Розділ 4. Бетони з неорганічних в’яжучих.

Бетон – штучний кам’яний матеріал, який отримують у результаті твердіння раціонально підібраної суміші в’яжучої речовини, води та заповнювачів. Бетон легко формується, має високу міцність та довговічність. В якості заповнювачів для нього використовуються порівняно дешеві місцеві кам’яні матеріали (до 80% маси).

4.1. Класифікація бетонів

Бетони класифікують за видом в’яжучого, густиною, структурою і крупністю заповнювача та призначенням. У будівництві найбільш поширені цементні бетони, але застосовують також бетони на основі вапна, гіпсу, шлако-лужних та інших неорганічних та органічних в’яжучих матеріалів. В залежності від густини бетони розділяють на важкі (1800-2500 кг/м³), легкі (500-1800 кг/м³), особливо важкі (більше 2500 кг/м³) та особливо легкі (менше 500 кг/м³). При максимальній крупності заповнювача менш 5 мм бетони називають піщаними, менш 10 мм - дрібнозернистими, більше 10 мм – крупнозернистими. Розрізняють також щільні, пористі та ніздрюваті бетони. Ніздрювата структура утворюється при введенні в бетонну суміш піно- та газоутворюючих добавок, а крупнопориста – за відсутності у складі заповнювачів піску і обмеженій витраті цементу.

За призначенням бетони діляться на звичайні, гідротехнічні, дорожні, жаростійкі, для радіаційного захисту, кислотостійкі, декоративні та ін.

Гідротехнічний бетон в залежності від розташування у спорудах по відношенню до рівня води розділяється на бетон підводний, що знаходиться у воді постійно, бетон зони перемінного рівня води та надводний.

4.2. Матеріали для бетону

Будівельно-технічні властивості бетону залежать від якості вихідних компонентів та їхнього співвідношення у бетонній суміші.

Цементи. При виборі цементу повинні враховуватися необхідна міцність бетону та інтенсивність її зростання, агресивний вплив довкілля, конструктивні особливості виробів та умови проведення бетонних робіт. Витрата цементу у бетоні буде раціональною, якщо марка цементу у 1,1…1,5 раз вище марки бетону. Із зменшенням цього співвідношення збільшується витрата цементу, розвиваються усадочні деформації та знижується тріщиностійкість бетону, а при збільшенні - за рахунок недостатнього вмісту цементу спостерігається розшарування бетонної суміші, зниження щільності бетону.

Вимоги до хіміко-мінералогічного та речовинного складу бетону обумовлені умовами його твердіння та експлуатації. Наприклад, для виробництва збірних залізобетонних конструкцій, що твердіють при тепловологісній обробці, ефективне застосування швидкотвердіючого портландцементу та шлакопортландцементу. У бетонах, що піддаються поперемінному заморожуванню та відтаюванню, зволоженню та висиханню, небажано застосування цементів із підвищеним вмістом мінеральних добавок, а також трикальцієвого алюмінату (C₃A  8 %). Для масивного гідротехнічного бетону, що вкладається у греблі і дамби, вимагаються низькотермічні цементи. Для гідротехнічного бетону із покращеними властивостями застосовуються пластифіковані гідрофобні цементи. У виробництві конструкцій , як правило, віддають перевагу цементам із помірним або зниженим вмістом трикальцієвого алюмінату та нормальною густотою цементного тіста (23-28%), що не виявляють ознак несправжнього тужавлення.

Так, при виготовленні залізобетонних напірних труб повинен застосовуватися портландцемент марки М500 та вище, що має початок тужавлення не раніше 2.5 год, С₃А не більше 6% і нормальну густоту не більш 26%.

При виготовленні безнапірних залізобетонних труб бажано застосовувати портландцемент, що має наступний мінералогічний склад, %: С₃S - 50, С₂S - 25, С₃А - 4...6, C₄AF - 10 і CaSO₄ - 3.5. Бетон, застосований для виготовлення залізобетонних лотків зрошувальних систем, повинен виготовляться на портландцементі або сульфатостійкому портландцементі марки не нижче М400 із розрахунковим вмістом трикальцієвого алюмінату не більш 5%.

Для замішування бетону, промивання заповнювачів та вологісного догляду за бетоном рекомендується застосовувати звичайну питну воду. Не допускаються болотні та стічні води; води, забруднені шкідливими домішками (кислоти, солі, масла та ін.); води, що мають водневий показник рН менш 4 або вміщують більше 0,27 % сульфат-іонов.

