1.3 Мелкозернистые бетоны

1.3.1 Общие положения

Мелкозернистыми бетонами называют бетоны без крупного заполнителя. Существует четыре основных направления получения легких бетонов:

1. Приготовление цементно - песчаных бетонов путем простого исключения гравия или щебня из тяжелого бетона по обычной технологии.

2. Получение мелкозернистого бетона по вибрационной технологии (размол части песка, домол цемента, усиление вибрации при уплотнении).

3. Автоклавная обработка под давлением 0,8 МПа. Песок здесь уже не является инертным материалом, а вместо цемента можно применять известь. В случае применения портландцемента можно получить бетоны марок 200-800 без перерасхода вяжущего вещества.

4. Получение бетона по струйной технологии. В этом случае перемешивание осуществляется воздушными струями, а уплотнение смеси - прессованием, набрызгом, т.е. применяют интенсивное уплотнение. При таком способ зерна песка равномерно обволакиваются цементным тестом.

Практика показала, что наибольшее распространение получили первый и второй способы. Хотя расход цемента при получении обычных мелкозернистых бетонов на 15-40% выше, чем в бетонах с крупным заполнителем, имеются резервы снижения его за счет следующих технологических приемов:

- домола цемента или цемента с песком;

- классификации песка;

- введения химических добавок (пластификаторы +ускорители)

- активации бетонной смеси

Поэтому в ряде случаев, особенно в районах, где отсутствуют щебень и гравий, мелкозернистые бетоны являются наиболее экономичными.

1.3.2 Особенности свойств мелкозернистого бетона

В последние годы активно внедряются в строительство мелкозернистые песчаные бетоны. Ранее их применение сдерживалось некоторыми особенностями структуры и свойств. Применение в качестве заполнителя только песка вызывало значительное увеличение удельной поверхности заполнителя и его пустотности. Для получения равноподвижных бетонных смесей слитной структуры по сравнению с бетоном на крупном заполнителе требовалось на 15...25% увеличивать расходы воды и цемента. В свою очередь в последующем это приводило к увеличению усадки бетона. Существовавшие жесткие требования по ограничению расхода цемента в бетоне сдерживали применение мелкозернистых бетонов в строительстве, хотя в ряд регионов (Заполярье, гг. Бухара, Ташкент и др.), учитывая специфические условия строительства, мелкозернистые бетоны с успехом использовались для возведения различных сооружений и зданий.

В современных условиях изменили технические и экономические предпосылки использования бетонов в строительстве. Появились и с каждым годом все шире применяются в технологии бетона композиционные вяжущие, суперпластификаторы и другие эффективные модификаторы структуры и свойств бетона, тонкодисперсные минеральные наполнители, новое эффективное оборудование. Решающим фактором в рыночной экономике стало качество и стоимость материала, скорость возведения объектов, расширение возможностей архитектурно-строительных решений на основе применения новых бетонов. Экономия цемента отошла на второй план перестала быть самодовлеющим фактором. Вместе с тем новые технико-технологические возможности, особенно переход от обычных бетонов к многокомпонентным составам с широким использованием суперпластификаторов, тонкодисперсных наполнителей и других добавок, позволили свести к минимуму повышение расхода воды и цемента в мелкозернистых смесях и резко уменьшить усадку материала, получая в ряде случаев безусадочные мелкозернистые бетоны.

Мелкозернистость структуры материала обладает рядом достоинств, среди которых можно назвать следующие:

- возможность создания тонкодисперсной однородной высококачественной структуры без крупных включений крупных зерен иного строения;

- повышенная эффективность модификации материала химическим и минеральными добавками;

- высокая тиксотрoпия и способность к трансформации бетонной смеси;

- высокая технологичность возможность формования конструкций и изделий методом литья, экструзии, прессования, штампования, набрызга и другими;

- лёгкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам;

- возможность широкого применения сухих смесей с гарантией высокого качества;

- возможность получения материалов с различными комплексами свойств;

- возможность получить новые архитектурно-конструкционные решения: тонкостенные и слоистые конструкции, изделия переменной плотности, гибридные конструкции и т.д.;

- возможность широкого применения местных материалов и, как правило, более низкая себестоимость по сравнению с классическим крупнозернистым бетоном.

