Увеличение нормальной густоты цемента приводит к увеличению подвижности и уменьшению жесткости
Обновлено: 04.05.2024
Приготовление бетонной смеси
Приготовление бетонной смеси на цементе более высокой марки позволяет экономить в среднем 12—15 % этого материала, повысить марку бетона на 10 МПа. Для изготовления бетонов, подвергающихся сульфатной коррозии, применяют сульфатостойкий портландцемент. При изготовлении сборного железобетона в заводских условиях применяют цементы с повышенным содержанием С35 и С3А, способствующие быстрому набору прочности при тепловлажностной обработке. Изменение содержания песка в смеси заполнителей при постоянных водосодержании и расходе цемента в определенных пределах не влияет на жесткость бетонной смеси. Чем выше расход цемента и. меньше жесткость (больше подвижность) смеси, тем шире пределы, в которых изменение содержания песка не влияет на жесткость. При повышении содержания песка сверх верхнего предела жесткость бетонной смеси возрастает. Для сохранения жесткости неизменной повышают водосоде ржание бетонной смеси. При уменьшении содержания песка ниже определенного предела количество раствора оказывается недостаточным для получения связной бетонной смеси, и жесткость ее за счет расслоения также начинает повышаться. В этом случае увеличивают водосодержание, вводя дополнительное количество воды и цемента. Так как с увеличением содержания песка и растворной составляющей прочность бетона в основном понижается, то оптимальным принимают, как правило, такое содержание песка, которое не вызывает расслоения смеси.
Оптимальное содержание песка в смеси заполнителей тем меньше, чем выше расход цемента, ниже подвижность (выше жесткость) бетонной смеси, выше предельная крупность заполнителя, меньше его удельная поверхность и пустотность. Более удобно однако устанавливать оптимальное содержание песка в составе бетона по значениям оптимальных коэффициентов избытка раствора КИзб> что позволяет комплексно учесть все технологические факторы. Увеличение предельной крупности заполнителя уменьшает водопотребность и жесткость бетонной смеси. Если за 100 % принять водопотребность бетонной смеси на заполнителе фракции 20 мм, то при фракции 10 мм водопотребность будет больше примерно на 10 %, а при фракции 40 и 70 мм она уменьшится соответственно на 5—10 и 10—20 %. Для мелкозернистых бетонных смесей (без крупного заполнителя) водопотребность увеличится примерно на 20—30 %. При замене гравия щебнем той же фракции водопотребность бетонной смеси увеличивается на 5—15 %.
При уменьшении крупности песка увеличивается водопотребность бетонной смеси, а при неизменном водосодержании повышается жесткость (уменьшается подвижность) бетонной смеси. Если за 100 % принять водопотребность бетонной смеси на среднем песке, то на мелком песке она может возрасти на 5—15 %, а при очень мелком — на 10—20 %. При использовании крупного песка водопотребность бетонной смеси снижается на 2—5 %. Приведенные величины усредненные. В отдельных случаях в зависимости от формы зерен, наличия пылевидных отмучиваемых частиц, фактического зернового состава более крупные пески могут обладать большей водопотреб-ностью, чем более мелкие. При оценке качества песка по его водопотребности в цементном растворе следует учитывать, что изменение водопотребности песка на 1 % требует соответствующего изменения водопотребности бетонной смеси на 5 л. Применение дробленного песка повышает водопотребность бетонной смеси по сравнению с природным или фракционированным песком той же крупности на 5—15 %.
Наличие в песке или крупном заполнителе пылевидных или глинистых отмучиваемых частиц приводит к повышению водопотребности бетонной смеси примерно на 1—2 % на каждый процент содержания отмучиваемых частиц. Чем меньше расход цемента в бетоне, тем меньше отрицательная роль пылевидных и мелких фракций песка. Для тощих бетонных смесей с расходом цемента менее 200 кг/м3 наличие мельчайших фракций в песке способствует повышению связности и плотности бетонной смеси.
С повышением водопомощения крупного заполнителя водопотребность бетонной смеси увеличивается пропорцио- нально во до поглощению заполнителя и его содержанию в бетоне. При этом следует учитывать величину водопоглощения заполнителя в цементном тесте.Повышение водопотребности (нормальной густоты) цемента приводит к пропорциональному увеличению водопотребности бетонной смеси. Увеличение нормальной густоты на 1 % (по абсолютной величине) может вызвать повышение водопотребности на 1—2 %. Однако между нормальной густотой цемента и водопотребностью бетонной смеси прямой связи не существует. Даже при одинаковой нормальной густоте водо-потребность бетонных смесей на разных цементах может отличаться на 5—10 %. Пуццолановые цементы во всех случаях дают смеси с большей водопотребностью, чем чистые портланд-цементы или шлакопортландцементы. Разница может колебаться от 5 до 20 %. Пластифицирующие добавки (сульфитно-дрожжевая бражка СДБ и др.) пластифицируют цементное тесто в бетонной смеси благодаря осаждению гидрофильных поверхностно-активных веществ, содержащихся в пластификаторах на поверхности зерен цемента. Эффективность действия пластификаторов возрастает с увеличением содержания цементного теста в бетоне, повышением подвижности в бетонной смеси, содержания в цементе С3А, тонкости помола цемента и уменьшением возраста хранения цемента. Оптимальное количество добавки СДБ колеблется от 0,1 до 0,3 % в зависимости от минералогического состава и удельной поверхности цемента. Снижение водопотребности бетонной смеси при введении оптимальной добавки СДБ колеблется от 5 до 15 %.
Объемный вес пластифицированной бетонной смеси сокращается на 2—3 % за счет вовлечения воздуха. Так как прочность бетона (и раствора) при введении добавки СДБ несколько снижается, то для эффективного ее применения водопотреб-ность должна снизиться не менее чем на 8—10 %.
