Властивості бетону та бетонної суміші - Матеріалознавство для мулярів
Найважливішими властивостями звичайного (важкого) бетону є міцність та довговічність, які залежать від якості матеріалів, від методу та якості укладання суміші у форму (або опалубку), від співвідношення в бетоні в'яжучого, води, піску та щебеню (гравію), від умов твердіння.
До бетонної суміші пред'являють вимоги певної міри рухливості і зручності, що необхідно., ля щільного укладання суміші в опалубку або форму. Бетонна суміш не повинна також розшаровуватися на заповнювачі та цементне тісто до укладання та в її процесі.
Міцність бетону. Бетон добре пручається стиску, тому для кращого використання його механічних властивостей усі бетонні та залізобетонні конструкції проектують з умови передачі на бетон тільки стискаючих навантажень.
В окремих випадках будівельників цікавить міцність бетону при розтягуванні, але вона невелика і зазвичай у 10-15 разів менша за міцність при стисканні.
Розмір межі міцності при стисканні покладено основою поділу бетонів на марки.
Марка бетону встановлюється за межі міцності при стисканні зразків-кубів з ребром 20 см, виготовлених із бетонної суміші та випробуваних у віці 28 діб. До випробування зразки повинні зберігатися у вологих умовах за температури 15-20°; такі умови твердіння бетону називають нормальними.
Усадка бетону може спричинити утворення тріщин у масивних та довгих конструкціях. Для зменшення усадки слід уникати застосування жирних бетонів (з великою витратою цементу), а використовувати великі заповнювачі хорошого зернового складу та дотримуватись вологого режиму твердіння бетону.
Стійкість бетону. Довговічність бетонних конструкцій залежить від здатності бетону чинити опір зовнішнім впливам (води, морозу, високих температур). Залежно відЕксплуатаційних умов стійкість бетону характеризується морозостійкістю, корозійною стійкістю та ставленням до дії високих температур.
Морозостійкість бетону особливо важлива для конструкцій, що знаходяться в умовах систематичного зволоження та замерзання. До них відносяться гідротехнічні споруди (греблі, шлюзи), дорожні покриття, а також фундаменти, зовнішня поверхня стін та інші елементи будівель. Перед застосуванням у таких конструкціях бетон повинен випробовуватись на морозостійкість і витримувати без видимих ознак руйнування задану кількість циклів заморожування та відтавання, не втрачаючи більше 25% міцності.
За ступенем морозостійкості бетони поділяються на марки МРЗ від 10 до 200.
Ступінь морозостійкості бетону встановлюється проектом залежно від виду конструкції, класу спорудження та умов його експлуатації. Для цивільних і житлових будівель морозостійкість бетону не потрібна вище МРЗ 50.
Жаростійкість бетону. При тривалій дії високої температури бетон дещо втрачає свою міцність, але не руйнується. Це дозволяє віднести бетон до вогнестійких матеріалів та застосовувати його для залізобетонних димових труб та деяких печей. Спеціальні жаростійкі бетони застосовуються також для футерування теплових апаратів.
Корозія бетону під дією різних вод і газів найчастіше відбувається в результаті руйнування цементного каменю, тому всі види корозії портландцементу, розглянуті раніше, залишаються справедливими і для бетону. Крім того, при виборі заповнювачів слід враховувати не тільки їхню міцність, забрудненість, зерновий склад, але також і хімічний склад породи. Інакше в агресивному середовищі може статися руйнація наповнювачів, а потім і бетонної конструкції.
Властивості бетонної суміші
Рухливість бетонної суміші. За ступенем рухливості розрізняють бетонні суміші жорсткі, рухливі та литі. Для оцінки рухливості бетонної суміші є кілька способів. У практиці широко застосовується спосіб «осади конуса», яким встановлюється ступінь розтікання та зв'язності бетонної суміші. Випробування проводиться за допомогою металевої форми без дна у вигляді усіченого конуса заввишки 30 см з діаметрами основ - верхнього 10 і нижнього 20 см. Форма має дві ручки та два упори.
Конус встановлюють на горизонтальний металевий лист або шматок лінолеуму, змочують внутрішню поверхню і укладають бетонну суміш в конус послідовно трьома шарами однакової висоти, штикують кожен шар 25 разів металевим стрижнем діаметром 16 мм і довжиною 60 см з округленим кінцем. Наповнивши конус, поверхню суміші пригладжують врівень із краями форми, після чого строго вертикально піднімають форму за ручки та ставлять поряд з отриманим зразком бетону. Звільнившись від форми, суміш тією чи іншою мірою осідає. Величина опади міліметрах характеризує рухливість бетонної суміші: жорстка суміш не осідає, тобто. осадка її дорівнює О, рухлива дає осадку від 10 до 180 мм, а лита - понад 180 мм. Литі суміші вимагають великої витрати цементу для отримання заданої міцності бетону і нині застосовуються рідко.
