МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛОТИН
Основным материалом для современных бетонных и железобетонных плотин являются бетон и сталь, применяемая в качестве арматуры. Бетон имеет ряд ценных качеств: допускает самую широкую механизацию работ при высоких их темпах, позволяет выполнять сооружения разнообразных форм и обладает требуемой прочностью, удовлетворительной водонепроницаемостью и долговечностью. Сталь применяют как арматуру для восприятия растягивающих напряжений в бетонных и железобетонных сооружениях, а кроме того, как основной материал для изготовления механического оборудования сооружений (затворов, их подъемников, труб, решеток и др.).
Требования к гидротехническому бетону. Показатели качества бетона. Бетон в гидротехнических сооружениях подвергается различным физикохимическим и механическим воздействиям воды речной или морской, поэтому он должен обладать особыми свойствами, обеспечивающими прочность и долговечность сооружений. Такой бетон называют гидротехническим.
Этот бетон должен обладать следующими качествами: достаточной прочностью; морозостойкостью сопротивляемостью разрушительному действию попеременного замерзания и оттаивания воды в его порах; водостойкостью сопротивляемостью коррозии; сопротивлением истиранию и кавитационному воздействию воды; монолитностью или трещиностойкостью сопротивляемостью образованию трещин и каверн; удобоукладываемостъю при производстве работ.
Прочность бетона зависит от его состава марки и количества цемента (цементного камня), характера крупного заполнителя и количества воды затво рення (водоцементного отношения В/Ц), а также от возраста бетона и условий твердения (температурновлажностного режима).
Прочность характеризуется классом бетона по прочности на сжатие и на растяжение, выраженной в МПа. Класс бетона определяется испытанием прочности на сжатие (раздавливание) стандартных образцов призм или соответственно на растяжение (разрыв) образцов «восьмерок» (или цилиндров, кубов на скалывание). Образцы испытывают по достижении ими возраста 180 сут.
Существующими нормами (СНиП 2.06.08 87) предусматриваются следующие классы бетона по прочности на сжатие: В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; Я 20; В 25; В 30; В 35; В 40 и на растяжение В, 0,8; В, 1,2; В, 1,6; Bt 2,0; В, 2,4; В12,8; В, 3,2. Классы бетона по прочности на растяжение устанавливают в тех случаях, когда она имеет главенствующее значение и контролируется на производстве.
В последнее время при расчетах высоких плотин предлагается учитывав длительную прочность бетона. Под последней подразумевают уровень напр женин, при повышении которых в бетоне начинаются необратимые стругтур ные изменения, ухудшающие его свойства и качества. Рекомендации по кая чению длительной прочности бетона на основе данных ВНИИГ нм. Б.Е. Веденеева приведены в работе [40].
Водонепроницаемость бетона зависит от его плотности и трещиностойю сти. Марка бетона по водонепроницаемости и значается в зависимости от градиента напора, равного отношению максиыал ного напора к толщине конструкции или к толщине бетона наружной нш (расстоянию от напорной фани до дренажа), и температуры воды или агрессивной среды. Мерой водонепроницаемости служит наибольшее давление воды, при котором не наблюдается просачивание ее через образец в возрасте 186 суток в условиях стандартного испытания.
Для бетонных плотин (СНиП 2.06.0887) рекомендуется принимать следующие марки бетона по водонепроницаемости: при градиентах напора до 5: 510; 1020; 2030 при температуре воды 10+30°С.
Морозостойкость бетона зависит от его пористости, размеров пор и ра номерности их распределения в бетоне, т. е. от тех же показателей, что плотность и водонепроницаемость, но также от водного режима бетона (фильтра цин или насыщения водой без напора), от температуры окружающего воздуш в особенности от числа переходов температуры через нуль.
За проектную марку бетона по морозостойкости принимают число выпер1 живаемых водонасыщеннымн образцами, испытываемыми в возрасте 28 суто; циклов попеременного замораживания и оттаивания без снижения прочяосп, бетона более чем на 15% (ГОСТ 1006076). !
