БЕТОН ДЛЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Бетон для гидротехнических сооружений должен обеспечивать длительную службу конструкций, постоянно или периодически омываемых водой. Поэтому в зависимости от условий службы к гидротехническому бетону помимо требований прочности предъявляют также требования по водонепроницаемости, а нередко и по морозостойкости. Выполнение этих дополнительных требований достигается правильным определением состава
бетона.
Требования по водонепроницаемости и морозостойкости дифференцированы в зависимости от характера конструкции и условий ее работы. Обычно гидротехнический бетон делят на следующие разновидности: подводный, постоянно находящийся в воде; расположенный в зоне переменного горизонта воды; надводный, подвергающийся эпизодическому омыванию водой. Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон напорных и безнапорных конструкций.
Прочность на сжатие гидротехнического бетона определяют в возрасте 180 сут. В строительстве применяют бетон классов В10 ... В40.
По водонепроницаемости в 180-ти суточном возрасте бетон делят на четыре марки: W2;W4;W6;W8 . Бетон марки W2 при стандартном испытании не должен пропускать воду при давлении 0,2 МПа, бетон марок W4; W6; W8 - при давлении соответственно 0,4; 0,6 и 0,8 МПа.
По морозостойкости гидротехнический бетон делят на пять марок: F50; F100; F150; F200; F300 . В этом случае марка определяет число циклов замораживания и оттаивания (в возрасте 28 сут), после которого прочность бетона снизилась не более чем на 25%. Требование морозостойкости предъявляется лишь к тем гидротехническим бетонам, которые в конструкциях подвергаются совместному действию воды и мороза.
Состав гидротехнического бетона можно определить рассмотренным выше методом. Специальные свойства этого бетона, например, водонепроницаемость, обеспечиваются: 1) выбором материалов, обеспечивающих требуемые морозостойкость и водонепроницаемость; 2) определением В/Ц исходя не только из уровня прочности, но и из условия долговечности; 3) назначением расхода цемента в определенных пределах; 4) выбором коэффициента раздвижки а, обеспечивающего получение плотного и долговечного бетона; 5) применением в некоторых случаях микронаполнителей, уменьшающих тепловыделение и объемные деформации и гарантирующих получение плотного бетона при низких расходах цемента; 6) применением воздухововлекающих добавок.
Наиболее важным является правильное назначение В/Ц, что косвенным образом обеспечивает получение бетона требуемой плотности, хотя наилучшие результаты достигаются при выполнении всего комплекса мероприятий.
Для гидротехнического бетона допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях сульфатостойкого цемента.
Пуццолановый цемент характеризуется большей физической и химической стойкостью при действии на бетон природных вод, как пресных, так и минерализованных, малым тепловыделением при твердении, большей плотностью цементного камня, а следовательно, и бетонная смесь (данного состава и подвижности) отличается меньшей склонностью к водоотделению. Однако существенным недостатком бетонов на пуццолановых цементах является их меньшая морозостойкость.
В суровых климатических условиях для зоны сооружений на уровне переменного горизонта воды используют пластифицированный или обычный портландцемент. Первый позволяет получать водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить (на 8 ... 10%) расход цемента и тепловыделение бетона при твердении.
Для особо тяжелых условий при наличии агрессивной воды применяют сульфатостойкий цемент. Желательно, чтобы содержание С3А в цементе для гидротехнического бетона не превышало 3 ... 5%, а сумма С3А + C4AF была меньше 20%. Предпочтительнее также повышенное содержание в цементе белита. Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона применяют химические добавки: СДБ, СНВ суперпластификаторы и органо-минеральные добавки.
Для уменьшения расхода цемента, а следовательно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плотности бетона в него вводят различные микронаполнители. Для гидротехнических сооружений в качестве такой добавки используют золу-унос.
Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспечивать его водостойкость и морозостойкость. Лучше всего применять кварцевые пески, а щебень или гравий - из изверженных или осадочных пород, водостойкость и морозостойкость которых подтверждены опытом. Особое внимание следует уделять зерновому составу заполнителя: по возможности обогащать песок.
Высокопрочный бетон
В современных условиях возможно получать высокопрочные бетоны с прочностью 50 ... 100 МПа и особо высокопрочные с прочностью более 100 МПа. На практике более широкое применение получили высокопрочные бетоны с прочностью 50 ... 80 МПа. Для получения высокой прочности необходимо создать особо плотную, прочную и монолитную структуру бетона. Этого можно достигнуть при выполнении ряда условий, вытекающих из физических основ структурообразования бетона: 1) применением высокопрочных цементов и заполнителей; 2) предельно низким водоцементным отношением; 3) высоким предельно допустимым расходом цемента; 4) применением суперпластификаторов и комплексных добавок, способствующих получению плотной структуры бетона; 5) особо тщательным перемешиванием и уплотнением бетонной смеси; 6) созданием наиболее благоприятных
условий твердения бетона.
