2.Зависимости свойств бетона от его состава

Состав бетона выражают в весовых количествах материалов на 1 MZ свежеуложенного бетона. Содержание материалов на 1 м3 бетона обычно обозначают первой буквой названия: В — количество воды в л, Ц — количество цемента в кг, П —количество песка в кг, Щ(Г) — количество щебня или гравия в кг.

Часто состав бетона выражают в виде весовых отношений Ц : П : Щ и В/Ц, принимая количество цемента за единицу.  

Определив содержание цемента, вычисляют по заданному соотношению количество остальных материалов.

Зависимость, выраженная приведенной формулой, называется «уравнением абсолютных объемов» и широко используется в расчетах состава бетона.

Необходимо отметить, что это уравнение не является абсолютно точным, так как не учитывает содержание воздуха в свежеуложенном бетоне, которое в зависимости от технологии уплотнения может достигать 2—5%. Однако в предварительных расчетах бетонов из наиболее распространенных подвижных смесей этим пренебрегают.

Подвижные и малоподвижные бетонные смеси применяют наиболее широко из-за сравнительной легкости приготовления укладки, обеспечивающей получение плотного свежеуложенного бетона. Подвижные смеси приготовляют в бетоносмесителях свободного или принудительного перемешивания, продолжительность которого зависит от подвижности смесей и типа смесителя и обычно составляет одну-три минуты.

Удобоукладываемость бетонных смесей зависит от их состава, свойств, применяемых заполнителей и цемента и всегда повышается с увеличением в них содержания воды. Однако увеличивать количество воды можно только до определенного предела во избежание расслоения смеси. Количество воды, взятое для приготовления 1 м3 бетонной смеси, называется ее водосодержанием. Водосодержание, обеспечивающее определенную удобоукладываемость смеси, называется водопотребностью.

Увеличение содержания цемента в пределах наиболее широко применяемых количеств — от 200 до 400 кг/м — почти не изменяет удобоукладываемость бетонной смеси. Это свойство, установленное В. И. Сорокером, получило в технологии бетона название «правило постоянства водосодержания» и имеет большое практическое значение для расчетов удобоукладываемости бетонных смесей.

Связано оно с тем, что увеличение вязкости цементного теста при введении дополнительного количества цемента компенсируется утолщением пленок цементного теста на зернах заполнителей, и в результате удобоукладываемость бетонной смеси не изменяется. При расходе цемента свыше 400 кг/м3 эта компенсация становится недостаточной и удобоукладываемость ухудшается.

Только при определенном соотношении количества песка и крупного заполнителя смесь становится наиболее удобоукладываемой. Увеличение содержания песка резко увеличивает вязкость раствора, а уменьшение сближает между собой частицы крупного заполнителя; и в том и в другом случае удобоукладываемость бетонной смеси ухудшается.

Большое влияние на удобоукладываемость оказывают и физические свойства заполнителей. Уменьшение крупности заполнителей, присутствие пылеватых и глинистых примесей увеличивает их удельную поверхность и ухудшает удобоукладываемость. Так же отрицательно влияет неокатанность, шероховатость поверхности, лещадность и игловатость зерен заполнителей.

При заполнителях определенного качества и установленной удобоукладываемостью бетонной смеси будет однозначно определяться ее водосодержанием. Эта однозначная зависимость легла в основу .построения различных графиков и таблиц.

Прочность цементного камня зависит от марки цемента и отношения количества воды в бетоне к количеству цемента.

Изменение прочности цементного .камня связано с повышением его пористости при увеличении В/Ц, так как на химические реакции твердения цемента воды расходуется только до 20% от веса цемента, остаток воды затворения, испаряясь, образует поры в затвердевшем   камне.

Жесткие бетонные смеси и бетоны из них

Жесткие бетонные смеси характеризуются малым содержанием цементного теста. У подвижных смесей прослойки теста между зернами заполнителя имеют величину более 30 мк у жестких смесей она может составлять всего 2—3 мк что обусловливает некоторые особенности свойств смесей затвердевшего бетона. Жесткие смеси имеют плохую удобоукладываемость, определяемую показателем жесткости, требуют повышенных затрат работы для их уплотнения интенсивным вибрированием с применением иногда дополнительной нагрузки в виде различных пригрузов и штампов.

Удобоукладываемость жестких смесей зависит в основном от тех же факторов, что и подвижных, но влияют они сильнее из-за малого водосодержания.

Для жестких смесей, так же как для подвижных, приемлемо правило постоянства водосодержания, однако верхний предел расхода цемента, определяющий применимость правила, меньше, чем у подвижных смесей, и уменьшается с повышением жесткости. Удобнее связывать применимость правила постоянства водосодержания со значениями критического Ц/В, которое для смесей на определенных материалах почти не меняется. Значение критического Ц/В для жестких смесей составляет около 2,2.

Оптимальная доля песка в смеси заполнителей г для обеспечения минимальной жесткости колеблется в пределах 0,2— 0, 3.

