Требования к маркам бетонной смеси

СВОЙСТВА БЕТОННОЙ СМЕСИ

Обычная технология бетона включает в себя операции приготовления, транспортирования и укладки бетонной смеси.

Бетонная смесь представляет собой формуемую массу, предназначенную для бетонирования строительных конструкций. В ее состав входят следующие компоненты: цемент, вода, заполнители и добавки. В капитальном строительстве бетонную смесь приготавливают на бетонных заводах, тщательно дозируя и перемешивая все компоненты в бетоносмесителях различных типов. Приготовленную бетонную смесь доставляют к месту бетонирования и укладывают с одновременным уплотнением в форму или опалубку строительной конструкции. Эффективность технологических операций получения бетона зависит от свойств бетонной смеси.

Одна из новых технологий бетона — раздельное бетонирование вибронагнетательным способом — была разработана профессором ВИТУ П.В. Проценко. Она заключается в том, что вначале в форму или опалубку строительной конструкции укладывают щебень, а затем в его межзерновое пространство нагнетают под давлением подаваемый по трубам растворный компонент (смесь цемента, воды, песка и добавок), который приготавливается отдельно. Для получения более плотной структуры бетона и облегчения продвижения раствора в пустотах щебня процесс нагнетания сопровождается вибрированием образующейся системы. Однако успех бетонирования и в этом случае во многом обусловлен технологическими свойствами растворного компонента.

При любой технологии важно знать свойства бетонной смеси и факторы, от которых они зависят, уметь изменять их в нужном направлении, добиваясь соответствия свойств бетонной смеси производственным условиям.

Различают реологические и технологические свойства бетонной смеси.

Реологические* свойства — группа свойств бетонной смеси, характеризующих ее способность последовательно претерпевать упругие и вязко-пластичные деформации под действием внешних сил, т. е. вести себя сначала как твердое тело, а затем как вязкая жидкость. Такое поведение бетонной смеси обусловлено ее структурой, представляющей собой многокомпонентную полидисперсную и полизернистую систему. Внутри этой системы между твердыми частицами и окружающими их тонкими слоями воды возникает комплекс сил взаимодействия: молекулярного сцепления, вязкого трения, капиллярного натяжения и пр. Благодаря этим силам бетонная смесь .приобретает связность и некоторую начальную структурную прочность.

Основным структурообразующим элементом бетонной смеси является цементное тесто. При увеличении его содержания, особенно по мере развития процессов гидратации цемента (за счет ее продуктов), многократно возрастает дисперсность частиц твердой фазы, что приводит к увеличению клеящей способности теста вплоть до схватывания системы и превращения ее в твердое тело. Представление о реологических свойствах бетонной смеси можно получить при ее испытаниях с помощью специальных приборов (вискозиметров и др.). Принципиальные схемы некоторых из них показаны на рис. 14.6. Для описания поведения бетонной смеси при различных воздействиях используют ее реологические характеристики. Начальную прочность бетонной смеси характеризуют величиной напряжения сдвига t, МПа, равной отношению сдвигающего усилия Q к площади поверхности сдвига A_q:

.

Пластичность характеризуют величиной динамической вязкости системы h, МПа×с, а текучесть — величиной скорости сдвига v_q,м/с. Значения показателей реологических свойств зависят от консистенции (состояния по густоте) и принятого способа испытания бетонной смеси.

Взаимосвязь реологических свойств пластичных смесей показана на рис. 14.7 и 14.8 и кратко может быть интерпретирована следующим образом.

С ростом напряжений сдвига квазиупругое* состояние системы сохраняется до некоторого критического значения напряжений t_cr, а затем начинается вязкое течение, характеризуемое разжижением до остаточной вязкости h_r,и увеличением скорости сдвига:

,

где t — напряжение сдвига; t_u — предельное напряжение сдвига; dv_q/dx— традиент скорости сдвига.

