книги из ГПНТБ / Новопашин, А. А. Материалы на основе минеральных вяжущих конспект лекций

Адсорбированная вода обладает свойствами твердого тела и поэтому в создании пластичности теста-не участвует. Но молеку­ лы воды удерживаются поверхностными электростатическими силами цементного зерна неодинаково: непосредственно прилега­ ющие к поверхности раздела фаз — прочно, а молекулы наруж­ ных слоев—слабо. Молекулы воды находятся в состоянии непре­ рывного теплового движения, в том числе и адсорбированные молекулы имеют тенденцию отрываться от адсорбировавшей их твердой частицы. Поэтому внесение в систему дополнительного количества энергии, в данном случае за счет встряхивания, спо­ собствует освобождению Mac™ адсорбированных молекул и тем самым увеличению количества жидкой .воды, определяющей по­ движность бетонной смеси. Одновременно с этим твердые части­ цы также приобретают колебательные движения, что способству­ ет нарушению механического сцепления между ними и повыше­ нию подвижности бетонной смеси. Как только вибрация, т. е. приток энергии извне, прекращается, вновь увеличивается ко­ личество адсорбированных молекул воды — и смесь загустевает-

Разжижение бетонной смеси способствует ускорению седи­ ментации тяжелых частиц, их более плотной упаковке и выделе­ нию на верхнюю поверхность формуемого изделия пузырьков воздуха и частично воды.

При вибрации бетонной смеси:

а) обеспечивается заполнение формы или опалубки; б) создаются условия для экономии до 15% цемента;

в) за счет более качественной укладки зерен увеличивает­ ся прочность бетона.

к 5аиуумшсосу

'/ / / / >

Рис. 10. Вакуумщнт:

С. В. Шестоперов предложил проводить повторное вибрирова­ ние уже уложенной в форму и начавшей схватываться смеси. По cio данным при повторном вибрировании с поверхности цемент­ ных зерен сдирается оболочка из гидросиликатов кальция, за­ медляющая взаимодействие между минералами клинкера и во­ дой, что ускоряет твердение бетона и позволяет в первые сроки получить дополнительный прирост прочности в пределах до

20%,

20

Вибрирование почти не дает эффекта в отношении удаления избыточной воды. В тех случаях, когда предъявляются повышен­ ные требования в отношении плотности (например: полы, лотки для воды и т. п.), бетон иногда подвергается вакуумированию или даже вибровакуумированию. Для этого на поверхность свежеуложенной бетонной смеси укладывается вакуумщит (рис. 10), под которым с помощью вакуумнасоса создается разрежение. Разрежение постепенно, со скоростью примерно 1 см в минуту, распространяется в толщу бетона, ускоряя седиментацию ми­ неральных зерен. Воздух и избыток воды отжимаются на поверх­ ность конструкции и удаляются в ресивер.

В результате вакуумирования:

а) повышается плотность, а следовательно, увеличиваются морозостойкость и коррозиестойкость бетона;

б) на 10-г- 15% снижается В/Ц, соответственно увеличивается прочность бетона;

в) можно значительно раньше проводить распалубку, за счет чего увеличивается оборачиваемость форм;

г) сокращается время термовлажностной обработки. Особенно эффективно в отношении удаления избыточной во­

ды центрифугирование бетона. Пластичная бетонная смесь, за­ груженная в быстро вращающийся барабан, равномерно распре­ деляется по его поверхности. При этом вода проходит через ткань, которой покрыта внутренняя поверхность барабана, и че­

соотношение между количествами коллоидных и кристалличес­ ких веществ, придает ему другие механические свойства. Уменьше­ ние В/Ц способствует повышению плотности бетона (до 0,95-4- 0,96), соответственно увеличивает прочность ,и водопроницае­ мость. Естественно, что способ формовки обусловливает возмож­ ность изготовления только трубчатых конструкций (трубы, стол­ бы и т. п.).

