Ответы на вопросы про бетон на сайте компании Балтийский Бетон

5. Да, можно. Для этого вначале рассеивают крупный и мелкий заполнитель по размерам, или как говорят строители, на несколько фракций. Затем из них, по определенному правилу, составляют так называемую оптимальную зерновую смесь (в этой смеси все частицы так тесно примыкают друг к другу, что для цементного теста остаются только незначительные промежутки). Бетон, приготовленный на такой оптимальной смеси заполнителей, уже имеет высокую плотность и прочность. Расход вяжущего в этом случае очень небольшой.

Если же бетон изготовлять на случайном составе заполнителей, взятых из природных карьеров или полученных путем дробления камня, то большую плотность получить нельзя. В этом случае получается огромный перерасход цемента. Кроме того, на такой случайной смеси невозможно получить бетон высокой прочности.

6. Вода, необходимая для создания высокопрочного бетона, должна быть чистой и не кислой. Но даже условно чистая вода содержит различные примеси, вредно влияющие на процесс твердения бетона: органические кислоты, сульфаты, жиры и т.п.

Обычно на заводах железобетонных изделий и на строительных площадках для изготовления бетона используют питьевую воду. В ряде случаев приходится пользоваться грунтовой, болотной, торфяной или речной водой, но эти воды бывают насыщены органическими примесями. Иногда приходится применять сточные и промышленные воды, которые могут содержать значительные примеси серной кислоты или ее солей, гумусовой кислоты или гипса. Эти примеси вызывают разрушение бетона. Поэтому перед тем как использовать такие воды, их исследуют в химической лаборатории.

Поверхность бетона, приготовленного на морской воде или подверженного ее действию, покрывается пятнами в виде солевых налетов — "выцветов", которые значительно портят вид бетона. Кроме того, прочность такого бетона невысока. Поэтому при возведении из бетона стен жилых зданий морскую воду применять запрещается.

7. Цемент — это главная составная часть бетона. Бетон будет тем прочнее, чем выше клеящая способность цемента и чем сильнее он сцепляется с поверхностью заполнителей.

Цемент изготовляют из цементного клинкера, а его получают обжигом до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси.

Такие смеси должны содержать примерно 3 части известняка и 1 часть глины. Иногда эти смеси встречаются в природном виде - это горная порода, называемая известняковым мергелем. Но так как месторождения этих мергелей встречаются редко, то на большинстве цементных заводов пользуются искусственными смесями известняка и глины. Вместо глины можно использовать диатомит, трепел и другие силикатные породы, близкие к глине по своему химическому составу. После обжига таких смесей образуется спекшаяся твердая масса - клинкер, состоящая из зерен темно-серого цвета размером с орех. Затем клинкер в шаровой мельнице измельчают в мелкий порошок. Чтобы улучшить качество цемента, при помоле клинкера добавляют до 3% гипса и до 15% диатомита, трепела, опоки — так называемых гидравлических добавок. Эти добавки улучшают качество цемента и удешевляют его производство. Вот теперь цемент готов!

Что же такое цемент? Это серый, очень мелкий порошок, напоминающий пудру. Чем тоньше он измельчен, тем выше его качество, тем большей склеивающей способностью он обладает. При сверхтонком помоле химические реакции ускоряются во много раз. Объясняется это тем, что цеметный порошок всегда уединяется с водой по всей поверхности. Поверхность же зерен будет тем большей чем выше тонкость помола. Так, например, удельная площадь поверхности зерен 1 грамма состовляет 2000-3000 см2, а высокопрочных цементах около 6000 см2. Для приготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкции применяют различные цементы. Выбор вида цемента зависит от типа сооружения, для которого изготовляется бетон.

Железобетон

8. Говоря о бетоне, мы не должны забывать и о железобетоне. Благодаря его исключительным качествам он широко используется в современном строительстве. Железобетон — это бетон, в который вводятся стальные стержни - арматура. Слово "арматура" - итальянское слово и в переводе на русский язык означает "вооружение". Зачем же понадобилось "вооружать" или.как говорят специалисты, "армировать" бетон?

В сооружении на строительные конструкции действуют сжатие и растяжение, под влиянием которых конструкции деформируются. Очень наглядно можно представить обе силы, если взять обыкновенную резинку, положить ее на две опоры и нажать на нее в середине. Резинка сожмется в верхней части, но зато растянется в нижней. В средней же части длина резинки не изменится. Та условная линия, которая разделяет резинку на две части — сжатую и растянутую, называется нейтральной осью. При работе бетонной конструкции на изгиб получается аналогичная картина ее деформации.

Так как прочность бетона на растяжение невелика, то бетонные конструкции при изгибе разрушаются при очень малой нагрузке. Прочность же стального стержня на растяжение в 100 -200 раз выше, чем у бетона. Значит, если заставить оба материала (бетон и сталь) работать как одно целое, т.е. добиться одинаковой прочности в зоне сжатия и в зоне растяжения изгибаемой бетонной конструкции, то можно в несколько раз повысить прочность сооружения на изгиб. Для этого в растянутую часть вводят несколько стальных стержней (арматуру) определенного сечения. Теперь бетонная конструкция уже не ломается при изгибе и может выдерживать во много раз большую разрушающую нагрузку.

Как же могут совместно работать в одной конструкции два таких разнородных материала, как бетон и сталь?

Оказывается, этому помогают их свойства: большая прочность бетона на сжатие; высокая прочность арматурной стали на растяжение; большая сила сцеплений бетона со сталью; почти одинаковое изменение длины бетона и стали при изменении температуры.

Благодаря сцеплению бетона с арматурой, ее нельзя выдернуть из бетона. При твердении Бетон уменьшается в объеме и обжимает арматуру, а значит еще прочнее сцепляется с ней. Сила сцепления бетона с арматурой будет возрастать со временем и тем больше, чем плотнее бетон и чем больше шероховатость поверхности арматуры.

Сравнительно малая теплопроводность бетона оказалась весьма полезной для железобетонных конструкций: бетон защищает стальную арматуру от резких изменений температуры.

Железобетон как строительный материал появился только в середине XIX века, но уже широко применяется во всех областях строительства. Железобетонные сооружения объединяют в себе высокую прочность, легкость и изящество.

Укладка бетонной смеси

9. Итак, бетонная смесь готова. Теперь ее надо уложить в формы. Идеа-альным условием укладки бетонной смеси является заполнение смесью всего свободного пространства формы. Если в форме находятся арматурные стержни, то бетонная смесь должна обволакивать всю арматуру и равномерно, без зазоров, заполнять все свободное пространство между стенками формы и арматурой. При этом не должны образовываться каверны или раковины. В ряде случаев причиной образования каверн в бетоне может оказаться присутствие в бетонной смеси очень крупного заполнителя, который заклинивается между стенкой формы и арматурой. Поэтому очень важен постоянный контроль размера заполнителей. Арматура должна быть покрыта равномерным слоем бетона, который защищает ее от атмосферного влияния, иначе она будет окисляться и ржаветь, а иногда и разрушаться. Процесс ржавления называют коррозией арматуры.

При укладке бетонной смеси часто приходится сталкиваться с трудностями, которые связаны с пластичностью бетонной смеси. Если бы бетонная смесь обладала свойствами жидкости, то она в точности заполняла бы формы, в которые ее укладывают. Значит, нужно сделать бетон жидким, для чего в него нужно добавить большое количество воды. Но излишек воды губительно влияет на прочность бетона: ведь вся вода, которая не вступила в химическое соединение с цементом, остается в свободном состоянии внутри бетона. Она вытекает или высыхает, постепенно образуя в бетоне пустоты. Поэтому бетон получается пористым и непрочным. Значит, воды надо вводить мало! Но и при недостатке воды бетон будет непрочным!

Как же быть? Возникает противоречивая задача: чтобы легко уложить бетонную смесь в формы, необходимо ввести в нее очень много воды. С другой стороны, излишек воды скажется на прочности бетона. Значит, воды надо ввести настолько мало, чтобы получить наибольшую прочность бетона! Получается как в старой русской поговорке: "нос вытащил, хвост увяз; хвост вытащил, нос увяз".

Вот так перед строителями и возник вопрос о правильном подборе количества воды при изготовлении бетонной смеси.

Этот вопрос остается и сейчас очень важным. Количество воды, вводимой в бетонную смесь, должно быть строго определенным. Современная строительная наука дала в руки строителей обоснованные расчеты. Они позволяют получать бетонную смесь высокого качества при минимальном количестве воды.

Расход воды с учетом подвижности или жесткости бетонной смеси можно определять по графику проф. С.А. Миронова, в котором отражается зависимость водопотребности бетонной смеси от подвижности или жесткости.

Но что это за два новых термина "подвижность" и "жесткость" бетонной смеси? "Подвижность" — это способность бетонной смеси растекаться под собственной тяжестью или под действием вибрации, а "жесткость" — это сопротивление бетонной смеси своей подвижности. По степени подвижности бетонная смесь может быть жесткой, пластичной и литой. Для оценки качества бетонной смеси был предложен термин "удобоукладываемость". Он характеризует способность бетонной смеси легко укладываться в форму при обеспечении получения бетона максимально возможной плотности. А максимальная плотность обеспечивает максимальную прочность и долговечность сооружения.

Но этот термин оказался очень условным, так как он не объясняет физического смысла этого свойства.

Для экспериментального определения "удобоукладываемости" бетонной смеси было предложено множество способов. Наиболее распространены способ осадки конуса и способ вибростола. Первый способ заключается в следующем. Из бетонной смеси формуют образец в виде усеченного конуса определенных размеров. Так делают дети, которые "пекут куличи" из песка.

Строители используют для этого металлическую форму, которую заполняют бетонной смесью. Затем форму снимают и остается "кулич". Освобожденная от формы бетонная смесь достаточно пластична, поэтому она оседает и несколько расплывается. Осадка "кулича" после снятия с него формы и служит оценкой подвижности (или удобоукладываемости) бетонной смеси. Например, конус из жесткой смеси практически не оседает, подвижные пластические смеси дают осадку в 8—12 см, литые - больше 12 см.

Осадка конуса зависит от сцепления материалов в смеси и внутреннего ее трения.

Опять новые физические понятия? Что же они означают? Каков их смысл? Вспомним механику.

Всякий предмет, лежащий на земле, в зависимости от своей массы создает определенное давление на землю. Чтобы его передвинуть, нужно приложить силу и тем большую, чем тяжелее предмет. Отношение между силой, приложенной горизонтально или параллельно плоскости перемещения предмета, и массой предмета называется коэффициентом трения. Такие же силы трения существуют между частицами бетонной смеси и между смесью и подставкой. Кроме того, бетонная смесь обладает некоторым сцеплением, т.е. внутренним сопротивлением деформации смеси. Оно позволяет свежеприготовленному бетону удерживаться в вертикальном положении после снятия формы.

Другим способом оценки "удобоукладываемости" является испытание бетонной смеси на встряхивающемся столе.

Для этого усеченный конус бетонной смеси освобождают от формы, измеряют диаметр конуса и сообщают конусу определенное число встряхиваний. После этого измеряют увеличение диаметра расплывшегося конуса по отношению к начальному.

Хотя оба описанных способа и имеют недостатки, они все же дают возможность оценить удобоукладываемость бетона. Они позволяют также установить относительное количество энергии, необходимой для того, чтобы бетонная смесь деформировалась и уплотнялась. Поэтому эти методы применяются в строительной практике.

И все же они окончательно выявляют поведение бетонной смеси при ее укладке в форму. Ведь бетонная смесь ведет себя в экспериментальном конусе и форме по-разному!

Бетон и реология

10. Что же происходит при укладке бетонной смеси в форму? Отчего зависит расплыв конуса? От пластической деформации или разъединения частиц в поперечном направлении? Эти явления наблюдаются в одной и той же бетонной смеси при различном количестве воды. . . Не ясны причины большей или меньшей хрупкости бетонной смеси. Бетонная смесь упорно хранит тайну своего поведения при укладке формы.

Попытки разгадать эту тайну с помощью старых методов исследования кончались неудачами. Нужен был новый подход, новые критерии. И на помощь пришла физика, а точнее, один из ее разделов - реология. Только она смогла четко определить физическую сущность удобоукла-дываемости.

