| Класс бетона | Расход цемента М500, кг/м³ | Вода, л/м³ | В/Ц отношение | Щебень гранитный, кг/м³ | Песок кварцевый, кг/м³ |
|---|---|---|---|---|---|
| В60 | 480-500 | 165-175 | 0,33-0,35 | 1050-1100 | 650-700 |
| В70 | 500-520 | 160-170 | 0,31-0,33 | 1030-1080 | 640-680 |
| В80 | 520-540 | 155-165 | 0,29-0,31 | 1020-1070 | 630-670 |
| В90 | 530-545 | 150-160 | 0,27-0,29 | 1000-1050 | 620-660 |
| В100 | 540-550 | 145-155 | 0,26-0,28 | 980-1030 | 610-650 |
| Дозировка МК, % от массы цемента | Содержание SiO₂ в МК, % | Прирост прочности относительно базового состава, % | Снижение В/Ц | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| 5 | ≥85 | 15-20 | 0,03-0,05 | Бетоны В60-В70, умеренное повышение прочности |
| 7 | ≥85 | 20-28 | 0,05-0,07 | Бетоны В70-В80, оптимальная дозировка |
| 8 | ≥85 | 25-32 | 0,06-0,08 | Бетоны В80-В90, высокая плотность |
| 10 | ≥85 | 30-40 | 0,07-0,10 | Бетоны В90-В100, максимальная прочность |
| 12 | ≥85 | 35-45 | 0,08-0,12 | Сверхвысокопрочные бетоны >В100, специальные конструкции |
| Тип суперпластификатора | Химическая основа | Дозировка, % от массы цемента | Водоредукция, % | Достигаемое В/Ц | Применение для классов |
|---|---|---|---|---|---|
| Поликарбоксилатные (С-3) | Нафталинсульфонаты | 0,8-1,2 | 20-25 | 0,33-0,35 | В60-В70 |
| Поликарбоксилатные нового поколения | Эфиры поликарбоксилатов | 0,9-1,3 | 25-35 | 0,29-0,33 | В70-В80 |
| Гиперпластификаторы | Модифицированные поликарбоксилаты | 1,0-1,4 | 30-40 | 0,27-0,31 | В80-В100 |
| Комплексные модификаторы | Поликарбоксилаты с добавками | 1,2-1,5 | 35-45 | 0,25-0,29 | В90-В120 |
| Возраст бетона | Естественное твердение (+20°C), % от R28 | ТВО стандартный режим (3+6+2 ч), % от R28 | ТВО ускоренный режим (2+4+2 ч), % от R28 | С микрокремнеземом 8% (естественное), % от R28 |
|---|---|---|---|---|
| 1 сутки | 25-30 | 65-70 | 55-60 | 30-35 |
| 2 суток | 40-45 | 70-75 | 60-65 | 45-50 |
| 3 суток | 50-55 | 75-80 | 65-70 | 55-60 |
| 7 суток | 70-75 | 80-85 | 70-75 | 75-82 |
| 14 суток | 85-90 | 90-95 | 80-85 | 90-95 |
| 28 суток | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 90 суток | 110-115 | 105-110 | 100-105 | 115-125 |
Требования к материалам для высокопрочного бетона
Высокопрочные бетоны, согласно классификации ГОСТ 25192-2012, представляют собой материалы с классом прочности при сжатии В60 и выше. Производство бетонов классов В60-В120 требует строгого соблюдения технологических параметров и применения качественных компонентов. Особенностью данных материалов является необходимость достижения низких значений водоцементного отношения в диапазоне 0,25-0,35 при одновременном обеспечении требуемой подвижности бетонной смеси.
Базовыми нормативными документами, регламентирующими требования к высокопрочным бетонам, выступают ГОСТ 26633-2015 "Бетоны тяжелые и мелкозернистые", ГОСТ 31914-2012 "Бетоны высокопрочные тяжелые и мелкозернистые для монолитных конструкций" и СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции". Данные стандарты устанавливают классы прочности, минимальные расходы вяжущего, требования к заполнителям и режимы контроля качества.
Согласно приложению Б.4.2 ГОСТ 26633-2015, расход цемента в высокопрочных тяжелых бетонах не должен превышать 550 килограмм на кубический метр, для мелкозернистых бетонов этот показатель ограничен значением 750 килограмм на кубический метр. Практика показывает, что для достижения классов В60-В100 оптимальный расход портландцемента класса ЦЕМ I 42,5 составляет 480-550 килограмм на кубический метр в зависимости от требуемой прочности и применяемых модифицирующих добавок.
