5.2. Добавки в бетон. Требования к минеральным материалам. Расчет состава бетона Добавки в бетон

В цементно-бетонной технологии добавками принято называть такие вещества, которые вводят малыми дозами (чаще всего в десятых долях процента от массы цемента) для улучшения технологических и эксплуатационных свойств материалов и изделий. Так, существуют добавки-пластификаторы, облегчающие укладку бетонных и растворных смесей и позволяющие при этом сокращать удельный расход цемента. Известны добавки, ускоряющие или, наоборот, замедляющие твердение вяжущих. Имеются добавки, улучшающие стойкость отвердевших материалов к действию воды, некоторых агрессивных веществ и замораживания, способствуя тем самым повышению долговечности материалов в конструкциях.

Различают органические добавки, состоящие из поверхностно-активных веществ (ПАВ) или из полимеров, и неорганические, представляющие собой соли-электролиты. Добавки всех этих групп нужны и важны, однако добавки ПАВ получили наиболее широкое применение ввиду того, что они положительно влияют не на одно, а на несколько свойств данного материала, т.е. обладают полифункциональным действием. Технические ПАВ сравнительно дешевы и технологичны в применении – легко разбавляются водой и в таком виде вносятся в бетоно- и растворосмесители.

К ускорителям твердения цемента, повышающим скорость нарастания прочности бетона, особенно в ранние сроки твердения, относят хлористый кальций СаСl₂, хлористый натрий NaCl, сернокислый глинозем Al₂(SO₄)₃, хлорное железо FeCl₃, поташ К₂СО₃, нитрит кальция Ca(NO₃)₂, строительный гипс CaSO₄ 0,5Н₂О. Наиболее часто применяется СаСl₂, который позволяет уменьшить количество воды и расход цемента и увеличить подвижность бетонной смеси. Влияние СаСl₂ на повышение прочности бетона объяснятся его каталитическим воздействием на гидратацию клинкерных минералов.

Поверхностно-активные добавки представляют собой группу органических веществ, введением которых в бетонные смеси можно улучшить их удобоукладываемость, уменьшить водоцементное отношение и соответственно сократить расход цемента без снижения прочности материалов и изделий. Вместе с тем поверхностно-активные добавки повышают водонепроницаемость и морозостойкость затвердевших бетонов, улучшают коррозионную стойкость материалов в конструкциях.

В цементы, растворы и бетоны вводят различные поверхностно-активные добавки. Важнейшие из них по определяющему эффекту действия на цементные системы можно условно разделить на три группы: гидрофилизирующие, гидрофобизирующие и воздухововлекающие.

Гидрофилизирующие добавки предотвращают на определенный срок слипание отдельных цементных частиц между собой при затворении вяжущего водой. В этом случае пластифицирующие добавки повышают подвижность бетонной смеси, улучшают ее однородность и нерасслаиваемость, снижают расход цемента, повышают прочность, водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Наиболее распространена сульфитно-дрожжевая бражка.

Гидрофобизирующие добавки повышают нерасслаиваемость, связность бетонной смеси, находящейся в покое. При действии внешних механических факторов (перемешивании, вибрировании, укладке) бетонная смесь с добавкой имеет повышенную пластичность. Это объясняется специфическим действием тончайших слоев поверхностно-активных веществ, распределенных в смеси. Кроме того, гидрофобизирующие добавки предохраняют цементы от быстрой потери активности при хранении и перевозке. К этим добавкам относят синтетические жирные кислоты и их кубовые остатки, кремнийорганические полимеры, окисленные петролатумы и т.д.

Воздухововлекающие добавки позволяют получать бетонные растворные смеси с некоторым дополнительным количеством воздуха. Чтобы повысить пластичность бетонной смеси, увеличивают объем цементного теста. При вовлечении воздуха увеличивается объем теста без дополнительного введения цемента, вследствие чего удобоукладываемость повышается. Широко применяют в настоящее время нейтрализованную воздухововлекающую добавку – смолу (СНВ), омыленный и древесный пек, ЦНИПС-1.