Итак, реология! Чем же она занимается? Это совершенно новое направление в механике, оно связано с развитием теории упругости. Она изучает поведение под нагрузкой влажных материалов, которые нельзя отнести ни к твердому телу, ни к жидкости. К таким материалам относится и бетонная смесь, представляющая собой так называемую упруго-вязкую среду.

Чтобы установить, как деформируется материал под нагрузкой, в механике используют структурные механические модели. Они позволяют имитировать внутреннюю структуру материала

Как работает структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка. Под ее воздействием в теле возникнут деформации. При этом пружины будут работать как упругие элементы. что значит, что тело будет деформироваться пропорционально приложенной нагрузке (или закону пропорциональности напряжений и деформации Гука). Как только нагрузка будет снята, тело восстановит свою первоначальную форму.

А как будет, если мы имеем дело с материалами, которые имеют сложные свойства и кроме упругих характеристик имеют еще неупругие? Здесь структурные механические модели уже непригодны. Они не позволяют точно имитировать внутренюю структуру таких материалов. Для этой цели потребуются другие механические модели, которые носят название реологических. Они отличаются тем, что состоят из комбинации двух элементов, которые имитируют два основных свойства твердого тела: упругость и вязкость. Самое простое тело - упругое. Зависимость деформаций и напряжений для него выражается одной кривой для процессов нагружения и разгрузки. Достаточно снять нагрузку и возникающие деформации полностью исчезают. Ну, а в идеально вязком теле? Ведь наличие вязкости материала приводит к остаточным деформациям, которые безгранично возрастают при уменьшении скорости нагружения. Для идеально вязкого элемента применим закон деформации вязкой жидкости.

Для создания реологической модели пружину и "амортизатор" (модель упруговязкой деформации) можно комбинировать между собой последовательно или параллельно. Такие комбинации позволяют наилучшим образом имитировать механические свойства любых реальных материалов.

Реологические модели позволяют получить необходимую информацию об изменениях внутренней структуры реального тела под нагрузкой. К этой информации относятся характеристики внутреннего трения, вязкости и адгезии (сцепления).

Какова же реологическая модель бетонной смеси? Бетонная смесь является так называемым двухфазным материалом. Это значит, что она содержит в себе элементы двух фаз — твердой и жидкой. А если так, то как лучше отразить внутренюю структуру бетонной смеси?

Проведем некоторый анализ. Начнем с внутреннего трения. Это одна из важных характеристик упруговязкого тела. Внутреннее трение характеризует твердую фазу материала. Если же в материале внутреннее трение равно нулю, то его можно считать идеальной жидкостью. Бетонная смесь обладает внутренним трением. Казалось бы, по этому признаку ее можно отнести к твердому телу. Однако присутствие в ней воды делает ее все же промежуточным материалом между жидкостью и твердым телом. А если это так, то в реологической модели бетонной смеси должны участвовать как упругие, так и неупругие элементы.

Значит, реологическая модель бетонной смеси будет представлять собой "пружинящую" сплошную структуру, поры которой будут заполнены вязкой жидкостью (цементным тестом).

Наконец, последний вопрос. Как должны быть соединены между собой элементы? Так как бетонная смесь — это двухфазный материал, то лучшей имитацией ее будет комбинация обоих элементов.

Как будет имитировать реологическая модель бетонную смесь в процессе затвердевания? Пока бетонная смесь еще не затвердела, она представляет собой вязкую жидкость. В этой стадии в ней преобладает жидкая фаза. Но вот цементное тесто начинает твердеть. По мере нарастания прочности вязкость смеси уменьшается. Зато возрастает упругость, а вместе с ней и внутреннее трение. А раз появилось внутреннее трение, то это уже признак твердой фазы материала. Теперь создадим нагрузку. Под влиянием нагрузки в реологической модели будут происходить как обратимые, так и необратимые процессы, вызывающие соответствующие деформации. Под влиянием нагрузки какая-то часть механической энергии, воздействующей на бетонную смесь, будет превращаться в тепло. Это — следствие внутреннего трения. Тепло будет создаваться в пружинах, которые при сжатии будут нагреваться. Это тепло они будут выделять в окружающую среду. Что касается "амортизатора", то в нем возникнут необратимые деформации. Под нагрузкой в результате вязкого трения "амортизаторы" будут также нагревать вязкую жидкость. Таким образом, характеристики бетонной смеси зависят от того, в какой фазе находится бетонная смесь.

Что же мы выяснили благодаря реологическим моделям? Во-первых, что поведение бетонной смеси зависит от таких упруговязких характеристик, как внутреннее трение, сцепление и работа разрушения при сдвиге. Эти физические характеристики расшифровывают понятие "удобоукладываемость". Во-вторых, мы установили, что заполнители и цементное тесто, входящие в состав бетонной смеси, как правило, находятся на границе упруговязких и пластичных фаз. Поэтому различные соотношения заполнителя и цемента будут сказываться на свойствах различных бетонных смесей. В-третьих, мы получили возможность определять все физические характеристики бетонной смеси.

Например, внутреннее трение бетонной смеси можно определить по коэффициенту внутреннего трения. Оказалось, что для заполнителей, полученных дроблением, его значение больше, чем для заполнителей округлой формы. При повышении содержания раствора и увеличении количества воды затворения он уменьшается. Вязкость бетонной смеси прямо пропорциональна коэффициенту внутреннего трения и зависит от содержания воды.

Знание физических характеристик бетонной смеси расширяет смысл термина "удобоукладываемость". Реологические свойства бетонной смеси, характеризующие удобоукладываемость, дополнили это понятие. Они дали возможность представить себе весь механизм укладки бетонной смеси.

Зачем вибрировать бетонную смесь ?

11. От качества укладки бетона во многом зависит его прочность, а значит и долговечность сооружения. Качество же укладки, в свою очередь, зависит от удобоукладываемости бетонной смеси. А удобоукладываемость регулируется количеством воды в бетонной смеси и внутренним трением. Чтобы не вводить в смесь избыток воды, надо было разжижать смесь в момент укладки. Из многих предложенных способов эффективным оказалось вибрирование, уничтожающее внутреннее трение бетонной смеси.

Как же вибрация уничтожает внутреннее трение бетонной смеси? Проделаем такой эксперимент. Поставим на стол куб, изготовленный из бетона. Чтобы заставить этот куб скользить по поверхности стола, нужно приложить к нему такуюсилу, чтобы отношение ее к массе куба превысило коэффициент трения куба о поверхность стола. Если же этот стол вместе с бетонным кубом поставить на виброплощадку и сообщить ему импульсы-толчки, то куб начнет скользить по столу. Ведь сцепление куба с поверхностью стола при встряхивании ослабляется; значит, уменьшается коэффициент трения. Итак, вибрация позволила преодолеть массу тяжелого куба.

"Механизм" вибрации довольно прост: под влиянием вибрации куб получает импульсы-толчки, которые подбрасывают его вверх. Отделяясь От поверхности стола на короткие промежутки времени, куб подскакивает словно кузнечик. Следовательно, его перемещение будет состоять из последовательных небольших скачков, при каждом из которых он сдвинется на некоторое расстояние.

Как же протекает процесс вибрирования? Посмотрите на. На бетонный куб, поставленный на наклонную доску, действует сила трения, затрудняющая самостоятельное движение куба. Чтобы заставить куб скользить по поверхности доски, надо приложить некоторую силу или значительно увеличить угол наклона доски. Ну, а если привести доску в состояние вибрации, куб начнет подпрыгивать, а затем самостоятельно скользить даже при очень небольшом наклоне доски.

Вернемся снова к бетонной смеси. Что же происходит с ней при вибрации? Внутреннее грение в ней обусловлено тем, что поверхности заполнителей соприкасаются друг с другом. При перемешивании они трутся друг об друга и чем больше таких трущихся поверхностей, тем больше общий коэффициент внутреннего трения. Вибрация же бетонной смеси позволяет уменьшить или уничтожить эти контакты и ослабить внутреннее трение. Иными словами, вибрация "разжижает" бетонную смесь. И, значит, смесь приобретает способность легко заполнять формы и выдавливать содержащийся в ней воздух.

Надо сказать, большое значение имеет частота вибрации. Она может меняться в больших пределах и зависит от типа вибратора.

Частота вибрации по-разному воздействует на зерна заполнителя различной крупности. В бетонной смеси заполнители различной крупности окружены раствором и колеблются подобно маятнику с определенной собственной частотой колебаний. Частоту вибрирования бетона следует выбирать в зависимости от крупности заполнителей. Размером же заполнителя определяется и характер вибрации заполнителей различного размера при низкой и высокой частотах.

Наиболее целесообразно подвергать бетонную смесь действию нескольких вибраторов с разной частотой вибрации. В этом случае заполнители различных размеров будут двигаться с равной интенсивностью и бетон будет уплотняться равномерно.

Способы уплотнения бетонной смеси

12. Много лет строители ищут наилучший метод укладки бетонной смеси при минимальном количестве воды затворения. Кроме вибрирования бетонной смеси имеются и другие эффективные методы ее уплотнения. Их называют методами механического обезвоживания. К ним относятся: прессование, центрифугирование и вакуумирование. У всех этих методов общий принцип: бетонную смесь замешивают на воде в количестве, достаточном для того, чтобы ее укладку можно было вести без всяких затруднений. А уже после укладки излишнюю для твердения воду тем или иным способом извлекают из бетонной смеси.

Самым простым методом обезвоживания является прессование. Его задача — выдавить из бетона излишек воды до того, как он будет уложен в дело. Для этого одну из стенок формы делают пористой, проницаемой для воды и непроницаемой для цемента. Пористая стенка должна обладать высокой прочностью. При высоком давлении на поверхность бетона вода отжимается сквозь поры стенки и бетон уплотняется. Этот процесс напоминает отжим белья в стиральной машине. Недостаток метода — его длительность.

А в чем заключается метод центрифугирования? Но этому методу бетонную смесь помещают в цилиндрическую трубу, вращающуюся с большой скоростью. Центробежная сила отбрасывает заполнитель на стенку формы. Вода, как более легкая, попадает в центр формы, откуда и стекает. Бетон же располагается на внутренней стенке формы плотным слоем равномерной толщины с минимальным содержанием воды. Этот метод позволяет получать бетоны очень высокой прочности. При его помощи изготовляют бетонные трубы и столбы для линий электропередач.

Весьма совершенным способом механического обезвоживания является вакуумирование. Из уложенного бетона извлекают избыток воды через проницаемую стенку опалубки. На внешней поверхности опалубки создают вакуум.

Допустим, требуется изготовить плоскую горизонтальную бетонную плиту в опалубке. Вначале бетонной смесью с достаточным для легкой укладки количеством воды заполняют опалубку. На верхней свободной от опалубки поверхности свежеуложенного бетона устанавливают вакуум-щит, т.е. раму с укрепленной на ней прочной решеткой, металлической сеткой и хлопчатобумажным фильтром. Верхняя грань рамы герметически закрыта листовым металлом. Образованную таким образом полость присоединяют к вакуум-насосу. Щит сделан воздухонепроницаемым по линии соприкосновения его с поверхностью бетона. Для контроля разрежения к вакуум-проводке на некотором расстоянии от ввода у щита подключен манометр. К отводной трубе присоединен отстойный бак, в который поступает отсасываемая из бетона вода.

При вакуумировании из бетонной смеси высасывается избыток воды, смесь сжимается и уменьшается в объеме. В результате быстро растет механическая прочность бетона — приращение прочности бетона благодаря вакуумированию равно 50—70%.

Сколько должен твердеть бетон ?

13. После того как бетон схватился, он уже является твердым телом, но недостаточно прочным.

Поместим его в воду или будем непрерывно увлажнять. И прочность бетона будет расти! Как это можно объяснить? А вот как. При увлажнении в нем будут непрерывно происходить химические процессы. Они превратят минералы, из которых состоят цементные зерна, в новые стабильные образования — гидросиликаты кальция. Этот процесс преобразования очень длительный; он может совершаться годами. Но строителям столько ждать нельзя! Время не терпит!