Добавки-микропенообразователи — омыленный древесный пек (ЦНИПС-1), абиетат натрия (СНБ), ВС, гидролизованная кровь (ПО-6), мылонафт, керосиновый контакт, алюминиевая пудра и др.— уменьшают водоиотребность бетонной смеси и увеличивают ее подвижность благодаря образованию между заполнителями мельчайших воздушных пузырьков («воздушных подшипников»). Само же цементное тесто при введении добавок-микропенообразователей почти не меняет своей пластичности. На каждый процент вовлеченного воздуха водо-потребность подвижной бетонной смеси снижается примерно на 5 л/м3. Так как воздухововлечение резко уменьшает прочность бетонов и растворов и не может быть компенсировано снижением В/Ц за счет уменьшения водопотребности, то добавки-микропенообразователи для обычных бетонных смесей не применяют. Они используются для изготовления легкобетонных смесей поризованной структуры и тощих бетонных и растворных смесей низких марок, а также гидротехнических и дорожных бетонов, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости.
Увеличение времени выдерживания от момента приготовления бетонной смеси до момента ее укладки и уплотнения повышает жесткость и понижает подвижность тем больше, чем выше температура смеси и окружающей среды, меньше относительная влажность воздуха, больше водопоглощение заполнителей и скорость схватывания цемента, меньше первоначальная подвижность (больше жесткость) бетонной смеси. Для малоподвижных смесей жесткость в течение 30 мин меняется незначительно и за 1 ч повышается примерно в 1,5 раза. Для жестких бетонных смесей показатель жесткости при выдержке в течение 1 ч повышается в 2—3 раза. Водоудерживающая способность смеси зависит от ее общего водосодержания, В/Ц, водоудерживающей способности цемента
Вопрос: Цементы нашего производства имеют высокие значения В/Ц, требуемые для достижения нормальной густоты. Например, В/Ц для ЦЕМ I составляет 30%, для ЦЕМ II 42,5 – 29,5%, для ЦЕМ II 32,5 – 28,5%. Существует ли принципиальная возможность понизить эти значения?
Алексей Сергеевич Брыков, д-р техн. наук, проф., Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Россия
Ответ: Под нормальной густотой цемента, как известно, подразумевается водо-цементное соотношение, при котором образующееся цементное тесто имеет стандартную консистенцию, определяемую на приборе Вика по ГОСТ 310.3. Нормальная густота цемента зависит от большого числа факторов, к числу которых относятся удельная поверхность, параметры распределения частиц по размерам, особенности фазово-минералогического состава цемента (в том числе состояние гипса и наличие минеральных добавок).
Увеличение нормальной густоты может быть обусловлено недостаточным количеством гипсового компонента или недостаточно высокой скоростью его растворения (низкой скоростью растворения характеризуется двуводный гипс); в условиях дефицита сульфат-ионов в растворе формируются гидраты алюминатов или моносульфоалюмината кальция в виде кристаллов пластинчатой морфологии, следствием чего является повышение нормальной густоты. Между тем избыток гипса в полуводной форме также приводит к росту нормальной густоты вследствие его гидратации и кристаллизации в виде дигидрата.
Отметим, что на состояние гипса в цементе влияет температурный режим в ходе совместного помола клинкера и гипса, который, в свою очередь, определяется в том числе и типом используемого помольного оборудования. Так, при валковом способе измельчения гипс преимущественно сохраняется в форме медленнорастворимого дигидрата, тогда как при измельчении в шаровых мельницах он активнее теряет воду и превращается в полуводный гипс или растворимый ангидрит. Кроме того, при измельчении в валковых мельницах гипс хуже распределяется между частицами клинкера по сравнению с шаровыми мельницами.
Тип помольного оборудования влияет и на распределение частиц по размерам. При использовании валковых мельниц, работающих на принципе истирания, получаемые цементы характеризуются более узким распределением частиц по размерам и, следовательно, менее плотной упаковкой частиц по сравнению с цементами из шаровых мельниц.
Следствием перечисленных выше обстоятельств является то, что цементы «валкового» измельчения имеют более высокую нормальную густоту по сравнению с цементами, помол которых осуществлялся в шаровых мельницах (при одинаковой удельной поверхности). Что касается использования обычных шаровых мельниц, то, может быть, имеет смысл проконтролировать температуру, развивающуюся при помоле, с целью оценки ее влияния на нормальную густоту цемента.
Если говорить собственно об удельной поверхности цемента, то следует иметь в виду, что ее увеличение на 100 м 2 /кг влечет за собой увеличение нормальной густоты на 2,0—2,5 %.
Влияние на нормальную густоту оказывает морфология алюминатной фазы, которая определяется скоростью охлаждения клинкера, содержанием щелочных компонентов, технологией помола. В принципе это должно учитываться при выборе оптимального содержания гипсового компонента.
Безусловно, присутствие минеральных добавок в составе цемента, влияет на нормальную густоту. В зависимости от их содержания, природы и дисперсности, добавки могут уменьшать или увеличивать нормальную густоту, или же не влиять на не существенным образом. Например, распределение частиц по размерам и плотность их упаковки в портландцементах с добавкой известняка, получаемых совместным измельчением соответствующих компонентов, таковы, что такие цементы имеют меньшую нормальную густоту по сравнению с бездобавочным цементом, несмотря на более высокую удельную поверхность.
В имеющейся ситуации нужно тщательно оценить необходимость проведения каких-либо технологических мероприятий, направленных на снижение нормальной густоты цементов, тем более, что приведенные значения нормальной густоты не являются помехой для их отнесения к определенным, в том числе и высоким, классам прочности.
Одним из факторов, влияющих на качество продукции, является бетонная смесь нужного качества.
Как известно, бетонной смесью называется смесь цемента (вяжущего) с заполнителем и водой от момента ее приготовления (перемешивания) и до момента окончания уплотнения в изделиях и начала процессов схватывания и твердения.
Основными свойствами бетонной смеси, важными с точки зрения технологии изготовления изделий и их качества, являются следующие.
1. Удобоукладываемость, т.е. способность бетонной смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под внешним механическим воздействием. Удобоукладываемость оценивается главным образом по показателям жесткости и подвижности. Удобоукладываемость должна соответствовать принятым методам формования и интенсивности уплотнения бетонной смеси.