Одночасно з осадкою встановлюється і ступінь зв'язування бетонної суміші. Якщо зв'язність не виходить із меж норми, суміш осідає правильно, не розвалюючись, і з неї не витікає цементне молоко.
Розрізняють два склади бетону: номінальний, розрахований для сухих матеріалів, та польовий (робочий), для якого враховується природна вологість матеріалу.
Найміцнішим і довговічнішим буде бетон більш щільний. Бетонвисокої густини може бути отриманий за рахунок великої витрати цементу або правильно обраного співвідношення між дрібним та великим заповнювачем. Природно, що другий спосіб вигідніший. Якщо співвідношення між піском і щебенем (або гравієм) обрано правильно, то в такому бетоні зерна піску заповнюють порожнечі в щебені, а цементне тісто витрачається на обволікання зерен наповнювача, забезпечуючи цим необхідну рухливість бетонної суміші, і після затвердіння - задану міцність бетону.
Якщо піску в бетоні недостатньо для заповнення порожнеч у щебені, то для цього буде потрібно надмірна кількість цементного тес, та. Інакше бетон буде пористим. Якщо кількість піску більше оптимального (найвигіднішого), то витрата цементу теж буде більшою. На обволікання поверхні дрібних зерен піску потрібно більше цементного тіста, ніж обволікання зерен великого заповнювача.
Підбір-склад бетону полягає в наступному. Спочатку розраховується орієнтовна кількість матеріалів на 1 заміс або 1 мг бетонної суміші за умови отримання абсолютно щільного бетону. Потім на цій кількості матеріалів готується бетонна суміш, перевіряється її рухливість та готуються зразки для визначення міцності бетону.
Якщо рухливість бетонної суміші не відповідає заданій, то коригують склад бетону способом, наведеним нижче.
Порядок підбору складу бетону наступний: - встановлюють характеристики вихідних матеріалів (цементу, піску та гравію або щебеню): їх питомі та об'ємні ваги, пустотність гравію (щебеню), марку цементу; визначають водоцементне відношення; - встановлюють витрату цементу та води на 1 м3 бетонної суміші, а також витрата заповнювачів; — перевіряють рухливість і удобовкладальність бетонної суміші і принеобхідності вносять поправки до отримання необхідної рухливості; - знаходять остаточний номінальний склад бетонної суміші; перераховують номінальний склад бетонної суміші на польовий; - перевіряють міцність бетону при випробуванні пробних утворюють.
Визначення витрати наповнювачів на 1 мг бетонної суміші. Якщо виходити з умови отримання гранично щільної бетонної суміші, то сума абсолютних обсягів витрачених цементу, води, піску та гравію (щебеню) на 1 м3 бетону повинна дорівнювати 1000 л.
Абсолютний об'єм сухих матеріалів дорівнює вазі, поділеній на їх питому вагу, а абсолютний об'єм води (В) відповідає її вазі.
Два перші числа цього рівняння (витрата цементу та води) відомі. Залишається визначити витрату піску та щебеню, для цього припускають, що цементно-піщаний розчин (цемент, вода та пісок) має заповнити порожнечі у великому заповнювачі. Але якщо кількість розчину буде суворо відповідати об'єму порожнин у великому заповнювачі, то така бетонна суміш виявиться жорсткою, незручно укладається, тому що зерна щебеню (гравію) будуть стикатися між собою, і при цьому виникне велике тертя. Щоб отримати бетонну суміш, що зручно укладається, слід кілька розсунути зерна великого заповнювача, помістивши між ними трохи цементного розчину. Він виконуватиме роль мастила і зменшить тертя між зернами щебеню (або гравію). Отже, кількість розчину має бути дещо більшою, ніж порожнеча великого заповнювача.
Величина, що враховує розсування зерен щебеню цементним розчином, називається коефіцієнтом розсування зерен і позначається грецькою літерою а (альфа). Цей коефіцієнт буває тим більшим, чим рухливіше потрібно отримати бетонну суміш. Для твердих бетонних сумішей він дорівнює 1,05-1,10 (т. е. розчинуберуть на 5-10% більше обсягу порожнин у великому заповнювачі), а для рухомих сумішей його приймають рівним 1,20-1,30 і більше.