Пено- и газообразователи применяют для изготовления ячеистых бетонов. К ним относят клееканифольные, смолосапониновые, алюмосульфонатфеновые добавки. В качестве газообразователей чаще всего применяют алюминиевую пудру марок ПАК-3 и ПАК-4.

Комплексные добавки, чаще называемые гидрофобно-пластифицирующими, состоят обычно из гидрофобизирующих и гидрофилизирующих поверхностно-активных веществ. Возможно также сочетание воздухововлекающих и гидрофилизирующих добавок. Комплексные добавки отличаются тем, что они хорошо пластифицируют как жирные, так и тощие бетонные смеси, получаемые на цементах разного химико-минералогического состава и на различных заполнителях.

Влияние поверхностно-активных веществ на свойства свежеприготовленных смесей проявляется в улучшении смачивания частиц твердых фаз растворных смесей, их пластифицировании, а также в уменьшении расхода цемента. Достигается это за счет уменьшения поверхностного натяжения воды, предотвращения образования цементных флокул, уменьшения удельного расхода воды и цемента.

Влияние добавок поверхностно-активных веществ на свойства отвердевших бетонов заключается в повышении прочности бетонов, уменьшении остаточной влажности бетонных изделий после пропаривания, уменьшении экзотермии (тепловыделения) цементов, повышении стойкости цементного камня, а следовательно, и долговечности строительных конструкций. Полезное действие поверхностно-активных добавок на отвердевшие материалы проявляется в уменьшении капиллярной всасываемости, водопоглощения и водопроницаемости, а также в повышении морозостойкости. Имеются также подтверждения долговечности эффекта гидрофобизации материалов. В старину добавляли к известковому тесту яйца (они содержат гидрофобизирующие добавки). Признаки гидрофобизации обнаружены в стенах Дмитриевского Собора (г. Владимир), построенного более 750 лет назад.

Требования к заполнителям

Заполнителями для получения бетона служат неорганические сыпучие материалы, которые в зависимости от предельной крупности, происхождения, средней плотности и характера предварительной обработки подразделяют:

по крупности зерен: на песок (мелкий заполнитель) с крупностью зерен от 0,14 до 5 мм; щебень или гравий (крупный заполнитель с крупностью зерен от 5 до 150 мм. Щебень и гравий крупнее 70 мм применяют только для массивных бетонных конструкций, песок – только для растворов;

по происхождению: на природные, получаемые из рыхлых залеганий либо путем дробления горных пород, и искусственные, получаемые как отходы промышленности (доменные конвертерные, электросталеплавильные шлаки, шлаковая пемза) или специально изготовленные (керамзит, керамдор);

по насыпной плотности заполнители подразделяют на тяжелые (более 1200 кг/м³) и легкие (менее 1200 кг/м³);

по характеру предварительной обработки заполнители называют сортовыми (подвергавшимися рассеву, промывке, удалению отдельных фракций) и рядовыми – без предварительной обработки.

Требования к песку для изготовления бетона

Для изготовления тяжелого бетона применяют в основном природные пески, которые в зависимости от условий образования подразделяют на горные, речные, морские, дюнные, барханные и дробленые, получаемые дроблением гранита, плотных известняков и других плотных пород.

Важнейшими показателями качества песка являются зерновой состав и содержание в песке различных примесей, отрицательно влияющих на прочность бетона (органические примеси, сульфаты, пылеватые и глинистые частицы).

Зерновой состав песка характеризуется процентным содержанием в нем зерен размерами 0,14; 0,28; 0,63; 1,25 и 5 мм. На сите с размером 5 мм песка должно оставаться не более 5% по весу, а через сито 0,14 мм песка должно пройти не более 10%. Для оценки зернового состава используют также модуль крупности - М_к. Модуль крупности песка равен сумме полных остатков на ситах с размером отверстий 2,5; 1,25; 0,63; 0,28; 0,14 мм, деленной на 100

.

В зависимости от модуля крупности пески подразделяют на следующие группы:

крупный песок М_к – более 2,5;

средний песок М_к – 2,5 – 2.0;

мелкий песок М_к – 2,0 – 1,5;

очень мелкий песок М_к – менее 1,5.

Для бетона наиболее пригодны пески с модулем крупности 2,0 – 3,25.