Поэтому устанавливают определенный контрольный срок твердения бетона, после которого бетон можно подвергать расчетной нагрузке. Для бетона, изготовленного в условиях стройки и твердеющего в естественных условиях, такой срок равен 28—30 суткам.

В некоторых случаях можно допустить более долгий срок твердения бетона — при возведении морских сооружений, дамб, плотин, набережных, мостов и т.п. Они строятся очень медленно, а поэтому полная нагрузка к уложенному бетону может быть приложена через довольно долгое время. В этих случаях в расчетах можно учитывать 90-суточную прочность бетона; она примерно на 20% выше 28-суточной.

Но после установленного контрольного срока бетон продолжает твердеть и набирать прочность, правда, значительно медленнее. Этот процесс медленного твердения бетона в расчетах не учитывается. Прирост прочности бетона во времени, превышающем установленные контрольные сроки твердения, оказывается как бы гарантией надежности бетонных и железобетонных конструкций.

Высокие температуры (порядка 80-90°С) ускоряют химические реакции в бетоне. Так, например, если бетон пропарить, т.е. прогреть во влажной среде при такой температуре в течение 12—16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65-70% прочности 28-суточного бетона. Именно так и поступают при заводском изготовлении железобетонных изделий.

А если еще больше повысить температуру? Ускорится ли твердение бетона? Да, и настолько, что при температуре 170— 180°С за те же 12—16 часов прочность бетона так возрастет, что превысит годичный уровень прочности. Однако при таком сильном прогреве бетон очень быстро высыхает и перестает твердеть. Это объясняется интенсивным испарением заключенной в бетоне воды. Чтобы "затормозить" испарение воды, надо обеспечить в камере прогрева (автоклаве) высокое давление пара (порядка 0,8-1,2 МПа, или 8-12 атм). Такой процесс термовлажностной обработки называется запаркой под давлением, или автоклавной обработкой бетона. При этом цемент можно заменить известью, а крупный заполнитель — песком без ущерба для качества изделий.

Деформация бетона

14. Итак, бетонная смесь, уложенная в форму, затвердела. Это соответствует тому моменту, когда содержащийся в ней цемент, как говорят строители, "схватился". Теперь уже бетон можно рассматривать как твердое тело со стабильными свойствами. Но на самом деле это не так.

Бетон ведь "искусственный" камень, структура которого непрерывно изменяется. В нем все еще происходят реакции. Они протекают медленно, но играют еще очень большую роль. На бетон также влияют внешние условия, в которых он находится при эксплуатации сооружения, а также физико-механические воздействия.

С возрастом он упрочняется и как бы набирает силу. В зависимости от состава бетон обладает рядом как бы "прирожденных свойств" Другие свойства развиваются в процессе его созревания. Все это придает бетону сходство с живым организмом, который непрерывно развивается. В этом и заключается его отличие от природных камней.

Подобно всякому твердому телу бетон деформируется под нагрузкой. Он может подвергаться как упругому, так и пластическому деформированию. Но как только нагрузка устранена, обратимая часть деформации исчезает; зато необратимая деформация остается навсегда А может ли бетон деформироваться без нагрузки? Да, может Такая деформация называется самопроизвольной деформацией, или усадкой

Усадка бетона возникает под влиянием температуры и влажности окружающей среды и сопровождается изменением объема бетона во времени. Различают положительную и отрицательную усадки. В первом случае объем бетона уменьшается, а во втором - увеличивается Механизм усадки бетона заключается в том, что поры тела поглощают или испаряют воду и в них изменяется гидростатическое давление При насыщении тела водой его объем увеличивается. Если тело высушить его объем уменьшается. В этом отношении бетон напоминает губку которая увеличивается в объеме и массе, когда намокает, и уменьшает ооъем и массу в высушенном состоянии.

Причина усадки бетона заложена в цементе. Она возникает главным образом в связи с миграцией содержащейся в цементе воды. Испарение воды, которое можно установить по потере массы бетона при взвешивании, сопровождается уменьшением объема бетона. Поглощение же воды, т.е. насыщение, влечет за собой увеличение в объеме или набухание бетона.

Однако так ведет себя цемент, твердеющий в насыщенном водой состоянии. При твердении на воздухе его объем уменьшается и с течением времени уже не увеличивается. Небольшие объемы, например кубики 200x200x200 мм, при этом останутся плотными, а в более крупных изделиях неправильной формы образуется сетка трещин. Их появления можно избежать, постоянно увлажняя бетон в течение трех-четырех недель после укладки.

Деформация бетона под нагрузкой увеличивается в зависимости от продолжительности нагружения. Различают деформации мгновенные и пластические.

Мгновенную деформацию еще называют обратимой деформацией. Почему? Потому, что этот вид деформации наблюдается лишь в момент внешней нагрузки. Но вот нагрузка снята и тело вернулось в свое первоначальное состояние. Это свойство твердых тел называется упругостью; ею обладают в большей или меньшей степени все материалы.

Ну, а чтобы разобраться в том, что представляет собой необратимая (пластическая) деформация, приложим к телу внешнюю нагрузку. Под ее влиянием тело деформируется. Теперь снимем нагрузку, но тело не вернется в исходное положение и не восстановит своей прежней формы. Оно останется деформированным, т.е. оно обладает пластичностью — способностью деформироваться без заметного увеличения нагрузки. Так деформируются глина, воск, металл в расплавленном состоянии. Пластические деформации необратимы.

Если остаточная деформация значительна, то ее иногда можно заметить невооруженным глазом. В этом случае мы говорим, что твердое тело "течет". Пластичность каменных материалов и бетона при длительном приложении нагрузки называют ползучестью.

Как текучесть, так и ползучесть не вызывает изменения первоначального объема материала и является результатом перераспределения молекул в теле. Полная деформация образуется из мгновенной и пластической деформации, растущей в течение длительного времени, пока действует нагрузка. В бетоне деформации очень малы: их можно увидеть только при испытании на изгиб.

Если бетон подвергнуть сжатию или растяжению, то произойдет уменьшение или увеличение его линейных размеров, т.е. продольная и поперечная деформация бетона. Это легко проследить на ученической резинке. Если сжать резинку двумя пальцами по ее длине, то ее боковые стороны как бы раздуются и приобретут вид бочонка. Значит, линейные размеры уменьшаются, а поперечные увеличиваются. Между обоими видами деформации существует зависимость.

Отношение поперечной деформации к продольной в технике носит название коэффициента Пуассона. Его значение для бетона лежит в интервале 0,10—0,30. Оно тем выше, чем моложе бетон и чем ниже его прочность. Знание коэффициента Пуассона необходимо для расчета прочности бетона при неразрушающих испытаниях бетона в сооружениях.

А для расчета деформаций сооружений, происходящих под влиянием внешних нагрузок, например ветра, необходимо знать упругость бетона. Упругие деформации бетона характеризуют модулем упругости. Статический модуль — это отношение приложенного напряжения к значению деформации. Если же модуль упругости определяют с помощью динамических методов, т.е. мгновенного приложения нагрузки -удара, щелчка, то его называют динамическим модулем.

Статический модуль упругости непостоянен (от 8000 до 21000 МПа), он зависит от напряжения: чем оно выше, тем модуль ниже. Динамический же модуль постоянен и равен для бетонов различной прочности 20 000-60 000 МПа.

Бетон, как и любой строительный материал, имеет допустимые предельные значения нагрузок и деформаций. Если мы их превысим, то бетон начинает растрескиваться, распадаться на несколько кусков.

Разрушение может быть моментальным, или, как его называют, "хрупким" и пластическим. В первом случае на бетон в течение короткого времени действует предельная разрушающая нагрузка, и он сразу распадается на несколько кусков. Во втором случае на бетон действует постоянная нагрузка, вследствие которой он деформируется в течение длительного времени и в конце концов тоже растрескивается, а потом распадается на куски.

Бетон является неоднородным телом. Он состоит из различных материалов с различной прочностью. Поэтому процесс разрушения в нем может проявляться в различных формах. Разрушение будет зависеть от действия внешних сил. Общим для любого вида разрушения является растрескивание бетона. Оно создает большое количество микро-трещин в бетоне. Это начальная стадия разрушения; ее иногда называют "предразрушение". Она возникает тогда, когда приложенная нагрузка не превышает 75% разрушающей. Микротрещины вызывают образование разрывов и отщепление кусков. При пластическом разрушении также возникают трещины, влияющие на прочность бетона, особенно при растяжении, и его водонепроницаемость. Однако для старого бетона тонкие трещины не опасны, так как они не пропускают воду. Помните, из треснутой фарфоровой чашки вода не вытекает даже через видимую трещину? На растяжение бетон работает плохо - раз в 15 хуже, чем на сжатие.

Устойчивость бетона к погодным условиям

15. Рассказывая об укладке бетонной смеси в сооружение, мы всегда имели в виду, что строительные работы ведутся в нормальных условиях т е до наступления зимних холодов или же при температурах, не превышающих + 35 С. В этом случае никаких дополнительных условии ухода за твердеющим бетоном не требуется. Правда, учитывая ,что для твердения бетона необходима постоянная влажность, во избежание раннего высыхания даже при этих температурах его укрывают от прямых солнечных лучей.

Ну, а если климатические условия, где ведется строительство, существенно отличаются от нормальных?

Территория СНГ охватывает районы с очень разнообразной температурой наружного воздуха. Наряду с умеренными климатическими условиями имеются районы, в которых колебания температуры составляют от +50 С до -50 С (иногда даже и до -70 С) Как же быть строителям в таких случаях?

Ответ на поставленный вопрос таков: надо строить круглогодично и независимо от климатических условий. Чем это вызвано? Основными причинами являются постоянное увеличение объемов жилищно-граж-данского, промышленного, гидротехнического, дорожно-транспортного, сельского строительства и рост темпов производства строительных работ. Эти причины и породили два очень важных направления в строительной практике: зимнее бетонирование и бетонирование в условиях сухого жаркого климата.

Первое имеет в виду строительство зданий и сооружений при низких отрицательных температурах, а второе - строительство при высоких положительных температурах.

Как уже неоднократно говорилось, бетон давно завоевал пальму первенства среди строительных материалов. Области применения бетона и железобетона непрерывно расширяются. Поэтому необходимость строить в любых природных условиях В течение всего года и поставила перед учеными много проблем, связанных с поведением бетона при разных температурах наружного воздуха. О том, как были решены эти проблемы, мы и расскажем.

Начнем с первой проблемы. Однако, для того чтобы лучше понять причины ее возникновения, напомним, каковы были к этому предпосылки.

На сегодня зимнее бетонирование - одна из важнейших проблем в строительном производстве. И это нисколько не преувеличено. Достаточно напомнить, что в мире ежегодно укладывают около 1 5 млрд. мЗ бетона. Из них миллионы кубических метров бетона (примерно 75% общего объема) применяют в конструкциях и сооружениях в зимних условиях, т.е. при низких отрицательных температурах.

Проблема зимнего бетонирования возникла в нашей стране в годы первой пятилетки. Планы развития народного хозяйства выдвинули требование перейти от сезонного производства всех видов строительных работ к круглогодичному. Причем это касалось не только районов с умеренным климатом, но также и районов, где в зимние месяцы температура наружного воздуха понижается до -30° и даже до -50°С, а число зимних месяцев в году достигает 6 или даже 8. Такая длинная и суровая зима и совсем короткое лето бывают на Крайнем Севере, и в некоторых районах Сибири. Подобные природные условия неблау гоприятны для строительства и относятся к суровым климатическим условиям. Однако суровые природные условия не пугают строителей. Мы строим города, дорожно-транспортные объекты, гидротехнические сооружения наперекор природе, не прекращая работы ни на один месяц.

Кстати, говоря о суровых климатических условиях, не следует/забывать о вечной мерзлоте, которая сковывает почти четверть поверхности земного шара. А ведь в этих районах также ведется интенсивное строительство.

В странах Северной Европы зимнее строительство - дело обычное. Так, например, в Финляндии половина объема строительных работ приходится на зиму, т.е. на те месяцы года, когда средняя температура длительно держится намного ниже 0°С. Аналогичные работы по зимнему бетонированию проводятся и в других зарубежных странах, например в Скандинавских, США, Японии, Канаде.

