ТЯЖЕЛЫЕ (ОБЫЧНЫЕ) БЕТОНЫ

Исходные материалы. При выборе разновидности цемента учи­тывают характер конструкции и рекомендации нормативных доку­ментов (ГОСТа, СНиПа). Так, например, при производстве железо­бетонных конструкций промышленных зданий и многих инженер­ных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцемента с повышенным содержанием алита. Если эти конструкции относятся к массивным, то более предпочти­тельны цементы с меньшим содержанием алита, которые меньше выделяют теплоты при реакциях твердения и, следовательно, в ме­ньшей мере конструкции подвержены тепловым неравномерным на­пряжениям. Если конструкция работает в условиях воздействия морской или другой минерализованной воды, тогда выбирают ма-лоалюминатные сульфатостойкие портландцементы и шлакопорт-ландцементы. Гидротехнические сооружения проектируют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с пластифици­рующими и гидрофобными добавочными веществами. Аналогич­ным образом учитывают условия при выборе цемента для других видов бетона.

Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также выбор его марки, исходя из требуемой прочности бетона в конст­рукциях и минимального расхода вяжущего как наиболее дорого­стоящего компонента бетона, избыток которого увеличивает вели­чину усадочных деформаций, а потому и снижает трещиностойкость бетона. Обычно исходят из соотношения, чтобы марка по прочности цемента превышала на 10—40% марку бетона, а при низ­ких марках бетона (110—300) превышение марки цемента составля­ет 100—200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам произ­водится при различных условиях подготовки соответствующих сме­сей и при несходных структурах испытываемых материалов. Имен­но поэтому часто фактически прочность бетона получается на од­ну-две марки выше марки принятого цемента. Чтобы избежать слу­чайности, следует при выборе цемента и расчетах исходить не из марки, а реальной активности (R*) при оптимальной структуре, в те­ории ИСК именуемой расчетной активностью. Она соответствует прочности цементного камня оптимальной структуры, полученной при испытании образцов, изготовленных при технологических па­раметрах и режимах, характерных для принятого или предполагае­мого производства бетона и изготовления бетонных изделий. При проектировании состава бетона общим методом (см. 3.4) можно до­статочно точно обусловить выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (9.3). Строгие требования предъявляются к качеству воды, используемой при затворении бетонной смеси, а также для промывки заполнителей и увлажнения бетона при его твердении в сухих условиях. Рекомендуется приме­нять питьевую воду; не допускаются болотные и сточные воды. Ограничивается содержание растворенных в воде солей, органиче­ских веществ, вовсе не допускаются примеси нефтепродуктов, про­веряется водородный показатель рН, который не должен быть ниже 4,0 и выше 12,5.

Для тяжелых бетонов предусмотрены требования к качеству за­полнителей. Пески используют природные или получаемые дробле­нием плотных морозостойких горных пород с размером зерен не крупнее 5 мм. Важно обеспечить повышенную плотность зернового состава (по кривым плотных смесей) при модуле крупности не ниже 2,0. Ограничивается содержание пылевато-глинистых и других вред­ных примесей, о чем указывалось выше при описании заполнителей. На стадии проектирования состава бетона устанавливают целесооб­разный зерновой состав крупного заполнителя с наименьшим объе­мом пустот и наибольшей крупностью зерен при общих требова­ниях, указанных выше в отношении качества заполнителей[35].

Широко используют в технологии бетона пластифицирующие, воздухововлекающие и противоморозные добавки.

Определение состава бетона. Одной из основных технологиче­ских задач является проектирование состава бетонной смеси. Разра­ботан ряд методов проектирования состава, имеются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необ­ходимо выбирать тот метод проектирования (или подбора), кото­рый при принятой технологии способен обеспечить получение наи­более достоверного состава и оптимальной структуры бетона. Тогда формируется качество бетона, при котором имеется не только комплекс заданных, но и экстремальных показателей свойств, что соответствует закону створа. При всех методах на начальной стадии производится обоснованный выбор исходных материалов, чему способствуют табличные данные и вспомогательные графики, поме­щаемые в соответствующие руководства по подбору составов. В них выбор исходных материалов обусловлен проектной маркой (клас­сом) бетона, разновидностью конструкций и эксплуатационными условиями с учетом не только прочности, но и морозостойкости, во­донепроницаемости и других свойств. На втором этапе всех методов проектирования с помощью расчетов и опытов в лаборатории опре­деляют количественные соотношения применяемых исходных мате­риалов. Важно найти наиболее достоверные и закономерные спосо­бы определения таких соотношений с гарантией получения бетона не только необходимого качества по показателям свойств, но и оп­тимальной структуры. На третьем этапе в методах обычно преду­смотрен выпуск пробного замеса бетонной смеси и более полная техническая характеристика качества этой смеси с возможным кор­ректированием (уточнением) проектного состава.