Заповнювачі. Для приготування бетону застосовують дрібний та крупний заповнювачі. Дрібним заповнювачем служить пісок – природна або штучна мінеральна суміш зерен розміром від 5 до 0.16 мм. Дрібний заповнювач призначений для зниження витрати цементного тіста, що заповнює пустоти між зернами крупного заповнювача, та запобігання розшаруванню бетонної суміші. Якість його залежить від структурно-мінералогічних особливостей, форми і крупності зерен, вмісту різних фракцій (зернового складу), шкідливих домішок. В звичайному важкому та гідротехнічному бетоні застосовують природні або кварцеві польовошпатні піски та піски, що одержуються подрібненням щільних морозостійких гірських порід до крупності не більше 5 мм. Застосування пісків, що складаються із зерен осадових порід (щільних вапняків, доломіту та ін.), а також пористих вивержених порід (туфу, пемзи та ін.), допускається лише після проведення лабораторних досліджень і при техніко-економічному обгрунтуванні.

Критерієм крупності піску є модуль крупності, під яким розуміють суму повних залишків при просіюванні дрібного заповнювача на стандартних ситах, %, поділену на 100:

Повний залишок - це сума залишків на даному і більш крупних ситах, що входять у комплект для просіювання (% від маси проби). Піски поділяють на крупні (М_кр = 3,5...2.5), середні (М_кр = 2,5...2) та дрібні (М_кр = 1,5...2).

Поряд з крупністю піску важливе значення має його порожнистість V_п, або об’єм міжзернового простору, %:

де ₀, – насипна густина і густина піску.

П орожнистість піску залежить від зернового складу (рис. 4.1), який повинен відповідати стандартній кривій просіювання. Крупність та зерновий склад піску у значній мірі впливають на витрату цементу у бетоні. Із зменшенням крупності та збільшенням міжзернової пустотності росте питома поверхня піску та збільшується витрата цементного тіста. При використанні дрібних пісків доцільно застосовувати укрупнюючі добавки, наприклад крупні фракції природного чи дробленого піску. Застосування дрібних пісків допускається при техніко-економічному обгрунтуванні. Водопотреба та витрата цементу при використанні дрібних пісків і пісків із несприятливим зерновим складом зростають на 8…20%.

Після випробувань у багатьох випадках можуть бути використані в бетоні піски з попутньо добутих порід та відходів промисловості. Подрібнені піски залежно від міцності вихідної гірської породи поділяються на чотири марки: М1000, М800, М600 та М400. Вивержені та метаморфічні гірські породи, що використовуються для виробництва подрібнених пісків, повинні мати границю міцності на стиск не менше 60 МПа.

Основні властивості бетону залежать від зчеплення цементного каменя із заповнювачами, на яке впливають форма та характер їх поверхні, наявність глини та пилу, інших шкідливих домішок, хіміко-мінералогічний склад заповнювача. Зчеплення збільшується при гострокутній формі та шорсткій поверхні зерен, характерній, наприклад, для гірського (ярового) піску, або за рахунок хімічної взаємодії при використанні карбонатних порід.

Глинисті та пиловидні частинки завдяки високорозвинутій поверхні суттєво збільшують водопотребу бетонних сумішей, обволікають зерна заповнювачів та зменшують його зчеплення з цементним каменем. Крім того, найбільш дрібні пилуваті частинки (0,08 мм) знижують морозостійкість бетону.

Допустимий вміст пиловидних та глинистих частинок нормується в залежності від виду заповнювача та призначення бетону. Для звичайного природнього піску він не повинен перевищувати 3%, подрібненого – 4%, для фракційованих природних та подрібнених пісків – відповідно 2% та 3%. Спеціальні обмеження вмісту пиловидних та глинистих домішок встановлені для піску, що використовується при виготовленні бетону гідротехнічних споруд, водопропускних труб, транспортних споруд. Наприклад, для бетону зони змінного рівня води гідротехнічних споруд вміст у піску пиловидних та глинистих домішок не повинен перевищувати 2%, надводного бетону – 3%, підводного бетону та бетону внутрішньої зони – 5%.

До інших шкідливих домішок в заповнювачі належать включення слюди, сірчасті та сірчанокислі сполуки, оксиди та гідроксиди заліза, мінерали, що містять аморфні різновиди кремнезему, органічні домішки тощо. Вони погіршують структуру бетону, негативно впливають на процес твердіння цементного каменя, викликають його корозію.

