| 2. ЖЕСТКИЕ БЕТОННЫЕ СМЕСИ
С самого начала развития бетонных работ в России широко применялись жесткие бетонные смеси (или как их называли «трамбованные» бетоны). Уплотнение таких смесей в сооружениях производилось ручным трамбованием. Позднее появилось механическое трамбование. По данным II. А. Житкевича, трамбованный бетон вошел в употребление с 1860 г.
Распространение жестких бетонных смесей с минимальным содержанием воды объясняется тем, что они (при условии необходимого уплотнения) давали бетон наивысшей прочности. Еще в 1890 г. инж. Самович писал, что «воды должно быть взято минимальное количество, необходимое для укладки раствора и бетона». Зависимость плотности и прочности раствора и бетона данного состава и при данной работе трамбования от содержания воды отмечается и в трудах проф. Военно-инженерной академии И. Г. Малюги. Им было дано правило выбора оптимального количества воды для трамбованных (жестких) бетонов.
Применение только трамбуемых жестких бетонных смесей считалось в девятисотых годах обязательным для всякого ответственного сооружения.
Проф. Н. А. Житкевич в своем капитальном труде «Бетон и бетонные работы» указывает, что: «...в зависимости от назначения бетона и способа производства работ на практике по количеству воды различают следующие три состава бетона.
1. Жесткий бетон, содержащий нормальное количество воды; при усиленном его трамбовании на поверхности рабочего слоя показываются лишь следы влаги. Благодаря значительному трению между твердыми составными частями жесткого бетона требуется значительная работа трамбования для получения бетона наибольшей плотности... Свежий «жесткий» бетон, сжатый в руке, не оставляет следов раствора на руке и держится в комке, подобно свеже отрытой земле.
2. Пластичный бетон, содержащий некоторый избыток воды, обуславливающей сравнительно большую подвижность составных частей бетона, вследствие чего требуется меньшая работа трамбования для уплотнения бетона, чем для жесткого...
3. Литой бетон содержит больший избыток воды, чем бетон пластичный, и допускает поэтому отливку бетонных сооружений в тех случаях, когда трамбование не может быть применено».
Сравнивая между собой эти три вида бетонов, проф. Житкевич отмечает, что наиболее прочным и дешевым является жесткий бетон, однако при продолжительном твердении прочности пластичного и жесткого бетонов мало различаются. Пластичный бетон имеет более прочную связь с арматурой и дает возможность получить ровные и гладкие наружные поверхности бетонных сооружений. При использовании пластичного или литого бетонов получается большая однородность бетона в массивах значительных размеров, чем при применении жесткого бетона. Сцепление между слоями при перерывах в бетонировании жесткими смесями меньше, чем при пластичных смесях. Жесткие бетоны требуют более тщательного перемешивания бетонной смеси, повышенных трудовых затрат и более строгого контроля. Все это удорожает и усложняет работу с жесткими бетонными смесями.
В результате на практике жесткий бетон применяли главным образом там, где бетонируемые сооружения подвергались значительной нагрузке через короткий срок после их возведения, а также при изготовлении искусственных камней, где требовалось удаление форм немедленно после окончания трамбования.
Проф. Житкевич дает детальное описание технологии трамбованного бетона. К числу преимуществ трамбованного бетона он относит: экономию цемента (до 25%), повышение прочности (до 30%), увеличение плотности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона. Им была установлена связь между необходимой работой трамбования и содержанием воды в бетонной смеси. Трамбование сверх определенного предела не увеличивает прочности и плотности бетона, а при применении пластичных смесей является вредным. Подробное сопоставление достоинств и недостатков смесей различной жесткости дает много полезного для современной технологии бетона.
Оценить степень жесткости применявшихся в те годы бетонных смесей довольно затруднительно, так как количество воды в них, как правило, не фиксировалось. Имеются указания, что жесткий бетон содержал воды 4—4,8% от веса сухих веществ, а пластичный — 5,1—5,7%. Эти цифры соответствуют примерно водосодержанию в пределах 100—115 л/м3 для жесткого бетона и 120—130 л/м3 для пластичного.
Уменьшение поперечного сечения изделий и все большее насыщение их арматурой постепенно вытесняло жесткие (трамбуемые) бетонные смеси из практики бетонных работ. Отсутствие надлежащих машин для хорошего и быстрого уплотнения бетонной смеси и как следствие высокая трудоемкость работ с жесткими смесями, отсутствие возможности хорошего уплотнения бетона путем трамбования между отдельными стержнями арматуры и между арматурой и опалубкой, недостаточная жесткость самой опалубки— все это постепенно привело к распространению пластичных и литых бетонных смесей, не обладающих этими недостатками. Этому способствовало и повышение активности цементов, что для использовавшихся в то время бетонов низких марок позволяло получать необходимые прочности при умеренных расходах цемента и без применения жестких бетонных смесей.