Для бетонов класса В60 и выше следует применять портландцемент без минеральных добавок класса не ниже ЦЕМ I 42,5 по ГОСТ 31108-2020 с содержанием трехкальциевого алюмината не более восьми процентов. Данное требование обусловлено необходимостью обеспечения стабильного набора прочности и минимизации усадочных деформаций в раннем возрасте.
В качестве мелкого заполнителя следует использовать природные кварцевые пески с модулем крупности 2,2-3,0, соответствующие требованиям ГОСТ 8736. Крупный заполнитель представлен гранитным или базальтовым щебнем фракции 5-20 миллиметров с маркой по дробимости не менее 1200, что обеспечивает необходимую прочность контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Применение известнякового щебня для высокопрочных бетонов не рекомендуется вследствие недостаточной прочности породы.
↑ НаверхВяжущее и заполнители для классов В60-В100
Портландцемент для высокопрочных бетонов
Портландцемент класса ЦЕМ I 42,5 без минеральных добавок по ГОСТ 31108-2020 является оптимальным вяжущим для производства высокопрочных бетонов. Минералогический состав цемента играет критическую роль в формировании прочностных характеристик. Содержание трехкальциевого силиката должно составлять не менее 50-55 процентов, что обеспечивает интенсивный набор прочности в раннем возрасте. Ограничение содержания трехкальциевого алюмината восемью процентами необходимо для снижения экзотермии при гидратации и предотвращения образования трещин в массивных конструкциях.
Активность цемента, определяемая по ГОСТ 310.4, должна составлять не менее 42,5 МПа в возрасте 28 суток. Нормальная густота цементного теста находится в пределах 24-28 процентов, что влияет на водопотребность бетонной смеси. Сроки схватывания регламентируются началом не ранее двух часов и концом не позднее пяти часов от момента затворения, обеспечивая достаточную технологичность при производстве конструкций.
Характеристики заполнителей
Мелкий заполнитель для высокопрочных бетонов должен обладать минимальным содержанием пылевидных и глинистых частиц. Согласно ГОСТ 8736, содержание зерен крупностью менее 0,16 миллиметра не должно превышать трех процентов по массе для бетонов класса В60 и выше. Зерновой состав песка характеризуется модулем крупности в диапазоне 2,2-3,0, что соответствует средней и крупной фракции. Пустотность песка должна составлять 38-42 процента, насыпная плотность находится в пределах 1500-1600 килограмм на кубический метр.
Крупный заполнитель представляет собой щебень из изверженных горных пород с пределом прочности при сжатии не менее 120 МПа. Марка щебня по дробимости определяется испытаниями в цилиндре и составляет для высокопрочных бетонов не менее 1200. Содержание зерен лещадной формы ограничивается 15 процентами по массе, что обеспечивает плотную упаковку заполнителя в бетонной смеси. Морозостойкость щебня должна соответствовать марке не ниже F300.
Входной контроль заполнителей включает определение зернового состава, насыпной и истинной плотности, пустотности, содержания пылевидных и глинистых частиц. Для крупного заполнителя дополнительно контролируется марка по дробимости, содержание зерен слабых пород и морозостойкость. Периодичность контроля устанавливается технологическим регламентом производства, но не реже одного раза на 500 кубических метров бетонной смеси.
Вода затворения
Вода для затворения бетонных смесей должна соответствовать требованиям ГОСТ 23732. Содержание растворимых солей ограничивается 5000 миллиграмм на литр, хлоридов не более 350 миллиграмм на литр, сульфатов не более 2700 миллиграмм на литр. Органические примеси, масла и щелочи недопустимы, так как могут замедлить или полностью остановить процесс гидратации цемента. Водородный показатель должен находиться в диапазоне 4-12,5. Для высокопрочных бетонов рекомендуется применение питьевой воды централизованного водоснабжения.
↑ НаверхМикрокремнезем: механизм действия и эффект упрочнения
Физико-химические свойства микрокремнезема
Микрокремнезем представляет собой ультрадисперсный порошок диоксида кремния аморфной структуры, являющийся побочным продуктом производства ферросилиция и кремниевых сплавов. Частицы микрокремнезема имеют сферическую форму со средним диаметром 0,1-0,3 микрометра, что в 50-100 раз меньше размера частиц цемента. Удельная поверхность достигает 15000-25000 квадратных сантиметров на грамм, обеспечивая высокую реакционную способность материала.