Необходимая удобоукладываемость бетонной смеси достигается соответствующим назначением номинального состава, и в первую очередь — содержанием воды в смеси.
2. Связность и однородность (расслаиваемость), достигаемые соответствующим содержанием вяжущего и мелких фракций заполнителя, оптимальным соотношением крупных фракций заполнителя в составе смеси и надлежащим ее перемешиванием. Достигнутые при перемешивании однородность и связность бетонной смеси должны сохраняться при ее транспортировании, перегрузках, уплотнении укладки в бетонируемом изделии.
3. Водоудерживающая способность, т.е. способность смеси удерживать содержащуюся в ней воду без водоотделения на поверхности изделия и на грани раздела между цементным тестом и крупным заполнителем, достигается ограничением количества воды в бетонной смеси, а для смесей большой подвижности — повышенным содержанием тонкодисперсных составляющих (вяжущее, мелкие фракции заполнителя) и введением водоудерживающих добавок (тонкомолотые добавки, поверхностноактивные вещества).
4. Прочность и деформативность в свежеотформованном состоянии, т.е. способность смеси сохранять приданную форму после удаления формообразующей оснастки. Необходимая прочность бетонной смеси в свежеотформованном состоянии достигается, в первую очередь, выбором соответствующей жесткости смеси и ее предельным уплотнением.
Основным фактором, определяющим жесткость или подвижность бетонной смеси, является ее водосодержание. Чем выше водосодержание, тем ниже жесткость бетонной смеси и выше ее подвижность. Количество воды, необходимое для получения смеси требуемой жесткости или подвижности, называется водопотребностью бетонной смеси.
Изменение расхода цемента при данном водосодержании в определенных пределах почти не влияет на жесткость или подвижность бетонной смеси.
Нижний предел ограничивается минимальным расходом цемента, обеспечивающим получение связной нерасслаиваемой смеси, величина которого уменьшается с повышением жесткости смеси, предельной крупности заполнителя и уменьшением его общей пустотности.
Верхний предел расхода цемента ограничивается значением В/Ц, при котором вследствие резкого увеличения вязкости цементного теста жесткость бетонной смеси при том же водосодержании начинает возрастать, и для сохранения ее неизменной необходимо повышать водосодержание. Значение этого предельного В/Ц примерно в 1,65 раза больше показателя нормальной густоты цемента. В среднем для портландцемента и шлакопортландцемента это предельное значение В/Ц равно 0,45 (Ц/В=2,2). При Ц/В более высоком, чем предельное, водопотребность с его повышением и увеличением расхода цемента начинает возрастать. В среднем изменению Ц/В на 0,1 сверх предельного его значения соответствует повышение водопотребности бетонной смеси на 1-2%.
Изменение содержания песка в смеси заполнителей при постоянных водосодержании и расходе цемента в определенных пределах не влияет на жесткость бетонной смеси. Чем выше расход цемента и меньше жесткость (больше подвижность) смеси, тем шире пределы, в которых изменение содержания песка не влияет на жесткость. При повышении содержания песка сверх верхнего предела жесткость бетонной смеси возрастает. Для сохранения жесткости неизменной приходится повышать водосодержание бетонной смеси.
При уменьшении содержания песка ниже определенного предела количество раствора оказывается недостаточным для получения связной бетонной смеси, и жесткость ее за счет расслоения также начинает повышаться. В этом случае необходимо увеличивать водосодержание, вводя дополнительное количество воды и цемента. Так как с увеличением содержания песка и растворной составляющей прочность бетона, в основном, понижается, то оптимальным принимают, как правило, такое содержание песка, которое не вызывает расслоение смеси. Оптимальное содержание песка в смеси заполнителей тем меньше, чем выше расход цемента, ниже подвижность (выше жесткость) бетонной смеси, выше предельная крупность заполнителя, меньше крупность песка, более округлая форма заполнителя, меньше его удельная поверхность и пустотность.
Увеличение предельной крупности заполнителя уменьшает водопотребность и жесткость бетонной смеси. Если за 100% принять водопотребность бетонной смеси на заполнителе предельной крупности 20 мм, то при предельной крупности 10 мм водопотребность будет больше на 10%, а при предельной крупности 40 и 70 мм она уменьшится соответственно на 5-10% и 10-20%. Для мелкозернистых бетонных смесей (без крупного заполнителя) водопотребность увеличивается на 20-30%.
Замена гравия щебнем той же фракции вызывает увеличение водопотребности бетонной смеси на 5-15%.
Уменьшение крупности песка увеличивает водопотребность бетонной смеси, а при неизменном водосодержании повышает жесткость (уменьшает подвижность) бетонной смеси. Если за 100% принять водопотребность бетонной смеси на песке с модулем крупности 2,0-2,5, то на мелком песке (Мк 1,5-2,0) она может возрасти на 5-15%, а при очень мелком песке — на 10-20%. При использовании крупного песка водопотребность бетонной смеси снижается на 2-5%.
Применение дробленого песка повышает водопотребность бетонной смеси по сравнению с природным или фракционированным песком той же крупности на 5-15%.
Наличие в песке или крупном заполнителе пылевидных или глинистых отмучиваемых частиц приводит к повышению водопотребности примерно на 1-2% на каждый процент содержания отмучиваемых частиц.
Повышение водопотребности (нормальной густоты) цемента приводит к пропорциональному увеличению водопотребности бетонной смеси. Увеличение нормальной густоты цемента на 1% (по абсолютной величине) может вызвать повышение водопотребности бетонной смеси на 1-2%. Применение пластифицирующих добавок в значительной степени уменьшает водопотребление при приготовлении бетонных смесей. Эффективность действия пластификаторов возрастает с увеличением содержания цементного теста в бетоне, повышением подвижности бетонной смеси, тонкости помола цемента и уменьшением возраста хранения цемента. Оптимальное количество пластифицирующих добавок колеблется от 0,1% до 0,3% от массы цемента в зависимости от минералогического состава и удельной поверхности цемента. Снижение водопотребности бетонной смеси при введении оптимального количества пластифицирующей добавки колеблется от 5% до 15%. Плотность пластифицированной бетонной смеси сокращается на 2-3% за счет вовлеченного воздуха.
