Водоцементное отношение

Водоцементное отношение ( в/ц отношение или водоцементное отношение , иногда также называемое водоцементным фактором , $f$ ) — это отношение массы воды ( $w$ ) к массе цемента ( $c$ ), используемого в бетонной смеси:

f={\frac {\text{масса воды}}{\text{масса цемента}}}={\frac {w}{c}}

Типичные значения этого отношения $f$ = w ⁄ c обычно лежат в интервале от 0,40 до 0,60.

Водоцементное отношение свежей бетонной смеси является одним из основных, если не самым важным, факторов, определяющих качество и свойства затвердевшего бетона, поскольку оно напрямую влияет на пористость бетона, а хороший бетон всегда является максимально плотным и уплотненным. Поэтому хороший бетон должен быть приготовлен с минимальным количеством воды, но достаточным для гидратации цементных минералов и для правильной обработки.

Более низкое соотношение приводит к более высокой прочности и долговечности , но может сделать смесь более трудной для обработки и формовки. Обрабатываемость может быть решена с помощью пластификаторов или суперпластификаторов . Более высокое соотношение дает слишком текучую бетонную смесь, что приводит к слишком пористому затвердевшему бетону низкого качества.

Часто это понятие также относится к соотношению воды к вяжущим материалам, w/cm. Вяжущие материалы включают цемент и дополнительные вяжущие материалы, такие как измельченный гранулированный доменный шлак (GGBFS), летучая зола (FA), микрокремнезем (SF), зола рисовой шелухи (RHA), метакаолин (MK) и природные пуццоланы . Большинство дополнительных вяжущих материалов (SCM) являются побочными продуктами других отраслей промышленности, демонстрируя интересные гидравлические связующие свойства. После реакции со щелочами (активация GGBFS) и портландитом ( Ca(OH)
₂), они также образуют гидраты силиката кальция (CSH), «склеивающую фазу», присутствующую в затвердевшем цементном тесте. Эти дополнительные CSH заполняют поры бетона и, таким образом, способствуют его укреплению. SCM также помогают снизить содержание клинкера в бетоне и, следовательно, экономить энергию и минимизировать затраты, одновременно перерабатывая промышленные отходы, которые в противном случае направлялись бы на свалку .

Влияние водоцементного отношения (В/Ц) на механическую прочность бетона впервые было изучено Рене Фере (1892) во Франции, а затем Даффом А. Абрамсом (1918) (изобретателем испытания на осадку бетона ) в США и Жаном Боломеем (1929) в Швейцарии.

В Единых строительных нормах 1997 года указано максимальное значение водоцементного отношения 0,5, когда бетон подвергается замерзанию и оттаиванию во влажных условиях или воздействию солей для борьбы с обледенением , и максимальное значение водоцементного отношения 0,45 для бетона в суровых или очень суровых условиях с содержанием сульфатов .

Бетон затвердевает в результате химической реакции между цементом и водой (известной как гидратация и выделение тепла ). На каждую массу ( килограмм , фунт или любая единица веса ) цемента (c) требуется около 0,35 массы воды (w) для полного завершения реакций гидратации. ^[1]

Однако свежий бетон с отношением воды к цементу 0,35 может не смешиваться тщательно и может недостаточно хорошо течь для правильного размещения и заполнения всех пустот в формах, особенно в случае плотной стальной арматуры . Поэтому используется больше воды, чем химически и физически необходимо для реакции с цементом. Обычно используются отношения воды и цемента в диапазоне от 0,40 до 0,60. Для бетона с более высокой прочностью необходимы более низкие отношения воды к цементу, а также пластификатор для повышения текучести.

Отношение воды к цементу выше 0,60 неприемлемо, поскольку свежий бетон превращается в «суп» ^[2] и приводит к повышенной пористости и очень низкому качеству затвердевшего бетона, как публично заявил профессор Гюстав Магнель (1889-1955, Гентский университет , Бельгия) во время официального обращения к американским строительным подрядчикам по случаю одного из его визитов в Соединенные Штаты в 1950-х годах для строительства первого предварительно напряженного железобетонного балочного моста в США: мемориального моста Уолнат-Лейн в Филадельфии, открытого для движения в 1951 году. ^[3]^[4]^[5]^[6] Знаменитая фраза Гюстава Магнеля, столкнувшегося с нежеланием подрядчика, когда он требовал очень низкое отношение воды к цементу, нулевой осадке , бетона для отливки балок этого моста, осталась в памяти многих: «Американцы делают суп, а не бетон» . ^[7]

Когда избыток воды, добавленный для улучшения удобоукладываемости свежего бетона и не израсходованный реакциями гидратации, оставляет бетон по мере его затвердевания и высыхания, это приводит к увеличению пористости бетона, заполненной только воздухом . Более высокая пористость снижает конечную прочность бетона, поскольку воздух, присутствующий в порах , сжимаем , и микроструктуру бетона легче « раздавить ».