Изложенный в теории ИСК общий метод проектирования соста­ва и оптимальной структуры в полной мере, естественно, относится к тяжелому и другим видам цементных бетонов. Принятое в общем методе отношение с/ф становится водоцементным (В/Ц) или водо-твердым при более сложном вяжущем веществе.

Ниже изложен общий метод применительно к тяжелому плотному цементному бетону, но вначале следует уточнить общие закономер­ности из теории ИСК, на которые опирается этот метод. Среди зако­нов видное место занимает закон створа (см. рис. 3.13), а в отноше­нии механических свойств действует закон прочности оптимальных структур: произведение прочности бетона на степенную функцию фа­зового отношения (В/Ц) есть величина постоянная. Такой постоян­ной величиной служит аналогичное произведение прочности цемент­ного камня на его водоцементное отношение при оптимальной структуре, возведенное в ту же степень, т. е. R*∙;(В/Ц*) ⁿ. Прочность R* цементного камня оптимальной структуры находится опытным пу­тем при испытании образцов, хотя возможен и расчетный метод по формуле Фере: R=K[c/(c+e+a)]², где K — константа; с, е, а — абсолют­ные объемы соответственно цемента, воды и воздуха в смеси. Как от­мечал А.В. Волженский [8], было бы более целесообразно в формуле принять абсолютный объем новообразований цемента с учетом объе­ма гелевых пор (Т. Пауэре. М., 1955).

Показатель степени n в обоих случаях отражает влияние запол­няющих компонентов и общую степень дефектности структуры бе­тона.

Из закона прочности оптимальных структур и общей формулы (3.1) следует и общая формула прочности бетонов:

(9.3)

где R_б — прочность цементного бетона оптимальной структуры, вы­раженная любой ее характеристикой (предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении центральном или изгибе и т. п.); R_ц* —прочность цементного камня оптимальной структуры, выра­женная той же характеристикой, которая была принята для оценки прочности цементного бетона (и в том же возрасте); x — отношение фактической величины В/Ц бетона к В*/Ц цементного камня оптимальной структуры; оно равно отношению усредненных толщин (δ; δ*) пленок водной среды в свежеизготовленных материалах, т. е. x = В/Ц / В*/Ц = δ/δ*; n — показатель степени, отражающий влияние качества заполняющих материалов, дефектов структуры на прочность бетона; R* — экстремум в зависимости R = f (В/Ц), определяется опытным путем.

Для исходных материалов, применяемых в цементном бетоне, и принятой технологии изготовления бетона с ее конкретными пара­метрами и режимами все члены формулы (9.3) имеют вполне опреде­ленный физический смысл. Из формулы следует, что повышения прочности бетона можно достигнуть, во-первых, путем всемерного увеличения R_Ц* — введением химических добавок типа катализато­ров или поверхностно-активных веществ, увеличения содержания кристаллической фазы на стадии твердения, дополнительным помо­лом, переходом на более высокие марки вяжущего и др. Из форму­лы (9.3) следует также, что для той же цели требуется уменьшать значение реального В/Ц и показателя степени п. Первое достигается с помощью пластифицирующих и суперпластифицирующих доба­вок, интенсификацией перемешивания смеси или другими мерами, снижающими толщину пленок водной среды на твердых частицах цемента или другого вяжущего; второе достигается фракционирова­нием и промывкой заполнителя, составлением плотных смесей, при­менением кубовидного крупного заполнителя, активированием по­верхности зерен и т. п. Большой резерв повышения прочности заключается в оптимизации технологических переделов, особенно режимов уплотнения при формова­нии и тепловых режимов при обра­ботке отформованных изделий и конструкций.

