Учебники / Основин. Строительные материалы и изделия. Учебное пособие

Бетоны на цементных вяжущих приготавливают на основе клинкерных цементов: портландцементе, шлакопортландцементе, пуццолановом портландцементе и их разновидностях.

Бетоны на известковых вяжущих приготавливают на основе извести в сочетании с активными гидравлическими компонентами (цемент, шлаки, золы) и кремнеземистыми компонентами (песок, минеральные добавки).

Основой бетонов на гипсовых вяжущих может быть полуводный гипс или ангидрит гипса (включая гипсоцементнопуццолановые вяжущие).

Бетоны на шлаковых вяжущих – это бетоны на основе молотых шлаков с активизаторами твердения (щелочные растворы, известь, цемент или гипс).

В качестве специальных вяжущих могут использоваться полимерные и полимерцементные вещества, сера, металл. На их основе получают бетонополимеры, полимербетоны, цементнополимерные бетоны.

Бетонополимеры – это бетоны на минеральном вяжущем, пропитанные мономерами или полимерами с их последующим отверждением.

Полимербетоны приготавливают на основе полимерного вяжущего, минеральных заполнителей, наполнителей и добавок.

Цементно-полимерные бетоны приготавливают на цементном вяжущем и заполнителях, обработанных полимерными веществами.

П о в и д у з а п о л н и т е л ей различают бетоны на плотных, пористых и специальных заполнителях.

Бетоны на плотных заполнителях приготавливают на заполнителях из плотных горных пород или шлаков.

Бетоны на пористых заполнителях получают с использованием искусственных пористых заполнителей или заполнителей из пористых горных пород, а также пористых крупных и плотных мелких заполнителей.

Бетоны на специальных заполнителях приготавливают с применением заполнителей, которые придают им особые свойства. К специальным заполнителям относятся, например, рудосодержащие породы, чугунный скрап, шамот.

П о к р у п н о с т и з е ре н з а п о л н ит е л ей различают бетоны мелкозернистые и крупнозернистые.

Мелкозернистым считается бетон, в котором размер зерен крупного заполнителя не более 10 мм.

110

В крупнозернистом бетоне размер зерен крупного заполнителя более 10 мм.

П о с т р у к т у р е выделяют следующие виды бетонов:

бетоны плотной (слитной) структуры, в которых пространство между зернами заполнителей полностью занято затвердевшим вяжущим веществом. Допустимый объем межзерновых пустот в уплотненной бетонной смеси не превышает 6%;

поризованные бетоны, в которых пространство между зернами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным пеноили газообразующими добавками;

ячеистые бетоны – бетоны с искусственно созданными ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и породообразующей добавки;

крупнопористые бетоны (беспесчаные или малопесчаные), в которых значительная часть объема межзерновых пустот остается не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим.

П о у с л о в и я м т в е р д е ни я бетоны подразделяют на следующие группы:

естественного твердения, твердеющие при температуре 15…20 °С и атмосферном давлении;

подвергнутые (с целью ускорения твердения) тепловой обработке при температуре 70…90 °С и атмосферном давлении;

твердеющие в автоклавах при температуре 175…200 °С

идавлении пара 0,9…1,6 МПа;

твердеющие при тепловой обработке без контакта бетона с паровоздушной средой;

твердеющие при отрицательных температурах.

9.2. Материалы для получения тяжелого (обычного) бетона

Цемент. Вид цемента следует выбирать в соответствии с назначением конструкций и условиями их эксплуатации, требуемым классом бетона (марка), отпускной прочностью бетона для сборных конструкций или проектного возраста бетона для монолитных и сборно-монолитных конструкций.

Расход цемента в бетоне будет рациональным, если соблюдается соотношение марки цемента и класса бетона по прочности (табл. 9.1). При уменьшении этого соотношения увели-

111

чивается расход цемента, развиваются усадочные деформации и снижается трещиностойкость бетона. При увеличении этого соотношения за счет недостаточного содержания цемента наблюдается расслоение бетонной смеси, понижение плотности бетона.

Таблица 9.1

Соотношение марки цемента и класса бетона по прочности

Мелкий заполнитель. В качестве мелкого заполнителя в тяжелых бетонах применяют песок, который может быть природным или искусственным.

Природный песок – это рыхлая смесь зерен размером от 0,16 до 5 мм, полученных в результате естественного разрушения (выветривания) скальных горных пород.

Искусственный песок получают дроблением твердых горных пород либо некоторых побочных продуктов промышленности, например металлургических шлаков. Форма зерен дробленых песков остроугольная, поверхность шероховатая. Эти пески не содержат вредных примесей, которые часто встречаются в природных песках.

Песок для бетона должен состоять из зерен различного размера, чтобы его межзерновая пустотность была минимальной; чем меньше объем пустот в песке, тем меньше цемента требуется для получения плотного бетона. В песке допускается не более 5% зерен размером от 5 до 10 мм. Наличие зерен размером более 10 мм не допускается. Оптимальный зерновой состав песка определяется ситовым методом и характеризуется содержанием в нем зерен различного размера.