Сопротивление бетонной смеси сдвигу значительно снижается при ее вибрировании. В этом проявляется тиксотропия** бетонных смесей, так как вибрация разрушает начальную структуру смеси и уменьшает в ней до минимума силы оцепления и внутреннего трения. При этом величина предельного напряжения сдвига системы становится очень малой (t _u= 0).

В густых бетонных смесях, получаемых при уменьшенном содержании воды и цемента, когда оплошность прослоек цементного теста нарушена, сопротивление сдвигу значительно увеличивается за счет дальнейшего повышения вязкости и появления внутреннего сухого трения между зернами заполнителя. Поведение таких смесей при их уплотнении можно описать уравнением Кулона

,

где s — нормальное напряжение; j — угол внутреннего трения смеси; h_st — структурная вязкость смеси.

Приведенные выше зависимости широко используются для определения реологических параметров бетонных смесей при конструировании механизмов и оснастки, применяемых в бетонных работах, и при исследовании новых технологических процессов бетонирования.

Технологические свойства бетонной смеси характеризуют возможность ее применения в определенных условиях производства. К важнейшим из них относятся удобоукладываемость и связность.

Удобоукладываемость — способность бетонной смеси растекаться и заполнять форму (опалубку) при сохранении однородности своей структуры. Для оценки удобоукладываемости используют показатели подвижности и жесткости бетонной смеси.

Подвижность — способность бетонной смеси растекаться и заполнять форму под действием своей тяжести. За стандартный показатель подвижности принята величина «осадки конуса» h_q,см, определяемая в соответствии с методикой, установленной стандартом. Сущность ее иллюстрируется рис. 14.9 и заключается в определении величины свободной вертикальной деформации усеченного конуса, отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию.

Жесткость — способность бетонной смеси растекаться и заполнять форму под действием вибрации и сил тяжести. Показателем жесткости является время вибрирования t_q,с, необходимое для уплотнения бетонной смеси до определенного момента, фиксирование которого зависит от метода испытания.

Существующий стандарт предусматривает в качестве основного метод определения жесткости с использованием стандартного прибора. Подробное описание этого метода приводится в стандарте. Сущность же его (рис. 14.10) заключается в том, что для испытания бетонной смеси, отформованной в виде усеченного конуса, в приборе применяется массивный стальной диске шестью отверстиями диаметром 10 мм, удерживаемый в штативе на штанге. Под действием вибрации и тяжести диска конус из бетонной смеси быстро оседает. Таким образом, хорошо уплотняются жесткие смеси тяжелых бетонов и смеси любой консистенции легких бетонов на пористых заполнителях. Время окончания вибрирования фиксируется в момент появления из двух любых отверстий в диске растворного компонента, отжатого им из смеси.

Кроме стандартного метода для определения жесткости допускается использование других методов, если применяемые приборы имеют достаточную точность и чувствительность. Из них рекомендуются стандартом и широко используются на практике упрощенный способ профессора Б.Г. Скрамтаева, метод с применением технического вискозиметра и способ с применением малогабаритного прибора НИИЖБ (конструкции И.М. Красного). Первые два способа наиболее эффективны при испытании бетонных смесей средней густоты (умеренно жестких), последний способ — для контроля густых (жестких и очень жестких) смесей. Так как время вибрирования бетонных смесей в различных методах имеет разное значение, для определения жесткости его умножают на усредненные переводные коэффициенты, указанные в стандарте или определенные экспериментально.

По удобоукладываемости бетонные смеси подразделяются на марки, указанные в табл. 14.4.

Требуемую удобоукладываемость бетонной смеси устанавливают с учетом типа конструкций, их размеров, степени армирования и технологии бетонирования. Подвижность бетонной смеси должна быть тем больше, чем меньше поперечные размеры конструкций и выше степени их армирования. Использование более мощных средств уплотнения бетонных смесей делает возможным применение жестких и очень жестких смесей.

Связность — способность бетонной смеси сохранять видимую однородность структуры (т. е. не расслаиваться) при транспортировании и укладке в форму (опалубку).