Перевірка рухливості та зручності бетонності. Після попереднього розрахунку складу роблять пробний заміс бетонної суміші (об'ємом 10 л), визначають осадку конуса і удобоукладызаемость, якщо бетонна суміш вийшла менш рухомою, ніж потрібно, збільшують кількість цементу порціями по 10% від спочатку взятого і одночасно додають відповідну водоце-ментному відношенню кількість води. Якщо ж суміш виявилася занадто рухомою, то додають пісок і щебінь теж порціями (10% первісної кількості), перевіряючи при цьому щоразу осадку конуса і зручність.
При підборі складу бетону рекомендується одночасно проводити три заміси, що відрізняються витратою піску. У першому замісі витрата піску дорівнює розрахунковому, а в інших на 10 і 20% більше. З трьох складів вибирають той, в якому менша витрата цементу при заданій рухливості суміші.
Перерахунок номінального складу бетонної суміші на польовий. Номінальний склад бетонної суміші перераховується на польовий на підставі встановленої природної вологості піску та гравію (щебеню).
Перевірка міцності бетону. З підібраного складу бетонної суміші готують бетонні зразки кубічної форми розміром 20×20×20 см, при цьому ущільнюючи суміш вібруванням або штикуванням. До моменту випробування зразки повинні витримуватись у нормальних умовах.
В результаті проведених розрахунків отримано наступний орієнтовний номінальний склад бетону: цементу - 235 кг води - 190 л; піску - 614 кг; щебеню - 1370 кг. Водоцементне відношення 0,81.
Приймаючи цей склад бетону за вихідний, готуємо 10 л бетонної суміші. Кількість матеріалів на цейзаміс беремо в 100 разів менше розрахованого: цементу 2,35 кг, води 1,9 л, піску 6,14 кг, щебеню 13,7 кг.
Другий склад бетону дав необхідне осадження конуса 50 мм, а показник зручності його становив 15 сек. Тоді номінальний склад бетону буде наступний: цемент - 259 кг вода - 209 л; пісок - 614 кг; щебінь - 1370 кг.
З бетону другого складу готуємо шість зразків розміром 20X20X20 см і випробовуємо три зразки через 7 днів і 3 - через 28, що залишилися.
Якщо середня межа міцності при стисканні зразків у віці 28 днів виявиться або рівним, або таким, що перевищує не більше ніж на 15% задану марку бетону (200), то цей склад бетону вважається таким, що задовольняє завдання. Якщо ж середня межа міцності зразків буде меншою або перевищить більш ніж на 15% задану марку бетону, слід відповідно збільшити або зменшити на 10% витрату цементу. Потім знову приготувати і перевірити рухливість, зручність та міцність бетону з новою витратою цементу.
Наведений вище склад бетону дає об'єм бетонної суміші дещо більший, ніж 1000 л. В даному випадку, розділивши витрати сухих матеріалів на їх питомі ваги та склавши отримані таким чином абсолютні об'єми цементу, води, піску та щебеню, отримаємо абсолютний об'єм бетонної суміші, який становитиме 1100 л. Перевищення в 100 л пояснюється тим, що було збільшено на 20% об'єм цементного розчину для розсування зерен великого заповнювача (коефіцієнт розсування зерен був прийнятий рівним 1,20) і на 10% -абсолютний об'єм цементу та води для отримання бетонної суміші заданої рухливості.
В даному випадку, щоб витрата матеріалів точно відповідала 1000 л бетонної суміші, слід розрахункову кількість всіх матеріалів зменшити на 10%, тому що 100 л становить 10% від 1000 л.
Тодіостаточний номінальний склад бетону дорівнюватиме: цемент — 233 кг; вода - 188 л; пісок - 553 кг; щебінь - 1233 кг.
Позначається цей склад бетону таким чином: при витраті на 1 м3 бетону 233 кг цементу і водоцементному відношенні — 0,81 відношення сухих матеріалів буде 1: 2,37: 5,30 (за вагою).
При вираженні складу бетону за обсягом потрібно вага матеріалів перевести в насипний об'єм.
З технічних міркувань для бетону залежно та умовами служби конструкцій встановлено допустимі найменші витрати цементу. Якщо при підборі складу бетону витрата цементу менша, зазначеного нижче, його слід відповідно збільшити.
Так, для надземних конструкцій, що не піддаються замерзанню в насиченому водою стані, мінімальна витрата цементу встановлена для неармованих конструкцій 200 кг, а для армованих 225 кг на 1 м3 бетону. У конструкціях, схильних до замерзання в насиченому водою стані, витрата цементу на 1 м3 бетону відповідно збільшується на 25 кг. Для неармованих конструкцій витрата цементу становитиме 225 кг/м3, а армованих — 250 кг/м3. Якщо ці конструкції додатково відчувають напір води, мінімальна витрата цементу встановлена ще вище: для неармованих — 250 кг/м3, для армованих — 275 кг/м3.