Более того, более высокая пористость также увеличивает гидравлическую проводимость ( K , м/с) бетона и эффективные коэффициенты диффузии ( D _e , м ² /с) растворенных веществ и растворенных газов в бетонной матрице. Это увеличивает проникновение воды в бетон, ускоряет его растворение ( выщелачивание кальция ), способствует вредным экспансивным химическим реакциям ( ASR , DEF) и облегчает транспортировку агрессивных химических веществ, таких как хлориды ( точечная коррозия арматурных стержней ) и сульфаты (внутренние и внешние сульфатные атаки, ISA и ESA, бетона) внутри пористости бетона.

При использовании цементных материалов для инкапсуляции токсичных тяжелых металлов или радионуклидов требуется более низкое отношение воды к цементу для уменьшения пористости матрицы и эффективных коэффициентов диффузии иммобилизованных элементов в цементной матрице. Более низкое отношение воды к цементу также способствует минимизации выщелачивания токсичных элементов из иммобилизационного материала.

Более высокая пористость также облегчает диффузию газов в микроструктуру бетона . Более быстрая диффузия атмосферного CO2увеличивает скорость карбонизации бетона . Когда фронт карбонизации достигает стальной арматуры (арматуры), pH поровой воды бетона на поверхности стали уменьшается. При значении pH ниже 10,5 углеродистая сталь больше не пассивируется щелочным pH и начинает корродировать ( общая коррозия ). Более быстрая диффузия кислорода ( O2) в микроструктуру бетона также ускоряет коррозию арматуры .

Более того, в долгосрочной перспективе бетонная смесь с избытком воды будет испытывать большую ползучесть и усадку при высыхании , поскольку избыток воды покидает поры бетона, что приводит к появлению внутренних трещин и видимых изломов (особенно вокруг внутренних углов), что снова снижает механическую прочность бетона.

Наконец, добавление избыточной воды также способствует отделению мелких и крупных заполнителей ( песка и гравия ) от свежего цементного теста и вызывает образование сот (карманов гравия без затвердевшего цементного теста) в бетонных стенах и вокруг арматуры. Это также вызывает водоотделение на поверхности бетонных плит или плотов (с пыльной поверхностью, остающейся после испарения воды).

По всем вышеперечисленным причинам строго запрещено добавлять дополнительную воду в бетономешалку , когда время доставки превышено, и бетон становится трудно заливать, потому что он начинает схватываться. Такой разбавленный бетон немедленно теряет любую официальную сертификацию, и ответственность подрядчика, принимающего такую пагубную практику, также включается. В худшем случае можно добавить суперпластификатор, чтобы снова повысить удобоукладываемость бетона и спасти содержимое бетономешалки, когда максимальное время доставки бетона не превышено.

Ссылки

^ Сомаяджи, Шан (2001). Материалы для гражданского строительства . Верхняя Сэддл-Ривер: Prentice Hall. стр. 129. ISBN 0-13-083906-X. Водоцементное отношение — это отношение веса воды и цемента в бетонной смеси. Для правильной гидратации это отношение (обычно называемое отношением вода/цемент) должно быть около 0,30, при условии отсутствия вклада в гидратацию из внешних источников воды.
↑ Де Бовер, MJ (7 июля 2021 г.). «Carpe Diem – Густав Поль Роберт Магнель». carpediem-toenennu.nl (на голландском языке) . Проверено 10 сентября 2022 г. Знаменитая цитата профессора Гюстава Магнеля: «Американцы делают суп, а не бетон»
^ Taerwe, LR (2015). «Вклад Гюстава Магнеля в развитие предварительно напряженного бетона. Презентация SP-231-1 на симпозиуме Неда Х. Бернса 2015 г. — бесплатная загрузка PDF». docplayer.net . Получено 10 сентября 2022 г. .
^ Будек, Эндрю; Бенцони, Джанмарио (1 июня 2009 г.). «Получение пластичных характеристик сборных предварительно напряженных бетонных свай». PCI Journal . 54 (3): 64–80. doi : 10.15554/PCIJ.06012009.64.80 . ISSN 0887-9672.
^ Золиман, Чарльз С. (1978). «Динамичные американские инженеры поддерживают импульс Magnel. В специальном выпуске: Размышления о зарождении предварительно напряженного бетона в Америке» (PDF) . PCI Journal . 23 (3): 34. doi :10.15554/pcij.07011978.31.67. ISBN 0-937040-18-5.
^ Нассер, Джордж Д.; ЛеБрун, Дебора Дж. (1981). «Размышления о начале использования предварительно напряженного бетона в Америке | WorldCat.org» (PDF) . Получено 10 сентября 2022 г.
↑ Engineering News Record, 1954, 25 февраля.