Отечественный и зарубежный опыт послужил основой для разработки стандартов и рекомендаций по зимнему бетонированию.

Боится ли бетон мороза ?

16. Мы уже выяснили, что строить зимой надо как в умеренных, так и в очень суровых климатических условиях. Но при этом строить надо надежно. А это значит, что строители должны обязательно соблюдать правила и технические нормы по зимнему бетонированию. В настоящее время мы располагаем довольно стройной теорией зимнего бетонирования и необходимыми правилами и нормами. Это позволяет возводить здания и сооружения в районах с низкими отрицательными температурами и обеспечивает их долговечность. При разработке теории зимнего бетонирования неоднократно возникал целый ряд вопросов, решение которых позволило выбрать правильный режим укладки бетона при отрицательных температурах.

Прежде чем рассказать о различных способах зимнего бетонирования, выясним, боится ли бетон мороза? Это очень важный вопрос, так как он имеет прямое отношение к поведению бетона при отрицательных температурах. Ведь будучи уложенным в строительную конструкцию, бетон должен затвердеть, набрать при этом прочность и к тому же приобрести такое важное свойство, как морозостойкость. Что это за свойство?

Морозостойкость — способность строительного материала выживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности. В ряде случаев при зимнем бетонировании в крайне суровых климатических условиях морозостойкость бетона оказывается очень важным свойством. Это можно подтвердить примером.

Гидротехнические сооружения, построенные на Крайнем Севере, эксплуатируются в весьма неблагоприятных условиях. Учитывая очень низкие температуры окружающей среды и то, что применяемые конструкции тонкостенные, можно легко понять, почему в нашем примере определяющим требованием к бетону будет требование морозостойкости, влияющей на долговечность сооружения так же, как и прочность.

А теперь ответим на поставленный вначале вопрос: боится ли бетон мороза?

Да, свежеуложенному бетону мороз опасен. И прежде всего из-за влияния низких температур на процессы схватывания и твердения цементов. Бетон очень чувствителен к холоду. Это сказывается прежде всего на времени схватывания и скорости твердения. Так, например, при снижении температуры с 20 до 5°С схватывание бетона замедляется в 2—5 раз. Но особенно резко проявляется это замедление при дальнейшем снижении температуры до 0°С. Однако если восстановить нормальную температуру выдерживания, то твердение вновь принимает обычные темпы.

А если температура бетона опустится ниже 0°С? Твердение прекратится полностью. Это объясняется тем, что при замерзании бетона происходит увеличение объема содержащейся в его порах свободной воды, которая замерзает.

Здесь уместно ввести такой термин, как льдистость. Что он означает? Льдистость — это отношение количества льда к массе химически несвязанной воды. У образцов, помещенных на мороз в первые часы после изготовления, большая часть воды переходит в лед при температуре ниже — 2°С, а у помещенных на мороз через 24 часа нормального твердения — при температуре — 5°С. большое влияние на льдистость оказывают продолжительность твердения до начала замерзания, или, иначе говоря, степень гидратации цемента, активность цемента, водоцементное отношение. Чем выше прочность бетона до замерзания, чем больше в нем продуктов гидратации, тем больше количество незамерзшеи воды. Пользуясь бинокулярной лупой, рассмотрим, что происходит/ при замерзании образцов бетона. Мы увидим равномерно распределен/ ные по всему объему мелкие кристаллы льда. Можно также увидеть и места скопления ледяных линз в поверхностных слоях бетона глубиной 2-2,5 см. Это свидетельствует о сильной миграции влаги в поверхностные слои бетона.

В результате замерзания замедляется образование цементного камня. Почему? Потому, что происходит частичное или полное прекращение процесса гидратации цемента. Следовательно, прекращается и твердение бетона. Процессы гидратации протекают не полностью и бетон не успевает приобрести требуемые физико-механические свойства. Вследствие этого бетон получается с дефектной структурой.

А как ведет себя свободная вода в процессе замерзания? Оказывается, замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме на 9%. В результате этого в порах бетона развивается большое давление, которое вызывает разрушение структуры еще не затвердевшего бетона. Скопившаяся на поверхности зерен крупного заполнителя вода при замерзании образует тонкую ледяную пленку, которая отделяет поверхность заполнителя от соприкосновения с цементным тестом. В результате ухудшается монолитность бетона. Если заморозить бетон в раннем возрасте, то лед разрушит многие кристаллики цементного клея. Если затворение бетона было проведено до замораживания, а твердение бетона еще не началось, то оно не начнется и после замерзания. Но если твердение началось, то оно приостанавливается, пока свободная вода в бетоне будет оставаться в виде льда. При оттаивании бетона замерзшая свободная вода превращается в жидкость, и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замерзания, но уже при изменившейся структуре. Эти изменения в структуре бетона уменьшают его прочность и сцепление с арматурой. Конечная прочность бетона будет тем ниже, чем раньше бетон подвергся замораживанию.

Наиболее опасно замерзание бетона в период схватывания цемента. Для бетона также вредно и многократное замерзание и оттаивание его в начальный период твердения (оттепели и заморозки).

Итак, из всего сказанного следует, что зимнее бетонирование возможно, и это доказывают работы советских ученых С.А. Миронова, В.Н. Сизова, И.А. Киреенко, Б.Г. Скрамтаева, разработавших и внедривших в практику теорию и способы зимнего бетонирования.

Для того чтобы строить в зимних условиях, надо было создать такие методы, которые обеспечивали бы благоприятные условия для твердения бетона даже в самые сильные морозы.

Речь идет о создании нормальных условий твердения бетона зимой. Это значит, что в течение срока, который определяется достижением заданной прочности бетона, нужно поддерживать необходимые температуру и влажность, используя для этого внутреннее тепло бетона или дополнительно обогревать твердеющий бетон. Другими словами, понадобилось ускорить твердение бетона. А этого можно достигнуть, воздействуя на бетон теплом.

Разработано и внедрено в практику несколько способов прогрева, используемых при зимнем бетонировании. Наиболее эффективными из них являются способы термоса, электронагрева и паро-прогрева.

Прежде чем о них рассказать, напомним, что, как всегда, все начинается с бетонной смеси. Очевидно, что приготовление бетонной смеси в зимних условиях является очень ответственной операцией. В первую очередь надо тщательно проверить качество и состояние сырьевых материалов. В зимнее время требования к ним намного выше, чем в летнее время. Большое значение имеет хранение исходных материалов. Так, например, песок, щебень и гравий не должны быть загрязнены и смешаны со снегом и льдом. Поэтому их складируют на сухих возвышенных местах, под навесами или в закрытых помещениях. Конечно, нельзя допускать, чтобы при хранении цемента в него попадал снег.

Готовить бетонную смесь надо в обогреваемых помещениях. Внутренний запас тепла в бетонной смеси создают, подогревая ее составляющие. Нагрев заполнителей может быть одноступенчатым, когда одновременно материалы оттаивают и подогревают; и двухступенчатым, когда на одних установках заполнители предварительно оттаивают, а на других - подогревают до расчетной температуры (40°С). Одновременно в резервуарах паром нагревают воду до заданной температуры от 30 до 80°С. Цемент и тонкомолотые добавки подогревать запрещается.

Что касается арматуры, то она должна быть очищена от снега и льда и разогрета горячей водой или паром. Температура составляющих бетонной смеси в момент загрузки в бетономешалку должна быть такой, чтобы обеспечить заданную температуру бетонной смеси при выходе из бетономешалки и укладке в форму, а именно - не ниже 5 С.

Итак, бетонная смесь готова. Но ее нужно транспортировать до места укладки с минимальными теплопотерями. Потери тепла при самой перевозке бетонной смеси меньше, чем при перегрузочных операциях. Поэтому в зимнее время ее доставляют к месту укладки без перегрузки. При этом надо следить, чтобы транспортная тара была утеплена или обогревалась. Если бетонная смесь транспортируется в кузове автосамосвала, то кузов укрывают брезентом или обогревают отработанными газами. При транспортировании бетонной смеси в бадьях и бункерах их накрывают деревянными утепленными крышками; снаружи утепляют войлоком и затем обшивают фанерой. При насосном транспорте бетона утепляют как помещения, где установлены бетононасосы, так и бетоноводы.

Зимнее бетонирование

17. На месте бетонную смесь укладывают в опалубку из деревянных или металлических щитов, соответствующее форме будующей конструкции. В опалубку устанавливают стальной каркас-арматуру.

Укладывать бетонную смесь в формы желательно как можно быстрее и без перерывов.

Мы знаем, что твердение бетона зависит от химических реакций цемента с водой. Основную роль в этом будет играть тепло и вода! Поэтому в зимнее время при низких температурах опалубку утепляют, а сразу же после окончания бетонирования щитами и матами утепляют и верхнюю, открытую поверхность бетона.

А теперь расскажем о способах производства бетонных работ в зимних условиях с применением прогрева и обогрева конструкций. Одним из традиционных способов прогрева бетона является способ термоса. Он широко применяется в промышленном и гражданском строительстве.

По способу термоса бетон твердеет под "шубой" - слоем теплоизоляционных материалов (шлака, опилок, камышита и др.). Эти материалы плохо проводят тепло. Поэтому бетонная смесь почти не теряет тепло, которое она получила при изготовлении. Кроме того, при твердении цемент также выделяет тепло. Во многих случаях количество тепла оказывается достаточным, чтобы во время остывания бетон приобрел необходимую прочность. Эта прочность позволяет распалубливать конструкцию, уже не боясь замораживания. В этом случае после оттаивания бетон не разрушится. Способ термоса является наиболее экономичным и простым. Для его реализации не требуется специального оборудования. Но он применим только при бетонировании массивных конструкций, так как тонкостенные конструкции очень быстро остывают.

Можно ли его использовать в гидротехническом строительстве? Да, можно, и это подтверждает практика строительства Братской и Усть-Илимской ГЭС. А ведь климатические условия в районе стройки были суровыми: лето короткое, а зима длинная и холодная, с мороза ми, достигающими -40°С! По проекту надо было уложить около 9 млн.мЗ бетона, из них более половины — в зимнее время. Это требовало прогрева. Оказалось, что в этих суровых климатических условиях, наиболее эффективен способ термоса. Он дает возможность укладывать бетон с минимальной положительной температурой. А это благоприятно сказывается на его термонапряженном состоянии и уменьшает количество трещин в бетоне.

Способ термоса создает нормальные условия работы, практически не отличающиеся от летних. Это позволило увеличить интенсивность укладки бетона. По данным К.В. Алексеева (Братскстрой), интенсивность укладки зимой достигала 180 тыс.м3 в месяц и была меньше максимальной летней интенсивности всего на 20—25%.

Если в установленные сроки способом термоса нельзя достичь требуемой прочности, рекомендуется применять искусственный прогрев бетона электрическим током или паром. Высокотемпературное воздействие на бетон относится к наиболее эффективным способам ускорения твердения. Высокотемпературный прогрев бетона осуществляется в конструкции электрическим током. Этот способ характеризуется простотой подачи электрического тока к месту использования, легкостью регулирования и контроля, а также возможностью автоматизации процесса тепловой обработки бетона.

По классификации проф. Б.А. Крылова существуют три способа прогрева бетона: электродный прогрев (электропрогрев), электрообогрев с помощью электронагревательных устройств и индукционный прогрев (прогрев в электромагнитном поле). Конечно, каждый из этих способов не универсален и оказывается эффективным только для определенных конструкций и условий строительной площадки. Наиболее распространенными способами прогрева бетона являются электропрогрев и электрообогрев. Вот их мы и опишем.

Начнем со способа электропрогрева, который основан на принципе нагрева проводника при прохождении через него переменного тока. Постоянный ток для этих целей не подходит, так как при его применении происходит электролиз воды, коррозия и экранирование поверхности электродов выделяемыми газами.