Изменение физических свойств заполнителей — крупности, состояния поверхности, окатанности, -количества примесей — на удобоукладываемость жестких смесей влияет сильнее, чем на удобоукладываемость подвижных. Так, в опытах М. Каплана изменение угловатости крупного заполнителя повышало жесткость смеси постоянного состава с 35 до 100 сек. При применении в бетонных смесях песков разной крупности водопотребность, необходимая для обеспечения определенной жесткости, изменялась на 30—35%.

Учитывая однозначную зависимость между жесткостью водопотребностью в смесях на определенных материалах, при определенном г и в пределах применимости правила постоянства водосодержания, можно составить таблицы и графики, выражающие эту зависимость.

Хотя укладка жестких бетонных смесей до обеспечения требуемой плотности 97—98% трудоемка, свежесформованное изделие обладает уже некоторой прочностью (5— 10 кг/см2), позволяющей его немедленное распалубливание.

Бетоны из жестких смесей твердеют быстрее, и их конечная прочность больше, чем прочность бетонов из подвижных смесей при тех /же значениях Ц/В. Повышение прочности при увеличении жесткости смесей в бетонах с одинаковым Ц/В объясняется повышенной .коррозией цементного камня в тонких прослойках и вовлечением скелета почти соприкасающихся между собой зерен заполнителя в восприятие основной нагрузки. Относительное увеличение прочности при увеличение жесткости больше у бетонов с малыми значениями Ц/В, так как при малых Ц/В вязкость цементного теста мала и прослойки его тоньше, чем у бетонов с повышенными Ц/В.

В настоящее время еще не накоплены данные для установления значений коэффициентов А, С и. п, поэтому формула может иметь только, познавательное значение, характеризующее зависимость прочности бетонов от некоторых факторов, в частности от уменьшения прослоек цементного камня между заполнителями.

Для расчетов зависимости прочности бетонов на заполнителях, удовлетворяющих требованиям ГОСТ, от Ц/В, жесткости смеси и марки цемента пользуются опытными данными, приводимыми в таблицах.

Заканчивая рассмотрение основных закономерностей свойств бетона, необходимо отметить, что приведенные зависимости в настоящее время подвергаются критике со стороны многих ученых, так как фактические результаты удобоукладываемость смеси и прочности бетона часто значительно отличаются от расчетных данных.

Основные закономерности в технологии бетона: закон водоцементного отношения, правило постоянства водосодержания, уравнение абсолютных объемов — определены исходя из упрощенного рассмотрения структуры и свойств бетона.

Успехи науки о бетоне позволили вскрыть сложность и многогранность особенностей этого материала начиная с приготовления смеси до затвердевания ее в прочный монолит и при дальнейшем поведении бетона под нагрузкой.

С точки зрения математической статистики технология бетона рассматривается как сложная математическая модель, в которой наряду с точно предвиденными взаимодействиями (детерминированная система) действует и случайность (стохастическая система).

Изучение достаточно представительных выборок эксвдри-ментальных данных «состав — технология — свойства» для этих материалов позволяет статистически устанавливать технологические связи и закономерности с необходимой достоверностью.

Статистическая обработка данных позволяет учесть влияние многочисленных факторов, рассмотреть реализацию раз- . личных вариантов состава и технологии производства и выбрать оптимальные из них для получения бетона заданных свойств.

Технологические испытания заполнителей

Регламентируемые действующим ГОСТ показатели свойств заполнителей необходимы, но недостаточны для полной оценки эффективности использования в бетоне того или иного заполнителя. В примечаниях к ГОСТ оказано, что окончательная оценка качества заполнителей мажет быть дана после их испытания непосредственно в бетоне с последующим технико-экономическим обоснованием.

В настоящее время ведутся многочисленные исследования по разработке новых методов испытаний заполнителей, позволяющих более полно характеризовать их свойства. Из имеющихся предложений остановимся на испытании качества крупного заполнителя и сравнении эффективности различных песков.

Испытание качества крупного заполнителя. Метод определения качества крупного заполнителя, предложенного И. Ф. Френкелем и А. С. Дмитриевым, основан на следующих положениях: 1) бетон всегда разрушается только в результате разрушения цементного камня; 2) если заполнитель значительно прочнее цементного камня и имеет хорошее сцепление с ним, то при увеличении количества заполнителе прочность бетона должна возрастать; 3) если заполнитель непрочен или обладает плохим сцеплением с цементным камнем, то прочность бетона при увеличении количества заполнителя будет падать.

Методика испытаний заключается в том, что по требуемой прочности бетона и удобоукладываемости смеси определяют Ц/В, В и Ц и приготовляют два замеса с содержанием крупного заполнителя 750 и 850 кг\мг. Содержание песка в замесах устанавливают пег уравнению абсолютных объемов. Затем изготовляют образцы, которые после надлежащего хранения испытывают на сжатие. Если прочность образцов из обоих замесов будет выше требуемой марочной, заполнитель пригоден для производства бетона этой марки.

Испытания качества песков. Качество песков можно сравнивать, сопоставляя расходы цементного теста, необходимого для заполнения пустот в 1 кг песка и смазки поверхности его зерен.