Формула (9.3) графически выра­жается гиперболической кривой в прямоугольной системе координат (R, В/Ц). Понятно, что этот график (рис. 9.7) аналогичен графической зависимости для любых ИСК (см. рис. 3.15, б). Однако на рис. 3.15, б отсутствует третья плоскость и соответственно ось аппликата (В+Ц) или (П+Щ), показанная на рис. 3.8 в виде (с+ф) и на рис. 3.15, а.

 

Рис. 9.7. Гиперболические кривые прочности бетонов оптимальной структуры; интенсивность спада прочности зависит от заполнителя: I — прочный известняк; II — гранитный щебень; III — керамзитовый гравий; IV — природный гравий (необработанный)

 

На плоскости R(В+Ц) ей соот­ветствует формула прочности бето­на оптимальной структуры:

(9.4)

Ее можно также выразить не процентах, а в долях единицы.

Объединением формул (9.3) и (9.4) получена формула (9.5) в пол­ном виде:

(9.5)

В ней нашли отражение все основные факторы, влияющие на ве­личину прочности при воздействии на бетон практически любых на­пряжений (сжатия, растяжения, сдвига и др.), а именно: содержание вяжущего вещества (В+Ц), а следовательно, и заполняющей части П+Щ =100 — (В+Ц),% по массе; водоцементное отношение В/Ц; качество (расчетная прочность) вяжущего вещества оптимальной структуры R*; пористость k, %; качество заполнителя по отношению к принятому вяжущему веществу и (В+Ц) (степенной показатель n); жесткость бетона или количество заполнителя, а следовательно и (В+Ц) (показатель т); технологические параметры и режимы; эф­фективность добавочных веществ (добавок), отражающаяся на зна­чениях В*/Ц и R*. Отсюда следует, что на технологической стадии безусловно возможно и необходимо регулировать и управлять чис­ловым значением прочности и других свойств, но при непременной оптимизации структуры, соответствующей реальной технологии бе­тона. Только при ней действуют общие и объективные законы ИСК.

Здесь необходимо снова вернуться к формуле (3.13), которая применительно к бетонам выглядит так:

(9.6)

где М = В + Ц — цементное тесто в долях единицы (по массе). Из формулы по-прежнему видно, что важно всемерно увеличивать расчетную величину активности матричного (вяжущего) вещества с соответственным уменьшением значения М, что после вычисле­ния требуемого водоцементного отношения по формуле (9.6) адек­ватно уменьшению расхода цемента в бетоне (в кг/м³) до рационального минимума. Последний обычно обусловлен высо­кой плотностью и морозостойкостью бетона. При оптимальных структурах все эти параметры качества бетона находятся в тесней­шей взаимосвязи.

После уточнения формул прочности ИСК применительно к бе­тону целесообразно изложить последовательность проектирования состава тяжелого цементного бетона, в том числе с использованием компьютерной программы.

1. Определение расчетной активности цементного камня R* как матричной части бетона и минимального значения фазового отно­шения B*/Ц, обеспечивающего, при принятых технологических условиях, оптимальную структуру. Для этого из цементного теста с 3—4 различными В/Ц, отличающимися между собой на величину 0,02—0,03, изготовляют образцы-кубики размером 10x10x10 см пу­тем уплотнения их способом, принятым в технологии производства проектируемого изделия[36]. В качестве исходного может быть приня­то В/Ц, соответствующее нормальной густоте цементного теста. По­сле графического построения функции R = f (В/Ц) находят и уточня­ют искомое значение В*/Ц при наибольшей прочности цементного камня R*.

2. Определение состава плотной смеси песка (П) и щебня (Щ). Сосуд объемом 2 л заполняют мокрым щебнем и уплотня­ют способом, принятым в технологии. После установления ста­бильного уровня щебня сосуд взвешивают, определяя фактиче­скую массу щебня. Затем в сосуд постепенно добавляют заранее взвешенный и смоченный водой песок, который заполняет пус­тоты между зернами щебня при непрерывной вибрации. После полного заполнения пустот песком определяют массу сосуда с щебнем и песком, находящимся в пустотах крупного заполните­ля, тем самым устанавливая оптимальное соотношение по массе. Полнота заполнения пустот щебня песком возрастает при при­менении мокрых материалов и определяется по максимальной массе смеси (см. рис. 3.14).