Марка бетона по морозостойкости (F50, F100, F150, F200, F300, F4M F500, F600) в зависимости от климатических условий назначается по чга расчетных циклов попеременного замораживания и оттаивания в течение гад в умеренных условиях (среднемесячные температуры наиболее холодного месяца выше 10е С) F50F300, в суровых условиях (температура от 10° С д> 20° С) F100-F400, в особо суровых условиях (температура ниже 20° С) /200 F600.
Водостойкость (коррозионная стойкость) бетона. Бетон, подвергают» ся фильтрации или насыщению водой, в зависимости от ее химического сосэ ва и рода цемента может подвергаться разрушению. Различают три вида агрк сии: при действии пресной воды растворяющей свободную известь Ca(0HV имеющуюся в составе цементного камня; при действии воды, содержащей рг творенные свободные минеральные кислоты (углекислоту и др.) и вызышиож
образование растворимых солей этих кислот; при воздействии воды, содержащей сульфатные магнезиальные соли, которые образуют при реакции с цементным камнем растворимые соли сульфаты, хлориды.
Образовавшиеся при агрессии растворимые соли выносятся фильтрационным или омывающим потоком из тела бетона, что приводит к постепенному уменьшению плотности бетона и его прочности. Этот процесс прогрессирует, так как скорость фильтрации в бетоне по мере уноса солей увеличивается.
Повышение водостойкости или коррозионной стойкости бетона достигается увеличением его плотности и водонепроницаемости и соответствующим подбором минералогического состава цемента.
Сопротивление бетона истиранию и кавитации. Истирание бетона может иметь место при воздействии водного потока, движущегося с большими скоростями и несущего твердые частицы наносы, особенно песчаные, гравелистые н галечные. Известны случаи местного истирания бетона на глубину более 1 м я один только речной паводок; особенно неблагоприятны зоны, где поток совершает водоворотные движения.
Кавитация вид разрушения бетона в зонах высоких вакуумов и значительных скоростей течения воды, когда поверхность бетона подвергается «бомбардировке» многократным ударам кавитационных пузырьков, создающих значительные давления (см. 2.5). Разрушению подвергается главным образом цементный камень, зерна заполнителя обычно более прочные.
Бетон, стойкий против истирания и кавитации, должен обладать большой прочностью (классы В 305 40); бетонная смесь должна приготовляться из прочного заполнителя (крупностью не более 30—40 мм), хорошо подобранного по гранулометрическому составу, и при В/Ц не более 0,40,45.
Исследования последнего времени показывают целесообразность применения для лучшего сопротивления кавитации бетонов, в состав которых включают полимерные материалы.
Трещинообразование в бетоне. Основная причина образования трещин в бетонных конструкциях неравномерное изменение температуры в них, возникающее в раннем возрасте вследствие экзотермии цемента, а в дальнейшем колебания температуры внешней среды. Образующийся при этом неравномерный температурный режим бетона и ограничения в развитии свободных деформаций конструкции вызывают возникновение температурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин в бетоне. Трещины могут возникнуть и от других причин (перегрузки, неравномерные осадки и пр.), не связанных с технологией укладки бетона.
Для уменьшения температурных напряжений и опасности появления в бетоне трещин вследствие экзотермии цемента применяют меры, направленные на уменьшение «разогрева» конструкции, использование низкотермических цементов, уменьшение расхода цемента на 1 м3 бетона и др. (см. гл. 16).
Удобоукладываемость (подвижность) бетонной смеси. В зависимости от состава н водоцементного отношения (В/Ц) бетонная смесь обладает различной подвижностью, или удобоукладываемостыо. Показателем подвижности служит так называемая осадка стандартного конуса, выполненного из приготовленной бетонной смеси; чем больше осадка после освобождения конуса смеси от формы, тем смесь подвижнее и легче укладывается в формы или блоки, образуемые опалубкой.
Различают смеси: жесткие, малоподвижные (осадка конуса 12 см), требующие вибрирования ее в блоке для получения нужной прочности бетона: умеренно жесткие (осадка конуса 24 см) и подвижные (осадка конуса 58 см! Жесткие смеси применяют в массивных конструкциях и сооружениях, умеренно жесткие в таких же конструкциях, но армированных; подвижные в железобетонных конструкциях, насыщенных арматурой до 1%, с осадкой конуса 58 см (при большем содержании арматуры осадка от 8 до 12 см).