Дальнейшее чтение

Фере, Рене (1892). «Sur la compacité des mortiersHydraulics» [О компактности гидравлических растворов]. Annales des Ponts et Chaussées (на французском языке). 4 : 5–164.
Фере, Рене (1897). Дюран-Клей; Дером (ред.). Специальный этюд по сборке каменных изделий. [Специальное исследование каменных заполнителей] . В: Durand-Claye et Derôme – Chimie appliquée à l'art de l'ingenieur, 2° party, Париж, 1897 г. (на французском языке).
Фере, Рене (1906). Etude expérimentale du béton Armé [ Экспериментальное исследование железобетона ] (на французском языке).
Абрамс, ДА (1918). "Проектирование бетонных смесей" (PDF) . Бюллетень Лаборатории исследований конструкционных материалов, Институт Льюиса (Чикаго) . 1 : 2071–1050. См. также эту заметку профессора Эдуардо Ч.С. Томаза.
Абрамс, ДА (1922). «Дозирование бетонных смесей». Труды журнала . 18 (2): 174–181.
Абрамс, Д.А. (1927). «Водоцементное отношение как основа качества бетона». Труды журнала . 23 (2): 452–457.
Рось, М. (декабрь 1925 г.). «La Résistance des mortiers et bétons» [Сопротивление строительных растворов и бетонов]. Отчет № 7 Федеральной лаборатории по исследованию материалов, приложенных к Политехнической школе Цюриха (на французском языке).
Фере, Р. (декабрь 1926 г.). «L'essai des liantsHydraulics en Prismes de mortier plastique» [Испытание гидравлических связующих в призмах из пластикового раствора]. Отчет № 16 Федеральной лаборатории исследований материалов, Цюрих (на французском языке).
Боломей, Жан (1929). «Определение вероятного сопротивления бетона, зная его дозировку и плотность во время смешивания». Бык. Тех. Романтическая Швейцария, 55 лет . 17 : 193–197.
«Жан Боломей (1879–1952) Некролог (Бюллетень техники de la Suisse romande)». e- periodica.ch (на французском языке) . Проверено 9 сентября 2022 г.
EPFL – Морфе, Архивы современного строительства. «Жан Боломей - база данных Morphé». morphe.epfl.ch (на французском языке) . Проверено 16 сентября 2022 г. Жан Боломей, 21 марта 1879 г. (Сен-Лежье-Ла-Кьеза) – 24 июля 1952 г. (Шюлли)
Структуры. «Жан Боломей (1879–1952) – Библиография | Структуры». Структуры . Проверено 9 сентября 2022 г.
Жильбер Марион (18 ноября 2002 г.). "Bolomey, Jean". hls-dhs-dss.ch (на французском) . Получено 16 сентября 2022 г.
Кампус, Ф. (1946). «Hommage à M. Féret et condérations sur la granulométrie» [Дань уважения М. Фере и соображения о размере частиц]. Мемуары общества гражданских инженеров Франции (на французском языке). фаск. 1 к 4.
Кампус, Фердинанд (1946). «Посвящение месье Фере и размышления о гранулометрии: коммуникация в Обществе гражданских инженеров Франции». Revue des Matériaux de Construction et de Travaux Public. Издание C. Ciments, bétons, plâtres, chaux, bétons manufacturés (на французском языке) (372).
Кампус, Ф. (1948). «Рене Фере (1860-1947)» (PDF) . orbi.uliege.be (на французском языке) . Проверено 9 сентября 2022 г.
Кампус, Ф. (1955). «Почтовое сообщение в память о мадемуазель М. Дзулински о связи между сопротивлением и гидратацией гидравлических жидкостей». Bulletin du Center d'Etudes de Recherches et d'Essais Scientifiques des Constructions du Génie Civil et d'Hydraulique Fluviale . 6 .
Джилки, Х. Дж. (апрель 1961 г.). «Водоцементное отношение против прочности – другой взгляд». Journal Proceedings . 57 (4): 1287–1312.
Джонс, ТЕР; Тейлор, С. (1977). «Математическая модель, связывающая кривую течения цементного теста с его водоцементным отношением». Журнал исследований бетона . 29 (101): 207–212. doi :10.1680/macr.1977.29.101.207.
Мехта, П.К. (1985). «Исследования химической стойкости бетонов с низким соотношением вода/цемент». Исследования цемента и бетона . 15 (6): 969–978. doi :10.1016/0008-8846(85)90087-0.
Айтцин, П.К.; Невилл, А. (2003). «Как соотношение воды и цемента влияет на прочность бетона». Concrete International . 25 (8): 51–58.
Бенц, Д.П.; Айтчин, П.К. (2008). «Скрытый смысл соотношения воды и цемента» (PDF) . Concrete International . 30 (5): 51–54.