
Пуццолановый портландцемент светлее обыкновенного. Плотность (около 2,8—2,9) и объемная масса его меньше, чем у обыкновенного цемента. При одинаковой дозировке по массе пуццолановый портландцемент дает более высокий выход и плотность раствора и бетона, чем обыкновенный цемент, поэтому растворы и бетоны получают более водонепроницаемыми. Чтобы получить тесто нормальной густоты, в пуццолановый портландцемент нужно добавить больше воды (до 30—40%), причем образуется более вязкая смесь, чем при использовании обыкновенного цемента. Вследствие этого понижается подвижность бетонных смесей. Во избежание такого явления приходится несколько (на 5—10%) увеличивать расход цемента в бетоне или вводить пластифицирующую добавку.
Тонкость помола, сроки схватывания и равномерность изменения объема у пуццоланового цемента должны быть по ГОСТу такие же, как и у обыкновенного портландцемента, практически же схватывание происходит медленнее. В зависимости от прочности пуццолановые портландцементы бывают четырех марок: 200, 300, 400 и 500.
В первые сутки и недели после смешивания с водой пуццолановый портландцемент твердеет медленнее, чем цемент без гидравлической добавки. После 6 мес твердения в воде этот цемент обычно приобретает такую же
55
прочность, как и цемент (из того же клинкера) без добавки.
Пуццолановый портландцемент выделяет меньше тепла при твердении, чем обыкновенный цемент. Это благоприятствует бетонированию массивных сооружений, но затрудняет зимние бетонные работы, так как чаще требуется искусственный прогрев бетона.
При твердении пуццоланового портландцемента свободная гидроокись кальция соединяется с активным кремнеземом добавки и образует гидросиликат кальция, почти нерастворимый в воде.
Из-за связывания большей части свободной гидроокиси кальция хорошо затвердевший пуццолановый портландцемент не выщелачивается пресной водой. При соответствующем составе клинкерной его части (содержание СзА менее 8%) этот цемент не разрушается под действием морских и других минерализованных вод. Такой цемент называют сульфатостойким пуццолановым портландцементом. Его долговечность в морских и других минерализованных водах во много раз превышает долговечность обыкновенного портландцемента.
Применять пуццолановый цемент целесообразно в тех случаях, когда необходима повышенная физико-химическая стойкость бетона и обеспечено его твердение во влажной среде, например:
при устройстве подводных, подземных и внутренних частей гидротехнических сооружений в морской и пресной воде (молы, набережные, доки, плотины, шлюзы и т. п.);
в канализационных и водопроводных сооружениях;
при строительстве туннелей и других подземных сооружений, при проходке шахт и т. д.
Нецелесообразно применять такой цемент в надземных железобетонных сооружениях: быстрое высыхание может приостановить твердение цемента и вызвать повышенную усадку. Не рекомендуется применять этот цемент в частях сооружений, находящихся в переменных условиях увлажнения и высыхания, замораживания и оттаивания.
г) Шлакопортландцемент
Шлакопортландцемент получают в результате совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака. Содержание шлака в го
56
товом продукте зависит от активности шлака и практи-чески составляет 30—60% массы цемента. По своим свойствам шлакопортландцемент мало отличается от обыкновенного: плотность его немного ниже (2,9—3), соответственно меньше и объемная масса; тонкость помола и равномерность изменения объема такие же. Выпускают шлакопортландцемент четырех марок: 200, 300, 400 и 500.
Шлакопортландцемент отличается от портландцементов (при одинаковом составе клинкера) более медленным схватыванием (начало обычно через 4—6 ч, конец через 10—12 ч) и замедленным твердением в первые 7—10 сут. Этот цемент при содержании в клинкере 8% С3А дает бетон, более стойкий в отношении действия минерализованных вод (сульфатных, морской воды), чем обыкновенный цемент.
При твердении шлакопортландцемент выделяет меньше тепла, чем обыкновенный бетон. При тепловлажностной обработке твердение шлакопортландцемента ускоряется.
Шлакопортландцемент можно применять в железобетонных конструкциях (при марке цемента не ниже 300), для бетонных фундаментов, массивных бетонных сооружений, находящихся в обычной и минерализованной грунтовой воде, для бетонных камней и полов, для растворов, предназначаемых для каменной кладки и штукатурки.
д) Известь
Для производства силикатных бетонов, получивших в последние годы широкое применение в строительстве, в качестве вяжущего используют воздушную известь.
Воздушная известь — простейшее местное вяжущее, получаемое умеренным обжигом карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, отходов химических производств и др), содержащих не более 8% глинистых примесей.
В строительстве применяют негашеную известь, главной составной частью которой является безводная окись кальция СаО, и гашеную, главной составной частью которой является гидрат окиси кальция Са (ОН)2, получаемый после соединения негашеной извести с водой.
В воздушную известь могут вводиться минеральные добавки—молотые горные породы или отходы промышленного производства: доменные и топливные шлаки и
57
Золы, вулканические туфы, опоки и пемзы, Кварцевые пески, гипсовый камень.
Молотые минеральные добавки вводят в строительную известь в таком количестве, чтобы содержание в ней активных СаО и MgO соответствовало требованиям табл. И. По ГОСТ 9179—70 воздушная известь делится на три сорта.
Таблица 11. Технические характеристики негашеной извести
Сорт
Показатели
Содержание активных CaO-J-MgO в пересчете на сухое вещество, %, не менее: в извести без добавок в извести с добавками 90 64 80 52 70
Содержание непогасившихся зерен в комовой извести, %, не более 7 10 12
Потери при прокаливании, %, не более 5 7 10
В зависимости от скорости гашения известь делят на быстрогасящуюся со скоростью гашения до 20 мин и на медленногасящуюся — со скоростью гашения более 20 мин.
При твердении на воздухе прочность известковых растворов и бетонов невелика — в возрасте 28 сут — 5— 30 кгс/см2 (0,5—3 МПа). Прочность материала может быть заметно повышена путем автоклавной обработки при давлении 8 ат (0,8 МПа) и температуре 175°С, в результате которой при взаимодействии извести с кремнеземом заполнителя образуются сравнительно прочные гидросиликаты. Этот прием используют для получения автоклавного силикатного бетона, прочность которого составляет 200—500 кгс/см2 (20—50 МПа) и может быть еще выше, а также для производства ячеистых бетонов. Для производства автоклавных силикатных материалов используют быстрогасящуюся известь с содержанием окиси магния не более 5%.
§ 14. ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ БЕТОНА а) Основные положения
Заполнители занимают в бетоне до 80% его объема и оказывают определенное влияние на прочность, долговечность, стоимость и другие свойства бетона.
58
Введение в бетон заполнителей позволяет резко сок-ратить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом бетона. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, т. е. уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также уменьшает ползучесть бетона, т. е. необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнитель уменьшает усадку бетона, способствует получению более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении достигает 1 — 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня.
Пористые естественные и искусственные заполнители, обладая малой объемной массой, уменьшают объемную массу легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и других) роль заполнителя также очень высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства самого бетона.
В силикатных бетонах заполнитель, помимо своего обычного назначения, играет особо важную роль, так как его зерна с поверхности вступают во взаимодействие с вяжущим веществом и от их минералогического состава и удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.
Стоимость заполнителя составляет 30—50%, а иногда и более от стоимости бетонных и железобетонных конструкций, и применение более доступных и дешевых местных заполнителей в ряде случаев позволяет снизить стоимость строительства, уменьшает объем транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроко. строительства.
Правильный выбор заполнителей для бетона, их разумное использование — одна из важных задач проектирования состава бетона.
В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный заполнитель, зерна которого крупнее 5 мм, подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок.
59
К заполнителям для бетона предъявляется ряд требований, учитывающих особенности влияния заполнителя на свойства бетона. Все заполнители представляют собой совокупность отдельных зерен, т. е. являются зернистыми материалами, для которых имеется ряд общих закономерностей. Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой состав, прочность и чистота заполнителей.
Зерновой состав показывает содержание в заполнителе зерен разной крупности. Он определяется просеиванием пробы заполнителей через стандартные сита с различным размером отверстий (от 0,14 до 70 мм и более).
Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, когда зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров, например 5—10 или 20—40 мм. Заполнитель характеризуют наименьшей и наибольшей крупностью, под которой понимают размеры наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя. В заполнителе могут встречаться отдельные более мелкие или более крупные зерна, чем указанные, однако их должно быть не более 5%. Зерновой состав называют непрерывным, если в нем встречаются зерна всех размеров от наименьшего до наибольшего, Если же в заполнителе отсутствуют зерна какого-либо промежуточного размера, то такой зерновой состав называют прерывистым.
’Рис. 17. (Раоположен-ие зерен заполнителя а — при рядовой укладке; б — при шахматной укладке
С зерновым составом непосредственно связана пусто-тность заполнителя, определяемая возможностью его плотной укладки. На пустотность влияет также форма его зерен. Пустотность заполнителя является важной
60
характеристикой, так как в известной мере определяет расход цемента (чем больше пустот, тем больше потребуется цемента для их заполнения) и другие свойства бетона.
Объем пустот в заполнителе не зависит от крупности его зерен. Представим себе, что все зерна заполнителя имеют один размер и располагаются в кубе единичного объема либо рядами, либо в шахматном порядке (рис. 17). В первом случае число шаров, помещающееся по одной стороне куба, n= {fd, число шаров во всем объеме Л’=п3= 1/cf3, объем всех шаров
Следовательно, объем пустот не зависит от диаметра шаров и равен:
я 3,14
р = 1 —- = 1 —7—= 0,476. (24)
6 6
Соответственно при шахматном расположение (более плотная упаковка) получим: =l/h = 2/d j/3; Nr = = nnf= l/d(2/d /3)2 = 4/ЗсР; С = Nt- ^/6 = 2*79 = = 0,7; р = 0,3.
На объем пустот определенное влияние оказывает форма зерен (табл. 12).
Таблица 12. Пустотность зернового материала в зависимости от формы зерен (%)*
Форма зерен Укладка
наиболее плотная наименее плотная средняя
Кубы 0 87,1 43,55
Октаэдры 12,2 83,9 48,05
Додекаэдры 14,1 60,7 37,40
Икосаэдры 10,3 59,9 35,10
Шары 26,2 47,6 36,90
*Николаев Б. Состав растворов и бетонов в зависимости от размеров и формы зерен материалов. Спб., 1914.
При наименее плотной укладке шары дают наименьшую пустотность, при наиболее плотной — наибольшую. Однако в действительности наиболее и наименее плотная укладка мало вероятна и практически будет иметь место какая-то промежуточная система укладки и, следовательно, средняя пустотность, определяемая степенью
61
Рис. 18. Влияние угловатой формы заполнителя на его пу-стотность
Рис. Ю. Зависимость пустот-ности смеси от объема мелкоте и крупного заполнителя
уплотнения. В среднем же с увеличением угловатости зерен вероятные значения пустотности возрастают. Особенно же возрастает пустотность при применении зерен удлиненной формы (игольчатых, лещадных).
Если заполнитель представляет собой смесь зерен разной формы, то с увеличением в ней зерен окатанной формы пустотность постепенно уменьшается, что подт-' верждают данные, приведенные на рис. 18.
При смешении зерен разной крупности более мелкие зерна будут располагаться в пустотах между более крупными и пустотность заполнителя будет уменьшаться. Если имеются зерна двух фракций, значительно различающихся по размерам, то изменение пустотности смеси при их смешивании имеет характер, показанный на рис. 19.
(Примем обозначения: Н — объем пустот; С — абсолютный объем зерен заполнителя; V—C-\-H—полный объем смеси; а—Н!\/— пустотность в относительных единицах; Ь=Н/С — пустотность по отношению к абсолютному объему зерен заполнителя, причем Ь = =с/1—а.
При заполнении пустот крупного заполнителя зернами мелкой фракции пустотность будет уменьшаться в соответствии с выражением
Н1 = Ьк Ск — См — ОцУ Сщ- (25)
При добавке крупных зерен к мелкой фракции вследствие замещения части объема крупными зернами, не имеющими пустот, пустотность заполнителя будет уменьшаться в соответствии с выражением
62
(26)
Формула (25) применяется при условии, что Ум<&к Ск, т. е. когда объем мелкой фракции не 'превосходит объем пустот крупной фракции. Формула (26) действительна при условии, что V№>bK Ск, т. е. при избытке песка по сравнению с объемом пустот крупной фракции. Теоретически наименьший объем пустот можно определить по формуле
Т/циН = ак °М У’ (27)
В действительности минимальный объем пустот всегда несколько больше (Имин на рис. 19), так как зерна мелкой фракции, попадая между крупными зернами, раздвигают их и увеличивают пустотность крупной фракции.
Если зерна смешиваемых фракций будут не очень отличаться по размерам, то размер мелких зерен окажется больше, чем размер пустот между крупными зернами, и мелкие зерна, не умещаясь в пустотах, несколько раздвинут крупные зерна. В результате пустотность всей системы может не только уменьшиться, но даже увеличиться. Для получения наиболее плотной смеси двух фракций необходимо, чтобы размер зерен одной был приблизительно в 6,5 раз меньше размера зерен другой (смешивание крупного заполнителя с песком). Однако большее распространение получили заполнители с непрерывным зерновым составом, хотя и имеющие несколько повышенную пустотность, но менее склонные к расслоению и чаще встречающиеся на практике.
Пустотность заполнителей колеблется от 20 до 50%. В бетоне желательно использовать заполнители, состоящие из нескольких фракций и имеющие наименьшую пустотность.
Важной характеристикой заполнителя, связанной с его зерновым составом и определяющей его влияние на свойства бетона и бетонной смеси, является удельная поверхность его зерен.
Применительно к рядовому расположению шаров (см. рис. 17) суммарная поверхность зерен, заключенных в единице объема:
S = N п <Р= nd2 = -у-. (28)
Отсюда следует, что поверхность зерен обратно пропорциональна диаметру зерен. С уменьшением размеров
63
зерен их поверхность возрастает. Удельная поверхность также несколько увеличивается в смесях угловатых зерен.
В табл. 13 приведены данные по изменению расчетной удельной поверхности зерен (шаровидной формы) при уменьшении их размеров. Очень значительно начинает возрастать удельная поверхность при диаметре зерен менее 1 мм.
Таблица 13. Расчетная удельная поверхность отдельных фракций заполнителя
Фракция, мм
Предельный размер частиц, мм
Расчетная удельная поверхность, м2/л абсолютного объема
20—10 10—20 0,4
10—5 5—10 0,8
2,5—5 2,5—5 1,6
2,5—1,2 1,2—2,5 3,25
1,2—0,6 0,6—1,2 6,67
0,6—0,3 0,3—0,6 13,33
0,3-0,15 0,15—0,3 26,67
Менее 0,15 0—0,15 80
Пылевидные частицы 0,05—0,15 60
Илистые частицы 0,005—0,05 218
Глинистые частицы Менее—0,005 2400
Необходимо, чтобы в бетоне цементное тесто не только заполняло пустоты между зернами песка, но и раздвигало зерна с целью создания между ними цементной прослойки для образования единого монолита. Расход цемента на получение подобной оболочки зависит от удельной поверхности заполнителя, возрастая с уменьшением размера зерен. В результате с увеличением удельной 1поверхности заполнителя либо повышается техническая вязкость бетонной смеси, либо для получения определенной жесткости или подвижности смеси приходится увеличивать расход воды и соответственно расход цемента, чтобы обеспечить получение бетона заданной 'прочности.
Добавление к крупному заполнителю мелкого уменьшает его пористость, но одновременно увеличивает удельную поверхность, поэтому окончательное влияние заполнителя на бетон лучше всего определять непосредственным испытанием заполнителя в бетоне.
64
Прочность заполнителя определяется не только видом горной породы, из которой он получен, но и крупностью зерен. При выветривании или дроблении разрушение происходит по более слабым местам структуры и с уменьшением размера зерен прочность их как бы повышается. Естественные пески обладают прочностью при сжатии и растяжении, как правило, более высокой, чем прочность раствора или цементного камня. Превосходят по прочности раствор и крупные заполнители из прочных горных пород (гранита, диабаза и др-). Пористые заполнители могут быть по прочности равны или слабее раствора. Зависимость прочности бетона от прочности раствора /?Р.С показана на рис. 20. Прочность бетона на гранитном щебне, когда Кз>Кб, несколько выше прочности раствора. При применении менее прочного крупного заполнителя прочность бетона при увеличении
Рис. 20. Зависимость прочности бетона от прочности его растворной составляющей при применении заполнителей
1 — высокопрочных гранитных; 2 — средней прочности; 3 — слабых (керамзитовый гравий)
прочности раствора возрастает лишь до определенных значений и дальнейшее повышение прочности раствора не приводит к повышению прочности бетона. Предельно достижимая прочность бетона тем ниже, чем меньше прочность крупного заполнителя, причем ее значение зависит также и от содержания заполнителя, постепенно уменьшаясь с его повышением. Эту особенность влияния крупного заполнителя на прочность бетона приходится учитывать при проектировании составов легкого бетона на пористых заполнителях. В этом случае иногда для получения соответствующей объемной массы в бетон приходится вводить легкий, но слабый пористый заполнитель.
Следует заметить, что выше линии ON (см. рис. 20)
65
располагаются экономичные по расходу цемента Составы, которые желательно применять на производстве.
Большое влияние на прочность бетона оказывает чистота заполнителя. Пылевидные и особенно глинистые примеси создают на поверхности зерен заполнителя пленку, препятствующую сцеплению их с цементным камнем. В результате прочность бетона значительно понижается (иногда на 30—40%). Поэтому для приготовления бетона необходимо применять чистые заполнители. Корректировать отрицательное влияние грязного или некачественного заполнителя на свойства бетона путем повышения расхода цемента недопустимо.
б) Песок
Природный песок, применяемый для изготовления обычного бетона, представляет собой образовавшуюся в результате выветривания горных пород рыхлую смесь зерен (крупностью 0,14—5 мм) различных минералов, входящих в состав изверженных (реже осадочных) горных пород. При отсутствии природного песка изготовляют искусственный песок путем дробления твердых горных пород, но этот песок стоит гораздо дороже.
Чаще всего встречаются пески кварцевые с примесью полевого шпата, листочков слюды и зерен других минералов, реже — полевошпатовые, известняковые и др. Кварцевые пески пригодны для бетона любых марок. Остальные пески, в особенности известняковые и ракушечные, следует проверять на прочность в растворе или бетоне требуемой марки. По условиям залегания пески разделяются на речные, морские и горные (овражные).
В большинстве случаев зерна речного и морского песка истираются при переносе водой и имеют поэтому округлую форму, зерна горных (овражных) песков — остроугольные. Речные и морские пески обычно чище, т. е. содержат меньше глинистых и органических примесей, чем овражные. В морском песке часто имеются .примеси известняковых зерен и обломков раковин, которые легко разрушаются и могут понизить прочность бетона.
Желательно применять песок с шероховатыми зернами, так как он лучше сцепляется с цементным камнем и придает бетону большую прочность. В то же время этот песок должен быть возможно чище. Посколь
66
ку промывка песка сложна и дорога, обычно предпочитают речной песок.
Требования к природному песку для обычного бетона следующие (ГОСТ 10268—70):
а) содержание в песке зерен, проходящих через сито 0,14 мм, не должно превышать 10%, а содержание глинистых, илистых и пылевидных примесей, определяемых отмучиванием, 3% по массе. Наиболее вредна примесь глины, обволакивающей зерна песка, так как она препятствует оцеплению с цементным камнем. От этой глины песок можно освободить только тщательной промывкой;
б) органические примеси (например, гумусовые) допускаются только в самом небольшом количестве, так как они, в особенности органические кислоты, понижают прочность и даже разрушают цемент. Для их определения песок обрабатывают 3%-ным водным раствором едкого натра (при соотношении раствора к песку 1:1). Полученный раствор с песком должен отстаиваться в течение суток. Требуется, чтобы после обработки песка цвет его был не темнее светло-желтого. Этот метод называют колориметрическим (определение по цвету); в лабораториях изготавливают для сравнения цветной эталон. Если песок содержит много органических примесей, то они вступают в соединение с едким натром и образуют соли, окрашивающие раствор в различные цвета — от желтого до красного и коричневого в зависимости от содержания органических веществ.
Для бетона, применяемого в наиболее ответственных сооружениях, следует использовать пески, которые при обработке 3%-ным раствором NaOH не окрашиваются. При светло-желтой окраске раствора песок пригоден только для неответственных конструкций, а при темной окраске (темно-желтой, красней или коричневой) он без промывки не пригоден, так как прочность бетона, приготовленного на таком песке, может понизиться более чем на 25%. Однако окончательное суждение о пригодности песка в этих случаях выносят после непосредственного испытания его в бетоне.
Крупность зерен определяют просеиванием песка через стандартный набор сит. Сита имеют отверстия в свету: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Наличие в песке зерен крупнее 10 мм не допускается; зерен размером 5—• 10 мм должно быть не более 5% (по массе).
67
Рис. 21. Зерновой состав песка
Для просеивания берут среднюю пробу сухого песка массой 1 кг. Просеивание песка начинают с самого крупного сита. На каждом сите получается остаток, который выражают в 'процентах; эти остатки называют частными. Они характеризуют распределение зерен песка по степени крупности, так называемый зерновой (гранулометрический) состав песка. Кроме того, определяют полные остатки на ситах, складывая частный остаток на каждом данном сите с суммой остатков на предыдущих ситах.
Для условного выражения крупности песка пользуются модулем крупности, обозначающим сумму полных остатков (в процентах на ситах стандартного набора), деленную на 100:
МЯ=^=. (29)
Результаты просеивания песка удобно представить графически. На графике (рис. 21) в виде заштрихованной полосы указаны допустимые пределы колебаний зернового состава песка для бетона. При оценке зернового состава песка учитывают только зерна, проходящие через сито 5 мм. Кривая просеивания песка, получаемая по результатам ситового анализа, должна находиться между верхней и нижней ломаными линиями.
В зависимости от крупности пески, пригодные для бетона, разделяются на три группы (табл. 14).
68
Таблица 14, Характеристика песка по крупности
Группа песка
Модуль крупности ЛС в*
Полный остаток на еите с отверстиями 0.63 мм. %
Мелкий Средний Крупный
50—75
35—50
20—35
Если песок крупный, то это еще не значит, что он вполне пригоден для бетона. Крупный песок может иметь большой объем пустот, который придется заполнять цементным тестом, что невыгодно. Поэтому полная характеристика песка может быть дана только с учетом его пустотности.
Песок, отсеянный на ситах двух близких номеров, т. е. состоящий из зерен почти одинаковой крупности, имеет большую пустотность (40—42%). При наилучшем сочетании в песке крупных, средних и мелких зерен пустотность может уменьшиться до 30%. В доброкачественном песке пустотность не должна превышать 38%.
Если в бетоне или растворе заполнить цементным тестом только 1пустоты между зернами песка, то получится малоподвижная, трудная для укладки, очень жесткая смесь. Необходимо раздвинуть зерна песка и окружить их цементной оболочкой, которая как бы создавала смазку, обеспечивающую подвижность растворной или бетонной смеси и скрепляла в дальнейшем зерна песка. Чем крупнее песок, тем меньше будет общая площадь поверхности зерен и расход цемента для создания оболочек. Однако, как указывалось выше, песок, состоящий из одних крупных зерен, имеет слишком большой объем пустот, и его применять не следует.
Для бетона наиболее пригоден крупный песок, но содержащий достаточное количество средних и мелких зерен. При такой комбинации зерен и объем пустот будет малым, и площадь поверхности зерен небольшая. Этот оптимальный состав песка соответствует заштрихованной полосе на рис. 21.
Объемная масса песка зависит от его плотности, пустотности и влажности и определяется в сухом рыхлом состоянии (называемом стандартным). Песок, предназначенный для бетона марок 200 и выше или для бетона в конструкциях, подвергающихся замерзанию в
69
Рис. 22. Влияние влажности на объемный .вес песка / — крупного; 2 — мелкого
насыщенном водой состоянии, должен иметь объем-ную массу . не ниже 1550 кг/м3; в остальных, более простых случаях — не ниже 1400 кг/м3. При встряхивании песок уплотняется, и объемная масса его может увеличиться до 1600—1700 кг/м3. Самый большой объем песок занимает при влажности около 5—7%; с повышением или с понижением влажности объем песка уменьшается (рис. 22). Это свойство следует учитывать при его приемке и дозировке (по объему) в процессе
приготовления бетона.
Так как в карьере песок имеет различную влажность и на стройках при хранении на открытом воздухе влажность его непрерывно изменяется, то при производстве бетонных работ необходимо систематически определять объемную массу и влажность песка, а также корректировать состав бетона.
в) Гравий
Гравием называют рыхлый материал, образовавшийся в результате естественного разрушения (выветривания) горных пород. Гравий состоит из более или менее окатанных зерен размером 3—70 мм. В нем могут содержаться зерна высокой прочности, например гранитные и слабые зерна пористых известняков. Обычно он содержит примеси пыли, глины, иногда и органических веществ, а также песка. При большом содержании песка такой материал называют песчано-гравийной смесью, или гравелистым песком.
В зависимости от происхождения различают гравий овражный (горный), речной и морской. Овражный гравий обычно загрязнен примесями, речной и морской — более чистый. Зерна морского и речного гравия имеют
70
округлую форму, иногда слишком гладкую поверхность, недостаточно прочно сцепляющуюся с цементным раствором, что понижает прочность бетона. Зерна овражного гравия более остроугольные.
Для бетона желательна малоокатанная (щебневидная) форма зерен гравия; малопригодна яйцевидная (окатанная), еще хуже — пластинчатая или лещадная с шириной, в три и более раз превышающей толщину. Игловатых и пластинчатых зерен в составе гравия должно быть не более 15% (.по массе).
В зависимости от размера зерен различают гравий следующих видов:
рядовой......................... 3—70 мм
фракционированный особо мелкий . . 5—10 кили 3—10 мм фракционированный:
мелкий....................... 5—20 мм
средний...................... 20—40 >
крупный...................... 40—70 »
Крупность гравия определяют, просеивая его через стандартный набор сит с круглыми отверстиями размером 70, 40, 20, 10 и 5 (или 3) мм.
При изготовлении бетона большое значение имеет максимально допускаемая крупность гравия, определяемая размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5% общей навески. Максимальная крупность зависит от размера бетонируемых конструкций: для удобной укладки бетонной смеси нельзя применять гравий крупнее ‘Д части минимального размера сечения конструкции и больше минимального расстояния между стержнями арматуры в железобетонной конструкции. Например, для балки шириной 200 мм можно использовать гравий с наибольшим размером зерен 200/4=50 мм. При бетонировании плит, полов и покрытий употребляют гравий с максимальной крупностью зерен, составляющей до */а толщины плиты. При изготовлении бетона в крупных бетономешалках вместимостью больше 2000 л для бетонирования массивных сооружений с редкой арматурой можно применять гравий, наибольшая крупность которого достигает 120—150 мм.
После просеивания гравия определяют в процентах частные остатки на каждом сите, начиная с наибольшего, затем вычисляют полные остатки.
Результаты просеивания гравия обычно наносят на график, откладывая по горизонтали размеры отверстий сит: наибольший для данного гравия (©наиб), половин-
ный (Уг^иаио) и наименьший (5 или Змм); по вертикали же откладывают полные остатки на ситах в процентах. Зерновой состав гравия должен располагаться по воз-
Ряс. 23. Зерновой состав гравия (щебня)
можности в пределах заштрихованной площади (рис. 23).
Для бетона желателен в основном крупный гравий,нос достаточным содержанием средних и мелких зерен. Подвижность бетонной смеси одинакового состава и с одинако-
вым количеством воды при крупном гравии больше, чем при мелком. Пустотность гравия не должна превышать 45%.
Влажность гравия (за вычетом воды, поглощенной зернами) следует учитывать при определении количества воды, добавляемой в бетонную смесь. На изменение объема гравия в отличие от леска влажность почти не
влияет.
Прочность зерен гравия должна обеспечивать получение бетона, прочность которого на 20—50% превышает заданную. Так как испытывать прочность зерен гравия трудно (кубики из них выточить нелегко), то ее определяют косвенным путем. Для этого приготовляют кубики из бетона с испытуемым гравием на цементе известной активности при водоцементном отношении, рассчитанном для бетона, прочность которого на 20— 50% превышает заданную. При испытании эти кубики должны показать прочность не ниже вычисленной по расчетным формулам для бетона с гравием.
Количество зерен слабых пород в гравии допускается для бетона марки 100 и выше не более 10%; зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы — не более 15% (по массе).
Гравий считается морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократное попеременное замораживание при —15°С
и оттаивание, причем суммарная потеря в массе зерен должна быть не более 10%, а при морозостойкости выше 50 циклов — не более 5%. Морозостойкость требу
72
ется от гравия только в том случае, если он предназначен для бетонных сооружений, подвергающихся замораживанию и оттаиванию.
В суровых климатических условиях гравий должен выдерживать не менее 100—200 циклов замораживания и оттаивания, в умеренных — 50 циклов, в мягких — 15—25.
Допускается и ускоренное испытание на морозостойкость (Мрз) путем переменного насыщения в растворе сернокислого натрия и высушивания. Требуемое число циклов в этом случае 5—10—15 соответствует Мрз 25—50—200 циклов обычного испытания замораживанием и оттаиванием. Если потеря в массе зерен гравия составит при этом соответственно не более 10—5—3%, то материал признается годным При получении же неудовлетворительных результатов необходимо испытать гравий на морозостойкость обычным способом.
В гравии допускается не более 1% (по массе) глинистых, илистых и пылевидных примесей, количество которых определяют отмучиванием. Содержание органических примесей в гравии устанавливают, как и в песке, колориметрическим методом. Если в гравии количество примесей больше допустимого, то его промывают водой.
В природе встречаются готовые смеси песка и гравия. В этих случаях необходимо проверять постоянство состава и соответствие песчаной и гравийной частей существующим стандартам. Если состав смеси пригоден для бетона и сохраняется неизменным, то смесь можно не рассевать, но чаще всего смеси по составу не постоянны и их приходится разделять на песок и 2—3 фракции гравия.
г) Щебень из (природного камня
Щебнем называют материал, полученный в результате дробления камней из горных пород с пределом прочности при сжатии от 200 до 1200 кгс/см2 (20—120 МПа). Куски щебня имеют остроугольную форму. Для приготовления бетона лучше всего использовать куски близкие по форме к кубу или тетраэдру; куски плоской формы значительно хуже, так как они легко ломаются. Форма щебня зависит от структуры каменной породы и от типа камнедробильной машины.
та
Щебень дробят из гранита, диабаза и других изверженных пород, а также из плотных осадочных пород — известняка, доломита и измененных пород — кварцита.
К крупности, зерновому составу, прочности и морозостойкости щебня предъявляют те же требования, что и для гравия. Щебень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Предельное содержание глинистых и пылевидных примесей допускается: для бетонов марки 300 и выше 1 % в щебне из изверженных пород и 2% в щебне из карбонатных пород; для бетонов более низких марок соответственно 3 и 2% (по массе).
Для обычного бетона можно применять щебень только из каменных пород, прочность которого выше заданной марки бетона, а именно: необходимая прочность исходной каменной породы (в насыщенном водой состоянии) /?и1>2/?б для бетона марки 300 и выше и /?т>1,57?б для бетонов более низких марок. Для бетона в конструкциях, подвергающихся насыщению водой и замораживанию, желательно применять щебень с водо-поглощением не более 3% (по массе), а без замораживания — не более 5%.
Размер щебня, получаемого из камнедробилки, зависит от ширины выпускного отверстия. Однако из крупной дробилки нельзя сразу получить мелкий щебень. Поэтому крупный камень последовательно дробят в двух-трех дробилках, выдающих щебень с постепенно уменьшающимся размером зерен.
Гравий в отличие от щебня встречается в природе в раздробленном состоянии, и дробить приходится только крупные куски. Другое преимущество гравия — несколько большая подвижность бетонной смеси из-за меньшего, чем при использовании щебня, трения между цементным раствором и гладкой поверхностью зерен. Гравий обычно имеет меньший объем пустот, благодаря чему возрастает выход бетона.
К недостаткам гравия относятся слабое сцепление его с цементным камнем при затвердевании, снижающее прочность бетона, а также загрязненность глинистыми и другими примесями, вследствие чего часто требуется промывка.
При выборе крупного заполнителя для бетона оценивают его стоимость и технические свойства. Для высокопрочных бетонов лучше применять щебень.
74
§ 16. ВОДА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ
Для приготовления бетонной смеси используют во* допроводную питьевую, а также любую воду, имеющую водородный показатель pH не менее 4, т. е. не кислую, не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет; вода не должна содержать сульфатов более 2700 мт/л (в пересчете на SO4) и всех солей — более 5000 мг/л.
В сомнительных случаях пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять путем сравнительных испытаний образцов, изготовленных на данной воде и на обычной водопроводной.
Для приготовления бетонной смеси можно применять морскую и другие соленые воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Исключением является бетонирование внутренних конструкций жилых и общественных зданий и надводных железобетонных сооружений в жарком и сухом климате, так как морские соли могут выступить на поверхности бетона, а также вызвать коррозию стальной арматуры.
Для поливки бетона следует применять воду такого же качества, как ,и для приготовления бетонной смеси.
§ 16. ХИМИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ
Химические добавки применяют для регулирования свойств бетона: ускорения твердения, улучшения удобоукладываемости, повышения морозостойкости. Условно их можно разделить на следующие группы:
1) ускорители твердения цемента: хлористый кальций, хлористый натрий и др.;
2) пластифицирующие поверхностно-активные добавки;
3) пенс- и газообразователи: алюминиевая пудра, пенообразователь ГК, клееканифольные пенообразователи и др.;
4) противоморозные добавки: поташ, хлористый кальций, хлористый натрий, нитрит натрия и др.;
5) расширяющие и уплотняющие добавки, обеспечивающие .получение водонепроницаемых безусадочных или расширяющихся растворов и бетонов;
6) добавки, регулирующие сроки схватывания.
В последние годы благодаря трудам советских ученых П. А. Ребиндера, Б. Г. Скрамтаева, М. И. Хигеро-вича, В. Н. Юнга, В. С. Столъникова, В. И. Сорокера и
75
др. для улучшения свойств бетона все шире используют недорогие поверхностно-актизные добавки, получаемые из отходов и побочных продуктов химической промышленности.
Поверхностно-активные добавки подразделяют на две группы:
I группа— пластифицирующие добавки гидрофили-зирующего типа, способствующие диспергированию коллоидной системы цементного теста и тем самым улучшающие его текучесть;
II группа — гидрофобизирующие добавки, вовлекающие в бетонную смесь мельчайшие пузыри воздуха, что также улучшает подвижность бетонной смеси.
Молекулы поверхностно-активных гидрофобных добавок, адсорбируясь на поверхности раздела воздух— вода, понижают поверхностное натяжение воды и стабилизируют мельчайшие пузырьки воздуха в цементном тесте.
К добавкам I группы относятся сульфитно-спиртовая барда (ССБ) и сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ). Эти добавки представляют собой в основном кальциевые соли лигносульфоновых кислот. Получают их в виде порошка или жидкости из сульфитных щелоков, образующихся при переработке целлюлозы.
К добавкам II группы относятся: абиетат натрия — натриевая соль абиетиновой кислоты, получаемая в виде порошка или жидкости путем омыления канифоли едким натром; омыленный древесный пек (препарат ЦНИПС-1)—паста, получаемая нейтрализацией едким натром жидких кислот древесного песка; мылонафт — мазеобразное вещество желто-коричневого цвета, представляющее собой натриевые соли нерастворимых в воде органических кислот, получаемых из отходов при переработке нефти; асидол — нефтяные кислоты, также получаемые из отходов при переработке нефти.
Поверхностно-активные добавки повышают подвижность бетонной смеси, ее однородность, нерасслаи-ваемость, текучесть при перекачивании насосом, способствуют сохранению удобообрабатываемости смеси во времени. Пластифицирующие добавки позволяют за счет уменьшения расхода воды либо сократить на 8— 12% расход цемента, либо при неизменном расходе цемента понизить водоцементное отношение и несколько
76
Повысить прочность бетона, его водонепроницаемость и морозостойкость.
В обычных бетонах в качестве пластификатора широко используют сульфитно-спиртовую барду. Эта добавка несколько замедляет твердение бетона в раннем возрасте и поэтому при производстве сборного железобетона ее применяют в сочетании с добавками—ускорителями твердения цемента. Сульфитно-спиртовая барда несколько уменьшает тепловыделение цемента в первые дни твердения, что облегчает возведение массивных железобетонных сооружений. Поскольку сульфитноспиртовая барда воздействует главным образом на цементное тесто, то наиболее эффективно ее применение в бетонах с достаточно высоким расходом цемента.
Воздухововлекающие добавки применяют главным образом в бетонах, от которых требуется повышенная морозостойкость, и в строительных растворах.
Воздухововлечение в бетонную смесь несколько понижает прочность бетона. По опытным данным, каждый 1% вовлеченного воздуха снижает прочность при сжатии на 3%, поэтому не следует вводить в бетонную смесь с целью ее пластификации большое количество воздухововлекающей добавки. Обычно содержание вовлеченного воздуха ограничивается 4—5%. В этом случае прочность бетона практически не снижается, так как отрицательное влияние на прочность бетона вовлеченного воздуха нейтрализуется благодаря повышению прочности цементного камня вследствие уменьшения водоцементного отношения. Воздухововлекающая добавка гидро-фобизирует поры и капилляры бетона, а воздушные пузырьки служат резервным объемом, обеспечивающим замерзание воды в бетоне без возникновения больших внутренних напряжений. В результате значительно повышаются водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Воздухововлекающие добавки более эффективны в бетонах с малыми расходами цемента.
К гидрофобно-пластифицирующим добавкам относятся также кремнийортанические жидкости: метилси-ликонат натрия (ГКЖ-Н)', этилсиликонат натрия (ГКЖ-Ю) и этилгидросилоксановая жидкость (ГКЖ-94). Применяют их для увеличения стойкости бетонов и растворов в агрессивной среде, для повышения долговечности бетона, а также в качестве гидрофобиза-торов поверхности ячеистых бетонов.
П
Эффект от действия добавки зависит от многих факторов и поэтому оптимальное содержание добавки определяют обычно опытным путем, но в среднем оно составляет (в % от массы цемента):
ССБ...................0,15—0,25 в расчете на сухое ве-
щество
ЦНИИПС-1..............0,01—0,05 в расчете на сухое ве-
щество
Абиетат натрия . . . 0,01—0,025 в расчете на сухое вещество
Мылонафт, асидол . . 0,08—0,5 в расчете на товарный раствор мылонафта, содержащий 45— 50% воды
ГКЖ...................0,05—0,15 в расчете на 100%-ную
жидкость
Поверхностно-активные добавки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении в виде водных растворов и эмульсий.
Для получения нужных свойств в ряде случаев можно использовать комплексные добавки, состоящие из двух и более веществ.
Глава 6
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ БЕТОНА НА ЕГО СВОЙСТВА
§ 17. ЗАВИСИМОСТЬ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЕТОНА ОТ ЕГО СОСТАВА
Общие закономерности, показывающие зависимость прочности и других свойств бетона от различных факторов, были рассмотрены в предыдущих главах. Однако на практике составы и структура бетона могут изменяться в широких пределах и в ряде случаев это необходимо учитывать и вносить определенные коррективы в основные зависимости при проектировании состава бетона.
(Материалы (цемент, песок, гравий) могут по-разному влиять на свойства бетонов, различающихся по составу и структуре. В одних составах наилучшим образом проявляются их положительные свойства, в других — материалы используются нерационально. По-разному сказываются на бетонах различных составов и структуры и особенности технологии.
Предполагая условия приготовления и формования
78
бетона одинаковыми, рассмотрим возможное изменение структуры и свойств бетона в двух случаях: при изменении цементно-водного отношения при постоянных соотношениях содержания цемента и заполнителя в бетоне и при изменении соотношения цемента и заполнителя при постоянном значении подвижности бетонной смеси или цементно-водного отношения.
Смесь цемента и заполнителя может связывать и удерживать строго определенное количество воды, находящейся на поверхности частиц твердой фазы, в ее порах и капиллярах. При недостатке воды смесь становится неудобоукладываемой, в бетоне вследствие недоуп-лотнения и недостатка жидкой фазы увеличивается количество пор и пустот, ухудшается качество сцепления между цементным камнем и заполнителем, прочность бетона понижается. При избытке воды начинается расслаивание бетонной смеси, отделение излишней воды вместе с частью цемента, также приводящие к снижению его прочности. Поэтому только при определенных пределах ЩВ, если Д/3=const, бетонная смесь будет оптимальной по структуре и свойствам, будет наилучшим образом укладываться и уплотняться.
Оптимальные значения ЩВ зависят от соотношения между цементом и заполнителем и их свойств, так как эти факторы определяют водоудерживающую способность бетонной смеси и ее удобоукладывае-мость. При оптимальных ЩВ бетон имеет наивысшую плотность, достижимую при данном способе уплотнения бетонной смеси.
При анализе кривых Кб—[(В/Ц) важно знать, для каких цементно-водных отношений — опти-
мальных или отличных от них — построены эти кривые. На рис. 24 показано
возможное построение кривых Вб=[ (В/Ц) при постоянном 7?ц. Для оптимальных значений В/Ц при разных Ц/3 кривая будет лежать выше (кривая /), чем
Рис. Й4. Возможные случаи по-строения кривых для зависимости (прочности от водоцементного отношения
79
при широких пределах колебания В/Ц (кривая 2), включая и крайние точки, соответствующие понижению прочности бетона, по сравнению с оптимальными составами. Средняя кривая значений Кб=](ВЩ) при небольших колебаниях ЩЗ пойдет круче (кривая 3), чем в более общем случае (кривая 2).
В своих расчетах мы обычно используем средние кривые (типа кривой 2), полученные статистической обработкой опытных данных. На их положение, кроме отмеченных факторов, влияют тщательность перемешивания и уплотнения бетонной смеси, размеры контрольных образцов и ряд других факторов.
В действительности возможно отклонение результатов испытаний от средних значений, и это отклонение обычно учитывается, с одной стороны, коэффициентом А, а с другой — экспериментальной проверкой пробных составов. При тщательной технологии возможно получение бетона большей прочности, чем ожидается по формулам (9) и (10).
На прочность бетона, а также на водопотребность бетонной смеси оказывают заметное влияние колебания соотношения Ц/3 при постоянных значениях ЩВ или подвижности бетонной смеси.
В зависимости от соотношения Ц/3 бетон может иметь разную структуру и вследствие этого влияние составляющих на его свойства также будет различным. Структуру бетона в зависимости от содержания цемента можно условно разделить на три типа. Первый тип характеризуется большим содержанием цементного теста (камня); зерна заполнителя раздвинуты на значительное расстояние и практически не взаимодействуют между собой. Второй тип отличается тем, что цементное тесто заполняет лишь поры между зернами заполнителя, незначительно раздвигая их (расстояние в местах контакта равно одному — трем диаметрам зерен цемента) . В структуре третьего типа цементное тесто лишь обмазывает зерна заполнителя слоем небольшой толщины, а поры между зернами заполнителя заполняет лишь частично.
Обычный бетон чаще всего имеет структуру второго типа; для песчаного бетона армоцементных конструкций характерна структура первого типа, для штукатурных и кладочных растворов и крупнопористого бетона — третьего.
60
Каждая структура имеет свои закономерности, определяющие ее свойства и влияние на них различных факторов. Например, для структуры первого типа решающее значение имеют свойства цемента; в структуре второго и особенно третьего типа, где заполнитель создает жесткий скелет, а его зерна находятся в контакте друг с другом (через тонкую цементную прослойку), на свойства бетона заметное влияние оказывают свойства не только цемента, но и заполнителя. Эти зависимости свойств бетона от структуры и качества материалов следует учитывать при проектировании его состава.
Следует заметить, что переход структуры от одного типа к другому совершается постепенно, поэтому границы между типами различных структур условны и, кроме того, они могут значительно сдвигаться при изменении свойств цемента и заполнителя, подвижности «бетонной смеси, методов формования и других факторов.
Наиболее оптимальными по своим свойствам будут составы с таким соотношением Ц/3, при котором цементное тесто полностью заполняет пустоты между зернами заполнителя с небольшой раздвижкой его зерен (по Б. Г. Скрамтаеву — на 2dCp цемента). На рис. 25
Рис. 25. Кривые изменения характеристик бетона и бетонной смеси при изменении соотношения Ц[3 и при «постоянной подвижности бетонной смеси
1 — зависимость водопотребчоств бетонной смеси от соотношения между цементом и заполнителем для обычного бетона; 2 — то же. тля песчаного бетона; 3 — зиачеиия В/Ц для бетонных смесей; 4— то «е. для цементно-песчаных; 5 — удельный расход цемента яа единицу прочности для обычного бетона; б — то же. для песчаного бетона
приведены кривые, показывающие изменение водопо-требности В, В/Ц и Ц/Re при изменении Ц/3, для песчаного и обычного бетонов. Перелом кривых Re—f (Ц/3) и В=/(Ц/3) соответствует зоне оптимальных составов, в которых свойства материалов используются наиболее полно и для которых характерен наименьший удельный расход цемента на единицу прочности бетона (кривые 5
8}
и 6). Бетон оптимальных составов обладает наилучтпим качеством. При меньшем значении Ц/3 водопотребность бетонной смеси изменяется мало, но прочность резко падает вследствие уменьшения плотности бетона из-за недостатка мельчайших частиц твердой фазы. При больших значениях Ц/3 прочность бетона повышается, но также резко возрастает водопотребность бетонной смеси вследствие увеличения удельной поверхности твердой фазы. В результате бетон при значениях Ц/3, отличных от оптимальных, оказывается менее экономичным по расходу цемента.
Приведенные кривые позволяют решать ряд важных задач технологии бетона, например определять рациональное соотношение между активностью цемента и маркой бетона при использовании различных заполнителей. Расчет по данным рис. 25 показывает, что для обычного бетона марки 300 (кривые 1 и 5) желательно применять цемент марки 500, а для мелкозернистого бетона (кривые 2 и 4) — цемент марки 400. При других заполнителях изменяется расположение кривых на графике и соответственно оптимальное соотношение Рд/Лб- Это соотношение можно варьировать в определенных границах, так как имеется не один, а ряд оптимальных составов (близких между собой).