Материалы для гидротехнического бетона. Специфические условия работы бетона в гидротехнических сооружениях требуют цементов не толью прочных, но и удовлетворяющих требованиям, изложенным выше. В нашей стране производится несколько видов цементов.
Широко распространен портландцемент, который в чистом виде можно применять главным образом в надводных частях бетонных сооружений в условиях умеренного климата; в других случаях его можно применять только с введением различных добавок, делающих его стойким против специфических воздействий.
Портландцемент пластифицированный (марок 300, 400 и 500) получают с добавкой сульфитноспиртовой барды (ССБ) или сульфитнодрожжевой бражки (СДБ) поверхностноактивного вещества, продукта отхода при производстве гидролизного спирта. Эта добавка, вводимая в бетонную смесь в количестве 0,150,25% массы цемента, повышает морозостойкость и водонепроницаемость бетона, увеличивает подвижность смеси при одновременном снижении потребности в воде на 812%. Этот цемент применяется в тех же условии, что и чистый портландцемент, но когда требуется высокая морозостойкость,! частности, в зонах переменного уровня воды.
Портландцемент гидрофобный (марок 300-400) изготовляют с добавкой гидрофобнопластифицирующих, воздухововлекающих веществ: мыла из абиетиновой смолы (СНВ), мылонафта, петролатума, винзолового мыла и др. Эп добавки вводят в состав бетона пузырьки воздуха, что повышает подвижность смеси, водонепроницаемость и морозостойкость бетона.
Пуццолановый портландцемент получают при совместном измельченш портландцементного клинкера и минеральной добавки в виде диатомита, трепела, опоки, вулканического пепла, туфа и др. (2540% массы цемента), а также небольшого количества гипса. Ценными качествами этого цемента являются повышенная коррозиестойкость (против выщелачивания «мягкой» водой) относительно умеренная экзотермия, но при этом у него понижается морозостойкость (из-за повышенной потребности в воде). Вследствие этого данньй цемент применяют во внутренних и подводных зонах сооружения, где он защищен от мороза.
Сульфатостойкий портландцемент (марок 300-400) стоек против сульфатной агрессии воды. Этот цемент с умеренной экзотермией рекомендуется применять в условиях агрессивной среды в наружных зонах сооружений, подвергающихся попеременному замерзанию и оттаиванию, а также в зоне колебаний уровня воды.
Шлакопортландцемент (марок 200-500) изготовляют путем совместного помола портландцементного клинкера и доменных шлаков (3060% массы цемента) с небольшой добавкой гипса. Цементы этого рода отличаются малой экзотермией и замедленным начальным твердением, их применяют во внутренних зонах массивных бетонных сооружений, а также в подземных и подводных их частях.
Добавки для гидротехнического бетона. Кроме уже упоминавшихся добавок поверхностноактивных веществ, в состав бетона вводят иногда искусственные активные добавки: гранулированные шлаки доменного процесса, топливные шлаки, золуунос тепловых электростанций и др. Они повышают плотность бетона и уменьшают удельный расход цемента в бетоне.
Неактивные минеральные добавки в бетон или так называемые наполнители (известняк, песок, глина, промышенные отходы) включаются в состав бетона для уменьшения расхода цемента при сохранении достаточной плотности бетона и уменьшении его экзотермин (например, песчанопуццолановый бетон).
Заполнители для бетона выбирают из прочных каменных пород. По гранулометрическому составу различают мелкий заполнитель с диаметром зерен менее 5 мм песок и крупный заполнитель с диаметрами зерен более 5 мм. Мелкий заполнитель (песок) должен быть чистым; примеси глины, пыли и других веществ допускаются не более 13%.
Крупный заполнитель гравий, галька или щебень, получаемый дроблением из прочных каменных пород. Крупный заполнитель делят обычно на четыре фракции с диаметрами (наибольшими): 510, 1020, 2040 и 4080 мм, а иногда применяют 5ю фракцию диаметром 80120 мм, в зарубежном строительстве применяют иногда крупные фракции до 180-200 мм.