К вредным примесям в песках относят слюду, сульфиты, глинистые, пылевидные и органические примеси.

Глинистые и пылевидные частицы обволакивают зерна и препятствуют сцеплению зерен песка с цементным камнем. Примеси пыли и глины в песке снижают прочность и морозостойкость бетона и требуют повышенного расхода цемента. В песке для обыкновенного бетона глины и пыли допускается не более 3% в природном и 5% в искусственном. Если глины и пыли больше, то песок промывают.

Остатки растений, перегной и другие органические примеси сильно понижают прочность бетона. Содержание таких примесей определяют специальным колориметрическим методом исследования по цвету жидкости над песком, залитым 3% раствором едкого натра. Цвет жидкости должен быть не темнее цвета эталона (крепкого чая).

Слюда состоит из блестящих легко расщепляемых и слабо сцепляющихся с цементным камнем пластинок, что понижает прочность бетона. Содержание слюды должно быть менее 0,5%.

Сульфаты, в частности гипс, вызывают коррозию цементного камня. Содержание сульфатов (в пересчете на SO₃) до 1% не вызывает отрицательного воздействия на бетон.

Качество щебня и гравия как заполнителей для бетона оценивается теми же показателями, как и для песка. Кроме того, оценивается прочность и морозостойкость гравия и щебня.

Зерновой состав гравия и щебня определяется просеиванием пробы весом 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий сит 5,10,20,40 и 70 мм и последующего взвешивания остатков на ситах. Затем вычисляют полные остатки на ситах и устанавливают наибольшую (D_наиб) и наименьшую крупность (D_наим.). Наибольшая крупность зерен равна размеру отверстия того верхнего сита, на котором сумма полных остатков не превышает 5%, а наименьшая крупность – размеру отверстий первого (снизу) сита, через который проходит не более 5% просеиваемой навески.

Количество пыли и глины в щебне и гравии не должно превышать 1%. Марка щебня по прочности исходной горной породы должна быть, как правило, выше проектной марки бетона не менее чем в 2 раза. Во всех случаях щебень из изверженных горных пород должен иметь марку не ниже 800, из метаморфических пород – не ниже 600 и из осадочных карбонатных пород – не ниже 300. Значительно снижают прочность бетона наличие в щебне или гравии зерен слабых и выветрившихся пород; их содержание не должно превышать 10% по весу. Содержание пластинчатых и игловых зерен также уменьшает прочность бетона; их не должно содержаться более 15% по массе.

Подбор состава бетона

При подборе состава бетона основной целью является выбор материалов и установление такого расхода на 1м³ бетонной смеси, при котором наиболее экономично обеспечивается получение нужных реологических свойств этой смеси (жесткости и осадки конуса), заданной прочности бетона, а также морозостойкости, водопроницаемости и т.д.

Определение состава бетона производят расчетно-экспери­ментальными методами, основным из которых является метод абсолютных объемов или метод проф. Б.Г.Скрамтаева. В основу этого метода положены следующие два условия:

1. сумма абсолютных объемов составляющих компонентов равна 1000 л.

,

2. объем пустот крупного заполнителя заполнен растворной смесью с некоторой раздвижкой зерен

,

где Ц, В,П,Щ – соответственно расход цемента, воды, песка и щебня, кг;

- соответственно плотность цемента, воды, песка и щебня;

- пустотность крупного заполнителя;

- средняя плотность крупного заполнителя;

- коэффициент раздвижки зерен, более 1.

Состав бетона рассчитывают в следующей последовательности:

1. определяют водоцементное отношение для получения заданной прочности бетона с учетом имеющейся марки цемента;

2. устанавливают расход цемента и воды на 1 м³ бетона;

3. вычисляют расход заполнителей на 1 м³ бетонной смеси;

4. проверяют опытными замесами подвижность бетонной смеси и вносят поправки в расход материалов;

5. находят номинальный состав бетонной смеси;

6. пересчитывают номинальный состав бетонной смеси на полевой;

7. приготавливают образцы и испытанием в возрасте 28 суток определяют прочность бетона;

8. корректируют состав бетона.