Таблица 4.4

Требования к маркам бетонной смеси

По удобоукладываемости

Марки бетонных смесей	Значение показателей
подвижных	жестких	hq, см	tq, с
П1	—	4 и менее	1...4
П2	—	5...9	—
П3	—	10...15	—
П4	—	16 и более	—
—	Ж1	—	5...10
—	Ж2	—	11...20
—	Ж3	—	21...30
—	Ж4	—	31 и более

Связность зависит от внутренней структурной вязкости дисперсно-зернистой системы смеси. Если эта вязкость недостаточна, происходит расслоение, представляющее собой распад первоначальной однородной структуры бетонной смеси на слои с концентрацией в них отдельных компонентов бетона (рис. 14.11). При расслоении зерна плотного крупного заполнителя опускаются вниз, отжимая цементно-песчаный раствор, из которого, в свою очередь, плотным мелким заполнителем отжимается цементное тесто, а из него — вода. В бетонах на пористых заполнителях расслоение происходит наоборот — зерна пористых заполнителей всплывают вверх.

Наиболее легко, даже при частичном расслоении, от бетонной смеси отделяется вода. Двигаясь вверх, она образует в теле бетона так называемые крупные седиментационные поры и сообщающиеся капилляры, заметно снижающие прочность бетона и ухудшающие его непроницаемость и долговечность.

Одной из характеристик связности бетонной смеси является показатель водоотделения w_w, определяемый по формуле

,

где m_w — масса воды, отделившейся при стандартных испытаниях из бетонной смеси, г; V — объем металлического стандартного сосуда, дм³.

Свойства бетонной смеси в основном зависят от ее состава и особенно от количества и качества цементного теста, которое играет в ней роль смазки и клея между зернами заполнителя. С увеличением содержания теста в смеси и уменьшением его густоты смазка зерен становится толще, а вязкость ее ниже. При этом подвижность бетонной смеси повышается. Увеличение расхода цемента M_c; в пределах от 200 до 400 кг/м³ при постоянном расходе воды M_w повышает связность бетонной смеси, но не привадит к увеличению ее подвижности, так как одновременно с повышением концентрации цементного теста увеличивается его вязкость. Эти два противоречивых фактора взаимно уравновешиваются. Оказывается, что подвижность меняется только при изменении расхода воды. Эта зависимость носит название «закон постоянства водопотребности». Она используется в расчетах состава бетона для определения расхода воды из условия обеспечения требуемой удобоукладываемости бетонной смеси. В то же время увеличение расхода воды приводит к понижению связности смеси, а следовательно, и к возможности ее расслоения. Поэтому в расчетах обеспечивается и второе условие — ограничение водоцементного отношения исходя из водоудерживающей способности смеси. Обычно (M_w/M_c)_max ≤ 0,75.

К другим факторам, повышающим подвижность бетонных смесей, относятся использование цементов с низкой водопотребностью, применение заполнителей возможно большей крупности, обеспечение оптимального соотношения между песком и щебнем, использование гравия вместо щебня, применение добавок, обладающих пластифицирующим эффектом. Удобоукладываемость бетонных смесей зависит также от скорости образования коагуля-ционлых структур .при гидратации цемента. Она ухудшается во времени тем быстрее, чем выше температура смеси и окружающей среды, меньше относительная влажность воздуха, больше водопоглощение заполнителей и скорость схватывания цемента и меньше первоначальная подвижность бетонной смеси (рис. 14.12). Для сохранения удобоукладываемости бетонных смесей при длительных перевозках и в жаркую погоду в их состав вводят добавку — замедлитель схватывания.

* Реология — наука о деформациях и течении тел (от гречеоких слов rheos — течь и logos — учение).

* От лат. quasi — якобы, как будто, почти.

** Тиксотропия — способность некоторых дисперсных систем обратимо разжижаться при достаточно интенсивных механических воздействиях и загустевать в покое.