3. Определение оптимального количества исходных материалов в бетонной смеси. С этой целью выполняют две последовательно че­редующиеся операции: вспомогательную и основную.

Вспомогательная операция является экспериментальной, необ­ходимой для определения показателей степени n и m, используемых в формулах прочности и составов.

По лабораторным данным строят кривую оптимальных структур (см. рис. 3.15) при произвольно выбранном значении (В/Ц)_A и находят в точке А величину R_A на кривой ДВЕ, а также значение (В/Ц)_B в точке В. Прочность R_A имеется и на кривой KL, которой к началу экспериментов хотя еще и нет, но о ее ве­роятном существовании, как и кривой оптимальных структур из теории ИСК, известно. И тогда полученных данных R_A, (В+Ц)_B, (В/Ц)_A достаточно, чтобы определить значения показателей сте­пени лит согласно вышеприведенным формулам, поскольку другие требуемые значения R_Ц* и В*/Ц ранее были определены (на первом или втором этапах проектирования). Важно по­мнить, что величина m_x — переменная и при новых В/Ц или R требует уточнения.

Основная операция второго этапа проектирования оптимально­го состава бетона (как и всех других ИСК) является расчетной, причем сначала рассчитывают расход материалов (Ц, В, П, Щ) в % по массе на 1 тонну смеси, а затем пересчитывают в % по массе на 1 м³ бетонной смеси или 1 м³ бетона, например в абсолютно плотном теле.

Последовательность (алгоритм) расчета

Искомое водоцементное отношение:

Искомый расход цементного теста:

где показатель степени m_x отличается от ранее полученного значения m, так как определяется при новом значении (В/Ц)_иск, а не при преж­нем (В/Ц)_А, а именно:

Количество цемента на 1 т смеси:

Количество воды на 1 т смеси

Количество песка и щебня определяют из условия:

при ранее найденном значении П/Щ, а именно:

— количество песка,

— количество щебня[37].

Пересчет расхода материалов на 1 м³ бетонной смеси (без уче­та воздушных пор) производится в следующей последователь­ности.

Определяем абсолютные объемы всех материалов (при условии, что известны истинные плотности ρ_ц, ρ_в, ρ_п, ρ_щ, взятые в количест­вах для образования 1 т смеси):

Пишем соотношение:

если сумма соответствует 1000 кг, а 1000 л соответствует x кг, то

И тогда расход материалов на 1 м³ бетонной смеси:

цемента Ц ∙ х кг;

воды В ∙ х кг;

песка П ∙ х, кг;

щебня Щ ∙ х кг.

Контрольная проверка на плотность:

л[38].

На третьем этапе проектирования рассчитывают расход материа­ла при производственном составе, т. е. с учетом влажности песка и щебня; изготовляют контрольный замес (лучше в производственных условиях, применительно к которым были приняты технологические параметры и режимы формования и хранения) и образцы с оценкой свойств бетона в требуемом (обычно в 28-дневном) возрасте. Послед­нее производят с учетом известного логарифмического закона. На этом этапе завершается проектирование[39]; состав передается заводу.

Приведенный выше метод расчета состава бетона оптимальной структуры легко и быстро выполняется, если воспользоваться одной из компьютерных программ, а именно Microsoft EXCEL, таблица которой состоит из бесчисленного количества строк (1, 2, 3...) и ко­лонок (А, В, С, D...). Разместив в колонке «А» наименования пока­зателей свойств, а в колонке «В» соответствующие показатели этих свойств и формулы, необходимые для расчета, можно составить программу, удобную для расчета многих составов бетона с оптима­льной структурой (табл. 9.6). Числовой пример — в столбце С.