Необходимо учитывать, что отдельные фракции заполнителя по-разному влияют на свойства бетона (табл. 15). Крупный плотный заполнитель заметно влияет на прочность бетона при сжатии и в меньшей мере —
Таблица 15. Влияние качества заполнителя на свойства бетона и бетонной смеси
Бетой и заполнитель
Изменение прочности бетона» %
Изменение водопо-треоности бетонной смеси» %
Эталонный состав — бетон на гранитном щебне и крупном песке (Л1к=2,79) 0 0
Бетон на гравии и крупном песке 13 6
Бетон на слабом известняке и крупном песке 42 12»
Бетон на гранитном щебне и мелком песке (М«=0.69) 5 17
* За вычетом воды на водопоглощение.
82
на подвижность или водопотребность бетонной смесй. Мелкий заполнитель, наоборот, значительно изменяя водопотребность бетонной смеси, меньше влияет на прочность бетона (в оптимальных составах).
•Различное влияние фракций заполнителя на свойства бетона объясняется их ролью в его структуре. Крупный заполнитель создает каменный скелет в бетоне, заметно влияет на характер напряженного состояния, на деформации и трещинообразование при нагружении бетона. Мелкий заполнитель, располагаясь между зернами крупного, оказывает меньшее влияние на поведение бетона под нагрузкой и, следовательно, на его прочность.
•Влияние крупного заполнителя в бетоне возрастает при уменьшении степени раздвижки его зерен раствором, каким бы путем это ни достигалось: повышением ли жесткости смеси и сокращением расхода цемента или уменьшением крупности песка. В бетоне крупный заполнитель содействует уплотнению прослоек раствора, как бы являясь своеобразным пригрузом, что имеет большое значение при использовании мелких песков. С другой стороны, регулируя влагообмен растворной части, в частности, предохранения ее от излишней потери влаги при выдерживании в неблагоприятных условиях, крупный заполнитель заметно влияет на условия твердения цементного камня. В результате свойства раствора в бетоне отличаются от его свойств в образцах из раствора. Это также в определенной мере объясняет меньшее влияние качества песка на прочность бетона. Например, в наших опытах при замене крупного песка (Мк=2,79) мелким (Мк=0,69) прочность раствора 1:2 понизилась на 62%, а прочность бетона—всего на 5%.
С другой стороны, водопотребность бетонной смеси сильно зависит от удельной поверхности заполнителей, и на эту характеристику мелкий заполнитель, удельная поверхность которого в несколько раз больше, чем крупного, оказывает более заметное влияние (см. табл. 13).
Таким образом, основные зависимости свойств бетона от различных факторов, которые используют в технологических расчетах, в частности при определении состава, носят средний статистический характер и от них возможны значительные отклонения. Поэтому технологические расчеты рекомендуется проверять опытами.
83
Наилучшими Свойствами обладают бетойы оптимальных составов, в которых свойства материалов используются наиболее полно. Эти бетоны имеют повышенные плотность и прочность на сжатие (при заданном ЩВ), более высокое соотношение Rp/Rcw и т. д. Способы проектирования составов бетона, рассмотренные в последующих главах, обеспечивают получение оптимальных или близких к ним составов бетона.
§ 18. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Материалы для бетона должны удовлетворять требованиям, рассмотренным в главе 5. Но нередко производитель работ располагает несколькими -подходящими материалами. В этом случае выбор материала должен определяться технико-экономическим расчетом: следует использовать те материалы, которые обеспечивают производство работ в кратчайший срок при минимальной стоимости и возможно меньшем расходе цемента. Для технико-экономического расчета большое значение имеет правильная количественная оценка влияния заполнителей на свойства бетона и бетонной смеси. Такая оценка может повысить и точность определения состава бетона.
Существующие стандартные испытания дают в основном качественную оценку заполнителя и отвечают лишь на вопрос, пригоден ли данный заполнитель для бетона заданной марки. Этой же цели служат и известные способы испытания заполнителя в бетоне, когда крупный заполнитель проверяют в бетоне с прочностью на 20—25% выше заданной марки.
Чтобы оценить влияние заполнителя на свойства и экономичность бетона -в общем случае (не касаясь частных случаев, таких, как влияние заполнителя на морозостойкость, усадку и т. д.), достаточно знать: а) как влияет данный заполнитель па подвижность или водо-потребность бетонной смеси и б) как влияет этот заполнитель на прочность бетона при сжатии.
Если подобное влияние можно выразить какой-либо количественной характеристикой заполнителя, определяемой испытаниями, то ясно, что эти две характеристики заполнителя могут значительно облегчить и сделать более точными технологические и технико-экономические расчеты.
84
Поскольку известные способы испытания Заполните» ля не позволяли получить подобных характеристик, Б. Г. Скрамтаевым и Ю. М. Баженовым был предложен новый способ испытания заполнителя непосредственно в бетоне, что, как известно, обеспечивает получение наиболее достоверных данных. В результате такого испытания определяют две характеристики заполнителя, названные технологическими: водопотребность песка (или щебня) и его коэффициент прочности.
Технологические характеристики заполнителей по предлагаемой методике определяют в следующем порядке.
1. На стандартном встряхивающем столике устанавливают расплыв цементного теста при (В/Ц)ц, соответствующем его нормальной густоте. Для этого 900 г цемента перемешивают с водой в течение 5 мин, а затем определяют расплыв конуса па встряхивающем столике по стандартной методике (ГОСТ 310—60, расплыв конуса 170 мм);
2. Подбирают (В/Ц)у, при котором раствор 1:2 на исследуемом песке имеет такой же расплыв конуса. Для этого перемешивают в течение 1 мин всухую и 5 мин с водой 300 г цемента и 600 г песка, и затем по стандартной методике определяют расплыв конуса на ©стряхивающем столике.
3. Устанавливают осадку конуса (или удобоуклады-ваемость) раствора 1 :2 нормальной густоты .при (В/Ц)р, определенном ранее на встряхивающем столике. Для этого отвешивают 5 кг цемента и 10 кг песка и перемешивают их вначале 1 мин всухую, а затем 5 мин с водой, количество которой устанавливают в соответствии с (В/Ц)р. После этого определяют подвижность раствора стандартными способами.
4. Подбирают (В/Ц) б, при котором достигается та же осадка конуса (удобоукладываемость) бетонной смеси 1:2:3,5, т. е. получается бетонная смесь нормальной густоты. Для этого отвешивают 2,5 кг цемента, 5 кг песка и 8,75 кг щебня (гравия), перемешивают их 1 мин всухую и 5 мин с водой, а затем определяют подвижность бетонной смеси стандартными способами.
При исследовании заполнителей с высоким водопо-глощением рекомендуется испытания проводить дважды: сразу же после изготовления замеса и через 30 мин. Заполнители применяют сухие. При втором испытании
95
одинаковой подвижности смеси добиваются путем добавления воды, если это необходимо. Между первым и вторым испытаниями замес укрывают мокрой тканью.
Результаты первых испытаний записывают как (В/Ц)ъ, (В/Ц)р, (В/Ц)ъ, результаты вторых —
(В/Д)«, (в/щ р, (в/ц)
5. После корректировки подвижности из больших замесов (см. пп. 3 и 4) изготовляют эталонные кубы, которые испытывают в возрасте 28 сут.
Водопотребность песка Вп (Вп) и щебня или гравия Вщ (Вщ ) в процентах вычисляют по формулам:
или
или
(ШИШ, £Jr. ------------IUU
2
, (В/Ц)' - (В/ц)'а
Вп =-----Е—-----— 100;
(В/Ц)б~(В/Ц)р
Din ~ ~~ 1UU
(ВД^- (В/Ц)^
(30)
(31)
(32)
(33)
В формулах в знаменателе — число частей песка или щебня, приходящихся на 1 часть цемента, так как Вп и Вщ характеризуют водопотребность единицы массы заполнителя.
После испытания эталонных растворных и бетонных кубов определяют коэффициенты прочности А в формуле (9), ориентировочно характеризующие влияние песка и щебня на прочность раствора и бетона:
. _ ._________Вр________
П~ Р~ Вц(К/В)р-0,5 ’
Ац = А> = (Ц/В)б-0,5 '
где Аа н Лщ—коэффициенты прочности песка и щебня.
В результате испытаний различных заполнителей было установлено, что водопотребность песка колеблется от 4 до 14%, а крупного заполнителя от 1 до 10%. Крупнозернистые пески имеют Вп=4...6%, пески средней крупности — 6—8% мелкозернистые лески — 8—10% и очень мелкие пески — более 10%. Стандартный Вольский песок .имеет Вп=4%. Водопотребность гравия 1—4%,
86
щебня из плотных изверженных пород — от 2 до 6%, щебня из карбонатных пород (с учетом водопоглоще-ния) —от 5 до 10%.
Результаты опытов показывают, что водопотребность заполнителей колеблется ® широких пределах и чтобы наши технологические расчеты, в частности расчеты состава бетона, были более точными, необходимо учитывать в них новую характеристику заполнителя — его водопотребность. Действительная водопотребность заполнителя в бетоне значительно выше тех значений (порядка 1—2%), которые иногда раньше вводили в расчет для учета смачивания заполнителя.
Коэффициент прочности А, характеризующий влияние заполнителя на прочность бетона, также изменяется весьма заметно. По нашим опытам, для разных песков этот коэффициент колебался в пределах от 0,25 до 0,58*. Для различных сортов щебня и гравия, как показывают опыты ВНИИНеруда, значения Дщ также колеблются в широких пределах—от 0,28 до 0,7.
Поскольку качество песка влияет на прочность бетона в гораздо меньшей степени, чем качество крупного заполнителя, то в предложенной методике было принято, что Дщ=Лб. В этом случае значения коэффициента Дщ для гранитного щебня при его испытании в бетоне на крупном (Л1к=2,79) и очень мелком (Л1к=0,69) песках оказались соответственно равны 0,42 и 0,39, т. е. близкими .по своему значению, несмотря на большую разницу в качестве песка.
Опыты показали, что применение разных портландцементов марки 400 почти не сказывается на водопот-ребности песка и щебня и что по обычным стандартным характеристикам трудно судить о водопотребности заполнителя и бетонной смеси, а также о влиянии заполнителя на прочность бетона: заполнители с близкими стандартными характеристиками могут иметь разную водопотребность и коэффициент А, и наоборот (табл. 16);
Коэффициент А характеризует влияние заполнителя на прочность только приближенно. Большое значение в этом случае имеют состав и структура бетона и другие факторы.
(В действительности окончательное влияние заполни-
* При определении активности цемента по старому ГОСТ 310—41.
87
Таблица 16. Стандартные и технологические характеристики некоторых заполнителей
Заполнитель Плотность, г/см’ Объемная масса, кг/л Пустотность, % Модуль крупности Водопотребность, % Коэффициент прочности
1 2,67 1,7 35,3 2,28 0,376
2 2,69 1,45 45,7 — 3,43 0,496
3 2,6 1.47 42,6 5,88 0,59
4 2,56 1,34 45,6 • 1 5,72 0,635
5 2,66 1,18 45,2 ——- 9,95 0,7
6 2,63 1,51 42,5 2,79 7 0,53
7 2,7 1,37 49 0,69 11,5 0,25
8 2,65 1,56 41 2,05 4 0,32
Примечание. 1 — гравий; 2 и 3 — щебень из изверженных пород; 4 и 5 — известняковый щебень; 6 и 7 — строительный песок; 8 — Вольский песок. Предельная крупность щебня 20 мм. Водопотребность и коэффициент прочности щебня 4 и 5 приведены без учета водопоглощения, которое соответственно равно 2,5 и 5,4%.
теля на прочность бетона складывается как результат его влияния:
на подвижность и водопотребность бетонной смеси и, тем самым, на объем и плотность цементного камня в бетоне;
на твердение и усадку бетона и возникающие при этом внутренние напряжения и деструкцию бетона;
на вторичное поле напряжений в процессе нагружения бетона.
Естественно, что одним коэффициентом трудно учесть суммарное влияние заполнителя на прочность бетона. Необходимо продолжать поиск критериев для более надежной оценки влияния заполнителя на свойства бетона. Для ориентировочных же расчетов можно пользоваться критерием А.
§ 19. СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА
Как показали исследования, с помощью понятия о водопотребности песка можно более точно не только определять подвижность или водопотребность бетонной смеси, но и судить о поведении бетонной смеси в процессе ее приготовления, укладки и затвердевания.
Если ввести заполнитель в цементное тесто, то сроки схватывания или период формирования структуры материала, о конце которого можно судить, например, по
88
Рис. 26. Зависимость скорости ультразвука от времени с момента затворения
/ — цементное тесто с В/Ц=0,3;
2 —раствор на Вольском песке с В/#—0,3; 3 —то же, с ВЩ= “0,38; 4 — раствор на керамзи-
товом песке с ВЩ—QJ
Время с момента затворения, </
заметному изменению скорости ультразвука, сокращаются. Чтобы достигнуть тех же сроков схватывания, какие имеет цементное тесто, необходимо увеличить В/Ц в растворе или бетоне (рис. 26). Оказалось, что водопотребность песка или щебня, определенная из усло-
вия постоянства сроков схватывания, имеет те же зна-
чения, что и водопотребность, установленная из условия
равноподвижности бетонной смеси.
Методы проектирования бетона можно усовершенствовать, если ввести новое понятие — истинное (В/Д)и
цементного теста <в бетоне, под которым подразумевается такое значение (В/Ц)и, при котором бетонная смесь
будет иметь ту же подвижность и сроки схватывания, что и цементное тесто. Истинное (в/И). можно опреде-
лить по формулам
(В/Ц)и =
В —ВПЛ — и
(36)
в
Ф/Ц)н — .. и Вщ п,
(37)
где п и т — соотношения П]Ц и Щ/Ц. Значения Вп я Вщ в формулы (36, 37) подставляются в виде относительных единиц.
Если построить кривые зависимости подвижности или сроков схватывания от водоцементного отношения для данного цемента, то, определив (В/Ц)а бетонной смеси, можно прогнозировать ее свойства.
На рис. 27 приведена зависимость периода формирования структуры от В/Ц для портладцемента завода «Гигант». Для бетонной смеси состава 1:2:4 при В/Ц= =0,5, приготовленного на песке с Вп=7% и щебне с Вщ=1%, получим значение истинного водоцементного отношения
(В/Д)н= 0,5 — 0,07-2 — 0,01-4 = 0,32.
По рис. 27 определяем, что для данной бетонной смеси период формирования структуры составит около 6 ч.
Структуру бетона условно можно характеризовать
89
Рис. 27. Зависимость пер йода формирования структуры (сроков схватывания) цементного теста от водоцементного отношения
объемной концентрацией цементного камня С, выраженной в долях от объема бетона, и его истинным водо-цементным отношением (В/Д)и.
Основные свойства бетонов являются функцией структурных характеристик — концентрации цементного камня в бетоне и его истинного водоцементного отношения. Эти характеристики учитывают влияние как цемента, так и заполнителя. Для подтверждения этого положения приведем результаты испытаний при сжатии бетона, приготовленного на портландцементе марки 400 и на гранитном щебне или керамзитовом гравии (рис. 28). Зерновой состав заполнителя сохранялся постоянным, концентрация цементного камня изменялась от 0,15 до 1, (В/Ц)ц—от 0,2 до 0,45. Опыты показали, что прочность бетона зависит от структурных характеристик: увеличивается при повышении С и уменьшении (В/Ц)я. Наибольшую прочность имеет цементный камень.
Для более полной характеристики строения бетона
Рис. 28. Зависимость прочности при сжатии Сетона на гранитном щебне (а) и керамзитовом гравии (б) от объемной концентрации цементного камня в бетоне и его истинного водо-цементного отношения
Рис. 29. Зависимость прочности бетона на тяжелых и легких заполнителях от обобщенного критерия L
90
необходимо оценить не только его макроструктуру, но и микроструктуру. Микроструктуру можно оценивать но характеру пористости цементного камня и заполнителя, а также пористости, получаемой за счет воздухововлечения при введении химических добавок.
В качестве общей количественной характеристики строения бетона можно воспользоваться условным критерием L, который представляет собой отношение объемной концентрации цементного камня в бетоне при заданном значении (В/Щп к суммарной пористости бетона Рб» которая складывается из пористости цементного камня, пористости заполнителя ра и пористости, образованной вовлеченным воздухом рв’
— + (В/Ц)я ц с _ Рц. Рб В—0,21а£(+ Рэ+Рв’
(38)
Критерий учитывает изменение структуры во времени (через степень гидратации цемента а). В формулу подставляются относительные значения пористости.
Особенностью данного критерия является то обстоятельство, что концентрация цементного камня определяется на основе истинного 'водоцементного отношения. Тем самым учитывается влияние на структуру и свойства бетона заполнителя (через его водопотребность) и процесса формирования структуры (схватывание цемента). Ведь твердение цемента после его схватывания происходит в рамках первоначально сложившейся структуры, и от ее строения и свойств во многом будут зависеть окончательные свойства бетона. Если первоначальная структура слабая, с большим количеством пор и дефектов, то и прочность бетона даже после длительного твердения окажется невысокой, так как новообразований цементного камня не хватит для исправления дефектов первоначальной структуры.
Использование обобщенного критерия L позволяет получить единую зависимость прочности (L). Эта зависимость, полученная математической обработкой результатов испытаний 150 различных составов бетона на тяжелом и легком заполнителях, показана на рис. 29. Зависимость Rs—f(L, 7?ц) вместе со структурными характеристиками может быть использована при проектировании состава бетона различных видов по единой методике.
91
Раздел Н ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ
Глава 7
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ОБЫЧНОГО ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
§ 20. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА БЕТОНА
В результате проектирования состава бетона должно быть определено такое соотношение между используемыми материалами, при котором будет гарантирована прочность бетона в конструкции с учетом технологии ее изготовления, необходимая подвижность бетонной смеси и экономичность бетона (.минимальный расход цемента или минимальная стоимость).
Проектирование состава бетона включает:
1) назначение требований к бетону, исходя из вида и особенностей службы и изготовления конструкций;
2) (выбор материалов для бетона и получение необходимых данных, характеризующих их свойства;
3) определение предварительного состава бетона;
4) корректировку состава в пробных замесах;
5)' контроль за бетонированием, проведение необходимой корректировки в процессе производства, вызванной колебаниями свойств заполнителя и другими факторами.
Если имеется возможность, то проводят предварительные испытания для получения уточненных зависимостей свойств бетона и бетонной смеси, приготовленных на данных материалах и оборудовании по принятой технологии, от В/Ц и других факторов. При проведении таких испытаний желательно использовать математические методы планирования эксперимента и обработки его результатов.
Требования к прочности бетона указываются в рабочих чертежах. Подвижность (жесткость) бетонной сме
92
си назначается в зависимости от размеров конструкции, густоты армирования, способа укладки и уплотнения (табл. 17). В таблице указана жесткость бетонной смеси по техническому вискозиметру. При применении способа Б. Г. Скрамтаева жесткость назначается в 1,5—2 раза меньшей, так как в этом случае условия растекания бетонной смеси облегчены и конус из одной и той же смеси расплывается в 1,5—2 раза быстрее, чем при испытании в техническом вискозиметре. При перекачивании бетонной смеси насосом осадка конуса должна быть 6—8 см.
Таблица 17. Требования к подвижности бетонной смеси
Конструкция Способ укладки бетонной смеси
с вибрацией без вибрации, осадка кону- са, см
осадка конуса, см показатель жесткости, с
Сборные железобетонные на жестких смесях с немедленной распалубкой 0 90—35
Подстилающие слои под фундаменты, полы, дорожные покрытия и т. п. 1—2 35—25 2—3
Массивные неармированные с редко расположенной арматурой 2—4 20—15 3—6
Каркасные железобетонные (плиты, балки, колонны) 4—8 15—10 6—12
Железобетонные с густо расположенной арматурой (бункера, силосы и т. д.) 8—10 10—5 12—15
Бетонная смесь обладает необходимой удобоуклады-ваемостью только при содержании в вей достаточного количества цемента. Уменьшение количества цемента ниже определенных значений повышает опасность расслоения бетонной смеси и может привести к появлению в смеси микропустот и снижению прочности и долговечности бетона. Минимальный расход цемента зависит от консистенции бетонной смеси и крупности заполнителя (табл. 18). Если при определении состава бетона окажется, что расход цемента, требуемый из условия получения заданной прочности, ниже указанных значений, то в расчет принимают минимальный расход цемента
Таблица 18. Минимальный расход цемента Цмив для получения нерасслаивающейся плотной бетонной смеси, кг/м®
Смесь Предельная крупность заполнителя, вш
10 20 40 70
Особо жесткая 160 150 140 130
Жесткая 180 160 150 140
Малоподвижная 200 180 160 150
Подвижная 220 200 180 160
Литая 250 220 200 180
Выбирают материалы для бетона в соответствии с рекомендациями, приведенными в главе 5.
Для экономичного расходования цемента необходимо, чтобы его марка превышала заданную марку бетона (табл. 19). *
Таблица 19. Рекомендуемые марки цемента для бетона
Марка бетона Марка цемента Марка бетона Марка цемента
100 300 300 500
150 400 400 600
200 400 500 600
При использовании для приготовления бетона цемента более низких марок требуется слишком большой его расход. Наоборот, когда марка цемента излишне высока, может оказаться, что расход цемента будет меньше минимальных значений, требуемых техническими условиями для получения бетона необходимой плотности. В этом случае для экономии цемента в бетон целесообразно .ввести тонкомологую добавку—активную кремнеземистую или инертную (молотый кварцевый песок, известняковую муку и др.).
В качестве заполнителей для бетона стремятся использовать, как правило, местные материалы или материалы из близко расположенных карьеров, но отбирают из них те, которые позволяюг получать бетон с заданными свойствами при минимальных расходах цемента.
.При определении состава бетона используют «математические зависимости его свойств от различных факторов. Заданную прочность бетона обеспечивают правильным назначением водоцементного отношения или
94
расхода цемента, заданную подвижность бетонной смеси— правильным назначением расхода воды.
Содержание крупного и мелкого заполнителя определяют на основе, с одной стороны, получения бетона плотного строения, с другой, —обеспечения минимального расхода цемента. В тяжелом бетоне формулы для определения расходов песка и щебня получают из решения системы двух уравнений:
— + В + — + — = 1000; (39)
Рц Рп Рщ
—+В+—= рща^-, (40)
Рц Рп Ущ
где Ц, В, П, Щ — расходы цемента, воды, песка и щебня, кг/м3; Рп, Рп, рщ — плотность цемента, песка и щебня, кг/л; уд — объемная масса щебня, кг/л; а — коэффициент раздвижки зерен щебня раствором; — пустотность щебня в относительных единицах.
Первое уравнение выведено из условия, что сумма абсолютных объемов компонентов бетона (в литрах) равна 1 .м8 (1000 л)' готового плотного бетона, если в бетоне нет вовлеченного воздуха, а второе уравнение — из условия, что цементно-песчаный раствор должен заполнить все пустоты между щебнем (в стандартно-рыхлом состоянии) с некоторой раздвижкой его зерен, что необходимо для получения удобообрабатываемой бетонной смеси и связывания зерен заполнителя в единый прочный .монолит.
В этой системе уравнений два неизвестных — расходы песка и щебня, так как расходы цемента и воды определяются в зависимости от прочности бетона и подвижности бетонной смеси, а значения коэффициента а назначаются в соответствии с рекомендациями, полученными теоретическим и экспериментальным путем и обеспечивающими наиболее рациональное соотношение между песком и щебнем, при котором расход цемента оказывается минимальным.
Решением приведенной системы уравнений получаем формулы:
Ущ 'Рщ
(41)
(42)
95
Для легких бетонов применяют другую систему уравнений, в которой второе уравнение выводится из условия получения бетона с заданной объемной массой (см. главу 9). При использовании в бетоне воздухововлекающих добавок в уравнения добавляется дополнительный член, учитывающий объем вовлеченного воздуха.
Таким образом, окончательное определение расходов материалов по рассматриваемой методике производится с учетом абсолютных объемов, занимаемых материалами, и с учетом дополнительных требований, обеспечивающих либо экономичность бетона, либо его объемную массу, либо другие свойства.
Часто считают, что лучшей смесью песка и щебня для бетона будет смесь, обладающая минимальной пустот-ностью. Однако это положение справедливо далеко не всегда. В высокопрочных бетонах при высоких расходах цемента желательно использовать смеси с меньшим содержанием песка, часть которого замещается зернами цемента. При применении в этом случае смесей минимальной пустотности, как показывают опыты, в бетоне оказывается избыточное количество песка, в результате уменьшается подвижность бетонной смеси, а это приводит к перерасходу цемента.
§ 21. ВЫБОР СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ПЕСКОМ И КРУПНЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ
Правильный выбор соотношения между мелким и крупным заполнителями является одним из основных факторов, определяющих экономичность состава бетона (по расходу цемента), а также его высокое качество.
На рис. 30 показана зависимость различных свойств бетонной смеси от соотношения между песком и крупным заполнителем: г=П1Щ (при Ц и B=const). Пустотность смеси заполнителей имеет при определенном г минимум. Удельная поверхность заполнителей уменьшается с уменьшением г. Подвижность или удобоукла-дываемость бетонной смеси и прочность бетона при определенном г достигают максимума, причем наивысшая прочность, как правило, соответствует наибольшей подвижности бетонной смеси, так как при прочих равных условиях такая бетонная смесь укладывается наиболее плотно. Таким образом, оптимальное соотношение г
96
Рис. 30. Влияние соотношения между песком н щебнем или гравием на основные свойства бетона, бетонной смеси и смеси заполнителей
ЦТ — абсолютный объем цементного теста; Ro—предел прочности бетона; ОК— подвижность бетонной смеси; У3 — объем пустот в смеси заполнителя; S — суммарная поверхность заполнителя; и г2 — оптимальные значения г, соответствующие Ц7\ и ЦТ^ причем ЦТ^ЦЬ
ffs
имеет бетонная смесь наибольшей подвижности (удобоукладываемости) .
Подвижность или удобоукладываемость бетонной смеси зависит от многих факторов, главными из которых при данных материалах можно считать консистенцию цементного теста, соотношение между цементным тестом и заполнителем, соотношение между песком и щебнем (гравием).
При определенной консистенции цементного теста его влияние на внутреннее трение бетонной смеси и, следовательно, на его подвижность будет определяться толщиной прослоек цементного теста между зернами заполнителя. Наибольшим внутренним трением или минимальной подвижностью при прочих равных условиях обладает бетонная смесь, в которой цементное тесто лишь заполняет пустоты заполнителя. С дальнейшим увеличением содержания цементного теста подвижность бетонной смеси возрастает.
Толщина слоя цементного теста между зернами заполнителя определяется по формуле
где ЦТ — содержание цементного теста, л; V» — объем пустот в заполнителе, л; SCM — удельная поверхность смеси заполнителей, м2/л.
При увеличении удельной поверхности заполнителя подвижность бетонной смеси уменьшается даже при одинаковой толщине прослоек цементного теста.
Подвижность бетонной смеси зависит от критерия
97
Н = Й:50М. (44)
Чем больше критерий N, тем при определенной консистенции цементного теста выше подвижность бетонной смеси. Критерий можно определить, зная пустотность и удельную поверхность смеси заполнителя и вычисляя изменение этих характеристик для разных значений г. Объем пустот вычисляют по формулам (25), (26), (27).
Удельная поверхность заполнителя может быть ориентировочно определена по формуле А. С. Ладинского:
16,5fe ~ 1000
(a + 2b-}-4c + 8d+16e-|-36n.
(45)
где а, Ь, с, d, е, f — соответственно частные остатки яа ситах с отверстиями 2.5; 1,25; 0,6; 0,15 мм и количество зерен, прошедших через сито 0,15 мм; k—коэффициент, учитывающий форму зерен и другие свойства заполнителя; ио данным В. М. Москвина, 1,5—2,5.
При определении г объем пустот заполнителя вычисляют по формулам (26) и (27) после предварительного определения
сп =
(46)
И
Сщ — Сд Сд. (47)
Удельную поверхность смеси заполнителей находят по формуле
= (48)
Вычисления проще производить, пользуясь абсолютными объемами материала, применяя коэффициент Ь и считая вначале С3=1. Тогда объем пустот и удельная поверхность заполнителя при разном содержании цементного теста:
(49)
(50)
где Ся=1—ЦТ.
Таким образом, можно определить расчетом ориентировочные оптимальные значения г на основе критерия N. Это определение заключается в нахождении такого г, которому соответствует максимальное значение N или наибольшая подвижность бетонной смеси при данной
98
консистенции цементного теста. При этом следует учитывать, что в действительности критерий г подчиняется несколько более сложной зависимости: с увеличением ЦТ уменьшается роль SCM и возрастает роль б, поэтому фактические оптимальные значения г при высоких значениях ЦТ (Z/7’>320 л/м3) получаются несколько более высокими, чем по расчету.
На рис. 31 приведены результаты теоретического и опытного определения оптимального соотношения г для бетона на гранитном щебне и песке средней крупности. Опыты подтверждают результаты расчета. Как видно, соотношение г в бетоне не является постоянным: с увеличением содержания цементного теста оптимальное значение г уменьшается, т. е. сокращается доля песка в смеси заполнителей.
В рассмотренном методе определения состава бетона соотношение между пескам и щебнем устанавливают с учетом коэффициента раздвижки а. Этот коэффициент можно определить, зная г, по формуле
ЦТ — Тщ+юоогущ а _ Рщ______________
(1000 —ДТ)рщрп
Если рп=рщ> то формула упрощается: _ (ЦТ-1000 г) ущ (1000- ЦТ) рщ₽п •
(51)
(52)
По этим формулам и приведенной выше методике определения оптимальных значений г можно рассчитать ориентировочные значения а.
Таблица 20. Расчетные и действительные значения коэффициента а
Содержание цементного теста, л/м8 Значения а Содержание цементного теста , л/м3 Значения а
расчетные действительные расчетные действительные
Бетон на среднем песке Бетон на мелком песке
220 1,24 1,23 220 1,12 1,1
280 1,43 1,39 280 1,32 1,28
350 1,54 1,51 350 1,54
В табл. 20 приведены оптимальные значения коэффициента а для бетонов на песке средней крупности и мелком песке, полученные расчетом и определенные опы-
том. Данные таблицы показывают возможность использования предложенной выше методики для ориентировочного расчета коэффициента а. Однак-о такой расчет не учитывает всего многообразия факторов, определяющих а, поэтому желательно устанавливать оптимальные значения а опытным путем.
Рис. 31. Зависимость оптимального соотношения между песком и щебнем (гравием) от расхода цементного теста на 1 м3 'бетона
1 — опытная кривая; 2 — расчетная кривая
Рис, 32 Зависимость коэффициента раздвижки зерен а от расхода .цементного теста на
1 м3 бетона <(на щебне)
Рис. 33. Зависимость коэффициента а от расхода цемента
Рис. 34. Зависимость коэффициента а от расхода воды
Согласно данным табл. 20, коэффициента а в пластичной
оптимальные значения бетонной смеси зависят
100
от содержания в бетоне цементного теста и от крупности песка: они возрастают с увеличением ЦТ и крупности песка. По другим нашим опытам, коэффициент а для жесткой бетонной смеси оказался равным 1—1,15.
Физический смысл изменения коэффициента а в зависимости от состава бетона и консистенции бетонной смеси заключается в следующем. В жесткой бетонной смеси содержится относительно небольшое количество цементного теста высокой вязкости, поэтому опасность водоотделения и расслоения отсутствует. В этих условиях необходимая удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона обеспечиваются при минимальной раздвижке зерен щебня (гравия). При этом достигает возможного минимума расход песка, а следовательно, и суммарная площадь поверхности заполнителей. В результате зерна заполнителей укладываются наиболее плотно, обеспечивая хорошее качество бетона. С увеличением количества воды для придания бетонной смеси большей подвижности абсолютный объем цементного теста возрастает, а его вязкость понижается. Чтобы избежать водоотделения и расслоения бетонной смеси и обеспечить ее связность, необходимо увеличить коэффициент а, сохраняя, а иногда даже увеличивая (при высоких значениях ВЩ) соотношение между песком и щебнем (гравием).
Зависимость коэффициента а от различных факторов (рис. 32—34) была выявлена специальными опытами на бетоне с гранитным щебнем и люберецким песком средней крупности.
Наименьший разброс результатов наблюдается в первом случае, т. е. при а—!ЦЦТ}. Зависимость коэффициента а от расхода цемента наблюдается только при определенном водоцементном отношении. Однако для приближенного расчета, если ориентироваться на наиболее часто применяемые бетонные смеси, можно установить определенное увеличение коэффициента а с повышением расхода цемента (пунктирная линия на рис. 33).
Результаты испытаний (табл. 21) показывают, что даже значительные изменения консистенции цементного теста не вызывают существенного изменения коэффициента а в пластичных бетонных смесях, если абсолютный объем цементного теста сохраняется постоянным.
Данные, приведенные в табл. 22, показывают изме-
101
Таблица 21. Влияние консистенции цементного теста на коэффициент а
Расход цемента, кг/м* Расход воды, л/м* ВЩ Абсолютный: объем цементного теста, л/м* Оптимальное значение а Осадка конуса, см Вид крупного заполните--ля
410 165 0,4 297 1,45 1 1 Гравий
320 190 0,6 294 1,44 12 J
260 155 0,6 239 1,16 2)
210 168 0,8 235 1,16 11
220 175 0,8 246 1,31 5 / щеоень
280 168 0,6 258 1,32 9
Таблица 22. Влияние крупности песка на коэффициент а
Расход цемента, кг/м* Расход воды, л/м* Модуль крупности песка Оптимальные значения а У добоук л ад ывае-мость (жесткость) , соответствующая оптимальным значениям а, с
300 150 0,69 1 35
300 150 1,29 1 30
300 150 2,79 1,1 18
300 165 0,69 1,1 18
300 165 1,29 1,1 20
300 165 2,79 1,3 8
300 180 0,69 1,22 12
300 180 1,29 1,22 10
300 180 2,79 1,4 5
нение оптимальных значений коэффициента а в зависимости от крупности песка и от абсолютного объема це« ментного теста при постоянном расходе цемента.
Уменьшение крупности леска при прочих равных условиях во всех случаях вызывает уменьшение оптимальных значений а.
Увеличение абсолютного объема цементного теста или, что то же, водоцементного отношения или расхода воды при постоянном расходе цемента вызывает повышение коэффициента а.
Влияние крупности щебня на коэффициент а оказалось меньшим, чем влияние крупности песка: по опытным данным, в одном случае изменение крупности щебня не вызвало изменения аОпт. а ® другом уменьшение крупности щебня с 40 до 20 мм при ЦТ=295 л/м3 привело к
102
незначительному увеличению коэффициента аОпт с 1,5о до 1,6. При этом изменение свойств бетонной смеси и бетона при таких колебаниях было столь малым [например, предел прочности изменился всего на 1—2 кгс/см2 (0,1—0,2 МПа), а осадка конуса — на 0,5—1 см], что для практических расчетов можно принять одинаковые оптимальные значения коэффициента а для щебня с различной предельной крупностью. При крупности щебня менее 20 мм коэффициент а рекомендуется увеличивать на 0,05.
На рис. 35 приведена зависимость коэффициента а от расхода цементного теста для бетона на гравии и люберецком песке средней крупности. Сравнение рис. 32 и 35 показывает, что коэффициент а почти не зависит от формы зерен крупного заполнителя, т. е. для бетона на щебне или гравии можно пользоваться одной и той же зависимостью коэффициента а от расхода цементного теста и крупности песка.
Рис. 35. Зависимость коэффициента а от расхода цементного теста на 1 м3 бетона (бетон <на гравии)
Рис. 36. Зависимость коэффициента раздвижки а от расхода цементного теста на 1 м3 бетона. При уменьшении модуля крупности отеска на 1 коэффициент а уменьшается на ОД—-0,1’5, однако он не должен быть менее 1,1
Повышение содержания песка в смеси заполнителей при применении щебня, на необходимость которого указывал ряд 'Исследователей, вызывается не различием значений коэффициента а, а разницей в пустотности щебня и гравия. При той же предельной крупности гравий, как правило, имеет меныпую пустотность, чем шебень, что при равных а обусловливает меньшее содер
103
жание песка в бетоне-на гравии по сравнению с бетоном на щебне.
В других наших опытах было проверено влияние на коэффициент а качества цемента и пластифицирующих добавок. Эти опыты показали, что изменение нормальной густоты цемента практически не вызывает изменений оптимального значения коэффициента а.
Введение пластифицирующей добавки — сульфитноспиртовой барды — не вызывает изменений оптимальных значений а, если водоудерживающая способность бетонной смеси достаточна. Если же расход воды близок к водоудерживающей способности бетонной смеси (например, при .расходе цемента 250 кг и воды 200 л), го оптимальные значения а при введении ССБ увеличиваются, так как необходимо повысить расход песка, чтобы улучшить водоудерживающие свойства смеси.
Проведенное исследование позволило установить следующие основные зависимости для коэффициента а.
1. В пластичной бетонной смеси коэффициент а возрастает с увеличением абсолютного объема цементного теста. Коэффициент уменьшается с увеличением крупности песка. Повышение крупности щебня или гравия снижает коэффициент в малой степени.
2. В жестких бетонных смесях при расходе Ц<400 кг/м3 коэффициент « практически не зависит от содержания ЦТ и в среднем равен 1—1,1 р (меньшее значение — для бетона на мелких песках). При более высоких расходах цемента коэффициент а увеличивается.
3. Незначительные отклонения коэффициента а от оптимального значения практически не сказываются на свойствах бетона и бетонной смеси, и (поэтому его отклонения на ±0,05 при определении состава бетона вполне допустимы.
4. Поскольку на изменение коэффициента а .в большей степени реагирует подвижность или удобоуклады-ваемость бетонной смеси, то оптимальную величину а можно устанавливать на основе испытаний бетонной смеси в пробных замесах.
Оптимальные значения коэффициента а при проектировании состава бетона следует принимать в соответствии с рис. 36, на котором приведена средняя кривая o—f (ЦТ), полученная из многих опытов, или по табл. 23, составленной на основании этой зависимости.
104
Г а б л и ц a 23. Значение коэффициента а для пластичных бетонных смесей (Вц=7%)
Расход цемента, кг/м3
250
300
350
400
1,3
1,38
1,46
1,26
1,36
1,44
Примечания: 1. При других значениях Ц и ВЩ коэффициент а находят интерполяцией.
2. При использовании мелкого песка с водопотребностью более 7% коэффициент сс уменьшают на 0,03 на каждый процент увеличения водопотребности песка. Если применяется крупный песок с ВП<С7%, коэффициент а увеличивают на 0,03 на каждый процент уменьшения Вп.
Для жестких бетонных смесей при расходе цемента менее 400 кг/м3 коэффициент а принимают равным 1,05—1,15, в среднем 1,1. Меньшее значение 1,05 принимается в случае использования мелких песков. Для жирных составов жестких смесей (Д>400 кг/м3) коэффициент а назначают по графику (см. рис. 36), уменьшая его значение на 0,05—0,1.
§ 22. ПОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА БЕТОНА
Состав бетонной смеси выражают двумя способами:
1. В виде соотношения по массе (реже по объему, так как это менее точно) между цементом, песком и гравием (или щебнем) с обязательным указанием водоцементного отношения и активности цемента. Количество цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между составными частями бетона записывают в виде 1:Х:У с указанием ВЩ (например, 1:2:4 по массе при В/Д=0,6).
2. В виде расходов материалов по массе на 1 м3 уложенной и уплотненней бетонной смеси, например:
цемента . . . «........................... 280 кг
песка . . . 4. . .......................... 700 »
щебня.................................... 1250 в
воды .... ............................. 170 в
Итого ... л............................2И0 кг
105
Различают номинальный (лабораторный) состав бетона, устанавливаемый для сухих материалов, и производственный (полевой) — для материалов в естественно-влажном состоянии.
Лабораторный состав бетона определяют расчетно-зкспериментальным путем. Состав бетона предварительно рассчитывают по абсолютным объемам на основе формул для определения расхода воды, цемента, песка и щебня (гравия), выведенных на основании рассмотренных выше зависимостей, а затем уточняют пробными затворениями.
Порядок расчета состава.бетона следующий
1. Определяют ВЩ (или ЩВ) в зависимости от требуемой прочности, срока и условий твердения бетона. Водоцементное или цементно-водное отношение определяют либо путем предварительных опытов, устанавливающих зависимость прочности бетона от этого фактора и активности цемента (с применением местных заполнителей), либо ориентировочно по формулам:
а) для обычного бетона (В/Д>0,4):
К6 + Д-0,5Яц ’
б) для высокопрочного бетона (В/Д<;0,4):
Д1
вт=-—, -с-7г
(53)
(54)
Значение коэффициентов А и At берут из табл. 3. Формулу (53) следует применять, если /?б<2Л#ц, в других случаях надо пользоваться формулой (54).
Можно также находить требуемое значение ЩВ по
графикам (рис. 37).
При расчете состава бетона иногда необходимо учитывать требования к нему по морозостойкости, водоне-(10 sna)
Рис. 37. График для назначения Ц/В в зависимости от требуемой прочности бетона и марки применяемого цемента
106
проницаемости, прочности при изгибе и др. В этом случае для назначения В/Ц испольеуют соответствующие зависимости, примеры которых приведены в главах 2, 4 и других, а способ определения состава бетона в принципе сохраняется.
2. Определяют расход воды в зависимости от требуемой подвижности бетонной смеси на основании результатов предварительных испытаний или ориентировочно по графикам (см. рис. 14). При этом необходимо учитывать водопоглощение крупного заполнителя, если оно более 0,5% по массе. Графики (см. рис. 14) составлены для расхода цемента до 400 кг/м3 с применением гравия и песка средней крупности с водопотребностью 7%. В случае использования других заполнителей надо вносить соответствующие поправки, указанные в примечании к графикам.
3. Находят расход цемента:
Ц = В-.ВЩ. (55)
Если расход цемента на 1 м3 бетона окажется ниже допускаемого по строительным нормам и правилам (см. табл. 18), то необходимо увеличить его до требуемой нормы или ввести тонкомолотую добавку. Последняя обычно нужна в тех случаях, когда активность цемента слишком высока для бетона данной марки.
4. Устанавливают коэффициент раздвижки а для пластичных бетонных смесей по графику (см. рис. 36) в зависимости от количества цементного теста и крупности песка или выбирают его значение по табл. 23.
5. Определяют расход щебня или гравия по формуле (41).
6. Определяют расход песка in о формуле (42).
7. Проверяют на (пробных замесах подвижность (удобоукладываемость) бетонной смеси, при необходимости вносят поправки в расчет состава бетона. Если применяют воздухововлекающие добавки, количество вовлеченного воздуха учитывают при подсчете расхода песка.
Современная технология отличается большим разнообразием требований к бетону, материалов для бетона и технологических приемов приготовления и укладки бетонной смеси. Однако нет необходимости создавать для каждого случая свой метод расчета.
107
Расчет состава обычного (тяжелого) бетона должен выполняться по единому методу, изложенному выше. Специфические требования к бетону и материалам для него надо учитывать путем введения соответствующих поправок.
Пример 1. Определить состав бетона марки 300 с подвижностью бетонной смеси по осадке конуса 4—6 ом. Материалы: портландцемент активностью 375 кгс/см2 (37,5 МПа), песок средней крупности с вюдопотребкостью 7% и плотностью 2,63 кг/л; гранитный щебень с предельной крупностью 40 мм, плотностью 2,6 кг/л, объемной массой 1,48 кг/л. Заполнители удовлетворяют требованиям ГОСТа.
(1. Водоцементное отношение по формуле (53)
ВЩ =
0,6.375
300 + 0,5 - 0,6-375
В < < г
= 0,54.
12. По графикам на рис. 14 ориентировочный расход воды 173 л/мэ.
3. Расход цемента по формуле (55)
178
Ц =-------= 330 кг/м3.
0,54
4. Пустотность щебня
Рщ=1- — Y
1,48
2,6
= 0,43.
По табл. 23 коэффициент раздвижки а ='1,38 (по интерполяции).
5. Расход щебня по формуле (41)
1000
0,434,38 1
1,48 +2,6
= 1270 кг/м3.
6. Расход песка по формуле (42)
/7 = 1000 —
330
3,1
1270
2,63 = 600 кг/м3.
Объемная масса бетонной смеси 330+178+1270+600= =2378 кг/м3. Состав проверяют и при необходимости уточняют в пробных замесах.
Пример 2. Определить состав бетона марки 300 с удобоукла-дываемостью бетонной смеси 30—35 с (по способу Б. Г. Скрамтае-ва). Материалы те же, что в примере 1.
1.В/Ц =
0,6-375
300 + 0,5-0,6-375
= 0,54.
2. По графику на рис. 14 ориентировочный расход воды 130 л/м3.
3. Расход цемента
130
0,54
= 240 кг/м3.
108
4. Коэффициент раздвижки для жесткой бетонной умеренном расходе цемент* принимаем равным 1,1.
5. Расход, щебня
смеси при
1000
0,43 • 1,1 1
1,48 + 2,6
6. Расход песка
П = 1000 —
= 1420 кг/м®.
+ 130 4-
2,63 = 625 кг/м®.
Расчетная объемная масса бетонной
смеси 240+160+1420+
+625=24(15 .кг/м3. Сравнив составы бетона в первом и втором примерах, видим, что применение жесткой бетонной смеси обеспечивает заметную экономию цемента: 330—240=90 кг, или приблизительно 27%.
§ 23. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА СОСТАВА БЕТОНА
Для экспериментальной проверки состава бетона изготовляют пробную порцию бетонной смеси и определяют осадку конуса. Вследствие особенностей свойств данного цемента и местного заполнителя осадка конуса может отличаться от заданной. Предположим, что в примере 1 она оказалась 0 см, т. е. бетонная смесь недостаточно подвижна. Для увеличения подвижности увеличивают расход воды примерно на 5—10%. Одновременно прибавляют 5—10% цемента для того, чтобы не изменять водоцементное отношение. Снова перемешивают бетонную смесь, измеряют осадку конуса и так до тех пор, пока не получат требуемых показателей.
Если при первом измерении подвижность бетонной смеси превышает заданную (например, ОК=8 см вместо 4—5), добавляют небольшое количество песка и щебня (по 5—10%). Затем уточняют состав бетона, так как первоначальный объем порции бетонной смеси увеличивается. Для этого определяют фактическую объемную массу бетонной смеси при способе уплотнения, принятом в производственных условиях. Испытание проводят следующим образом: пустую форму взвешивают, проверяют ее внутренние размеры, заполняют смесью, уплотняют и вновь взвешивают.
Объемную массу вычисляют по формуле
G% — Gx
Уб.с =--у---. (56)
где то.с—объемный .вес уплотненной бетонной смеси, кг/л; Gi -и G2 — масса формы и формы с бетоном, кг; V — внутренний объем формы, л.