Наибольший техноэкономический эффект достигается при применении мелкозернистых бетонов для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций. Армируя этот бетон стальными сетками, получают армо-цемент - высокопрочный материал для тонкостенных конструкций. Вводя в мелкозернистый бетон фибру - дисперсные волокна, получают фибробетон, обладающий повышенной прочностью при растяжении. Применяя композиционные вяжущие вещества и комплексы специальных Добавок - модификаторов структуры и свойств, получают композиционные многокомпонентные мелкозернистые бетоны. В зависимости от выбора вяжущего и добавок получают разные специальные бетоны: изоляционные, декоративные, электропроводящие или электроизоляционные и другие.

Свойства мелкозернистого бетона определяются теми же факторами, что и обычного бетона. Однако мелкозернистый цементно-песчаный бетон имеет некоторые особенности, обусловленные его структурой, для которой характерны большая однородность и мелкозернистость, высокое содержание цементного камня, отсутствие жесткого каменного скелета, повышенные пористость и удельная поверхность твердой фазы.

Рис.6. Зависимость прочности песчаного бетона от состава бетона (а) и В/Ц (б):

1-В/Ц=0,3;

2-В/Ц=0,4;

3-В/Ц=0,5;

4-В/Ц=1,0;

5-В/Ц=1:2;

6-В/Ц=1:4;

7-обычный

На рис. 6,а приведены зависимости прочности песчаного бетона от его состава. При В/Ц=0,3 зависимость прочности от расхода цемента прямолинейна: уменьшение расхода цемента приводит к резкому понижению прочности бетона, так как при малом содержании цемента смесь становится все менее удобообрабатываемой, хуже уплотняется, а ее плотность и соответственно прочность постепенно уменьшаются. Наивысшую прочность оказывает в этом случае цементный камень.

При более высоких значениях водоцементного отношения (В/Ц=0,4 и выше) наивысшая прочность бетона достигается при определенном оптимальном соотношении между цементом и песком. При этом соотношении достигается максимальная плотность бетонной смеси. При меньших расходах цемента удябообрабатываемость смеси постепенно снижается, что затрудняет ее укладку и приводит к постепенному понижению прочности и плотности бетона. При более высоком содержании цемента возрастает количество избыточной воды в бетоне, соответственно увеличивается пористость и понижается прочность.

Для каждого состава бетона имеется оптимальное значение В/Ц, при котором получаются наивысшие прочность и плотность бетона. Если построить обобщенную зависимость прочности песчаного бетона разного состава от В/Ц для оптимальных или средних значений прочности, достигаемых при разных соотношениях между песком и щебнем, то кривые, выражающие эти зависимости, будут иметь более крутой наклон и будут пересекаться с подобными кривыми для обычного бетона при В/Ц, близких к 0,4 (рис.8.). В случае более низких В/Ц при обеспечении хорошего уплотнения можно получить песчаные бетоны с прочностью выше, чем у обычных бетонов на крупном заполнителе. Однако такие бетоны требуют большого расхода цемента и могут применяться только для специальных конструкций при Соответствующем технико-экономическом обосновании. При более I высоких В/Ц песчаные бетоны обычно имеют прочность ниже, чем I обычные бетоны на прочном крупном заполнителе. Степень понижения прочности зависит от качества применяемых материалов и технологии уплотнения бетонной смеси.

Это обусловлено тем, что в мелкозернистом бетоне обычно содержится больше цемента и воды, чем в обычном бетоне, что повышает pro пористость, особенно при повышенных значениях В/Ц. На пористость мелкозернистого бетона также влияет степень его уплотнения и другие технологические факторы.