Таблица 9.6. Последовательность расчета состава бетона оптимальной структуры с использованием Microsoft EXCEL

	А	В	С
1	Rзад, МПа		17,5
2	В*/Ц		0,25
3	R*, МПа		32,2
4	П/Щ		0,55
5	RA		20,4
6	(В/Ц)А		0,55
7	(В+Ц)А, %
8	n	= (LOG(B3/B5)/(LOG(B6/B2))	0,58
9	(В/Ц)иск	= В2*((ВЗ/В1)^(1/В8))	0,72
10	mх	= (LOG(B3/B5))*B9/((LOG(100/B7)*B6)	0,37
11	ρц, г/см3		3,1
12	ρп, г/см3		2,4
13	ρщ, г/см3		2,5
14	(В + Ц)иск, %	= 100((В9/В2)^(В8/В10))	19,21
15	ρбс, кг/м3	= 1000000/((10*В14/(1+В9)*В1 1))+(10*В14*В9/ /(1+В9))+(10*(100-В14)*В4)/((1+В4)*В12))+ +(10*(100-В14)/((1+В4)*В13))	2251,05
16	Ц, кг на 1 м3	= В14*В15/((1+В9)*100))	251,87
17	В, кг на 1 м3	= В14*В9*В15/((1+В9)*100))	180,54
18	П, кг на 1 м3	= (100-В14)*В4*В15/((1+В4)*100))	645,33
19	Щ, кг на 1 м3	= (100-В14)*В15/((1+В4)*100))	1173,32

 

Компьютерный метод расчета обладает большой наглядностью. Применение его позволяет после внесения в таблицу расчетных фор­мул:

мгновенно получить результаты с любой заданной точностью;

исключить ошибки, которые довольно часто возникают при ра­боте с калькулятором;

одновременно выполнять расчеты нескольких составов бетона при изменении свойств исходных материалов;

наблюдать за влиянием отдельных факторов на результаты рас­чета и анализировать их.

В настоящее время пока еще распространен подбор состава тяже­лого бетона по методу «абсолютных объемов», разработанному Б.Г. Скрамтаевым и его научной школой.

На первом этапе принимают исходные данные в отношении про­ектного класса бетона по прочности и другим свойствам. Для обо­снования данных используют технические документы — проект здания или сооружения, проект бетонных элементов, проект органи­зации работ, СНиП и другую проектную и нормативную докумен­тацию. Существенной характеристикой бетонной смеси (в зависимо­сти от проектных и производственных условий) принимается подвижность, выражаемая в сантиметрах, или жесткость, выражае­мая в секундах, и определяемые по ГОСТ 10181—81. Производится выбор заполнителей, возможных фракций при их разделении (классификации), а также размера наибольшего зерна (щебня или гравия) в зависимости от вида конструкции и способа укладки бетонной смеси. Обосновываются вид и марка цемента, его минимально допу­стимое количество в зависимости от условий работы конструкции и подвижности (жесткости) бетонной смеси. Обусловливается реко­мендуемый расход воды в зависимости от подвижности бетонной смеси, вида и крупности заполнителя, а именно: чем меньше жест­кость (выше пластичность) смеси и мельче наиболее крупный раз­мер щебня (гравия), тем больший расход воды рекомендуется при­нимать в бетонной смеси, выражаемый в л/м³.

На втором этапе определяют состав бетона расчетно-экспери-ментальным способом в такой последовательности: а) определяют водоцементное отношение (В/Ц) по данным предварительных опы­тов, которые помогают установить графическую зависимость проч­ности бетона от В/Ц при данной активности цемента и применении принятых местных заполнителей (табл. 9.7). Чаще, однако, пользу­ются формулой, которая следует из формулы прочности Боло-мея—Скрамтаева:

при В/Ц > 0,4 (9,7)

при В/Ц < 0,4 (9,7)

Таблица 9.7. Значения коэффициентов А и A₁

Заполнители бетона	А	A1
Высококачественные	0,65	0,43
Рядовые	0,60	0,40
Пониженного качества	0,55	0,37

 

б) определяют расход воды (В) по требуемой подвижности бе­тонной смеси на основании результатов предварительных испыта­ний или по таблице, но с обязательным последующим корректиро­ванием применительно к исходным материалам (рис. 9.8);

 

Рис. 9.8. График водопотребности бетонных смесей жестких (а) и пластичных (б), приготовленных с применением портландцемента, песка средней крупности и гравия наибольшей крупности:

