Выбор марки и прочности тяжелого бетона, необходимого для производства. Для этого бетона чаще всего применяют обыкновенный портландцемент и шлакопортландцемент. Иногда к обыкновенному цементу добавляют активные (гидравлические), инертные (уплотняющие бетон) или специальные добавки, например пластифицирующие.
В зависимости от назначения тяжелые бетоны подразделяют на следующие виды:
Бетон должен достичь требуемой прочности в срок, обычно в 28 дней. Кроме того, требуется определенная степень подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам транспортировки, укладки и уплотнения ее; после затвердевания бетон должен быть достаточно плотным, иметь прочное сцепление со стальной арматурой и предохранять ее от коррозии.
Требуемая прочность тяжелого бетона всегда указывается в рабочих чертежах конструкций и называется маркой бетона. Она определяется пределом прочности при сжатии стандартных бетонных кубиков размером 20х20х20 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси и испытанных в возрасте 28 дней после твердения в нормальных условиях (температура 15—20°, относительная влажность окружающего воздуха 90—100%).
При спешных работах, когда применяются быстро твердеющие цементы или используются химические, а также тепловые способы ускорения твердения бетона, можно испытывать прочность бетона в более короткие сроки твердения, например в возрасте 1, 3 и 7 дней. Наоборот, бетоны на медленно твердеющих цементах (на портландцементе низких марок, пуццолановом портландцементе и шлакопортландцементе) могут иметь расчетные сроки твердения, превышающие 28 дней (60, 90 и 180 дней), в соответствии с графиком работ и сроками строительства. Это должно быть обосновано технически и экономически. Увеличение расчетного срока твердения бетона сверх 28 дней, если оно не противоречит другим производственным требованиям, дает экономию цемента.
Техническими условиями установлены следующие марки бетона: 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300; 400; 500 и 600. Временно применяются также бетоны марок 70, 90, 110 и 140.
Бетон марок 50—100 применяют для оснований, фундаментов и массивных сооружений с невысокими расчетными напряжениями. Для железобетонных конструкций нельзя применять бетон марки ниже 100, так как не будут обеспечены прочное сцепление со стальной арматурой и защита ее от коррозии.
Для обычных железобетонных конструкций в гражданском и промышленном строительстве рекомендуется тяжелый бетон марки 150. Для сжатых конструкций с высокими напряжениями, для конструкций больших пролетов и крупных инженерных сооружений (мостов и др.) применяют бетон марок от 200 до 300; для железобетонных изделий и сборных конструкций обычно используют бетон марок 200—250, а для нового эффективного вида железобетона, так называемого предварительно напряженного — бетон высоких марок: 300—600.
На производстве необходимо обеспечить заданную марку бетона; превышение заданной марки допускается, но не более чем на 15%, так как оно вызывает перерасход цемента.
Предел прочности бетона при растяжении в 8—15 раз меньше, чем при сжатии; чем выше марка бетона, тем больше отношение Rсж/Rраст. Это — недостаток всех хрупких материалов, к которым относится и тяжелый бетон. Из-за малой прочности бетона при растяжении перешли к применению железобетонных конструкций, в которых растягивающие напряжения воспринимаются в основном стальной арматурой.
Прочность бетона R6 к определенному сроку при твердении в «ормальных условиях зависит главным образом от двух факторов: от прочности (активности) цемента Rц от водощементного отношения, т. е. R6=f(Rц В/Ц)
Водоцементным отношением называется отношение веса воды к весу цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, причем учитывается только свободная, не поглощенная заполнителями вода.
Между прочностью бетона и цемента существует прямая пропорциональность.