Содержание диоксида кремния в микрокремнеземе должно составлять не менее 85 процентов по массе согласно международной практике применения данной добавки. Норвежские нормативы регламентируют содержание кремнезема не менее 85 процентов и ограничивают дозировку микрокремнезема в железобетоне 10 процентами от массы цемента. Данное ограничение обусловлено необходимостью поддержания высокого водородного показателя среды бетона для защиты арматуры от коррозии.
Механизмы упрочнения бетона
Микрокремнезем оказывает комплексное воздействие на структуру и свойства цементного камня через несколько механизмов. Первый механизм заключается в физическом заполнении межзерновых пустот между частицами цемента ультрадисперсными частицами микрокремнезема. Это приводит к формированию более плотной упаковки компонентов и снижению общей пористости системы.
Второй механизм связан с пуццолановой реакцией аморфного диоксида кремния с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации алита. Реакция протекает по схеме связывания гидроксида кальция с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, обладающих повышенной прочностью и химической стойкостью. Наиболее интенсивно пуццолановая активность проявляется в период от 7 до 20 суток твердения, что определяет максимальный набор прочности бетоном на поздних стадиях.
Третий механизм заключается в модификации контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Микрокремнезем способствует формированию более плотной и однородной структуры переходной зоны, снижая концентрацию крупных кристаллов гидроксида кальция и ориентированных структур гидросиликатов. Это приводит к повышению прочности сцепления между цементным камнем и заполнителем.
Оптимальные дозировки для различных классов
Для бетонов класса В60-В70 рекомендуемая дозировка микрокремнезема составляет 5-7 процентов от массы цемента, что обеспечивает прирост прочности на 15-25 процентов относительно базового состава. При переходе к классам В70-В80 оптимальная дозировка увеличивается до 7-8 процентов, обеспечивая прирост прочности на 20-30 процентов. Для высокопрочных бетонов классов В80-В100 дозировка микрокремнезема может достигать 10 процентов, что позволяет получить прирост прочности на 30-40 процентов.
Превышение дозировки 15 процентов от массы цемента приводит к связыванию значительной части гидроксида кальция из поровой жидкости, что требует особого контроля защиты арматуры в железобетонных конструкциях. Такие высокие дозировки применяются только в специальных неармированных конструкциях под контролем квалифицированных специалистов.
Особенно эффективно взаимодействие микрокремнезема при использовании гиперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров для снижения количества воды затворения без уменьшения подвижности смеси. Синергетический эффект проявляется в возможности достижения водоцементного отношения 0,25-0,28 при сохранении удобоукладываемости бетонной смеси. Дозировка суперпластификатора при совместном применении с микрокремнеземом может быть увеличена на 10-15 процентов относительно базовой.
Суперпластификаторы для снижения водоцементного отношения
Типы суперпластификаторов и механизм действия
Суперпластификаторы представляют собой поверхностно-активные вещества, относящиеся к первой группе пластифицирующих добавок по классификации ГОСТ 24211-2008. Механизм действия основан на адсорбции молекул суперпластификатора на частицах цемента с образованием отрицательного заряда на их поверхности. Возникающие силы электростатического отталкивания препятствуют сближению частиц и образованию конгломератов, обеспечивая дезагрегацию цементной системы.
Суперпластификаторы на нафталиновой основе типа С-3 представляют собой модифицированные полинафталинметилсульфонаты натрия. Данный тип добавок обеспечивает водоредукцию на 20-25 процентов при дозировках 0,8-1,2 процента от массы цемента. Применяются для бетонов классов В60-В70, позволяя достичь водоцементного отношения 0,33-0,35.
Поликарбоксилатные суперпластификаторы нового поколения на основе эфиров поликарбоксилатов обладают более эффективным механизмом действия. Помимо электростатического эффекта, длинные боковые полиэфирные цепи создают стерический барьер, препятствующий сближению частиц. Это обеспечивает водоредукцию на 25-35 процентов при дозировках 0,9-1,3 процента, позволяя достичь водоцементного отношения 0,29-0,33 для бетонов классов В70-В80.
Дозирование и технология введения
Суперпластификатор является готовой к использованию жидкой добавкой, которую вводят в бетонную смесь вместе с водой затворения. Предпочтительно введение с последней третью воды для обеспечения равномерного распределения добавки по объему смеси. Не рекомендуется добавлять суперпластификатор в сухую смесь компонентов. Целесообразно обеспечить достаточное время смешивания после введения добавки, составляющее не менее двух минут в бетоносмесителе принудительного действия.
Для большинства составов бетона, подвергаемых тепловлажностной обработке, дозировка добавки назначается в пределах 0,4-0,8 процента готового продукта от массы цемента. При производстве монолитных конструкций методом укладки литых смесей дозировка может быть увеличена до 1,0-1,5 процента для достижения подвижности смеси с осадкой конуса 20-26 сантиметров.