1 — 80 мм; 2 — 40 мм; 3 — 20 мм; 4 — 10 мм (при использовании вместо гравия щебня расход воды увеличивают на 10 л. При использовании пуццоланового портландцемента расход воды увеличивают на 15—20 л. При применении мелкого песка расход воды увеличивают на 10—20 л)

 

в) находят расход цемента (Ц): Ц = В:В/Ц. Может оказаться, что полученная величина расхода цемента на 1 м³ бетона ниже допусти­мого нормами минимума и принятого по таблицам на первом этапе подбора. Тогда величину Ц увеличивают до требуемой нормы с со­ответствующим увеличением количества воды В, с тем чтобы неиз­менным оставалось расчетное водоцементное отношение. Следует отметить, что минимально допустимый расход цемента для бетон­ных конструкций 200 кг/м³, для железобетонных — 220 кг/м³;

г) по полученным значениям В/Ц и Ц устанавливают так называ­емый коэффициент раздвижки (α) зерен щебня или гравия, который вводят в расчеты для увеличения количества песка, чтобы повысить подвижность бетонной смеси за счет отдаления (раздвижки) зерен щебня или гравия друг от друга. Чем выше требуемая пластичность бетонной смеси, тем дальше должны быть отдалены зерна щебня и, следовательно, больше величина а. Она возрастает также при уве­личении расхода цемента и принимается: для подвижных смесей — 1,25—1,55, для жестких бетонных смесей — 1,05—1,15;

д) определяют расход щебня (или гравия) по формуле

(9.9)

е) определяют расход песка по формуле

(9.10)

В двух последних формулах ν_пуст = 1-(ρ_0Щ/ρ_Щ); ρ_Ц, ρ_П и ρ_Щ — ис­тинные плотности соответственно цемента, песка и щебня; ρ_0нас.Щ — насыпная плотность крупного заполнителя (щебня или гравия).

Формулы нетрудно выводятся из условий, что сумма абсолютных объемов исходных материалов в 1 м³ уплотненной бетонной смеси близка к 1000 л и что объем пустот в щебне заполняется суммой объемов песка, цемента и воды при некоторой раздвижке крупных зерен (что учитывается сомножителем α).

После определения количества компонента расчетная средняя плотность бетонной смеси равна ρ_б.с= Ц + П + Щ + В (кг/м³). У тя­желых бетонов величина ρ_б.с обычно не превышает 2500 кг/м³.

На третьем этапе подбора проверяют проектный состав бетона. С этой целью приготовляют пробный замес и определяют подвиж­ность или жесткость бетонной смеси. Если величина этой характе­ристики окажется на уровне заданной, то из смеси изготовляют кон­трольные образцы из расчета не менее трех на каждый срок испытания. Их хранят в течение суток в помещении при температу­ре 16—20°С, а оставшееся время до испытания — в специальной камере или в нормальных температурно-влажностных условиях (температура 20°С; влажность воздуха 95—100%). Если величина подвижности окажется меньше заданной, то постепенно увеличива­ют содержание воды и цемента в бетонной смеси, сохраняя постоян­ным водоцементное отношение. Если подвижность окажется боль­ше заданной, то в бетонную смесь добавляют песок и щебень (или гравий), сохраняя их отношение по массе. Получив величину по­движности на уровне заданной, изготовляют пробные образцы, вы­держивают и испытывают их для проверки соответствия прочности и других свойств бетона заданным техническим требованиям.

Состав бетона представляют в двух выражениях: номинальном и производственном. Номинальный — это когда расходы материалов на 1 м³ бетонной смеси относят к расходу цемента в виде Ц/Ц:П/Ц:Щ:Ц = 1:П/Ц:Щ/Ц. Данная пропорция показывает, сколь­ко частей сухого песка и сухого щебня приходится на 1 часть (по массе) цемента при приготовлении 1 м³ бетона. Обязательно указы­вают также величину В/Ц. Переход от номинального состава к про­изводственному связан с учетом естественной влажности заполните­лей. Для этого определяют влажность и реальное содержание влаги (воды) в песке и щебне. Эту воду вычитают из расчетного расхода воды, а при дозировании на заводах ее засчитывают с массой запол­нителей, к которым добавляют их массу, равную соответствующим массам воды в сырых заполнителях.

