Свойства бетонной смеси

Свойства бетонной смеси подразделяются на две основные группы-реологические свойства и технические.
Тяжелый бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т.д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам укладки ее.

Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из новообразований, образовавшихся при взаимодействии вяжущего с водой, непрореагированных частиц клинкера, заполнителя, воды, вводимых специальных добавок и вовлеченного воздуха. Ввиду наличия сил взаимодействия между дисперсными частицами твердой фазы и воды эта система приобретает связанность и может рассматриваться как единое физическое тело с определенными реологическими, физическими и механическими свойствами.

Читай также деформативные свойства бетона

Определяющее влияние на эти свойства будут оказывать количество и качество цементного теста, которое, являясь дисперсной системой, имеет высокоразвитую поверхность раздела твердой и жидкой фаз, что способствует развитию сил молекулярного сцепления и повышению связанности системы.В процессе гидратации цемента количество гелеобразных новообразований растет, увеличивается дисперсность твердой фазы, повышается клеящаяся способность цементного теста и его связующая роль в бетонной смеси.

Цементное тесто относят к так называемым структурированным системам, которые характеризуются некоторой начальной прочностью. Определенная структура цементного теста создается за счет действия сил молекулярного сцепления между частицами, окаймленными тонкими пленками воды. Пленки жидкой фазы в структуре цементного теста придают ему свойство пластичности. Структурная вязкость цементного теста зависит от концентрации твердой фазы в водной суспензии. Поведение структурированных систем при приложении внешних сил в отличие от жидких тел резко меняется.

В зависимости от значения действующих внешних сил вязкость структурированных систем изменяется, часто на 2…3 порядка даже при постоянной температуре. Способность структурированных систем изменять свои реологические свойства под действием внешних сил и восстанавливать их после прекращения воздействия называется тиксотропией. Это свойство широко используют в технологии бетона, например для формования изделий из жестких смесей путем вибрации.

Для получения изделий высокого качества необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию,соответствующую методам ее укладки и уплотнения.Консистенцию бетонной смеси оценивают показателями ее подвижности или жесткости. Подвижность бетонной смеси-способность ее растекаться под собственной массой.

Рисунок-1. Стандартный конус для определения подвижности бетонной смеси:

1-конус; 2-ручки; 3-упоры.

Для определения подвижности используют конус (рис.1),который послойно в три приема заполняют бетонной смесью, уплотняя ее штыкованием. После уплотнения последней форму снимают. Образовавшийся при этом конус бетонной смеси под действием собственной массы оседает. Величина осадки конуса (см) служит оценкой подвижности бетонной смеси. По этому показателю различают смеси подвижные (пластичные) с осадкой конуса 1…12 см и более и жесткие,которые практически не дают осадки конуса, однако при воздействии вибрации последние обладают различными формовочными свойствами.

Для оценки жесткости этих смесей используют свои методы.Показатель жесткости бетонной смеси определяют на специальном приборе (рис. 2), который состоит из цилиндрического сосуда с внутренним диаметром 240 мм и высотой 200 мм с закрепленным на нем устройством для измерения осадки бетонной смеси в виде направляющего штатива, штанги и металлического диска и шестью отверстиями.

Рисунок-2. Стандартный прибор для определения жесткости бетонной смеси:

1-форма; 2-упоры для крепления конуса; 3-конус; 4-воронка; 5-штанга; 6-направляющая втулка; 7-втулка для крепления диска; 8-диск с шестью отверстиями; 9-штатив; 10-зажим штатива.

Прибор устанавливают на виброплошадку и плотно к ней прикрепляют. Затем в сосуд помещают металлическую форму-конусс насадкой, который с помощью специального кольца-держателя закрепляют в приборе и заполняют тремя слоями бетонной смеси. Затем удаляют форму-конус,поворачивая штатив, устанавливают на поверхности бетонной смеси диск и включают виброплощадку.

Вибрирование с амплитудой 0,5 мм продолжают до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из двух отверстий диска. Время вибрирования (с) и определяет жесткость бетонной смеси. Классификация бетонных смесей по степени их жесткости (удобоукладываемости) приведена в табл. 1.

Таблица-1. Классификация бетонных смесей

На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание воды и цементного теста, крупность заполнителей, форма зерен, содержание песка. Бетонные смеси одного и того же состава, но на разных цементах обладают разной водопотребностью. Чем она выше, тем меньше подвижность или больше жесткость смеси. Бетонные смеси на портландцементах с гидравлическими добавками имеют подвижность меньшую, чем смеси на портландцементе при одном и том же количестве воды, взятой для приготовления смеси.