Рис.7. Обобщенная зависимость прочности мелкозернистого (1) и обычного (2) бетона на портлантцементе М400 от цементно-водного фактора

Рис.8. ХХХХ

Рис.9. ХХХХ

Рис.10. ХХХХ

Рис.11. ХХХХ

Бетоны уплотняются под действием сил тяжести, которые обеспечивают более плотную упаковку частиц твердой фазы. Этому в определенной степени препятствует действие поверхностных сил, связывающих твердые частицы в подвижный монолит. Действие внешних сил, ослабляя внутренние связи и обеспечивая перемещение частиц, способствует уплотнению бетонной смеси.

В мелкозернистом бетоне зерна песка имеют малые размеры и вес, что снижает их воздействие на уплотнение бетонной смеси, хотя с другой стороны, малые размеры зерен песка способствуют их взаимному перемещению и облегчают перемещение слоев бетона между собой, транспортирование и распределение цементно-песчаной смеси в форме.

Повышенная удельная поверхность песка усиливает действие поверхностных сил, затрудняющих уплотнение смеси и способствующих в отдельных случаях агрегированию частиц твердой фазы.

Все это требует особого внимания к уплотнению бетона и применения приемов, повышающих тиксотропию бетонной смеси, либо использования более интенсивных и эффективных приемов внешнего воздействия на бетонную смесь при его уплотнении.

Применение разных цементов и песков и разнообразие технологических приемов приготовления и уплотнения мелкозернистого бетона изменяет положение прямой Rб = f (Ц/В) в поле "прочность - цементно- водное отношение", что обычно учитывают соответствующими коэффициентами в формуле прочности бетона.

В ряде случаев при приготовлении цементно-песчаной смеси и уплотнении ее обычным вибрированием в нее вовлекается воздух, распределенный в виде мельчайших пузырьков по всему объему смеси. Вовлечение воздуха, которое может достигать 3 ... 6% и более, повышает пористость бетона и снижает его прочность. Воздухововлечение увеличивается с повышением жесткости смеси. Поэтому при необходимости получить плотные и прочные песчаные бетоны следует применять такие методы их уплотнения. Которые сводили бы воздухововлечение к минимуму.

Песок обладает более высокой пустотностью, чем смесь песка и щебня. При невысоком содержании цемента в смесях более тощих, чем 1:3, цементного теста может не хватить для обмазки зерен песка и заполнения всех пустот. В этом случае возникает дополнительный объем пор, обусловленный нехваткой цементного теста, что вызывает увеличение общей пористости бетона и снижение его прочности. Этим обстоятельством объясняется сложность получения достаточно прочных песчаных бетонов при невысоких расходах цемента (200 ... 300 кг/м³), характерных для обычного бетона. Учитывая изложенные выше особенности влияния различных факторов на прочность песчаного бетона, обобщенную зависимость его прочности от различных факторов можно представить в виде следующего выражения:

R = ARц (Ц/(В+ВВ) - 0,8)

где В,Ц - соответственно расходы воды и цемента, кг/м³; ВВ - объему вовлеченного воздуха, л; А - эмпирический коэффициент, для материалов высокого качества * 0,8, среднего качества - 0,75 и низкого качества - 0,65.

Содержание воздушной фазы в бетоне зависит от качества исходных материалов, состава бетона и технологии его приготовления и уплотнения. Объем воздухововлечения трудно определить расчетным методом, поэтому при определении состава бетона можно вначале определить водоцементное отношение из формулы

Rб = А* Rц (Ц/В - 0,8)

без учета воздухововлечения, принимая коэффициент А в соответствии с рекомендациями к предыдущей формуле Затем на основе контрольных испытаний установить действительную плотность свежеприготовленной бетонной смеси и коэффициент уплотнения, равный соотношению действительной и расчетной плотности материала. С учетом коэффициента уплотнения, который как бы определяет объем воздухововлечения и снижение вследствие этого плотности бетонной смеси, проводят корректировку расходов составляющих материалов.

Применение мелкого песка с повышенной удельной поверхностью и пустотностью приводит к необходимости увеличения расхода воды и заметно снижает прочность бетона, в том числе заметно снижает максимально достижимую прочность бетона для определенного состава. Степень снижения прочности бетона зависит как от качества песка, так и от состава бетона, увеличиваясь при уменьшенном расхода цемента.

