Бетон

17 страниц, 4 источника ...

Введение
1. Свойства бетона
2. Определение удобоукладываемости бетона
3. Прочность бетона при растяжении
4. Реакция щелочей цемента с заполнителями бетона
Заключение
Список использованной литературы

Исследованию свойств бетона ежегодно посвящается значительное число работ. Этот сложный материал, свойства которого зависят не только от составляющих материалов, но и от технологии изготовления, в современном строительстве занимает первое место. Появляются все новые разновидности специальных бетонов. Бетон давно уже стал не только конструкционным материалом, но широко применяется для тепло- и гидроизоляции, получения жаростойких, декоративных, радиационностойких конструкций. При этом важно, что бетонные и железобетонные конструкции специального назначения могут одновременно воспринимать большие силовые нагрузки.

Для получения пластичной и удобоукладываемой бетонной массы в нее очень часто необоснованно добавляют большое количество воды. Особенно этим грешат индивидуальные застройщики. Лишняя вода может снизить прочность бетона даже в несколько раз. Практически прочность бетона не изменится, если одновременно добавлять цемент и воду, сохраняя постоянным водоцементное отношение. А это означает, что для обеспечения заданной марки бетона при увеличении количества воды следует увеличивать и количество цемента. Поэтому выбор оптимального водоцементного отношения в условиях индивидуального строительства является одним из основных источников экономии цемента.
Чем жестче будет бетонная смесь и чем лучше ее уплотнять при укладке, тем прочнее получится бетон, и наоборот. Нормальная, так называемая жесткая бетонная смесь должна содержать 50...70% воды от массы цемента. Следует учесть, что песок после   дождя   содержит   примерно   15%   воды,   и   в таком случае, приготовляя бетон, количество воды надо сократить.
Конечно, наиболее экономично приготовлять и укладывать по возможности более жесткую бетонную смесь, но надо учесть, что ее нормально можно уплотнить только в массивных конструкциях с большим расстоянием между арматурными стержнями. Чем тоньше конструкция и чем меньше расстояние между арматурными стержнями, тем пластичнее должна быть бетонная смесь (чтобы не остались пустоты по краям конструкции и вблизи арматурных стержней). Поэтому консистенция бетонной смеси должна зависеть от бетонируемой конструкции.
В зависимости от консистенции бетонная смесь может быть: жесткая (примерно как влажная земля), при укладке которой требуется тщательное уплотнение; пластичная (достаточно густая, но подвижная), не требующая такого сильного уплотнения, и литая, которая без вибрирования заполняет опалубку. Использование литой бетонной смеси в индивидуальном строительстве практически недопустимо. Жесткую бетонную смесь рекомендуется применять для бетонирования подготовительного слоя под фундаменты и пол, фундаментов, стен и других массивных неармированных или малоармированных конструкций. Пластичную бетонную смесь используют для бетонирования балок, колонн, плит перекрытия и других аналогичных конструкций. Пластичность, или подвижность бетонной массы следует обеспечивать не добавлением чрезмерного количества воды, а специальными добавками — пластификаторами. Чаще всего для этой цели используют сульфитно-спиртовую барду, добавляя ее 0,1...0,16% от массы цемента. Если количество добавки больше, она снижает прочность бетона. Для того, чтобы облегчить уплотнение бетонной массы, к цементу можно добавить до 10% гашеной извести. Полученный таким образом бетон становится более удобоукладываемым, повышается его долговечность, уменьшается гигроскопичность.
2. Определение удобоукладываемости бетона
 