Воздухововлекающие добавки уменьшают водопотребность бетонной смеси и увеличивают ее подвижность благодаря образованию между заполнителями мельчайших воздушных пузырьков. Так как воздухововлечение резко снижает прочность бетонов и растворов и не может быть скомпенсировано снижением В/Ц за счет уменьшения водопотребности, то для обычных бетонных смесей их не используют. Они используются для изготовления легкобетонных смесей поризованной структуры и бетонных смесей низких марок, а также дорожных бетонов, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости.
Увеличение времени выдерживания от момента приготовления бетонной смеси до момента ее укладки и уплотнения повышает жесткость и понижает подвижность тем больше, чем выше температура смеси и окружающей среды, меньше относительная влажность воздуха, больше водопоглощение заполнителей и скорость схватывания цемента, меньше первоначальная подвижность (больше жесткость) бетонной смеси. Для смесей П1 жесткость в течение 30 мин. меняется незначительно и за 1 ч. повышается примерно в 1,5 раза. Для бетонных смесей Ж1 показатель жесткости при выдержке в течение 1 ч. повышается в 2-3 раза.
Водоудерживающая способность бетонной смеси
Водоудерживающая способность смеси зависит от ее общего водосодержания, В/Ц, водоудерживающей способности цемента, удельной поверхности заполнителя. Чем ниже водосодержание и выше жесткость бетонной смеси, тем меньше ее водоотделение. Жесткие смеси вообще не дают водоотделения. При данном водосодержании (данной жесткости) водоотделение уменьшается в следующих случаях:
— при увеличении расхода цемента (уменьшении В/Ц);
— при повышении его водоудерживающей способности применением добавок трепела, опоки, молотого песка, доломита, известняка, увеличением удельной поверхности цемента; введение шлака практически не повышает водоудерживающей способности;
— при повышении удельной поверхности заполнителя, в том числе увеличении содержания песка в смеси заполнителей.
Вредные последствия водоотделения на границе раздела цементное тесто — заполнитель (или арматура) могут быть устранены повторным вибрированием, устранение вредных последствий поверхностного водоотделения при отсутствии возможности повысить жесткость смеси или применить другие описанные выше технологические приемы может быть достигнуто присыпкой поверхности сухой смесью цемента и мелкого песка и вторичной затиркой ее через 1-2 ч. после уплотнения.
Основные свойства бетона
В соответствии с СНБ 5.03.01-02 “Конструкции бетонные и железобетонные. Нормы проектирования”, вводимыми в действие с 1 июля 2003 г., основными техническими показателями бетона, контролируемыми по соответствующим действующим стандартам, являются:
— класс по прочности на осевое сжатие С;
— марка по морозостойкости F;
— марка по водонепроницаемости W;
— марка по средней плотности D;
— марка по самонапряжению Sp (для напрягающих бетонов).
Класс бетона по прочности — количественная величина, характеризующая качество бетона, соответствующая его гарантированной прочности на осевое сжатие, обозначаемая буквой С и числами, выражающими значения нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/мм2 (МПа). Например, С12/15 (перед чертой — значение нормативного сопротивления fск (Н/мм2), после черты — гарантированная прочность бетона fсGcube (Н/мм2).
Нормативное сопротивление бетона осевому сжатию fck — сопротивление осевому сжатию призм или цилиндров, определенное с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, которое допускается принимать равным fck= 0,8fcGcube .
Гарантированная прочность бетона на осевое сжатие fcGcube — прочность, определяемая при осевом сжатии кубов размером 150x150x150 мм с учетом статистической изменчивости при обеспеченности 0,95, гарантируемая производителем в соответствии с действующими стандартами. Эта прочность соответствует принятому в настоящее время классу бетона по прочности на сжатие с обозначением “В”.
Марка бетона по морозостойкости — установленное нормами минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, испытанных по базовым методам, при которых сохраняются первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах; обозначается буквой F и числом, выражающим количество циклов (например, F100).
Марка бетона по водонепроницаемости отвечает гарантированному значению воды, выдерживаемому бетоном без ее просачивания, обозначается буквой W и числом, соответствующим давлению (в атм.) и устанавливаемому в соответствии с требованиями стандартов.
Марка бетона по плотности отвечает гарантированному значению объемной массы бетона в кг/м3, обозначается буквой D и числом, выражающим значение объемной массы бетона и устанавливаемым в соответствии с требованиями стандартов.
Марка напрягающего бетона по самонапряжению представляет собой гарантированное значение предварительного напряжения сжатия в бетоне (самонапряжения, в Н/мм2), создаваемого в результате его расширения в условиях внешнего ограничения, эквивалентного армированию р1=1%, обозначается Sp и числом, выражающим значение самонапряжения, определенного в соответствии с требованиями стандартов.
1. Прочность бетона при сжатии
СНБ5.03.01-02 установлены классы бетона по прочности от С8/10 до С100/115.
Так как прочность бетона при сжатии — основная расчетная и нормативная характеристика бетона, а все остальные механические и деформативные свойства бетона являются, как правило, функциями этой характеристики, необходимо остановиться на различных факторах, влияющих на этот показатель.
1.1. Влияние на прочность бетона технологических факторов
Наибольшее влияние на прочность бетона оказывают продолжительность, температура и режим твердения. Кроме того, на прочность бетона оказывают влияние интенсивность перемешивания, степень уплотнения смеси при формовании изделий, время выдержки смеси до ее уплотнения и др.
Повышение интенсивности и продолжительности перемешивания бетонной смеси увеличивает прочность бетона. Так, например, прочность бетона, приготовленного из жесткой смеси в бетономешалках принудительного действия, на 5-15% выше прочности бетона, приготовленного в мешалках свободного падения. Эффективно также перемешивание бетонных смесей в вибромешалках, в мешалках принудительного действия при погружении вибраторов в чашу мешалки.