В практике нашего гидростроительства в массивных сооружениях (Днеп рострой, Кременчугская плотина на Днепре) применялся так называемый «изюм», когда в массу бетона втапливались крупные камни, валуны, объемом каждый иногда до 25 м3 в количестве от 30 до 6070% объема кладки. В этом случае расход цемента снижался до 100 кг на 1 м3 бетона.
Для изготовления бетонной смеси применяется чистая без водных примесей (кислот, солей, масла) вода.
Арматура для железобетона. В железобетонных конструкциях в качестве рабочей арматуры применяется стержневая арматурная сталь: горячекатаная гладкая класса АI с расчетным сопротивлением растяжениюсжатию 225 МПа и сталь горячекатаная периодического профиля классов от АП до АV с расчетным сопротивлением растяжению 280-680 МПа; иногда используют сталь, упрочненную вытяжкой, класса АШв. Модуль упругости этих сталей от 180 до 2101 ПА
Арматуру применяют преимущественно в виде армоконструкшга, т.е. армоферм, армопакетов, сварных каркасов и сеток, а также армопанельных плит. Штучная (прутковая) арматура в настоящее время в гидротехнических конструкциях применяется как исключение.
Подбор состава и использование бетона в сооружениях. В зависимости от требований к бетону, вызываемых условиями работы сооружения или сто элементов, применяют различные составы бетонов. Рациональный подбор состава бетона заключается в том, чтобы получить наивысшее его качество с наименьшими затратами, т.е. получить долговечный и экономичный бетон. В этом отношении существенную роль играет удельный расход цемент (на I и бетона); он должен быть минимально возможным для данной марки по экономическим соображениям, а также для уменьшения тепловыделения в бетоне и опасности трещинообраэования. При этом следует максимально использовать местные заполнители, особенно естественные, и установить максимально допустимое водоцементное отношение (В/Ц).
Практика рекомендует не превышать расход цемент, кг, на 1 м3 бетот: для внутренних зон плотины 160 (класс В 10, марка W1); фундаментных частей (у основания) 230240 (В 15, W 10, /400); наружных зон, не подвергающихся воздействию потока воды, 240 (В 15, W 8, ISO); водосливных поверхностей 260, но может быть н выше в зависимости от скоростей потока; в зонах переменного уровня воды 270 (520, WB, 300). Эти цифры надо считать предельными (опыт зарубежного строительства показывает более низкие данные, например, на строительстве плотины ГрандДиксанс (Швейцария) ряски цемента для внутренних зон был 140 кг/м3) и принимать все меры к снижал® расхода цемент например введением в состав бетона неактивных минеральных добавок, золыуноса и др.
В последнее время при возведении массивных бетонных плотин испащ ют жесткие малоцементные бетоны. В этих бетонах расход цемента по сравнению с расходом обычного бетона может быть снижен до 50% и баю за счет подбора оптимального состава жесткой бетонной смеси и применения новой технологии возведения бетонных массивов путем укатки, аналогичной технологии возведения насыпных грунтовых плотин. В малоцементнш бетонах массовое содержание вяжущих, кг/м3, составляет: для тощего га> тайного бетона от 50 до 100 (из которых до 40% приходится на добавки t бетону, например, в виде золыуноса); для укатанного бетона с повышении» содержанием вяжущих более 150 (с содержанием добавок обычно 60W Малоцементные бетоны по показателям плотности, водонепроницаемости прочности могут быть подобраны близкими к обычному бетону, но при зт они характеризуются более низкой морозостойкостью и возможностью усиленной фильтрации по горизонтальным строительным швам, что связано с технологией возведения сооружения.
Различные зоны плотины или другого бетонного гидротехнического сооружения находятся в различных условиях напряженного состояния, фильтрационного и температурного режима, поэтому в целях наилучшего соответствия бетона применяемых марок условиям работы той или иной зоны сооружения и получения наибольшей экономии проводят так называемое зонирование марок бетона. Например, у напорной грани плотины, близ ее подошвы, следует укладывать водонепроницаемый бетон, у низовой грани плотины и у гребня морозостойкий бетон и т. п. Более подробно этот вопрос изложен в п. 6.7.