Если в обычном бетоне замена крупного песка мелким понижает прочность всего на 5 ... 10%, то в мелкозернистом бетоне прочность может уменьшиться на 25 ... 30%, а максимальная прочность песчаного бетона состава 1:2 ... 1:3, которой можно достигнуть при «оделенной интенсивности уплотнения, иногда снижается в 2 ... 3 раза. Поэтому для мелкозернистых бетонов желательно использовать рунные чистые пески или обогащать мелкий песок более крупными высевками от дробления камня, мелким гравием. Однако при применении комплекса химических и минеральных добавок можно получить достаточно эффективные бетоны на мелких и даже тонких песках. Состав мелкозернистого бетона и качество песка определяют эффективность использования цемента в бетоне

Удельный расход цемента на единицу прочности в мелкозернистых бетонах разных составов позволяет определить экономичность бетона. Наиболее экономичными на песке средней крупности являются составы 1:2... 1:3, обладающие, как правило, и наибольшей плотностью. Для мелкозернистого бетона на мелком песке оптимальными оказываются составы 1:1... 1:1,5, а минимальный удельный расход цемента увеличивается до 12 кг/МПа. Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью при изгибе водонепроницаемостью и морозостойкостью. Поэтому его можно использовать для дорожных покрытии в районах, где нет хорошего щебня, для труб и гидротехнических сооружений. Поскольку в мелкозернистом бетоне отсутствует крупный щебень, для определения его прочности рационально использовать образцы меньших размеров, чем для обычного бетона: кубы 3x3x3 см, 5x5x5 см, 7x7x7 см и баночки 4x4x16 см (как при испытании цемента). Призменная прочность мелкозернистого бетона в среднем составляет 0,85 Rкуб с учетом испытания бетона в образцах малых размеров.

Меньшая крупность и повышенная удельная поверхность заполнителя (песка) увеличивают водопотребность бетонной смеси, способствуют вовлечению в бетонную смесь воздуха при вибрировании. Водопотребность цементно-песчаной смеси определяется не только требуемой, подвижностью, как у обычного бетона, но и ее составом. Например, для получения бетонной смеси с осадкой конуса 2 см при применении песка средней крупности расход воды для состава бетона 1:3 равен 260 л/м³, а для состава бетона 1:2 - 300 л/м³.

В результате для получения равнопрочного бетона и равноподвижной бетонной смеси в мелкозернистом бетоне на 20.. .40% возрастает расход воды и цемента по сравнению с обычным бетоном. Для снижения расхода цемента следует применять химические добавки, эффективное уплотнение песчаных бетонных смесей и крупные пески с оптимальным зерновым ставом. В цементно-песчаных смесях с высоким содержанием цемента полезно использовать пластификаторы суперпластификаторы и органоминеральные добавки. Хорошее уплотнение цементно-песчаной смеси достигается прессованием, трамбованием, вибрированием с пригрузом, вибровакуумированием, роликовым уплотнением. Например, при обычном вибрировании образцов мелкозернистого бетона на цементе М400 состава 1:2 в одном из опытов в возрасте 28 сут была достигнута максимальная прочность 55 МПа при плотности 2300 кг/м³, а при трамбовании прочность бетона повысилась до 77 МПа при плотности 2400 кг/м³

Для изготовления тонкостенных железобетонных конструкций обычно применяют цементно-песчаную смесь малоподвижной консистенции составов 1:3 ... 1:4, а для изготовления армоцемента - более жирные составы 1:2. При формовании изделий в двусторонней опалубке используют литые цементно-песчаные смеси, а при прессовании или вибрировании с пригрузом - жесткие бетонные смеси.

Применяют мелкозернистые бетоны для:

- тротуарных плит (фирма “Выбор”);

- бордюрных камней;

- бетонных труб;

- декоративных облицовочных полит (технология разработана на кафедре ПСиК);

- изготовление пустотных блоков;

-  тонкостенных Ж/Б конструкций;

- пустотные блоки из мелкозернистых пустотных блоков, которые использовались для строительства в Краснодаре (технология этих блоков разработана выпускникам кафедры ПСиК Макарец А.В.).