С увеличением жесткости бетонной смеси, загрязненности песка, лежалости цемента, уменьшением его расхода и особенно с сокращением продолжительности твердения бетона эффект виброперемешивания повышается. При тонкомолотых цементах относительный эффект виброперемешивания снижается.
Виброперемешивание может повысить прочность бетона в ранние сроки твердения (1-3 суток и 3-9 часов пропаривания) на 20-30%. Повторное вибрирование смеси повышает прочность бетона на 20-40%.
Частота, амплитуда, продолжительность виброуплотнения, величина дополнительного давления (пригрузки), усилия прессования и другие параметры процесса уплотнения бетонной смеси влияют на прочность лишь в той степени, в какой они оказывают влияние на коэффициент уплотнения бетонной смеси. Необходимо отметить, что недоуплотнение бетона резко снижает его прочность при сжатии. При недоуплотнении бетона помимо падения прочности снижается его сцепление с арматурой, появляется опасность коррозии арматуры, уменьшается огнестойкость и долговечность изделий.
1.2. Влияние на прочность бетона эксплуатационных условий
При эксплуатации железобетонных изделий в зданиях и сооружениях бетон может испытывать воздействие температур, динамических знакопеременных постоянных и периодически повторяющихся нагрузок, находиться в условиях постоянного увлажнения и т.д.
С повышением температуры прочность бетона, в основном, снижается, причем с увеличением удельного расхода цемента влияние температурного фактора сказывается сильнее.
С увеличением влажности бетона прочность его снижается. Так, прочность бетона в водонасыщенном состоянии на 10-20% ниже, чем в воздушно-сухом.
Характеристики показателей качества контактной сварки
Для получения неразъемных соединений при изготовлении арматурных и закладных изделий на предприятиях по выпуску сборных бетонных и железобетонных изделий широко применяется сварка.
Основным видом соединений арматурной стали различных классов при изготовлении арматурных сеток и каркасов являются крестообразные соединения двух и более арматурных стержней.
Необходимо различать крестообразные соединения с нормированной и ненормированной прочностью.
Крестообразные соединения с нормированной прочностью выполняются тогда, когда арматурные сетки и каркасы должны обеспечивать восприятие напряжений не менее их расчетных сопротивлений. Соединения с нормируемой прочностью указываются в рабочих чертежах арматурных изделий.
К сварным крестообразным соединениям с ненормированной прочностью, применяемым для обеспечения взаимного расположения стержней арматурных изделий в процессе их транспортирования, изготовления и бетонирования относят:
— соединения в плоских и рулонных сетках с рабочей арматурой из арматурной стали периодического профиля независимо от ее класса и диаметра;
— соединения в местах пересечения продольной арматуры пространственных каркасов с поперечной арматурой в виде непрерывной спирали или замкнутых хомутов;
— соединения в местах пересечения продольных или поперечных стержней плоских каркасов и в местах пересечения стержней сеток со стержнями, объединяющими их в пространственные каркасы, если последние применяют для армирования изгибаемых железобетонных элементов, не работающих на кручение.
Ступень регулирования сварочного трансформатора машины определяется по значению необходимого сварочного тока Iсв.
Устанавливая необходимую для сварки ступень трансформатора, необходимо выдержать условие, при котором выбранный сварочный ток Iсв будет близок, но несколько меньше, чем вторичный ток I2 в начальный момент сварки, измеренный непосредственно с помощью приборов или пересчитанный с первичного тока, замеряемого, как правило, измерительными клещами.
Выдержку под током tсв (положение рукоятки потенциометра “сварка” реле времени машины) следует определять опытным путем. Если продолжительность выдержки под током, требуемая для сварки, превышает предельную обеспечиваемую машиной, регулятор времени следует модернизировать. Величина осадки h определяется как разность суммы диаметров стержней, замеренной до сварки и суммарной толщины стержней после сварки в месте пересечения и суммарной величины вмятия от электродов сварочной машины.
Оптимальные величины относительных осадок h к меньшему диаметру свариваемого стержня в зависимости от отношения диаметров свариваемых стержней в крестообразных соединениях двух стержней с ненормированной прочностью составляет от 0,16 до 0,80.
При сварке соединений с нормируемой прочностью параметры режима, определенные в соответствии с настоящими требованиями, необходимо проверять, для чего свариваются и испытываются на срез три пробных образца по ГОСТ 10922. В том случае, если прочность хотя бы одного из пробных образцов окажется ниже контрольной нагрузки, должен быть откорректирован режим сварки.
В.М. ОРЛОВ, главный специалист РУП “ Стройтехнорм”
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 18 за 2003 год в рубрике бетон
Для определения сроков схватывания и равномерности изменения объема цемент затворяют водой, количество которой определяют по стандартизированному показателю — нормальной густоте цементного теста. Этот показатель (или отношение В/Ц) для разных цементов колеблется в широких пределах (от 22 до 32%). По ГОСТ 310—60 показатель нормальной густоты надо определять на приборе Вика. Цементы с большей нормальной густотой имеют несколько большую водопотребность, что может сказаться на относительном снижении их строительно-технических свойств. Показатель нормальной густоты имеет более широкое значение, чем только для определения сроков схватывания и равномерности изменения объема. Этот показатель интересен для анализа свойств цемента и связан с техническими свойствами бетона, в частности влияет на определение показателя пластичности-жесткости смесей. Длительное вылеживание клинкеров при их смачивании дождем (снегом) резко снижает нормальную густоту цементного теста. Причины, вызывающие различную водопотребность цементов систематизированы.
Сочетание перечисленных факторов в разной степени отражается на изменении нормальной густоты. Рассмотрим, как каждая из указанных причин отражается на этом показателе и в чем причина такого изменения.