Электропрогрев бетона осуществляется следующим образом. В свежеуложенный бетон вводят металлические электроды, через которые пропускают переменный электрический ток. Электрическое сопротивление свежеприготовленного бетона, уложенного в опалубку, увеличивается по мере затвердевания бетона. Оказалось, что на ранней стадии твердения бетон обладает достаточно хорошей электропроводностью; его можно отнести к проводникам второго рода с ионной проводимостью. Включенный в электрическую цепь, он нагревается при прохождении электрического тока. Какое влияние оказывает выделяющееся тепло? Оно способствует интенсификации химического взаимодействия воды с минералами цементного клинкера. А это вызывает твердение бетона. Значит электрический ток, протекающий по бетону, будет вызывать его нагревание и твердение? Да, и чем больше будет сопротивление, тем выше будет напряжение тока.

Однако значительное увеличение сопротивления бетона может сказаться на прогреве бетона. Каким образом? А вот так. При достижении им критического сопротивления происходит как бы самоотключение бетона. Как же это происходит? Очень просто. Ток используемого напряжения не в состоянии "преодолеть" это возросшее сопротивление, цепь прерывается и электрообогрев прекращается. . . Следовательно, надо обеспечить такой режим защиты бетона от влагопотерь, чтобы последний успел прогреться и набрать требуемую прочность.

Расход электроэнергии при электронагреве не превышает 80— 100 кВт/ч на 1 м3 бетона и зависит от температуры окружающей среды и продолжительности прогрева. Максимальная температура прогрева й его продолжительность зависят от вида применяемого цемента и требуемой прочности. Эта температура не должна превышать 60°С. Прогрев будет зависеть в значительной степени от размеров электродов. Каковы же должны быть оптимальные размеры электродов? Диаметр стержневых электродов должен быть не менее 5 мм, а ленточных — не менее 15 мм.

Нагреваемые электроды создают температурное поле в бетоне. И очень важным условием получения нормального режима прогрева является равномерность температурного поля, а достигается она правильной расстановкой электродов.

Все, что говорилось о прогреве бетона, относилось, к неармирован-ному бетону. При прогреве бетона в железобетонной конструкции надо обязательно учитывать характер и густоту армирования, расположение арматуры и ее диаметр. Оказывается, стальная арматура и хомуты влияют на формирование электрического поля и искажают его. А главное условие нормального электрообогрева — обеспечение равномерности и электрического поля в бетоне. Поэтому электроды надо располагать на возможно большем расстоянии от элементов арматуры. Иногда при прогреве железобетонных конструкций можно использовать арматуру в качестве одного из электродов. В качестве другого используют уложенные на поверхности бетона пластины. Это позволяет прогревать элементы с нормальным армированием, т.е. ненапрягаемой арматурой.

Электропрогрев стал одним из основных способов ускорения твердения бетона на зимних стройках. Подсчитано, что в настоящее время таким способом ежегодно прогревают свыше 12 млн.м3 бетона. Его используют как в монолитных конструкциях, так и в заводском производстве сборного железобетона вместо про-паривания. Это один из самых экономичных способов тепловой обработки бетона.

Внедрению электропрогрева способствовали теоретические и экспериментальные исследования, выполненные советскими учеными (С.А. Мироновым, Б.А. Крыловым и др.).

А теперь расскажем о способе электрообогрева бетона. Этот способ относится к методам электротермообработки бетона в любых конструкциях независимо от их армирования, конфигурации, вида бетона и цемента.

В чем состоит принцип электрообогрева? В подведении тепла к бетону с поверхности; во внутренние слои оно переносится за счет теплопроводности. Нагрев внутренних слоев надо производить постепенно. Этому способствует и экзотермия цемента. Для обогрева массивных конструкций этот способ следует применять с осторожностью. Почему? Потому что внутренние слои прогреваются медленнее, чем поверхностные и между ними могут создаваться перепады температур, которые приведут к формированию в конструкции неблагоприятного термонапряженного состояния.

Какова же глубина эффективного прогрева бетона в конструкции при этом способе? Обычно порядка 20 см. Однако в случае одностороннего подвода тепла к конструкциям небольшой толщины глубина эффективного прогрева может уменьшиться до 15 см. Это будет зависеть (в зимнее время) от температуры наружного воздуха и теплозащиты необогреваемой поверхности конструкции.

Имеются ли разновидности способа электрообогрева? Да, имеются. В основном их две: обогрев высокотемпературными нагревателями (генераторы инфракрасного излучения) с температурой на их поверхности выше 250°С и низкотемпературными — с температурой до 250°С. Конечно, такое деление условно. Однако оно позволяет говорить о двух группах электронагревателей.

Как следует из самого названия, высокотемпературные нагреватели характеризуются высокой излучающей способностью. К ним относятся ламповые, газовые, селитовые и др.

Низкотемпературными называются такие нагреватели, которые имеют низкую излучающую способность. Это коаксиальные, трубчато-стержневые, сетчатые, пластинчатые и струнные нагреватели.

Где применяется каждый тип нагревателей? Высокотемпературные используются чаще всего в заводских условиях при изговлении сборных железобетонных изделий. Для прогрева бетона в монолитных конструкциях применяются редко. Низкотемпературные нагреватели используются в построечных условиях для обогрева бетона, причем электронагреватели монтируют в опалубку или изготовляют в виде греющих щитов.

Эффективность и экономичность электрообогревателей в значительной степени определяются их видом.

Для электрообогрева используют электрический ток напряжением 110—220 В с соблюдением требований технической безопасности. Примерный расход электроэнергии для зон с температурой наружного воздуха —20°С ориентировочно составляет 100—120 кВт ч и более на 1 м3 бетона.

Перейдем теперь к описанию прогрева бетона паром, который также является довольно эффективным способом и часто применяется на стройках и заводах железобетонных изделий.

Способ паропрогрева заключается в следующем. В опалубке с внутренней стороны вырезают каналы и через них пропускают пар. Можно также изготовить двойную опалубку и вводить пар в промежутки между стенками. Иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Нагревают бетон до 50—80°С. Благодаря высоким температурам, которые создаются при паропрогреве бетона и при благоприятных влажностных условиях, твердение значительно ускоряется: например, через двое суток можно получить такую прочность, которую достигает бетон после 7-суточного твердения в нормальных условиях. Паропро-грев бетона требует больших Дополнительных затрат на оборудование. Это его недостаток. Способ паропрогрева рекомендуется главным образом для тонкостенных конструкций.

Холодный бетон

18. Можно ли заставить бетон твердеть в зимнее время, не подогревая его? Оказывается, можно, если ввести в бетонную смесь специальные добавки — химические ускорители твердения. Такими добавками являются хлористые соли (кальция и натрия) , нитрит натрия, поташ, а также хлористый аммоний.

Какова роль этих добавок? Они понижают температуру замерзания воды и ускоряют гидратацию минералов, которые входят в состав цемента. Благодаря действию этих добавок созревание бетона ускоряется. При использовании химических ускорителей твердения бетона не требуется подогревать ни воду, ни заполнители. Поэтому такой бетон назвали холодным бетоном. Эти бетоны твердеют и приобретают прочность при отрицательных температурах. Некоторые добавки также повышают и морозостойкость бетонов. Это очень важно для дорожных покрытий. При правильной укладке бетона повышаются в 100-1000 раз их непроницаемость, долговечность и тд. Противомороз-ные добавки принципиально изменяют процесс твердения при температуре -20°С. Они не только сохраняют жидкую фазу, но также обеспечивают гидратацию при температуре -20°С за счет систематического таяния льда.

Фактически введение добавок в бетоны знаменует собой принципиально новую гидратацию твердения. Однако хлористые соединения вызывают коррозию арматуры. Поэтому холодные бетоны применяют только для бетонирования неармированных конструкций, дорожных покрытий, облицовки откосов и т.п. В конструкциях, работающих под динамическими нагрузками (фундаменты под молоты, копры и т.п.), применять холодный бетон запрещается!

Неужели нельзя защитить арматуру бетона от коррозии? Результаты многочисленных исследований влияния добавок на арматуру подтвердили перспективность применения для твердения железобетонных конструкций добавок типа ННХК (хлорид кальция, ингибированный нитрит-нитратом кальция) или ННХКМ (сочетание этого продукта с мочевиной). Если изменять соответствующим образом соотношение хлорида и нитрит-нитрата кальция в добавке ННХК или ННХКМ, то ее можно применять даже в качестве надежного ингибитора коррозии стали.

Итак, из всех видов существующих добавок только добавки ННХК и ННХКМ доказали свою универсальность: они могут применяться и как ускоритель твердения бетона, и как противоморозная добавка.

Практика зимнего бетонирования подтвердила, что холодные бетоны, так. же как и бетон, изготовляемый с подогревом, можно рас-палубливать только после окончания заданного срока твердения. Пока бетон не достиг 50% проектной прочности, его надо предохранять от замерзания.

Бетон - самогрев

19. Иногда бетон способен обогревать самого себя! Чему же обязан бетон этим удивительным свойством? Оказывается, цементу. При химическом взаимодействии цемента с водой происходят такие реакции, в результате которых выделяется значительное количество теплоты. Повышение температуры при образовании бетона зависит от вида цемента и его количества в бетонной смеси. Наибольшее количество тепла при твердении бетона выделяет глиноземистый цемент, минимальное — шлакопортландцемент.

И вот если бетонной смеси много, а поверхность ее невелика, то бетон нагревается за счет этого тепла. Так бетон становится "самогревом"! Иногда этого тепла выделяется так много, что бетон может перегреться, он будет высыхать раньше, чем твердеть.

Бетон-самогрев может быть использован при зимнем бетонировании. Поэтому когда строят массивные бетонные конструкции, то в зимнее время воду и заполнители не подогревают и бетон не укутывают. Ему и так будет жарко!

Бетон и жара

20. Как быть, если термометр показывает выше 35°С? Как эта температура будет влиять на твердение бетона? Снова загадки, снова поиски ответа. Оказалось, бетон очень боится жары, так как при высокой температуре из него испаряется вода и прекращается твердение цемента. В результате в бетоне и образуются трещины. Одновременно снижается прочность. Кроме того, некоторые цементы (например, алю-минатные) при температуре выше 35°С разлагаются; при этом прочность цементного камня уменьшается. Поэтому при бетонировании в южных районах при высоких плюсовых температурах окружающего воздуха для нормального твердения бетона необходимо поддерживать требуемую влажность и защищать бетон от перегрева.

Пока температура не превышает 20-25°С, бетону необходима лишь влага. Поэтому в первые две недели после укладки бетон поливают водой и закрывают от ветра рогожей или матами. Если солнце сильно печет, то рогожа и маты защищают бетон и от излишнего тепла. Если же температура воздуха повышается выше 35°С, то уже нужны срочные меры по защите бетона от лучей солнца. Только в этом случае можно обеспечить нормальные условия твердения бетона и получить заданную прочность!

Итак, мы выяснили — бетон боится жары. Однако это не должно служить основанием для прекращения строительства в южных районах нашей страны. Мы должны и будем строить! Это одно из требований научно-технического прогресса.

Знаете ли вы, что почти 25% общего объема сборного и монолитного бетона и железобетона, производимого и укладываемого в настоящее время приходится на районы с сухим жарким климатом? В дальнейшем эта цифра будет непрерывно возрастать. Причиной этого является увеличение объемов строительных работ не только на территории южных районов нашей страны, но и в развивающихся зарубежных странах с сухим жарким климатом.

Необходимость строить при высоких положительных температурах (достигающих в летнее время 40—50°С) и при низкой влажности воздуха породила еще одно направление в строительстве, получившее название бетонирование в сухом жарком климате. Оно возникло сравнительно недавно, всего 10-15 лет назад. Производство строительных работ в подобных климатических условиях было для строителей необычным. Никакого опыта в те времена не было. Все надо было начинать сначала. В процессе строительства использовались общепринятые положения по технологии бетонных работ. По ходу работ корректировались технологические режимы, велись наблюдения за поведением бетона в необычных климатических условиях. Длительное время многое оставалось неясным, особенно все то, что касалось гидратации, структурообразования и твердения бетона в условиях сухого жаркого климата.

С годами опыт накапливался. Было установлено, что воздействие на бетон высоких положительных температур приводило к быстрому обезвоживанию готового бетона в раннем возрасте и создавало структурные нарушения. Более того, подобные климатические условия отрицательно сказывались на технологии бетона и на его физико-механических свойствах. Это сказалось также и на ослаблении прочности бетона, уложенного в конструкции и сооружения, что в значительной мере влияло на их долговечность.