Опытами проф. И. Г. Малюги (результаты опубликованы в 1895 г.), проф. Н. М. Беляева (1927 г.) и других исследователей было установлено, что с увеличением В/Ц выше известного предела прочность бетона понижается. Эта зависимость выражена проф. Н. М. Беляевым в виде следующей формулы:
R28 = Rц / А(В/Ц)n
где: R28 —прочность бетона в возрасте 28 дней;
R —прочность обыкновенного портландцемента при сжатии к 28 дням, испытанная в растворе 1:3 жесткой консистенции по стандарту (ГОСТ);
величины А и n — эмпирические коэффициенты: n=1,5; для бетона с гравием А=4, со щебнем 4=3,5, Приведенная формула эмпирическая, она получена в результате обработки данных многочисленных опытов.
Менее существенное влияние на прочность бетона оказывают вид цемента, форма зерен заполнителей и характер их поверхности. Прочность зерен заполнителей не оказывает влияния, так как она обычно выше прочности цементного камня, и бетон разрушается по наиболее слабому месту — цементному камню.
Прочность бетона с гравием обычно на 10—15% ниже прочности бетона со щебнем (при том же В/Ц) из-за менее прочного сцепления гравия с цементным раствором.
При использовании гравия с очень гладкой, отшлифованной поверхностью (например, морского) прочность тяжелого бетона понижается даже на 30%. Поэтому такой гравий (особенно крупный)следует дробить в щебень.
Установленная профессорами Малюгой и Беляевым зависимость объясняется следующим образом: цементное тесто представляет собой минеральный клей; клеящая же способность всякого клея понижается по мере разбавления его водой. Более точное объяснение этой зависимости следующее: как показывают опыты, цемент, в зависимости от качества и срока твердения, химически связывает всего 0,10—0,20 воды от своего веса.
С повышением марки цемента и увеличением срока твердения количество химически связанной воды в бетоне увеличивается, но редко превышает 0,20 от веса цемента. Далеко не вся масса цемента и не сразу вступает в реакцию с водой, так как реакция начинается с поверхности цементных зерен и только постепенно вода проникает в глубь их.
Однако при изготовлении тяжелого бетона принимают водоцементное отношение, равное не 0,1—0,2, а значительно большее, например 0,5—0,7. Большее количество воды нужно для придания бетонной смеси подвижности, так как при В/Ц=0,1—0,2 она почти сухая и ее трудно перемешивать и укладывать.
Избыточная вода остается в бетоне, создавая в нем поры, или испаряется, оставляя воздушные поры. В обоих случаях цементный камень в бетоне ослабляется, поперечное сечение тела камня, противостоящее нагрузке, уменьшается, а вокруг пор концентрируются местные напряжения. Поэтому прочность тяжелого бетона будет тем меньше, чем больше пористость цементного камня, т. е. чем больше было взято воды по отношению к весу цемента в свежеизготовленной бетонной смеси и чем меньше воды связалось химически в процессе твердения бетона.
Наряду с формулой проф. Н. М. Беляева применяют и более простую формулу: для определения прочности бетона с гравием
R28=0,5(Rц(Ц/В-0,50)
для определения прочности тяжелого бетона со щебнем R88=0,55Rч(Ц/В-0,50),
где Rц — прочность цемента, определенная при стандартном испытании на сжатие образцов из раствора жесткой консистенции. В связи с возможным переходом на испытание прочности цемента в растворе пластичной консистенции (Яц nл)
Г. М. Рущуком была получена такжеэмпирическая формула для определения прочности бетона:
R28 = Rц.™(Ц/В—0,70),
Дающая более точные результаты, чем предыдущие.
Последние три формулы отличаются от формулы проф. Н. М. Беляева тем, что в них взято не водоцементное отношение, а обратное ему — цементноводное. Удобство простых формул, в частности, заключается в том, что при экспериментальном определении прочности бетона достаточно провести всего два опыта, чтобы установить зависимость прочности бетона на местных материалах от Ц/В. Во избежание ошибки все же проводят три и более опытов.
Найденный закон прочности бетона, выражающие его формулы и графики ценны тем, что они позволяют решать две практические задачи
Приведенные формулы не абсолютно точны; они справедливы для бетона на обыкновенном портландцементе, чистом речном песке, обычном гравии (средней окатанности) и щебне из изверженной породы, при заполнителях с удовлетворительным зерновым составом.