Минералогический состав. На нормальную густоту влияет минерал С3А, обладающий высокой водопотребностью. Следовательно, для получения цементного теста одинаковой пластичности из цементов с различным количеством минерала С3А требуется неодинаковое количество воды. Повышение нормальной густоты является косвенным показателем высокого содержания в цементе минерала С3А. Цементы с большим содержанием минерала С3А для некоторых бетонных и железобетонных конструкций и сооружений нельзя применять (например, в воде-среде, вызывающей сульфатную коррозию, при многократных попеременных замораживаниях и оттаиваниях, для напряженных конструкций, где ограничивается величина ползучести бетона и др.). На показатель нормальной густоты цемента меньше влияет присутствие силикатов кальция (минералов C3S и C2S).
Недостаток гипса в цементе. Наличие в цементе минерала С3А вызывает необходимость при размоле клинкера вводить гипс — регулятор сроков схватывания. В практике может встретиться случай, когда из-за разного содержания гипса цемент с большим количеством минерала С3А будет иметь более низкий показатель нормальной густоты. Сказанное подчеркивает важность как систематического лабораторного контроля качества при производстве цемента, так и контроля на строительстве при отсутствии на цемент технической документации — паспорта со сведениями.
Тонкость измельчения. Повышение тонкости помола цемента связано с некоторым увеличением количества воды затворения. В ряде случаев при изменении тонкости измельчения водопотребность цемента значительно растет, что связано с содержанием в цементе мелких зерен (мельче нескольких микрометров), а также структурными особенностями клинкера; при затворении цемента открывается большая часть минерала С3А, находящегося в клинкерных зернах. Однако тонкость измельчения существенно не влияет на показатель нормальной густоты. При измельчении клинкера на строительной площадке или эффективном домоле цемента на заводах сборного железобетона появляется много мелких фракций ниже 5 мкм, для затворения которых нужно большее количество воды, чем для крупных фракций цемента, и показатель нормальной густоты становится значительно выше. Это следует учитывать при организации работ, например не допускать сильного измельчения цемента, повышающего водопотребность, или для уплотнения смесей применять наиболее эффективные способы формования-уплотнения. Следует иметь в виду, что такие тонкомолотые цементы относятся к быстротвердеющим цементам, а при наличии в них повышенного количества минерала C3S и к высокопрочным (высокомарочным).
Лежалость цемента. Поверхность зерен цемента полиминеральна, отчего в разной степени подвержена изменению под воздействием воздушной среды. Практически все цементы выходят из помольных агрегатов (мельниц) с высокой температурой, на поверхности из зерен образуются продукты коррозии в виде очень тонкого слоя новообразований. Процесс образования такого слоя связан с наличием в воздухе С02 и паров воды. Исследования показали, что цемент после приготовления должен лежать минимальные сроки и качество его зависит от условий, в которых он хранится. Слеживание — потеря качества цемента происходит активнее при высокой относительной влажности воздуха (на берегах больших водоемов, в дождливый период). По этой причине для защиты цемента от слеживания поверхность зерен покрывают органической пленкой. Для частичного восстановления качества лежалого цемента нужен дополнительный домол, при котором зерна очищаются от слоя новообразований и раскалываются по новым поверхностям. Лежалый цемент имеет повышенную водопотребность из-за образования в нем агрегатов (флокул) из зерен, поверхность которых связана продуктами реакции минералов цемента с водой.
Случаи неправильного хранения цемента усугубляют сказанное о снижении качества цемента — увеличивают слеживаемость цемента.
Наличие гидравлических добавок. Гидравлические добавки имеют различный генезис, что отражается на их водоудерживающей способности. В зависимости от вида и количества гидравлической добавки изменяется нормальная густота цемента. Например, трепел, обладающий высокой молекулярной влагоемкостью, повышает нормальную густоту. Гидравлические добавки, рыхлые продукты изверженных пород, а также молотый песок, снижают показатель нормальной густоты, неплотные разности карбонатных пород (известняков и доломитизированных известняков), впитывая воду, увеличивают водопотребность цементного теста.
Наличие мелкомолотого гранулированного доменного шлака. Эта искусственно полученная гидравлическая добавка в силу своей природы снижает показатель нормальной густоты цемента, что значительно улучшает строительно-технические свойства шлакопортландцемента и позволяет получать бетонные (растворные) смеси заданной пластичности-жесткости при меньшем содержании в них воды.
Наличие поверхностно-активных добавок. Существенное корректирование ряда природных недостатков портландцемента достигается введением некоторых видов ПАВ. Наиболее высоких результатов достигают, вводя в цемент комплексную гидрофильно-гидрофобную добавку, что одновременно обеспечивает высокую яластифицируемость и гидрофобность цементного теста, т. е. способствует получению цементного теста с минимальным количеством воды затворения для заданной пластичности-жесткости. Следует помнить, что избыточное количество ПАВ тормозит химические процессы, протекающие между минералами зерен цемента и водой. В ряде случаев при значительном избытке ПАВ процесс твердения может быть задержан на многие годы, что может вызывать брак в работе. По этой причине для каждого ПАВ существуют оптимальные дозы добавки в цемент.
Перечисленные причины изменения нормальной густоты цемента наиболее существенны и их надо учитывать в практической работе. В одном случае они могут содействовать уменьшению показателя нормальной густоты и, следовательно, повышению строительно-технических свойств цемента, в другом — уменьшение нормальной густоты, достигнутое за счет сочетания иной группы причин, не окажет такого эффекта, как в первом случае. Действительно, нельзя считать показатель нормальной густоты однозначно связанным с качеством цементного камня, образующимся после твердения цементного теста. Тот или иной эффект — результат физико-химического процесса, протекающего в суспензии цементного теста на границе раздела жидкой (воды) и твердой фаз (поверхности зерен цемента). В одних случаях эти процессы идут быстрее, в других медленнее, что отражается на изменении показателя нормальной густоты. Из этих сведений можно сделать вывод, что изменением количества воды затворения нельзя ускорить химический процесс связывания воды, который зависит: от природы цемента, его тонкости помола (дисперсности), химического состава воды затворения и температуры процесса.