Для высокопрочных бетонов следует применять цементы активностью Rц > 50 МПа, желательно с низкими значениями нормальной густоты. В зависимости от назначения бетона для его приготовления целесообразно использовать цемент определенного минералогического состава. При изготовлении сборных железобетонных изделий небольших и средних размеров применяют высокопрочные тонкомолотые портландцементы с повышенным содержанием C3S и С3А и быстротвердеющие цементы. Для массивных изделий и конструкций, изготовляемых на полигонах без тепловой обработки, рекомендуется применять цементы с пониженным содержанием С3А и ограниченным содержанием C3S (менее 50 %), лучше всего белитовые. Такие цементы твердеют в течение длительного срока, обеспечивая высокую конечную прочность бетона. В первые сутки твердения тепловыделение и усадка цемента небольшие и соответственно объемные деформации и вредные собственные напряжения и в бетоне также невелики. Для обеспечения более равномерного твердения могут также использоваться пластификаторы и замедлители твердения.
Заполнители для высокопрочного бетона должны быть чистыми и обладать хорошим зерновым составом и малой пустотностью, не содержать по возможности слабых зерен. Предел прочности крупного заполнителя должен быть на 20 % выше заданной прочности бетона. С повышением прочности бетона влияние заполнителя на структуру бетона и результаты испытаний постепенно увеличивается. Для каждого заполнителя имеется предельное значение прочности бетона, выше которого на данном заполнителе получить бетон трудно и экономически невыгодно, так как незначительное повышение прочности бетона сопровождается значительным увеличением расхода цемента. Обычно этот предел наступает, когда прочность на растяжение бетона приближается к прочности заполнителя. Для особо высокопрочных бетонов применяют заполнители повышенной прочности из диабаза, базальта и других прочных горных пород
Для получения высокопрочных бетонов необходимо применять более низкие В/Ц, что требует использования специальных приемов, позволяющих плотно укладывать бетонные смеси в этом случае. К таким приемам относится применение композиционных вяжущих веществ или Суперпластификаторов и комплексных добавок, содержащих повышенную дозу пластификатора, регуляторы твердения, микрокремнезем и антивоздухововлекаю-щий компонент; либо использование особо интенсивных способов уплотнения бетонной смеси, например, прессования или роликового проката. В результате достигается высокая плотность и прочность бетона.
3. Бетонная смесь и ее свойства:
- определение бетонной смеси;
- материалы для приготовления бетонной смеси;
- проектирование состава смеси, в том числе с применением математических методов;
Бетонная смесь - это бесформенная, многофазная, многокомпонентная, правильно запроектированная, тщательно перемешанная формовочная масса, состоящая из вяжущего, заполнителей, воды, добавок, вовлеченного воздуха, способная под действием гравитационных сил или внешних воздействий приобретать необходимую конфигурацию или структуру, способную к твердению.
Проектирование состава бетона включает следующие стадии:
1) назначаются требования к бетону в зависимости от места его эксплуатации и технологии его приготовления;
2) выбор материалов для бетона, исходя из их свойств;
3) определение предварительного состава бетона;
4) корректировка состава в пробных замесах;
5) контроль за бетонированием и корректировка в процессах производства, вызванная применением свойств заполнителя и вяжущего.
Перед проектированием состава бетона необходимы следующие исходные данные:
1) прочность бетона (класс бетона), назначаемый в зависимости от места эксплуатации в соответствии с рабочими чертежами;
2) подвижность (жесткость) бетонной смеси - основное свойство, от которого зависят дальнейшие характеристики бетона;
3) способ укладки и формирования бетонной смеси;
4) размер конструкции и ее формы;
5) качество крупного и мелкого заполнителя;
6) качество вяжущего (марка, удельная поверхность, сроки схватывания и твердения, нормальная густота);
7) вода, соответствующая требованиям нормативно-технической документации.
Для проектирования состава бетона в основу его расчета положен абсолютных объемов: 
После подбора материалов определяется В/Ц, которая обеспечит бетону заданную прочность (Re):
где Ru - активность цемента;
А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей и другие неучтенные факторы.
Средний уровень прочности бетона Ry:
где V- коэффициент вариации,
Kmn - коэффициент межпартийной однородности бетона.
Расход воды определяется по таблицам, в зависимости от вида и крупности заполнителя.
Расход цемента:
Расход цемента корректируется с учетом реальных характеристик исходных материалов.
Применяем добавки и соответственно сокращается расход Ц и В.
Затем расчет мелкого и крупного заполнителя.
Коэффициент выхода бетонной смеси:
Производственный состав рассчитывается с учетом влажности заполнителя:
Проектирование с применением математического метода:
1) определяется план и объем эксперимента;
2) выполняются опытные работы в соответствии с планом;
3) с помощью ЭВМ обрабатывают результаты и получают зависимости:
Используя эти зависимости можно рассчитать любой состав бетонной смеси; оптимизировать состав бетонной смеси.