Шли годы. Наряду с инженерами этой новой проблемой стали заниматься и ученые. Анализировались экспериментальные данные, делались научно обоснованные выводы. Так постепенно появилась теория, объясняющая явления, происходящие при производстве строительных работ в условиях сухого жаркого климата. Она позволяла, как говорится, строить "по науке, а не на ощупь", руководствуясь четкими данными о поведении бетона в этих климатических условиях.

Бетонирование в условиях сухого и жаркого климата

21. Начинаем с уточнений. Говоря о бетонировании в жаркое время года при низкой относительной влажности воздуха, мы имеем в виду два различных термина: "сухой жаркий климат" и "жаркая и сухая погода". В чем между ними разница? По классификации, приведенной проф. С.А. Мироновым в его "Руководстве по производству бетонных работ в условиях сухого жаркого климата" (М., 1977), это различие таково.

Сухой жаркий климат характеризуется метеорологическими условия-ми.отличающимися продолжительным знойным летом (более 100 дней в году), высокими температурами воздуха - абсолютной максимальной, равной или превышающей 40°С, и средней максимальной самого жаркого месяца, равной или превышающей 30°С. При этом принимается, что средняя относительная влажность воздуха самого жаркого месяца составляет менее 50-55%. А вот понятие "жаркая и сухая погода" характеризуется температурой воздуха в 13 ч дня выше 25°С и относительной влажностью его менее 50%.

Каковы же там погодные условия? Самые разноообразные. Например, жаркая и сухая погода, жаркая и влажная погода, жаркая безветренная погода, жаркая погода с сильными суховеями, жаркая солнечная погода, жаркая пасмурная погода и, наконец, даже прохладная дождливая погода.

Мы уже говорили, что климатические условия Крайнего Севера относятся к суровым природным условиям. А вот куда следует отнести южные районы страны с сухим жарким климатом? Практика показала, что их правомерно отнести также к суровым климатическим условиям. Это не исключает того, что при производстве бетонных работ в условиях сухого жаркого климата можно руководствоваться общепринятыми положениями по технологии бетонных работ. Но не только ими. На помощь строителям приходят и нормативно-инструктивные документы, разработанные учеными совместно с инженерами. Они регламентируют правила производства строительных работ в этом климате.

И вот несмотря на сложные климатические условия, строительство в районах с сухим жарким климатом постоянно возрастает. Чем это объяснить? Прежде всего тем, что уже накоплен опыт, позволивший преодолеть климатические трудности.

Поясним на характерных примерах, как действуют климатические условия на производство строительных работ в районах с сухим жарким климатом или с жаркой и сухой погодой.

Допустим, что мы строим в районе с жаркой и сухой погодой. Чем она характерна? В основном тремя климатическими факторами: высокой температурой, пониженной относительной влажностью и интенсивной солнечной радиацией. Все они вместе влияют на технологию бетона. Причем их воздействие возрастает по мере увеличения скорости ветра.

Наиболее серьезными последствиями негативного влияния жаркой и сухой погоды являются: увеличение водопотребности бетонной смеси (как результат повышения ее температуры); быстрая потеря бетонной смесью подвижности в процессе ее транспортирования или в период ее выдерживания до укладки; интенсивное обезвоживание свежеуло-женного бетона; значительное растрескивание твердеющего бетона; формирование неравномерного температурного поля в конструкциях под действием солнечных лучей. Это далеко неполный перечень отрицательных последствий погодных условий.

Необычное поведение бетонной смеси в жаркую и сухую погоду. Как известно, она быстро теряет со временем свою отпускную подвижность. Как это можно объяснить? Результаты исследований показали, что основным фактором, влияющим на быстрое изменение консистенции бетонной смеси, является ее повышенная температура (достигающая при выходе из бетоносмесителя 30°С) и связанное с ней ускорение гидратации и схватывания цемента. Влияет и интенсивное испарение воды затворения, которе в данном случае имеет подчиненное значение.

Изменение подвижности бетонной смеси приводит к тому, что требуемая при укладке подвижность смеси не обеспечивается. Кроме того, нарушаются принятые условия ее транспортирования и укладки, а также отделки поверхности конструкций. Поэтому по мнению ряда исследователей: С.А. Миронова, Е.Н. Малинского и Н.Р. Раджабова, при подборе состава бетона, приготовляемого в жаркую и сухую погоду, одной из основных особенностей является зависимость между температурой бетонной смеси и ее начальной подвижностью.

Как же получить равноподвижную бетонную смесь, если, например, в летний период года температура окружающего воздуха достигает 35°С, а температура бетонной смеси, как правило, превышает 30°С? С этой целью, в зависимости от требований к составу бетона, необходимо увеличить расход воды в пределах от 5 до 10%. Но увеличение расхода воды без изменения расхода цемента в жаркую погоду приводит к повышению водоцементного отношения (В/Ц) и, следовательно, к понижению прочности бетона. Поэтому для обеспечения в жаркую и сухую погоду отпускной и требуемой при укладке подвижности бетонной смеси, а также для обеспечения заданной марки бетона в этих условиях необходимо увеличение (до 10%) расхода цемента. А можно ли достигнуть требуемой отпускной подвижности бетонной смеси в условиях жаркого климата, не увеличивая расхода цемента? Да, можно. Это достигается путем снижения начальной температуры смеси до 10°С или же применения добавок ПАВ (поверхностно-активных, пластифицирующих, пластифицирующе-воздухововлекающих).

Другим примером влияния жаркой и сухой погоды на бетон является ее отрицательное влияние на физико-механические свойства и долговечность затвердевшего бетона.

А теперь перенесемся в район с сухим жарким климатом. Влияют ли суровые климатические условия на технологию бетонных работ? Да, влияют. Но наиболее отрицательно они сказываются на свойствах затвердевшего бетона конструкции. Конкретно это выражается в ряде факторов, главные из них: повышенная последующая влажностная усадка бетона, расшатывание его структуры, частое замораживание до небольших отрицательных температур и оттаивание открытых бетонных конструкций, значительная коррозия арматуры и тл. Поясним их значимость при формировании свойств затвердевшего бетона, дадим некоторые определения и проанализируем причины их появления.

Итак, последующая влажностная усадка. Как следует из самого термина "последующая", это та усадка, которая следует за "начальной", протекающей от 1—3 суток до 1 месяца. Она характеризует появление и наличие усадочных напряжений в затвердевшем бетоне. Ее начинают определять в возрасте от 1—3 суток.

Расшатывание структуры бетона. Чем оно вызывается? Это очень серьезное последствие высоких температур. Всему виной — сильный циклический нагрев с суточным перепадом температур от —40 до +45°С и более. Все это и вызывает расшатывание структуры бетона. Ну, а коррозия арматуры? Коррозия арматуры происходит вследствие растрескивания бетона, увеличения его водонепроницаемости. Кроме того, в большинстве районов с сухим жарким климатом оказывается большое количество грунтовых вод, которые влияют на арматуру, вызывая ее коррозию. Все перечисленные факторы сильно влияют на свойства затвердевшего бетона конструкции.

И все же главной причиной ухудшения свойств бетона является сильный циклический нагрев со значительным перепадом температур, который характерен для условий районов с сухим жарким климатом. Поэтому долговечность конструкций и сооружений в районах с сухим жарким климатом определяется не только прочностью, но и морозостойкостью бетона. А ведь повышение долговечности железобетонных конструкций является одной из наиболее актуальных проблем! Это она определяет эффективность капиталовложений в строительство. Выносливость (прочность) бетона в условиях сухого жаркого климата, связанная с многократным нагреванием и охлаждением, оценивается коэффициентом термостойкости, предложенным проф. Ю.М. Баженовым.

Исследования показали своевременность и целесообразность введения такого коэффициента, позволяющего учитывать комплексные воздействия климатических условий при оценке стойкости бетона. Знание такого коэффициента позволит значительно повысить качество и долговечность конструкций и сооружений в районах с сухим жарким климатом.

Главные вредители для железобетона — химически агрессивные среды, вызывающие коррозию. В результате их "дружной" работы конструкция разрушается, арматура оголяется, и стальные стержни покрываются ржавчиной. Такая железобетонная конструкция оказывается ослабленной и негодной к эксплуатации.

Чтобы бороться с этими врагами, надо знать эти химические вещества, как они могут попасть в бетон и какие меры защиты существуют.

Химически агрессивные среды

22. К этим средам мы относим сульфаты кальция, магния, натрия, органические вещества и воду (морскую и грунтовую).

Каким образом образуются сульфаты в природе? Прежде всего из остаточных продуктов сгорания угля, из дыма фабричных и паровозных труб, гипсовых" отложений, подземных вод и т.п. Так, например, дым паровозной трубы содержит сульфаты кальция, в грунтовых или сточных водах присутствуют сульфаты магния и натрия. Для нейтрализации действия сульфатов используют различные цементы, например гипсошлаковый, алюминатный, пуццолановый и другие.

Органические вещества — масла, бензол, гумусовые кислоты, глицерин — также весьма опасны для бетона. Для защиты от них надо максимально повышать однородность бетона. Защищать его поверхность окраской или применять цементы с малым содержанием кальция.

Действие морской воды, содержащей соли кальция, магния, натрия, на бетонные сооружения бывает физическим (кристаллизация солей на поверхности бетона) и химическим (в зависимости от наличия примесей) .

От химического воздействия морской воды бетон защищают, применяя цементы с минимальным содержанием свободной окиси кальция (извести).

Иногда и грунтовые воды содержат свободную окись кальция. Меры защиты от ее действия аналогичны защите от морской воды.

Коррозия арматуры

23. Коррозия— злейший враг металлов и металлических сплавов. Ее вызывает присутствие кислорода, входящего в состав воздуха, воды и земной коры. Коррозия, частным примером которой является ржавление, вызывается также химическими или электрохимическими реакциями, в которых участвует кислород. Потери металла за счет коррозии составляют около 1/3 всего количества выплавляемых металлов и сплавов. Это значит, что во всем мире ежегодно разрушаются десятки и сотни миллионов тон металла. Коррозия всегда начинается с поверхности металлического изделия и постепенно распространяется вглубь. При этом металлы изменяют свой внешний вид: теряют блеск, их гладкая поверхность становится шероховатой и покрывается бурым слоем ржавчины, состоящей из окислов железа. Затем ржавчина проникает на большую глубину и металл разрушается.

В железобетоне арматура покрыта тонкой эластичной пленкой цементного камня, защищающей ее от доступа воздуха и воды. Толщина защитного слоя обычно 1—2 см. Но если в защитном слое образуются раковины, то на этом участке бетон уже недостаточно защищен от атмосферного влияния, а при наличии трещин в цементной пленке при растяжении арматуры создаются благоприятные условия для ее коррозии.

В воздухе находятся водяные пары, и если влажность воздуха высокая, то эти пары постепенно конденсируются на поверхности оголенной арматуры, вызывая ее ржавление. Особенно подвержена коррозии арматура в бетоне сооружений, расположенных в крупных промышленных районах, в которых воздух бывает загрязнен примесями окиси азота, сернистого газа и т.п. Эти газы растворяются в капельках влаги и, попадая на поверхность металла, сильно ускоряют процесс коррозии. Наиболее вредным для большинства металлов является сернистый газ. Он попадает в воздух вместе с дымом при сжигании каменного угля, обычно содержащего серу. Растворяясь в воде, сернистый газ образует серную кислоту. Подсчитано, например, что в воздухе над Лондоном ежедневно образуется несколько десятков тонн серной кислоты. Конечно, такая среда неблагоприятна для металлических изделий, в том числе и для арматуры в железобетонных конструкциях. Надежно защитить арматуру от такой активной коррозии могут специальные антикоррозийные покрытия, а чтобы предупредить коррозию, надо тщательно следить за трещинами и раковинами.

Контроль качества бетона

24. Вначале определим, что такое "качество" бетона? "Качество" бетона — очень широкое понятие. В общем виде оно охватывает множество разнообразных свойств готового бетона. Сюда относятся в первую очередь прочность, средняя плотность, водостойкость, морозостойкость и водонепроницаемость. И все же наиболее важным свойством, которое характеризует качество готового бетона, является его прочность на сжатие.