Для особо жестких смесей, представляющих собою зерна щеб­ ня, покрытые с поверхности прилипшей растворной составляю­ щей, обычно принятые способы уплотнения оказываются недоста­ точными: при вибрации зерна в верхнем слое не слипаются. В этих случаях применяется формование с пригрузом (рис. 11) или вибропрессование с помощью воздушных мешков, в которых соз­ дается давление до 0,05 кг/см2.

Индустриализация процесса производства бетонных деталей требует максимального сокращения продолжительности техноло­ гического цикла. Наибольший эффект в этом отношении дают вибропрокатные станы, применяющие жесткие смеси с высоким со­ держанием цемента. Для придания нужной формы смесь прока­ тывается между вибрирующими валками, которые могут создать

21

катный стан; 7 — непрерывный транспортер; 8 — рольганг; 9 — кантователи; 10 — гидропресс.

V

у

усилие прессования в несколько атмосфер. Образцом таких ме­ ханизмов может служить стан Козлова (рис. 12).

Вибропрессование и вибропрокат дают возможность исполь­ зовать бетонные смеси с минимальными В/Ц, что позволяет по­ лучить бетон с высокой плотностью и прочностью.

Рис. И. Формование бетонного изделия с пневмопригрузом:

а — бетонная смесь; б — плиты; в — вибростол; г —воз­ душный мешок.

Д. Влияние условий твердения на свойства бетонного камня

Формирование структуры бетонного камня есть результат химического взаимодействия между цементом и водой и сложных физико-химических процессов образования кристаллического каркаса и уплотняющего его геля. Поэтому, пока бетон не при­ обрел заданной прочности, для обеспечения протекания этих про­ цессов он должен быть насыщен водой. При высыхании бетона твердение не только приостанавливается, но может прекратиться вообще вследствие необратимого высыхания геля. Особенно за­ метно высыхание сказывается на бетонах, изготовленных с при­ менением пуццолановых цементов, в которых твердение является результатом формирования кристаллического каркаса из малорастворимых гидросиликатов кальция, долгое время находящих­ ся в цементном камне в виде геля (вспомните процессы гидроли­ за и гидратации клинкерных минералов).

а/ Нормальной для твердения бетона считается температу­ ра 17-^20° С. С ее понижением уменьшается интенсивность дви­ жения ионов в растворе, в том числе и ионов ОН- , которые обу­ словливают гидролиз шлакового стекла, и понижается раствори­ мость новообразований, из которых формируется каркас цемент­ ного камня. Особенно чувствительны к понижению температуры бетоны, изготовленные с применением шлакопортландских и

23

пуццолановых портландцементов, т. к. основной составляющей цементного камня в них являются вообще труднорастворимые гидросиликаты кальция. Так, например, бетоны на шлакопортландцементах перестают твердеть уже при + 10° С. Менее чувст­ вительны к понижению температуры бетоны на портландцементах, т. к. в отличие от других новообразований Са(ОН)2 обра­ зующаяся при гидролизе C3S обладает способностью с понижени­ ем температуры увеличивать, а не уменьшать свою растворимость, что в какой-то степени компенсирует понижение растворимости других компонентов цементного камня. На рис. 13 показано из­ менение растворимости Са(ОН)2 (кривая 1) и гидросиликатов кальция (кривая 2).

Но все равно при температуре около — 1° С вода в бетоне за­ мерзает, и твердение прекращается совсем.

Замерзание бетонной смеси отрицательно сказывается на ка­ честве бетона по следующим причинам:

Во-первых, бетон представляет собой крайне неоднородное те­ ло: плотность зерен крупного заполнителя значительно выше плотности растворной составляющей, соответственно чему и тепло­ проводность бетона в различных участках различна. Зерна круп­ ного заполнителя выступают в роли «мостиков холода», по кото­ рым понижение температуры распространяется в теле бетона. В ре­ зультате на поверхности зерен крупного заполнителя образует­ ся тончайшая корочка льда, нарушающая контакт за­ полнителя с растворной составляющей. Этот контакт не восста­ навливается после оттаивания и формирования цементного кам-

Растборимоеть 6 г/л

24

ня, в результате чего бетонпри ударе издает глухой звук («бухтит») и теряет значительную часть прочности.