В 20-х и начале 30-х годов в строительстве и промышленности использовались в основном пластичные и литые бетонные смеси. Исследованиями Н. М. Беляева, Б. Г. Скрамтаеза, И. П. Александрина и других ученых были установлены важнейшие свойства пластичных и литых смесей и разработаны основы приготовления и применения таких смесей в строительстве. Эти исследования учитывали работы зарубежных ученых — Мак-Миллана, Боломея, Фере, Абрамса и др., а также развитие техники приготовления и укладки бетонных смесей за рубежом.
Внедрение вибрирования дало возможность качественно уплотнять менее подвижные бетонные смеси, имеющие осадку стандартного конуса 3—6 см вместо требовавшейся ранее осадки конуса 6—12 см и более. В 1933 г. вибраторы широко применялись на Днепрострое. В 1936 г. был начат серийный выпуск вибраторов для укладки бетона.
Помимо гидротехнических объектов, вибрационное уплотнение смеси начинает широко применяться и на предприятиях, выпускающих бетонные и железобетонные изделия и конструкции. Особенно следует отметить Павшинский завод железобетонных изделий, где вибрирование бетонной смеси начало применяться еще в 1932 г.
Широкому распространению вибрирования бетонной смеси во многом содействовали работы по изучению свойств и технологии вибрированного бетона и конструированию вибраторов. Следует, в частности, отметить исследования П. М. Миклашевского,
А. Е. Десова, Б. Г. Окрамтаева, А. И. Авакова, С. В. Шестоперова, Л. П. Петрунькина и др. Значительные работы по применению и исследованию вибрированного бетона были проведены и за рубежом, особенно в США и Германии (Пауэрс, Вальц, Граф, Боломей и др.).
Опыт применения вибрирования на строительстве канала имени Москвы показал, что при надлежащих режимах уплотнения можно укладывать жесткие смеси, не обладающие без вибрирования подвижностью (с нулевой осадкой конуса) и имеющие водосодержание менее 150—170 л/м3. А. Е. Десовым был предложен способ оценки удобоукладываемости бетонных смесей техническим вискозиметром и изучено влияние на удобоукладывасмость зернового состава заполнителя, величины водоцементного отношения и расхода цемента. На основании проведенных работ А. Е. Десов и Н. А. Мощанский в 1936 г. предполагали использовать при производстве бетонных работ смеси со следующими характеристиками (табл. 1).
Приведенные в табл. 1 данные относятся к монолитному бетону. Жесткие смеси рекомендуется использовать лишь в массивных неармированных конструкциях. Уплотнение жестких бетонных смесей в армированных тонкостенных конструкциях при помощи поверхностных, наружных и внутренних вибраторов существовавших в те годы конструкций было затруднительно. Для этого были необходимы более мощные средства уплотнения.
В производстве сборных деталей применялись подвижные и малоподвижные смеси. Маломощные виброплощадки и деревянные формы не позволяли применять более жесткие бетонные смеси. Тем не менее отдельные опыты, проведенные в довоенные годы, показали возможность использования жестких смесей в производстве сборных изделий.
В 1937—1938 гг. инж. А. С. Ладинский выступил в печати с предложением значительно повысить жесткость бетонных смесей при производстве сборного железобетона [40, 41]. Под жесткими им подразумевались смеси, характеризуемые осадкой стандартного конуса 0—2 см (преимущественно с нулевой осадкой) и представляющие «конгломерат из смеси инертных, склеенных между собой минимально необходимой прослойкой цементного камня». Им был предложен метод расчета состава жесткого бетона, предусматривающий применение прерывистого зернового состава заполнителя и наличие минимального избытка цементного теста по отношению к объему пустот заполнителя.
В 1940 г. лабораторные и полупроизводственные опыты по применению жестких бетонных смесей были проведены под руководством И. А. Фалькова в НИЭС Мосгорисполкома. В этих опытах использовались смеси с удобоукладываемостью 40— 60 сек., расходом цемента 240—340 кг/м3 и водосодержанием 140—145 л/м3 Подобные смеси позволили увеличить более чем на 50% прочность бетона по сравнению с малоподвижными смесями, использовавшимися на заводах сборного железобетона (водосодержание 200 л/м3, осадка конуса 1—4 см). Рост прочности явился следствием более низких значений В/Ц в жестких бетонах. Опыты с бетонами, приготовленными на пуццолановом портланд-цементе марки 300, показали, что применение жестких смесей для получения бетонов марок 110—170 позволяет сократить продолжительность пропаривания в 2 раза (с 16 до 8 час.), с одновременной экономией 15—20% цемента. Было установлено, что бетоны из жестких смесей можно пропаривать без предварительного постепенного подъема температуры, что и обусловливает такое резкое сокращение продолжительности цикла тепловлажностной обработки. При неизменном расходе цемента бетоны марок 110—170 были получены даже при четырехчасовом пропаривании.