109
Эта объемная масса бетонной смеси должна совпадать с расчетной; допускаемое отклонение ±2%. Далее устанавливают фактический объем полученной бетонной смеси в пробном замесе
2G,
Уф = — . (57)
Уф
где SGj—сумма масс материалов, израсходованных на пробный замес; —фактическая объемная масса уплотненной бетонной смеси.
Зная объем полученной бетонной смеси и расход материалов на пробный замес, определяют фактический расход материалов на 1 м3 бетона. Объем пробного замеса зависит от числа требуемых образцов. Если готовят только по три образца для определения марки бетона, то принимают следующий минимальный объем замеса:
Размер ребра образца» см 10 15 20 30
Объем пробного замеса, л 6 12 25 85
Применительно к условиям примера 1 необходимо принять размер контрольных образцов 15X15X15 см (более 3 dap щебня), и, следовательно, объем замеса будет 12 л. Расход материалов на один замес:
цемент.......................... .... 3,96 кг (330X0,012)
вода.................................2,14 л (178X0,012)
песок................................7,2 кг (600X0,012)
щебень............................... 15,25 кг (1770X0,012)
Если применяют щебень нескольких фракций, то надо определить расход каждой фракции, исходя из оптимального соотношения между ними. Если для получения требуемой подвижности пришлось увеличить на 10% расходы цемента и воды, то окончательный расход материалов на замес:
цемент.................................. 4,36 кг (3,964-0,4)
вода......................................2,35 л (2,144-0,21)
песок.................................... 7,2 кг
щебень .................................. 15,25 кг
Всего
29,16 кг
Предположим, что действительная объемная масса бетонной смеси оказалась 2350 кг/м3, или 2,35 кг/л. Тогда объем замеса V3= 29,16:2,35= 12,4 л.
Фактический расход материалов на 1 м3 бетона бу
110
дет равен: Ц—4,36:0,0124=350 кг; и соответственно В=190 л; /7=580 кг; Щ= 1230 кг.
Из откорректированной бетонной смеси готовят контрольные образцы и затем их испытывают.
На каждый срок испытания изготавливают не менее трех образцов. Образцы формуют в разборных чугунных или стальных (строганых) формах. Размеры их необходимо строго выдерживать, не допуская отклонения более ±1% по граням; углы между гранями должны составлять 90±2°.
Приемы укладки и уплотнения образцов должны соответствовать принятым на производстве. Укладку бетонной смеси в формы следует заканчивать не позднее чем через полчаса после ее изготовления.
При уплотнении бетонной смеси вибрированием форму заполняют с некоторым избытком, после чего ее вибрируют на лабораторной площадке (частота колебаний 3000±200 в 1 мин, амплитуда колебаний вибратора под нагрузкой 0,35 мм). Лабораторную виброплощадку можно заменить площадочным вибратором. Продолжительность вибрирования т должна определяться в соответствии с показателем удобоукладываемости (1Д..2) Y, но не менее Y-J-30 с.
Образцы в течение 2 сут хранят >в форм-ах в помещении с температурой от 16 до 20° С, затем освобождают из форм, маркируют и до момента испытания хранят во влажной атмосфере в специальной камере или в периодически смачиваемых песке, опилках и‘ т. д. Перед испытанием тщательно осматривают образцы, измеряют грани (с точностью до 1 мм), взвешивают.
При определении прочности образец укладывают на нижнюю опорную плиту боковыми гранями. Необходимым условием правильного проведения испытания является равномерность нагружения: нагрузка должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью 2— 3 кгс/см2 (0,2—0,3 МПа) в 1 с.
Предел прочности при сжатии бетона вычисляют с точностью до 1 кгс/см2 (0,1 МПа), как среднее арифметическое результатов испытания трех образцов при условии, что наименьший результат отличается не более чем на 20% от ближайшего показателя. Если разница превышает 20%, вычисление производят по двум наибольшим результатам.
Если действительная прочность бетона при сжатии
отличается от заданной более чем на ±15%, то следует внести коррективы в состав бетона: для повышения прочности увеличивают расход цемента (т. е. ЩВ), для снижения прочности — уменьшают.
§ 24. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕВОГО СОСТАВА БЕТОННОЙ СМЕСИ
(С УЧЕТОМ ВЛАЖНОСТИ ЗАПОЛНИТЕЛЯ)
Полевой состав бетонной смеси рассчитывают следующим способом.
Предположим, что влажность материалов по массе: песка — 3%, щебня — 1%. Тогда для условия примера 1 получим:
Содержание воды в песке . . . .Bi = 600-0,03= 18 л » » в щебне . . . .В2= 1270-0,01 = 12,7 л
Всего...................30,7 «31 л
Для сохранения вычисленного ВЩ и заданной прочности бетона необходимо расход воды, полученный при расчете, уменьшить, а при подсчете расходов песка и щебня учесть содержащуюся в них влагу. При этом условии производственный состав бетонной смеси будет следующий:
цемент........................... 330 кг
вода............................. 177—31 = 146 л
песок............................ 6004-18=618 кг
щебень........................... 12704-13=1283 кг
Всего
2377 кг
Объемная масса бетонной смеси не изменяется. Коэффициент выхода бетона полевого состава определяют по формуле
1000 гл =--------------- , (58)
A JL < А
Ун Тп Ты или для нашего примера 1000
Гк —----------------= 0,67,
0 330 618 1283
1,3+ 1,65 + 1,48
где использованы объемные массы песка и щебня во влажном состоянии.
При расчете материалов на один замес бетоносмесителя исходим из условия, что сумма объемов цемента, песка и гравия (в рыхлом состоянии) соответствует
112
вместимости барабана бетоносмесителя. Например, для 500-л бетоносмесителя количество бетона, получаемое из одного замеса, будет равно 500•0,67=335 л, или 0,335 м3. Расход материалов на один замес:
цемент............................ 330-0,335=111 кг
вода.............................. 146-0,335=49 л
песок............................. 618-0,335 =206 кг
щебень ........................... 1283-0,335=430 кг
Можно выразить состав бетона , v 330 618 1283
ношения i:X:Y, т. е. — : — =
330 330 330
также в виде соот-
Глава 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ОСОБЫХ ВИДОВ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА
§ 25. БЕТОН НА МЕЛКОМ ПЕСКЕ
Ввиду широкого распространения в природе мелких песков и отсутствия .в некоторых районах песков с удовлетворительным зерновым составом допускается применять в бетоне мелкие и тонкие пески (с 7ЙК<1,5) при условии соответствующего технико-экономического обоснования.
Мелкие пески по сравнению со средними и крупными характеризуются повышенными пустотностью и удельной поверхностью, худшим зерновым составом. Вследствие этого они несколько понижают прочность бетона и уменьшают подвижность бетонной смеси, что вызывает увеличение расхода цемента для получения равнопрочных и равноподвижных бетонов. Замена крупного песка мелким в большей степени сказывается на осадке конуса и в меныпей — на удобоукладываемости бетонной смеси.
Вместе с тем мелкий песок меньше раздвигает зерна крупного заполнителя и обладает лучшей водоудерживающей способностью, в результате чего уменьшается оптимальное содержание песка в бетоне и, следовательно, в меньшей мере сказывается его влияние на водопотребность бетонной смеси. При проектировании состава бетона на мелком песке необходимо учитывать эти особенности, вводя в рассмотренный выше способ определения состава обычного тяжелого бетона следующие поправки:
ИЗ
1) прочность бетона устанавливают по формуле
/?28 — 0»55 /?ц
(f-°4
(59)
2) содержание мелкого песка в смеси заполнителей уменьшают, т. е. уменьшают коэффициент раздвижки а в соответствии с примечанием к табл. 23:
3) подвижность бетонной смеси назначают либо по удобоукладываемости (для бетона сборных железобетонных конструкций), либо по осадке конуса, обеспечивающей одинаковую удобоукладываемость и транспортабельность бетонной смеси на мелком и обычном строительном песке (для монолитного бетона).
Осадка конуса бетонных смесей (при их одинаковой удобоукладываемости), см
Обычный песок 2—3 6—8 9—13
Мелкий песок 1—2 2—3 4—6 7—10
Водопотребность бетонной смеси определяется по рис. 14, но для пониженной осадки конуса.
Пример 3. Определить состав бетона марки 300. Материалы те же, что в примере 1, но вместо обычного строительного песка применяется мелкий лесок с модулем крупности 1,'1, водопотребностъю 10 % и плотностью 2,63 кг/л.
11. Определяем В/Ц по формуле (59):
_ 0.5SPa , _---------------------------=
Ягв+0,55-0,5 300 + 0,55-0,5-375
Q, Для бетона на мелком песке принимаем пониженную осадку конуса—2—3 см (вместо 4—5 см для бетона на обычном песке) и по графику ла рис. 14 находим ориентировочный расход воды: 160+ +9(110—*7)+10=1185 л.
3. 17=185:0,5=370 кг/м3.
4. (По табл. 23 коэффициент .раздвижки а=1,4—0,03(‘Ю—7)~ =11,311.
5. 1По формуле (41)
1000
0,43-1,31
1,48
1
2,6
= 1305 кг.
6. 1П0 формуле (42)
+ 185 +
1305 V
2,6 /
2,63 = 490 кг.
7. Объемная масса бетонной смеси 2350 кг/м3.
114
§ 26. БЕТОН ДЛЯ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ
При приготовлении сборных железобетонных 'конструкций, как 'правило, для ускорения твердения бетона применяют тепловую обработку.
Рост прочности бетона при тепловой обработке определяется не только активностью, но также минералогическим составом цемента, составом бетона, консистенцией бетонной смеси, режимом тепловой обработки и другими факторами. Поскольку в настоящее время нет достаточно обоснованных рекомендаций по этому вопросу, то наиболее правильно определять состав бетона для сборных железобетонных конструкций на основе предварительных испытаний.
Значения цементно-водного отношения для пробных замесов, в пределах которых можно получить бетон заданной прочности при различных режимах пропаривания, можно выбирать по табл. 24, составленной А. Я. Либманом на основе опыта работы московских заводов сборного железобетона. В остальном расчет проводится по рассмотренной выше методике.
Если прогрев осуществляется по другим режимам и другими способами или если необходимо определить оптимальный режим прогрева, то проводят несколько предварительных испытаний (пр« разных режимах и различных значениях ЩВ) и по их результатам выбирают состав бетона.
Пример 4. Определить состав бетона, обеспечивающий получе* ние (после 8 ч (пропаривания 70% проектной марки бетона 300. Бетонная смесь должна иметь жесткость ло техническому вискозиметру 60 с. Материалы те же, что и <в примере 1.
Определяем состав бетонов для двух пробных замесов со значениями Ц/В> в пределах которых можно получить 70% проектной прочности бетона при пропаривании в течение 8 ч.
1. Для пробных замесов принимаем по табл. 24 ЩВ = \,8 и 2,2.
2. Расход воды по графику на рис. 14 равен л.
3. Расход цемента с округлением до 5 кг:
#! = 1,8-140 = 250 кг; Ц2 = 2,2-140 = 310 кг.
4. Коэффициент раздвижки а=4Д (жесткая смесь).
5. Расход щебня для обоих пробных замесов по формуле (41)
1000
0,43 - 1,1
1,48
= 1415 кг.
2,6
115
Таблица 24. Значения цементно-водных отношений для пробных замесов
Проектная марка бетона Марка цемента по ГОСТ 10176—62
300 400 500
70 % проектной марки бетона после его пропариваппл в течение 6—12 ч* **
100 1—1,5 1,1-1,5 1
150 1,2—1,5 1,1-1,5 —
200 1,5—2 1,2—2 1,2—1,5
250 1,5—2,2 1,2—2 1.2—1,8
300 2—2,5 1,8—2,2 1,5—2
400 — 2—2,8 2—2,5
100% проектной марки бетона через 4 ч после его пропаривания в течение 6—12 ч*
100 150 1,2—1,5 1,5—2 04 1 1 04 1,2—1,5
200 2—2,5 1,8—2,2 1,5—2
300 — 2,2—2,8 2—2,5
70% проектной марки бетона после его пропаривания в течение 2,5—4 ч при температуре свыше 80°С**
150 200 2,2—2,5 2,5—3 2,0—2,5 2,2—3 1,8—2,2 2—2,5
300 3—4 2,5—3,3 2,2—3
400 — 3—3,6 2,8—3,3
* Режим пропаривания: 3 ч подъем температуры до 80°С и 6— 12 ч прогрев при этой температуре. Через 28 сут пропаренный бетон должен обеспечить проектную прочность ±15%. Если прочность будет меньше, то необходимо сократить время прогрева и увеличить расход цемента.
** При данном режиме пропаривания применяют жесткую бетонную смесь, герметизацию изделий и прогрев при температуре 90— 100°С.
/6. Расход песка по (формуле .(42):
+ 140 +
1000 —
1415 Y
2,6 )
2,63 = 640 кг;
310
3,1
1415
2,6
= 2,63 — 565 кг.
-}- 140 +
7. Получаем первый пробный замес: #=i250 кг; В—1140 л; П = =640 кг; ZZ(=1415 кг.
Второй пробный замес: ±4= 310 .кг; В ='140 л; П=1565 кг; =11415 кг.
Приготовим по 9 кубов размером 15Х‘15ХЧ5 см, 6 из них пропарим в течение 8 ч. Через 4 ч после пропаривания испытаем 3 куба
116
на сжатие. Пусть при этом окажется, что для бетона с Д/В=1,8 а для бетона с Ц/В='й;2 /?2=1256 кгс/см2
Предел прочности пропаренного бетона «при сжатии с учетом переходного коэффициента от кубов 15X1'5X15 см к кубам 20Х Х20Х20 см: /?! =11-90 кгс/см2 и J?2=l230 кгс/см2
Построим график Лс=НШВ) (рис. 38).
По заданию требуется, чтобы после пропаривания предел прочности при сжатии составлял 70% его проектной марки, т. е. 0,7Х Х300= 210 кгс/см2 (21 МПа). По графику такая прочность может быть достигнута при Ц/В=£>.
, кгс/см2 (Itfifla) 2WV
Рис. 38. Построение кривой для выбора ЩВ в зависимости эт заданной прочности бетона (по результатам испытания пропаренного бетона)
Окончательный состав бетона: ZZ/=1415.kt;
£> = 140 л; 7/= 2-140=280 кг;
+ 140 4-
1415
2,6
2,63 = 590 кг.
Если контрольные испытания в .возрасте 28 сут оставшихся 3 пропаренных кубов и 3 кубов, твердевших в нормальных условиях, покажут (при построении аналогичных графиков), что при ЩВ=2, достигается проектная марка бетона с точностью ±15% как при нор мальвам хранении образцов, так и после пропаривания, то корректировать состав не надо. Если прочность пропаренных образцов в 28-суточном .возрасте окажется ниже проектной марки, то соответственно увеличивают ЩВ.
§ 27. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БЕТОН
Состав высокопрочного бетона определяют таким же способом, как и обычного тяжелого бетона. Однако при этом следует предъявлять повышенные требования к качеству цемента и запволнителей и использовать все средства, способствующие достижению высокой прочности [500 кгс/см2 (50 МПа) и выше]. Такими средствами являются: предельно низкое водоцементное отношение; высокий, иногда предельно допустимый расход цемента, особо тщательные перемешивание и уплотнение бетонной смеси и уход за бетоном; применение различных спосо
117
бов повышения активности цемента и качества бетонной смеси (домол и виброактивация цемента, вибропереме-шивание и др.).
При выборе материалов особое внимание следует уделять цементу. Марка цемента должна быть не ниже 500. В зависимости от назначения бетона для его приготовления используют цемент спределенного минералогического состава.
При бетонировании массивных сооружений желательно применять цементы с пониженным содержанием C3S и особенно С3А, лучше всего белитовые. Такие цементы твердеют постепенно, в течение длительного срока, обеспечивая высокую конечную прочность бетона. В первые сутки твердения тепловыделение и усадка небольшие. В результате объемные изменения, особенно'юпасные в массивных сооружениях, у бетона на таких цементах невелики.
При бетонировании сборных железобетонных конструкций, имеющих, как правило, малые размеры, или необходимости обеспечить быстрое твердение бетона, наоборот, предпочтительнее цементы, содержащие повышенное количество C3S и С3А. В этом случае лучше всего применять быстротвердеющие портландцементы (БТЦ).
Тепловыделение и усадка бетона, связанные с твердением цемента и вызывающие вредные «собственные напряжения» в бетоне, возрастают с увеличением расхода цемента. Чтобы эти явления не достигли опасных пределов, необходимо ограничивать расход цемента, особенно для массивных сооружений. Максимально допустимый расход цемента в высокопрочном бетоне для массивных сооружений не должен превышать при применении бели-тового портландцемента 430 кг/м3, а обычного портландцемента 375 кг/м3. Во всех остальных случаях желательно, чтобы максимально допустимый расход цемента в высокопрочном бетоне не превышал 500 кг/м3.
Следует отметить, что увеличение расхода цемента свыше указанных пределов неэффективно для повышения прочности бетона, так как она возрастает незначи-тельню. Это хорошо иллюстрирует рис. 39, на котором показано увеличение предела прочности бетона при сжатии в 28-суточном возрасте на 1 кг добавочного цемента в зависимости от общего расхода цемента Ц (по опытам И. П. Александрина).
Если в распоряжении строителей нет цемента нужной
118
марки, то можно применять цемент марки 400, предварительно домолов его с добавкой 2—3% гипса в шаровой мельнице или вибромельнице до удельной поверхности 4000—5000 см2/г. Предел прочности при сжатии бетона на таком цементе в возрасте 28 сут повышается на 20— 30%. При использовании домолотого цемента предельно допустимый расход его должен быть уменьшен на 25— 50 кг.
Рис. 39. Влияние увеличения расхода цемента на прирост прочности бетона
Заполнители для высокопрочного бетона должны быть чистыми и обладать хорошим зерновым составом и малой пустотностью. В качестве крупного заполнителя следует применять фракционированный щебень из плотных и прочных горных пород. Предел прочности при сжатии исходных каменных пород должен быть не менее 1000 кгс/см2 (100 МПа) у изверженных и 800 кгс/см2 (80 МПа) у осадочных. Песок для высокопрочного бетона должен иметь пустотность не свыше 40%.
§ 28. БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИЙ БЕТОН
Получение быстр отвердеющего бетона, обладающего относительно высокой прочностью в раннем возрасте (1— 3 сут) при твердении в нормальных условиях, достигается применением быстротвердеющего цемента, а также различными способами ускорения твердения цемента. К этим способам относятся:
применение жесткой бетонной смеси с низкими значениями водоцементного отношения;
использование добавок—ускорителей твердения
(СаС12 и др.);
сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса (2—5% от массы цемента) в вибромельницах, шаровых мельницах, бегунах или других помольных установках;
119
виброперемешивание или виброактивация цементного раствора.
Наилучшие результаты получаются при проведении комплекса мероприятий. В опытах автора при применении алюминатного цемента марки 400, домолотого с 3% гипса, жесткой бетонной смеси с В/Д=0,35, добавки хлористого кальция в количестве 2% от массы цемента и виброперемешивания были получены бетоны с прочностью при сжатии в первые сутки 300—500 кгс/см2 (30— 50 МПа).
При определении состава быстротвердеющего бетона водоцементное отношение устанавливается по заданной прочности бетона в раннем возрасте с учетом выбранного способа ускорения твердения.
Дальнейший расчет состава бетона производится по методике, рассмотренной в § 22. Окончательный состав устанавливают по результатам предварительных опытов, которые проводят с применением материалов и способов ускорения твердения, намеченных к использованию в производстве.
При выборе состава бетона для первых пробных замесов можно пользоваться следующей формулой, устанавливающей прочность бетона через сутки при твердении в формальных условиях:
= 0,65 ЯЦ1 (Й/Д- 1,29), (60)
где J?ui—прочность цемента при сжатии через сутки при испытании по ГОСТ 310—60.
Таблица 25. Влияние различных способов ускорения твердения на прочность бетона в раннем возрасте
Способ ускорения твердения
Применение БТЦ или цемента марки 600 ................................
Добавка 2% СаС12 от массы цемента
Дополнительный помол цемента с добавкой 2—3% гипса до удельной поверхности 5000—6000 см2/г...............
Виброактивация цемента или вибро-перемешивание......................
Дополнительный помол цемента, добавка 2% СаС12 и виброперемешивание (совместное действие)...............
Повышение предела прочности бетона прн сжатии по сравнению с обычным бетоном на цементе марок 400—500, %, в возрасте
1 сут 2 сут
130—170 150—200 115—135 125—150
200—250 150—200
140—170 120—150
300—400 200—300
120
Таблица 26. Влияние марки цемента и добавки CaClj иа прочность бетона в раннем возрасте (по данным В. И. Сорокера)
Режим твердения Прочность в долях от при использова- нии портландцемента марки
400 БТЦ 500
без добавки с добавкой без добавки с добавкой без добавки С добавкой
1 сут нормального твердения при 20—25°С . . . . 0,2 0,35 0,3 0,4 0,3 0,4
3 сут нормального твердения при 20—25°С . . . . 0,4 0,55 0,5 0,6 0,5 0,6
Примечание. Приведены средние значения, полученные для бетонов из жестких бетонных смесей при В/Д=0,4.
Можно также пользоваться данными табл. 25, где показана зависимость между прочностью бетона в раннем возрасте и различными способами ускорения твердения бетона. Для расчета состава бетона используют и другие данные, например табл. 26, в которой приведены ориентировочные значения прочности бетона (в долях от Rm) в зависимости от его состава и условий твердения.
Экспериментальная проверка и корректировка по ее результатам состава быстротвердеющего бетона обязательны, так как, во-первых, увеличение прочности бетона в раннем возрасте в результате применения того или иного способа ускорения твердения в значительной степени зависит от вида цемента, состава бетона и других факторов и потому приведенные в табл. 25 и 26 цифры являются только ориентировочными и, во-вторых, увеличение прочности бетона при применении нескольких способов не является прямой суммой значений прироста прочности бетона, достигаемого каждым способом в отдельности.
Пример 5. Определить ВЩ, требуемое для получения бетона прочностью <на сжатие в возрасте 1 сут 100 кгс/см2 (ИО МПа), если прочность цемента на сжатие через 1 сут составляет 130 кгс/см2 (13 МПа).
По формуле (60)
В/Ц =
0,65-130__________
100-f-0,65-1,29-130 ~°’4'
Пример 6. Определить способ ускорения твердения, необходимый для получения /?ei=l200 .кгс/см2 при применении цемента с
121
прочностью й суточном возрасте ISO кгс/см2 (43 МПа) и гранитного щебня с предельной крупностью 20 мм. УдсУбоукладыБаемость бетонной смеси ло техническому вискозиметру 30 с» арматура диаметром менее 4 мм.
•По графику на рис. 14 расход воды равен 160 л. Предельный расход цемента с учетом возможного его домола 450 кг/м3. Следова
тельно, наименьшее возможное ВЩ=1160/450= 0,35. Из формулы /?б1=0,65(ЩВ—'1J29) находим, что в этом случае /?61='О,65Х Х130(1: 0,35—1,29) = 131 кгс/см2 (13,1 МПа), т. е. путем применения
специальных технологических приемов необходимо увеличить проч-
ность бетона на ~т - =1153%- Использовать хлористый каль-
101
ций нельзя, так как в конструкции предполагается применение арматуры малого диаметра. Поэтому выбираем виброактивапню цемента (см. табл. 25).
Допустим, что контрольные испытания покажут повышение прочности бетона в возрасте 1 сут при применении данных материалов и виброактивации на 170%. Тогда окончательно принимаем:
0,65-130
4 200
1.7
= 0,37;
4-0,65 - 1,29-130
расход цемента 160 : 0,37= 423 кг.
Пример 7. Определить ВЩ, требуемое для получения через 3 сут прочности бетона на сжатие 300 кгс/см2 (30 МПа) при применении портландцемента марки 500 и жесткой бетонной омесн. Твердение бетона нормальное при 20—(25°С.
По табл. 26 находим
D _2?бЗ 300
Кб28 0,5 0,5
= 600 кгс/см2 (60 МПа).
Требуемое ВЩ определяем по формуле (9): „ 0,6-500
ВЩ =---------’----------= 0,4.
1 600 4-0,5-0,6 - 500
Из добавок—ускорителей твердения наиболее распространен хлористый кальций, обеспечивающий наилучшие результаты по сравнению с другими добавками. Хлористый кальций позволяет ускорить твердение бетона в раннем возрасте, несколько снизить расход цемента и улучшить удобоукладываемость смеси. Наиболее целесообразно вводить хлористый кальций в состав бетонов, приготовляемых на пуццолановых цементах, шлакопорт-ландцементах или медленнотвердеющих портландцементах. В бетонных конструкциях количество так[ой добавки не должно превышать 3%, а в железобетонных — 2% от массы цемента; при этом нельзя вводить в бетон хлористый кальций, если диаметр арматуры менее 4 мм и конструкция предназначена для длительной эксплуатации. Это
122
объясняется тем, что хлористый кальций способствует развитию коррозии арматуры.
Оптимальное содержание хлористого кальция 1—2%; устанавливают его опытным путем, так как эффективность добавки зависит от многих факторов (минералогического состава и тонкости помола цемента, условий выдерживания и др.), которые невозможно учесть при расчете.
Для равномерного распределения хлористого кальция в бетонной смеси его вводят в виде раствора вместе с в|0-дой затворения. Твердый или жидкий хлористый кальций растворяют в воде до концентрации, соответствующей плотности раствора около 1,2 г/см8.
Определение состава бетона с добавкой хлористого кальция производят обычным способом (см. главу 7). Оптимальное содержание добавки устанавливают путем сравнения в пробных замесах бетона без добавки и с добавкой в количестве 1 и 2% (иногда 1; 1,5 и 2%)- Расход раствора хлористого кальция определяют по табл. 27 и учитывают при окончательном установлении расхода воды (соответственно уменьшая его, чтобы сохранить принятое ВЩ).
Таблица 27. Определение расхода раствора СаСЬ
Плотность раствора CaCls. г/сма Содержание СаС1± в растворе, кг/л Расход раствора на 100 кг цемента, л, при введении СаС12, % от массы цемента
1 U5 2
1,15 0,204 4,89 7,33 9,78
1,16 0,2179 4,59 6,88 9,18
1,17 0,2316 4,32 6,47 8,64
1,18 0,2454 4,07 6,1 8,15
1,19 0,2569 3,9 5,85 7,8
1,2 0,2739 3,66 5,48 7,32
1,21 0,8585 3,47 5,2 6,94
1,22 0,3032 3,3 4,95 6,6
1,23 0,3181 3,15 4,73 6,3
1,24 0,3334 3 4,5 6
1,25 0,3488 2,87 3,3 5,74
Пример 8. Определить оптимальный расход добавки хлористого кальция, обеспечивающий достижение наибольшей прочности бетона марки 300 в возрасте 1 сут. Подвижность бетонной смеси и материалы те же, что и в примере 1.
Расход материалов для бетона без добавки определяют так же, как в примере 1,
123
•Расход раствора с плотностью 1,2 г/см3 для бетона с добавкой 1 и 2% хлористого кальция устанавливают по табл. 27:
при 1% СаС12........................300-0,01-3,66 = 11 л
» 2% СаС1а.........................300-0,01-7,32 = 22 л
Соответственно уменьшается расход воды до 167 и 154 л, расход цемента и заполнителей «е изменяют.
Допустим, что контрольные кубы в возрасте 1 сут покажут следующую прочность:
бетон без добавки...................70 кгс/см2 (7 МПа)
» с 1% СаС12....................87 » (8,7 »)
» с 2% СаС12....................105 » (10,5 »)
Оптимальной является добавка в бетон 2% хлористого кальция от массы цемента.
§ 29. БЕТОН С ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫМИ ДОБАВКАМИ
В современном строительстве широко применяют поверхностно-активные добавки, вводимые в состав бетона для улучшения его свойств и экономии цемента.
Как указывалось, добавки подразделяют на две группы: пластифицирующие добавки пептизирующего действия и гидрофобизирующие воздухововлекающие добавки. Из добавок первой группы наибольшее распространение получили концентраты сульфитно-спиртовой барды (ССБ и СДБ) и их производные. Из добавок второй группы — омыленный древесный пек (ЦНИПС-1), мылонафт, абиетат натрия, препарат ГК (на основе гидролизованной боенской крови). В последние годы появились добавки, в состав которых входят поверхностно-активные вещества и другие компоненты, каждый из которых в этом случае проявляет себя почти так же, как при их использовании в отдельности.
Сульфитно-спиртовую барду и ее производные наиболее целесообразно использовать в жирной бетонной смеси. В этом случае водопотребность смеси снижается на 10—15%, что позволяет либо уменьшить расход цемента, либо сократить водоцементное отношение и тем самым повысить прочность бетона, а также его морюзостойкость и водонепроницаемость.
Гидрофобизирующие добавки наиболее целесообразно применять в тощих бетонных смесях.
124
Назначение пластифицирующих добавок
Добавка
Все виды пластифицирующих добавок
Сульфиты о-спиртовая барда и ее производные, мылонафт, препарат ГК .
Препараты ЦНИПС-1, ГК, мылонафт, абиетат натрия
Назначение
Повышение однородности и нерас-слаиваемости бетонных и растворных смесей; сохранение удобообрабатыва-емости смесей во времени
Уменьшение расхода цемента до 10—12% при назначении его из условий заданной прочности бетона; уменьшение расхода цемента до 15— 20% при определении его по заданному максимально допустимому ВЩ\ повышение морозостойкости бетона, текучести бетонной и растворной смеси для перекачивания их растворона-сосом; уменьшение теплоты гидратации портландцемента
Повышение морозостойкости бетонов и растворов; уменьшение расхода цемента (при отсутствии тонкомолотых добавок) в тощих бетонах (преимущественно низких марок) и улучшение удобообрабатываемости этих бетонов; увеличение текучести цементно-песчаных растворов для перекачивания их растворонасосом
Оптимальное содержание добавки ориентировочно составляет: сульфитно-спиртовой барды 0,15—0,25%, абиетата натрия 0,01—0,05% (от массы цемента).
Эффективность применения добавки зависит от многих факторов: состава бетона, качества цемента и заполнителя, пластичности бетонной смеси и др. (см. ниже, стр. 126).
Оценить действие добавки на свойства бетонной смеси и бетона заранее, без проведения предварительных опытов, нельзя. В опытах проверяют влияние добавки на бетонную смесь при трех дозировках (оптимальней и несколько отличающихся от нее). По результатам опытов, сравнивая бетоны с добавкой и без нее, устанавливают окончательный состав бетона и оптимальную дозировку добавки. Добавки в виде предварительно приготовленного раствора, концентрацию которого контролируют по его плотности (табл, 28), вводят в бетонную смесь при ее затворении.
125
Влияние различных факторов на пластифицирующее действие ССБ
Фактор Действие ССБ
Расход цемента Применение ССБ эффективно в широком диапазоне расходов цемента, характерных для обычного тяжелого бетона. Особенно эффективно применение ССБ с целью экономии цемента в жирных бетонных смесях
Крупность песка Пластифицирующее действие ССБ сильнее проявляется в бетонных смесях на мелких песках
Пластичность бетонной Пластифицирующее действие ССБ
смеси сильнее проявляется в пластичных бетонных смесях
Вид цемента При применении пуццолановых портландцементов требуется большее по сравнению с портландцементами количество ССБ для достижения одинакового пластифицирующего действия
Минералогический состав При применении высокоалюминат-
цемента ных цементов, содержащих более 10% С3А, требуется большее количество ССБ для достижения одинакового пластифицирующего действия
Тонкость помола цемента Добавка ССБ более эффективна для тонкомолотых цементов (имеющих остаток на сите 4900 отв/см2 менее 8%)
Потеря массы цемента Пластифицирующее действие ССБ
при прокаливании ослабляется с увеличением потери массы цемента при прокаливании
Состав бетона с добавкой пластификаторов определяют тем же способом, что и обычного бетона.
Пример 9. Найти оптимальную дозировку ССБ для бетона марки 300 и -определить получаемую при этом экономию цемента. Подвижность бетонной смеси и материалы те .же, что в примере 1.
Вначале рассчитывают согласно примеру 1 состав бетона марки 300, а затем делают пробные замесы без добавки и с добавкой в 0,1; 0,15 и 0,2% от массы цемента.
Добавку вводят в виде 10%-него раствора ССБ, расход которого определяют по табл. 28. На -1 «м3 бетона потребуется при содержании ССБ
0,1% ....................... 330-0,01-0,950= 3,14 л
0,15% 300-0,01-1,425=4,70 »
0,2% ....................... 330-0,01-1,900= 6,27 »
Для сохранения принятого В/Ц соответственно уменьшают расход воды: 178—3,14 аг 175 л и т. д.
126
Оптимальной считается такая дозировка ОСБ, при которой заданная осадка конуса 4—5 см достигается при наименьшем расходе вады иа 1 м3 бетонной смеои. При этом прочность бетона с добавкой ССБ в возрасте 28 сут должна быть не менее прочности бетона без добавки1.
Предположим, что в результате пробных замесов и испытания контрольных кубов получены следующие данные:
Содержание в бетоне добавки ССБ (от массы цемента), %
Без добавки С добавкой: 0,1 % 0,15% 0,2%
Расход воды, л/м»
Прочность бетона в возрасте 28 сут, кгс/см1 (10® Па)
178 175 173 162 300 304 295 298
Из этих результатов видно, что оптимальной является добавка ОСБ в количестве 0,2% массы цемента. В этом случае расход цемента равен: 1162/0,54=300 кг, в бетоне без добавки расход цемента равен 330 кг (см. пример 1). Экономия цемента от введения в бетонную смесь оптимального количества добавки ООБ составит 330—300 ~ззо“ 100“9,|%'
При введении в бетонную смесь воздухововлекающих добавок следует при расчете расхода материалов для пробных замесов учитывать, что обычно в этом случае в бетоне будет содержаться 4—5% вовлеченного воздуха (т. е. 40—50 л/м3). Поэтому уравнения (39) и (40) примут вид:
Ц , „ П Щ
— 4- В — + — + ВВ = 1000;
Рц Рп Рщ
Ц , „ Л Щ
+ # + +ВВ = а —рщ, Рц Рп Ущ
где В В—содержание вовлеченного воздуха, л.
Расход песка следует определять по формуле
(61)
(62)
(63)
* При введении гидрофобизирующих добавок возможно незначительное снижение прочности бетона. Однако оно может быть компенсировано за счет снижения В/Ц вследствие уменьшения водопо-требности бетонной смеси.
127
Таблица 28. Определение расхода раствора ССБ
Плотность раствора ССБ» г/см8 Концентрация раствора ССБ, % Содержание сухого вещества в растворе, кг/л Расход раствора на 100 кг цемента, л, прн введении ССБ, % от массы цемента
0.1 ' 0.1S 0,2
1,05 10 0,105 0,95 1,425 1,9
1,06 12 0,128 0,851 1,277 1,702
1,07 14 0,151 0,752 1,129 1,504
1,08 16 0,174 0,653 0,981 1,306
1,09 18 0,197 0,554 0,833 1,108
1.1 20 0,22 0,454 0,681 0,908
1.П 22 0,242 0,424 0,636 0,847
1,12 24 0,264 0,394 0,591 0,786
1,13 26 0,286 0,364 0,546 0,725
1,14 28 0,308 0,334 0,501 0,664
1,15 30 0,33 0,303 0,455 0,606
1,16 32 0,36 0,284 0,427 0,568
1,17 34 0,39 0,265 0,399 0,53
1,18 36 0,42 0,246 0,371 0,492
1,19 38 0,45 0,227 0,343 0,454
1,2 40 0,48 0,208 0,312 0,416
Как показали опыты, для улучшения удобюукладыва-емости бетонной смеси, водонепроницаемости и морозостойкости бетона значение коэффициента а следует увеличить на 0,05—0,1 против значений, рекомендованных в табл. 23.
Для получения бетонных смесей одинаковой жесткости или подвижности при введении воздухововлекающих добавок расход воды, определенный по рис. 14, можно уменьшить на 15—20 л. Следует иметь в виду, что воздухововлекающие добавки в большей степени улучшают удобоукладываемость бетонной смеси и в меньшей—ее подвижность. При определении состава бетона с воздухововлекающей добавкой можно принимать в расчет пониженные значения осадки конуса в соответствии с рекомендациями § 25.
§ 30. БЕТОН ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ
Бетон для гидротехнических сооружений должен обеспечивать длительную службу конструкций, постоянно или периодически омываемых водой. Поэтому в зависимости от условий службы к гидротехническому бетону,
помимо требования соответствующей прочности, предъявляют также требования по водонепроницаемости, а нередко и по морозостойкости. Удовлетворение этих дополнительных требований достигается правильным определением состава бетона
Требования по водонепроницаемости и морозостойкости дифференцированы в зависимости от характера конструкции и условий ее работы. Обычно гидротехнический бетон делят на следующие разновидности: подводный, постоянно находящийся в воде; расположенный в зоне переменного горизонта воды; надводный, подвергающийся эпизодическому омыванию водой. Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон напорных и безнапорных конструкций.
По прочности на сжатие в возрасте 180 сут гидрртех-нический бетон делится на марки: 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500.
По водонепроницаемости в 180-суточном возрасте— на четыре 'Марки: В-2, В-4, В-6, В-8. Бетон марки В-2 при стандартном испытании не должен пропускать воду при давлении 2 кгс/см2 (0,2 МПа), бетон марок В-4, В-6 и В-8 соответственно при давлении 4, 6 и 8 кгс/см2 (0,4; 0,6; 0,8 МПа).
Цо морозостойкости гидротехнический бетон делят на пять марок: |Мрз50; Мрз100т |Мрз150, Мрз200, МрзЗОО. В этом случае марка определяет число циклов замораживания и оттаивания (в возрасте 28 сут), после которого прочность бетона снижается не более чем на 25%. Требование морозостойкости предъявляется лишь к тем гидротехническим бетонам, которые в конструкциях подвергаются совместному действию воды и замораживания.
Состав гидротехнического бетона можно определить рассмотренным выше единым методом; специальные свойства этого бетона, например водонепроницаемость, обеспечиваются:
1) выбором материалов, обусловливающих требуемые морозостойкость и водонепроницаемость;
2) определением В/Ц не только из условия прочности, но и из условия долговечности;
3) назначением расхода цемента в определенных пределах;
4) выбором коэффициента раздвижки а, обеспечивающего получение плотного и долговечного бетона;
5) применением в некоторых случаях микронаполни-
129
телей, уменьшающих тепловыделение и объемные деформации и гарантирующих получение плотного бетона при низких расходах цемента;
6) применением воздухововлекающих добавок (см. § 29).
Наиболее важным является правильное назначение ВЩ, что косвенным образом обеспечивает получение бетона требуемой плотности, хотя наилучшие результаты достигаются при выполнении всего комплекса мероприятий1.
Для гидротехнического бетона допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях сульфатостойкого цемента.
Пуццолановый цемент характеризуется большей физической и химической стойкостью при действии на бетон как пресных, так и минерализованных природных вод, малым тепловыделением при твердении, большей плотностью цементного камня, а следовательно, и бетона (данного состава и подвижности), меньшей склонностью бетонной смеси к водоотделению. Однако существенным недостатком бетонов на пуццолановых цементах является их меньшая морозостойкость.
В суровых климатических условиях для зоны сооружений на уровне переменного горизонта воды используют пластифицированный или обычный портландцемент. Он позволяет получать водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить (на 8— 10%) расход цемента и тепловыделение бетона при твердении.
Для особо тяжелых условий при наличии агрессивной среды применяют сульфатостойкий цемент.
Обычно желательно, чтобы содержание СзА в цементе для гидротехнического бетона не превышало 3—5%, а сумма C3A+C4AF была менее 20%. Предпочтительнее также повышенное содержание в цементе белита.
Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона применяют химические добавки, в первую очередь ССБ и абиетат натрия (см. § 29).
’ Г. И. Горчаков, М. М. Капкин и Б. Г. Скрамтаев в книге «Повышение морозостойкости бетона промышленных и гидротехнических сооружений» (Стройиздат, 1965) предложили способ определения состава морозостойкости бетона по нормированию капиллярной пористости.
130
Для уменьшения расхода цемента, а следовательно тепловыделения и объемных деформаций бетона, при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плотности бетона в него вводят различные мпкронапол-нители. Для гидротехнических сооружений в качестве такой добавки часто используют золу-унос.
Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспечивать его водостойкость и морозостойкость. Лучше всего применять кварцевые пески, а щебень или гравий—из изверженных или осадочных пород, водостойкость и морозостойкость которых подтверждены опытом. Особое внимание следует уделять зерновому составу заполнителя: по возможности обогащать песок, а при использовании сортового крупного заполнителя соотношение фракций рекомендуется назначать в соответствии с данными табл. 29.
Таблица 29. Рекомендуемые соотношения между фракциями заполнителя
Наибольшая крупность зерна, мм Содержание, %, фракций, мм
5—20 5—40 20—40 20—60 40—80 80—150
40 45—60 1 4?—55 -1 1
60 35—50 - " 50—65 — —
80 25—35 25—35 — — 35—50 — .
80 50—65 * — — 35—50
150 15—25 15—25 25—35 30—45
150 30—40 > —— 25—35 30—45
Подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси для гидротехнического бетона при применении поверхностно-активных добавок и мелкозернистых песков назначается в соответствии с табл. 30.
При выборе ВЩ принимают во внимание требования к прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона. ВЩ из условия прочности определяют по формуле (9) с учетом сроков твердения (см. § 63), из условия водонепроницаемости и морозостойкости—по табл. 31. Из двух значений ВЩ, найденных из условия прочности и определенных по табл. 31, принимают наименьшее.
Расход цемента должен быть больше минимальных значений, обеспечивающих получение плотного бетона
131
Таблица 30. Подвижность и удобоукладываемость бетонных смесей для гидротехнических сооружений
Конструкции Удобоукладываемость , с Осадка конуса бетонной смеси, х см
на обычном строительном песке на мелкозернистом песке
без добавки С добавкой без добавки с добавкой
Массивные бетонные н малоар-мнрованные, с содержанием арматуры до 0,5% 20—30 2—4 1—3 1—3 1—2
Железобетонные, с содержанием арматуры до 1% 10—20 4—8 3—6 3—6 2—5
То же, более 1 % 5—10 8—14 6—10 6—10 5—8
Таблица 31. Максимально допустимые значения ВЩ, обеспечивающие морозостойкость бетона
Условия службы бетона Железобетон -ные конструкции в воде Бетонные и малоармиро-ванные массивные конструкции в воде
морской пресной морской пресной
В частях сооружения, расположенных ь зоне переменного горизонта воды: в суровых климатических условиях в умеренных и мягких климатических условиях *— - 0,5 0,55 0,55 0,6 0,55 0,6 0,6 0,65
В частях сооружения, постоянно находящихся под водой: напорных 0,55 0,6 0,6 0,65
безнапорных 0,6 0,65 0,65 0,65
В надводных частях сооружения, эпизодически омываемых водой 0,65 0,65 0,7 0,7
(см. § 20), и в то же время — по условиям тепловыделения — не превышать для массивных конструкций 350 кг/м3, а для немассивных 400 кг/м3. Для получения водонепроницаемого бетона содержание песка в смеси заполнителей должно быть несколько увеличено против обычных значений. В связи с этим коэффициент раздвижки а надо принимать на 0,03—0,06 больше, чем
132
указано в табл. 23. Оптимальное значение коэффициента а также определяют опытным путем из условия получения наиболее плотной бетонной смеси.
Применение микронакопителей рационально в двух случаях:
1) когда по условию прочности можно допустить большее водоцементное отношение, чем требуется по условию долговечности бетона;
2) Когда прочность бетона можно обеспечить при меньшем расходе цемента, чем требуется по условию плотности.
Рассчитать количество добавки Д, не изменяющей существенно водопотребности смешанного цемента, можно следующим образом (рассматривая добавку как составную часть вяжущего вещества).
Для удовлетворения требований к бетону в первом случае необходимо выдержать два условия:
в
1) отношение Xt = ц . д должно быть не менее значения, установленного по табл. 31, что обеспечивает необходимую плотность бетона;
2) отношение Х%=ВЩ не должно быть больше значения, определенного по формулам (9) или (10), что обеспечивает необходимую прочность бетона.
В первом случае, когда по условию прочности можно допустить ВЩ больше требуемого по долговечности,
Одновременное удовлетворение условий и прочности достигается при
Х^Ц + Д^ХгЦ,
откуда
Д(Хг-Х0 ^-4 1
где Ц — расход цемента, обеспечивающий получение ной (Прочности, кг/м3.
плотности
(64)
(65)
бетона задан-
Во втором случае, когда расход цемента из условия прочности можно принять меньше, чем требуется из условия долговечности, из равенства (64) получим
Ц = (Ц + Д)^-.
Лг
(66)
133
При минимальном расходе вяжущего, например 250 кг/м3, имеем Д-|-Д=250 кг/м3, откуда
Ц = 250 аД=250 .
а2 Ах
Пример 10. .Если из условия (прочности В/Ц должно быть не более 0,7, а из условия долговечности не <более ОД то к расходу цемента, который, предположим, из условия прочности равен 250 кг/м3, возможна добавка тонкомолотого минерального наполнителя:
„ 0,7 —0,6
Д = — - g 250 = 41 кг/м3.
0,6
Содержание вяжущего вещества, следовательно, увеличивается до 290 кг/м3.
Пример 11. Если из условия прочности ВЩ должно быть не более 0,7, а из условия долговечности — не более 0,6, то при общем расходе вяжущего вещества 250 кг/м3 содержание цемента
0,6
Ц = 250 —— з= 214 кг/м3, 0,7
а тоикомологой добавки Д=1250—214=136 кг/м3.
Если принятое в расчете ВЩ определяется условиями прочности, применение тонкомолотых добавок нерационально.
§ 31. БЕТОН ДЛЯ ДОРОЖНЫХ И АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ
В бетонных покрытиях на дорогах и аэродромах основными расчетными напряжениями являются напряжения от изгиба, так как покрытие работает на изгиб, как плита на упругом основании. Поэтому при расчете состава ’бетона надо установить такое соотношение между его составляющими, которое обеспечивает требуемую прочность бетона на растяжение при изгибе, а также достаточную прочность на сжатие и морозостойкость.
Марки дорожного бетона то прочности устанавливаются в зависимости от назначения бетона (табл. 32).