Бетон, удовлетворяющий приведенным выше требованиям, называют удобоукладываемым, но сказать, что удобоукладываемость означает только легкость укладки и отсутствие расслаивания, значит неточно определить это важнейшее свойство бетона. В конкретном случае удобоукладываемость будет зависеть от имеющихся средств уплотнения бетона; так, удобоукладываемость, необходимая для бетонных массивов, вряд ли подойдет для тонкостенных и густоармированных конструкций. Поэтому удобоукладываемость следует определять толькэ как физическое свойство бетонной смеси независимо от типа конструкций, в которую смесь укладывается. Для такого определения необходимо рассмотреть, что происходит с бетоном при его уплотнении. Независимо от того, осуществляется ли процесс уплотнения трамбованием или вибрацией, он заключается в основном в удалении из бетона воздуха, пока не будет достигнута максимально возможная плотность для данной смеси и конфигурации. Таким образом, производимая работа направлена на преодоление сцепления между отдельными частицами в бетоне, а также сцепления между бетоном и поверхностью опалубки или арматуры. Эти два явления можно назвать соответственно внутренним и поверхностным сцеплением. Часть производимой работы затрачивается на колебания опалубки или на сотрясение, а также на вибрацию уже схватившихся частиц бетона. Таким образом, производимая работа состоит из «бесполезной» и «полезной», причем последняя, как уже упоминалось, представляет собой работу, затрачиваемую на преодоление внутреннего и поверхностного сцепления. Поскольку самой смеси свойственно только внутреннее сцепление, удобоукладываемосгь наиболее точно можно определить как количество полезной внутренней работы, необходимой для достижения полного уплотнения. Это определение было разработано Глэнвиллем, Коллинзом и Мэтьюзом, которые в лаборатории дорожных исследований всесторонне исследовали проблему уплотнения и удобоукладываемости.
Другое понятие, применяемое для определения состояния бетонной смеси, — это консистенция. В обычном английском языке это слово обозначает сохранность формы вещества или его способность к пластической деформации.
До сих пор удобоукладываемость рассматривалась только как свойство бетонной смеси. Однако это весьма важное свойство и конечного продукта, поскольку бетон должен иметь такую удобоукладываемость, которая позволила бы достичь при его уплотнении максимальной плотности за счет наименьшего усилия, какое мы готовы затратить при данных условиях.
Необходимость уплотнения становится очевидной при изучении связи между степенью уплотнения и получаемой прочностью. Удобно выражать степень уплотнения как отношение плотности данного бетона к плотности той же смеси при ее полном уплотнении. Точно так же отношение прочности бетона, частично уплотненного, к прочности той же смеси, но полностью уплотненной, можно назвать относительной прочностых Тогда корреляция между относительной прочностью и относительной плотностью будет иметь вид, показанный на рис. 4.1. Наличие пор в бетоне резко снижает его прочность: 5% пор могут снизить прочность на 30% и даже 2% пор приводят к снижению прочности более чем на 10%. Это соответствует выражению Фере, показывающему отношение прочности к сумме объемов воды и воздуха в твердеющем бетоне.
Поры в бетоне представляют собой либо пузырьки поглощенного воздуха, либо пространства, оставшиеся после удаления воды. Объем последних зависит лишь от водоцементного отношения в смеси. Наличие воздушных пор, которые являются «случайным» воздухом, т. е. пор в первоначально рыхлом зернистом материале, регулируется гранулометрическим составом мелкого заполнителя. Они легче вытесняются из более влажного бетона, чем из сухого. Отсюда следует, что для каждого данного метода уплотнения имеется оптимальное содержание воды в смеси, при котором сумма объемов воздушных пор и воды будет минимальной, а плотность бетона — наивысшей. Однако оптимальное содержание воды может быть различным для разных методов уплотнения.
3. Прочность бетона при растяжении
 