Приготовление бетонной смеси и ее свойства. Запроектирован­ный номинальный состав, пересчитанный на производственный со­став бетонной смеси, передают на завод для изготовления изделий или конструкций. На бетонном заводе в соответствии с заданным составом производится дозирование путем отвешивания (реже - объемного отмеривания) принятых исходных материалов — цемента, песка, щебня, воды и др. Дозирование осуществляют с помощью автоматических, реже ручных дозаторов. Порции материалов по проектному составу направляют в бетоносмесительные машины с принудительным или свободным (гравитационным) смешиванием отдозированных материалов. Емкости бетоносмесителей колеблют­ся от 100 до 250 л в передвижных (рис. 9.9) и от 250 до 4500 л в стационарных установках (рис. 9.10). Чем менее подвижными, жест­кими ожидаются смеси, тем целесообразнее использовать принуди­тельное перемешивание, осуществляемое с помощью противоточ-ных или роторных бетоносмесителей. Главным смешивающим органом в них служат лопасти или лопатки, а смесь размещается в горизонтальных чашах при периодическом выпуске смеси или в ци­линдрических барабанах — при непрерывном действии смесителя. Бетоносмесители непрерывного действия имеют большую произво­дительность (до 120 м³/ч) и меньшую удельную затрату электроэнер­гии, чем бетоносмесители периодического действия.

При изготовлении мелкозернистых и песчаных бетонных сме­сей нередко используют и другие типы смесителей, например шнековые с приводным горизонтальным валом, размещенным вдоль лотка, или струйные непрерывного действия с перемешиванием в «кипящем» слое в зоне электрического поля во встречных потоках противоположно направленных струй сжатого воздуха. Процессы дозирования, загрузки и перемешивания контролируют электро­пневматической системой, особенно на стационарных заводах.

Хорошо перемешанная, однородная бетонная смесь выгружает­ся в бункер или транспортную емкость (автомобильные вагонетки, бадьи, бетононасосы, трубопроводы и др.). Если смесь обладает высокой пластичностью, то в пути следования к месту ее укладки предусматриваются специальные меры для предотвращения рассла­ивания, например дополнительное перемешивание или транспорти­рование сухой смеси с внесением расчетной порции воды в пути сле­дования к объекту, введение добавочных веществ — минеральных, пластифицирующих и др.

При выходе из смесительного аппарата фактический объем бе­тонной смеси значительно меньше суммы объемов применяемых ма­териалов, как компонентов смеси. Так, если сумму объемов исход­ных сухих материалов бетонной смеси обозначить как x+y+z, то фактический объем (V_б) бетонной смеси составит V_б = r(x+y+z), где r < 1 называется коэффициентом выхода бетона. В зависимости от состава бетона коэффициент выхода колеблется в пределах от 0,55 до 0,75. Такое снижение фактического объема бетона по сравнению с суммой объемов сухих материалов объясняется тем, что часть пес­ка и тем более цемент размещаются в межзерновом пространстве крупного заполнителя. При назначении емкости бетоносмесителя необходимо принимать не менее суммы объемов сухих материалов, т. е. (x+y+z) литров, так как поступающие сухие материалы занима­ют до перемешивания объем, почти равный сумме их объемов в от­дельности. С учетом коэффициента выхода рассчитывают количест­во (n) замесов в бетоносмесителе данной емкости (а) для получения определенного количества бетонной смеси (В), а именно: п = В/(rа).