Марки бетона по .морозостойкости назначаются в соответствии с 'климатическими условиями района строительства (табл. 33).
Для обеспечения требуемой морозостойкости бетона и его стойкости 'против совместного действия хлористых солей, применяемых для борьбы с гололедом, и замораживания бетона при отрицательных температурах водоцементное отношение следует принимать для однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий не
134
Таблица 32. Требования к маркам бетона для дорожных покрытий
Назначение бетона Марка бетона по прочности
при изгибе при сжатии
Для однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий , Для нижнего слоя двухслойных покрытий Для оснований усовершенствованных капитальных покрытий 40, 45, 50, 55 35, 40, 45 20, 25, 30, 35 300, 350, 400, 500 250, 300, 350 100, 150, 200, 250
Таблица 33, Выбор марки дорожного бетона по морозостойкости
Марки по морозостойкости
Среднемесячная температура воздуха наиболее холодного месяца Бетон однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий Бетон нижнего слоя двухслойных покрытий и оснований усовершествоваииых бетонных дорог
От 0 до 10°С От —10 до —20°С Ниже —20°С Мрз 100 Мрз 150 Мрз 200 Не нормируется Мрз 50 Мрз 50
более 0,5, для нйжнего слоя двухслойных покрытий — не более 0,6, для оснований усовершенствованных покрытий — не более 0,75.
Для бетона однослойных и двухслойных покрытий следует принимать портландцемент марки не ниже 400 с -содержанием трехкальциевого алюмината менее 10%• Для оснований бетонных дорог допускается применение цемента марки не ниже 300. Желательно использовать дорожные пластифицированные или гидрофобные цементы.
Для бетона однослойных и верхнего слоя двухслойных 'покрытий можно применять -щебень, -щебень из гравия и гравий только после промывки, при этом содержание в них глинистых, илистых и пылевидных частиц, определяемых отмучиванием, не должно превышать 1 % по -массе (для нижнего слоя двухслойных покрытий— 2%).
135
Щебень необходимо изготовлять из прочных горных пород (табл. 34).
Таблица 34. Требования к прочности щебня
Предел прочности прн сжатии исходной горной породы в водонасыщенном состоянии, кгс/см2 (ЮБ Па), не менее
изверженные осадочные по
породы роды
Назначение бетона
Для однослойного покрытия и верхнего слоя двухслойных покрытий 1200 800
Для нижнего слоя двухслойных покрытий 800 600
Для оснований дорог 800 300
।
Наибольший размер зерен щебня или гравия должен быть не более:
для верхнего слоя двухслойных покрытий . . 20 мм
» однослойных и нижнего слоя двухслойных
покрытий ... .................: : 40 »
» оснований покрытий .........................70 »
Для повышения морозостойкости бетона и качества бетонной смеси в нее вводят поверхностно-активные добавки: пластифицирующие (сульфитно-спиртовую барду) и воздухе вовлекающие (абиетат натрия, мылонафт и др.). Расход добавок должен быть таким, чтобы обеспечить вовлечение в бетонную смесь требуемого объема воздуха.
Рекомендуется следующее содержание вовлеченного воздуха (по объему): при наибольшем размере заполнителя 40—70 мм — 4,5±1%, при наибольшем размере заполнителя 10—20 мм —5,5±1 %.
Поскольку ССБ пластифицирует смесь без заметного вовлечения в нее воздуха, то рекомендуется применять комплексные добавки, например ССБ и мылонафт или ССБ и абиетат натрия. Ориентировочные дозировки добавок: абиетат натрия 0,01—0,025% в расчете на сухое вещество; мылонафт 0,08—0,05 в расчете на товарный раствор мылонафта, содержащий 45—50% воды. ССБ вводят, как обычно, в пределах 0,15—0,25%. Вводят добавки в виде раствора, количество которого рассчитывают в соответствии с рекомендациями § 29.
Для качественного уплотнения бетонная смесь должна иметь показатели подвижности или жесткости,
136
приведенные в табл. 35, определяемые непосредственно перед укладкой в покрытие или основание.
Таблица 35. Требования к подвижности бетонной смеси
Уплотнение бетонной смеси Осадка конуса, см Жесткость, с
Уплотнение покрытий бстоноукладочными машинами 1—2 10—20
Уплотнение покрытий площадочными вибраторами 2—3 —
У пл отнеиие осн ований - — 40—50
Бетонные смеси с небольшим избытком песка по сравнению >с оптимальным (табл. 23) хотя и имеют несколько повышенную жесткость, но хорошо укладываются в шокрытие, сохраняют 'прочность при изгибе, не расслаиваются и при этом дают лучшее качество поверхности, поэтому такие смеси целесообразно применять для дорожных покрытий. При этом коэффициент раздвижки зерен заполнителя можно назначать в пределах 1,3—1,7 (.в среднем на 0,1—0,2 более значений, рекомендованных в табл. 23), для жестких смесей 1,25—1,3. Значение подвижности или жесткости бетонной смеси в этом случае может соответствовать -нижнему пределу или даже быть на 1—2 см или на 10—15 с менее указанных в табл. 37.
Окончательное суждение о выборе консистенции смеси решается в результате пробного уплотнения участка покрытия — выбранная жесткость должна обеспечивать качественное уплотнение (соответствующую объемную массу бетона с учетом воздухововлечения).
Определение состава дорожного бетона проводят рассмотренным выше для обычного бетона расчетно-экспериментальным способом с учетом изложенных -выше дополнительных требований и рекомендаций. Порядок определения состава бетона обычный.
Вначале, исходя из прочности при изгибе, определяют требуемое ВЩ по формуле (13). Для бетона с вовлеченным -воздухом ориентировочно -можно принять, что
_ 0,36
В,Ц = 7?би +0,36-0,2‘ (67)
Определяют требуемое ВЩ по прочности при -сжатии и по морозостойкости. Значения -сравнивают и ис
137
пользуют в дальнейшем расчете наименьшее. Затем из условий обеспечения заданной подвижности бетонной смеси определяют расход воды по рис. 14. При применении бетоноукладочных машин обычно средний расход воды принимают 160 л для щебня крупностью 40 мм. При применении известнякового щебня или мелкого песка расход воды увеличивается на 10 л, при применении известнякового песка и щебня — на 20 л. При введении в бетонную смесь поверхностно-активных добавок расход воды уменьшают на 10 л. После этого подсчитывают расходы материалов на 1 м3 бетона.
Пример 12. Подобрать состав бетона для однослойного покрытия марки по прочности на изгиб 50, по прочности на сжатие 400, по морозостойкости Мрз2О0. Бетон укладывается бетоноотд ел очной машиной ДБО-7,5 Материалы: цемент марки 400 с прочностью на изгиб 60 кгс/см2 (0,6 МПа); крупный заполнитель — гранитный щебень с наибольшей крупностью 40 мм с содержанием фракций 5— 20 мм—60%, 20—40 .мм— 40%; объемная масса щебня 1,48 кг/л,
плотность 2,6 кг/л; мелкий заполнитель — песок средней крупности с Л4к=2,2 и плотностью 2,63 кг/м3; поверхностно-активные добавки — ССБ <и абиетат натрия.
il. Определяем \ВЩ
по прочности на изгиб по формуле (67) 0,36-60
В/Д = —-------!---------
1 50 + 0,36-0,2-60
по прочности на сжатие по формуле (53) -------------------------->.«-------- 400 + 0,5-0,6-400
= 0,4;
= 0,46;
по морозостойкости В/Д=0,5.
Для дальнейшего расчета используем В/Ц =6,4 <0,46 <2 0,5, так как при других ВЩ не будет обеспечен весь требуемый комплекс свойств.
2. Определяем расход воды: В =,160—il 0=1150 л.
3. Расход цемента: Д=450: 0,4=375 кг.
4. Расход добавок: ССБ =0,002-375=0,75 кг; абиетата натрия = 0,0002-375=0,075 кг.
5. 1расход щебня .по формуле (41)
1000
1,5 • 0,43
= 1220 кг.
1,48 ’ 2,6
2,6—1,48 Пустотность щебня рщ = —— =0,43.
у V
(Коэффициент раздвижки принят 1,5((1,36+0Л4).
16. (Расход леска по_ формуле (42)
П= 1000 —
375
1220 \1
565 кг.
i(45 л — ориентировочный объем вовлеченного воздуха). Объемная масса бетона: 375+150+565+11220=2310 кг/м3 Затем состав проверяют и уточняют в пробных замесах.
138
Раздел HI
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Г л а в а 9.
КЕРАМЗИТОБЕТОН И ДРУГИЕ ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ НА ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ
§ 32. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Для ’приготовления легких бетонов используют различные виды пористых заполнителей*, искусственные керамзит, аглопорит, перлит, шлаковую пемзу и др. и естественные — туф, пемзу и др. Наибольшее распространение получил керамзит, поэтому подбор ’состава легких бетонов рассмотрим на примере керамзитобе-тона.
Рис. 40. Влияние <прочно-сти растворной составляющей и керамзитового гравия на прочность керамзитобетона
J — прочность керамзита 70;
2 — 50; 3 — 40: 4 — 30; 5 — 20 кгс/см2 (1 МПа 10 кгс/см2)
Марка раствора
Пористые заполнители имеют обычно невысокую прочность и значительное водопоглощение. Введение, их в бетонную смесь заметно сказывается на ее свойствах и свойствах бетона: по сравнению с обычным тяжелым бетоном повышается водопотребность бетонной смеси, уменьшается прочность бетона. Степень влияния заполнителя определяется его свойствами: чем меньше объемная масса заполнителя и, следовательно, его прочность, чем больше содержание заполнителя, тем сильнее понижается прочность легкого бетона (рис. 40).
139
Важным свойством легкого бе гона является его объемная масса, от которой зависят теплотехнические свойства и модуль деформации легкого бетона. Объемная масса легкого бетона понижается с 1повышением содержания пористого заполнителя и уменьшением его объемной массы. Обычно понижение объемной массы ведет к уменьшению прочности.
По объемной массе различают особо легкие теплоизоляционные бетоны с объемной массой в высушенном состоянии менее 500 кг/м3 и легкие бетоны с объемной массой 500—1800 кг/м3. Прочность особо легких бетонов редко бывает более 15 кгс/см2 (1,5 МПа). Прочность легкого бетона может изменяться в значительных пределах — от 25 до 300 кгс/см2 (2,5—30 МПа) и выше. Легкие бетоны подразделяют на конструктивно-теплоизоляционные с объемной массой 500—1400 кг/м3 и прочностью в пределах 25—100 кгс/см2 (2,5—10 МПа) и конструктивные с объемной массой 1400—1800 кг/м3 и прочностью 100—300 кгс/см2 (10—30МПа).
(По структуре различают плотные или обычные легкие бетоны, в которых раствор на тяжелом или легком песке полностью заполняет межзерновые пустоты крупного заполнителя (как правило, с некоторой раздвижкой его зерен), поризованные легкие бегоны, в которых растворную часть вспучивают с помощью пено-или газообразующих добавок, и крупнопористые легкие бетоны, в которых не содержится песка и сохраняются межзерновые пустоты. В строительстве используют главным образом легкие бетоны с крупностью пористого заполнителя до 20—40 мм, однако можно применять и мелкозернистые легкие бетоны.
Пористый щебень и песок, имея зерна неправильной формы с сильно развитой поверхностью, обладают увеличенным объемом межзерновых пустот, для заполнения которых цементного теста требуется в 1,5—2 раза больше, чем в бетонах с тяжелым заполнителем. При этом пористые заполнители отсасывают часть влаги из цементного теста более интенсивно, чем обычные плотные заполнители, влияя на процессы его структу-рообразования. Легкобетонные смеси, особенно жесткой консистенции, склонны к расслаиванию при вибрировании.
Обычно для обеспечения требуемой прочности бетона и нерасслаиваемости бетонной смеси в легком бето-
140
•не увеличивают содержание растворной составляющей. Кроме того, легкобетонные смеси обладают повышенной водопотребностью по сравнению с обычными бетонными смесями на плотных заполнителях. Водопотребность легкобетонной смеси заметно зависит от свойств заполнителя. Особенности свойств легких бетонов И влияние на них качества заполнителя учитывают при проектировании состава легких бетонов.
§ 33. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА КЕРАМЗИТОБЕТОНА
Состав керамзитобетона, как и обычного бетона, определяется расчетно-экспериментальным путем. Вначале находят предварительный состав керамзитобетона, который затем уточняют на пробных замесах. Подобным образом подбирают составы бетона и на других легких заполнителях, только используют при определении предварительного состава зависимости и рекомендации, учитывающие особенности влияния на свойства бетона и бетонной смеси данного заполнителя.
В отличие от обычного бетона при проектировании состава легкого бетона необходимо наряду с прочностью бетона и удобоукладываемостыо бетонной смеси обеспечить заданную объемную массу бетона. Поскольку объемная масса бетона зависит от свойств и содержания пористого заполнителя, то расходы мелкого и крупного заполнителя определяют из условий получения заданной объемной массы бетона.
При заданном расходе цемента и воды, которые определяются соответственно требуемой прочностью бетона и удобоукладываемостыо бетонной смеси, расходы крупного (К) и мелкого (П) заполнителя могут быть определены решением системы уравнений:
уб=1,15Д + П + К; (68)
Ц , П к
— + ^- + v~ + B = 1000’ (69)
Рц <з.п «зле
где 7б — объемная масса бетона в сухом состоянии, кг/м3; рц — плотность цемента, кг/л; уэ.п, Уз к — объемная масса зерен крупного и .мелкого пористого заполнителя в цементном тесте, кг/л (для плотного песка уэ.п=Рп — плотность песка); Ц, П, К и В — расходы цемента, песка, крупного «заполнителя и воды на 1 м3 бетона.
Для упрощения расчетов расход цемента при подборе состава легких бетонов задается по табл. 39 и 40 и
141
далее уточняется на основании экспериментально построенной зависимости Re—f(L[). Водопотребность бетонной смеси должна обеспечивать получение требуемой удобоукладываемости при данном составе бетона и качестве применяемых заполнителей. От правильного назначения водопотребности бетонной смеси во многом зависит обеспечение соответствия фактического и расчетного состава бетона и его объемной массы.
Обычно водопотребность бетонной смеси назначают с учетом требуемой удобоукладываемости бетонной смеси и вида крупного заполнителя. При этом предполагается, что в качестве мелкого заполнителя используется плотный лесок. Для повышения точности расчетов необходимо при определении расхода воды вводить в значения, <взятые из таблицы, ряд поправок, предложенных В. Г. Довжиком.
В первую очередь следует учитывать водопотребность мелкого заполнителя, от свойств и расхода которого существенно изменяется водопотребность бетонной смеси. Чтобы при изменении объемной массы песка получить сопоставимые результаты, состав стандартного раствора, в отличие от состава, используемого три определении водопотребности .плотных песков, назначают не по массе, а по абсолютному объему и принимают равным 1 :2,28, что ориентировочно соответствует для кварцевого песка соотношению по массе 1 :2. Водопотребность пористого песка (%) определяют по формуле
по формуле
П —
2-------100,
2,28
(70)
где НГ — 'нормальная густота цемента.
Пористые пески имеют водопотребность в 2—3 раза большую, чем плотные пески, например водопотребность дробленого керамзитового песка 13—16%, шлакопемзового песка 16—18%. При среднем расходе песка 250 л/м3 по абсолютному объему изменению водопотребности песка на 1 % будет соответствовать изменение расхода воды 0,02 л/л абсолютного объема песка.
Среднюю водопотребность плотного песка принимают равной 7%. При применении песков с другой водо-потребностыо в расход воды следует вводить поправку:
01 = 0,02 ~ (5П—7).
13.п
(71)
142
На водопотребность легкобетонной смеси влияют также расход цемента и объемная концентрация крупного заполнителя. Как и в обычном тяжелом бетоне, в конструктивном керамзитобетоне водопотребность бетонной смеси возрастает при высоких расходах цемента (низких значениях ВЩ). Ориентировочно можно считать, что при расходе цемента выше 450 кг/м3 водопотребность возрастает приблизительно на 0,15 л/м3 на каждый 1 кг/м3 расхода цемента сверх критического значения. Отсюда поправка к расходу воды при высоких расходах цемента может быть определена по формуле
Ва = 0,15 (Ц — 450). (72)
Для конструктивного керамзитобетона минимальная водопотребность бетонной смеси достигается обычно при объемной концентрации керамзита 0,35—0,4. При большей или меньшей объемной концентрации крупного заполнителя в расход воды вводят поправку, которую ориентировочно можно рассчитать по формуле
В3 = 2000 (<р — 0,37)2, (73)
где <р= ТС/Уз.к—объемная концентрация крупного заполнителя.
Для определения общей водопотребности бетонной 'смеси указанные поправки следует прибавлять к начальному расходу воды (Во)» принимаемому по таблице в зависимости от удобоукладываемости бетонной смеси, предельной крупности и вида заполнителя (гравий, щебень) :
5 = В3 By -J- В% -f- В3. (74)
После подстановки выражения (74) в (69) можно решить систему уравнений (68), (69) и найти расходы крупного и мелкого заполнителя. Поскольку подобные расчеты довольно трудоемки, то на практике используют таблицы объемной концентрации крупного заполнителя в зависимости от заданной объемной массы бетона, объемной массы зерен крупного заполнителя, начального расхода воды, расхода цемента и водопотребности песка, заранее рассчитанные на ЭВМ по уравнениям (68), (69). Для получения одного и того же значения объемной массы бетона даже при неизменной объемной массе зерен крупного заполнителя его концентрация может изменяться в 1,5—2 раза в зависимости от расходов цемента, воды и водопотребности песка.
143
Поскольку для обеспечения заданной объемной массы бетона приходится в ряде случаев использовать составы с неоптимальной с точки зрения удобоукладываемости смеси объемной концентрацией крупного заполнителя, то для того чтобы при этом не получить смесь, склонную к расслаиванию, значения ср должны отличаться не менее чем на 0,25 и не более чем на 0,05 от оптимальных значений, обычно указываемых в таблицах.
После нахождения объемной концентрации крупного заполнителя расход воды может быть определен по формуле (74), а расход песка — по формулам (68) или (69).
Объемную массу бетона при применении пористых песков можно регулировать путем изменения соотношения между плотным и пористым .песком, что 'позволяет обеспечить оптимальную объемную концентрацию крупного заполнителя. Для нахождения расхода пористого (Диор) и плотного (Лпл) песков при выбранных значениях расхода цемента, начального расхода воды, объемной концентрации крупного заполнителя необходимо решить систему уравнений:
— + 4- В = 1000 (1 — <р) — — ;
рпл упор Рц
ГЗ.П »з.п
/?пл “Ь 77 пор — Уб 1,15 Ц 1000 <р У3 к
Если ввести условные обозначения:
4= 1000 (1 —<р)— —-(В04-Вг + Вз); Рц
Q = Тб- 1,15 Д- 1000<ру3 к;
1 +0,02 (В™ —7)
(75)
(76)
(77)
(78)
(79)
то
1 +0,02 (в™Р — 7)
-и™Р з.п
(80)
(81)
(82)
Для получения составов легкого бетона при минимальных расходах цемента необходимо правильно выби
141
рать материалы для бетона. Рекомендуется назначать марку цемента в зависимости от проектной марки бетона в соответствии с табл. 36. Прочность на сжатие крупного заполнителя должна быть не менее, чем указанная в табл. 37. Объемная насыпная масса крупного заполнителя должна быть (как правило) не более, чем указано в табл. 38. Соотношение между фракциями крупного заполнителя может приниматься для фракции 5—10, 10—20 мм — 40:60%, для фракций 5—10, 10—20, 20—40 мм — 20:30:50%.
Таблица 36. Марки цементов, принимаемые для приготовления легких бетонов
Марки цементов по ГОСТ 10178—62
Проектная марка легкого бетона рекомендуемые допускаемые
150 400 300, 500
200 400 300, 500
250 400 300, 500, 600
300 500 400, 600
350 500 400 , 600
400 500 400, 600
500 600 500
Таблица 37. Минимальная прочность крупных пористых заполнителей в зависимости от заданной марки бетона
Заданная марка бетона по прочности на сжатие Марка крупного заполнителя по прочности на сжатие Прочность на сжатие заполнителей при сдавливании в цилиндре по ГОСТ 9758—69, кгс/см2 (10Б Па)
пористого гравия пористого щебия, за исключением аглопорито-вого а глопорито во-го щебия
150 75 15 10 6
200 100 20 12 7
250 125 25 15 8
300 150 35 18 10
350 200 45 22 12
400 250 55 27 14
500 300 65 33 16
Примечание. При соответствующем технико-экономическом обосновании можно применять заполнители с прочностью ниже указанной в таблице.
145
Таблица 38. Максимальная марка по объемной насыпной массе крупных заполнителей в зависимости от заданной объемной массы бетона (кг/м3)
Заданная объемная масса бетона в высушенном состоянии, кг/м3 Пористый гравий Пористый щебень
1200 —/500 * 1 -
1300 —/600 —/500
1400 —/700 —/600
1500 600/800 500/700
1600 700/900 600/800
1700 800/— 700/900
1800 900/— 800/1000
Примечание. До черты — объемная насыпная масса крупных пористых заполнителей при использовании плотного песка (кварцевого и т. п.), а за чертой — объемная насыпная масса при использовании пористого песка, полученного в процессе дробления крупных заполнителей или отсева от них мелкой фракции. Объемная масса бетона свыше 1800 кг/м3 допускается только для бетона марок 300 и более.
Прочность пористого заполнителя определяется сдавливанием зерен данной фракции в стальном цилиндре диаметром 120 мм путем погружения пуансона на глубину 20 мм. Среднюю прочность крупного заполнителя подсчитывают по формуле
= 0,01 Xl + *2 + /$, х3 ), (83)
где iR” , —прочность каждой фракции; хь х2, х3 —
процентное содержание каждой фракции в смеси по массе.
Мелкие пористые пески, применяемые в легких бетонах марок 150—500, должны иметь .модуль крупности 1,8—2,5 и объемную насыпную массу не менее 600 кг/м3. Для бетона марки 150 допускается применение вспученного перлитового песка с объемной насыпной массой более 200 кг/м3.
Содержание в песке зерен .размером менее 0,14 мм должно быть не более 10% по объему. Для бетонов марок 150—200, когда активность цемента больше рекомендуемой, можно применять пески с содержанием зерен размером менее 0,14 мм в количестве до 25%.
Предварительный состав легких бетонов на плотном песке устанавливают в следующем порядке.
1. Определяют расход цемента в (зависимости от заданной марки бетона, марки цемента и прочности крупного заполнителя (табл. 39 и 40).
146
Таблица 39. Ориентировочный расход цемента для расчета состава бетонов на пористых заполнителях с предельной крупностью 20 мм и плотном песке с жесткостью бетонной смеси 20—30 с
Марка бетона Рекомендуемая марка цемента Марка пористого заполнителя по прочности зерна
75 100 125 150 200 250 300
150 400 300 280 260 240 230 220 210
200 400 340 320 300 280 260 250
251 400 —i — 390 360 330 310 290
300 500 — — — 420 390 360 330
350 500 — - 450 410 380
400 500 ' — — 480 450
500 600 — — — 570 540
Примечание. Марка заполнителя по прочности зерна определяется по R £ [формула (83) ].
Таблица 40. Коэффициенты изменения расходов цемента при изменении его марки, вида песка, предельной крупности заполнителя и подвижности (жесткости) бетонной смеси
Характеристика материала Марка бетона
150 200 250 300 350 400 500
Цемент марки:
300 1,15 1,2 — —— - — ——
400 1 1 I 1,15 1,2 1,25 " -
500 0,9 0,88 0,85 1 1 1 1,1
600 0,8 0,9 0,88 0,85 1
Песок:
плотный 1 1 1 1 1 1 1
пористый 1,1 1.1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1
Наибольшая крупность заполнителя, мм
40 0,9 0,9 0,93 0,93 0,95 0,95 0,95
20 1 1 1 1 1 1 1
10 1,1 1,1 1,07 1,07 1,05 1,05 1,05
Жесткость смеси, с:
20—30 1 1 1 1 1 1 1
30—50 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9
50—80 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85
Подвижность смеси, сг:
1—2 1,07 1,07 1,07 1,07 1,07 1,07 1,07
2—5 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1
8—12 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25
147
Таблица 41. Ориентировочные начальные расходы воды для приготовления бетонной смеси с использованием плотного песка и пористого крупного заполнителя, л/м3
Осадка конуса, см Жесткость, с Предельная крупность, мм
гравия щебня
10 20 40 10 20 40
8—12 235 220 205 265 250 235
3—7 - 220 205 190 245 230 215
1—2 10—20 205 190 175 225 210 195
“— 20—30 195 180 165 215 200 185
* 30—50 185 170 160 200 185 175
50—80 175 160 150 190 175 165
Примечание. При использовании пористого песка начальный расход воды или ориентировочно увеличивается примерно на 30— 50 л, или может быть подсчитан по формуле (74).
2. Устанавливают начальный расход воды в зависимости от заданной жесткости или подвижности бетонной смеси, наибольшей крупности и вида крупного заполнителя (табл. 41).
3. Определяют объемную концентрацию крупного заполнителя в зависимости от расхода цемента и воды, заданной объемной массы зерен крупного заполнителя и водопотребности песка (табл. 42). Если исходные данные находятся в промежутках между указанными в табл. 42, то значения <р выбираются по интерполяции.
Объемная концентрация крупного заполнителя не должна превышать более чем на 0,05 оптимальное значение, указанное в табл. 43. Если это условие не выполняется, то следует применять более легкие заполнители.
4. Определяют расход крупного заполнителя:
/С = 1000 <р YS.K, (84)
где у3.к — объемная масса зерен крупного заполнителя в цементном тесте, кг/л.
Объемную массу зерен крупного заполнителя в цементном тесте ориентировочно можно определять, умножая объемную массу зерен крупного заполнителя на коэффициент, равный 1,05 для пористого гравия и 1,1 для пористого щебня.
148
Таблица 42. Объемная концентрация крупного заполнителя для легких бетонов на плотном песке
Водопотребность песка. %
6 8 10
«9 5^ ч Расход воды. л
Й 160 200 240 160 200 240 160 200 240
1500 1 1 1 ,2 ,4 0,47 0,5 0,43 0,46 0,5 0,38 0,42 0,46 0,46 0,5 0,41 0,45 0,49 0,35 0,4 0,45 0,45 0,48 0,4 0,44 0,48 0,32 0,38 0,43
1600 1 1,2 1,4 1.6 0,43 0,47 0,5 0,54 0,38 0,42 0,46 0,5 0,32 0,35 0,41 0,45 0,42 0,46 0,5 0,53 0,35 0,4 0,45 0,49 0,25 0,3 0,39 0,44 0,39 0,44 0,48 0,53 0,32 0,38 0,43 0,48 0,27 0,36 0,43
1700 1 1 1 1 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0,39 0,43 0,47 0,5 0,54 0,31 0,38 0,41 0,46 0,5 0,27 0,33 0,4 0,45 0,36 0,41 0,45 0,49 0,53 0,26 0,33 0,39 0,44 0,49 о,з 0,37 0,43 0,32 0,38 0,43 0,48 0,53 0,28 0,36 0,42 0,48 0,29 0,31 0,41
1800 ] < 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0,37 0,42 0,45 0,51 о,з 0,34 0,4 0,45 0,5 0,25 0,26 0,38 0,44 0,33 0,39 0,45 0,49 0,37 0,44 0,49 0,25 0,3 0,42 0,36 0,42 0,48 0,3 0,41 0,48 0,27 0,44
Примечание. В таблице приведены значения <р при расходе цемента 300 кг/м3. При большем расходе цемента значения <р возрастают приблизительно на 0,01 на каждые 100 кг/м3 цемента, при уменьшении расхода цемента — соответственно сокращаются.
5. Устанавливают расход плотного песка в зависимости от объемной массы бетона у б и расходов цемента и крупного заполнителя:
П = уб-1.15//-/<.
(85)
6. Определяют общий расход воды с учетом поправок на расходы крупного пористого заполнителя и цемента и на водопотребность песка:
Д — Во В™В2 Вд,
(86)
поправки определяются по формулам (71) — (73).
149
Таблица 43. Оптимальная объемная концентрация крупного заполнителя
Межзерновая пустотность Жесткость свыше 30 с Осадка конуса 1—3 см или жесткость 10—30 с Осадка конуса свыше 3 см
0,36 0,52 0,49 0,47
0,38 0,50 0,47 0,45
0,4 0,48 0,45 0,43
0,42 0,46 0,43 0,41
0,44 0,44 0,41 0,39
0,46 0,42 0,39 0,37
0,48 0,4 0,37 0,35
0,5 0,38 0,35 0,33
0,52 0,36 0,33 0,31
0,54 0,34 0,31 0,29
Первоначальный состав легких бетонов на пористом или смешанном (на пористом и плотном) песке устанавливают в следующем порядке:
1. Определяют расход цемента (табл. 39 и 40).
2. Подсчитывают начальный расход воды с учетом водопотребности пористого песка (табл. 41).
3. Определяют объемную концентрацию крупного заполнителя в зависимости от его пустотности и жесткости или подвижности бетонной смеси (табл. 43).
4. Устанавливают расход крупного заполнителя [формула (84)].
5. Определяют расход пористого песка, обеспечивающий получение заданной объемной массы бетона в сухом состоянии (ус) [формула (81)] с использованием значений A, Q, С™ и С"о₽ формул (77)—(80) с учетом, что К—1000 <ру3.к. \
В формулах значение водопотребности пористого (ВпОр) и плотного (В™) песков принимается в %, а объемная масса зерен пористого песка в цементном тесте (уз°.п) — в кг/л. Значение В3 в формуле (77) принимается равным нулю .при использовании оптимальных значений <р или принимается равным 5 л/м3 при увеличении объемной концентрации крупного заполнителя на 0,05 по сравнению с оптимальным значением. Значение В2 в формуле (77) рассчитывают по формуле (72).
6. Определяют расход плотного песка
/7дл ~ Q Т7ПОр. (87)
150
Если окажется, что расход пористого или плотного песка менее 20 кг/м3, то бетон следует готовить только на песке, расход которого наибольший.
7. Подсчитывают общий .расход воды
_|_ /j3>
В = +
(88)
где В р°р —поправка на водопотребность пористого леска, определяемая по формуле:
В"°Р = 0,02 - (Вп — 7). (89)
П vnoP
13.п
Для опытных замесов помимо предварительного состава, определенного вышеприведенным способом, рассчитывают еще два состава, в которых расход цемента принимается на 10—20% меньше и больше, чем полученный в исходном составе. Если на принятых материалах нельзя получить заданную объемную массу бетона при допустимых значениях <р, то диапазон варьирования расхода цемента следует уменьшить так, чтобы объемная концентрация крупного заполнителя оказалась в допустимых пределах или принять другие заполнители.
По результатам опытной проверки строят график 7?б=;-(£() и по нему принимают действительное значение расхода цемента и затем уточняют расходы других материалов.
Пример 13. Подобрать состав керамзитобетона марки 250, объемной массой в сухом состоянии 1700 .кг/м3 при подвижности бетонной смеси по осадке конуса 3—7 см. Материалы: .цемент марки 500, песок плотностью 2,65 кг/л и водогпотребностью 6,5%, керамзитовый гравий марки 700 (табл. 44).
Таблица 44. Характеристики керамзитового гравия
Свойство Фракция Смесь заполнителя
5—10 мм 10—20 мм
Объемная насыпная масса, кг/м3 670 650 680
Объемная масса зерен в цементном тесте, кг/л 1,25 1,19 1,22
Прочность, определяемая в цилиндре, кгс/см2 (МПа) 59 (5,9) 51 (5,1) 55(5,5)
Пустотность 0,46 0,45 0,41
Принимаем соотношение фракции керамзит а 5—40 и 10—20 мм
40:60% (<по массе). .Средняя объемная масса зерен керамзита в це-
местном тесте:
151
100
40 60
1,25 + 1,19
= 1,22 кг/л.
Средняя прочность керамзита в ,цнлин/цре: /?£ =*0,01 (59-40+ +’51 -60) =55 кгс/см2 (5,5 МПа).
По своим свойствам керамзитовый гравий удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу для получения заданных свойств бетона.
Определяем расход цемента по табл. 39, равный 310 кг/м3. По табл. 40 вводим поправочные коэффициенты: на цемент марки 500— 0,85 и на осадку конуса 3—7 см—1,'Г5. Окончательный расход цемента: Ц=310 -0,85-11 Д5=1305 кг/м3
Определяем по табл. 41 начальный расход воды: Во=1190 л/м3.
Интерполируя по табл. 42, находим объемную концентрацию керамзита: (р=0,38. Это значение меньше указанного в табл. 43 (фонт =0,4 для пустотности керамзита 0,43 и осадки конуса бетонной смеси свыше 3 см) и, следовательно, допустимо.
Определяем расход керамзита по формуле (84): Л=11000-0,38Х XI ,©2=465 кг/м3.
Расход песка по формуле (85) /7=1700—1,15-305—465= =885 кг/м3.
Определяем общий расход воды по формуле -(86): В='190+ +©000 (0,38—0,37)2+'0,01 • 885 <(6,5—7) = 186 л/м3.
Пример 14. Подобрать состав керамзитобетона марки 150, объемной массой в сухом состоянии 1600 кг/м3 при жесткости бетонной смеси 30—50 с. Материалы: цемент марки 400, песок плотностью 2,65 кг/л и водопотребностью 6%, песок керамзитовый с объемной массой зерен в цементном тесте 1,8 кг/л и водопотребностью 14%, щебень керамзитовый фракции 5—10 мм с -объемной насыпной массой 880 кг/м3, объемной массой зерен .в цементном тесте 1,75 кг/л, пустотностью 0,5, прочностью .в цилиндре 15 кгс/см2 ('1,5 МПа)ж.
По табл. 39 расход цемента будет равен 260 кг/м3. По табл. 40 находим поправочные коэффициенты па пористый (смешанный) песок 1,<1, на меньшую .крупность щебня 1,1, на жесткость смеси 0,9. Окончательный расход цемента: //=260-1,1 • 1,1-0,9=283 кг/м3.
Начальный расход воды по табл. 41 составит: Во=200 л/м3.
Определяем по табл. 43 объемную концентрацию щебня: <р=0,38. Расход крупного заполнителя /<=1000-0,38-1,75 = 665 кг/м3.
Определяем расход пористого песка по формулам (77)—>(81):
283
Bt = 0; В2 = 0; А = 1000 (1—0,38) —----- — 200 = 329 кг/м3;
3,1
с?л =
Q = 1600— 1,15-283 — 665 = 611 кг/м3;
1+0,02(14 — 7)
= 0,37; v
2,65
1.8
= 0,63;
390 кг/м3.
_ 329 —611-0,37 /7пор— 0,634 — 0,37
Расход плотного песка по формуле (87) /7ПЛ=6111—390= =(221кг/м3.
152
Определяем общий расход воды по формулам (88) и (89) 5?* = 0,01-221 (6 — 7) = 2,2 л/м3;
390
В?°Р = 0,02 —— (14 —7) =30,3 л/м3; л 1,8
В = 200 — 2,2 + 30,3 и 228 л/м3.
§ 34. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПОРИЗОВАННЫХ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Состав песчаного легкого бетона, поризованного воздухововлекающими добавками, подбирают в следующей последовательности.
Расход цемента марки 400 принимают для бетона марки 35 на керамзитовом щебне равным 200 кг/>м8, увеличивая его на 30 кг/м3 для каждой более высокой марки (50, 75, 100), расход воды ориентировочно определяют по табл. 41, расход крупного заполнителя по формуле (84) при ф=0,5...0,55.
Для трех расходов цемента (уточненного табличного значения и отличающегося от него на ±20%) по формуле (85) устанавливают расход песка для получения заданной массы бетона.
Ориентировочное значение необходимого объема вовлеченного воздуха для получения поризованного бетона слитной структуры подсчитывают то формуле
1
10
(90)
По этим данным определяют ориентировочный расход микропенообразователя (табл. 45).
Таблица 45. Ориентировочный расход воздухововлекающих добавок для приготовления поризованных легких бетонов (% от массы цемента)
Микропенообразователь Требуемый объем вовлеченного воздуха, % Песок
дробленый керамзитовый кварцевый шлаковый
ЦНИПС-1 или абиетат натрия (СНВ) сч QO 1 1 1 0,02—0,1 0,05—0,15 0,04—0,15 0,1— 0,2 0,05—0,15
Гидролизованная кровь (ПО-6) 8—12 0,3—1 0,5—1,5 0,5—1,5 1—2,5 1—2
153
Готовят опытные замесы и корректируют расход воды по заданным значениям подвижности бетонной смеси. По результатам испытания образцов строят графики зависимости прочности и объемной массы легкого бетона при данных расходах цемента от расхода добавки и устанавливают оптимальный состав бетона. Этот со
став проверяют в производственных условиях, вводя поправки на расход керамзита (с учетом его частичного раздробления в смесителе).
Состав беспесчаного легкого бетона, поризованного пено- или газообразующими добавками, подбирают в следующей последовательности:
1) устанавливают расход заполнителя;
2) определяют объем ячеистого бетона;
3) рассчитывают и уточняют в опытных замесах состав ячеистого бетона, обеспечивающий заданную подвижность бетонной смеси и прочность затвердевшего легкого бетона. При этом бетон должен иметь плотную (слитную) структуру.
Зерновой состав пористого заполнителя устанавливают из условия получения минимальной пустотности, его объемная масса и прочность должны соот ветствовать заданным свойствам легкого бетона.
Расход пористого заполнителя (л) формуле
________1000
1+рщ(а-1) ’
определяют по
(91)
где рщ—.межзерновая пустотность заполнителя; а — коэффициент раздвижки зерен заполнителя, принимаемый равным 1,1—1,2.
Объем ячеистого бетона (л) подсчитывают из условия заполнения межзерновых пустот заполнителя с некоторым избытком по формуле
^,.6 = рщ я. (92)
Объемную массу ячеистого бетона в сухом состоянии устанавливают из условия получения заданной объемной массы легкого бетона по формуле
1000уб — Ущущ Уя б -s V .
кя.б
(93)
где — объемная масса (насыпная) пористого заполнителя, кг/л.
Состав ячеистого бетона определяют по методике, изложенной в главе 9. При этом его прочность должна быть не менее заданной прочности легкого бетона. Учи
154
тывая, что изделия из поризованного бетона подвергаются, как правило, тепловой обработке при атмосферном давлении, рекомендуется для уменьшения расхода цемента применять активные кремнеземистые добавки.
Для опытных замесов рассчитывают три состава легкого бетона с расходом пористого заполнителя: один определяемый по формуле (91) и два отличающихся отнего на ±10%. По данным испытания опытных образцов, прошедших тепловую обработку по заданному режиму, выявляют зависимость между прочностью легкого бетона и объемной массой ячеистого бетона. Принимают оптимальный состав бетона, обеспечивающий получение легкого бетона заданной прочности и объемной массы при наименьшем расходе цемента.
§ 35. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА КРУПНОПОРИСТОГО ЛЕГКОГО БЕТОНА
Достав крупнопористого конструктивно-теплоизоляционного бетона на легких заполнителях определяют также расчетно-экспериментальным методом. При этом задаются марка и объемная масса бетона. Бетоны такой структуры отличаются высокой жесткостью; поэтому при определении состава контролируют нерассла-иваемость бетонной смесиЭ
Расход цемента для получения крупнопористого бетона определяют по табл. 46.
Таблица 46. Ориентировочный расход цемента марки 300 для крупнопористого бетона на легких заполнителях
Заполнитель Объемная масса заполнителя в уплотненном состоянии, кг/м8 Марка бетона
35 50
Керамзитовый гравий 1 500—800 255—190 300—235
Аглопорит, шлаковая пемза, природные крупнопористые заполнители 500—800 215—155 250—180
Природные мелкопористые заполнители 800—1200 235—180 275—210
Расход крупного заполнителя Щ принимают в зависимости от его пустотности рщ: при рщ=40% — —1,1 м3/м3, при рщ=50%—1,15 м3/м3, при рщ=60% — —1,25 м3/м3. Для производственного состава расход "заполнителя увеличивают на 5—15% в зависимости от
155
особенностей смесителя и прочности заполнителя; при перемешивании часть его зерен может разрушиться.
Расход воды ,(л) определяют по формуле
НГЦ±Щ^
100 * v
где НГ—нормальная густота цементного теста, %; ^зо — водопог-лощение по .массе сухого крупного заполнителя за 30 мин, %.
Съемную массу сухого бетона вычисляют по формуле
уб=1,154 + Щ. (95)
Для уточнения расхода цемента и воды приготовляют три опытных замеса: с расчетным количеством цемента и два отличающихся от него на ±15—20%. Оптимальное количество воды принимают по составу смеси, имеющей наибольшую объемную массу и показатель расслаиваемое™ менее 10%.
Если бетонная смесь имеет объемную массу больше заданной, в нее добавляют крупный заполнитель или заменяют его более легким.
Оптимальный состав бетона устанавливают по результатам испытания образцов на прочность?
Пример 15. Определить состав крупнопористого легкого бетона марки 50. Материалы: цемент марки 300 с 'нормальной густотой 26%, керамзитовый гравий с объемной насыпной массой 600 кг/м3, объемной .массой зерен .1,2 кг/л и водопоглогцением 35%.
Ориентировочный расход цемента по та1бл. 46 равен 270 кг/м3.
Пустотность заполнителя
1,2 —0,6
рщ =---т-7— Ю0% = 50%.
(Расход крупного заполнителя принимаем равным 1,'Г5 м3/м3 или 600-il,li5—690 кг/м3.
(Расход воды
26-270 + 690-35
В =-------1-----= 310 л.
100
Полученный состав уточняют после проведения пробных замесов.
Глава 10
ПОДБОР СОСТАВА ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
§ 36. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
Ячеистые бетоны — это особо легкие бетоны с большим количеством (до 85% общего объема бетона) мел
156
ких и средних воздушных ячеек размером до 1—
3 мм. Пористость ячеистым бетонам придается:
а) механическим .путем — тесто, состоящее из вяжущего и воды, часто с добавкой мелкого песка, смешивают с отдельно приготовленной пеной; при отвердевании получается пористый материал, называемый пенобетоном;
б) химическим путем — в вяжущее вводят специальные газообразующие добавки; в результате в тесте вяжущего вещества происходит реакция газообразования, оно вспучивается и становится пористым. Затвердевший материал называют газобетоном.
Ячеистые бетоны по объемной массе и назначению делятся:
на теплоизоляционные — с объемной массой 300— 600 кг/м3 и прочностью 4—12 кгс/см2 (0,4—1,2 МПа):
на конструктивные — с объемной массой от 600 до 1200 кг/м3 (чаще всего около 800 кг/м3) и прочностью 25—'150 кгс/см2 (2,5—15 МПа).
В СССР широко развивается производство изделий из автоклавных ячеистых бетонов, т. е. твердеющих в автоклавах при пропаривании под давлением 8— 10 атм (0,8—1 МПа).
Автоклавные ячеистые бетоны изготовляют из следующих смесей:
а) цемента с кварцевым песком, при этом часть песка обычно размалывают;
б) молотой негашеной извести с кварцевым частично измельченным песком; такие ячеистые бетоны называют пеносиликатами или газосиликатами;
в) цемента, извести и песка в различных соотношениях.
Песок в этих изделиях может быть заменен золой. Тогда получают пенозолобетон или газозолобетон.
Портландцемент применяют алитовый (C3S^50%), низко- и среднеалюминатный (СзА=б...8%) с началом схватывания не позднее 2 ч; по остальным показателям он должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10178—62.
Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения рекомендуется применять цементы марки не менее 300. При этих условиях достигается в короткий срок необходимая устойчивость ячеистой массы до ее тепловлажностной обработки.
Применять пуццолановый портландцемент и шлако-
157
портландцемент, отличающиеся замедленными сроками схватывания, без опытной проверки не рекомендуется. Они также могут явиться причиной повышенной усадки ячеистой массы после заполнения формы.
Для автоклавного ячеистого бетона наиболее целесообразно использовать портландцемент совместно с известью-кипелкой (смешанное вяжущее) в отношении I: I по массе. Для приготовления автоклавных ячеистых бетонов применяют известь с содержанием активной СаО не менее 70%, MgO не более 5%, высокоэкзотермическую с температурой гашения около 85°С. Тонкость помола молотой извести-кипелки, характеризуемая удельной поверхностью частиц, должна быть не ниже 3500—4000 см2/г.
В качестве кремнеземистого компонента рекомендуется применять чистые кварцевые пески, содержащие не менее 90% кремнезема, не более 5% глины и 0,5% слюды. Песок в зависимости от объемной массы ячеистого бетона должен иметь удельную поверхность от 1200 до 2000 см2/г.
Зола-унос, применяемая вместо молотого песка, отличается неоднородностью химико-минералогического состава. Зола характеризуется высокой пористостью и дисперсностью. Эти особенности свойств золы спобст-вуют повышенной влагоемкости и замедленной водоотдаче бетона, его пониженной трещиностойкости.
К преимуществам золы по сравнению с песком можно отнести возможность применения ее в отдельных случаях без предварительного размола. Это позволяет получать изделия меньшей объемной массы, чем с кварцевым песком.
Зола-унос должна содержать кремнезема не менее 40%; потеря в массе при прокаливании в золах, получаемых при сжигании антрацита и каменного угля, не должна превышать 8%, а для остальных зол — 5%; удельная поверхность должна быть (равна 2000— 3000 см2/г.
Другие кремнеземистые, алюмосиликатные и каль-циевоалюмосиликатные компоненты (трепел, трассы, опока и др.), характеризующиеся повышенной водопот-ребностью, для таких бетонов почти не используют.
Для образования ячеистой структуры бетона применяют пенообразователи и газообразователи.
В качестве пенообразователей используют несколько
158
видов поверхностно-активных веществ, способствующих получению устойчивых пен.
Клееканифольный пенообразователь приготовляют из мездрового или костного клея, канифоли и водного раствора едкого натра. Этот пенообразователь при длительном взбивании эмульсии дает большой объем устойчивой пены. Он несовместим с ускорителями твердения цемента кислотного характера, так как они вызывают свертывание клея. Хранят его не более 20 сут в условиях низков положительной температуры.
Смолосапониновый пенообразователь приготовляют из мыльного корня и воды. Введение в него жидкого стекла в качестве стабилизатора увеличивает стойкость пены. Этот пенообразователь сохраняет свои свойства при нормальной температуре и влажности воздуха около 1 мес.
Алюмосульфонафтеновый пенообразователь получают из керосинового контакта, сернокислого глинозема и едкого натра. Он сохраняет свои свойства при положительной температуре до 6 мес.