Возможность применения жестких бетонных смесей была подтверждена при работе на обычном оборудовании производственными испытаниями на заводе № 4 УПСД Мосгорисполкома. Было изготовлено 13 ребристых плит из бетонной смеси с удобоукладываемостью 40—50 сек. Уплотнение бетона осуществлялось на вибророльганге при амплитуде 2 мм и частоте 2 000 кол/мин. в течение 3 мин. Испытание плит, пропаренных в течение 8 час., показало, что плиты обладают значительно большей прочностью, чем требовалось по расчету, это свидетельствовало о достаточном уплотнении и хорошем качестве бетона. Бетонная смесь с удобоукладываемостью 30—35 сек. удовлетворительно уплотнялась на рольганге в течение 2 мин. (амплитуда колебаний 1 мм, частота 2 000 кол/мин).
B других опытах бетонная смесь с расходом цемента 510 кг/м3, В/Ц — 0,3 мм и долей песка в смеси заполнителей r=0,25—0,28, вибрировавшаяся на виброплощадке с частотой 6000 кол/мин и амплитудой (в ненагруженном состоянии) 0,55 мм, не дала удовлетворительного уплотнения. В этом опыте использовался пуццолановый портланд-цемент марки 400, крупнозернистый песок и гранитный щебень с предельной крупностью 20 мм.
При водосодержании 166 и 178 л/м3 и r=0,28 и 0,33 бетонная смесь уплотнялась за 4 мин. вибрирования. После пропаривания в течение 5 час. был получен бетон прочностью 350—380 кг/см2.
На основании этих исследований были выработаны рекомендации по переводу заводов железобетонных изделий на жесткие бетонные смеси.
В. В. Михайлов рассматривал использование жестких бетонных смесей как необходимое условие для получения бетона высокой прочности. В разработанных им в 1941 г. «Указаниях по приготовлению высокопрочных бетонов» предлагается использовать бетонные смеси с удобоукладываемостью 20—30, но не более 50 сек., определяемой через 30 мин. после приготовления смеси. Рекомендуемое в «Указаниях» количество воды в высокопрочном бетоне должно обеспечивать «жесткую сухую консистенцию» бетонной смеси. При предельной крупности 40 мм водосодержание бетонной смеси, приготовленной на щебне, составляет 170 л/м3, на гравии —150 л/м3. Для определения водосодержания бетонной смеси (t) при заданной удобоукладываемости (t) предложена формула:
где В0—водосодержание дайной смеси при удобоукладываемости 60 сек.
Эта формула предполагает наличие прямой зависимости между удобоукладываемостью и водосодержанием смеси, что справедливо лишь в очень ограниченных пределах изменения водосодержания (см. главу III).
Война приостановила дальнейшие исследования жестких бетонных смесей и внедрение их на предприятиях железобетонных изделий. В первые послевоенные годы вопросам использования жестких бетонных смесей также не уделялось должного внимания.
В 1951 г. О. А. Гершберг и В. И. Сорокер предлагали следующие показатели удобоукладываемости для бетонных смесей, используемых на заводах железобетонных изделий (табл. 2).
В подобных, фактически не жестких, а малоподвижных смесях еще находится избыточное количество воды, необходимое только для обеспечения уплотнения бетонной смеси и не требующееся для гидратации цемента и формирования структуры цементного камня. Избыточное количество воды обусловливает повышение расхода цемента для придания цементному камню необходимой прочности и приводит к снижению морозостойкости и повышению ползучести бетона вследствие увеличения содержания цементного камня> в бетоне.
При недостаточно жестких смесях чрезвычайно затруднительно осуществить немедленную распалубку изделий, что вызывает большие осложнения при производстве многопустотных и пистых плит. В связи С ростом жилищного строительства назрела необходимость коренных изменений в технологии производства сборного железобетона, внедрения мероприятий, позволяющих максимально уменьшить расход цемента в бетоне, сократить продолжительность твердения изделий и повысить качество бетона. Для этого наряду с повышением активности и темпов твердения цемента нужно внедрять такую технологию формования изделий, которая позволила бы предельно уменьшить содержание избыточной воды в бетонной смеси. Рекомендуемое и применяемое на некоторых предприятиях уменьшение указанного выше количества избыточной воды с помощью вакуумирования, центрифугирования или электроосмоса в значительной мере усложняет процесс формования изделий и недостаточно эффективно. Так, например, наименьшее водосодержание бетонных смесей после центрифугирования или вакуумирования может составить только 150— 160 л/м3. В то же время опыт применения жесткого трамбованного бетона и особенно изучение состояния промышленности сборного железобетона в ряде зарубежных стран и в первую очередь в странах народной демократии свидетельствовали о возможности использования жестких бетонных смесей со значительно меньшим водосодержанием.
Во «Временных указаниях по применению сборных железобетонных конструкций» рекомендовалось использовать при производстве железобетонных изделий бетонные смеси с повышенной жесткостью, требующие эффективных методов уплотнения (табл. 3).
Проводившиеся широкие работы по исследованию и применению жестких бетонных смесей [3, 15, 29, 4.5, 56, 68, 87] показали, что рекомендуемая в табл. 2 удобоукладываемость бетонной смеси не является предельной.
В настоящее время применение жестких бетонных смесей широко распространено в производстве железобетонных изделий [82, 83].
Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобетона
д-р техн. наук В.И.Сорокер, инж. В.Г.Довжик
Москва 1958
|