Сроки схватывания цемента значительно изменяются в зависимости от температуры цементного теста. Например, при ее снижении до +5° С можно считать, что время до начала схватывания удлиняется в 1,5—2,5 раза, а при повышении до 25—30° С сокращается в 2—3,5 раза. Изменение сроков схватывания цемента находится в прямой связи с изменением в цементе количества минерала — трехкальциевого алюмината С3А, вскрытого помолом, и их надо определять в каждом конкретном случае при температуре внешней среды, на рабочих составах цементного теста, соответствующих конкретному дню бетонирования.
Для регулирования сроков схватывания в цемент при помоле клинкера вводят двуводный гипс CaS04-2H20, которого по ГОСТ 10172—62 должно быть 1,5—3,5% (в расчете на ангидрид серной кислоты S03). Следует иметь в виду, что сроки схватывания цемента в бетонных (растворных) смесях в случае их приготовления с водоцементным отношением большим, чем значения, соответствующие нормальной густоте цемента, удлиняются. Если на строительство поступает цемент, который не обеспечивает указанные в стандарте сроки схватывания, его использование невозможно без дополнительных мер.
Указанные в ГОСТе минимальные сроки схватывания назначают исходя из необходимости осуществить весь комплекс технологических переделов, без которых нельзя изготовить элемент, деталь, изделие, конструкцию, сооружение. Многочисленные исследования особенностей формирования бетонов (растворов) показывают, что смеси, потерявшие пластичность вследствие схватывания, резко снижают технические свойства искусственного каменного материала, так как в этом случае его уже не удается сформировать с заданной плотностью.
Так, были поставлены опыты по определению пористости растворных образцов состава 1:2, 1:3 и 1:4 при разных отношениях воды затворения к цементу. Было выяснено, что с определенного для каждой растворной смеси значения водоцементного отношения (например, для смеси состава 1 :2, начиная с В/Ц<0,36) при существующих стандартных приемах формования образцов величина открытой пористости не уменьшается, а стабилизируется. У цементов с короткими сроками схватывания резкое увеличение пористости произойдет при более высоких значениях В/Ц, чем здесь указано.
Цемент большинства отечественных заводов имеет значительно более длинные сроки схватывания, чем указано в ГОСТе, вследствие особенностей минералогического состава. Нельзя считать, что для любого состава цемента сроки схватывания связаны однозначной зависимостью с тонкостью помола (с удельной поверхностью). В этом случае при введении гидрофильной добавки с. с. б., несмотря на большее количество воды, удерживаемой таким мономинеральным тестом, его подвижность была значительно меньше, и сроки схватывания теста сокращались.
Изготовленные двутавровые опоры для электрификации железных дорог на цементе «быстряке» с началом схватывания 12 мин при испытании на морозостойкость быстро разрушаются. На морозостойкость бетона опоры оказало влияние также наличие в его составе дефектных мест — коагуляционных структур из гидратиро-ванного трехкальциевого алюмината.
Показатели нормальной густоты соответствуют 100—140 кг/см2 (10-1 МПа) пластической прочности, а сроки схватывания: начало — 1,5 и конец — 5 кг/см2 (10-1 МПа).
Вторая из приведенных формул дает результаты, близкие к действительному состоянию системы цементное тесто+свободна я вода (но не вода, выделившаяся из теста) по ее структурно-механическим характеристикам, показывающим предельное сопротивление сдвигу и структурную вязкость, так как в этом случае соблюдается принцип течения вдоль боковой поверхности конуса, преобладающий над деформациями смятия под конусом. В другом случае применяется первая формула. Для того чтобы проиллюстрировать влияние гидратированного трехкальциевого алюмината на сроки схватывания цементного теста, был поставлен опыт по определению сроков на цементах, состоящих из 99% мелкомолотого кварцевого песка (s=260,0 см2/г) и 1% С3А с добавками с. с. б., 97% песка и 3% С3А, 90% молотого песка и 10% С3А без с. с. б. Такие цементы затворяли обычными стандартными приемами водопроводной водой. Из указанных таблиц следует:
1) увеличение пластической прочности такой системы с добавками с. с. б. аналогично системам на заводских портландцементах и цементах на их основе, следовательно, адсорбция с. с. б. трех-кальциевым алюминатом имеет избирательный характер;
2) нарастание пластической прочности связано с развитием процесса гидратации трехкальциевого алюмината даже при незначительном количестве (1%), при котором появляются тонкодиспер-сные структуры, химическое связывание воды—уменьшение ее со-держания в системе, где она являлась пластификатором, и образо-вашие коагуляционной и далее коагуляционно-кристаллизационных структур;
3) роль с.с. б. сводится к пептизации гидратирующихся зерен минерала С3А, что хорошо иллюстрируется сравнением показателей пластической прочности систем с 1, 3 и 10% этого минерала в сроки гидратации (такие сроки определения пластической прочности), начиная с 1 мин до 5 ч при содержании в системе 0,25% с. с. б.
Так, удлиняя смешивание с водой цемента без гипса с высоким содержанием минерала С3А, можно значительно снизить пластическую прочность до 6 ч с момента приготовления цементного теста. Если вместо 5 перемешивать 10 мин, даже для систем с высоким содержанием коагуляционных структур удается резко снизить загустевание. В более ранних опытах В. Н. Юнга и Ю. М. Бутта показано, что, удлиняя сроки стандартного смешивания с водой высокоалюминатного цемента, содержащего 14,1% С3А, удается: а) продлить время до начала схватывания с 2 до 38 мин, конец схватывания с 3 до 90 мин при увеличении времени смешивания с 1 до 15 мин (при этом необходимо увеличивать в цементном тесте содержание воды с 29,5 до 42,5%);
б) увеличить время до-начала схватывания с 2 до 90 мин, а конец схватывания с 3 до 200 мин, применяя вторичное смешивание в течение 5 .мин (после небольшого перерыва вслед за первичным смешиванием за 5 мин) с несколько меньшим количеством воды по сравнению с опытами при однократном смешивании, а именно 36% Введение в такую систему полуводного гипса CaSO4-0,5H2O для регулирования сроков схватывания также требует значительного (при малых дозах гипса) продления срока смешивания цемента с водой. Например, добавка 3% полуводного гипса при перемешивании 1 мин увеличила время до начала схватывания и снизила НГ с 29,5 до 28% (эти сроки ниже требуемых ГОСТ 10178—62). С увеличением содержания полуводного гипса до 6% и продолжительности смешивания до 3 мин время до начала схватывания увеличивается до 74, а конец — до 144 мин. При увеличении содержания полуводного гипса до 10% и времени смешивания до 3 мин начало схватывания составляет до 120 мин, а конец — до 230 мин.