Влияние на технологические свойства
Применение суперпластификаторов позволяет получать высокопластифицированные бетонные смеси с осадкой конуса более 15 сантиметров при минимальном значении водоцементного отношения. Это обеспечивает возможность производства литых самоуплотняющихся бетонных смесей, практически не требующих вибрации при укладке. Снижение на 20 процентов и более водоцементного отношения смеси благодаря водоредуцирующему эффекту приводит к значительному увеличению прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и плотности бетона.
Поликарбоксилатные суперпластификаторы обеспечивают длительную жизнеспособность жидких растворов, облегчая перекачивание смеси и придавая составу повышенную стабилизирующую способность. Сохраняемость подвижности бетонной смеси достигает 2-3 часов при температуре окружающей среды 20-25 градусов Цельсия, что критически важно при производстве товарного бетона и монолитном строительстве.
При использовании суперпластификатора в технологии производства железобетонных изделий, подвергаемых тепловой обработке, рекомендуется применять оптимальную дозировку, подобранную опытным путем. Режим тепловой обработки следует выбирать с учетом рекомендаций по предварительному выдерживанию бетонов с повышенными требованиями по морозостойкости и водонепроницаемости. Предварительная выдержка должна составлять не менее 2-4 часов при температуре окружающей среды.
Режимы тепловлажностной обработки высокопрочных бетонов
Цикл тепловлажностной обработки
Тепловлажностная обработка представляет собой процесс одновременного воздействия на твердеющий бетон тепла и влаги, позволяющий ускорить процесс твердения в восемь-десять раз по сравнению с естественными условиями. Цикл ТВО бетонных и железобетонных изделий в камере включает несколько последовательных этапов, длительность которых варьируется от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от требуемых характеристик бетона.
Первый этап представляет собой предварительное выдерживание свежеотформованных изделий при температуре внешней среды. Для высокопрочных бетонов продолжительность предварительной выдержки составляет 2-4 часа. Данный этап критически важен для обеспечения начальной структуры цементного камня и предотвращения деструктивных явлений при последующем нагреве.
Второй этап заключается в подъеме температуры по заданному графику процесса ТВО продолжительностью 2-3 часа. Скорость подъема температуры для высокопрочных бетонов не должна превышать 15-20 градусов Цельсия в час, что обеспечивает равномерный прогрев изделия по сечению и минимизирует внутренние температурные напряжения.
Третий этап представляет собой изотермическую выдержку при заданной температуре с поддержкой паром продолжительностью 2-7 часов при температуре 65-90 градусов Цельсия. Для высокопрочных бетонов оптимальная температура изотермической выдержки составляет 80-90 градусов, что обеспечивает интенсивную гидратацию цемента без деструктивных явлений. Продолжительность изотермической выдержки определяется требуемой отпускной прочностью и составляет обычно 4-6 часов.
Четвертый этап заключается в снижении температуры в соответствии с графиком процесса продолжительностью 3-6 часов. Скорость охлаждения не должна превышать 10-15 градусов Цельсия в час для предотвращения образования температурных трещин. После завершения цикла ТВО изделие набирает 65-70 процентов прочности, заложенной в проекте, что позволяет осуществлять распалубку, транспортировку и монтаж конструкций.
Стандартный и ускоренный режимы
Стандартный режим тепловлажностной обработки характеризуется продолжительностью 11-12 часов по схеме три часа подъема температуры, шесть часов изотермической выдержки и два часа охлаждения. Данный режим обеспечивает достижение отпускной прочности 70-75 процентов от марочной в возрасте одних суток. Применяется для бетонов классов В60-В80 при производстве сборных железобетонных конструкций.
Ускоренный режим предусматривает сокращение общей продолжительности цикла до восьми часов по схеме два часа подъема температуры, четыре часа изотермической выдержки и два часа охлаждения. Отпускная прочность при ускоренном режиме составляет 55-65 процентов от марочной. Применение ускоренного режима требует использования быстротвердеющих цементов и корректировки составов с увеличением расхода вяжущего на пять-десять процентов.
Влияние на долговечность
Тепловлажностная обработка оказывает существенное влияние на конечную прочность бетона и формирование его микроструктуры. При правильно подобранном режиме ТВО с малой скоростью подъема температуры обеспечивается формирование плотной мелкокристаллической структуры цементного камня с высокими показателями водопоглощения, морозостойкости и теплозащитных свойств материала. Однако чрезмерно интенсивный нагрев может привести к развитию деструктивных явлений и снижению конечной прочности на десять-двадцать процентов.