Пенообразователь ГК готовят из гидролизованной бо-енской крови марки ПО-6 и сернокислого железа. Этот пенообразователь сохраняет свои свойства при хранении в отапливаемом помещении до 6 мес, его можно применять с ускорителями твердения. Расход пенообразователя для получения пены составляет: .клееканифольного 8—12%; смолосапонинового 12—16%; алюмосульфона-фтенового 16—20% и пенообразователя ГК 4—6% от количества воды. Смесь из двух пенообразователей (например, ГК и эмульсии мыльного корня в соотношении 1:1) позволяет получить более устойчивую 'пену, но это несколько усложняет технологию.
В качестве газообразователя в производстве газобетона и газосиликата применяют алюминиевую пудру, которую выпускают четырех марок (ГОСТ 5494—71). Для производства газобетона используют пудру марки ПАК-3 или ПАК-4 с содержанием активного алюминия 82% и тонкостью помола 5000—6000 см2/г. Расход алюминиевой пудры зависит от объемной массы получаемого газобетона и составляет 0,25—0,6 кг/м3.
При производстве алюминиевой пудры для защиты ее от окисления вводят парафин, который обволакивает тонкой пленкой каждую частичку алюминия, придавая ему гидрофобность. Такая пленка препятствует осаждению
159
пудры в воде и образованию водной суспензии. Поэтому алюминиевую пудру (слой толщиной 4 см) предварительно прокаливают в электрических печах при температуре 200—220°С в течение 4—6 ч.
Применяют также способ приготовления суспензии с растворами поверхностно-активных веществ (канифольное мыло, мылонафт, сульфанол и др.), которые придают чешуйкам пудры гидрофильность.
Обработка пудры растворами ССБ или смолосапо-нинового пенообразователя замедляет газообразование, уменьшает количество выделяемого газа. Расход поверхностно-активной добавки (в пересчете на сухое вещество) составляет около 57о массы пудры.
Добавки—ускорители твердения вяжущих -и вода для приготовления ячеистых бетонов должны удовлетворять требованиям, изложенным в главе 5. Для замедления скорости гашения молотой извести-кипелки добавляют двуводный гипс. Он должен иметь тонкость помола, характеризуемую остатком на сите № 02 не более 3%. Допускается применять полуводный гипс вместе с добавкой поташа. Использование для этой цели других добавок (кератиновый замедлитель, животный клей, поверхностно-активные вещества) менее эффективно.
При определении состава ячеистого бетона необходимо обеспечить заданную объемную массу и его наибольшую прочность при минимальных расходах порообразо-вателя и вяжущего вещества. При этом структура ячеистого бетона должна характеризоваться равномерно распределенными мелкими порами правильной шаровидной формы.
Объемная масса ячеистого бетона и его пористость зависят главным образом от расхода тюрообразователя и степени использования его порообразующей способности. На них оказывают некоторое влияние температура смеси и количество воды, принятое для затворения смеси, точнее водотвердое отношение В/Т (отношение объема воды к массе вяжущего вещества и кремнеземистой добавки). Увеличение В/Т повышает текучесть смеси, а следовательно, улучшает условия образования пористой структуры, если обеспечивается достаточная пластическая прочность смеси к концу процесса газообразования.
Прочность ячеистого бетона зависит от его пористости, структуры пор и прочности межпоровых оболочек.
160
С увеличением BIT до оптимального значения, обеспечивающего наилучшие условия формирования структуры смеси, прочность ячеистого бетона повышается.
Прочность оболочек, в свою очередь, зависит от оптимального соотношения основ1ного вяжущего и кремнеземистого компонента, от BIT, а также условий тепловлажностной обработки.
Из этого следует, что применение смесей с минимальным значением BIT при условии образования высококачественной структуры (например, вибровспучиванием) позволяет получить ячеистый бетон более высокой прочности.
§ 37 ПОДБОР СОСТАВА ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ
Состав ячеистого бетона, как и других бетонов, определяют расчетно-экспериментальным методом. Определению состава бетона должна предшествовать проверка соответствия качества материалов требованиям соответствующих ГОСТов, а также определение показателей свойств порообразователя.
Состав газо- и пенобетонов по методике НИИЖб подбирают в такой последовательности:
1) устанавливают оптимальное соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим веществом;
2) определяют BIT, обеспечивающее оптимальную текучесть смеси и лучшее использование порообразователя;
3) приготовляют пробные замесы и уточняют оптимальный состав ячеистого бетона.
Оптимальное соотношение С между кремнеземистым компонентом и вяжущим определяется в два этапа. Предварительно на пробном замесе с исходным значением С устанавливают количество воды в смеси (или В/Т), обеспечивающее оптимальную текучесть смеси. Исходное значение С принимают в зависимости от применяемого вяжущего: для извести (с содержанием 70% активной СаО) С=3, для известково-цементного в’яжущего (состав 1:1) и нефелинового цемента С=.1,5, для известковошлакового цемента и портландцемента С=1.
За исходные значения В/Т принимают такие, которые соответствуют текучести, указанной в табл. 47.
161
Таблица 47. Значение текучести раствора для определения исходного В/Т смеси (диаметр расплыва раствора на вискозиметре
Суттарда, см)
Заданная объемная масса ячеистого бетона в сухом состоянии, кг/м® Пенобетон на всех вндахЗ вяжущих Газобетон
на цементе и цементно-известковом вяжущем на извести и известково-шлаковом цементе на нефелиновом цементе
600 26 26 21 32
800 22 18 17 22
1000 18 14 14 15
1200 14 12 12 12
Примечание. Температура раствора газобетона должна находиться в интервале 32—45°С, газосиликата — 30—40°С и пенобетона — 20—30°С.
I
Оптимальное значение С устанавливают по наибольшим результатам испытания на сжатие 3—4 серий образцов из раствора при следующих значениях С:
на извести ................
на портландцементе и известково-шлаковом цементе на известково-цементном вяжущем и нефелиновом цементе ...................
2,4; 2,6; 2,8; 3,2; 3,4; 3,6
0,75; 1,25; 1,50; 1,75
1; 1,25; 1,75; 2
Оптимальное отношение В/Т (а для газобетона и температуру раствора) определяют по максимальному коэффициенту использования порообразователя а. При этом кроме исходного значения В/Т принимают два других, отличающихся от него на ±0,04, а температуру смеси — на ±5°С от исходной.
В случае приготовления газобетона вибровспучиванием В/Т назначают на 20—30% меньше, чем для обычной технологии. При этом определяют пластическую прочность смеси после вибрирования.
За оптимальные принимают значения В/Т, при которых будет получен наибольший коэффициент использования порообразователя.
Расход материалов (кг) на каждый пробный замес объемом V определяют по формулам:
для вяжущего
V;
(96)
162
для кремнеземистого компонента Рц = РВЯЖ О»
(97)
ДЛЯ воды
Рв=(/>вяж + ^К)В/7'.
(98)
где у,6 — заданная объемная масса ячеистого бетона в сухом состоянии, кг/л; Ко — коэффициент, учитывающий гидратную воду; для предварительных расчетов его принимают равным 1,4.
Расход порообразователя Рп (кг) на замес ячеистого бетона вычисляют по формуле
Рп = ~~ И, (99)
а К
где К— выход пор (отношение объема шор к массе порообразователя, л/кг); для алюминиевой пудры ПАК-3 (при температуре раствора 40°С) К =1390, а для пенообразователя ГК /<=20 л/кг; а — коэффициент использования порообразующей способности, для предварительных расчетов принимают равным 0,85; Пя—(пористость ячеистой смеси в долях единицы объема, соответствующая заданной объемной массе бетона:
Пя=1-^ (W + B/T), (100)
Ас
где W— абсолютный объем 1 кг сухой смеси, л (табл. 48).
Пористость смеси можно также определить по фактическим значениям объемной массы раствора (без учета массы порообразователя) ур и ячеистой смеси уя оптимального состава:
Пя = 1 -----.
Y₽
Т а б л и ц а 48. Исходные значения, U7, л
Кремнеземистый компонент Плотность, кг/л Вяжущее
портландцемент при С=1 смешанное нлн нефелиновый цемент прн С=1,5 известь прн С—3 известково-шлаковый цемент при С=1
Песок 2,65 0,34 0,36 0,38 0,32
Зола 2,36 0,38 0,4 0,4 0,36
Зола 2 0,44 0,48 0,48 0,48
Из ячеистого бетона оптимального состава готовят контрольные образцы, которые испытывают после тепловлажностной обработки. По результатам их испытания уточняют состав бетона, который должен обеспечить получение материала с заданной объемной массой (не больше) и требуемой марки по прочности.
163
Раздел IV
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ОСОБЫХ ВИДОВ БЕТОНА
Глава 11
МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ
§ 38. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ
Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций применяют мелкозернистый бетон, не содержащий щебня. Армируя этот бетон стальными ткаными сетками, получают армоцемент—высокопрочный материал для тонкостенных конструкций. Мелкозернистый бетон можно также использовать для изготовления железобетонных конструкций в районах, где отсутствуют щебень и гравийно-песчаная смесь.
Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и удельная поверхность твердой фазы.
Исследования показали, что прочность на сжатие мелкозернистого цементно-песчаного бетона, как и обычного, определяется главным образом активностью цемента и водоцементным отношением, однако изменение ВЩ оказывает несколько большее влияние на прочность мелкозернистого бетона, чем обычного (крупнозернистого) бетона, так как возможности регулиров!ания свойств заполнителя и соответственно его влияние на бетон в мелкозернистом бетоне ограничены. В обычном бетоне свойства заполнителя регулируются путем изменения соотношения между песком и щебнем и, кроме того, при высоких значениях ВЩ жесткий каменный скелет способствует упрочнению бетона. Более заметно, чем в обычном бетоне, на прочность цементно-песчаного бетона на сжатие влияет качество песка и состав бетона, а также измене-
164
мие влажности среды при твердении. Меньшая крупность и повышенная удельная поверхность заполнителя (песка) увеличивают водопотребность бетонной смеси, способствуют вовлечению в бетонную смесь воздуха при вибрировании. Водопотребность цементно-песчаной смеси определяется не только требуемой подвижностью, как у обычного бетона, но и ее составом. Например, для получения бетонной смеси с осадкой конуса 2 см при применении песка средней крупности расход воды при составе бетона 1:3 равен 260 л/м3, а при составе бетона 1:2— 300 л/м3.
В результате для получения равнопрочного бетона и равноподв'ижной бетонной смеси в мелкозернистом бетоне на 20—40% возрастает расход цемента по сравнению с обычным бетоном. Для снижения расхода цемента следует применять химические добавки, эффективное уплотнение песчаных бетонных смесей и крупные пески с оптимальным зерновым составом. В цементно-песчаных смесях с высоким расходом цемента полезно использовать сульфитно-спиртовую барду или комплексную добавку, состоящую из ССБ и ускорителя твердения цемента. Хорошее уплотнение цементно-песчаной смеси достигается прессованием, трамбованием, вибрированием с пригрузом или вибровакуумированием. Например, при обычном вибрировании образцов мелкозернистого бетона на цементе марки 400 состава 1:2 в одном из опытов была достигнута максимальная прочность в возрасте 28 сут 550 кгс/см2 (55МПа) при объемной массе 2,3 т/м3, а при трамбовании прочность бетона повысилась до 770 кгс/см2 (77 МПа) при объемной массе 2,4 т/м3.
Качество песка оказывает заметное влияние на прочность мелкозернистого бетона. Если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5—10%, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25—30%, а максимальная прочность песчаного бетона составов 1:2—1:3, которую можно достигнуть при определенной интенсивности уплотнения, иногда снижается в 2—3 раза. Поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать крупные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными высевками от дробления камня и мелким гравием.
Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций обычно применяют цементно-песчаную смесь малоподвижной консистенции составов 1:3—4:4, а для
165
изготовления армоцемента — более жирные составы 1 :2. При формовании изделий в двухсторонней опалубке применяют литые цементно-песчаные смеси. При прессовании или вибрировании с пригрузом используют жесткие бетонные смеси.
Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью при изгибе, водонепроницаемостью и морозостойкостью. Поэтому его можно использовать для дорожных покрытий в районах, где нет хорошего щебня, для труб, для гидротехнических конструкций.
Испытания мелкозернистого бетона целесообразно проводить на образцах малого размера. Его прочность можно оценить испытанием половинок балочек 4Х4Х Х16 см, а подвижность бетонной смеси—расплывом конуса на встряхивающем столике, как при испытании цемента в пластичном растворе, или по удобоукладываемости при вибрировании малого конуса (ДК=10 см) в форме 10ХЮХ10 см (по аналогии со способом Б. Г. Сирамтаева для обычного бетона).
Испытания на встряхивающем столике позволяют оценить подвижность малоплас'гичных смесей, наиболее употребительных при изготовлении тонкостенных конструкций, с большей степенью точности, чем другие методы. Водопотребность песка определяют обычным способом, который описан в главе 6.
Большое значение при определении состава цементно-песчаного бетона для армоцементных конструкций имеет правильная оценка поведения цементно-песчаной смеси в условиях густого армирования стальной тканой сеткой. Такая оценка может быть сделана путем определения формуемости армоцемента, под которой подразумевается способность цементно-песчаной смеси плотно укладываться -в данных условиях и которая, по существу, определяет длительность процесса изготовления армоце-ментной конструкции.
Формуемость армоцемента определяют на специальном приборе (рис. 41). Она зависит от подвижности цементно-песчаной смеси и схемы армирования. Прибор состоит из нижней и верхней прижимных рамок /, соединяемых ма болтах, между которыми может набираться любая схема армирования 2. Нижняя рамка имеет лапки 6 для крепления к обычной металлической форме. На верхнюю рамку с помощью кронштейнов крепится металлический полый цилиндр 5. Нижнее отверстие цилиндра
166
Рис. 41. Схема прибора для определения формуемости армо-цемента
Рис. 42. Схема испытания ятри определении формуемости армо-цемента
167
закрывается задвижкой 4. Формуемость армоцемента определяют двумя способами: на проход (рис. 42,а) и на расплав (рис. 42,6); в последнем случае под нижней прижимной рамкой укладывают пластинку 5 (см. рис. 41) из оргстекла.
Для определения формуемости прибор закрепляют с помощью лапок на обычной форме размером 15Х15Х Х15 см, установленной на вибростоле. В металлический цилиндр помещают навеску цементно-песчаной смеси 300 г, которая позволяет определить формуемость на проход и по расплыву при различном армировании (при толщине до 5 см), и предварительно уплотняют ее штыкованием или вибрированием, закрывая нижнее отверстие цилиндра. После этого задвижку вынимают и включают вибратор. Отрезок времени в секундах, необходимый для вытекания навески цементно-песчаной смеси из цилиндра определяет формуемость армоцемента в данных конкретных условиях. В зависимости от того, каким способом проводилось испытание, можно получить два значения формуемости—на проход или на расплыв. Наибольшее значение для армоцемента имеет формуемость на проход, которая и приводится в графиках, использованных в расчетах.
§ 39. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ОБЫЧНОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА
Наиболее просто и точно состав цементно-песчаного бетона может быть определен расчетно-экспериментальным путем. По этому способу вначале на основе определенных зависимостей рассчитывают предварительный состав бетона, обеспечивающий получение цементно-песчаной смеси заданной подвижности и бетона заданной прочности. Этот состав затем проверяют путем пробных затворений и, если необходимо, уточняют.
Состав цементно-песчаного бетона рассчитывают в следующем порядке.
1. Определяют водоцементпое отношение, необходимое для получения заданной марки бетона:
В __ Л/?ц
Ц ~ /?б + 0,8Л/?ц ’
(Ю1)
где iRc—прочность образцов-половинок балочек 4X4X'l® см из цементно-песчаного бетона в возрасте 28 сут, выдержанных
168
в нормальных условиях, в кгс/см2 (1Па); —активность цемента,
кгс/см2 (Па); А — -коэффициент» равный 0,8 для высококачественных материалов, 0,75 — для материалов среднего качества и 0,65 — для цемента низких марок и мелкого песка,
Формула действительна при коэффициенте уплотнения бетонной смеси более 0,97. Если такое уплотнение не может быть обеспечено, то необходимо учитывать возможное снижение прочности бетона примерно н-а 5% на каждый процент «едоуплотнения.
2. По графикам (рис. 43) определяют соотношение между цементом и песком, обеспечивающее заданную подвижность или удобоукладываемость цементно-песчаной смеси при определенном ВЩ. установленном из формулы (101). На графиках показана подвижность и удо-
Рис. 43. График для выбора соотношения между цементом и песком средней крупности (водопотребносгь 7%), которое обеспечивает заданную подвижность (удобоукладываемость) цементно-песчаной смеси при определенном водоцементном отношении
Примечания: I, Если применяют мелкий песок с водопотреб-ностью свыше 7%, содержание его уменьшают на 5% на каждый процент увеличения водопотребности, прн использовании крупного песка с водопотребиостью ниже 7% содержание его увеличивают на 5% на каждый процент уменьшения водопотребности.
2. Если водопотребность песка неизвестна, то соотношение между цементом и песком корректируют по модулю (Крупности песка на основании рис. 44
боукладываемость цементно-песчаной смеси, приготовленной на песке с модулем крупности 2,6 и >водопотреб-•ностью 7%. При применении другого песка влияние его
крупности на подвижность (удобоукладываемость) цементно-песчаной смеси учитывают в соответствии с примечаниями .к рис. 43 или, если неизвестна водопотребность песка, по графику «а рис. 44.
169
3. Рассчитывают расход цемента:
--------------------------1000----
Рц Ц Рп
(102)
где рц, рп — «плотность цемента и песка; п — соотношение между цементом «и песком, определяемое в соответствии с указаниями п 2.
Формула (102) выведена из уравнения
Ц П
— + В + — = 1000» (103)
Рц Рп
полученного из условия, что сумма абсолютных объемов составных частей плотного цементно-песчаного бетона (л) равна 1 м3, или 1000 л готового плотного бетона, если в нем нет вовлеченного воздуха или объем воздуш-
Рис. 44. График для корректировки соотношений ЩИ, обеспечивающего заданную (подвижность цементно-песчаной смеси в зависимости от крупности песка
ных пор очень мал — менее 1,5% (при уплотнении бетона прокатом, прессованием, трамбованием, центрифугированием).
При уплотнении песчаного бетона вибрированием в него обычно вовлекается воздух (от 2 до 8% по объему). В ©том случае расход цемента определяют по формуле
юоо — в в
1 +
Рц Ц Рп
(104)
где В В — вбъем вовлеченного воздуха, л; для ориентировочных рас-
четов можно принять следующие объемы ВВ:
подвижная бетонная смесь на среднем и крупном (песке . . 20
то же, на мелком песке...............................30
жесткая смесь на среднем и крупном песке.............50
то же, на мелком ческе . . ......................70
170
Действительное количество вовлеченного воздуха уточняют в опытных замесах.
4. Определяют расход воды:
В-ЦВ/Ц. (105)
5. Рассчитывают расход песка:
П = пЦ. (106)
6. На пробных замесах проверяют подвижность или удобоукладываемость цементно-песчаной смеси и при необходимости вносят поправки в состав бетона. Определяют объемную массу свежеуложенного бетона и на контрольных образцах проверяют прочность цементно-песчаного бетона.
По объемной массе свежеуложенной цементно-песчаной смеси устанавливают окончательный расход материалов на 1 м3 бетона. Эта операция имеет важное значение при расчете состава цементно-песчаного бетона, так как возможно (в тощих смесях, при применении мелкого песка и т. д.), что цементного теста не хватит для заполнения пустот между зернами песка, и уложенный бетон будет иметь определенное дополнительное количество пор, которое необходимо учитывать при подсчете материалов на 1 м3 бетона или, наоборот, окажется, что в расчете учтено большее количество вовлеченного воздуха, чем его будет в действительности.
Пример 16. Определить состав бетона для тонкостенной железобетонной плиты. Марка бетона 300, удобоукладываемость цементно-песчаной смесн 30 с. Материалы: портландцемент марки 400, песок обычный строительный с модулем крупности Ми = 1,5, плотность 2,63 кг/л. Условия твердения нормальные.
'1. |По формуле (101) определяем ВЩ:
вщ = °’75'400
= 0,55.
300 4-0,8-0,75 400
2. 1П0 графику на рис. 43 устанавливаем отношение Ц: П (или 1 :п), которое по интерполяции равно 1 :4,3. Вводим поправку, учитывающую крупность песка, т. е. по графику на рис. 44 определяем действительное соотношение \ : пЩ • П) для нашего песка (Мк — =<1,'5), (которое равно 1 : 3,7.
3. Рассчитываем расход цемента (без учета воздухововлечения):
1000
= 440 кг.
2,63
4. Определяем расход воды: 5=440-0,55=240 л.
5. Устанавливаем расход леска- 77=3,7-440=11630 кг.
6. Определяем расчетную объемную массу бетона ус=440-}-240+1630=2310 кг/м3.
171
7. Проводим пробные затворения. Допустим, при этом окажется, что цементно-песчаная смесь показала заданную удобоуклады-еаемость без корректировки состава, а действительная объемная масса смеси оказалась уб.д=2210 кг/м3. Определим действительный расход материалов на I м3 песчаного бетона:
_ / „ 2210 \
Ц = 0,96-440 к 420 кг 0,96 =-------- ;
\ 2310 )
В = 0,96-240 » 230 кг;
/7 = 0,96 1630» 1560 кг.
Другие коррективы вносим в состав после испытания контрольных образцов.
§ 40. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА БЕТОНА ДЛЯ АРМОЦЕМЕНТНЫХ КОНСТРУКЦИИ
При определении состава бетона для армоцементных конструкций необходимо учитывать формуемость армо-цемента. На формуемость армоцемента оказывает большое влияние схема армирования (в частности, число сеток, расстояние между ними и размер ячейки сетки). Чем гуще арматура, тем более интенсивным и продолжительным должно быть вибрирование для уплотнения цементно-песчаной смеси определенной подвижности.
Формуемость армоцемента следует выбирать в зависимости от принятого способа уплотнения:
Способ уплотнения
Формуемость армоцемента, с
5—15
15—40 40—60
60—100
Вручную . . . *.........................
Вибрирование с частотой 3000 кол/мин ....
То же, 6000 кол/мин.....................
Вибрирование с пригрузом ...............
При расчете состава цементно-песчаной смеси для
армоцементных конструкций подвижность смеси определяют в зависимости от требуемой формуемости и заданной схемы армирования по .графику (рис. 45). График составлен для стальной тканой сетки с ячейкой 7X7 мм; если применяют сетку с ячейкой 5X5 мм, то подвижность (определяемая по графику) смеси увеличивается на 40%, а при сетке с ячейкой 10Х'Ю мм—уменьшается на 30%.
Наибольшую крупность песка с?макс, допустимую по условиям армирования, определяют по формуле
Онаге
-0,3,
(107)
где i — размер ячейки стальной гканой сетки, мм; Л—расстояние между сетками, мм.
172
Формула действительна при o^h^l.
В остальном состав смеси определяют по изложенной выше методике.
Рис. 45. График для определения подвижности це-ментнсипесчан ой смеси в зависимости от требуемой формуемости армоцемента в .конструкциях толщиной 2—3 см (на кри-вых указано число сеток)
Пример 17. Требуется подобрать состав цементно-песчаной сме* си для армоцементной кровли толщиной 2 см, армированной пятью сетками 10X10 мм через 4 мм. Марка бетона 400. Материалы: .портландцемент марки 400, песок крупный с водопотребностью 5%, плотностью 2,65 кг/л, наибольшей крупностью 5 мм. Уплотняют цементно-песчаную смесь вибрированием, т. е. формуемость смеси должна быть 20 с; условия твердения нормальные.
1. Рассчитываем ВЩ:
ВЩ =
0,75-400
400 + 0,8 • 0,75-400
= 0,47.
2. Определяем требуемую подвижность ‘цементно песчаной смеси по рис. 45: Р=0,7-165=115 :мм.
3. Проверяем йМакс-’
макс
— 0,3 =6,1 мм.
Следовательно, имеющийся песок может быть применен сразу без предварительного отсева крупных фракций.
4. Определяем по рис. 43 соотношение Ц: П, обеспечивающее требуемую подвижность цементно-песчаной смеси: Ц: П= 1 : 3,2, а с учетом водопотребности песка содержание его увеличивается на 3,2-0,05 (7—5) =0,3,
173
т. е. окончательно Ц: П= 1 : 3,5. Далее расчет выполняем так же, как в примере 16, н> с учетом вовлечения воздуха при вибрировании:
5. Ц =
1000 — 20
1
— +0,47 +
3,1
3,5
2,65
= 465 кг.
6. £=465-0,47= 218 л.
7 П=3,5-465=<1625 кг.
8 ^ = 465+218+1625=2308 кг/м3.
§ 41. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ДОРОЖНОГО МЕЛКОЗЕРНИСТОГО БЕТОНА
Мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет повышенную прочность при изгибе (рис. 46) и достаточную долговечность, поэтому в районах, где отсутствует требуемый для дорожного бетона щебень, бетонные дороги и аэродромные покрытия можно выполнять из песчаного бетона.
Марку песчаного бетона по прочности для дорожных покрытий и оснований назначают с учетом особых свойств этого бетона (табл. 49).
Марки песчаного бетона по морозостойкости назначают в соответствии с требованиями ГОСТ 8424—63-
174
Назначение песчаного бетона
Таблица 49. Требования к дорожному мелкозернистому бетону
Категория дорог
1—II III—IV
Марка песчаного бетона по прочности
иа изгиб на сжатие, не менее иа изгиб на сжатие, не меиее
50
40
30—35
300
150
100
45 300
35 150
20—25 100
Однослойное покрытие или верхний слой двухслойного покрытия . . . . Нижний слой двухслойного покрытия .................................
Основание усовершенствованных покрытий ..............................
Примечание. При соответствующем технике-экономическом обосновании для однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных покрытий внеклассных дорог можно применять песчаные бетоны марок 55 и 60 (изгиб) и не менее 350 (сжатие).
Для обеспечения требуемой морозостойкости песчаного бетона и стойкости против совместного действия хлористых солей (применяемых для борьбы с .гололедом) и замораживания применяют добавки поверхностно-активных веществ, ограничивают водоцементное отношение, соответственно проектируют состав бетона и строго соблюдают требования к технологии и материалам.
Предельные водоцементные отношения: для бетона однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий при Мрз 100—150 не более 0,6; при Мрз 200 и выше—не более 0,5; для бетона нижнего слоя двухслойных покрытий и бетонных оснований при Мрз 50—не более 0,75.
Показатель жесткости бетонной смеси при применении бетоноукладочных машин должен составлять 30— 40 с по техническому вискозиметру или 25—30 с по упрощенному способу (при испытании в форме размером ЮХЮХЮ см).
Для получения хорошего качества бетона цементнопесчаную смесь следует перемешивать в смесителях принудительного действия: .цикличных С-945, С-773, С-951 или непрерывных лопастных С-780 и С-543. Продолжительность перемешивания в цикличных смесителях не менее 2 мин.
175
Размер припуска бетонной смеси на уплотнение при применении бетоноотд ел очных машин составляет 2— 3 см, окончательная объемная масса уплотненной смеси в зависимости от состава колеблется в пределах 2,2— 2,3 кг/л.
Следует избегать бетонирования при температуре наружного воздуха свыше 30°С, необходимо защищать бетонную поверхность от прямого воздействия солнечных лучей и атмосферных осадков. При уходе за твердеющим бетоном полезно использовать пленкообразующие
Рис. 47. Зависимость прочности на изгиб песчаного бетона от цементно-водного отношения
бетон на крупном песке; ------на песке средней крупности
материалы, например лак этиноль, которые следует наносить на бетонную поверхность сразу же после исчезновения влажной пленки (начало схватывания). Учитывая повышенную склонность песчаного бетона к высыханию, уход за ним целесообразно осуществлять в течение 28 сут.
Состав дорожного мелкозернистого бетона определяют расчетно-экспериментальным путем, как обычного мелкозернистого бетона, но только с использованием зависимостей, учитывающих особенности его
свойств и состава.
1. Рассчитывают водоцементное отношение, необходимое для получения бетона заданной марки по прочности на изгиб по формуле
^ц.н
В/Ц =----------=— ------- , (108)
Яб.и + А. ‘0.25 /?ци
где /?б и — марка мелкозернистого бетона при изгибе; 7?ц.в — активность портландцемента при изтибе по ГОСТ 3110—60, кгс/см2; Ли—коэффициент, зависящий от зернового состава леска и равный: 0,5— для крупных лесков; 0,45 — для средних песков с /Ик>2,2; 0,4—для средних песков с AfK=2..J2,2; 0,3—для мелких песков.
176
Цементно-водное отношение можно выбирать также по графику (рис. 47).
2. Ориентировочное значение водопотребности цементно-песчаной смеси в зависимости от жесткости и концентрации добавок ПАВ определяют по табл. 50.
3. При использовании пластифицированных и гидрофобных портландцементов ориентировочные значения водопотребности принимают соответственно по пп. 1 и 2 (см. табл. 50).
Таблица 50. Водопотребность цементно-песчаной смеси (л/м3)
в к я Вид добавок ПАВ Жесткость, с
30—40 40—50
Одиночные добавки
1
2
3
0,2% сульфитно-спиртовой барды . . .
0,02% абиетиновой смолы или 0,08% мы-
лонафта ................................
0,5% сульфитно-спиртовой барды . . .
Комплексные добавки
4
0,2% сульфитно-спиртовой барды+0,02% абиетиновой смолы или 0,08% мылонафта .....................................
195—185
195—185
180—175
180—175
185—180
185—180
175—170
180—175
Примечание. Значения водопотребности приведены для цементно-песчаных смесей на дорожном портландцементе и на крупных и средних песках. При использовании мелких песков эти значения увеличивают приблизительно на 5 л.
4. Расход цемента определяют по формуле
Ц^В.ВЩ. (109)
5. Расход песка подсчитывают с учетом ориентировочного содержа1ния защемленного воздуха (табл. 51) по формуле
1000 —( — 4-В+ вв \ Рц
рп»
(110)
где П— содержание песка, кг/м3; ВВ — объем защемленного воздуха, л/м3; рц —;плотность леска, кг/л.
После расчета состава песчаного бетона экспериментально проверяют жесткость цементно-песчаной смеси, объемную массу и -объем защемленного воздуха.
177
Таблица 51. Содержание вовлеченного воздуха в мелкозернистом бетоне
Вид песка Содержание воздуха» л/м*, при жесткости 30—50 с
Крупный и средний с Л4К —2,2—2,5 Средний с Л4К<2,2 и мелкий 30—50 60—80
Объем защемленного воздуха устанавливают путем непосредственных измерений или по формуле (%)
где
100,
(111)
Рц Рп
Ц, П, В — расход материалов на 1 м3 бетона или пробный замес, кг.
Объем защемленного воздуха не должен отличаться от принятого по табл. 51 более чем на 20 л/м3, в противном случае режим уплотнения не соответствует жесткости смеси и состав требует корректировки.
Состав корректируется обычными способами, т. е. если нужно повысить подвижность, увеличивают расходы цемента и воды, сохраняя постоянным водоцементное отношение, и наоборот. Если требуется бетон повышенной прочности, увеличивают расход цемента.
Фактические (с учетом действительного объема вовлеченного воздуха) расходы материалов определяют по формулам:
Г,____Уем .
д ~ 1 + п + ВЩ'
п= УсмИ .
1 + п + ВЩ ’ уывщ
1 + п + ВЩ ’
{ Ц П \
ВВ= 1000 — — + — + в), V Рц Рп /
(113)
(114)
(П5)
(Н6)
где п=ЩП.
При контрольных замесах образцы уплотняют вибрированием с пригрузом 10—15гс/см2 (0,001—0,0015МПа).
178
При испытании образцов-кернов, выпиленных из готовой конструкции, прочность песчаного бетона при изгибе может быть определена по формуле
*и = <117)
где/?р р—(прочность на растяжение при раскалывании образцов-кернов, кгс/см2 (Па); К — переходным коэффициент, принимаемый по рис. 48.
Рис. 48. Значение коэффициента К в зависимости от диаметра керна
Пример 18. Определить состав мелкозернистого бетона для однослойного покрытия автомобильной дороги II категории. Марка мелкозернистого бетона по .прочности на изгиб 50, по прочности на сжатие — не менее 300, по морозостойкости — Мрз150. Показатель жесткости бетонной смеси 30 с. Цемент марки 400, активность цемента по изгибу 61 кг/см2 (6,1 МПа), Л4К песка 2,58, плотность 2,6 кг/л, в качестве поверхностно-активной добавки используется сульфитно-спиртовая барда.
1. Определяем В/Ц по формуле (108):
в/ц =
0,5-61
50 + 0,5-0,25-61
= 0,53.
Проверяем, какие ВЩ требуются по прочности на сжатие по формуле (.101)
°’8-400
=0,57
300 + 0,8-0,8-400
и по морозостойкости: Б/#=0,6 (согласно указанию на стр. 175). Поскольку 0,53 <0,57 <0,6, то в расчет принимаем 0,53.
2. Расход воды по табл. 50 составляет 195 л/м3.
3. Расход цемента по формуле (109): Ц= 195 : 0,53 = 370 кг/м3.
4. Расход песка по формуле (ИЮ);
+195 + 30
2,6 = 1706 кг/мя.
Затем проводят пробные замесы и при необходимости состав корректируют.
§ 42. МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН С МИКРОНАПОЛНИТЕЛЕМ
Для экономии цемента в мелкозернистый бетон иногда вводят микронаполнители, например золу, известковую муку, молотый песок и др.
179
Состав в этом случае определяют обычным методом, рассматривая цемент и микронаполнитель как единое вяжущее. Активность вяжущего и его влияние на водопотребность бетонной смеси зависит от содержания и свойств микронаполнителя, и лучше всего это влияние устанавливать предварительными испытаниями. Для ориентировочных расчетов можно принять, что уменьшение активности цемента пропорционально увеличению содержания микронаполнителя: при содержании микронаполнителя 20% активность вяжущего уменьшается на 20%.
Влияние микронаполнителя на водопотребность бетонной смеси можно учесть, если известна его водопотребность. В этом случае количество воды, которое надо добавить к расходу воды, или, наоборот, на которое надо уменьшить расход воды, определяется по формуле
вл =(ЯМН- 0,25) Д, (118)
где Вмн — водопотребность микро наполнителя, относительная величина; 0,25 — средняя нормальная густота цементного теста; Д — содержание добавки-наполнителя на 1 м3 бетона, кг.
Можно также определять водопотребность бетонной смеси с раздельным учетом водопотребности цемента и микронаполнителя.
После подбора состава бетона и проведения пробных замесов окончательный расход материалов определяют с учетом действительной объемной массы по формулам:
______Уем______.
1 + п + т + В/Ц П = Цп\
Д = Цгп; В^ДВЩ,
(П9)
(120)
(121)
(122)
где Ц, П, Д — содержание цемента, песка и добавки-наполнителя, кг/м3 смеси; п, т, В/Ц — отношения песка, добавки-наполнителя «и воды ,к цементу по массе.
Пример 19. Задание и материалы те же, что в примере 17, Для экономии цемента использована добавка золы в количестве 20% массы цемента. Водопотребность золы 30%.
11. Определяем активность смешанного вяжущего. 7?в=400—0,2Х X400=320 .кгс/см2 (32 МПа).
2. Находим по формуле (408) ВЩ:
ВЩ^
0,75-320
300 + 0,8 • 0,75-320
= 0,49.
180
3. По графику на рис. 43 устанавливаем отношение (Ц+Д) ' П, которое ио интерполяции равно 3,7. С учетом графика на рис. 44 окончательное (Ц-\-Д) : /7=3,5.
4. Определяем расход смешанного вяжущего по формуле (402):
1000
= 490 кг/м3,
в том числе цемента 0,8-490 =390 кг/м3, золы 0,2-490=1100 кг/м3.
5. Подсчитываем расход воды: В = (Ц+Д) : В/Д=490 : 0,49—-=£40 л/м3.
Добавка воды с учетом водопотребности золы:
Вд= (0,3 —0,25) 100 = 5 л.
Окончательные расходы воды и цемента:
В = 240 + 5 = 245 л/м3;
Ц = 390 5 : 0,49 = 400 кг/м3.
Определяем расход песка:
П = п (Ц + Д) =3,2-500 = 1600 кг/м3.
Уточняем состав при проведении пробных замесов
Глава 12
СИЛИКАТНЫЙ БЕТОН
§ 43. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ И ПОРЯДОК ПОДБОРА СОСТАВА
Силикатный бетон представляет собой бесцементный бетон автоклавного твердения. Вяжущим в нем является смесь извести с тонкомолотым песком. В процессе автоклавной обработки известь вступает с песком в химическую реакцию, в результате которой образуются гидросиликаты кальция, скрепляющие зерна заполнителя в прочный монолит. Часто смесь извести с тонкомолотым песком называют известково-кремнеземистым цементом.
Наибольшее распространение на практике получили мелкозернистые силикатные бетоны, заполнителем в которых является обычный кварцевый песок. Песок обладает более высокой удельной поверхностью, отсюда лучшая реакционная способность, а также меньшая стоимость, чем у крупного заполнителя. Поэтому мелкозернистые силикатные бетоны наряду с хорошими техническими свойствами имеют невысокую стоимость.
Состав силикатного бетона определяют расчетно
181
экспериментальным путем: вначале на основе предварительных опытов или известных средних зависимостей устанавливают состав бетона для пробного замеса, затем его уточняют по результатам опытной проверки.
Для определения первоначального состава бетона можно использовать ориентировочные зависимости, предложенные ВНИИСТРОМ.
Прочность силикатного бетона зависит от его плотности, качества извести, водоцементного отношения, тонкости помола песка, полноты протекания химических реакций в автоклаве.
При использовании негашеной извести ориентировочные значения прочности плотного силикатного бетона можно определить по формуле
₽б = 40,5 (SM п/10004-1,6) (Ц/В~ 1) + 180, (123)
где SM п — удельная поверхность молотого песка, см2/г.
При использовании гашеной извести, обладающей весьма развитой удельной поверхностью, изменение дисперсности молотого песка оказывает незначительное влияние на прочность бетона, и им можно пренебречь. Поэтому ориентировочно прочность силикатного бетона в этом случае можно определять по формуле
R6 = 160 (Ц/В — 1) + 140. (124)
Однако для получения качественного бетона необходимо песок, используемый в качестве тонкомолотой добавки, домалывать вместе с известью-пушенкой. Вследствие повышенной плотности силикатный бетон на негашеной извести на 20—30% прочнее бетона на гашеной извести (при одинаковых ЩВ).
Минимальное количество известково-песчаного вяжущего, обеспечивающее получение плотного бетона:
Цо =
Тп
(1 — В В) — — рп
— + В/Ц Рц
т
(125)
где ВВ — объем воздуха, защемленного в уплотненном силикатобе-Y
тонной смеси; — — коэффициент уплотнения пе-
Тп
ска лри различных способах формования (Тв.п — объемная масса сухого немолотого (песка в уплотненном состоянии); при объемном вибрировании с пригрузом ВВ=0,05; Ky=«L15..jlJ25; при формовании скользящим вибрО'Штампом ВВ=0,*04; при формо-
182
вании на стенде силового вибропроката ВВ = 0,035; Ку=!1,35.. l,45j /п — коэффициент раздвижки зерен немолотого песка тонко молотой добавкой и известью;
где DCp — средний поперечник зерен немолотого песка, мм:
3,1 fli4~0,9 Аз + 0,45<Zg -f- 0,2254~ > 12 4“ 0»045
Dcp = 100
(126)
(127)
Здесь аь а2, Сз, — частные остатки соответственно на ситах 1,2; 0,0; 0,3; 0,15; 0,09 мм; а&— количество леска, прошедшее через сито 0,09 мм; dcp—средний (поперечник зерен молотого -песка, мм;
26,5
= SMn —850 •
(128)
Для придания силикатобетонной смеси требуемой подвижности расход вяжущего увеличивают. Действительный расход вяжущего (т/м3) можно определить по формуле
Ц = пЦе, (129)
где п— коэффициент избытка теста вяжущего, зависящий от требуемой влажности смеси, поскольку именно влажность смеси определяет ее жесткость (табл. 52).
Таблица 52. Влажность силикатобетонной смеси, обеспечивающей данную жесткость смеси на различных песках
Жесткость, с, при применении песка
Влажность смеси, % очень мелкого =1,2 ... 1.29 мелкого Уп= =1,3. . . 1,39 среднего уп= =1,4 . . .1,55 крупного Тп— =1,56. . .1,65
10 11 12 14 16 17 400 220 80 50 400 300 120 40 25 300 200 120 50 20 15 180 100 60 25 10 5
Жесткость смеси, необходимая для ее качественного уплотнения при различных способах формования изделий, приведена в табл. 53.
Расход извести (т/м3) определяют по формуле
Ие
(130)
где И& — содержание активной извести, т/м3;
183
Таблица 53. Требуемая жесткость силикатобетонной смеси
Способ формования Наибольшая жесткость, с Время виброуплотнения, мин
Вибропрокат плит с применением вибросердечников . . * 120 3,5
Вибропрокат 100 3
Виброштампование 80 2,5
На виброплощадках с пригрузом 50 гс/см2 (0,005 МПа) : 50 2
В кассетных формах 15 1—1,5
На виброплощадках 15 1—1,5
ив +
ц i/a +1,54
(131)
А —содержание активной окиси кальция в товарной извести, доли единицы; а — соотношение между активной окисью кальция и молотым песком в вяжущем по массе.
Соотношение между активной окисью кальция и молотым песком в вяжущем назначают, исходя из условия получения в результате автоклавной обработки гидросиликатов кальция оптимального состава при минимальном расходе извести. В зависимости от крупности песка-заполнителя и марки силикатного бетона расход активной окиси кальция можно определить по табл. 54.
Таблица 54. Содержание активной окиси кальция силикатобетонной смеси, % от массы уплотненной силикатобетонной смеси
Марка бетона Песок
очень мелкий мелкий средний крупный
200 6,5 6,2 6 5,8
300 7,5 7,2 7 6,5
400 9 8,5 8 7,5
500 10,5 9,5 8,5 8
Расход молотого песка, т/м3
П„ = Ц-И. (132)
Расход немолотого песка (заполнителя) (т/ма)
П„ = 2,6-(2,6->П). 033>
184
Количество воды в бетонной смеси (м3/м3)
В = Я (134)
Объемная масса уплотненного силикатного бетона (т/м3)
Уб = Ц + Пк. (135)
При определении состава силикатного бетона следует иметь в виду следующие соображения:
1) чем мельче песок, служащий заполнителем, тем меньше должна быть размолота та часть песка, которая входит в состав вяжущего;
2) чем выше заданная марка бетона, тем больше расход вяжущего при одинаковой дисперсности молотого песка;
3) расход вяжущего для получения силикатного бетона заданной марки уменьшается при увеличении дисперсности мелкого песка и растет при увеличении формовочной влажности силикатобетонной смеси;
4) дисперсность молотой извести должна быть в 2—2,5 раза выше дисперсности молотого песка.
§ 44. УПРОЩЕННЫЙ СПОСОБ ПОДБОРА СОСТАВА
Для быстрого определения ориентировочного состава силикатного бетона марки 200 можно пользоваться графиком (рис. 49), составленным на основе приведенных формул.
Рис 49. Состав силикатного бетона марки 200 в зависимости от влажности смеси и дисперсности молотого песка
Иа—содержание активной извести; В — количество воды в смеси; Ц — содержание мзвестково-яесчаното вяжущего; Пн—содержание немолотого песка; Тб —объемная масса уплотненного бетона
В этом случае вначале по табл. 53 определяют необходимую жесткость смеси. Затем по табл. 52 устанав
195
ливают влажность смеси и по графику на рис. 49 определяют удельные расходы вяжущего, активной извести, немолотого песка, воды затворения и объемной массы свежеуложенного бетона.
Пример 20. Подобрать состав силикатною бетона для изготовления оплошных панелей перекрытий на вибропрокатной машине с вибросердечниками. Материалы: песок с насыпной объемной массой Тп=’1,35 кг/л, известь с активностью 0,6, требуемая марка бетона 200.
По табл. 53 жесткость смеси Ж=1Е0 с; по табл. 52 определяют, что для песка с уп = 1,35 кг/л для обеспечения заданной жесткости влажность смеси должна быть 14%. В связи с тем, что песок мелкий, принимают удельную поверхность молотого песка SM п = =2000 см2/г. По графику (рис. 49) для бетона марки 200 при влажности 14% и £м.и=2000 см2/г находят //=330 кг/м3;/7Н=1550 кг/м3, Ve =11850 кг/м3; В=260 л/м3; //а='1'10 кг/м3. Затем определяют 110
И = — — =484 кг/м3 и /7М=ЗЗО—(184='146 кг/м3.
0,6
При других способах уплотнения, изменяющих объемную массу изделий в сравнении с полученным из графиков, меняется прочность бетона и необходимо вводить соответствующую поправку:
а) при большей объемной массе
— /^р -f- 835 (ур Уф)»
б) при меньшей объемной массе
(136)
/?ф— Rp 835 (ур Уф), (137)
где ур и уф — объемная масса бетона по графикам и фактическая; Rp и Кф—прочность бетона по графикам >и фактическая.
Подобранный по графикам или рассчитанный состав силикатного бетона уточняют на образцах, изготовленных из смесей с одинаковым В/Ц при расходе вяжущего 0,91/, \Ц, 1,1Д, и выбирают оптимальный состав, отвечающий заданным условиям.
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЫЕ ВИДЫ БЕТОНА
§ 45. МАЛОЩЕБЕНОЧНЫЙ БЕТОН
Малощебеночным называют бетон с пониженным содержанием щебня или гравия. При уменьшении содержания щебня в обычном бетоне повышается водопот-
186
ребность бетонной смеси (так как возрастает удельная поверхность заполнителя), увеличивается воздухововлечение в бетонную смесь и вследствие этого несколько уменьшаются прочность бетона и модуль деформации, возрастают усадка и ползучесть. Соответственно при
Рис. 50. Зависимость свойств малощебеночного бетона от содержания щебня
аЯ
Яр Ксж,кгс1смъ(105Г1а)
введении щебня в цементно-песчаный бетон и увеличении его содержания свойства бетона изменяются в противоположном направлении. Опыты показали, что зависимость свойств бетона от содержания щебня носит линейный характер (рис. 50). Меняя содержание щебня в бетоне, можно известным образом регулировать его свойства. Ориентировочно можно считать, что
У = 1+аХ,
где У — относительное изменение свойств бетона, например,
7? малощебеночного бетона
, _____ __ _ _ - - —_ 1_ — •
7? мелкозернистого бетона
(138)
(139)
а—эмпирический коэффициент; X—отношение расхода щебня в малощебеночном бетоне к оптимальному расходу в обычном бетоне: Х=.Щ/ЩОПТ.