Подобно другим конгломератным смесям, бетонная представля­ет собой дисперсную систему, в которой в роли дисперсионной сре­ды выступает цементное тесто, а твердой дисперсной фазой является механическая смесь мелких и крупных заполнителей. Если при необ­ходимости в бетонную смесь были добавлены порошкообразный наполнитель или иной микродисперсный компонент, растворимый или нерастворимый в воде, то они, являясь по размеру частиц соиз­меримыми с частицами цемента, относятся к дисперсионной среде. Понятно, что эта среда является микрогетерогенной, поэтому после отвердевания в бетоне она образует цементный камень сложного со­става, называемый, по выражению проф. В.Н. Юнга, микробето­ном. На стадии проектирования состава бетонной смеси предусмат­ривается, чтобы все компоненты в бетонной смеси находились на возможно более малых расстояниях друг от друга, с тем чтобы на микро- и макроуровнях полнее проявлялись внутренние силы взаи­модействия частиц. Особенно важно, чтобы была обеспечена опти­мизация структуры бетонной смеси, при которой цементное тесто образует непрерывную пространственную сетку (матрицу) в смеси при минимальном отношении массы жидкой (В) и твердой (Ц, Т) фаз (В/Ц или В/Т) и принятых технологических условиях изготовле­ния и применения бетонной смеси. Если снижение этого фазового отношения продолжить, то неизбежно образование дискретности (прерывистости) пленки водной среды на высокоразвитой поверх­ности частиц цемента и других микронаполнителей. Оптимизация заключается и в том, что полученная бетонная смесь однородна по пространственному расположению в ней микро- и макрочастиц. Кроме того, заполнители образуют достаточно плотную смесь, что желательно для снижения расхода вяжущего вещества и стоимости бетона.

Бетонная смесь направляется для формования из нее изделий или конструкций (монолитных или сборных). Если параметры по­следующих технологических операций (транспортирования, формования, уплотнения) с бетонной смесью были учтены на стадии про­ектирования ее состава, то эти операции не вызывают каких-либо неожиданностей в поведении смеси. Она транспортируется без рас­слаивания и разрывов в потоке, формуется и уплотняется без необ­ходимости увеличения или снижения интенсивности механических воздействий, кроме тех, которые были учтены на стадии проектиро­вания состава бетонной смеси. Минимум неожиданностей возникает на стадии тепловлажностной обработки отформованных изделий и конструкций, поскольку реальные ее режимы были по возможности учтены на стадии проектирования состава бетона.

Однако в производственных условиях всегда возможны отклоне­ния от технологических параметров и режимов, принятых при проектировании состава смеси. В результате таких отклонений бе­тонная смесь может оказаться недостаточно подвижной и удобообрабатываемой на какой-либо стадии производственного цикла. Особенно важно иметь подвижные смеси при изготовлении армиро­ванных изделий. Чтобы уменьшить связанные с этим технологиче­ские дефекты в изделиях (конструкциях), контролируют реологиче­ские характеристики бетонной смеси. Простейшими и имеющими, в известной мере, физический смысл реологическими характеристика­ми на производстве и в лабораториях приняты в настоящее время подвижность и жесткость бетонной смеси, косвенно отражающие ее вязкостные свойства. Если показатели этих свойств поддерживать в заданном пределе допустимых отклонений, технологический про­цесс изготовления изделий (конструкций) окажется нормальным и бездефектным.

Подвижность отражает способность бетонной смеси, которой была предварительно придана некоторая условная форма, напри­мер правильного усеченного конуса, деформироваться под влияни­ем собственной тяжести, расплываясь или ссаживаясь и приобретая иную форму или сохраняя ее при других размерах. Подвижность бе­тонной смеси измеряют с помощью стандартного металлического конуса (рис. 9.11), который заполняют испытуемой смесью с по­слойным уплотнением. При осторожном подъеме металлической формы бетонный конус осаживается под собственной тяжестью. Если величина осадки конуса находится в пределах 2—4 см, то сме­си относят к малоподвижным, 4 —12 см — к подвижным и более 12 см — к текучим (литым). При осадке конуса, равной нулю, смесь — жесткая, и тогда ее удобоукладываемость оценивается с по­мощью специального прибора для определения условного показате­ля жесткости.

Жесткость бетонной смеси характеризуют продолжительно­стью (с) вибрирования на стандартной виброплощадке (частота колебаний 3000 колебаний в минуту, амплитуда колебаний -0,5 мм), необходимого для выравнивания и уплотнения предварите­льно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для опреде­ления жесткости (рис. 9.12). Цилиндрическое кольцо прибора, внут­ренний диаметр которого 240 мм, устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и жестко закрепляют стандартный конус высотой 200 мм, который за­полняют бетонной смесью в установленном по стандарту порядке и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Затем од­новременно включают виброплощадку и секундомер и набл