Для высокопрочных бетонов с микрокремнеземом рекомендуется увеличение продолжительности предварительной выдержки до трех-четырех часов и снижение температуры изотермической выдержки до 75-85 градусов Цельсия. Это обусловлено необходимостью обеспечения оптимальных условий для протекания пуццолановой реакции и формирования низкоосновных гидросиликатов кальция, обеспечивающих высокую долговечность конструкций.
↑ НаверхКонтроль однородности и прочности по ГОСТ 18105-2018
Общие положения стандарта
Правила контроля и оценки прочности бетона регламентируются ГОСТ 18105-2018, введенным в действие с первого января 2020 года взамен ГОСТ 18105-2010. Стандарт устанавливает методы контроля прочности бетона на сжатие, осевое растяжение и растяжение при изгибе для всех видов бетонов, применяемых в строительстве. Определение прочности тяжелых бетонов проектных классов В60 и выше или при средней прочности бетона на сжатие 70 МПа и выше следует проводить с учетом требований ГОСТ 31914-2012.
Контроль и оценку прочности бетона на предприятиях и в организациях, производящих бетонные смеси, сборные, сборно-монолитные и монолитные бетонные и железобетонные конструкции и изделия, следует проводить статистическими методами с учетом характеристик однородности бетона по прочности. В качестве характеристик однородности бетона по прочности используют коэффициенты вариации прочности бетона, полученные для соответствующих схем контроля.
Схемы контроля прочности
Стандарт предусматривает четыре схемы контроля прочности бетона, выбираемые в зависимости от наличия статистических данных о характеристиках однородности. Схема А применяется при определении характеристик однородности бетона по прочности, когда используют не менее тридцати единичных результатов определения прочности, полученных при контроле прочности бетона предыдущих партий бетонной смеси или сборных конструкций в анализируемом периоде.
Схема Б применяется при определении характеристик однородности бетона по прочности, когда используют не менее двадцати единичных результатов определения прочности, полученных при контроле прочности бетона контролируемой и предыдущих партий бетонной смеси или сборных конструкций. Схема В предусматривает определение характеристик однородности по не менее чем десяти единичным результатам прочности.
Схема Г применяется в начальный период производства, при изготовлении единичных изделий или при невозможности выполнить необходимое число испытаний для вычисления статистических характеристик однородности прочности. В этом случае прочность оценивается без учета вариабельности по результатам испытаний контрольных образцов текущей партии.
Определение характеристик однородности
Продолжительность анализируемого периода для определения характеристики однородности бетона по прочности согласно схемам А и Б устанавливают от одной недели до трех месяцев. Число единичных значений прочности бетона в течение одного периода принимают в зависимости от выбранной схемы контроля. Для каждой партии бетонной смеси в анализируемом периоде вычисляют среднеквадратическое отклонение прочности бетона.
Коэффициент вариации прочности бетона вычисляется как отношение среднеквадратического отклонения к средней прочности бетона, выраженное в процентах. Для высокопрочных бетонов с применением эффективных добавок и тщательным контролем технологии коэффициент вариации обычно не превышает 8-12 процентов. При хорошо отлаженном производстве и стабильном качестве исходных материалов может быть достигнут коэффициент вариации 5-7 процентов.
Приемка бетона по прочности
Прочность бетона партии считается соответствующей требуемой, если фактический класс бетона по прочности, вычисленный с учетом характеристик однородности, равен или больше класса прочности бетона, установленного проектом или технологической документацией. Фактический класс бетона определяется как прочность с обеспеченностью девяносто пять процентов, рассчитанная по результатам определения фактической прочности бетона и ее однородности в контролируемой партии.
При несоответствии прочности бетона требуемой по результатам контроля разрушающими методами допускается дополнительный контроль прочности бетона конструкций неразрушающими методами по ГОСТ 22690 или испытанием образцов, отобранных из конструкций по ГОСТ 28570. Окончательное решение о соответствии прочности бетона требуемой принимается по результатам дополнительного контроля с учетом требований проектной документации.
Для высокопрочных бетонов классов В60 и выше рекомендуется применение схемы А контроля с накоплением статистических данных о характеристиках однородности. Контрольные образцы изготавливаются из каждой партии бетонной смеси объемом не более 200 кубических метров. Количество серий образцов должно быть не менее двух на партию, каждая серия состоит из трех образцов кубической формы с ребром 150 миллиметров. Испытания проводятся в проектном возрасте 28 суток в соответствии с ГОСТ 10180-2012.