Фактическая прочность цементного камня или аналогичных хрупких материалов, таких, как, например, естественный камень, намного ниже теоретической прочности, установленной на основе молекулярного сцепления и вычисленной из энергии поверхности твердого вещества, предполагаемого совершенно однородным и без дефектов. Установлено, что теоретическая прочность составляет 1,05X105 кгс/см2. Это несоответствие можно объяснить наличием трещин (теория Гриффитса), которые ведут к концентрации напряжений в материале под нагрузкой, так что очень высокие напряжения достигаются в очень небольших объемах образца с последующим образованием микроскопических трещин, в то время как среднее (номинальное) напряжение во всем образце остается относительно низким. Трещины различны по своим размерам, и только некоторые, самые крупные, вызывают разрушение. Прочность бетона, таким образом, является проблемой статистической вероятности, а размер образца влияет на возможное номинальное напряжение, при котором происходит разрушение.
Известно, что цементный камень содержит большое количество несплошностей — пор, трещин, пустот, однако точный механизм их влияния на прочность неизвестен. В нерасслоившемся бетоне пустоты расположены произвольно, что является необходимым условием применения гипотезы Гриффитса. Хотя мы не знаем точного механизма разрушения бетона, однако он, возможно, связан с внутренним сцеплением цементного камня и сцеплением между камнем и заполнителем.
Теория Гриффитса исходит из возникновения микроразрушений в местах разрыва материала, и обычно по ней допускается, что «единица объема», содержащая слабейшую трещину, определяет прочность всего образца. Под этим подразумевается, что любой излом распространяется по всему участку образца, подвергнутого данному напряжению, или, другими словами, то, что происходит в элементарном объеме, идентично тому, что происходит во всей массе.
Несмотря на то что локальное разрушение начинается в точке и определяется условиями в этой точке, знание напряжения в точке тела, которая подвергалась самому высокому напряжению, недостаточно дл'я предсказания разрушения. Необходимо знать также распределение напряжения в достаточно большом объеме вокруг данной точки, поскольку деформативность материала, особенно вблизи разрушения, зависит от состояния материала вокруг критической точки, а возможность распределения разрушения зависит от данного состояния. Этим можно объяснить, например, почему максимальные фибровые напряжения в изгибаемых образцах в момент начального разрушения выше прочности, установленной при чистом растяжении: в последнем случае распределение излома не блокируется окружающим материалом.
Можно видеть, что в данном образце различные напряжения производят разрушения в различных точках, но невозможно физически испытать прочность элементарного образца, не изменив при этом напряжения в остальных частях образца. Если прочность образца определяется его наименее прочным элементом, то решение сводится к общеизвестной задаче слабейшего звена в цепи. В статистических терминах мы должны определить наименьшую величину (т. е. сопротивление наиболее значимого дефекта) в образце размера п, где п — число дефектов в образце. Цепная аналогия может не быть абсолютно правильной, так как в бетоне звенья расположены как параллельно, так и последовательно. Однако вычисления на основе допуска слабейшего звена могут дать результаты правильного порядка. Из этого следует, что прочность такого хрупкого материала, как бетон, не может характеризоваться только средней величиной: должны быть указаны возможные вариации прочности так же, как данные о величине и форме образцов.
4. Реакция щелочей цемента с заполнителями бетона
 