В действительности может получиться более низкая прочность. Например, при использовании цемента с добавкой трепела прочность тяжелого бетона понижается на 10%; сильно окатанный гравий, заполнители плоские или пониженной прочности, загрязненные или плохого зернового состава могут вызвать понижение прочности бетона на 20—30% против вычисленной по формуле
На каждой стройке, где ведутся крупные бетонные работы, необходимо заранее, до начала бетонных работ, после испытания цемента и местных заполнителей приготовить подвижные бетонные смеси с В/Ц=0,5—0,7—0,9, изготовить по три кубика из бетона каждого состава и хранить их в нормальных условиях в течение 28 дней.
Описанная выше зависимость прочности бетона от В/Ц применима только для бетона, изготовленного из подвижной бетонной смеси. Прочность жесткого бетона кроме всех указанных выше причин зависит от работы трамбования или от давления при Прессовании. При сильном уплотнении прочность тяжелого бетона при малом водоцементном отношении может достигнуть очень болшой величины: так, при опытах уже получали цементный камень с прочностью до 2000 кг/см2 (изготовленный при В/Ц=0,07 и спрессованный под давлением до 2000 ати)
Особо тяжелыми называют бетоны с объемным весом более 2,5 т/м3, приготовляемые на тяжелых естественных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, металлический скрап и дробь, обрезки арматуры).
Гидратными называются бетоны с большим содержанием химически связанной или полусвязанной воды. Носителями связанной воды в этих бетонах являются вяжущие (портландцемент, гипсоглиноземистый, глиноземистый и магнезиальный цементы), заполнители (лимонит, гематит, серпентинит), специальные добавки, содержащие легкие элементы (водород, литий, гелий, кадмий) или боросодержащие вещества.
Указанные бетоны, предназначаемые для защитных ограждений от радиоактивных излучений, не должны вспучиваться, коробиться и трескаться под действием высокой температуры и радиации, т. е. противостоять им без опасного снижения прочности и обеспечивать длительную эксплуатацию без ухудшения своих свойств.
Для защитных ограждений от одновременного воздействия гамма- и нейтронного излучения следует применять бетоны на тяжелых заполнителях (магнетите, чугунных дроби или скрапе) и таких, в состав которых входит большое количество связанной или полусвязанной воды.
В целях улучшения защитных свойств от нейтронного излучения в эти бетоны вводят карбид бора, хлористый литий или боросодержащие вещества (например, двуводный борат кальция).
При повышенных температурах эксплуатации наряду с понижением сопротивления бетона сжатию ухудшаются сопротивление растяжению при изгибе, сцепление с арматурой, модуль упругости и уменьшается коэффициент линейного расширения, имеющий большое значение в образовании напряженного состояния при воздействии температуры. Кроме того, снижается коэффициент теплопроводности, учитываемый при расчете температурного поля и напряжений в защитном ограждении.
Вяжущими веществами в таких бетонах служат портландцемент и шлакопортландцемент (последний в том случае, когда не требуется быстрого роста прочности при естественном твердении бетона). Пуццолановый портландцемент допустим только для подземных сооружений, конструкций, находящихся в условиях повышенной и постоянной влажности при отсутствии высоких температур и для мелких блоков и изделий, изготовляемых на заводах с автоклавной обработкой или пропариванием, также работающих в среде с повышенной влажностью при нормальных температурах. Для увеличения содержания связанной воды в гидратных бетонах можно применять глиноземистые, расширяющиеся или безусадочные цементы.
В целях улучшения защитных свойств тяжелых и особенно гидратных бетонов в них вводят добавки, повышающие содержание водородсодержащих веществ, или такие, которые содержат элементы с небольшим атомным весом (например, соли лития, бора).
Заполнителями, помимо указанных выше, могут быть щебень, гравий и песок.