На долю к р у п н о г о з а п о в н ю в а ч а (гравію або щебеню), що утворює жорсткий каркас бетону, припадає приблизно 50% від усієї його маси.

Г р а в і й – рихла осадова порода, утворена в результаті вивітрювання щільних гірських порід. Крупність зерен гравію коливається від 5 до 70 мм. Для гравію характерні окатана форма зерен і в більшості випадків підвищений вміст пилуватих частинок та зерен слабких порід.

Щ е б і н ь - продукт подрібнення гірських порід. Щебінь одержують також з гравію, валунів, доменних, сталеплавильних та інших шлаків.

Я кість крупного заповнювача, як і піску, визначається крупністю, зерновим складом (рис.4.2), формою, поверхнею зерен та вмістом домішок. Суттєве значення мають петрографічні особливості, міцність вихідної породи, водостійкість та морозостійкість.

М

D_min 0,5(D_min+ D_max) D_max 1,25 D_max

(5 чи 3 мм)

аксимальний розмір крупного заповнювача не повинен перевищувати 1/4 мінімального перерізу конструкції. В залізобетонних конструкціях крупність заповнювача приймають меншою 2/3 відстані між стержнями арматури.

Для забезпечення оптимального зернового складу щебінь або гравій поділяють на окремі фракції, які потім змішують у рекомендованих співвідношеннях. Як правило, використовують фракції 5…10, 10…20, 20…40, 40…70 мм.

В бетоні гідротехнічних та інших масивних споруд при техніко-економічному обгрунтуванні допускається використовувати щебінь та гравій крупністю до 150 мм і більше.

Д о б а в к и д о б е т о н і в. Добавками для бетонів служать неорганічні та органічні речовини або їх суміші (комплекси), за рахунок введення яких регулюються або забезпечуються спеціальні властивості бетонних сумішей та бетонів. За основним ефектом дії добавки поділяють на наступні види:

• ті, що регулюють реологічні властивості, тужавлення та пористість бетонних сумішей, твердіння бетону;

• ті, що надають бетону спеціальні властивості;

• ті що регулюють і водночас надають різні властивості бетонним сумішам та бетонам (поліфункціональної дії);

• мінеральні порошки – замінники цементу.

Основні напрямки вдосконалення технології бетону з використанням хімічних добавок пов’язані зі зниженням витрат праці при виконанні робіт на заводах збірного залізобетону та у монолітному будівництві, значним скороченням частки важких ручних операцій, підвищенням якості бетону, його міцності, морозостійкості, водонепроникності та корозійної стійкості, економією цементу. З допомогою добавок вдається змінювати та регулювати умови та строки твердіння бетону, надавати йому нові властивості, наприклад бактерицидність, гідрофобність, здатність твердіти на морозі тощо.

Найбільш розповсюдженими є п л а с т и ф і к у ю ч і д о б а в к и та розроблені в кінці 70-х років с у п е р п л а с т и ф і к а т о р и (С-3, С-4, 10-03 та ін.).

Використання суперпластифікаторів дозволяє знижувати трудоємність формування залізобетонних виробів в 2…4 рази і бетонування монолітних конструкцій та споруд в 5…7 разів, в ряді випадків повністю виключити вібрацію або замінити її короткочасним струшуванням, скоротити витрати палива та електроенергії, економити до 25% цементу.

Великі можливості регулювання водопотреби бетонної суміші за допомогою суперпластифікаторів і значного зниження водоцементного відношення забезпечують одержання високоміцних бетонів. Поряд з індивідуальними все більшого розповсюдження отримують к о м п - л е к с н і д о б а в к и з більш універсальним ефектом.

Дисперсні мінеральні добавки (наповнювачі) поділяють на активні та інертні. Інертні добавки отримують тонким подрібненням пісків, вапняків, доломітів, лесу та інших порід, яким не притаманна гідравлічна активність. До активних мінеральних добавок (діатомітів, трепелів, опоки, зол, гранульованих доменних шлаків та ін.), що вводяться до бетонної суміші, висуваються ті ж вимоги, що й при отриманні портландцементу, пуцоланового та шлакопортландцементу. За тонкістю помелу вони повинні бути близькими до цементу.

При використанні мінеральних добавок небажаним є збільшення водопотреби бетонної суміші.

Однією з ефективних добавок, що вводяться до бетону замість частини портландцементу, є зола-винос ТЕС. Доля її може досягати 30% маси в’яжучого.