Для определения зернового состава песка используют стандартный набор сит с отверстиями диаметром 5,0; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,16 мм, через которые просеивают навеску песка, равную 1 кг. Сначала определяют частные остатки в процентах

на каждом сите (а2,5, a1,25, a0,63, …), а затем полные остатки (А2,5, A1,25, A0,63, …). Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на этом и на всех вышерасположен-

ных ситах. Например, А0,63 = a0,63 + а0,125 + а2,5. Величины полных остатков характеризуют зерновой состав песка.

112

На основании результатов ситового анализа песка можно рассчитать модуль крупности (Мк) зерен песка:

Мк = (А2,5 + А1,25 +А0,63 +А0,315 +А0,16) / 100.

В зависимости от зернового состава различают песок повышенной крупности, крупный, средний, мелкий и очень мелкий

(табл. 9.2).

Зерновой состав песка для изготовления бетона определяют также с помощью графика, приведенного на рис. 9.1. Для этого по горизонтали откладывают диаметры отверстий контрольных сит, а по вертикали – полные остатки на контрольных ситах. Полученные точки соединяют ломаной линией, которую называют кривой зернового состава песка. Если кривая лежит в пределах заштрихованной области стандартного графика, то песок пригоден для работы (для приготовления раствора, бето-

113

на, мозаичной смеси). Если же кривая выходит за пределы заштрихованной области, то песок следует обогатить, отсеивая ненужные фракции, или промыть его. Как и промывку, обогащение песка производят в карьере.

Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя для изготовления тяжелого бетона применяют гравий или щебень. Щебень отличается от гравия остроугольной формой и шероховатой поверхностью зерен, в связи с чем сцепление его с цементно-песчаным раствором лучше, чем гравия. Содержание в щебне вредных органических веществ незначительно.

Зерновой состав крупного заполнителя определяют просеиванием средней пробы массой 10 кг через стандартный набор сит с диаметром отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм и последующим взвешиванием остатков на каждом сите. Затем вычисляют в процентах частные и полные остатки и устанавливают наибольшую Dнаиб и наименьшую Dнаим крупность зерен заполнителя. За наибольшую крупность зерен принимают диаметр отверстия того верхнего сита, на котором полный остаток превышает 5%, за наименьшую – диаметр отверстия первого снизу сита, полный остаток на котором составляет не менее 95%. Кроме того, вычисляют значения 0,5(Dнаим + Dнаиб) и 1,25Dнаиб.

Для оценки состава крупного заполнителя по результатам просеивания строят кривую зернового состава (рис. 9.2). Крупный заполнитель признают пригодным для приготовления бе-

114

тона, если кривая его зернового состава располагается в пределах заштрихованной области.

Для тяжелых бетонов следует применять щебень, который получают из горных пород, имеющих прочность в 1,5–2 раза выше, чем прочность бетона. Окончательно пригодность гравия или щебня для приготовления бетона требуемой марки устанавливают по результатам испытания бетона, сделанного на данном заполнителе.

Морозостойкость насыщенного водой гравия или щебня определяют попеременным замораживанием и оттаиванием, а также ускоренным методом – замораживанием в растворе сернокислого натрия. По степени морозостойкости гравий и щебень разделяют на следующие марки: F15, F25, F50, F100, F150, F200 и F300.

Вода. В технологии бетонных работ воду используют для приготовления бетонных смесей и раствора, поливки бетона в процессе твердения, промывки заполнителей. Во всех случаях применяется не любая вода, а только отвечающая техническим требованиям. Качество воды оценивают по содержанию вредных примесей, которые могут препятствовать нормальному схватыванию и твердению вяжущего вещества либо вызывают появление в структуре бетона новообразований, снижающих его прочность и долговечность.

Добавки. С развитием технологии производства бетона все большее распространение получают различного вида добавки, которые улучшают свойства бетонной смеси и повышают качество бетона.

Пластифицирующими называют добавки, увеличивающие подвижность (или уменьшающие жесткость) бетонных смесей без снижения прочности бетона. Они представляют собой поверхностно-активные вещества.

П о х а р а к т е р у д е й с т в и я различают гидрофильнопластифицирующие и гидрофобно-пластифицирующие добавки. Из гидрофильно-пластифицирующих наиболее часто применяют добавку ЛСТ (прежнее название СДБ). По химическому составу – это кальциевая соль лигносульфоновой кислоты с примесью минеральных веществ. Она поставляется обычно в жидком виде с содержанием сухого вещества около 50% или в твердом виде при 80%-м содержании сухого вещества. Для пластификации бетонной смеси и раствора ее вводят в небольшом количестве – 0,1…0,5% от массы цемента. Расход добавки –

115

0,5…1,0 кг/м3 бетонной смеси. К гидрофобно-пластифицирую- щим добавкам относят мылонафт (натриевая соль нафтеновых кислот), асидол-мылонафт, гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости ГКЖ-10 и ГКЖ-11.

Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетонов: ускоряющие твердение, замедляющие схватывание, противоморозные.