187
На основе проведенных исследований при уплотнении бетонной смеси вибрацией можно принять следующие ориентировочные значения а при изменении различных свойств бетона (при сравнении бетонов с одинаковыми значениями В/Ц):
предела прочности при изгибе от —1-0,1 до 0,15
призменной прочности...................от —0,05 до 0
модуля деформации при о=0,5 Р .... от -|-0э2 до 0,3 усадки.................................от —0,3 до —0,7
С повышением степени уплотнения цементно-песчаной смеси свойства мелкозернистого бетона при одинаковом В/Ц будут отличаться от свойств обычного бетона все в меньшей степени. Поэтому значение коэффициента а правильнее определять путем испытания бетона при Х=0 и Х=1, т. е. испытания мелкозернистого и обычного бетонов, приготовленных и уплотненных по технологии, предназначенной к применению.
Малощебеночный бетон используют главным образом тогда, когда для железобетонных конструкций приходится применять дорогостоящий привозной щебень. В этом случае состав бетона определяют с учетом допустимого перерасхода цемента, который устанавливается на основе экономических расчетов.
Другой случай расчета — введение щебня в мелкозернистый бетон (если это позволяют размеры конструкции и армирование) с целью улучшения отдельных его свойств, например, для увеличения модуля упругости или уменьшения ползучести и усадки.
Состав малощебеночного бетона определяют на основе расчетно-экспериментального способа для обычного (тяжелого) бетона с уточнением расхода материалов по зависимости, устанавливающей изменение расхода цемента и воды, необходимое для получения равнопрочных и равноподвижных бетонов при разном расходе щебня. Окончательный расход материалов уточняют на пробных замесах.
Состав малощебеночного бетона определяют в следующем порядке.
1. Находят требуемое В/Ц по формулам (9) и (10).
2. По графикам (см. рис. 14) определяют расход воды в зависимости от заданной подвижности бетонной смеси.
3. Подсчитывают расход цемента: Ц=В:В/Ц.
4. Далее возможны несколько вариантов решения:
188
а) в зависимости от допустимого перерасхода цемента и принятого способа уплотнения по рис. 51 определяют необходимую добавку воды, цемента и расход щебня, а затем уточняют расходы воды и цемента для получения равноподвижных и равнопрочных бетонов;
б) в зависимости от требуемых свойств мелкозернистого бетона определяют добавку щебня по формуле
(Г—1)1200
Щ = -, (140)
а
где У — требуемое изменение свойств, относительное значение (Уз^Л+а); 1200 — средний расход щебня в обычном бетоне, кг/м3.
Затем по рис. 51 в зависимости от Щ определяют необходимое изменение расхода воды и цемента.
5. Находят расход песка по формуле (42).
Рис. 51. График для расчета состава малощебеночного бетона
/ — увеличение расхода цемента для получения бетонных смесей с одинаковой осадкой конуса; 2 — то же, с одинаковой удобоукладываемостыо; 3 — увеличение расхода воды для получения бетонных смесей с одинаковой осадкой конуса; 4 — то же, с одинаковой удобоукладываемостыо
6. Проводят пробные замесы и по их результатам корректируют состав бетона. При этом пользуются известными методами, сохраняя расход цемента постоянным: если необходимо увеличить прочность бетона, уменьшают расход воды; если требуется повысить подвижность бетонной смеси, увеличивают расход щебня за счет песка.
Пример 21. Определить состав малощебеночного бетона марки 300 лри удобоукладываемости бетонной смеси 15—25 с и допустимом перерасходе цемента 20%. Цемент активностью 375 кгс/см2 (37,5 МПа). Плотность крупного песка 2,6 кг/л; щебень гранитный, плотность 2,6 кг/л, предельная крупность 40 мм.
189
1. Определяем ВЩ по формуле (53)
0,6-375
= 0,54.
ВЩ =
2. Расход воды «по графикам (см. рис. 14) 150 л/м3.
3. Расход цемента £(=450 : 0,54=280 кг/м3.
4. 1П0 заданию расход цемента может быть увеличен на 20%. Согласно рис. 51 расход воды -при этом увеличивается на 14%, а расход щебня составляет приблизительно 700 кг/м3. Окончательные расходы цемента и .воды будут (с округлением):
£( = 280-1,2 = 335 кг/м3;
В = 150-1,14= 170 л/м3.
5. Расход песка [п-о формуле (42)]
2,6 = 1175 кг/м3.
Расчетная объемная масса: 335+4704-11754-700= 2380 кг/м3. Окончательный состав уточняем пробными затворениями.
Пример 22. Определить состав малощебеночного бетона, применяемого взамен мелкозернистого бетона марки 400 с целью уменьшения его деформатиэности на 10%. Уплотнение вибрацией, требуемая подвижность бетонной смеси 1—2 см. Цемент активностью 440 кгс/ом2 (44 МПа); песок плотностью 2,65 кг/л и водопотребно-стью 8%; щебень гранитный, плотность 2,65 кг/л, предельная крупность 40 мм.
1. Определяем ВЩ по формуле (53), .принимая для мелкозернистого бетона Л =0,4:
0,4-600
BIU>~ 400 + 0,4.0,5-600
= 0,46.
2. Расход воды (согласно рис. 14) 165 л/м3, а с учетом водопотребности песка .170 л/м3.
3. Расход цемента Ц =1170 : 0,46=370 кг/м3.
4. Расход щебня по .формуле (440):
(1,1—1) 1200 0,25
= 480 кг/м3.
По рис. 51 уточняем расход цемента и воды: £( = 1,32-370 = 490 кг/м3; В = 1,21-170 = 205 л/м3.
5. Расход песка по формуле (42):
1,65 = 1235 кг/м3.
Окончательный расход материалов определяем с учетом результатов пробных замесов.
190
§ 46. крупнопористый бетон С ТЯЖЕЛЫМИ ЗАПОЛНИТЕЛЯМИ
Крупнопористым называют бетон, в котором нет мелкого заполнителя (песка).
Состав крупнопористого бетона рассчитывают следующим образом:
1) по графикам (рис. 52) устанавливают расход цемента на 1 м3 4 бетона требуемой марки;
Рис. 52. Зависимость прочности крупнопористого бетона на гравии при сжатии от расхода цемента марок
/—400; 2 — 300; 3 — 250; 4 — 200
2) по данным табл. 55 ориентировочно определяют водоцементное отношение;
Таблица 55. Водоцементное отношение крупнопористых бетонов с различным расходом цемента
Расход цементе, кг/м® Бетон с известняковым щебнем
с гранитным щебнем с гравием
70 0,5 0,66 0,83
90 0,46 0,6 0,74
ПО 0,42 0,55 0,65
130 0,4 0,51 0,59
150 0,39 0,46 0,52
3) по данным табл. 56 находят объемную массу крупнопористого бетона;
4) массы заполнителей определяют по разности между объемной массой бетона и массой цемента и воды:
Г = Уб.с-1.15Д. (141)
Окончательный состав бетонной смеси крупнопористого бетона требуемой марки устанавливают после испытания трех серий контрольных образцов, изготов-
191
Таблица 56* Объемная масса крупнопористого бетона, кг/м9
Расход цемента, кг/ма
Заполнитель 150 130 ПО 00 70
Тяжелый гравий или гранитный щебень Плотный известняковый щебень 1850 1780 1820 1760 1790 1740 1770 1720 1750 1700
ленных -с ВЩ, найденным по табл. 65, и с поправками ±0,05. Образцы размером 20X20X20 см или 15Х15Х Х15 см испытывают в возрасте 7 и 28 сут.
Пример 23. Определить состав крупнопористого бетона марки 50 на портландцементе активностью 375 кгс/см2 (37,5 МПа) и на гравии 'объемной массы 1'500 .кг/м3.
d. По графику (см. рмс. 52) определяют расход цемента — 135 кг/м3.
12. (По данным табл. 55 находят ориентировочное значение В/Д-0,5.
в. (По данным табл. 56 устанавливают объемную массу крупнопористого бетона в воздушно-сухом состоянии —13’20 кг/м3.
4. Определяют расход воды на 1 м3 бетона:
В =- Ц ~ = 135-0,5 = 68 кг/м3.
б. (Рассчитывают (расход гравия:
Г = 1820 — 1,15-135 = 1665 кг/м3
(с учетом массы воды, вступившей в химическую реакцию, примерно 15% массы цемента: 135-0;15^i20 кг).
6. Состав бетона по объему:
135 1665
1,3 : 1,6
7. (Расход материалов на 1 м3 бетона: цемента 135 кг, гравия 1665 кг, воды 68 л, всего 1868 кг.
8. Аналогично рассчиты-вают состав бетонной смеси при данном В Д/±0,05, т. е. при jB/Z/=iO,4,5 и 0,55.
9. 1После пробных затворений при трех значениях ВЩ строят график R6=fi(B/Il) и выбирают окончательный состав бетона.
§ 47. ОСОБО ТЯЖЕЛЫЕ И ГИДРАТНЫЕ БЕТОНЫ
Особо тяжелые и гидратные бетоны применяют в специальных сооружениях для защиты от радиоактивных воздействий.
192
К особо тяжелым относят бетоны с объемным весом более 2500 кг/м3, к гидратным — бетоны, содержащие большое количество химически связанной и полусвязан-ной воды.
Для особо тяжелых бетонов применяют портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый расширяющийся цемент.
В гидратных бетонах для максимального увеличения содержания в бетоне связанной воды рекомендуется применять глиноземистый цемент.
В качестве заполнителей в особо тяжелых бетонах используют материалы с высокой плотностью: магнетит, гематит, барит, металлический скрап и т. д.; в гидратных бетонах — лимонит и серпентинит. В комбинированных бетонах применяют тяжелые и обычные заполнители — щебень, гравий, песок.
К заполнителям для особо тяжелых бетонов предъявляют следующие дополнительные требования:
а) минимальная прочность на сжатие: чугунный скрап — 2000 кгс/см2 (200 МПа), магнетит — 2000 кгс/см2, лимонит или гематит — 350 кгс/см2 (35 МПа), барит — 400 кгс/см2 (40 МПа) • (испытание в цилиндрических образцах диаметром 150 мм, высотой 50 мм);
б) содержание полуторных окислов (А120з и Ре20з) в барите — не более 1 % массы заполнителей;
в) водопоглощение в % по массе: магнетит и барит 1—2, лимонит и гематит 9—10.
При производстве бетонных работ необходимо соблюдать следующие условия:
время перемешивания бетонной смеси в бетономешалке не должно быть менее 2 мин;
оСьем замеса бетоносмесителя уменьшается обратно пропорционально объемной массе бетона; например, при массе особо тяжелого бетона 4000 кг/м3, а обычного 2300 кг/м3 объем замеса для бетоносмесителя вмести-мостью 500 л не должен превышать ——-—‘=285 л;
для уплотнения бетонной смеси следует применять только вибраторы.
Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов в них вводят добавки, содержащие легкие элементы — литий, кадмий и бор, например карбид бора, хлористый литий, сернокислый кадмий и др.
193
Исходными величинами при определении составов особо тяжелых и гидратных бетонов являются: объемная масса бетона, обеспечивающая заданные
защитные свойства от гамма-излучения;
содержание химически связанной воды, обеспечи
вающее защиту от нейтронного излучения;
Рис. 53. Зависимость предала прочности лри сжатии от Ц/В при средней активности цемента 400 кгс/см2 (40 МПа)
заданные подвижность бетонной смеси и прочность бетона.
Состав особо тяжелого бетона можно определять способом, предложенным А. Е. Де-совы м.
1. Находят Ц/В по графику (рис. 53).
Для бетонов на лимонитовом песке с крупным заполнителем в виде чугунного скрапа или щебня твердой породы, а также для тощих бетонов на баритовом или магнетитовом заполнителях можно пользоваться верхней кривой, в других случаях — нижней кривой.
2. Расход воды на 1 м3 бетона выбирают по графикам (рис. 54). Для обеспечения однородности бетонной смеси ре-
комендуется применять малоподвижные бетонные смеси с осадкой конуса 2—3 см и жесткостью 20—25 с.
3. Вычисляют расход цемента:
Ц = ЩВВ.
4. Расход заполнителей, обеспечивающих заданную объемную массу свежеуложенного бетона (табл. 57), устанавливают по формуле
3 = П + Щ = Уб-(Ц + В). (142)
Содержание песка в смеси заполнителей находят по формуле
г =----(1 ~ Ь) -уД- , (143)
Ущ+(1-Ь)Уп
где
b “ Тщ/рщ* (144)
194
Таблица 57. Объемная масса особо тяжелых бетонов на различных заполнителях, кг/м3
Бетон Значения
минимальные максимальные
Лимонитовый Магнетитовый Баритовый С чугунным скрапом Комбинированные: с лимонитовым песком и обычным щебнем (из тяжелых каменных материалов) с баритовым щебнем » магнетитовым щебнем » металлическим скрапом 2,3 2,8 3,3 3,7 2,4 3 2,9 3,6 3 4 3,6 5 2,5 3,2 3,8 5
Рис. 54. Кривые расходов воды
а — для получения заданной удобоукладываемости; б — для получения заданной подвижности; ЛЛ— лимоинт+лимонит; ЛМ — л-имонит-Ь магнетит; АШ— магнетит-F магнетит; Л Ч — лимонит-Ь чугун; Л Б — лимонит+барит; Б Б — ба-рит+барит; ПЧ— песок+чугун; ПЩ—<песок+ щебень
Вычисленное значение г увеличивают на 0,08—0,1 (для раздвижки зерен щебня). Значение г-с учетом этой поправки приведены в табл. 58.
Расход песка
П = гЗ. (145)
Расход щебня
Щ = г)3. (146)
195
Таблица 58. Относительное содержание песка г в смеси заполнителей
Объемная масса крупного заполнителя, кг/м3
Плотность заполнителей, 1500 2600 3700
кг/л Объемная масса мелкого заполнителя, т/м3
1500 1700 2000 2400 3000 1500 1700 2000 2400 3000 1500 1700 2000 2400 3000
6,6 <— — —- 0,36 0,38 0,42 0,44 0,51 0,25 0,27 0,29 0,32“ 0,36
4,2 0,49 0,52 0,56 0,61 0,66 0,28 0,3 0,33 0,36 0,4 — —*
3,2 0,45 0,47 0,51 0.56 0,61 «—1 **— — •— НН — —
2,7 0,37 0,4 0,44 0,47 0,53 — —
5. На пробном замесе проверяют жесткость или осадку конуса бетонной смеси и объемную массу свеже-уложенного бетона, по которому корректируют расход мач<чриалов на 1 м3 бетона.
Пример 24. Определить состав вибрированного бетона марки 200 с объемной массой 3000 кг/м3. Осадка конуса бетонной смеси 2—3 см. Твердение—ib нормальных условиях. Материалы: портландцемент марки 400, заполнитель — плотный магнетитовый щебень (плотность 4,39 кг/л; объемная масса 2,5 кг/л) и магнетитовый песок (плотность 4 кг/л, объемная масса 2,4 кг/л).
11. 1По графику (см. рис. 59) среднее значение Z//B=il,55.
2. 1По графику (см. рис. 54) (расход воды составляет 220 л/м5.
3. Расход цемента: Ц =(2120-11,55=841 «кг.
- 4. Расход заполнителей на 1 м3 бетона по формуле (’142): 3= = 3000—1(220+341) =2439 кг.
’5. Содержание песка в смеси заполнителей определяем по формуле (143): г=0,38.
6. Расход песка по формуле (1145): /7=2439-0,38=927 кг/м®. Расход щебня по формуле (1146): /£/=2439-0,62= 1512 кг.
7. Объемная масса бетона: £/+В+/7+/£/= 341+220+927+ +1512=8000 кг/м3.
Пример 25; Определить количество связанной воды в гидратном бетоне на лимонитовом заполнителе и портландцементе марки 400, если расход воды равен 275 л, расход цемента 350 кг, а объемная масса бетона должна быть 2600 кг/м3.
1. Количество химически связанной воды в цементном камне? 350-0,2=70 л.
2. Содержание заполнителей в бетоне: 3=2600—*(350+275) кг= =4975 кг.
3. Количество связанной воды в лимоните, которое принимаем равным 1:1% его массы: 1975-0, Г1 «217 л.
4. Общее количество связанной воды: В=70+217 л«287 л.
§ 48. ЖАРОСТОЙКИЕ БЕТОНЫ
Жаростойкие бетоны, предназначенные для промышленных и строительных конструкций, подверженных нагреванию, должны сохранять в заданных пределах свои физико-механические свойства при длительном воздействии высоких температур.
Жаростойкие бетоны изготавливают из вяжущего (в которое в необходимых случаях вводится еще минеральная тонкомолотая добавка), воды или другого за-творителя и жаростойких заполнителей.
В качестве вяжущих веществ в жаростойких бетонах применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент и жидкое стекло. Для улучшения структуры цементного камня и сохранения прочности в
197
вяжущее вводят минеральные добавки (из хромитовой руды, боя шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезита, пемзы, лессовидного суглинка, гранулированного доменного шлака, топливного шлака и золу-унос). Тонкость помола добавок должна быть такой, чтобы через сито № 009 проходило не менее 70% для бетонов на портландцементе и не менее 50% для бетонов на жидком стекле.
В качестве мелкого и крупного заполнителя в жаростойких бетонах применяют следующие дробленые материалы: хромитовую руду, бой магнезитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича, кусковой шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз, андезит, артикский туф. Максимальная крупность щебня для массивных конструкций (фундаментов) не должна превышать 40 мм, а для всех остальных — 20 мм. Мелких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях должно быть не более 15% по массе.
Рекомендуемый зерновой состав щебня и песка для жаростойких бетонов приведен в табл. 59.
Таблица 59. Рекомендуемый зерновой состав заполнителей для жаростойких бетонов
Максимальная крупность верен 'запол-^ннтеля, мм Полный остаток, % по массе, на сите с размером отверстий в свету, мм
40 20 10 Б 1,2 0,14
40 0—5 30—60 — — 90—100
20 0—5 30—60 90—100 — —
10 —- " — 0—5 90—100 — *——
Г5 вк —- — — 0—15 20—55 85—100
Материалы и состав жаростойкого бетона в зависимости от условий и температуры его службы выбирают по табл. 60 [28]. При этом необходимо учитывать следующее.
В процессе нагревания первоначальная прочность жаростойких бетонов на цементных вяжущих значительно снижается, поэтому при выборе их состава следует стремиться к получению бетона максимально возможной марки. Марка жаростойкого бетона определяется пределом прочности при сжатии кубов 10ХЮХ ХЮ см, умноженным на коэффициент 0,85 (для пере-
198
Таблица 60. Рекомендуемые составы жаростойкого бетона
Предельная температура службы бетона, °C, прн дностороннем нагреве Минимально допустимая марка бетона Минимально допустимая остаточная прочность бетонов, кгс/см* (10е Па) Тонкомолотая добавка Мелкий в крупный заполнители
1700 250 30
1100 250 30
900 100 30
700 250 40
Расход материалов на 1 м® бетонной смеси, кг
вяжущее тонкомолотая добавка стабилизатор или добавка, обеспечивающая твердение песок щебень
Бетон на портландцементе
Хромит -|- Хромит 300 600+ (от 0 30* 900 1100**
+магиезит до 60)***
Шамот, лесс, лессовидный суглинок Шамот 350—450 350—450 550—450 550—450
Цемянка Бой глиняного обыкновенного кирпича, базальт, диабаз, андезит 300—400 300—400 500—400 500—400
Пемза, цемянка, доменный гранулированный шлак То же 350—450 350—450 750—650 750—650
Продолжение табл, 60
Предельная температура службы бетона, °C, прн одностороннем нагреве Минимально допустимая марка бетона Минимально допустимая остаточная прочность бетонов, кгс/см® (10» Па) Тонкомолотая добавка Мелкий н крупный заполнители Расход материалов на 1 м3 бетонной смесн, кг
вяжущее тонкомолотая добавка стабилизатор или добавка, обеспечи- вающая твердеине песок щебень
700 250 1 40 Зола-унос Бой глиняного обыкновенного кирпича, базальт, диабаз, андезит 350—450 175—225 850—800 850—800
700 150 40 Пемза, це-мянка, гранулированный доменный шлак Отвальный доменный шлак 350—450 350—450 800—700 800—700
350 250 Базальт, диабаз, андезит 300 1 * 950 950
350 150 Отвальный доменный шлак 300 1000 1000
350 100 Бой глиняного кирпича Бетон на глин 300 озсмистом цементе 650 650
1400 ' 250 30 Хромит 350—450 — — 1200—1150 1200—1150
i
Продолжение табл 6{f
Предельная температура службы бетона, °C, при одностороннем нагреве Минимально допустимая марка бетона Минимально допустимая остаточная прочность бетонов, кгс/см’ (10ь Па) Тонкомолотая добавка > Мелкий ’ И крупный заполнители Расход материалов на 1 м* ** *** **** бетонной смеси, кг
вяжущее той комо лота я добавка стабилизатор или добавка, обеспечивающая твердение песок щебень
Бетон на жидком стекле плотностью
1,36—1,38 г/см3****
1400 150 70 Бой магне- Бой магне- 300—350 600 18—20 600 1150
зитового кирпича зитового кирпича ! п! m г. 1150
1100 100 50 Тальк Тальк 350—400 400 40—45 600
1000 150 90 Хромит Хромит 250—300 700 30—35 800 1250
900 150 90 Шамот Шамот 350—400 500 40—50 500 750
600 150 80 Шамот, андезит, диабаз Базальт, диабаз, андезит 300—350 500 35—40 700 900
* Фосфоритовая мука.
** Максимальная крупность зерен щебня 10 мм.
*** Тонкомолотый магнезит вводят только в бетон для изготовления элементов толщиной не более 50 мм.
**** В случае применения заполнителей повышенной влажности (5% и более) следует применять жидкое стекло плотностью 1,42 г/см3 при расходе не более 350 кг/м3. При изготовлении бетона в условиях жаркого климата (выше 35°С) следует применять жидкое стекло плотностью 1,34 г/см3 (до 1,32) с расходом его на 1 м4 бетона 450—475 кг. В качестве добавки, обеспечивающей твердение бетона на жидком стекле, вводят кремнефтористый натрий.
хода к прочности кубов 20X20X20 см). Образцы испытывают после твердения в течение: 7 сут — для бетона на портландцементе и 3 сут — для бетона на глиноземистом цементе и жидком стекле.
Образцы на портландцементе и глиноземистом цементе выдерживают во влажных условиях, образцы на жидком стекле — в воздушно-сухих условиях при температуре 18±3°С. Перед испытанием образцы высушивают при температуре 100—110°С в течение 32 ч, а затем охлаждают.
Для жаростойких бетонов с предельной температурой службы свыше 600°С определяют остаточную прочность при сжатии после нагревания. Остаточная прочность представляет собой выраженное в процентах отношение предела прочности при сжатии образцов бетона, испытанных после нагревания до 800°С (для жаростойких бетонов с предельной температурой службы свыше 800°С), к пределу прочности контрольных высушенных образцов. Для жаростойких бетонов с предельной температурой службы 600 и 700°С образцы нагревают до этой же температуры после их высушивания в течение 32 ч. Скорость нагрева 150—200°С/ч, время выдерживания при 800°С 4 ч. Затем образцы остывают в печи до комнатной температуры. После остывания образцы выдерживают в течение 7 сут над емкостью с водой и испытывают на сжатие.
Шлакопортландцемент можно применять в жаростойких бетонах, предназначенных для службы при температуре ниже 700°С; при этом если содержание шлака менее 50%, в бетон вводят любую тонкомолотую добавку (кроме золы-уноса) в количестве 30% массы шлакопортландцемента.
Тонкомолотую добавку не вводят в портландцемент при температуре службы жаростойкого бетона ниже 350°С. Применение обычного бетона на портландцементе допускается в элементах конструкций, температура службы которых не превышает 200°С. При этом марку' бетона следует выбирать с учетом того, что при длительном воздействии температуры порядка 200°С прочность бетона при сжатии снизится на 25%. Снижение прочности бетона при изгибе и растяжении в этих условиях может доходить до 50%.
Жаростойкий бетон на портландцементе не применяют при воздействии на конструкцию кислой агрес-202
сивной среды. В этом случае может быть использован жаростойкий бетон на жидком стекле.
Бетоны на жидком стекле в условиях постоянного воздействия паровой среды или воды применять нельзя. При периодическом воздействии пара или воды такие бетоны можно применять при предварительном нагревании конструкций в сухих условиях до температуры 700—800°С.
Чтобы обеспечить твердение бетона на жидком стекле при нормальной температуре, в него добавляют кремнефтористый натрий.
Бетон на глиноземистом цементе в конструкциях, толщина которых превышает 40 см, можно применять при таких условиях твердения бетона (отвод тепла), когда температура в теле бетона в первые сутки твердения не превышает 40°С. В противном случае возможно резкое снижение прочности бетона.
Объемная масса свежеуложенных жаростойких бетонов на портландцементе, глиноземистом цементе и жидком стекле в зависимости от вида заполнителя равняется (в кг/м3):
бетона на хромите . ................ 2900—3200
» » магнезите . ............ 2500—2800
» » диабазе, базальте, андезите .... 2300—2500
» » кирпичном или туфовом щебне . . . 1600—1900
При приготовлении жаростойких бетонов следует стремиться к тому, чтобы количество воды или жидкого стекла было по возможности минимальным. Осадка стандартного конуса принимается не более 2 см. Для затворения жаростойких бетонов обычно требуется 170—190 л воды на 1 м3 бетона.
После выбора состава по данным табл. 60 производят пробные замесы. Для первого пробного замеса воду берут в количестве 170 л/м3. Испытания ведут по обычной методике с учетом особенностей определения марки жаростойких бетонов и их остаточной прочности. Окончательный состав бетона уточняют по результатам пробных замесов.
Объемная масса бетона в высушенном состоянии меньше, чем в свежеуложенном состоянии, примерно на 150—200 кг/м3.
Пример 26. Подобрать состав жаростойкого бетона для конструкций, температура службы которых 900°С. На конструкции возможно воздействие кислой среды.
203
(По табл. 60 для этой температуры и условий службы выбираем бетон на жидком стекле с (расходом материалов (в кг) на 1 мэ бе
тона:
жидкое стекло плотностью 1,36—1,38 г/см3..............350
тонкомолотый шамот....................................500
кремнефтористый натрий.................................40
шамотный песок........................................500
» щебень ......................................750
(Проводим пробные замесы. Если подвижность бетонной смеси окажется недостаточной, добавляем жидкое стекло и соответственно кремнефтористый натрий. Контрольными испытаниями проверяем прочность бетона.
§ 49. ПОЛИМЕРБЕТОНЫ
Полимербетоны готовят, применяя в качестве связующего синтетические смолы с отвердителями. Проектирование полимербетона основывается на рассмотренном выше способе абсолютных объемов и состоит из следующих операций.
Вначале опытным путем подбирают наиболее плотную смесь заполнителей. Затем рассчитывают количество микрозаполнителя (различных молотых горных пород), которое должно равняться объему пустот в заполнителе с избытком 10%. После этого определяют расход смолы и отвердителя. Если смола заполнит только пустоты микронаполнителя, то смесь будет жесткой, недостаточно удобообрабатываемой. Поэтому расход смолы и отвердителя подбирают обычно опытным путем с тем, чтобы получить заданную подвижность бетонной смеси. Обычно расход смолы равен объему пустот в микронаполнителе плюс дополнительное количество в размере 10—20% этого объема. Слишком большое количество смолы применять нерационально, так как это увеличивает усадку бетона, температурные деформации и снижает прочность бетона. Количество отвердителя устанавливают опытным путем. Для разных смол и условий твердения оно может колебаться в заметных пределах. При использовании в качестве вяжущего фурфуролацетонового мономера количество отвердителя — бензолсульфокислоты— составляет обычно 15—20%.
Раздел V
УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОСТАВА БЕТОНА
Проектирование состава бетона — это более широкое понятие, чем подбор или расчет состава бетона. При проектировании состава бетона необходимо более полно учитывать особенности технологии изготовления тех или иных конструкций и устанавливать, если необходимо, требования (ограничения) к тем или иным технологическим операциям, которые обеспечат получение бетона заданных свойств и бетонной смеси данного состава на производстве (т. е. таких же, какие были получены в лаборатории). Пример подобных действий был рассмотрен в главе 8 при определении состава быстро-твердеющего бетона. В настоящем разделе эти вопросы рассматриваются подробнее.
Глава 14
ДОЗИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ, ПРИГОТОВЛЕНИЕ И УПЛОТНЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ
В рассмотренных выше способах подбора предполагалось, что на производстве будет обеспечено получение качественной бетонной смеси, соответствующее ее уплотнение в конструкции и уход за бетоном. При нарушении этих условий свойства бетона могут отличаться от тех, которые можно было ожидать на основании предварительных расчетов. Поэтому необходимо, чтобы технология и состав бетона находились в соответствии и обеспечивалось заданное качество бетона и конструкций из него.
§ 50. ДОЗИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Важным технологическим переделом является дозирование материалов, т. е. отмеривание расхода материалов на замес бетоносмесителя. На современных бетонных заводах используются в основном весовые дозаторы, т. е. материалы дозируют по массе: цемент, воду
205
и добавки с точностью до ±1%, заполнители с точностью ±2%.
Точность дозирования определяет и требуемую точность расчетов состава бетона: расход цемента указывают с точностью до 5 кг, воды — с точностью до 2—3 л (для полевых составов до 5 л), песка и щебня — с точностью до 10 кг. При этом расход цемента округляют обычно в большую сторону, а воды — в меньшую. Большая точность назначения состава бетона не требуется, так как существующие дозаторы не могут ее обеспечить.
В полевых условиях заполнители иногда дозируют по объему. При этом необходимо учитывать их влажность, особенно песка, так как увлажнение резко изменяет его объем. Предположим, что заполнители в составе бетона по примеру 1 дозируют по объему и при этом не учтена влажность песка (3%), которая увеличивает его объем на 30%. Тогда при отмеривании прежнего объема песка (как для сухого материала) в бетонную смесь в действительности песка будет введено /7вл=600: 1,3= =460 кг, а с учетом содержания в песке влаги 460(1—0,03) =446 кг. Абсолютный объем песка составит: Уа=446 : 2,63= 170 л вместо абсолютного объема сухого песка Va=600 : 2,63=228 л, т. е. объем, занимаемый частицами песка, уменьшится на 228—170=58 л. Для замещения этого объема потребуются дополнительные расходы цемента, воды и заполнителей. Перерасход цемента Дд = -------- =19 кг.
1000
Кроме того, изменится подвижность смеси, соотношение между песком и щебнем. В результате нарушения -состава бетона могут заметно ухудшиться его свойства.
Объемное дозирование заполнителя применяют при приготовлении легкобетонных смесей, когда наблюдаются большие колебания насыпной массы пористого заполнителя. В этом случае точность дозирования по объему пористых заполнителей составляет ±3%. Возможно также использование объемно-весового дозирования, когда крупный заполнитель дозируют по объему, а песок — по массе с точностью ±1—2%.
§ 51. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ
Вторым важным технологическим переделом является перемешивание бетонной смеси. В процессе пере
206
мешивания материалы равномерно распределяются во всем объеме зерна цемента и заполнителя, смачиваются водой, получается однородная масса, свойства которой в любом месте одинаковы.
Вид и состав бетона оказывают заметное влияние на требования к перемешиванию. Подвижные смеси легче перемешать, чем жесткие; жирные перемешиваются лучше, чем тощие; крупнозернистые — лучше, чем мелкозернистые или тонкозернистые.
Применяют различные способы перемешивания в зависимости от вида и характеристик бетонной смеси. При применений крупнозернистых подвижных смесей с заполнителем из плотных пород используют смесители свободного падения, в которых перемешивание происходит в результате многократного подъема и сбрасывания материалов с некоторой высоты при вращении барабана смесителя. Для перемешивания жестких мелкозернистых и легкобетонных смесей на пористых заполнителях применяют смесители принудительного действия, в которых необходимое для этих смесей более энергичное перемешивание достигается путем взаимного перемещения материалов с помощью вращающихся лопаток и других подобных устройств.
Разновидностью принудительного перемешивания является виброперемешивание, когда материалы в процессе перемешивания подвергаются вибрированию. В результате достигается некоторая активация цемента, что способствует повышению прочности бетона, особенно в раннем возрасте.
Большое влияние на качество перемешивания оказывает его продолжительность, которая в смесителях цикличного действия определяется с момента загрузки всех материалов до начала выгрузки. Влияние времени перемешивания на прочность бетона и его однородность показано на рис. 55. При недостаточной продолжительности перемешивания ухудшается однородность бетона и понижается его прочность. Увеличение продолжительности перемешивания сверх оптимального, соответствующего получению однородной бетонной смеси, мало сказывается на свойствах бетона и бетонной смеси (прочность бетона повышается, но крайне незначительно).
Оптимальная продолжительность перемешивания зависит от состава, характеристики бетонной смеси и типа применяемого смесителя. При перемешивании тяже-
207
лых бетонных смесей (с объемной массой более 2200 кг/м8) в смесителях свободного падения наименьшая продолжительность перемешивания в зависимости от подвижности бетонной смеси и объема смесителя мо-
Рис. 55. Влияние времени перемешивания на относительную прочность 1 и однородность бетона (коэффициент вариации 2)
жет назначаться в соответствии с данными табл. 61. При приготовлении малоподвижных и умеренно жестких смесей продолжительность перемешивания следует увеличивать в 1,5—2 раза.
В смесителях принудительного действия перемешивание крупнозернистых смесей обычно продолжается 2—3 мин, мелкозернистых — 3—5 мин.
Таблица 61. Продолжительность перемешивания тяжелых бетонных смесей, с
Объем приготавливаемой бетонной смеси, л Осадка конуса, см
2-6 более 6
<300 60 45
>800 120 90
>1600 150 120
Продолжительность перемешивания легкобетонных смесей зависит от вида бетона, качества заполнителя, консистенции бетонной смеси. Ориентировочно продолжительность перемешивания можно назначать по табл. 62.
При применении тонкомолотых добавок, предварительно не перемешанных с цементом, продолжительность перемешивания увеличивается в 1,5—1,8 раза.
В рассмотренных выше способах определения состава бетона предполагалось, что продолжительность перемешивания смеси достаточна, а тип смесителя соот-
208
Таблица 62. Продолжительность перемешивания легкобетонных смесей, мин
Объемная насыпная масса крупных заполнителей, кг/м1 Смесь
для плотного бетона с жесткостью 20—60 с прн предельной крупности зерен заполнителя, мм для поризо-ванного бето- на при предельной крупности зерен заполнителя, мм ДЛЯ крупнопористого бетона
10 20 40 20 40
До 300 6 5 4 6 5 5
300—700 5 . 4 3 5 4 4
Более 700 4 3 2 4 3 3
ветствует виду бетона. Если условия производства другие, их необходимо учесть при корректировке состава бетона путем проведения пробных замесов.
§ 52 УПЛОТНЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ
Еще большее влияние, чем перемешивание, на свойства бетона оказывает уплотнение бетонной смеси. Не-доуплотнение приводит к резкому уменьшению прочности бетона (рис. 56), ухудшает его долговечность и другие свойства. Из различных способов уплотнения бетонной смеси наибольшее распространение получило вибрирование. На заводах сборного железобетона из-
Рис. 56. Влияние относительной плотности d бетона на его прочность при сжатии/?с ж
делия обычно формуют на специальных виброплощадках, монолитный бетон в конструкциях уплотняют глубинными (подвижные бетонные смеси) и поверхностными вибраторами.
При вибрировании частицам бетонной смеси сообщаются механические колебания, в результате связи между отдельными частицами постоянно нарушаются,
209
силы трения и сцепления уменьшаются. Бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости и под влиянием сил тяжести расплывается, заполняя форму, и уплотняется.
Для уплотнения особо жестких смесей применяют вибрирование с пригрузом, вибропрессование, виброштампование. Для формования труб часто используют центрифугирование. Известны и другие способы уплотнения бетонной смеси, однако требования к ним одинаковые — они должны обеспечивать заданную степень уплотнения бетонной смеси. Для обычной тяжелой бетонной смеси коэффициент уплотнения, т. е. отношение фактического объемного веса к расчетному, должен быть не менее 0,98 и приближаться к 1.
Рис. 57. Зависимость между амплитудами и частотами колебаний
•при различной интенсивности вибрации
Эффект виброуплотнения зависит от частоты коле' баний f и амплитуды А. Наиболее достоверным крите-рием эффективности вибрирования является показатель интенсивности вибрации Я, см2/с3:
И = А2?*, (147)
где Af— путь, совершаемый (колеблющейся частицей в единицу времени, т. е. скорость колебания, a Af2—ускорение колебаний (их произведение характеризует поток энергии, проходящей через единицу площади <вибрируемой бетонной смеси}.
* В действительности выражение интенсивности И~№ 8л3[3, где А выражается в мм, f — в Гц, однако для относительной оцеп ки постоянный множитель 8л3 обычно опускают.
210
На рис. 57 приведен график для выбора параметров вибраций в зависимости от заданной ее интенсивности. Заштрихованная площадь соответствует наиболее распространенным на практике частотам и амплитудам вибраций.
Для крупнозернистых тяжелых бетонных смесей обычно амплитуда равна 0,3—0,7 мм, причем с повышением жесткости бетонной смеси ее увеличивают (при жесткости 15—20 с Л=0,3 . . . 0,4, при жесткости 30—40 с Д=0,6...0,7). Для мелкозернистых бетонных смесей амплитуда равна 0,15—0,4 мм, при этом целесообразно увеличивать частоту вибрации. Слишком большие амплитуды колебаний без пригруза могут вызвать разрыхление бетонной смеси и ухудшить свойства бетона.
Рис. 58. Влияние продолжительности вибрирования на прочность бетона
Для каждой бетонной смеси при принятых параметрах колебаний имеется оптимальная продолжительность вибрирования. При недостаточной продолжительности вибрирования наблюдается недоуплотнение бетона и снижение его прочности, слишком длительное вибрирование не дает заметного повышения плотности и прочности бетона (рис. 58). Кроме того, длительное вибрирование пластичных смесей может вызвать их расслаивание.
Обычно продолжительность вибрирования принимают вдвое больше показателя жесткости бетонной смеси, определенной на стандартной лабораторной площадке (/=3000+200 кол/мин, А=0,35 мм), т. е.
•с = 2Жст. (148)
Если параметры и, следовательно, интенсивность вибрирования в производственных условиях Япр отличаются от стандартных Ист, то продолжительность виб
211
рирования ориентировочно можно определять по формуле
* = 2ЖСГ (149)
Пример 27. Определить продолжительность вибрирования бетонной плиты на вибростоле с частотой 5500 кол/мин и амплитудой 0,2 мм» Мелкозернистая бетонная смесь имеет показатель жесткости 30 с.
•1. По графику (см. |рис. 57) 300 см2/с.
2. По формуле (449)
т = 2-30
150
300
45 с.
Для тщательного уплотнения жестких легкобетонных смесей необходимо повышать интенсивность вибрирования, увеличивать его продолжительность и использовать пр игр уз, чтобы предохранить бетонную смесь от расслоения. Режим вибрирования легкобетонных смесей можно ориентировочно назначать по табл. 63.
Таблица 63. Режимы уплотнения вибрированием легкобетоиной смеси на вибростоле при частоте колебаний 3000 кол/мин
Смесь = Рекомендуемая минимальная амплитуда колебаний» мм Рекомендуемый пригруз на поверхность бетонной смесн прн ее вибрацин. гс/см2 (ПаЛО2) Продолжительность вибрирования смеси в изделии, с
Плотная жесткая (с жесткостью 60—100 с) 0,6 30—40 (3—4) 150—180
Плотная умеренно жесткая (с жесткостью 30— 60 с) 0,6 20—30 (2—3) 120—150
Плотная малоподвижная (с осадкой конуса 1—3 см) 0,35 Не требуется 90—120
Плотная подвижная (с осадкой конуса 3— 15 см) 0,35 То же 60—90
Поризованная газом 0,35 » 90—180
Поризованная пеной 0,35 » 60—90
Поризованная с воздухововлекающими добавками 0,35 » 120—150
Крупнопористая 0,35 По необходи- 30
Малопесчаная 0,6 мости не более 20 (2) 30—40 (3—4) 120— 180
212
Назначенные режимы уплотнения следует проверять на практике, выбирая те из них, которые обеспечивают заданную степень уплотнения.
Глава 15
УСКОРЕНИЕ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА ПУТЕМ ПРОГРЕВА
Для ускорения твердения бетона при производстве сборных железобетонных конструкций используют различные способы: механические — повышение удельной поверхности цемента или активация бетонной смеси; химические — введение добавок, ускоряющих твердение (СаС12, ННК и других); тепловые — пропаривание и электропрогрев. Первые два способа рассмотрены в § 28. Тепловой способ, получивший наибольшее распространение на заводах сборного железобетона, требует более подробного рассмотрения, так как часто при проектировании состава бетона приходится учитывать режимы прогрева и еще целый ряд факторов, чтобы обеспечить требуемые свойства бетона. Описанный выше способ подбора состава бетона, обеспечивающий на практике удовлетворительные результаты, нуждается в дополнениях, которые помогли бы технологу более сознательно выбирать способы тепловой обработки и ее режим.
§ 53. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ БЕТОНА ПРИ ПРОГРЕВЕ
Как известно, нагрев веществ ускоряет химические реакции. Нагрев бетона активизирует взаимодействие воды и цемента и ускоряет твердение бетона. При этом фазовый состав продуктов гидратации цемента, твердеющего при разных температурах, практически остается одинаковым.
Рост прочности бетона при нагреве может, как и при нормальном твердении, выражаться логарифмической зависимостью, однако со своими коэффициентами. По данным ВНИИЖелезобетона,
R — A (1g т— 1g т0), (150)
где А—параметр, характе)ризукмций поведение данного цемента при пропаривании при принятых условиях испытания в кгс/см2;
213
т — время тепловой обработки, включающее период изотермической выдержки п и часть .периодов раэопрева и охлаждения, в течение которых температура образцов превышала 60°С, ч; в среднем т== = п—3 ч; т0 — индукционный период твердения, ч (предварительный период до начала образования прочной структуры).
Формула была выведена для бетона на специально изготовленных цементах различного минералогического состава при прогреве его по режиму З+п+2 ч с предварительной выдержкой 2 ч и испытании через 6 ч после
Рис. 59. Зависимость прочности бетонов, приготовленных на цементах I, II и III минер алогических групп (соответственно кривые 1—5) одинаковой активности от времени пропаривания (масштаб полулогарифмический)
извлечения из пропарочной камеры. Опыты позволили установить значения коэффициента А и то (при графических построениях зависимости — рис. 59) и тем самым уточнить влияние минералогического состава цемента на прочность бетона при пропаривании (табл. 64).
Таблица 64. Параметры Л и То для цементов разного минералогического состава
Группа цементов Минералог ичес -кнй состав цемента, % Относительное значение А, % То. ч Предел линейности ф\НКЦНЙ, ч
CsS CSA
I — низкоалюминатные 60 50 2—3 2—3 125 95 0,6 0,45 20—25 20
II — среднеалюминат-ные 60—65 50 QO оо 100 95 0,15 0,2 9—10 9—10
III —высокоалюминат-ные 55 40—50 11—12 11—12 85 70 0,15 0,18 QO
21
Параметр А можно определить как значение прочности /? 'при т=1Оть; например, для цементов I группы он будет приблизительно равен 250, для цементов II группы— 200, для цементов III группы—175. Полученные значения А и то в других условиях могут отличаться от приведенных выше, но их можно определить путем испытания бетона при 2—3 режимах и ввести в расчеты действительные значения параметров для данных конкретных условий.
Приведенные данные показывают, что минералогический состав цемента оказывает заметное влияние на прочность бетона. В первые часы пропаривания наиболее высокую прочность показывают бетоны на цементах II и III групп, причем тем более высокую, чем больше в клинкере C3S. Прочность бетонов на цементах 1 группы в этот период значительно меньше и только к 3—4 ч достигает, а затем становится больше прочности бетонов на цементах III группы, а к 6—7 ч и бетонов на цементах II группы. После этого рост прочности цементов I группы продолжается практически до 20—24 ч изотермической выдержки, тогда как рост прочности цементов II группы практически прекращается к 6—7 ч изотермической выдержки, а цементов III группы — к 6 ч.
Предельные значения прочности бетона, которые могут быть получены в процессе тепловой обработки, зависят от вида цемента. В табл. 65 приведены данные ВНИИЖелезобетона, показывающие отношение пре-
Таблица 65. Влияние минералогического состава цемента на предельную прочность бетона при пропаривании
Вид цемента Средняя активность цемента, кгс/см2 (Ю6 Па) Огноше-нне предельной прочности бетона к активности цемента ' Ориентировочное время достижения предельной прочно- сти, ч Продолжительность изотермической выдержки для достижения °-8 ч
Портландцемент: I группы 325 1,45 27—33 12
II » 350 1,15 15—18 6
III » 275 1,10 10—12 4
ОБТЦ 390 1,05 12—15 3
Шлакопортландцемент: с 30% шлака 240 1,55 25—30 8
» 50% » 170 1,85 27—33 14
215
дельной прочности бетона при ЩВ — 2...2,5 к активности цемента при пропаривании, а также продолжительность тепловой обработки, при которой эти значения достигаются.
Поскольку скорость нарастания прочности в процессе тепловой обработки, достигая наивысших значений в первые часы, затем резко уменьшается, то практически нецелесообразно проводить обработку до достижения предельной прочности. Обычно тепловую обработку заканчивают по достижении бетоном 70—80% предельных значений прочности. В этом случае обеспечивается достаточный рост прочности бетона после обработки и достижение им в возрасте 28 сут заданной марки, а время ее сокращается в 2—3 раза по сравнению с тем временем, которое потребовалось бы для получения предельной прочности (см. табл. 65).
При этом предполагается, что пропаривание начнется приблизительно через 2 ч после формования изделия, а подъем температуры будет плавным (в течение 3 ч до 80°С). Применение более коротких режимов, чем указанные в табл. 54, будет приводить к перерасходу цемента.