На свойства (и на качество) готового бетона влияют свойства и качество составных частей бетона. Поэтому второй объект контроля — сырьевые материалы.

Кроме того, в задачу контроля качества бетона входит контроль точности дозирования сырьевых материалов, контроль качества перемешивания бетонной смеси, контроль качества укладки и уплотнения бетонной смеси, контроль отделки изделий и конструкций и соответствия их проектным размерам.

В строительстве применяют два вида контроля качества: пооперационный и приемочный.

Пооперационный контроль - это контроль, который проводится после каждой или нескольких операций. Он начинается с проверки качества исходных материалов и продолжается до момента изготовления готового бетона в виде изделий или конструкций. Приемочный контроль необходим тогда, когда бетон затвердел и набрал прочность. Его задача - определить прочность и среднюю плотность затвердевшего бетона и установить, соответствуют ли они проектным показателям. Объектами испытания готового бетона могут быть образцы, изделия, конструкции, а также целые сооружения.

Методы контроля качества бетона

25. В настоящее время мы располагаем значительным арсеналом методов контроля качества бетона. Они предназначены для контроля как исходных материалов, так и параметров бетона на всех стадиях его изготовления. При контроле бетона применяют разные методы: физические, химические, металлографические, механические, неразрушающие, визуальные, геометрические, радиоэлектронные, радиометрические и т.п. Каждый из них пригоден для определенных целей. Так, например, параметры удобоукладываемости бетонной смеси можно определить физическими методами, средствами радиоэлектроники можно определить влажность песка и степень натяжения арматуры в изделиях и конструкциях, а также выявить однородность свойств бетона в изделиях и конструкциях; с помощью химических методов можно установить стойкость бетона в различных агрессивных средах.

Применение металлографического контроля позволяет выявить состав и марки сталей. Механические методы дают возможность определить прочность готового бетона и стали. Для контроля готового бетона можно использовать неразрушающие методы.

Для внешнего осмотра изделий и конструкций применяют визуальный контроль. А когда речь идет о взаимозаменяемости изделий, то используют контроль геометрических размеров.

Контроль качества исходных материалов

26. Наиболее важными свойствами исходных материалов, подлежащими контролю, являются активность (способность прочно связывать материалы) и схватывание цемента, прочность щебня или гравия, влажность песка, наличие и характер примесей и загрязнений в заполнителе и песке, а также кислотность воды и особенно содержание в ней сернокислых солей и органических кислот.

Качество цемента с точки зрения правильности выбора его вида устанавливают в заводской или строительной лаборатории. При поступлении новой партии цемента на склад завода или на строительную площадку требуется знать, можно ли использовать полученный цемент для нужд данного строительства. Поэтому нужно определить активность цемента. Для этого из цементного раствора 1:3 на специальном песке изготовляют кубик-образец, который затем раздавливают на прессе. После этого вычисляют разрушающее напряжение, а значит и марку цемента.

Следующей важной характеристикой качества цемента является время "схватывания цемента", т.е. условно определяемый момент времени, соответствующий загустению цементного теста. Время "схватывания" определяют в лабораторных условиях с помощью широкоизвестной иглы Вика. Сначала смешивают цементный порошок с водой и получают цементное тесто. Если в это цементное тесто опустить иглу, то она не встретит никакого препятствия. Затем часа через два цементное тесто начинает густеть, становится более плотным и теряет свою подвижность. Игла в такое тесто входит с трудом. Такое состояние цементного теста и называют "началом схватывания" цемента. Далее цементное тесто густеет еще больше, а игла все с большим трудом проникает в него. А уже часов через 10 цементное тесто затвердеет настолько, что игла входит в него всего на 1 мм. Это называется "концом схватывания" цемента. В этот период бетонные изделия можно транспортировать. Кроме того, в лаборатории определяют прочность на сжатие и разрыв раствора в возрасте 7, 28 и 90 суток. Полученные данные позволяют решить, где следует использовать испытываемый цемент.

Чтобы крупный заполнитель (гравий или щебень) мог быть использован в бетонной смеси, его качество должно соответствовать предъявленным требованиям. Основными характеристиками крупного заполнителя являются прочность на сжатие, отсутствие органических примесей и минимальное содержание пылевидных и глинистых частиц. Прочность щебня (гравия) определяют, раздавливая пробу в цилиндре. В зависимости от прочности гравий (щебень) подразделяют на марки. Как правило, прочность заполнителя должна быть выше марки бетона не менее чем в 1,5-2 раза.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне (гравии) определяют методом отмучивания. Он заключается в следующем. Пробу высушивают до постоянной массы, помещают в сосуд и заливают водой. Уровень воды в сосуде должен быть несколько выше пробы. Затем сосуд энергично встряхивают и оставляют в покое на 2 минуты, после чего мутную воду сливают, оставляя в сосуде лишь незначительное ее количество. Затем пробу вновь заливают водой до прежнего уровня и все повторяется снова. Пробу щебня (гравия) промывают до тех пор пока вода не станет прозрачной. Тогда промытую пробу снова высушивают до постоянной массы и вычисляют содержание отмученных пылевидных и глинистых частиц. Количество их в гравии не должно превышать 1, а в щебне — 2%.

При колориметрической пробе на органические примеси гравий или щебень обрабатывают раствором едкого натра. После такой обработки раствор не должен темнеть.

Самыми важными характеристиками качества песка являются влажность песка и содержание глинистых и пылевидных частиц. Обычно при расчете и подборе состава бетона исходят из того, что как песок, так и заполнители являются сухими. Но в действительности они имеют некоторую влажность. Ее надо учитывать при определении количества воды затворения и песка. Простейшим методом измерения влажности песка является метод высушивания. Он заключается в том, что пробу, или, как ее называют, "навеску" песка предварительно взвешивают на весах, а затем высушивают. В процессе высушивания из песка испаряется вода. Затем навеску опять взвешивают. По разности массы навески до и после высушивания определяют влажность песка. Сушка навески песка в сушильном шкафу продолжается примерно 5—6 часов. Но часто бывает необходимо срочно уточнить, какова влажность песка. В этом случае используют экспресс-методы, основанные на радиоэлектронике и инфракрасной технике.

Содержание в песке глинистых, илистых и пылевидных примесей определяют методом отмучивания.

Согласно стандарту, содержание этих примесей в песке не должно превышать 3-15%, в том числе глины 1-2%. Что касается содержания органических примесей, то, так же как и для заполнителей, степень загрязненности песка определяют по колориметрической пробе.

Вода, применяемая для затворения бетонной смеси, не должна содержать примесей, задерживающих твердение цемента или ухудшающих качество затвердевшего бетона. Она должна быть чистой и не кислой. Кислотность воды определяют следующим образом. В чистую, тщательно вымытую дистиллированной водой пробирку вливают испытуемую воду. Затем в нее опускают полоску синей лакмусовой бумаги и выдерживают там в течение одного-полутора часов. Если за это время лакмусовая бумажка станет розовой, то это будет показателем повышенного содержания в воде кислоты. Вода также не должна содержать более 2,7 г/л сульфатов или более 5 г/л всех солей.

Если контроль составляющих бетонной смеси показал их соответствие требуемым нормам, их можно использовать для приготовления бетонной смеси.

Как определить прочность готового бетона

27. Самым простым методом является испытание бетонного изделия или конструкции в условиях, приближающихся к действительным. А так как бетонная конструкция или сооружение в процессе эксплуатации подвержены действию нагрузок, то прочность можно определить механическими методами путем приложения контрольных нагрузок. Но эти методы требуют полного или частичного разрушения испытуемого изделия или конструкции, после чего изделие или конструкция уже непригодны к эксплуатации. В условиях завода или строительной площадки количество изготовленных изделий или конструкций может достигнуть нескольких сотен, а иногда и тысяч штук. Чтобы быть уверенным в качестве изделий или конструкций, нужно проверить прочность каждого из них. Значит, нужно применить сплошной контроль всей партии всех без исключения изделий или конструкций. Значит, вся партия изделий придет в негодность!

Как же быть? В таком случае применяют выборочный контроль. Из партии выбирают не более 2—3% любых изделий или конструкций. Затем их испытывают. Полученные значения прочности относят ко всему объему бетона, из которого изготовлена партия. Так, все остальные изделия и конструкции этой партии условно получают ту марку, которая получилась в результате испытаний нескольких изделий и конструкций.

Таким образом, при выборочном контроле мы пожертвовали частью продукции и сохранили в целости остальную. Конечно, нет никакой гарантии того, что среди оставшихся, не испытанных изделий и конструкций данной партии не-окажутся несколько, качество которых не будет соответствовать условно присвоенной прочности. Прочность бетона в изделиях и конструкциях можно также определить косвенным путем, который заключается в следующем. Одновременно с изготовлением всей партии изделий из бетонной смеси того же состава изготовляют контрольные образцы-кубики. Полученная в результате испытаний кубиков на гидравлическом прессе "кубиковая прочность" будет характеризовать прочность всей партии изделий или конструкций.

Но соответствует ли прочность кубика действительной прочности представляемых им изделий? Ведь в этом случае нарушаются условия моделирования! К сожалению, нет, не отвечает. И виной этому неоднородность сырьевых материалов и различие в размерах кубика и изделия. Значит, кубик не является "полномочным представителем" испытуемого изделия или конструкции? Но тогда нужны новые методы испытания прочности непосредственно в изделии или конструкции!

В 60-х годах нашего века после многочисленных сравнительных испытаний были разработаны неразрушающие методы, которые после длительной практической проверки получили апробацию строителей.

Акустические методы контроля (Часть 1.)

Акустическими методы называются потому, что основаны на использовании звуковых и ультразвуковых колебаний, которые характеризуются длиной волны, частотой и скоростью. Длина волны может изменяться от нескольких километров до долей миллиметров.

Разница между звуком и ультразвуком определяется только частотой колебаний. Звуковые колебания лежат в пределах слышимости человеческого уха; их частота находится в пределах от 16 до 16 000 Гц. Звук, частота которого выше 16 000 Гц, уже ультразвук.

Как звук, так и ультразвук - упругие колебания (упругие волны).

Существуют два типа упругих волн: продольные и поперечные. В ч е м разница между ними? Если частицы при колебании движутся в направлении движения волны как волны в воде, то такая волна называется продольной. Если движение частиц перпендикулярно распространению волны, то волна называется поперечной. Скорость распространения продольных волн примерно в два раза выше, чем поперечных.

Ультразвук свободно может проникать через такие твердые тела, как металл и бетон. В настоящее время ультразвук широко применяется в науке, технике и медицине.

Ультразвук требуемой частоты можно получить при помощи ультразвуковых — электронных генераторов, снабженных преобразователями для передачи и приема ультразвука. Электронный генератор— это прибор, который преобразует колебания электрического тока промышленной частоты в механические колебания высокой частоты. Название этих генераторов определяется типом включенных на выходе генератора преобразователей (излучателей) - пьезоэлектрических или магнитострикционных. Термин "пьезоэлектрический" происходит от свойств некоторых кристаллов, например кварца, сегнетовой соли, титаната бария. Это свойство заключается в том, что если пластинку, вырезанную определенным образом из этих кристаллов, сжимать или разжимать, то на ее гранях будут возникать электрические заряды, противоположные по знаку. Чем сильнее сжатие или растяжение, тем больше будет заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях пластинки под влиянием давления называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, прямым пьезоэффектом.

Но пьезоэффект обратим. Если к такой пластинке подвести электрический заряд, то она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Значит, если напряжение изменяется с ультразвуковой частотой, то пластинка начнет колебаться с такой же частотой.

Если приложенное переменное электрическое напряжение изменяется с частотой, которая равна собственной частоте колебаний кристалла, то в пластинке возникнет явление резонанса, и она будет совершать механические колебания. Колебание кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называют обратным пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, обратным пьезоэффектом. Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, называют пьезокристаллами.

Для изучения ультразвука используют обратный пьезоэффект, для приема — прямой пьезоэффект.

Принцип работы пьезоэлектрического генератора заключается в следующем. К пьезоэлектрической пластинке присоединены электроды электронного генератора высокой частоты. В такт изменениям частоты будет колебаться пластинка и в окружающей среде (например, твердое тело) будут возникать ультразвуковые волны. Если\на пути их распространения расположить приемную пластинку, то в н;ей возникнут электрические заряды.