Показанные выше оптимальные дозировки гипса и время приготовления теста означают более тщательное распределение гипса в системе цементное тесто+свободная вода. Снижение равномерности распределения гипса означает неполноценное его участие в процессах разрушения новообразований из трехкальциевого алюмината и воды. При сравнении пластической прочности, например, заводских чистых портландцементов с относительно невысоким содержанием СзА обнаруживается общая линия не только в изменении значений Рm, но и достаточно близкие их числовые значения. Следовательно, можно считать, что сроки схватывания полиминеральных цементов в конечном счете, определяет гидратация минерала С3А.
Из приведенных сведений об изменении значений Рт из-за различного содержания гипса, минерала СзА, ее. б. и длительности смешивания следует, что процесс схватывания можно регулировать в требуемом направлении. Показатель степени гидратации минералов (так же, как тепловыделение и контракция) может служить ориентиром в сравнительном определении сроков схватывания при образовании цементного камня. Степень гидратации, тепловыделение и контракция цемента из трехкальциевого алюмината значительно выше, чем активного цемента из трехкальциевого силиката (например, для первого из них на 28 сут. твердения, степень гидратации равна 100%, тепловыделение примерно 210 кал/г (4,2 кДж/кг), контракция 17 мл на 100 г, а для второго соответственно 53—69%, 115 кал/г (4,2 кДж/кг) и 5,2 мл на 100 г. В первые часы процесса указанное различие еще выше.
Опыты показали, что если тормозить твердение цементного теста без гипса с помощью с. с. б., то удается затормозить гидратацию всех его минералов, за исключением гидратированного минерала C3A. По этой причине изменение сроков схватывания цементного теста в указанные стандартные сроки связано с гидратацией минерала С3А. Схватывание теста в иные, более длительные сроки, зависит от развития процессов гидролиза и гидратации других минералов полиминерального цемента, составляющих твердую фазу цементного теста (концентрированной цементной суспензии).
Следовательно, схватывание полиминерального цемента при обязательном наличии в нем минерала С3А можно дифференцировать на две стадии: 1) тесто находится в вязко-пластично-упругом состоянии, легко формуется вследствие своей тиксотропности; 2) тесто переходит в хрупкое состояние, нарушение которого приводит к потере сплошности, образованной кристаллическими связями, возникшими с началом процесса гидролиза и гидратации остальных минералов цемента. Эти стадии после определенного периода времени накладываются одна «а другую, что определяется многократным повторным вибрированием (уплотнением).
Отсутствие минерала СзА в цементе позволяет считать, что схватывание протекает в одну стадию, так как в системе цементные зерна + вода, где гидролиз и гидратация по самой природе (минералов проходят заторможенно, не образуется тиксотропных коагуляцион-ных структур из минерала СзА. Если бы схватывание цементного теста обусловливалось только образованием коагуляционных структур, то загустевание было бы всегда и в любой период времени обратимым (это имеет место, например, при работе с природными глинами, с тестом из гидратированного минерала СзА. Вид такого густеющего цементного теста и сама скорость схватывания будут другие.
Период схватывания в таком цементном камне кончается незадолго до того, как заканчивается и процесс гидролиза и гидратации всех зерен цемента; но этот период схватывания нами не фиксируется, так как не имеет значения для практических целей. Следовательно, схватывание — понятие условное, имеющее важное значение для строителя именно в пределах, связанных с возможностью приготовления из бетонной (растворной) смеси монолитного бетона (железобетона) любой конфигурации и объема с заданной долговечностью, т. е. материала, з полной мере соответствующего условиям надежной эксплуатации. По этой причине процесс твердения нельзя связывать только с появлением у бетона (раствора) механической прочности (с показателем Рт). Схватывание — предпроцеос такого упрочнения.
Процесс постепенного образования структуры цементного камня, т. е. накопления все большего количества новообразований, связан с особенностями процесса гидролиза и гидратации полиминерального цемента, проходящего заторможенно при наличии на зернах гидратированных соединений, и его не следует противопоставлять получению искусственного камня (бетона, раствора) с необходимой механической прочностью.
Проведенные испытания показали, что коагуляционные связи, развивающиеся на базе гидратированного трехкальциевого алюмината, дополняются связями из новообразований других минералов, постепенно изменяя пластическую прочность цементного камня. По характеру изменения пластической прочности можно судить: об алюминатности цемента и степени связывания гидратирующегося алюмината в гидросульфоалюминат или о характере образования его коагуляционной структуры в форме кристалликов, образующих ее при отсутствии гипса и наличии с. с. б.. При увеличении времени смешивания цемента и воды — перетирания цементного теста, снижается до определенного момента показатель Рт из-за частичного разрушения коагуляционных структур и перераспределения воды среди остальных гидролизующихся и гидратирующихся минералов, как бы из-за их пластификации. По отделению воды при перетирании цементного теста можно сделать вывод не только о частичном разрушении коагуляционных структур и повышении сроков схватывания теста, но и о различном водоудерживании других минералов полиминерального цемента. Опыт определения пластической прочности цементных паст на заводских цементах показывает большое разнообразие их значений, что в первую очередь объясняется различной доступностью алюминатов для соединения с гипсом, следствием чего и является разрушение водоудерживающих коагуляционных структур, снижающих пластифицирующее действие воды в силу ее блокирования.
Читайте также: