Водоцементное соотношение

Водоцементное соотношение ( соотношение вода/цемент или водоцементное соотношение , иногда также называемое водно-цементным коэффициентом , f ) представляет собой отношение массы воды ( w ) к массе цемента ( c используемого ). в бетонной смеси:

$f={\frac {\text{mass of water}}{\text{mass of cement}}}={\frac {w}{c}}$

Типичные значения этого отношения f = w / c обычно находятся в интервале 0,40 и 0,60.

Водоцементное соотношение свежей бетонной смеси является одним из основных, если не самым важным, фактором, определяющим качество и свойства затвердевшего бетона, так как оно напрямую влияет на пористость бетона, а хороший бетон – это всегда настолько плотный бетон, насколько он плотный. и максимально плотный. Поэтому хороший бетон должен быть приготовлен с использованием как можно меньшего количества воды, но с достаточным количеством воды для гидратации минералов цемента и правильного обращения с ним.

Более низкое соотношение приводит к более высокой прочности и долговечности , но может затруднить работу со смесью и ее форму. Работоспособность можно решить с помощью пластификаторов или суперпластификаторов . Более высокое соотношение дает слишком жидкую бетонную смесь, что приводит к получению слишком пористого затвердевшего бетона низкого качества.

Часто под этим понятием подразумевают также соотношение воды и вяжущих материалов, Вт/см. К цементирующим материалам относятся цемент и дополнительные вяжущие материалы, такие как молотый гранулированный доменный шлак (GGBFS), летучая зола (FA), микрокремнезем (SF), зола рисовой шелухи (RHA), метакаолин (МК) и природные пуццоланы . Большинство дополнительных вяжущих материалов (СКМ) являются побочными продуктами других отраслей промышленности и обладают интересными гидравлическими вяжущими свойствами. После реакции со щелочами (активация GGBFS) и портландитом ( Ca(OH)
₂ ), они также образуют гидраты силиката кальция (CSH), «клеевую фазу», присутствующую в затвердевшем цементном тесте. Эти дополнительные CSH заполняют поры бетона и, таким образом, способствуют укреплению бетона. SCM также помогают снизить содержание клинкера в бетоне и, следовательно, сэкономить энергию и минимизировать затраты, одновременно перерабатывая промышленные отходы, которые в противном случае отправляются на свалку .

Влияние соотношения воды и цемента (в/ц) на механическую прочность бетона было впервые изучено Рене Фере (1892 г.) во Франции, а затем Даффом А. Абрамсом (1918 г.) (изобретателем теста на осадку бетона). ) в США и Жаном Боломеем (1929) в Швейцарии.

1997 года Единый строительный кодекс определяет максимальное соотношение В/Ц 0,5, когда бетон подвергается замерзанию и оттаиванию во влажных условиях или воздействию противообледенительных солей , и максимальное соотношение В/Ц 0,45 для бетона в тяжелых или очень тяжелых условиях. Сульфатные условия.

Бетон затвердевает в результате химической реакции между цементом и водой (известной как гидратация и выделение тепла ). На каждую массу ( килограмм , фунт или любую единицу веса ) цемента (с) необходимо около 0,35 массы воды (w) для полного завершения реакций гидратации.

Однако свежий бетон с соотношением aw/c 0,35 может плохо перемешаться и не растекаться достаточно хорошо, чтобы его можно было правильно уложить и заполнить все пустоты в формах, особенно в случае плотной стальной арматуры . Поэтому используется больше воды, чем химически и физически необходимо для реакции с цементом. Обычно используются водоцементные отношения в диапазоне от 0,40 до 0,60. Для более прочного бетона необходимы более низкие водоцементные отношения, а также пластификатор для увеличения текучести.

Водоцементное соотношение выше 0,60 неприемлемо, поскольку свежий бетон превращается в «суп». и приводит к более высокой пористости и очень плохому 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. США в 1950-х годах построили первый из предварительно напряженного железобетона балочный мост в США : Мемориальный мост Уолнат-Лейн в Филадельфии, открытый для движения транспорта. 1951. Знаменитая фраза Гюстава Магнеля, столкнувшегося с сопротивлением подрядчика, когда ему требовался бетон с очень низким водосодержанием и нулевой осадкой для заливки балок этого моста, осталась во многих воспоминаниях: «Американцы делают суп, а не бетон». .

Когда избыточная вода, добавленная для улучшения удобоукладываемости свежего бетона и не потребляемая реакциями гидратации, оставляет бетон по мере его затвердевания и высыхания, это приводит к увеличению пористости бетона, заполняемой только воздухом . Более высокая пористость снижает конечную прочность бетона, поскольку воздух, присутствующий в порах , , сжимается бетона и микроструктуру легче « раздавить ».

Кроме того, более высокая пористость также увеличивает гидравлическую проводимость ( K , м/с) бетона и эффективные коэффициенты диффузии ( D _e , м/с). ² /с) растворенных веществ и растворенных газов в бетонной матрице. Это увеличивает попадание воды в бетон, ускоряет его растворение ( кальция выщелачивание ), способствует вредным расширяющимся химическим реакциям ( ASR , DEF) и облегчает транспорт агрессивных химических веществ, таких как хлориды ( питтинговая коррозия армированных стержней ) и сульфаты (внутренняя и внешняя коррозия). сульфатные атаки, ISA и ESA бетона) внутри пор бетона.