Заряды затем усиливаются обычным радиоусилителем и регистрируются на индикаторном приборе.

Магнитострикционный генератор ультразвука отличается от пьезоэлектрического генератора частотой и тем, что на его выходе вместо пьезоэлектрического преобразователя присоединен магнитострикционный преобразователь ультразвука. Если частота пьезоэлектрического генератора 100 кГц и выше, то частота магнитострикционного генератора от 12 до 150 кГц.

Термин магнитострикционный происходит от двух слов: греческого "магнит" и латинского"стриктус" — сжатый. Итак, "магнитострикция" — это явление, при котором ферромагнитные материалы, такие, как, например, никель и т.п., помещенные в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры по длине.

Если сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного материала, то его магнитные свойства будут изменяться. Если намотать на него обмотку и продолжать его сжимать и растягивать, то в результате деформаций стержня будет изменяться его магнитное поле, а в обмотке возникнет переменный ток. Если же по обмотке стержня пропустить переменный ток, то в ней возникает переменное магнитное поле и стержень в такт с колебаниями тока будет периодически сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания, преимущественно в продольном направлении. Торец стержня при таких колебаниях излучает ультразвуковые волны.

Магнитострикционный эффект аналогично пьезоэффекту обратим. На его принципе изготовляют магнитострикционные преобразователи (излучатели и приемники).

Контроль качества бетона. По принципу измерения акустические методы могут быть следующих видов: резонансный, ультразвуковой импульсный и ударный. Они основаны на косвенном определении прочности бетона в зависимости от скорости распространения в нем звука (ультразвука).

Как говорит само название, резонансный метод основан на явлении резонанса. Для использования его при контроле качества бетона был разработан прибор — резонансный модулем ер. Он позволяет определить резонансную частоту бетонного образца, по которой вычисляют динамический модуль упругости. Этот модуль и характеризует прочность бетона в испытуемом образце.

Чтобы определить резонансную частоту бетона, берут образец в виде призмы (балочки) и помещают его на эластичную подставку. Перед одним концом балочки помещают "динамик". На второй конец устанавливают звукосниматель так, чтобы иголка упиралась в бетон. Адаптер преобразует механические колебания в электрические. "Динамик" включен на выход звукового генератора, а адаптер соединен со входом электронного осциллографа, служащего индикатором. Включим звуковой генератор и подадим в "динамик" звуковые колебания определенной частоты. При этом механизм "динамика" будет колебаться в такт с колебаниями, поступающими со звукового генератора, преобразуя электрические колебания в механические, которые будут воздействовать на бетон. Эти механические колебания и возбудят колебания, в бетонном образце. Чтобы выявить эти механические колебания, необходимо их преобразовать в электрические. Эту задачу выполняет адаптер. Электрические колебания, преобразованные адаптером из механических, попадают на усилитель электронного осциллографа, усиливаются и поступают на вертикально-отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа. Изменяя частоту звукового генератора, можно добиться того, чтобы какая-либо из частот, наконец, совпала бы с частотой собственных колебаний образца. Это будет зафиксировано на шкале звукового генератора в момент, когда на экране осциллографа амплитуда будет иметь максимальное значение, что будет свидетельствовать о наступлении резонанса. Так определится резонансная частота испытуемого бетонного образца.

А дальше что? Какая зависимость и связь между резонансной частотой и прочностью? Прямой зависимости нет. Но если проверить резонансную частоту у целого ряда образцов и определить их модуль упругости, а затем разрушить их, определить их прочность, можно установить косвеную корреляционную связь между этими параметрами. И в дальнейшем можно определять только резонансную частоту, не разрушая образцы.

Определяя резонансную частоту других образцов или изделий, можно только определить, совпадет ли она с каким-либо значением полу-: ченной табличной зависимости и таким образом узнать, какая прочность соответствует этой частоте.

Недостатком метода является то, что период колебаний, соответствующий резонансу, зависит от размеров образца. Поэтому табличные данные пригодны только для образцов такого размера.

Акустические методы контроля (Часть 2.)

Ультразвуковой импульсный метод получил свое название от способа создания колебаний в испытуемом бетонном образце: при ультразвуковом импульсном методе с помощью пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора создаются ультразвуковые колебания, при ударном методе возбуждаются звуковые колебания. Принимают колебания соответственно пьезоэлектрическим или магнито-стрикционным преобразователем. Принцип действия этих приборов основан на измерении времени (а значит и скорости) распространения звука (или ультразвука) в бетоне. В высококачественном бетоне эта скорость составляет для ультразвука 4500 — 4800 м/с.

При измерении времени распространения ультразвука (звука) в бетоне нам приходится иметь дело с очень малыми промежутками времени - микросекундами, т.е. миллионными долями секунды. Этот промежуток времени очень мал: представьте себе, что автомобиль, мчащийся со скоростью 120 км/ч, успевает пройти за одну микросекунду путь, равный всего лишь 0,03 миллиметра. , т.е. толщине тончайшей папиросной бумаги!

Как же измерить микросекунды. Ведь обычные часы для этого не подойдут. И поэтому в качестве "часов" применяют электронно-лучевую трубку, такую же, как в телевизоре. Широкое дно баллона служит экраном, на котором возникают изображения переданного и принятого ультразвуковых импульсов, а также шкалой электронного циферблата. В узкой части трубки помещена так называемая "электронная пушка", создающая электронный луч, который ударяется об экран. Но летящие электроны невидимы. Однако существуют вещества, которые светятся под ударами электронов. Таким веществом является, например, сернистый цинк; он дает зеленое свечение. Им и покрытодно трубки. Поэтому там, где оканчивается электронный луч, образуется маленькое светящееся пятнышко.

Электронным лучом можно управлять с помощью двух пар электрически заряженных пластин. Одна пара расположена вертикально, а другая — горизонтально. Благодаря им можно заставлять электронный луч отклоняться влево или вправо, вверх или вниз. При перемещении электронного луча световой "зайчик" на экране тоже будет передвигаться. Так как электроны очень подвижны, то они реагируют на необычайно короткие и быстро следующие друг за другом электрические импульсы. В этом и заключаются исключительные свойства электроннолучевой трубки! Раз мы имеем возможность управлять движением электронного луча, то можно заставить его двигаться по экрану слева направо в течение определенного времени, например 1000 микросекунд, а затем возвращаться в исходное положение за 1 микросекунду. Затем снова он начнет плавно двигаться слева направо в течение того же времени и вновь возвратится в исходное положение и тд. Таким образом, электронный луч и его кончик — светлое пятно на экране — будет много раз проходить по одному и тому же пути наподобие стрелки часов. Только в отличие от "настоящих часов" электронный луч движется не по кругу, а по прямой линии вдоль шкалы циферблата, снабженного метками времени. С их помощью можно непосредственно отсчитать время между переданным и принятым ультразвуковым импульсами, изображения которых возникают над циферблатом. Но в ультразвуковой импульсный прибор кроме электронного микросекундомера входят еще генератор ультразвуковых импульсов, усилитель и передающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи — передающий и приемный щупы. Ультразвуковой генератор создает ультразвуковые колебания, которые через передающий щуп А подаются в бетон в виде механических колебаний. Пройдя через толщу бетона, эти колебания достигают приемного щупа Б, преобразующего механические колебания в электрические. Затем колебания подаются в усилитель, усиливаются и поступают на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Одновременно с посылкой импульса в щуп А такой же импульс через специальное устройство поступает на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки. На экране этой трубки появится изображение двух импульсов: переданного непосредственно на ее отклоняющие пластины и прошедшего через бетон и принятого приемным щупом. Эти оба импульса будут находиться над шкалой наших электронных "часов". Благодаря меткам времени на циферблате мы можем непосредственно отсчитать время прохождения ультразвуковых импульсов с одного конца изделия до другого конца.

В отличие от ультразвукового импульсного метода при ударном методе импульс создается электрическим молотком. Удар о поверхность бетона вызывает два вида звуковых волн - продольные и поперечные. Они могут быть восприняты приемниками звуковых колебаний. Чаще всего используют для этого магнитострикционные преобразователи. Время, в течение которого вызванный ударом импульс пробегает определенное расстояние, определяют по электронным "часам" — индикатору. Далее скорость распространения звука находят расчетным путем. В зависимости от того, испытывается ли конструкция по длине или по отдельным участкам, приемный и передающие щупы можно располагать по длине, толщине и по поверхности.

Итак, мы умеем определить скорость звука (или ультразвука) в бетоне. А нам нужно знать прочность!

Наблюдая за изменением скорости распространения ультразвука (звука) в бетоне, строители обнаружили одну важную особенность-чем больше прочность бетона, тем выше скорость распространения ультразвука (звука) в нем. Значит, скорость может быть критерием качества бетона! А как же ее связать с прочностью? В простейшем слу-чае достаточно провести замеры скорости звука (ультразвука) в бетонах различных марок и составить таблицу приблизительной оценки качества бетона. Например, бетон, в котором скорость звука (ультразвука) выше 4500 м/с, признается отличным, т.е. высокопрочным-если эта скорость оказывается ниже 2000 м/с, то бетон считается плохим, т.е. имеющим низкую прочность. Можно, подвергая механическому испытанию кубики, предварительно испытанные ультразвуковыми методами, составить приближенную таблицу соответствия каждого значения скорости прохождения в бетоне звука (или ультразвука) его прочности Конечно, такая классификация сугубо ориентировочная. Но тем не менее она может помочь предварительно установить, к какому диапазону прочностеи можно отнести подлежащий испытанию бетон не разрушая его.

Однако можно определить зависимость "скорость - прочность" не вообще для бетона, а для конкретных условий изготовления изделии и конструкции. Кривую такой зависимости можно построить по результатам ультразвуковых и механических испытаний контрольных образцов из бетона того же состава, изготовленного по той же технологии и при том же режиме тепловлажностной обработки что и изделия или конструкции, подлежащие контролю. Затем образцы хранят до момента испытания в таких условиях, как сами изделия Когда кубики-образцы готовы к испытаниям, то прежде чем раздавить на гидравлическом прессе, их "прозвучивают" с помощью ультразвукового импульсного аппарата и измеряют скорость распространения ультразвука в бетоне. После ультразвуковых испытаний акустическими методами кубики-образцы подвергают разрушению на прессе, а затем строят кривую "скорость-прочность". По этой кривой возможно по измеренной скорости определить прочность бетона в контролируемых участках изделий и конструкций, измеряя скорость распространения ультразвука на этих участках. Значит, в условиях завода, сочетая механические методы с акустическими, можно производить сплошной контроль изделий и конструкций по "кубиковой" прочности. Совместное использование обоих методов контроля прочности бетона сделало контроль качества бетонных изделий и конструкций более надежным и не причиняющим вреда испытуемому изделию и конструкции Их надо только "выслушать", и испытание закончено.

А как быть с готовыми сооружениями, когда никаких кубиков нет! Можно ли непосредственно контролировать их прочность акустическими методами? Да, можно. В этом и заключается преимущество нераз-рушающих методов. В этом случае прочность в сооружениях определяют по скорости распространения звука, вычисляя динамический модуль упругости и учитывая объемную массу и возраст бетона Точность кгких измерений составляет +18%.

Дефектоскопия бетона

28. Акустическими методами можно также выявить наличие трещин и пустот в бетоне исследуемых изделий и конструкций.

Для этого передающий и приемный щупы надо поставить на обе стороны испытуемого объекта. Переданный ультразвуковым генератором импульс будет распространяться по телу бетона с определенной скоростью. Если на своем пути он не встретит препятствия в виде трещины или раковины, то он с той же скоростью дойдет до приемного пункта. Это будет зафиксировано индикатором времени. Если же на пути следования импульса окажутся препятствия, то импульс вынужден будет его обойти, а значит затратит больше времени! Увеличение времени распространения импульса будет сигналом наличия дефекта.

O Компании Цены Виды Бетона Техника О Бетоне Контакты

Всегда на связи по тел.: 927-17-80, 929-69-05, 927-22-68

Всегда на связи по тел.:
927-17-80, 929-69-05, 927-22-68