На практике чаще используют следующие ускорители твердения бетона: хлорид кальция (ХК), сульфат натрия (СН), нитрат кальция (НК), нитрат натрия (НН), а также многокомпонентные добавки: нитрит-нитрат кальция (ННК), нитрит- нитрат-хлорид кальция (ННХК).

Из замедлителей схватывания лучше всего применять добавки, которые уменьшают водопотребность и расход цемента, а также пластифицируют бетонные смеси и раствор. В этом отношении хорошие результаты дают органические вещества (ЛСТ) и кремнийорганические жидкости (ГКЖ-10 и ГКЖ-11). Кроме того, используют добавку двуводного гипса, слабый раствор серной кислоты. Концентрация добавок колеблется от 0,2 до 2% и устанавливается в лаборатории.

Противоморозные добавки вводят для того, чтобы обеспечить твердение бетона зимой. В качестве противоморозных добавок применяют следующие соли: хлорид натрия в сочетании с хлоридом кальция, нитрит натрия, комплексное соединение нитрата кальция с мочевиной.

Добавки, сокращающие расход цемента, – это минеральные порошки, побочные продукты промышленности: пылевидная зола теплоэлектростанций, доменные и топливные шлаки в тонкомолотом виде.

9.3. Бетонные смеси и их реологические свойства

По степени готовности различают готовые к употреблению (БСГ) и сухие (БСС) бетонные смеси. В практике производства бетонных работ для оценки свойств бетонной смеси используют технические характеристики.

Самая важная характеристика – удобоукладываемость, т.е. способность бетонной смеси заполнять форму при заданном способе уплотнения и образовывать в результате уплотнения плотную, однородную массу. Для оценки удобоукладываемо-

116

Рис. 9.3. Схема определения удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса:

1 – конус; 2 – ручки; 3 – опоры; ОК – осадка конуса

сти используют три показателя: подвижность, жесткость и связность смеси.

Подвижность бетонной смеси определяют по осадке стандартного конуса (рис. 9.3). Усеченный конус изготавливают из тонкой листовой стали следующих размеров: высота – 300 мм, диаметр нижнего основания – 200 мм, верхнего – 100 мм. Конус устанавливают на горизонтальной площадке, не впитывающей влагу. Берут пробу бетонной смеси, например из автобетоносмесителя. Конус наполняют в три приема, каждый раз уплотняя смесь 25 ударами металлического стержня-штыковки. Поверхность смеси заглаживают, затем конус снимают и устанавливают рядом с бетонной смесью. Под действием силы тяжести бетонная смесь деформируется и оседает. Разность высот металлической формы конуса и осевшей бетонной смеси, выраженная в сантиметрах, характеризует подвижность смеси и называется осадкой конуса (ОК). С помощью этого показателя оценивают подвижность пластичных бетонных смесей.

Жесткость смесей, у которых ОК = 0, характеризуют показателем жесткости, определяемым с помощью прибора (рис. 9.4), который представляет собой металлический цилиндр 2 диаметром 240 мм и высотой 200 мм. Цилиндр устанавливают на лабораторную виброплощадку 1 со стандартными характеристиками частоты (50 Гц) и амплитуды колебаний (0,5 мм в ненагруженном состоянии). Затем в цилиндр вставляют конус 3 и заполняют его бетонной смесью так же, как и при определении подвижности. После этого конус снимают и, поворачивая штатив, опускают стальной диск 4 на бетонную смесь. Общая масса диска с шайбой и штангой составляет около 2750 г,

117

Рис. 9.4. Схема определения жесткости бетонной смеси:

а– прибор в исходном состоянии (1 – виброплощадка; 2 – цилиндр; 3 – конус с бетонной смесью; 4 – диск с отверстиями; 5 – втулка;

6 – штанга; 7 – штатив); б – прибор после окончания вибрирования

что создает при уплотнении пригруз 0,9 кПа. Включив виброплощадку, смесь подвергают вибрации до тех пор, пока цементное тесто не начнет выделяться из всех отверстий диска. В этот момент вибратор выключают. Время, необходимое для уплотнения смеси в приборе, называют показателем жесткости бетонной смеси (Ж) и выражают в секундах.

В зависимости от удобоукладываемости различают марки бетонных смесей, указанные в табл. 9.3.

118

Окончание табл. 9.3

Связность – это способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортировки, укладки и уплотнения. В результате уплотнения смеси частицы сближаются, а часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх, образуя капиллярные ходы и полости под зернами крупного заполнителя. Крупный заполнитель, плотность которого отличается от плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), также перемещается в теле бетонной смеси. Если заполнитель плотный и тяжелый, например гранитный щебень, частицы его оседают (рис. 9.5), пористые легкие заполнители – керамзит, аглопорит – всплывают. Все это ухудшает структуру бетона, делает его неоднородным, увеличивает водопроницаемость и снижает морозостойкость. Чтобы повысить связность и предотвратить

Рис. 9.5. Схема возможного расслоения бетонной смеси:

а– в процессе транспортировки и уплотнения; б – после уплотнения; 1 – направление, по которому отжимается вода; 2 – вода; 3, 4 – соответственно мелкий и крупный заполнители

119