Пределы прочности и модули упругости магнетитовых, лимонитовых и баритовых бетонов в кг/см2, по исследованиям проф. А. Е. Десова, приведены в табл. 1.
|
Показатели
|
Марка бетона, кг/см2
|
|||
|
100
|
150
|
200
|
300
|
|
|
Сжатие осевое (призменная прочность Rпр)
|
50
|
75
|
100
|
130
|
|
Сжатие при изгибе
|
60
|
95
|
125
|
150
|
|
Растяжение осевое
|
9
|
12
|
16
|
20
|
|
Растяжение при изгибе
|
9
|
12
|
16
|
26
|
|
Сцепление с арматурой
|
10
|
16
|
21
|
22
|
|
Модуль упругости
|
100 000
|
170 000
|
230 000
|
250 000
|
Специальные тяжелые бетоны, подвергающиеся воздействию температур до 250°, должны иметь показатель плотности (отношение суммы абсолютных объемов цемента, заполнителей и связанной воды в бетоне к объему единицы бетона) не менее 0,9. Во влажных условиях неплотный бетон с металлическим скрапом подвержен коррозии, нарушающей его целостность, что ослабляет защитные свойства бетона.
Защитные свойства гидратных бетонов, особенно против нейтронов с низкой энергией, в большой степени зависят от содержания в бетонах воды. Значительная часть ее испаряется при эксплуатации бетона и особенно интенсивно — при повышенных температурах.
Для предохранения от испарения воды ограждения, работающие при температурах до 60°, рекомендуется покрывать перхлор-виниловыми смолами, а при более высоких температурах следует при бетонировании применять металлическую опалубку, оставляемую на все время эксплуатации.
Наибольшая усадка в первые сутки у баритового бетона (от 500 до 1100мк/м), наименьшая — у лимонитового (100—200 мк/м), вероятно за счет накопленной в заполнителе влаги, а полная усадка этих бетонов соответственно 1450 и 700 мк/м.
Сопротивление истиранию у баритовых бетонов такое же, что и у обычного бетона, а у лимонитовых (за исключением с чугунным скрапом) меньше.
При нагревании образцов до 100° наибольшую потерю в весе имеют лимонитовые бетоны и наименьшую — бетоны на чугунном скрапе, а комбинированные составы (на лимонитовом песке с магнетитом, баритом, гранитным щебнем) занимают промежуточное между ними положение.
Запрещается применять баритовые бетоны в сооружениях, находящихся в проточной воде.
Морозостойкость бетонов на специальных заполнителях ниже, чем у обычного бетона; особенно низка она у бетонов на чугунном скрапе, лимонитовом песке и баритовых.
Время перемешивания в существующих бетоносмесителях должно быть не менее 2 мин и устанавливают его опытным путем. Для предупреждения от поломок бетономешалки надо уменьшить объем замеса обратно пропорционально объемному весу перемешиваемой смеси. Например, принимая объемный вес обычного бетона 2,3 т/м3 и тяжелого 4 т/мг, номинальный объем замеса бетоносмесителя емкостью 500 л не должен превышать (500X2,3) :4 = 287 л.
Транспортировать бетонную смесь во избежание расслаивания следует бадьями с открывающимся дном. Подавать смесь к месту укладки можно по хоботам или виброхоботам с обязательным заполнением ею всего сечения трубы.
В целях повышения вязкости бетонной смеси и уменьшения ее расслаиваемости вместо обычных песков рекомендуется применять лимонитовые, обладающие в 10—15 раз большей вязкостью; возможно введение в обычные растворы (до 1 % от веса песка) бетонитовой глины. Однако при этом затрудняется плотная укладка бетона, для облегчения которой (при Ок = 2—4 см) целесообразно применять пластифицированные цементы или пластифицирующие добавки (омыленный древесный пек, абиетат натрия, ССБ).
Смеси на тяжелых заполнителях (за исключением лимонитового раствора как весьма вязкого) целесообразно укладывать раздельно нагнетанием цементного раствора в заранее засыпанный в опалубку крупный заполнитель.