С увеличением содержания воды при неизменном расходе цемента подвижность бетонной смеси возрастает, но прочность бетона уменьшается. С увеличением содержания цементного теста подвижность бетонной смеси также повышается при сохранении практически той же прочности после затвердевания. Это объясняется тем, что при более высоком содержании цементного теста оно не только заполняет пустоты и обволакивает зерна заполнителей, но и раздвигает их, создавая между ними обильные прослойки, уменьшающие трение между зернами, а это повышает подвижность смеси.

При более крупных заполнителях суммарная поверхность зерен получается меньше; следовательно, при том же количестве цементного теста прослойки его между зернами заполнителей оказываются толще, что увеличивает подвижность бетонной смеси. Увеличение количества песка сверх оптимального, установленного опытом, уменьшает подвижность бетонной смеси вследствие возрастания суммарной поверхности заполнителей.

Форма зерен влияет на подвижность смеси — при округлой и гладкой поверхности зерен заполнителей суммарная поверхность их и трение между ними меньше, чем при острогранной форме и шероховатой поверхности. Поэтому бетонная смесь с гравием и окатанным песком подвижнее, чем смесь с щебнем и горным песком.
Таблица-2. Требования к подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси

Наиболее экономичными являются жесткие бетонные смеси, так как они требуют меньшего расхода цемента, чем подвижные. Подвижность бетонной смеси следует выбирать более низкую, но в то же время она должна обеспечивать удобную и качественную укладку смеси. При выборе подвижности бетонной смеси учитывают размеры конструкции, простоту армирования и способы укладки и уплотнения смеси (табл. 2).

Введение в бетонную смесь ПАВ, например СДБ, повышает подвижность бетонной смеси и уменьшает ее водопотребность. Положительное воздействие на подвижность смеси оказывают суперпластификаторы (С-3,10-03,40-03и др.). Их эффективность выше в подвижных смесях, они позволяют снизить водопотребность смеси на 20…25%.
Вместе с тем следует учитывать, что подвижность смеси со временем уменьшается вследствие физико-химическоговзаимодействия цемента с водой.

◊ Твердение бетона и формирование его структуры

Структура бетона образуется в результате затвердевания бетонной смеси и его превращения в камень. Уплотненная бетонная смесь в начальный период гидратации цемента сохраняет способность к пластическим деформациям. Со временем количество новообразований цементного камня увеличивается, система уплотняется и твердеет, образуется прочный камень определенной структуры.

◊ Прочность бетона

В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения.

Реологические свойства бетонной смеси

 

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов, схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону. Состав бетонной смеси обозначают в виде расхода материалов на 1 м3 уплотненной смеси, например: цемента (Ц) — 300 кг; воды (В) — 180 кг; мелкого заполнителя (песка) (П) — 600 кг; крупного заполнителя (К) (щебня или гравия) — 1200 кг; смеси — 2280 кг/м³.

При изготовлении бетонной смеси материалы дозируют по массе автоматическими дозаторами. Можно обозначить состав бетонной смеси в виде соотношения по массе (реже по объему, что менее точно) между количествами цемента, мелкого и крупного заполнителя с обязательным указанием водоцементного отношения. Количество цемента принимают за единицу, поэтому соотношение по массе между составными частями в приведенном выше примере будет 1:2:4 при В/Ц = 0,6 (в общем виде 1 : П: К при определенном В/Ц).

По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами , взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает и увеличивается клеющая и связующая способность цементного теста. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: 1) обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и 2) сохранять при транспортировании и укладке однородность,, достигнутую при приготовлении.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.

Рисунок-3. Реологическая модель бетонной смеси твердой фазы

Реологическая модель бетонной смеси (рис. 3), отражающая ее основные свойства, включает упругий элемент (пружину с модулем упругости Е); сила трения между массой и столом характеризует предельное напряжение сдвига (ζo, Па), а поршень, двигающийся в вязкой жидкости, изображает вязкое сопротивление сдвигу (η — динамическая вязкость, Па·с). При постепенном возрастании напряжения σ вначале включается упругий элемент и при σ<ζ0 упругая деформация равна σ/Е.

После преодоления предельного напряжения сдвига при напряжениях σ>ζ0 бетонная смесь течет подобно вязкой жидкости и неупругая деформация за время t равна [(σ— ζо) t]/η]. Таким образом, реологическое уравнение, связывающее, включает упругую и неупругую составляющие полной деформации:

ε=σ/E+(σ-ζo)/η

Рассмотренная реологическая модель дает представление о физических свойствах бетонной смеси, проявляющихся при ее уплотнении. Если подвергать бетонную смесь механическим воздействиям (например, вибрированию), то взаимодействие между твердыми частицами цемента и заполнителя нарушается, и бетонная смесь утрачивает структурную прочность, т. е. ζ0 приближается к нулю. При этом бетонная смесь ведет себя как тяжелая вязкая жидкость, хорошо заполняющая форму. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.

Читай продолжение статьи: Технические свойства бетонной смеси