Железобетонные изделия

Как работает структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка. Под ее воздействием в теле возникает деформация. Это значит, что тело будет деформироваться пропорционально приложенной нагрузке (или закону пропорциональности напряжений и деформаций 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 и неупругие? Здесь структурные механические модели уже непригодны. Она не позволяют точно имитировать внутреннюю структуру таких материалов.

Для этой цели потребуются другие механические модели, которые носят название реологических. Они отличаются тем, что состоят из комбинаций двух элементов, которые имитируют два основных свойства твердого тела: упругость и вязкость. Самое простое тело – упругое. Зависимость деформации 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 упруго-вязкой 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 внутреннюю структуру бетонной смеси?

Проведем некоторый анализ. Начнем с внутреннего трения. Это одна из важных характеристик упруго-вязкого 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 упруго-вязких характеристик, как внутреннее трение, сцепление и работа разрушения при сдвиге. Эти физические характеристики расшифровывают понятие «удобоукладываемости». Во-вторых, мы установили, что заполнители и цементное тесто, входящее в состав бетонной смеси, как правило, находятся на границе упруго-вязких 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 ПОНАДОБИЛОСЬ ВИБРИРОВАТЬ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?

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  разжижить смесь в момент укладки. Из многих предложенных способов наиболее эффективным оказалось вибрирование, уничтожающее внутреннее трение бетонной смеси.

Как же вибрация уничтожает внутреннее трение бетонной смеси? Чтобы понять это, проделаем такой эксперимент. Поставим на стол куб, изготовленный из бетона. Чтобы заставить этот куб скользить по поверхности стола, нужно приложить к нему такую силу, 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. Следовательно, его перемещение будет состоять из последовательно небольших скачков, при каждом из которых он сдвинется на некоторое расстояние.

Как же протекает процесс вибрирования? На бетонный куб, поставленный на бетонную 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 скользить даже при очень небольшом наклоне доски. Вернемся снова к бетонной смеси. Что же происходит с ней при вибрации? Внутреннее трение в ней обусловлено тем, что поверхности заполнителей соприкасаются друг с другом. При перемешивании они трутся друг об друга и чем больше 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, большее 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 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 разной интенсивностью, и бетон будет уплотняться равномерно.

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ИНЫЕ СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ?

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? По этому методу в бетонную смесь помещают 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 линии электропередач.

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

Допустим, требуется изготовить плоскую горизонтальную плиту в опалубке. В начале 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 хлопчато-бумажным фильтром. Верхняя грань рамы герметически закрыта листовым металлом. Образованную таким образом полость присоединяют к вакуум-насосу. Щит сделан воздухонепроницаемым по линии соприкосновения с поверхностью бетона. Для контроля разряжения 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?

Итак. Бетон приготовлен, уложен в форму и обезвожен.

Теперь он должен затвердеть и набрать прочность. 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? При увлажнении в нем будут происходить химические процессы. Они превратят минералы, из которых состоят цементные зерна в новые стабильные образования – гидросиликаты калия. Этот процесс преобразования очень длительный; он может совершаться годами. Но строителям столько ждать нельзя!

Поэтому устанавливают 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 суток.

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 80-90º С) ускоряют химические реакции в бетоне. Так, например, если бетон пропарить, т. е. прогреть во влажной среде при такой температуре 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 170-180º 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.