В течение последних 20 лет обнаружены некоторые разрушительные химические реакции между заполнителем и окружающим его цементным камнем. Наиболее распространенной является реакция между активными кремнеземистыми составляющими заполнителя и щелочами цемента. Реакционноспособными модификациями кремнезема являются опал (аморфный), халцедон (скрытокристаллический, волокнистый) и триди-мит (кристаллический). Эти реакционноспособные минералы встречаются в кремнистых сланцах с включениями опала и халцедона, кремнистых известняках, риолитах и риолитовых туфах, даците и дацитовых туфах, андезите и андезитовых туфах и филлитах. Реакция начинается с взаимодействия щелочных гидроокисей, полученных из щелочей (Na2O и КгО), и кремнеземистых минералов заполнителя. В результате образуется гелеобразное вещество, состоящее из силикатов щелочных металлов, при этом происходит увеличение объема заполнителя.
Гель характеризуется значительной способностью к разбуханию. Он поглощает воду с последующим увеличением своего объема. Так как гель заключен в окружающий его цементный камень, то возникает внутреннее давление, которое в конце концов приводит к возникновению трещин и разрушению цементного камня. По-видимому, расширение вызвано гидравлическим осмотическим давлением, хотя оно может быть также вызвано повышающимся давлением еще твердых продуктов реакции щелочей с кремнеземом. Наиболее разрушительным для бетона является разбухание твердых зерен заполнителя. Некоторая часть мягкого геля выщелачивается водой и откладывается в трещинах, появившихся в результате разбухания заполнителя.
Можно предсказать, что при использовании определенных материалов будет происходить реакция щелочей цемента с заполнителями, но обычно нельзя оценить разрушительное воздействие этого процесса на бетон, зная лишь содержание реакционноспособных материалов. Например, на фактическую реакционную способность заполнителя влияют размер его зерен и пористость, поскольку от них зависит величина площади поверхности заполнителя, на которой может протекать реакция. Хотя содержание щелочей определяется лишь видом цемента, их концентрация на реакционноспособной поверхности заполнителя будет определяться величиной площади этой поверхности. Минимальное содержание щелочей цемента, при котором может быть реакция расширения, составляет 0,6% (в пересчете на эквивалент щелочи Na2O)\
Содержание солей калия пересчитывается на эквивалентное количество ИагО умножением содержания К2О в клинкере на коэффициент 0,658. Известно, однако, что в исключительных случаях цементы даже с низким содержанием щелочей вызывают расширение. В определенном диапазоне расширение бетона, приготовленного на реакционноспособном заполнителе, тем больше, чем выше содержание щелочей в цементе, а для данного состава цемента — чем выше его тонкость помола.
Среди других факторов, влияющих на ход реакций щелочей цемента с заполнителем, следует указать присутствие неиспаряющейся воды в цементном камне и степень водопроницаемости цементного камня. В условиях попеременного увлажнения и высыхания наблюдается ускорение реакции. Повышенная температура ускоряет эту реакцию, по крайней мере в диапазоне 10—40° С. Таким образом, можно видеть, что влияние различных физических и химических факторов обусловливает сложность процессов при взаимодействии щелочей цемента с заполнителем. В частности, в результате водопоглощения гель может изменять свою структуру, что приводит к повышению давления, в то время как в других случаях наблюдается диффузия геля из замкнутого пространства.
Поэтому, хотя мы знаем, что некоторые виды заполнителей являются реакционноспособными, не существует простого способа определения того, будет ли такой заполнитель вызывать чрезмерное расширение вследствие реакции с щелочами цемента. Обычно следует полагаться на результаты наблюдений в процессе эксплуатации. Если в вашем распоряжении таких результатов нет, то можно лишь определить потенциальную реакционную способность заполнителя, но не доказать, что реакция будет иметь место. Методика ускоренных химических испытаний приведена в Технических условиях ASTM С 289—57Т. Эти испытания позволяют определить уменьшение щелочного содержания нормального раствора NaOH в результате его контакта с тонкоизмельченным заполнителем при температуре 80° С, при этом устанавливают количество растворенного кремнезема. Обычно считают, что разрушительная реакция возможна в тех случаях, когда результаты испытаний ложатся вправо от разделительной линии на графике рис. 3.7.
Из числа физических испытаний по определению реакционной способности заполнителя в США распространены испытания балочек из цементного раствора. Испытываемый заполнитель определенной фракции используют для изготовления специальных балочек из цементно-песчаного раствора с применением цемента с эквивалентным содержанием щелочей не менее 0,8%. Балочки хранят над водой при температуре 37,8° С; при такой температуре расширение проходит более интенсивно, чем при более высоких или низких температурах. Ускорению реакции также способствует использование довольно высокого водоцементного отношения. Подробная методика этих испытаний описана во Временных технических условиях ASTM С 227—58Т.
Испытываемый заполнитель считают непригодным для бетона, если его расширение к 6 месяцам составляет более 0,05% и к 1 году твердения— более 0,1%. Если превышено только 6-месячное значение, то полагают, что применение данного заполнителя не приведет к разрушительному расширению.