Когда вяжущие материалы используются для инкапсулирования токсичных тяжелых металлов или радионуклидов , требуется более низкое соотношение вода/ц для уменьшения пористости матрицы и эффективных коэффициентов диффузии иммобилизованных элементов в вяжущей матрице. Более низкое водоцементное соотношение также способствует минимизации выщелачивания токсичных элементов из иммобилизационного материала.

Более высокая пористость также облегчает диффузию газов в микроструктуру бетона . Более быстрая диффузия атмосферного CO
₂ бетона карбонизации увеличивает степень . карбонизации Когда фронт достигает стальной арматуры (арматуры), pH поровой воды бетона на поверхности стали снижается. При значении pH ниже 10,5 углеродистая сталь перестает пассивироваться и щелочным pH начинает корродировать ( общая коррозия ). Более быстрая диффузия кислорода ( O
₂ ) в микроструктуру бетона также ускоряет коррозию арматуры .

Более того, в долгосрочной перспективе бетонная смесь со слишком большим количеством воды будет испытывать большую ползучесть и усадку при высыхании , поскольку избыток воды покидает пористость бетона, что приводит к внутренним трещинам и видимым трещинам (особенно вокруг внутренних углов), что снова снижает механическую прочность бетона. сила.

Наконец, добавленная в избытке вода 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 растекание воды на поверхности бетонных плит или плотов (при этом после испарения воды остается пыльная поверхность).

По всем вышеизложенным причинам категорически запрещается доливать лишнюю воду в бетоновоз готовой смеси , когда срок доставки превышен, а заливка бетона становится затрудненной, поскольку он начинает схватываться. Такой разбавленный бетон немедленно теряет всякую официальную сертификацию, и подрядчик, принявший такую ​​вредную практику, также несет ответственность. В худшем случае можно добавить суперпластификатор, чтобы снова повысить удобоукладываемость бетона и сохранить содержимое автобетоносмесителя, когда максимальное время доставки бетона не превышено.

Дальнейшее чтение

• Фере, Рене (1892). «О компактности гидравлических минометов» . Анналы мостов и дорог (на французском языке). 4 :5–164.
• Фере, Рене (1897). Дюран-Клей; Дером (ред.). Специальное исследование кладочных заполнителей. [Специальное исследование каменных заполнителей] . В: Дюран-Клей и Дером – Химия в применении к инженерному искусству, 2-я часть, Париж, 1897 г. (на французском языке).
• Фере, Рене (1906). ( Экспериментальное исследование железобетона на французском языке).
• Абрамс, Д.А. (1918). «Проектирование бетонных смесей» (PDF) . Бюллетень Лаборатории исследования конструкционных материалов Института Льюиса (Чикаго) . 1 : 2071–1050. См. также заметку профессора Эдуардо К.С. Томаса.
• Абрамс, Д.А. (1922). «Дозирование бетонных смесей». Журнальные труды . 18 (2): 174–181.
• Абрамс, Д.А. (1927). «Водоцементное соотношение как основа качества бетона». Журнальные труды . 23 (2): 452–457.
• Рось, М. (декабрь 1925 г.). «Сопротивление растворов и бетонов». Отчет № 7 Федеральной лаборатории испытаний материалов при Цюрихском политехническом институте (на французском языке).
• Фере, Р. (декабрь 1926 г.). «Испытание гидравлических вяжущих в пластиковых растворных призмах». Отчет № 16 Федеральной лаборатории испытаний материалов, Цюрих (на французском языке).
• Боломей, Жан (1929). «Определение вероятной стойкости бетона, зная его дозировку и плотность в момент замешивания». Бык. Тех. Из франкоязычной Швейцарии, 55-й год . 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.
• Гилберт Мэрион (18 ноября 2002 г.). «Боломей, Жан» . hls-dhs-dss.ch (на французском языке) . Проверено 16 сентября 2022 г.
• Кампус, Ф. (1946). «Посвящение М. Фере и соображения о размере частиц». Мемуары Общества инженеров-строителей Франции (на французском языке). факт. от 1 до 4.
• Кампус, Фердинанд (1946). «Дань уважения г-ну Фере и соображения по поводу размера частиц: сообщение Обществу инженеров-строителей Франции». Обзор материалов строительства и общественных работ. Издание C. Цементы, бетоны, штукатурки, известь, промышленные бетоны (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). «Послесловие к диссертации мисс М. Дзулински о взаимосвязи между прочностью и гидратацией гидравлических вяжущих». Вестник Центра исследований и научных испытаний строительных и речных гидротехнических сооружений . 6 .
• Гилки, HJ (апрель 1961 г.). «Соотношение воды и цемента в зависимости от прочности – другой взгляд». Журнальные труды . 57 (4): 1287–1312.
• Джонс, ТЕР; Тейлор, С. (1977). «Математическая модель, связывающая кривую течения цементного теста с соотношением воды и цемента». Журнал конкретных исследований . 29 (101): 207–212. дои : 10.1680/макр.1977.29.101.207 .
• Мехта, ПК (1985). «Исследования химической стойкости бетонов с низким водоцементным соотношением». Исследования цемента и бетона . 15 (6): 969–978. дои : 10.1016/0008-8846(85)90087-0 .
• Айтчин, ПК; Невилл, А. (2003). «Как соотношение воды и цемента влияет на прочность бетона». Бетон Интернэшнл . 25 (8): 51–58.
• Бенц, ДП; Айтцин, ПК (2008). «Скрытый смысл водоцементного соотношения» (PDF) . Бетон Интернэшнл . 30 (5): 51–54.