Если рассмотреть суммарное влияние цемента на прочность бетона при пропаривании и на продолжительность тепловой обработки, то наиболее подходящими цементами для этого случая считают шлакопортландце-менты, особенно с большой добавкой шлака, и средне алюминатные цементы с повышенным содержанием C3S.
Следует заметить, что на характер нарастания прочности бетона при тепловой обработке влияет состав бетона и ряд других факторов. В частности, ускорению твердения при пропаривании и других видах тепловой обработки содействует уменьшение водоцементного отношения в бетоне (см. § 6).
Приведенные выше данные и рекомендации относятся к случаям, когда тепловая обработка проводится по рекомендованным режимам. Нарушение режимов обработки может привести к резкому ухудшению свойств бетона, к появлению трещин и других дефектов в изделии.
Нагрев бетона приводит к его расширению. Образующиеся новообразования цементного камня как бы закрепляют расширившийся объем бетона. При охлаждении бетон сжимается, однако возникшая структура препятствует этому и в бетоне наблюдаются остаточные
216
деформации, т. е. его объем после тепловой обработки оказывается больше, чем первоначальный. Увеличение объема приводит к повышению пористости бетона, к понижению его прочности. Кроме того, при прогреве могут возникать микротрещины и другие дефекты, которые, незначительно изменяя пористость бетона, могут заметно понизить его прочность.
При длительном твердении наивысшую прочность показывает бетон, объем которого при данном количестве материалов является наименьшим, так как в этом случае плотность новообразований цементного камня будет наибольшей. Этим требованиям соответствует укладка и первоначальное твердение бетона при температуре 0—4°С, так как при 4°С плотность воды наибольшая.
Уменьшение предельно достижимой прочности при тепловой обработке будет зависеть от ее режима. При нагреве в меньшей мере расширяются цемент, песок и щебень, температурный коэффициент линейного расширения которых колеблется в пределах 8—12-10—6 (коэффициент объемного расширения 0=3а, т. е. в три раза больше). Температурный коэффициент объемного расширения воды 0 на два порядка больше и зависи! от ее температуры:
Температура, °C 20—40 40—60 60—80 80—100
Р-10-4 3,02 4,58 5,87 6,88
При нагреве объем ется: Температурный интервал нагрева, °C ВОДЫ COI 20—40 этветств! 20—60 :нно ув€ 20—80 :личива- 20—100
% увеличения объема воды 0,6 1,5 2,7 4,1
Еще в большей мере, если нет препятствий, расширяется при нагреве воздух или пар. На рис. 60 показано условное увеличение объема газообразной фазы в бетоне (по данным Л. А. Малининой), которое в условиях свободного расширения при нагреве до 80°С превышает первоначальный объем в 2 раза.
217
Рис. 60. Расширение газовой фазы в бетоне
1 — вследствие расширения воздуха без порообразования при давлении в порах 1 атм (U.1 МПа); 2—4 — вследствие расширения воздуха с порообразованием при давлении в порах соответственчо 1; 1.1 и 1,5 атм (ОД; 0.11 и 0.15 МПа)
В действительности этого не происходит, так как структура бетона препятствует свободному расширению газообразной фазы. В результате в бетоне возникает внутреннее давление (в пузырьках воздуха и пара), которое может достигать 0,1—0,15 атм (0,01—0,015 МПа). Избыточное давление зависит от характера структуры. При определенном давлении сплошность структуры нарушается, пар выходит из бетона, избыточное давление далее не растет и даже снижается, однако при этом может значительно ухудшиться структура бетона.
Важное значение имеет и контракция цементного камня при твердении. Дополнительный объем пор, появляющийся вследствие контракции, является тем резервным объемом, в который может отжиматься вода при ее расширении. Поэтому контракция способствует уменьшению дефектности структуры бетона.
Возникновение избыточного давления в бетоне зависит от режима прогрева. Обычно бетон нагревается с поверхности, поэтому и избыточное давление в первую очередь возникает у его поверхности. При медленном нагреве избыточное давление бывает очень небольшим, так как миграция влаги из области с повышенным давлением в более холодные части изделий и диффузия пара способствуют уменьшению избыточного давления. При очень быстром нагреве эти факторы не успевают проявляться в должной мере и избыточное давление резко возрастает, что в ряде случаев может привести
218
к непоправимым дефектам и браку, в частности к иногда наблюдаемому на практике вспучиванию верхней поверхности изделий.
Чем прочнее структура бетона, тем лучше она может сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим при его нагреве, особенно вследствие нагрева воды и газообразной фазы. Наибольшие изменения в структуре возникают, если нагрев начинается сразу же после окончания формования изделия, когда прочность мала и не оказывает противодействия расширению составляющих бетона, а температурные деформации ничем не ограничены (пропаривание изделия в открытой форме или на поддоне). Причем чем быстрее растет температура бетона, тем больше разрыхляется его структура и увеличивается остаточная деформация, косвенным образом об этом свидетельствующая.
Рис. 61. Деформации бетона при нагреве в зависимости от предварительной выдержки
/ — во время изотермического прогрева при температуре 80°С; 2 — остаточная деформация
Продолжительность предварительной выдержки, и
Если нагрев начинается после того, как бетон схватится и достигнет определенной прочности, то температурные деформации резко уменьшаются, так как образовавшаяся структура противодействует расширению воды и газообразной фазы. Разрыхление структуры и остаточные деформации резко уменьшаются (рис. 61), свойства бетона улучшаются. Для получения наилучших результатов необходимо, чтобы прочность структуры в процессе нагрева всегда превосходила внутренние напряжения в бетоне.
В наименьшей степени бетон расширится в том случае, если возрастет объем только твердой фазы. Расширение же воды будет компенсировано за счет воздушных пор, а давление газообразной фазы погашено сопротивлением структуры бетона.
219
В этом случае ориентировочно дополнительный объем (по существу дополнительный объем пор) при нагреве до 80°С составит ДУ1=рД/=3-10-10~6-60=1,8-10-3, или 1,8 л на кубометр бетона (0,18%)-
Если расширение воды не будет компенсировано, то дополнительный объем бетона за счет расширения водь/ увеличится на ДУ2= — 500-10~6-60=6-10-3, или 5
на 6 л на кубометр бетона (0,6%). При расчете принято, что вода занимает Vs часть объема бетона (ориентировочный расход 200 л/м3), а средний температурный коэффициент объемного расширения в интервале 20—• 80° приблизительно равен 500-10-6, т. е. суммарный дополнительный объем от расширения воды и твердой фазы составит 0,78%. Если дополнительный объем больше, то это показывает, что на его приращение оказала влияние газообразная фаза и избыточное давление, которое не было компенсировано сопротивлением структуры бетона. Естественно, что в этом случае количество дефектов в структуре увеличится, а прочность бетона уменьшится.
При организации контроля за расширением бетона в процессе тепловой обработки можно считать, что
ду = у2 —Vlf (151)
где Vi—(первоначальный объем бетона, равный для куба а3 (здесь а — сторона куба); V2—объем после расширения, равный (а-|-х)3 (здесь х — удлинение стороны куба: х=ааД/).
ГДУ = й3-рЗа2х-|-Зах2-|-х3 — а3 я 3с2х и За< а3, (152)
так как Зах2 и х3 пренебрежимо малы по сравнению с За2х. Поскольку a3=V, то линейная температурная ( деформация бетона
at = — . (153)
1 3V
Применительно к рассмотренным выше примерам линейная деформация должна составлять при тепловом расширении твердой фазы 0,18:3=0,06%, или 0,6 мм/м, при расширении твердой фазы и воды 0,78:3=0,26, или 2,6 мм/м. Приведенные на рис. 61 данные показывают, что вследствие сопротивления структуры бетона и усадки на практике деформации всегда меньше
При охлаждении в бетоне возникают напряжения вследствие того, что образовавшаяся структура препятствует его температурному сжатию. В результате бетон 220
не может уменьшиться до первоначальных размеров, а возникшие внутренние напряжения постепенно релаксируются, но оказывают некоторое влияние на его последующее твердение, несколько уменьшая прочность бетона, особенно при испытании сразу же после охлаждения, а также его усадку.
Пористость в процессе тепловой обработки увеличивается главным образом за счет капиллярных пор, так как поры геля, образующиеся при твердении цементного камня, обычно появляются и развиваются несколько позже, чем происходит основное расширение бетона При нагреве. Кроме того, дополнительный объем, необходимый для компенсаций давления в порах геля, очень Мал и обычно для этого вполне достаточно объема пор, Возникающих при контракции цементного камня.
Поскольку при пропаривании увеличивается объем Капиллярных пор, постольку снижается морозостойкость и ухудшаются другие свойства бетона. Применение жестких закрытых форм, ограничивающих расширение бетона, способствует улучшению его качества.
Большое значение на качество пропаренного бетона оказывает также процесс тепломассообмена при тепловлажностной обработке. В этих условиях в изделиях возникают градиенты температур и влажности, под действием которых влага и газообразная фаза перемещаются в бетоне, разрыхляя его структуру. В некоторых случаях, при неправильных режимах тепловой обработки, влага может испаряться из бетона, замедляя гидратацию цемента, оставляя сквозные капилляры, резко повышающие проницаемость бетона и ухудшающие его долговечность
При тепловой обработке надо стремиться, чтобы градиенты температуры и влажности были бы минимальными или, во всяком случае, ниже предельных, при которых начинается заметная деструкция бетона. Значения предельных градиентов зависят от прочности структуры бетона к моменту начала нагрева и других фактор-nj и могут определяться опытным путем.
Уменьшению деструкции вследствие тепломассообмена способствует применение горячих бетонных смесей, когда изделие формуют из заранее разогретой до »пре-деленной температуры бетонной смеси.
Опыты подтверждают высказанные выше положения. В табл. 66 приведены данные Л. А. Малининой, Образ
221
цы размером 7X7X7 см из тяжелого бетона на белгородском портландцементе пропаривались при 85°С по режиму l-j-6, а затем остывали вместе с камерой. Прогрев начинали через 1 ч после изготовления образцов. Несколько более высокая прочность пропаренных без деформаций (первая строчка) образцов по сравнению с прочностью бетона нормального твердения в возрасте 28 сут объясняется более глубокой гидратацией цемента при прогреве.
Таблица 66. Влияние условий тепловой обработки на степень развития деструктивных процессов (состав бетона 1 : 1,87:2,77;
_______ В/Я=0,45)
Условия твердения Теплофизический процесс КГС/См2 (106 Па) Пористость в возрасте 28 сут» о/ /0
тепловое расширение внешний мае-сообмеи 1 сут 28 сут
В термокомпенсированной закрытой форме, не изменяющей размеры при нагреве Отсутствует 473 103 566 123 14,8
В закрытой форме Ограничено во всех направлениях Отсутствует 363 79 495 108 16,5
В открытой форме Ограничено в двух направлениях Имеется с одной поверхностью 313 68 445 ' 97 17,6
На поддоне Не ограничены 180 39 266 53 24,8
В целлофановой пленке на поддоне Не ограничено Практически отсутст- 240 52 363 79 22
Твердение прн 20°С в герметической форме 28 сут Практически отсутствует вус 1 Отсутствует —— 460 100 15,5
Примечание. Под чертой — относительная прочность бетона.
Опыты подтверждают большое влияние на структуру и прочность бетона его теплового расширения и тепломассообмена. Для ориентировочных расчетов можно принять, как и при нормальном твердении, что один процент увеличения пористости снижает прочность бетона в возрасте 28 сут на 5% •
Проведенный анализ поведения бетона при прогреве позволяет наметить технологические приемы, при применении которых обеспечивается повышение качества бетона в условиях тепловой обработки (табл. 67).
222
Таблица 6/. Способы уменьшения влияния деструктивны* процессов в бетоне при подъеме температуры
Технологический прием Физическая сущность приема
Тепловлажностная обработка в паровоздушной или паровой среде с избыточным давлением (в автоклавах и напорных пропарочных камерах) Создаваемое в паровоздушной среде давление уравновешивает избыточное давление, возникающее в бетоне, препятствует его свободному расширению, уменьшает внутренний массоперенос, уплотняет структуру бетона в целом
Тепловая обработка в закрытых металлических фор- Ограничивает свободное тепловое расширение бетона, устраняет внеш-
мах ний массообмен
Пропаривание с подъемом температуры в прогрессивно возрастающем темпе или по ступенчатому графику, так чтобы внутренние напряжения не превышали прочности бетона в данное время Избыточное давление, образующееся в бетоне, компенсируется внутри-объемным вакуумом, возникающим напряжениям противодействует прочность сформировавшейся структуры бетона. В результате температурные деформации прогреваемого бетона не превышают температурных деформаций затвердевшего бетона
Предварительное выдерживание Приводит к развитию контракционных явлений и возникновению начальной «критической» прочности бетона, что способствует сопротивлению бетона внутренним напряжениям, возникающим при нагреве, и нх уменьшению
Тепловлажностная обработка в среде с переменной относительной влажностью Уменьшает избыточное давление в бетоне, позволяет регулировать внешний и внутренний тепломассообмен
Применение жестких хорошо уплотненных бетонных смесей и все способы ускорения твердения бетонов в начальный период прогрева (твердения) Ограничивает содержание воды и воздуха, ускоряет рост прочности бетона и возникновение контракционных явлений
223
Продолжение табл. 67
Технологический прием Физическая сущность приема
Предварительный электро- и пароразогрев бетонной смеси до формования изделий Устраняет температурно-влажностный градиент по сечению изделия, ускоряет процессы гидратации цемента
Ограничение температуры нагрева (например, ниже 80°С) Уменьшает расширение составляющих бетона, особенно газообразной фазы, которая резко возрастает после 80°С, и тем самым снижает избыточное давление в бетоне и возникающее внутреннее давление
§ 54. ТЕПЛОВЛАЖНОСТНАЯ ОБРАБОТКА БЕТОНА
Наиболее распространенным видом тепловлажностной обработки является пропаривание бетона. Прочность бетона после пропаривания определяется режимом пропаривания, видом и активностью цемента и составом бетона.
Обобщение опытных данных позволяет установить приближенную зависимость прочности бетона, пропаренного при оптимальном режиме, от водоцементного отношения (табл. 68).
Таблица 68. Зависимость прочности пропаренного бетона от ВЩ
Прочность бетона. %, от его марки
вщ через 4 ч после пропаривания через 28 сут после пропаривания
0,6 и более 0,4—0,5 Менее 0,4 60—65 65—70 70—85 85—95 95—105 100—110
Цементы среднеалюминатные с высоким содержанием алита показывают относительную прочность на 0,05 выше приведенных значений. Проектирование состава бетона обычно проводят в предположении, что бетон после
224
пропаривания набирает 70% марочной прочности. Как показывает табл. 68, это может быть вполне достигнуто при правильном выборе режима твердения.
При необходимости получения после пропаривания 100%-ной прочности следует проектировать состав бетона более высокой марки, что вызывает увеличение расхода цемента. Поэтому получение 100%-ной прочности бетона должно назначаться только в исключительных случаях, например, для наружных конструкций, изготавливаемых и вводимых в действие в зимний период.
Предварительная выдержка бетона до тепловой обработки повышает конечную прочность бетона, позволяет применять более форсированные режимы, что сокращает длительность тепловой обработки. Обычно для бетонов из подвижных смесей рекомендуется выдержка в течение 3—6 ч, из жестких смесей — не менее 2—3 ч, а из особо жестких — 1—2 ч. Чем выше марка бетона и ниже ВЩ, тем короче предварительная выдержка. Введение добавок — ускорителей твердения сокращает, а поверхностно-активных добавок удлиняет предварительную выдержку. Например, при введении в бетон до 0,2% ССБ предварительную выдержку увеличивают до 4—6 ч.
Предварительная выдержка необходима при прогреве изделий без форм или с большой открытой поверхностью. При прогреве изделия в герметичных формах или в кассетах, где металлическая, закрытая со всех сторон, форма препятствует температурному расширению бетона, предварительная выдержка не требуется и допустим быстрый подъем температуры. Более того, в формах сложной конструкции с большим количеством закладных деталей немедленный прогрев бетона сразу же после формования полезен, так как иначе усадочные явления и деформации металла форм при прогреве могут вызвать появление в изделии трещин.
Скорость нагрева бетона зависит от состава бетона, конструкции форм, вида изделия и других факторов. Она должна быть такой, чтобы свести к минимуму деструктивные процессы.
Обычно для тонкостенных изделий скорость подъема температуры не должна превышать 25°С/ч, для более массивных изделий 20°С/ч. Для изделий из жестких смесей с низким В/Ц (менее 0,45) скорость подъема
225
температуры может составлять 30—35°С/ч, для изделии в закрытых металлических формах — 40—60°С/ч.
Получение бетона хорошего качества обеспечивают ступенчатые режимы или режимы с прогрессивно возрастающей скоростью. В первом случае за 1—1,5 ч температуру поднимают до 35—40°С, затем выдерживают изделия при этой температуре в течение 1—2 ч, а затем за I ч поднимают температуру до температуры
Рис. 62. Кривые нарастания прочности бетона при пропаривании
а — для портландцемента; б — для шлакопортландце-мента
изотермического прогрева. Во втором случае в первый час температуру поднимают на 10°С, во второй --на 15—20°С, в последующий — на 20—30°С и так до максимального ее уровня.
226
Оптимальной температурой изотермического прогрева для бетона на портландцементе является температура 80—85°С. Дальнейшее повышение температуры не приводит к росту прочности бетона, хотя и может несколько ускорить его твердение >в первые часы. При этом замедляется рост прочности после пропаривания, в результате пропаренный бетон в возрасте 28 сут имеет меньшую прочность, чем бетон нормального твердения. Для бетонов на шлакопортландцементе и пуццолановых цементах оптимальной является температура 90—95°С.
На рис. 62 приведены графики ориентировочных зависимостей относительной прочности бетона от температуры и длительности изотермического 'Прогрева. По графикам можно назначать ориентировочно продолжительность изотермического прогрева. Скорость остывания бетона обычно не должна превышать 30°С/ч, выгружать изделия из пропарочной камеры желательно при перепаде температур между поверхностью бетона и окружающей средой не более 40°С, так как иначе в изделии могут возникнуть значительные деформации. После тепловой обработки изделия выдерживают в цехе в течение 4—6 ч для остывания.
Для получения морозостойких бетонов следует применять более мягкие режимы: увеличивать предварительную выдержку, подъем температуры проводить со скоростью 10—15°С/ч, уменьшить температуру изотермического прогрева до 60—80°С; понижать температуру бетона со скоростью не более 10—15°С/ч.
§ 55. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАЗОГРЕВ БЕТОННОЙ СМЕСИ
Для устранения вредного влияния на структуру бетона температурного расширения составляющих при нагреве и для некоторого сокращения продолжительности тепловой обработки в последнее время на некоторых заводах практикуют предварительный разогрев бетона электрическим током или паром и формование изделий из горячих бетонных смесей. При этом резко уменьшаются температурные градиенты в теле изделия, что способствует повышению качества бетона. В некоторых случаях возможно ограничиться термосным выдерживанием, в других — применить более сокращенный режим прогрева для получения требуемой прочности.
227
Для подогрева бетонной смеси требуется следующее ориентировочное количество тепла:
<2б = v6 уб сб (/к — ^и). (154)
где Qe — количество тепла в ккал (кДж); Уб — объем разогреваемой бетонной смеси, м3; уб — объемная масса бетонной смеси, кг/м3; Сб — удельная теплоемкость бетонной смеси, ориентировочно принимаемая 0,25 ккал/кг-°С (1,05 кДж/кг-°С); tK—конечная температура разогрева (обычно 80—90°С), но иногда и меныная, если бетон нагревается до более высоких температур уже непосредственно в форме); tB — начальная температура бетонной смеси.
Экзотермией цемента при быстром начальном разогреве можно пренебречь. В среднем для разогрева 1 м3 бетонной смеси требуется 30—40 тыс. ккал (примерно 125—170 тыс. кДж).
При разогреве бетонной смеси электрическим током требуемая мощность определяется по формуле
0,864т ’
(155)
Где Р — мощность тока, Вт; i — продолжительность разогрева, ч.
При разогреве бетонная смесь загустевает. На рис. 63 показана зависимость загустевания бетонной смеси от времени выдержки ее до укладки. Наиболее заметно густеют смеси на высокоалюминатных цементах. Соответственно изменяются и сроки схватывания бетона.
Р,ис. 63. Влияние «времени выдержки на изменение подвижности горячих бетонных смесей на цементах
1 — низьоалюми-натных; 2 — сред неалюминатных;
3 — высокоалюминатных
Кроме того, для получения заданной подвижности необходимо увеличивать расход воды на 10—15%. Это хотя и в меньшей степени, чем в обычных смесях, снижает прочность бетона. Для сохранения заданной прочности бетона приходится несколько повышать расход цемента, 228
Применение комплексных добавок, состоящих из компонентов, ускоряющих разогрев и твердение, а также пластифицирующих бетонную смесь, позволяет в ряде случаев получить бетоны с тем же расходом цемента, что при обычном изготовлении изделий.
Нарастание прочности горячих бетонных смесей зависит от температуры разогрева и выдерживания, от водоцементного отношения и других факторов. Обычно прочность предварительно разогретого бетона в ранний период возрастает более быстро, чем при пропаривании, а затем выравнивается и при обычно применяемых режимах, когда требуется получить 70% марочной прочности, сокращение продолжительности тепловой обработки при горячем формовании не превышает 10—15% (с учетом применения бетонов повышенной водопотребности). Для ориентировочной оценки роста прочности
Рис. 64. Кривые нарастания прочности предварительно разогретого бетона при термосном выдерживании
предварительно разогретого бетона могут служить графики (рис. 64), составленные по результатам опытов Л. М. Зголич.
Предварительный электроразогрев с термосным выдерживанием целесообразно применять при зимнем бетонировании, определяя время термосного выдерживания, необходимого для достижения критической прочности бетона (см. § 56), по приведенным выше графикам.
БЕТОН ДЛЯ ЗИМНИХ РАБОТ
§ 56. ОСОБЕННОСТИ ТВЕРДЕНИЯ БЕТОНА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Нормальной температурой среды для твердения бетона условно считается 15—20°С. При пониженной тем
229
пературе прочность бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При температуре бетона ниже нуля твердение практически прекращается, если только в бетон не добавлены соли, снижающие точку замерзания воды.
Бетон, начавший твердеть, а затем замерзший, после оттаивания продолжает твердеть в теплой среде, причем если он не был поврежден замерзающей водой в самом начале твердения, прочность его нарастает (рис. 65).
Рис. 65. Относительная прочность бетона в зависимости ют его возраста в момент замораживания ,(В/Ц—0,6)
/ — бетон незамороженный; 2—бетон замороженный в возрасте 7 сут.; 3 — то же, 3 сут; 4 — то же, 1 сут; 5 — то же, 6 я
При повышенных температурах бетон твердеет быстрее, чем при нормальной температуре, особенно в условиях влажной среды. Так как при высоких температурах бетон трудно предохранить от быстрого высыхания, то нагревать его выше 80°С нельзя. Исключение составляет лишь обработка насыщенным паром в специальных герметизированных камерах при температуре около 100°С или под давлением в автоклавах на заводах, изготовляющих бетонные изделия. Прочность бетона, твердеющего при температурах 5—35°С до 28 сут, может быть приблизительно определена по табл. 69, полученной опытным путем С. А. Мироновым.
Бетон, укладываемый зимой, должен зимой же приобрести прочность, достаточную для распалубки, частичной нагрузки или даже для полной загрузки сооружения.
Замерзание бетона в раннем возрасте влечет за собой значительное понижение его прочности после оттаивания и в дальнейшем (по сравнению с нормально твердевшим бетоном). Это объясняется тем, что свежий бе-
230
Таблица 69. Относительная прочность бетона при разных температурах твердения (портландцемент средней марки)
Сроки твердения бетона, сут Средняя температура твердения, °C
5 10 15 25 35
3 0,15 0,20 0,30 0,37 0,45
5 0,25 0,32 0,45 0,54 0,60
7 0,35 0,44 0,60 0,70 0,72
10 0,45 0,52 0,70 0,77 0,77
15 0.55 0,65 0,80 0,85 0,85
28 0,80 0,92 1,00 1,05 —
Примечание. За единицу принята прочность бетона в возрасте 28 сут, твердеющего при 15°С.
тон насыщен водой, которая при замерзании расширяется и разрывает связи между поверхностью заполнителей и слабо затвердевшим цементным камнем. Прочность бетона тем ближе к нормальной, чем позже бетон был заморожен (см. рис. 65). Кроме того, из-за раннего замораживания значительно уменьшается сцепление бетона со стальной арматурой в железобетоне.
При любом способе производства бетонных работ бетон следует предохранять от замерзания до приобретения им минимальной (критической) прочности, которая обеспечивает необходимое сопротивление давлению льда и сохранение в последующем при положительных температурах способности к твердению без значительного ухудшения основных свойств бетона (табл. 70).
Таблица 70. Минимальная прочность, которую бетой должен приобрести к моменту замерзания
Марка бетона Минимальная прочность, не менее Примерное время выдерживания бетона на портландцементе при 15—20°С, сут
% ^26 кгс/см2 (10е Па)
100 50 50 5—7
200 40 70 3—5
300 35 100 2—2,5
400 30 120 1,5—2
500 25 125 1—2
I
При применении быстротвердеющего высокопрочного цемента необходимое время выдерживания сокращается примерно в полтора раза. Если к бетону предъявляются
231
высокие требования по динамическим свойствам, водонепроницаемости и морозостойкости, то его следует предохранять от замерзания до достижения марочной прочности, так как замораживание при минимальной прочности, не сказываясь заметно на прочности бетона при сжатии, может несколько нарушить структуру и ухудшить его особые свойства.
§ 57. СПОСОБЫ ЗИМНЕГО БЕТОНИРОВАНИЯ
При бетонировании зимой необходимо обеспечить твердение бетона в теплой и влажной среде в течение срока, устанавливаемого в зависимости от заданной прочности. Это достигается двумя способами: 1) использованием внутреннего запаса тепла бетона; 2) дополнительной подачей бетону тепла извне, если внутреннего тепла недостаточно. Способы зимнего бетонирования хорошо разработаны и широко внедрены в практику строительства специалистами данной области — С. А. Мироновым, В. Н. Сизовым, И. Г. Соваловым и другими.
При первом способе необходимо применять высокопрочный и быстротвердеющий портландцемент.
Кроме того, рекомендуется использовать ускорители твердения цемента, например хлористый кальций, уменьшать количество воды в бетонной смеси, вводя в нее пластифицирующие и воздухововлекающие добавки. Все это дает возможность ускорить сроки твердения бетона при возведении сооружений и добиться того, чтобы бетон приобрел достаточную прочность перед замораживанием.
Внутренний запас тепла в бетоне создают путем подогревания материалов, составляющих бетонную смесь; кроме того, в твердеющем бетоне тепло выделяется при химической реакции, происходящей между цементом и водой (экзотермия цемента).
В зависимости от массивности конструкций и температуры наружного воздуха подогревают либо только воду для бетона, либо воду и заполнители (песок, гравий, щебень). Воду можно подогревать до 90°С, заполнители— до 40°С. Требуется, чтобы бетонная смесь при выходе из бетономешалки имела температуру не выше 30°С, так как при более высокой температуре она быстро густеет. Загустевание, т. е. потеря подвижности бетонной смеси, затрудняет укладку, а добавлять воду
232
нельзя, так как это понижает прочность бетона. Минимальная температура бетонной смеси при укладке в массивы должна быть не ниже 5°С, а при укладке в тонкие конструкции — не ниже 20°С.
В последнее время применяют новый способ — электроподогрев бетонной смеси в специальном бункере непосредственно перед укладкой в конструкцию. В этом случае электрический ток пропускают через бетонную смесь и разогревают ее до 50—70°С. Разогретую смесь надо сразу же укладывать и уплотнять, так как она быстро густеет.
В процессе твердения бетона цемент выделяет значительное количество тепла, зависящее от состава и тонкости помола цемента, температуры бетона и срока твердения. Это тепло выделяется главным образом в первые 3—7 сут твердения. Чтобы сохранить тепло в бетоне на определенный срок, необходимо покрыть опалубку и все открытые части бетона хорошей изоляцией (минеральной ватой, опилками, шлаком и др.), толщина которой определяется теплотехническим расчетом.
Этот способ зимнего бетонирования называют способом термоса, так как подогретая бетонная смесь твердеет в условиях теплоизоляции. Применение данного способа рационально, если тепло, необходимое для его первоначального твердения, сохраняется в бетоне, .по крайней мере, 5—7 сут. Это возможно только при массивных или тщательно изолированных средних по толщине конструкциях. У этих конструкций отношение охлаждающей поверхности бетона к его объему, так называемый модуль поверхности, обычно бывает не более 6.
Конструкции более тонкие или со слабой теплоизоляцией, а также возводимые при очень сильных морозах следует бетонировать с подачей тепла извне. Существуют три разновидности этого способа. Первая разновидность — обогрев бетона паром, пропускаемым между двойной опалубкой, окружающей бетон, или по трубкам, находящимся внутри бетона, или по каналам, вырезанным с внутренней стороны опалубки. Обычная температура пара 50—80°С. При этом бетон твердеет быстро, достигая в течение 2 сут такой прочности, которую он приобретает через 7 сут при нормальном твердении. Вторая разновидность — электропрогрев, который осуществляют, пропуская через бетон электрический переменный ток. Для этого стальные пластинки — электро
233
ды, соединенные с электрическими проводами, — укладывают сверху или с боковых сторон конструкции до начала схватывания бетона. При электропрогреве в колонне или балке в бетон закладывают продольные электроды или вбивают короткие стальные стержни для присоединения проводов. После затвердения бетона выступающие концы этих стержней срезают. Пластинчатые электроды применяют главным образом для подогрева плит и стен, продольные электроды и поперечные короткие стержни — для балок и колонн.
В начале прогрева обычно подается ток низкого напряжения (50—60 В), получаемый путем трансформирования обычного тока в 220 В. Сырой бетон при пропускании тока разогревается и затвердевает. По мере затвердевания бетона его электрическое сопротивление возрастает и напряжение приходится повышать. Нагревать бетон следует медленно, чтобы избежать высушивания и появления в нем трещин (повышать температуру нужно не более чем на 5°С в час). Температуру бетона следует доводить до 60°С. При этих условиях бетон в течение 36—48 ч твердения приобретает прочность не меньшую, чем за 7 сут нормального твердения.
При бетонировании массивных сооружений зимой целесообразно применять электропрогрев только поверхностного слоя бетона и углов сооружения (так называемый периферийный электропрогрев), чтобы предохранить его от преждевременного замерзания.
Третья разновидность способа термоса — обогрев воздуха, окружающего бетон. Для этого устраивается фанерный или брезентовый тепляк, в котором устанавливают временные печи, специальные газовые горелки (при этом нужно строго соблюдать противопожарные правила), воздушное отопление (калориферы) или электрические отражательные печи. В тепляках ставят сосуды с водой, чтобы создать влажную среду для твердения, или поливают бетон. Этот способ дороже предыдущего и применяется при очень низких температурах, при малых объемах бетонирования, а также при отделочных работах.
§ 58. ХОЛОДНЫЙ БЕТОН
Кроме описанных выше способов зимнего бетонирования, требующих подогрева самого бетона или его составляющих, в СССР применяют холодный способ зим
234
него бетонирования, при котором материалы не подогреваются, но в воде для приготовления бетона растворяют большое количество солей: хлористого кальция (CaCU), хлористого натрия (NaCl), нитрита натрия (NaNO3), поташа (КгСО3). Эти соли снижают точку замерзания воды и обеспечивают твердение бетона на морозе, хотя и очень медленное. Количество соли, добавленное в бетон, зависит от ожидаемой средней температуры твердения бетона (табл. 71).
Таблица 71. Рекомендуемое содержание противоморозных добавок в бетоне, % от массы цемента (в расчете на безводную соль)
Температура твердения бетона, °C NaC14-CaCl2 NaNO3 К2СО3
До -5 3-j~0 или 0-J-3 4—6 5—6
До -10 3,5+1,5 6—8 6—8
До -15 3,5+4,5 8—10 8—10
До —20 — —* 10—12
До —25 — 12—15
Бетонная смесь с добавкой поташа быстро густеет и схватывается, что затрудняет ее укладку в опалубку. Для сохранения удобоукладываемости бетонной смеси с поташом в нее добавляют сульфитно-спиртовую барду или мылонафт.
При приготовлении бетонной смеси с противомороз-ными добавками можно использовать холодные заполнители, укладывать бетонную смесь с температурой до —5°С.
Прочность бетона на портландцементе с добавками, твердеющего на морозе, может быть определена ориентировочно по табл. 72.
Бетон с добавкой нитрита натрия при температуре —5°С твердеет медленнее, а при температурах ниже —10°С почти так же, как бетон с хлористыми солями.
Способ зимнего бетонирования с применением противоморозных добавок прост и экономичен, но большое количество соли, вводимой в бетон, может ухудшить структуру, долговечность и некоторые особые свойства. При эксплуатации конструкции во влажных условиях имеется опасность коррозии арматуры под действием хлористых солей (нитрит натрия и поташ коррозии не вызывают). Кроме того, образующиеся в процессе твердения бетона с добавками едкие щелочи могут вступить
235
Таблица 72. Прочность бетона с противоморозными добавками, % от У?28
Вид добавки Температура твердения бетона, °C Время твердения на морозе, сут
7 14 28
—5 36 65 80
Хлористые соли —10 25 35 45
—15 15 25 35
—5 50 65 75
—10 30 50 70
Поташ —15 25 40 60
—20 22 35 55
—25 20 30 50
в реакцию с активным кремнеземом, содержащимся в некоторых заполнителях, и вызвать коррозию бетона.
Поэтому бетон с противоморозными добавками не рекомендуется применять в ответственных конструкциях, в конструкциях, предназначенных для эксплуатации во влажных условиях при наличии реакционноспособного кремнезема в зернах заполнителя, а бетон с хлористыми солями — в железобетонных конструкциях.
§ 59. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРИ ЗИМНЕМ БЕТОНИРОВАНИИ
Для различных расчетов по зимнему бетонированию (определение времени остывания бетона, требуемых свойств теплозащиты, средней температуры бетона и др.) широко используют уравнение теплового баланса, предложенное Б. Г. Скрамтаевым:
боо(/б.н-'б.к) + 43
т =----------------------, (156)
КМ (/б.ср-'в)
где К — коэффициент теплопередачи от бетона через опалубку в окружающую среду, ккал/(м2-ч-°С); (кВт/м2-сС); М—модуль поверхности конструкции (M=/7:V), м-1; Ц—расход цемента, кг/м3; Э — тепловыделение цемента, ккал/кг (кДж/кг); /б.н — температура свежеуложенного бетона; /б.к— температура бетона, до которой продолжается его остывание (для бетона без добавки в расчетах термосного выдерживания обычно принимают /б.к=0°С); /б.ср — средняя температура бетона за период остывания; — средняя температура воздуха за период остывания (по прогнозу погоды); х— продолжительность остывания, ч.
236
При расчете по системе СИ вместо коэффициента 600 используют коэффициент 2520.
Коэффициент теплопередачи определяют по формуле
(157)
где hi — толщина каждого слоя изоляции, м; М—коэффициент теплопроводности изоляционного слоя, ккал/(м-ч-°С).
Коэффициенты теплопроводности для стали 50, для сосны 0,15, для снега 0,3 ккал/(м-ч-°С). (1 ккал/(м-ч--°C) = 1,16 Вт/(м-°С).
Если опалубка воздухопроницаема, в ней имеются щели и неплотности, то значение коэффициента теплопередачи увеличивается в 1,5—2 раза.
Тепловыделение портландцемента в возрасте 28 сут примерно составляет: для марки 500—120 ккал/кг, марки 400—100 ккал/кг, марки 300—80 ккал/кг (1 ккал/кг= =4,2 кДж/кг). Шлакопортландцемент и пуццолановый цемент выделяют тепла на 15—20% меньше. Для ориентировочных расчетов принимают тепловыделение к определенному сроку пропорционально его относительной прочности. Например, для цемента марки 400 тепловыделение к возрасту 7 сут при нормальном твердении примерно составит 0,6-100=60 ккал/кг.
Средняя температура бетона ориентировочно определяется в зависимости от модуля поверхности: при М<8 /б.ср= при 7И>8 f6.Cp=-yk
Более точные теплотехнические расчеты для зимнего бетонирования выполняются на основе современной теории тепло- и масообмена с использованием ЭВЦМ.
Раздел |Г7
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА БЕТОНОВ
И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Глава 17
ПРОВЕДЕНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИИ С ЦЕЛЬЮ УТОЧНЕНИЯ
РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
§ 60. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
Для уточнения расчетных формул, особенно при больших объемах бетонных работ, рекомендуется предварительно испытать бетон и бетонную смесь, приготовленную на предназначенных к применению материалах, выдерживая образцы в условиях, соответствующих производственным. При использовании уточненных зависимостей для прочности бетона и подвижности бетонной смеси можно назначать состав бетона без экспериментальной проверки с последующей его корректировкой, если это потребуется, по результатам испытания контрольных образцов, приготовленных при бетонировании конструкции или сооружения.
Если ожидается применение одной-двух марок бетона, достаточно изготовить три пробных замеса с тремя значениями ВЩ, например 0,4; 0,55 и 0,7. Необходимо, чтобы диапазон значений ВЩ предполагал получение бетона прочностью на 15—25% ниже и выше заданной марки. Подвижность бетонной смеси подбирают в соответствии с заданием. Состав бетона для пробных затворений рассчитывают обычными методами.
По результатам испытаний, проведенных в заданные сроки, строят график зависимости прочности бетона от Ц/В при данном цементе или уточняют коэффициенты Л и Св формулах (9) — (10). Например, если результаты предварительных испытаний для бетона марки 200 нанести на график (рис. 66), то коэффициент С будет соответствовать отрезку 01, а коэффициент А — отношению ординаты к абсциссе при любом значении » л 03 последней: А — —.
238
На практике обычно приходится из одних и тех же материалов готовить бетоны различных марок при разной консистенции бетонной смеси. При этом число составов может достигать нескольких десятков. В этом случае нецелесообразно проводить предварительные испытания для каждой марки бетона отдельно, рациональнее провести испытания, позволяющие построить
Рис. 66. Построение зависимости ло резуль-
татам предварительных испытаний
обобщенные зависимости, связывающие прочность, подвижность, водоцементное отношение и расход цемента. Тогда объем предварительных испытаний резко сокращается.
Известны разные приемы проведения таких испытаний. Рассмотрим методику, предложенную А. А. Шадриным [73].
По этой методике определяют зависимости:
I) между удобоукладываемостью и В/Ц при постоянных расходах цемента;
2) между удобоукладываемостью и расходами цемента при постоянных значениях ВЩ\
3) между прочностью и ВЩ при постоянных расходах цемента;
4) между прочностью и расходами цемента при постоянных значениях В/Ц‘,
5) между прочностью бетона, ВЩ и удобоукладываемостью.
Достаточно иметь результаты испытаний трех серий составов с одним значением ВЩ и отличающихся только расходами цемента и соответствующими им значениями доли песка в смеси заполнителей, чтобы получить зависимость между показателем удобоукладываемости (в с) и расходом цемента для данного значения ВЩ. В итоге, имея результаты дополнительных испытаний еще для двух значений ВЩ с теми же расходами цемента,
239
можно получить зависимость между показателем удобо-укладываемости и В/Ц для данного расхода цемента. Таким образом, требуется изготовить девять составов, разделенных на три группы (по три серии в каждой).
Выбор водоцементных отношений и расходов цемента должен обеспечивать необходимые диапазоны прочности бетона и консистенции бетонной смеси. Для предварительных определений значения ВЩ могут быть подсчитаны по формулам прочности бетона.
Для построения зависимостей У=1(В/Ц) при постоянном расходе цемента и У=1(Ц) при постоянном значении водоцементного отношения по данным лабораторных испытаний, выполненных в соответствии с планом
Рис 67. Зависимость удобоукладываемости бетонной смеси а — от водоцементиого отношения; б — от расхода цемента
(см. форму), в правой части графика (рис. 67) строят три кривые, выражающие зависимость показателей удобоукладываемости бетонной смеси от расхода цемента для В/Д=0,41; 0,47 и 0,52.
240
Для построения первой кривой берут показатели удобоукладываемости смеси составов 1-1, П-1 и Ш-1; второй — 1-2, П-2 и Ш-2 и третьей—1-3, II-3 и Ш-З.
В левой части графика строят кривые зависимости показателей удобоукладываемости от водоцементного отношения для расходов цемента 220, 280 и 340 кг/м8. Первую кривую строят по показателям удобоукладываемости составов 1-1, 1-2 и 1-3; вторую — составов 11-1, П-2 и П-3 и третью — составов Ш-1, Ш-2 и Ш-З.
Методика построения графических зависимостей посредством совмещенной оси ординат в функции двух переменных дает возможность производить интерполяцию для любых промежуточных значений водоцементного отношения (0,49, 0,45 и 0,43) и расхода цемента (220, 240, 280, 300 и 320 кг/м3).
Форма записи результатов испытаний различных составов бетона
Группа Серия Расход цемента, кг/м3 г В/Ц Удобоукладываемость бетона У, с Предел прочности при сжатии Я, кгс/см2 (МПа)
после пропаривания после пропаривания и хранения в течение 28 сут
1 2 3 4 5 6 7 8
1 1 2 3 Ц1 1 в/Дх В/Дг В/Д3
II 1 2 3 Цг 2 В/Дх в/д2 В/Дз
III 1 2 3 цэ 3 В/Д1 В/Да В/Дз
Для выявления зависимости прочности бетона от В/Ц и расхода цемента строят три линии, соответствующие трем В/Ц и трем расходам цемента (рис. 68). Для построения первой линии берут значения прочности бетона составов 1-1, 1-2 и [-3; второй — составов П-1, П-2 и П-3 и третьей — составов Ш-1, Ш-2 и Ш-З.
Для графической интерполяции зависимости прочности от Ц/В при любом расходе цемента по имеющимся
9 Зак. 494
241
трем данным в левой части графика на рис. 68 строят зависимости прочности от расхода цемента для каждого принятого значения ВЩ. Для построения первой линии
Рис. 68. Зависимость прочности пропаренного бетона а — от расхода цемента; б — от цементно-водного отношения
берут данные, соответствующие составам 1-1, П-1 и Ш-1; второй — составам 1-2, П-2 и Ш-2 и третьей — составам 1-3, П-3 и III-3.
На основе имею-
0,6 О, К 0,66 0,5 0,62 о,& в/и
Рис. 69. Зависимость прочности пропаренного бетона от водоцементного отношения, расхода цемента и удобоукладываемости
щихся результатов испытаний, выполненных в соответствии с планом, и их графической обработки (см. рис. 67 и 68) можно построить обобщенный график
R6 = У, Ц).
Имея графические зависимости показателей удобоукладываемости от расходов цемента, нетрудно построить линии «изожесткостей» в функции расхода це
мента и водоцементного отношения. Эти линии, выражающие определенные значения
242
жесткости при всех возможных ВЩ и расходах цемента, построены на рис. 69 по данным графика, представленного на рис. 67. При наличии зависимости прочности от В/Ц можно на этом же графике построить линии «изопрочностей» в функции водоцементных отношений и расходов цемента (см. рис. 69). Линии «изопрочностей» выражают определенные значения прочности при всех возможных значениях ВЩ и расхода цемента.
Если нанести линии «изожесткостей» в одних координатных осях (ВЩ и Ц) с линиями «изопрочностей», назначение любых составов бетонов по заданной их прочности и требуемому показателю удобоукладываемости не представляет затруднений.
§ 61. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
При проектировании состава бетона и проведении технико-экономических обоснований в последнее время все шире начинают использовать различные математические модели.
В технологии бетона приходится описывать и анализировать различные связи между явлениями, учитывать взаимодействие частей или целого и т. д. С точки зрения кибернетики это значит, что изучается поведение некоторой «сложной системы», для которой известны факторы входа и оценки выхода уь Кроме того, при переходе от микрообъемов материала (малые лабораторные образцы) к макрообъемам неизбежно усиление в системе роли случайных факторов £, для которых точно не известны ни количественные, ни качественные оценки. В результате такую систему целесообразно рассматривать как вероятностную (стохастическую).
Если все входные факторы измеримы, то принципиально можно записать их связь с выходными в виде функции, например, зависимость прочности бетона у о? свойств и расхода исходных компонентов хс
y=q> (xi, хг,... , х{). (158)
Совокупность таких функций (в виде формул, таблиц, графиков, логических условий и др.), отражающих реальные физико-химические, механические или технические характеристики объекта, называют его математической моделью.
Анализ поведения сложного технологического объекта, его моделирование и математическое описание
243
должны дать технологу инструмент для эффективного (в пределе оптимального) управления технологией бетона, правильного проектирования состава бетона.
Для иллюстрации сказанного на рис. 70 приведена схема принятия решения при проектировании состава бетона и выборе технологии производства железобетонных конструкций (наиболее характерна эта схема для принятия решений при проектировании новой технологической линии). Из исходного состояния 0 необходимо прийти к цели R, проведя операцию по выбору вида основных компонентов бетона, его рецептуры, типов обо-
Рис. 70. Блок-схема решения задач в технологии бетона
Сплошная линия — первый вариант, пунктирная — второй вариант, всего может быть Зн вариантов
рудования и режимов их работы. На рис. 70 условно показано 14 этапов, причем на каждом у технолога есть лишь три альтернативы (например, песок трех карьеров или бетоносмесители трех типов и т. д.). Ре
244
цептуры и режимы, вообще говоря, отображаются непрерывными шкалами, но для простоты на них выбраны лишь три точки (например, прогрев в течение 2, 4 или 6 ч). Даже при таких жестких ограничениях у технолога имеются З14 возможных вариантов, т. е. 4 782 969 решений, отличных хотя бы одним из элементов технологии. Если даже предположить, что на основании предыдущего опыта технолог может забраковать 99,99% вариантов, и то остаются конкурирующими около 500 решений.
При поиске оптимальных решений стремятся к варианту, при котором некоторый критерий эффективности достижения поставленной цели будет минимальным (например, расход цемента, стоимость 1 м3 бетона и т. д.) или максимальным (прочность, водонепроницаемость или долговечность бетона и т. п.). Выше уже приводились примеры подобного поиска.
Можно задать один критерий эффективности, ибо с помощью одной и той же операции нельзя добиться того, чтобы два произвольных критерия достигали одновременно максимума или минимума. Это положение иллюстрируется на рис. 71, где по оси абсцисс отложен параметр входа —х<, а по оси ординат — критерий оптимизации /,. Оптимальные значения для критериев 7) и
Рис. 71. Критерии эффективности и зона оптимальных решений
/2 могут совпадать (Дх<=0) лишь случайно. В технологических задачах обычно возможны компромиссные решения, расположенные в зоне Дхг-, когда вследствие некоторого снижения критерия 7] достигается рост I2.
Сущность математического моделирования сводится к описанию поведения системы (технологии бетона) при изменении входных факторов Xj (активность цемента, время прогрева и т. д). Наблюдая изменения выходных оценок yt (например, прочности бетона) в зависимости от изменения уровней факторов Xj, технолог получает матрицу опытных данных:
245
Кб опыта Уровни входных факторов Оценка выхода
• « • Х1 • • • хк
1 *11 *12 • • • *1/ л • * Х1/С У1
• • • / • • • Ху1 • • • • • • • • • • ♦ • « • • • • XJfC * ♦ « У1
п X X • • ♦ Хп1 • • • хпк Уп
Следует особо подчеркнуть, что существует два разных пути сбора информации для составления матрицы: наблюдение и эксперимент. Наблюдение обычно используется в условиях, когда исследователь не может менять в любых пределах значения хг- из-за риска расстроить нормальный технологический процесс и допустить брак продукции. При наблюдении через определенные промежутки времени или непрерывно фиксируются значения yi системы (пассивный эксперимент). В лаборатории технолог обычно ставит эксперимент. При этом он сознательно изменяет уровни х^ а потом фиксирует значения соответствующие той или иной заранее намеченной комбинации.
Приведенную выше матрицу, содержащую множество Хг, Уг, можно назвать «планом эксперимента». Составление плана ведется на основании предыдущего опыта, иногда с учетом известных закономерностей данной технологии.
Планирование эксперимента позволяет получить значительный объем технологической информации при относительно небольших затратах ресурсов. Эксперимент проводится по математически строго обоснованному плану, учитывающему цели эксперимента и метод обработки его результатов. План в зависимости от числа факторов, наложенных ограничений и целей эксперимента определяет общее число опытов п, число параллельных измерений т и фиксированные значения уровней Xi. Поставленный по плану так называемый «активный» эксперимент позволяет построить модели по более простым алгоритмам (иногда без применения ЭЦВМ). Особенно важно не только то, что число опытов сокращается по сравнению с традиционными методами в 3—15 раз, но и то, что полученная модель легче поддается теоретической (технологической) интерпретации.
246
Пассивный и активный эксперименты не исключают, а дополняют друг друга. Постановка нового (или существенно обновленного) технологического процесса должна начинаться с постановки активного эксперимента, а дальнейшая корректировка его непосредственно на производстве — продолжаться по методам пассивного эксперимента. В предыдущем параграфе рассмотрен один из способов активного эксперимента для получения расчетных зависимостей.
По данным приведенной выше матрицы можно построить математическую модель и, исследуя ее, определить то сочетание входных параметров Xi, которое дает наилучшее значение выхода уи Для описания поведения системы часто используют модель в виде полинома:
Л
(159)
где Ьо — свободный член, показывающий значение у при фиксировании xi на среднем уровне; bi — линейные эффекты изменения уровней хе, Ьц — квадратичные эффекты, показывающие степень нелинейности связи между входными факторами; Ьц—эффекты взаимодействия между входными факторами: это новое для технологов понятие, связанное с учетом того, насколько фактор х,- зависит от уровня другого фактора х,.
Коэффициенты Ь®, Ьц Ьц, bij определяют на основе метода наименьших квадратов.
Сущность метода наименьших квадратов разъясняется ниже при оценке коэффициентов Ъ® и &г- в полиноме первой степени (линейная зависимость от одного фактора *1); обобщение метода па случай произвольного числа факторов и полиномы высоких степеней рассматриваются в математической статистике.
Таблица результатов изучения системы однофакторной ситуации
Номер и — измерения 1 2 3 • • « и • • • N
Значение *lU фактора *11 *12 *13 • • • *14 • « • XIN
Значение У и выхода У1 Уз Уз • * * Уи • • Un
247
Пусть, изучая влияние фактора Xi на выход в системы у, получили таблицу измерений, в которой среди чисел xiu (w=l, 2, .... N), по крайней мере, два различны.
Если предположить, что линейно влияет на у, ю поведение системы описывается моделью
(160)
Необходимо подобрать такие значения Ь.й и fej или так провести прямую на графике, чтобы модель (160) наилучшим образом удовлетворяла данным приведенной выше таблицы. Провести прямую через все точки с координатами •{ х1и и уи } , как правило, невозможно. Это объясняется тем, что или а) измерения уи весьма точны, но предложение о линейном влиянии Х\ на у несовершенно, или б) влияние х на у действительно линейно, но уи измерено со значительной погрешностью, или в) несовершенна гипотеза линейности и существует погрешность измерения уи ((наиболее часто встречающийся случай в технологии бетона). Следовательно, всегда между наблюдаемым значением уи и рассчи-
танным по модели значением уи будет разница Ди.
Наименее громоздкие вычислительные схемы получаются в том случае, если минимизируется не сумма 5Д«, а сумма квадратов отклонений:
N N
2“=2 —Уи^=ыин'
(161)
При подстановке в (161) значений уи по модели (160) для каждого u-опыта получим
N
У (Уч —Ьо — Ь1 =
мин.
(162)
и~\
Для нахождения минимума (162) необходимо приравнять нулю частные производные по всем неизвестным (а их два: Ьо н bi). После дифференцирования получаем так называемую систему нормальных уравнений
N
— 2 У (Уи — bo — *i«) = 0;
и—1
N
(163)
— 2 У (Уи — — t»i Х1и) %!
248
или
Введем весьма важные упрощающие запись обозначения
к
Ух1ь = (10); Vxfu = (ll); Л/ = (00):
= 1 U=1
к w w
У и ~ У)’ У и %1и ~ О У)»
U=1 к=1
и тогда система нормальных уравнений (164) ся в виде
(00) А + (10) bi = (Оу);
(10) A + (U)fei = О^-
(165)
запишег-
(166)
Решаем систему относительно 6.0 и 6f.
йо —
(Оу) (10)! (1 У)(И) I (00) (10) 00) (И)
(Оу) (11) - (1 у) (10) (00) (11) -(10) (10)
(00) (Оу)
(10) (1 У)
(00) (10)
(10) (11)
(00) (1 у) — (Оу) (Ю) (00) (11) —(10) (10)
(167)
Пример 28. Определить коэффициенты в модели
а = Ьи -р fei Ц Т,
(168)
где а — коэффициент раздвижки зерен; ЦТ — расход цементного теста, л/м3, по восьми выборочным данным (xtu м уи ъ габл. 73) для бетона на гравии и люберецком песке средней крупности
Необходимые для расчетов по формулам (167) значения приведены в табл 73. Используя их, находим
6и =
10,86-602 300 — 2978,35 - 2160
=0,7052;
8-602 300 — 21602
8-2978,35 —10,86-2160 8-602 300 — 2160я
= 0,002416.
Следовательно, искомая модель а=0 7052+0,002416 ЦТ.
249
Таблица 73. К расчету параметров линейной зависимости коэффициента раздвижки зерен ос от расхода цементного теста в бетоне
№ опыта W Уи~а = (ЦП’ У и XlU “ = а ЦГ Л Л у = G -10 ~i
1 210 1.21 44 100 254,10 1,213 0,09
2 230 1,26 52900 289,80 1,261 0,01
3 240 1,28 57600 307,20 1,285 0,25
4 245 1,31 60025 320,95 1,297 107,08
5 255 1,32 65025 336,60 1,321 0,01
6 295 1,40 87025 413,00 1,418 3,24
7 320 1,50 102 400 480,00 1,478 4,84
8 365 1,58 133 225 576,70 1,587 0,49
^=(00)= =8 2 %1и ~ =(10)= =2160 2 У и — =(0г/)= =10,86 2 Аи = =(!!)= =602 300 2 Уи %1и~ =(1JZ) = =2978,35 — SSocT =115,02
N
Сумму квадратов отклонений рассчитывают
и—1 по формуле
=2 =2- (fc° -bi ^)г< (169)
и—I и=1
Величину SSoct называют остаточной суммой квадратов, в рассмотренном примере она равна 115,02-10~4. Меньшую величину SS0Ct при гипотезе линейности получить, используя имеющуюся информацию, невозможно, так как любая иная прямая, построенная по данным табл. 73, даст увеличение SS0Ct-
Использованные выше при проектировании состава различных видов бетона зависимости были получены математической обработкой (графической или аналитической) результатов активного эксперимента (предварительных опытов) или результатов пассивного эксперимента (обобщение многочисленных данных по контролю качества бетона в процессе производства). Эти зависимости, как указывалось, дают усредненные данные, пригодные для предварительных ориентировочных расчетов. Инженер-технолог всегда может получить для своих конкретных условий более точные математические модели и, используя их в расчетах, повысить эффективность проектирования состава бетона.
250
Глава 18
ЭКОНОМИЯ ЦЕМЕНТА
§ 62. ПУТИ ЭКОНОМИИ ЦЕМЕНТА
Экономия цемента — важнейшая задача проектирования состава бетона. Применяя различные способы экономии цемента, можно сократить его расход в бетоне на 10—25% по сравнению со средними значениями при рядовой технологии.
Многие способы экономии цемента рассматривались выше при изложении методов проектирования составов бетона различных видов. Наиболее распространенные способы экономии цемента следующие:
применение жестких бетонных смесей при производстве сборного железобетона;
введение в бетон пластифицирующих и воздухововлекающих добавок, что уменьшает водопотребность бетона и позволяет снизить расход цемента на 8—12%; при этом могут быть получены морозостойкие и долговечные бетоны;
применение чистых мытых заполнителей хорошего зернового состава и максимальной крупности, допустимой из условий бетонирования конструкций;
применение смешанных цементов с микронаполнителями для бетонов невысокой прочности, в том числе цементов с добавкой золы, молотого шлака и другого вторичного сырья промышленности;
рациональный выбор режимов твердения бетона с учетом свойств используемого цемента и условий производства, в частности окончание тепловой обработки при достижении бетоном 50—60% марочной прочности и использование последующего роста прочности, который в этом случае проходит более интенсивно, чем после длительного прогрева;
правильное назначение требований к прочности и другим свойствам бетона с учетом реальных условий строительства, в частности более широкое использование для экономии цемента роста прочности во времени.
Последнее положение, позволяющее значительно сократить расход цемента, может применяться как для бетона нормального твердения, так и для пропаренного бетона с сокращенным режимом прогрева (для достижения 50—60% марочной прочности).
251
§ 63. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОСТА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ВО ВРЕМЕНИ ДЛЯ ЭКОНОМИИ ЦЕМЕНТА
Иногда конструкция начинает воспринимать расчетные нагрузки не через 28 сут, в которые обычно определяют марку бетона, а в более поздние сроки. В благоприятных условиях твердение бетона продолжается и после 28 сут и к моменту передачи на конструкцию эксплуатационной нагрузки прочность бетона часто превышает требуемую проектом. В подобных случаях, назначая более длительные сроки (90 или 180 сут) достижения бетоном проектной прочности, можно уменьшить и сэкономить цемент.
Рост прочности бетона во времени зависит главным образом от минералогического состава цемента. Современные цементы по скорости твердения можно подразделить на четыре типа (табл. 74). Наибольший прирост прочности в длительные сроки обеспечивают цементы III и IV типов. При благоприятных условиях твердения у них коэффициент прироста прочности K2e-i8o достигает 1,8 [68].
Таблица 74. Классификация цементов по скорости твердения
Цемент 1 Минералогическая характеристика К28—90 ^28 К28—180 ^180 ^8
I II III IV Алюминатный (С3А>12%) Алитовый (C3S>50%, С3А<8%) Цемент со сложной минералогиче-ческой характеристикой (пуццолановый, портландцемент с содержанием C4AF 14%, шлакопортландцемент при содержании шлака 30—40%) Белитовый портландцемент и шлакопортландцемент при содержании шлака более 50% 1—1,05 1,05-1,2 ; 1,2—1,5 1,6—1,7 1-1,1 ,1,1-1,3 1,3—1,8 1,85
1g п 1,35 1,55
1
Пример 29. Если достижение проектной прочности бетона 500 кгс/см2 (50 МПа), приготовленного на цементе марки 400 IV ти-
па, назначается в возрасте 180 сут, то R28— «300.
252
По формуле (9):
для /?б = 500
0,6-400
В/Ц =---------:----------= 0,39;
' 500 4-0,5-0,6 • 400
для /?б = 300 В/Ц -
0,6-400
300 4-0,5-0,6 • 400
0,57.
При одинаковом расходе воды, например 180 л, обеспечивающем заданную подвижность, в первом случае (/?2g=500) потребовалось бы цемента 180 : 0,39=460 кг, а во втором (Т?28=300)—всего 180:0,57=315 кг, т. е. было бы сэкономлено 145 кг/м3, или более 30% цемента.
Если же при изготовлении конструкций использовать жесткую бетонную смесь и пластифицирующую добавку и уменьшить таким образом расход воды до 140 л, то расход цемента уменьшится до 140:0,57=245 кг, т. е. на 215 кг, или почти на 47%.
Из табл. 74 также видно, что пользоваться формулой цп=ц28 —в сроки 28—180 сут можно только при lg28
применении цемента III типа. Однако цементы III и IV типов, для которых наиболее целесообразно назначать проектную прочность по длительным срокам твердения, особенно чувствительны к условиям хранения. Приведенные в табл. 74 коэффициенты Кгв-эо и /С2&-180 соответствуют нормальным условиям хранения (/=15 . . .
. . . 20°С, Ц7=90 . . . 100%) небольших образцов. При понижении температуры и влажности твердение бетонов на таких цементах резко замедляется (табл. 75).
Таблица 75. Опытные значения переходных коэффициентов
Условия твердения Л28—90 zB—180
Нормальное На открытом воздухе 1,23 1,05 1,6 1,15
При возведении сооружений не всегда удается обеспечить требуемую влажность в течение всего срока твердения бетона, так как отделочные, монтажные и другие работы часто требуют не только уменьшения влажности бетона, но даже высушивания его поверхности. В этих условиях нельзя пользоваться логарифмической формулой роста прочности бетона или значениями коэффициентов Лгв-эо и К28-180, приведенными в
табл. 74. Ориентировочно можно считать, что при твердении на открытом воздухе для цементов I и II типов #28-90=1,05, #28-180=1,1; для цементов III типа #28-90= = 1,05, #28-180=1,25; для цементов IV типа #28-эо=1,1, #28-180= 1,3.
Глав а 19
ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА БЕТОНА
И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
§ 64. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА БЕТОНА
НА ОСНОВЕ ПОНЯТИИ ОБ ЭТАЛОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Для проведения технико-экономических расчетов, особенно с использованием ЭВЦМ, необходимо дальнейшее совершенствование способов проектирования состава бетона с применением таких характеристик материалов, которые позволяют оценить их влияние на свойства бетона и бетонной смеси в виде определенных количественных зависимостей.
Для технико-экономических исследований необходимо количественно сравнить бетоны разных составов. Это можно сделать с учетом структурно-технологических характеристик заполнителя, активности и нормальной густоты цемента, так как в этом случае проектирование бетона становится более точным, получаемые результаты почти не требуют корректировки и могут быть использованы в технико-экономических расчетах.
Усовершенствованный способ определения состава бетона основывается на понятии эталонных материалов, свойства которых строго определены. Примем за эталонные материалы: цемент марки 400 с нормальной густотой 25%; песок с водопотребностью 7%; щебень с водопотребностью 3% и значением коэффициента А = =0,6.
Эти характеристики соответствуют средним значениям этих показателей для обычно применяемых материалов, в частности песка средней крупности и щебня с предельной крупностью 40 мм.
Для расчета бетона на эталонных материалах можно использовать обычные зависимости, рассмотренные в I и II разделах. Составы на других материалах опре
254
деляются путем соответствующей корректировки, при этом при расчете поправки на расход воды можно принять средний расход песка в бетоне 600 кг/м3, средний расход щебня 1200 кг/м3, средний расход цемента 300 кг/м3. Бетон с такими расходами материалов можно условно считать эталонным расчетным составом.
Расход воды для получения бетонной смеси различной подвижности на эталонных материалах ориентировочно равен:
Подвижность или жесткость бетонной смеси 8—10 см 3—5 см 1—2 см 20—30 с 70—90 с
Расход воды, л 195 180 165 150 135
При применении других материалов расход воды корректируется с учетом их водопотребности по формуле Ядейст = + А (170)
где
Д В = (Н Г — 25) Ц-\- (Вп — 7) П 4- (Вщ—3) Щ. (171)
Расход других материалов корректируется обычным порядком. Как правило, достаточно одной корректировки, однако при необходимости их может быть несколько: корректируют до тех пор, пока разница в расходах материалов будет меньше точности дозирования. Подобные расчеты легко выполняются с помощью ЭВМ.
Пример 30. Определить, какой из двух крупных заполнителей позволяет получить бетон марки 200 с меньшим расходом цемента. Подвижность бетонной смеси 1—2 см. Цемент марки 400 с нормальной густотой 25%, песок средней крупности с водопотребностью 7% и (плотностью 2,6 кг/л. Первый вид крупного заполнителя — щебень имеет объемную массу 1,57 кг/л, водопотребность 3,5%, коэффициент А =0,63, плотность 2,65 кг/л. Второй вид крупного заполнителя— гравий характеризуется Вп=1,3, Д=0,55, у =1,54 кг/л, р~ =2,65 кг/л, минимальный расход цемента 200 кг/м3.
Определяем ВЩ по формуле (53):
0,63-400
(B/ZOx =------------------= 0,77;
v 7 200 + 0,5-0,63-400
0,55-400
(B/ZZ)2 =------:----------= 0,71.
1 /м/2 200 + 0,5-0,55-400
Расход воды для бетонной смеси на эталонных материалах в соответствии с приведенными выше рекомендациями 165 л.
255
Действительный расход воды по формулам (170) и (171): = 165 + (3,5 — 3) 1200 = 176 л;
В2 = 165+ (1,3 — 3) 1200 = 145 л.
Расход цемента *по формуле (55):
ц1= 176:0,77 = 230 кг;
Д2= 145:0,71 =205 кг.
По расходу цемента лучший результат дает применение в данном случае гравия.
Проверим, не нуждаются ли полученные результаты в корректировке.
Определим расход щебня и гравия по формуле (41):
1000
0,41-1,36 1
1,57 +2,65
= 1360 кг;
1000
0,42 1,28 1
1,54 + 2,65
=1370 кг.
Поскольку полученные расходы крупного заполнителя отличаются от принятого при определении водопотребности бетонной смеси усредненного расхода 1200 кг/м3, определим, какая в результате этой разницы потребуется корректировка расхода воды:
Д В, = (3,5 — 3) (1360 —1200) = 0,8 л;
ДВ2= (1,3 — 3) (1370—1200) = 2,9 л.
В первом случае корректировку можно не проводить, так как 0,8 меньше, чем точность дозирования 0,01-176 «1,7 л.
Во втором случае введем поправки в расход воды и цемента:
В„ = 145 — 3 = 142 л;
Ц2= 142:0,71 =200 кг,
т. е. гравий обеспечил получение бетона с минимально допустимым расходом цемента.
§ 65. МЕТОДЫ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Использование технологических характеристик заполнителей значительно облегчает технико-экономические расчеты по выбору материалов для бетона. В этом случае нет необходимости рассчитывать составы бетонов на всех материалах, пригодных для бетона и имеющихся в распоряжении распорядителя работ, и сравнивать эти составы между собой. Можно определить один какой-либо состав и на основе технологических характеристик заполнителей сравнить расходы ма
253
териалов или стоимость бетона для различных случаев. Такие расчеты можно производить следующим образом.
Вначале найдем относительное изменение расхода цемента при применении различных заполнителей. Так, если при использовании песка I с Вщ и ДП1 расход цемента в растворе будет Ц\, а при применении песка II с Вп2 и ДП2 Цг, то можно принять, что $=ЦъЩ\ р— условный коэффициент, показывающий отношение между расходами цемента).
Изменение расхода цемента будет вызываться двумя причинами: различным влиянием песков на подвижность цементно-песчаной смеси — коэффициент <pi и на прочность бетона — коэффициент <р2; тогда
р ----- <Pi <Р2" (172)
Коэффициенты <р в свою очередь можно выразить через технологические характеристики Вп и Аи (см. § 18).
Определим <рь для чего предположим, что нам по условию прочности требуется, чтобы в растворе на песке I было заданное ВЩ.
Вначале находим на основе установленных зависимостей Ц:П=\ : n=f(B/Ll,) при O/C=const (см. § 17 и 39) значения и п2 (соответственно для песка I и II). Тогда можно считать, что
а
Дп =-----*----.
1 + в/д + ш
ц21 =---------,
1+ВЩ + пг ’
откуда
1 +
1 + В/Ц I- пг
(173)
(174)
(175)
Значения п можно определить аналитическим путем, зная, что для состава 1:2
(В/Д)Р-ЯГ
(176)
Изменение В/Ц на величину Вп должно вызвать изменение п на единицу, так как Вп — это водопотребность 1 части заполнителя. Если задано ВЩ, то можно
257
определить, как по сравнению с контрольным составом 1:2 (п=2) надо изменить состав смеси, чтобы получить ту же подвижность:
В/Ц-(В/Ц)Р 1-1 * —
Вд
но (ад)р=ЯГ—2ВП, откуда
(177)
. В/Ц-НГ-2ВП
Ап —----------
(178)
и, следовательно,
ВЩ — Н Г — 2ВП
(179)
Подставляя в эту формулу конкретные значения величин, можно определить П\ и п2, а следовательно, и коэффициент фь
С учетом различия Ва в растворах разного состава
л = л'/К, (180)
где
К = 0,1 л' 4-0,8. (181)
Коэффициент <р2 можно определить, зная коэффициенты Ai и А2. Так, если для раствора на песке 1 требуется по условиям прочности (B/Il)i, то для раствора на песке II потребуется (В[Ц)2. Это в свою очередь вызывает изменение расхода цемента. Полагая в данном случае В=const, можно считать, что
_ (Д/В)2
Д12 (Д/В)1 ’
(182)
Применяя формулу (9) и полагая, что Кб и Кц в бетонах на обоих песках должны быть равными, получим
-0,5 4-0,5
711
/Д \
\ В /1
(183)
Пример 31. Рассчитаем р для песчаного бетона марки 400 при (применении цемента марки 500 и НГ=0,3 песка I с Вп>=5% и ^,=0,4 и песка II сВП| =>10% и Л2=0,Зб.
Для песка I
0,5-500
400 4-0,5 0,4-500
Соответственно Д/В=12.
258
По .формуле ('179)
0,5-0,3 — 2-0,05
0,05
По формуле (180):
Л1 «1 =
= 3,33;
0,5 —0.3 —2-0,1
л2 = п2 = 2
14-0,5 4-3,33
V1 14-0,54-2
0,35
2 — 0,5 4-0,5 —5—
₽ = <Р1ф2 = 1,38-1,11 =1,52,
т. е. перерасход цемента при замене песка I песком II составит 52% (для получения равноподвижного и равнопрочного мелкозернистого бетона).
Аналогичным образом вычисляют коэффициент 0 для бетона на крупном заполнителе. В этом случае
₽ = фзф4фе. (184)
где <р3 — изменение расхода цемента из-за влияния песка на подвижность бетонной смеси; <р«—то же, щебня и гравия; <ps — изменение расхода цемента из-за влияния щебня на прочность бетона.
В большинстве случаев влиянием песка на прочность бетона можно пренебречь. Однако в особых случаях — при применении карбонатных, легких или очень мелких песков и пр.— может возникнуть необходимость специальными испытаниями (по сравнению с прочностью бетона на Вольском или обычном песке) выявить влияние песка на прочность бетона и ввести в формулу для 0 дополнительный коэффициент ф6, отражающий это влияние.
Коэффициент фз и ф4 определяют подобно коэффициенту фь только для ф4 в формуле (179) для п' появляется дополнительный член, отражающий роль Вщ, и она получает вид
п = 3,5 4-
В/Ц — НГ — 2Вп — ЗВщ Вщ
(185)
259
(186)
и соответственно
З + В/Ц + п!
3 + В/Д + п2 '
Коэффициент можно принять
Фз=П/ Щц>й так как
ФЗ = ^Ф!.
(187)
Коэффициент ф5 вычисляют по формуле (182) для <р2> но только подставляют значения коэффициента прочности щебня или гравия.
Таким образом, вычисляя коэффициент р на основе технологических характеристик заполнителей, можно сравнить несколько заполнителей и выбрать наилучшие для данных условий. Можно также определить расходы цемента в бетонах на разных заполнителях и провести полный технико-экономический расчет с применением современных математических методов и электронно-вычислительных машин.
При расчете сравнительной стоимости бетона необходимо знать относительный расход не только цемента, но и заполнителей. При применении разных заполнителей их расход меняется, так как для получения равнопрочных бетонов из равноподвижных бетонных смесей приходится изменять расход цемента и воды.
Из уравнения
РЗ рц
(188)
изменение расхода заполнителя
или
где
= 4~ <рх рз,
\ Рц /
ц Рз — Рз >
(189)
(190)
(191)
Учитывая соотношение между песком и крупным за
полнителем
), можно представить изменение
расхода песка и щебня формулами:
D Рп
(192)
(193)
Д Пд—
Тогда если эталонный состав: то со-
ставы на любых других заполнителях
Hl+Bi+ni + Ult~hU + <ftB +
+ (П-ЬпП1Ц) + (Щ-Ь1гщ1Ц). (194)
Если стоимость единицы материала обозначить коэффициентом С, то стоимость 1 м3 бетона на любых материалах будет выражаться функцией (стоимостью воды пренебрегаем, технология одинаковая)
(195)
Материалы, при которых достигается минимальное значение этой функции, обеспечат получение наиболее экономичного бетона.
На практике часто приходится решать более сложные задачи, чем просто сравнение стоимости бетонов. Например, часто возникают задачи с необходимостью учета условий транспортировки материалов, ограниченных ресурсов и других. Эти задачи могут решаться методами оптимального планирования, но с учетом реальных составов бетона на разных материалах, определяемых рассмотренными выше способами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аваков А. И. Назначение составов бетонов и растворов. М., Госстройиздат, 1955.
2. Александрин И. П. Строительный контроль «качества бетона. Изд. 6-е. Л. — М., Госстройиздат, 1955.
3. А леке ан др мн а В. П. Подбор состава бетона по условию плотности. Труды координационного совещания по гидротехнике. Вып. XIV, Л., «Энергия», 1964.
4. Аракелян А. А. Новый метод проектирования составов бетонов и растворов. ДАН АрмССР, т. XXXI, вып. 5, I960.
5. А х в е р д о в И. Н. Высокопрочный бетон. М., Госстройиздат, 1961.
6. Баженов Ю. М. Высокопрочный мелкозернистый бетон для армоцементных конструкций. М., Госстройиздат, 1963.
7. Баженов Ю. М., Шубенкин П. Ф. Строительные материалы ,М., Воениздат, 1971.
«8 . Баженов Ю. М., Горчаков Г. И., Алимов Л. А., Воронин В. В. Структурные характеристики бетонов. «Бетон и железобетон», 1972, № 9.
9. Берг О. Я., Щербаков Е. Н., Пи с анк о Г. Н. Высокопрочный бетон. М., Стройиздат, 1971.
IO. Б у же вич Г. А. Легкие бетоны на пористых заполнителях. М.» Стройиздат, 1970.
’11 1. Б уже вич Г. А, Дю в ж и к В. Г. Пормзованный керамзи-тобетон. М., Стройиздат, 1969.
112. IB а г а н о в А. И. Исследования свойств керамзитобетона. Л., Госстройиздат, 1960.
113. (Вольф И. В. Расчет состава бетона по удельному расходу и предельной упаковке его составляющих. — В кн.: Строительные материалы и конструкции, 1959.
14. Г о р<ч а к о в Г. И., Капкин М. М., Скрамтаев Б. Г. Повышение морозостойкости бетона в конструкциях промышленных и гидротехнических сооружений. М., Стройиздат, 1965.
15. Гершберг О. А. Технология бетонных и железобетонных изделий. М., Стройиздат, 1970.
116. Горяйнов К. Э. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и легких бетонов. М., Стройиздат, 1966.
17. Грушко И. М., Глущенко Н. Ф., Ильин А. Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. Изд. Харьк. гос. университета. Харьков, 1965.
ИЗ. Де с-о в А. Е. Проектирование составов специальных бетонов на заданный объемный вес, прочность и подвижность. Труды НИИЖБ, вып. 111. Технология и свойства тяжелых бетонов. М., Госстройиздат, 1959.
19. Довжик В. Г., Дорф В. А. Назначение составов высокопрочных кера-мзитобетонов. <М., Стройиздат, 1966.
(20. Заврие® К. €., Симонов М. 3. Проектирование составов бетона. ГрузНИТО строителей. Тбилиси, 1948.
262
21. Инструкция по изготовлению изделий из легких бетонов на естественных пористых заполнителях. АИСМ и НИИЖБ. М., Госстройиздат, 1963.
122. Инструкция по изготовлению крупноразмерных изделий из термозитобетона (шлакопемзобетона). НИИЖБ и НИИНСМ. М., Госстройиздат, 1964.
23. Инструкция по приготовлению и применению крупнопористого бетона ,(СН 60-59). Госстрой СССР. М., Госстройиздат, 1959.
24. Инструкция по продолжительности и интенсивности вибрации и по подбору состава бетонной смеси повышенной удобоукла-дываемости. НИИЖБ. М., Стройиздат, 1959.
25. Инструкция по проектированию и подбору состава гидротехнического бетона. НИИ-200, М., 1947.
©6. Инструкция по приготовлению и применению песчаных бетонов. М., Стройиздат, 1966.
27. Инструкция по расчету состава и контролю прочности высокомарочных бетонов. НИИЖБ. М., Госстройиздат, 1962.
28. Инструкция по технологии приготовления и применению жаростойкого бетона. М., Госстройиздат, 1961.
29. К и р е е нк о И. А. Проектирование состава «бетона. Киев, Изд. МГиСС УССР, 1956.
30. К и р е е н к о И. А. Расчет состава высокопрочных и обычных бетонов и растворов. Киев, Стройиздат УССР, 1961.
31. Кома ро вс к ий А. Н. Строительные материалы для защиты от излучений ядерных реакторов и ускорителей. М., Атомнз-дат, 4958.
32. К о н о п л е н к о О. I. Розрахунки i задач! з технологи бетону. Киев, «Высшая школа», 1972
33. К р и в и ц к и й М. Я. Заводское изготовление изделий из газобетона. НИИЖБ. М.» Госстройиздат, 1963.
34. Л ер мит Р. Проблемы технологии бетона (пер. с франц.). М., Госстройиздат, 1959.
35. Л и б м а н А. Я. Подбор состава бетона. Из опыта работы (производственно-акоперим. лаборатории и заводов Главмоопрометрой-материалов. БТИ ВИИОМТП. (М., Госстройиздат, 1960.
36. М а л ю г а И. Г. Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости. Спб, 1895 (отдельный оттиск из «Инженерного журнала» за 1895 г.).
37. Миронов С. А. и др. Бетоны автоклавного твердения. М., Стройиздат, 1968.
38. Миронов С. А. Новые способы подбора состава бетона. М., Стройиздат, 1944.
39. Ми х а н о в с к и й Д. С. Горячее формование бетоииых смесей. М., Стройиздат, 1970.
<40. Москвин В. М., Триппер Б. Д. Подбор состава бетона с учетом поверхности и пустотности заполнителей. — В кн.: Бетон и вяжущие. М., Госстройиздат, 1955.
41. Мэрдок Л. Дж. Бетонные работы (<пер. с англ.). М., Госстройиздат, i!958.
42. Николаев Б. Состав растворов и бетонов в зависимости от размеров и форм зерен материала. Спб, 1914.
43. С с и н Б. .В., Турий С. А. Вопросы теории проектирования состава бетона. Известия высших учебных заведений. «Строительство и архитектура», 1962, № 4.
263
44. 'Подбор составов и контроль качества бетона в США (лер. с Ингл.). <М., 'Госстройиздат, 1959.
45. П о м а зк о в В. В. К вопросу выбора методики определения составов бетона. Научные труды ВИСИ, № 9. Изд. Воронежского гос. университета, 1962.
46. И о ко в Н. А. Производственные факторы прочности легких бетонов. М., Стройиздат, 11933.
47. Попов Н. А., Эл ин зон iM. П., Штейн Я. Ш. Подбор состава легких бетонов на искусственных пористых заполнителях. М., Госстройиздат, 1962.
48. Применение мелких песков в бетоне и методы подбора состава «бетона. IM., Госстройиздат, 1961.
49. Проектирование и .контроль составов бе гона по Абрамсу (пер. с англ.). 1М.., Гостехиздат, 1929.
50. Руководство по бетону (пер. с англ.). М., Госэнергоиздат, 1958.
51. Сизов В. Н. и др. Технология бетонных и железобетонных изделий. iM., ««Высшая школа», 1972.
52. Сизов В. П. Проектирование составе бетонов. М., Строй-издат, 4974.
53. Симонов М. 3. Бетон и железобетон на пористых заполнителях. М, Госстройиздат, 11955.
54. С к р а м т а е в Б. Г. Исследование прочности бетона и пластичности .бетонной смеси. М., ОНТИ, 1936.
55. «Скрамтаев Б. Г., Ш у б е н к и н П. Ф.» Баженов Ю. iM. Способ определения состава бетона различных вадов. М., Стройиздат, 1966.
>^56. С к р a iM т а е в Б. Г. Крупнопористый бетон и его применение в строительстве. М., Госстройиздат, 1955.
57. С к р а м т а е в Б. Г., Б а ж е н о в Ю. М. О едином расчетноэкспериментальном методе определения обычного «(тяжелого) бетона. Изв. АСиА .СССР, 11962, № 4.
58. Сорокер В. И. Примеры и задачи по технологии бетонных и железобетонных изделий. М., .«Высшая школа», 1972.
59. С о р о к е р В. И., Д о в ,ж и к В. *Г. Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона. Изд, 2-е. М., Стройиздат, 1964.
60. Сторк Ю. Теория состава бетонной смеси. Пер. со словацкого. Л., Стройиздат, .1971.
61. -Рекомендации по выбору крупных пористых заполнителей для конструктивных «бетонов марок 150—500. IM., Стройиздат, 1972.
62. Рекомендации по применению песчаного бетона в строительстве дорожных покрытий и оснований. СоюздорНИИ. Балашиха, 1967.
63. Технические указания по применению воздухововлекающих добавок в гидротехническом бетоне. М., «Энергия», 1964.
64. Технические указания по применению мелкозернистых (песчаных) цементных бетонов в дорожном строительстве. Оргтрапестрой. iM, 1971.
65. Указания по подбору состава и приготовлению керамзитобетона. НИИЖБ. М., Госстройиздат, 1959.
66. Указания по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из специальных бетонов. НИИЖБ. М., Госстройиздат, 1959.
67. Указания по проектированию состава гидротехнических бетонов. М., Госэнергоиздат, 1963.
264
68. Френкель И. М. Основы технологии тяжелого бетона. М., Стройиздат, 1966.
69. Хавкин Л. М., Крыжановс.к1ИЙ Б Б. Силикатобетонные панели для сборного домостроения. М., Стройиздат, 1964 (Раздел о подборе состава силикатного бетона)
70. 1Ш т а е р м а *н Ю. Я., Т а в а д з е Д. Н. Плотный бетон на многофракционном заполнителе. Тбилиси, «Сабчота Сакартвело», 1967.
71. Штаерман Ю. Я., Яшвили А. И. Физико-аналитический метод «проектирования составов бетона. М.» Стройиздат, 1932.
72. Шубенк'ИН П. Ф., Баженов Ю. М. Способы расчета состава различных видов бетона М., ВИА им. В. В. Куйбышева, 1962.
73. Эффективные методы подбора состава бетона. НТО стройиндустрии. М., Госстройиздат, 1962.
74. Эпштейн С. А Подбор составов бетона и раствора. Киев, Госстройиздат УССР. Ю59.
Юрий Михайлович Баженов
СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА БЕТОНА РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Редакция литературы по технологии строительных материалов Зав редакцией 3. К. Косякина Редактор Э А. Г у р в и ч Мл. редактор Л. А. Табачник
Внешнее оформление художника М П Тельнова Технические редакторы 3. С. Мочалина.
Г. В. Климушкина
Корректоры Г. А Кравченко, Е А Степанова
Сдано в набор 1/Х 1974 г. Подписано к печати 17/Ш 1975 г.
Т-05336 Формат 84Х108*/з2. Бумага типографская № 2.
14,28 усл. печ. л. (уч -изд. 14,8 л.)
Тираж 20 000 экз. Изд. № 1-1896 Зак. № 494 Цена 63 коп.
Стройиздат
103006, Москва, Каляевская, 23а
Подольская типогоафия Союзполиграфпрома при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли г Подольск, ул. Кирова, д 25
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие................................................... 3
РАЗДЕЛ I ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОНА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
Глава 1. Основные понятия о бетонах........................... 5
§ 1. Бетон и его составляющие............................. 5
§ 2. Классификация бетонов -и основные требования к ним.............................................. 6
•*§2. Структура бетона..................................... 8
Глава 2. Прочность бетона.................................... 12
§ 4. Общие {положения.................................... 12
§ 5. Прочность бетона на сжатие........................ 16
§ 6. Уточнение зависимости прочности бетона от водоцементного отношения и других факторов................. 22
§ 7. Прочность бетона на растяжение при изгибе ... 27
Глава 3. Подвижность и жесткость (удобоукладываемость)
бетонной смесн.............................. 29
§ 8. Методика испытаний......................... 29
§ 9. Зависимость подвижности и жесткости бетонной смеси от различных факторов..................... 33
Глава 4. Особые свойства бетона..................... 36
§ 10. Плотность и непроницаемость, антикоррозионная
стойкость, морозостойкость........................... 36
§ 11. Усадка и расширение ................................ 40
§ 12. Деформативные свойства.............................. 41
Глава 5. Материалы для бетона............................... 44
§ 13. Вяжущие вещества.................................... 44
§ 14. Заполнители для бетона.............................. 58
§ 15. Вода для приготовления бетонной смеси .... 75
§ 16. Химические добавки.................................. 75
Глава 6. Влияние состава и структуры бетона на его свойства ..................................................... 78
§ 17. Зависимость структуры и свойств бетона от его состава................................................ 78
§ 18. Технологические характеристики заполнителей . . 84
§ 19. Структурные характеристики бетона................... 88
РАЗДЕЛ II
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ТЯЖЕЛЫХ БЕТОНОВ
Глава 7. Расчетно-экспериментальный способ определения состава обычного тяжелого бетона ......................... 92
§ 20. Общие принципы проектирования состава бетона . 92
266
Стр.
§ 21 Выбор соотношения между песком и крупным заполнителем ....................................... ..... 96
§ 22. Порядок определения состава бетона...............105
§ 23. Экспериментальная проверка состава бетона . . . 109
§ 24. Определение полевого состава бетонной смеси (с учетом влажности заполнителя)........................ 112
Глава 8. Определение состава особых видов тяжелого бетона 113
§ 25. Бетон на мелком песке............................ ИЗ
§ 26. Бетон для сборных железобетонных конструкций . 115
§ 27. Высокопрочный бетон..............................117
§ 28. Быстр отвердеющий бетон..........................119
§ 29. Бетон с поверхностно-активными добавками . . . 124
§ 30. Бетон для гидротехнических сооружений .... 128
§ 31. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий . 134
РАЗДЕЛ Ш ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ЛЕГКИХ БЕТОНОВ
Глава 9. Керамзитобетон и другие легкие бетоны на пористых заполнителях........................................139
§ 32. Особенности свойств легких бетонов...............139
§ 33. Проектирование состава керамзитобетона . . . 141
§ 34. Определение состава поризованиых легких бетонов 153
§ 35. Определение состава крупнопористого легкого бетона 155
Глава 10. Подбор состава ячеистых бетонов................ 156
§ 36. Особенности структуры и свойств ячеистых бетонов 156
§ 37. Подбор состава ячеистых бетонов..................161
РАЗДЕЛ IV ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА ОСОБЫХ ВИДОВ БЕТОНА
Глава 11. Мелкозернистые бетоны...........................164
§ 38. Особенности свойств............................. 164
§ 39. Определение состава обычного мелкозернистого бетона ................................................ 168
§ 40. Определение состава бетона для армоцементных конструкций...........................................172
§ 41. Определение состава дорожного мелкозернистого бетона ................................................ 174
§ 42. Мелкозернистый бетон с микронаполнителем . . 179
Глава 12. Силикатный бетон............................... 181
§ 43. Особенности свойств и порядок подбора состава . 181
§ 44. Упрощенный способ подбора состава............... 185
Глава 13. Некоторые особые виды бетоиа .................. 186
§ 45. Малощебеиочный бетон............................ 186
§ 46. Крупнопористый бетон с тяжелыми заполнителями 191
§ 47. Особо тяжелые и гидратные бетоны ............... 192
§ 48. Жаростойкие бетоны . . - -...................... 197
§ 49. Полимербетоны....................................204
РАЗДЕЛ v УЧЕТ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОСТАВА БЕТОНА
Глава 14. Дозирование материалов, приготовление н уплотнение бетонной смесн . .............. 205
§ 50. Дозирование материалов ... .... 205
§ 51. Перемешивание бетонной смеси ... 206
267
Стр.
§ 52. Уплотнение бетонной смеси.......................209
Глава 15. Ускорение твердения бетона путем прогрева 213
§ 53. Особенности формирования структуры и свойств бетона при прогреве...................................213
§ 54. Тепловлажностная обработка бетона.............. 224
§ 55. Предварительный разогрев бетонной смеси . . . 227
Глава 16. Бетон для зимних работ..........................229
§ 56. Особенности твердения бетона при низких температурах . . 229
§ 57. Способы зимнего бетонирования.................. 232
§ 58. Холодный бетон..................................234
§ 59. Теплотехнические расчеты при зимнем бетонировании 236
РАЗДЕЛ VI СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОСТАВА БЕТОНОВ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Глава 17. Проведение предварительных испытаний с целью уточнения расчетных зависимостей...........................238
§ 60. Методика построения графических зависимостей . 238
§ 61. Использование математических моделей . . 243
Глава 18. Экономия цемента ................................251
§ 62. Пути экономии цемента............................251
§ 63. Использование роста прочности бетона во времени для экономии цемента...................................252
Глава 19. Пути совершенствования способов проектирования
состава бетона и технико-экономических расчетов 254
§ 64. Совершенствование способов проектирования состава бетона на основе понятий об эталонных .материалах ................................................254
§ 65. Методы технико-экономических расчетов .... 256
Список литературы..........................................262
Таблица соотношений между некоторыми единицами физических величин, подлежащих изъятию» и единицами СИ
Наименование величины Единица Соотношение единиц
подлежащая изъятию СИ
наименование । обозначение наименование обозначение
Сила; нагрузка; вес килограмм-сила тонна-сила грамм-сила кгс тс ГС ньютон н 1 кгс«9,8 Н« 10 Н 1 тс «9,8-103 Н « 10 кН 1 гс« 9,8-10-3« 10 мН
Линейная нагрузка Поверхностная нагрузка килограмм-сила на метр кнлограмм-сила на квадратный мехр кгс/м кгс/м2 ньютон на метр ньютон на квадратный метр Н/м Н/мг 1 кгс/м «10 Н/м 1 кгс/м2« 10 Н/м2
Давление килограмм-сила на квадратный сантиметр миллиметр водяного столба миллиметр ртутного столба кгс/см2 мм вод. ст. мм рт. ст. паскаль Па 1 кгс/см2« 9,8 • 104 Па« «105 Па«0,1 МПа 1 мм вод. ст. «9,8 Па« «10 Па 1 мм рт. ст.« 133,3 Па
Продолжение
Наименование величины Единица Соотношение единиц
подлежащая изъятию СИ
наименование обозначение наименование обозначение
Механ ическое н апр я-жение Модуль продольной упругости; модуль сдвига; модуль объемного сжатия килограмм-сила на квадратный миллиметр килограмм-сила на квадратный сантиметр кгс/мм2 кпс/см2 паскаль Па 1 кгс/мм2 «9,8*106 Па® ®107 Па «10 МПа 1 кгс/см2 «9,8-104 Па® s«105 Па «0,1 МПа
Момент силы; момент пары сил килограмм-сила-метр "1 кгс-м ньютон-метр Н-м 1 кгс • м « 9,8 Н • м « « 10 Н-м
Работа (энергия) килограмм-сила-метр кгс*м джоуль Дж 1 кгс-м «9,8 Дж« «10 Дж
Количество теплоты калория килокалория кал жал джоуль Дж 1 кал « 4,2 Дж 1 ккал «4,2 кДж
Мощность килограмм-сила-метр в секунду лошадиная сила калория в секунду килокалория в час кгс-м/с л. с. кал/с ккал/ч ватт Вт 1 кгС'М/с«9,8 Вт« «10 Вт 1 л. с. «735,5 Вт 1 кал/с®4,2 Вт 1 ккал/ч« 1,16 Вт
Продолжение
Наименование величины Единица Соотношение единиц
подлежащая изъятию СИ
наименование обозначение наименование обозначение
Удельная теплоемкость калория на грамм-градус Цельсия килокалория на килограмм-градус Цельсия кал/(г-®С) ккал/(кгХ Х°С) джоуль на кило-’ грамм-кельвин Дж/(кг-К) 1 кал/(Г‘°С) = = 1 ккал/(кг-°С)« «4,2 кДж/(кг*К)
Теплопроводность калория в секунду на сантиметр-градус Цельсия килокалория в час на метр-градус Цельсия кал/(с-ом X Х°С) ккал/(п-мХ Х’С) 'I ватт на • метр-кельвин Вт/(м-К) 1 кал/(с-см-°С)« «420 Вт/(м-К) I ккал/(ч'М'°С)« «1,16 Вт/(м-К)
Коэффициент теплообмена (теплоотдачи); коэффициент теплопередачи калория в секунду на квадратный сантиметр-градус Цельсия килокалория в час на квадратный метр-градус Цельсия кал/(сХ Хсм2-еС) ккал/(чХ Хм2.°С) ватт на квадрат- > ный метр- кельвин Вт/(м2-К) 1 кал/(с-см2*°С) « «42 кВт/(м2*К) 1 ккал/(ч-м2*°С) « «1,16 Вт/(м2*К)