Во-вторых, вода, замерзающая в порах твердеющего бетона, вызывает появление в нем внутренних напряжений, разрыв уже образовавшихся связей между его составными частями и пони­ жение прочности.

В-третьих, в первый период твердения в бетоне образуется большое количество геля гидросиликатов кальция. Как и всякая коллоидная система, при замерзании гель необратимо свертыва­ ется, отделяет воду, теряет свою клеящую способность и после оттаивания не участвует в формировании цементного камня. По­ этому чем большая часть геля гидросиликатов подвергнется за­ мерзанию, т. е. чем раньше замерзнет бетон, тем большую часть своей прочности он потеряет. На рис. 14 представлены результаты испытания бетона, замерзшего в разное время. Как видно, замо­ раживание не оказывает значительного влияния на прочность бетона, если он до замерзания приобрел не менее 50% прочности от проектной. Согласно теории А. А. Байкова, период коллоидации, т. е. образования значительных количеств геля, соответству­ ет «схватыванию». Поэтому бетон, замерзший до начала схваты­ вания, после оттаивания твердеет нормально, что подтверждает­ ся многочисленными наблюдениями ряда исследователей.

б/ При повышении температуры скорость твердения бетона увеличивается, т. к. повышаются: скорость гидролиза и гидратации клинкерных минералов, скорость взаимодействия между состав­ ными частями бетона и растворимость большинства веществ, оп­ ределяющих формирование цементного камня. При повышении температуры до 45—50° С все цементы ведут себя примерно оди­ наково, но при дальнейшем нагревании в их твердении наблюда­ ется существенное различие: бетоны на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах продолжают твердеть в уско­ ренном темпе, тогда как бетоны на портландцементах, достигнув 70—80% проектной прочности, твердеть практически перестают. Ни повышение температуры, ни увеличение продолжительности термообработки должного эффекта не дают. При охлаждении эти бетоны вновь приобретают способность твердеть и к 28-дневно­ му сроку получают проектную прочность. Что касается бетонов на шлакопортландцементах и пуццолановых портландцементах, то они при пропарке могут приобрести проектную прочность и даже превысить ее.

Объясняется это интересное явление аномальным изменением растворимости Са(ОН)2 с изменением температуры.

От момента приготовления бетонной смеси до начала термоЕлажностной обработки проходит несколько часов. За это время вода, находящаяся в бетоне, превращается в раствор, содержа-' щий продукты химических и физико-химических процессов, обу­ словливающих твердение бетона. При повышении температуры раствора концентрация большинства новых веществ увеличива-

ется, за исключением Са(ОН)г, растворимость которой понижа­ ется. По мере пересыщения раствора избыток растворенного ве­ щества выделяется из него в виде субмикрокристаллов, которые в первую очередь образуются у поверхности цементных зерен и покрывают ее экранирующим слоем, препятствующим дальнейше­ му, взаимодействию минералов цементного зерна с водою. При охлаждении бетона эта оболочка растворяется, и процесс твер­ дения возобновляется.

При повышении температуры не только повышается скорость твердения, но изменяется и сам процесс химического взаимодей­ ствия между компонентами, бетонной смеси. При высоких темпе­ ратурах все большую роль приобретает кремнезем, входящий в состав заполнителей и добавок к цементу. Связывая в гидросили­ каты свободную СаО, образующуюся при гидролизе C3S

ад

CaO -fSi02 -> nCaO'Si02aq,

кремнезем снижает ее концентрацию в растворе, насыщающем цементный камень. Поскольку основность гидросиликатов зави­ сит от концентрации СаО в воде-среде, то понижение ее приводит к образованию низкоосновных гидросиликатов типа то-

невыгодную при построении кристаллического каркаса цемент­ ного камня, поэтому частичная замена их волокнистыми кристал­ лами CSH способствует повышению прочности цементного камня и бетона. По данным Ю. М. Бутта, при добавке к цементу моло­ того песка в условиях автоклавной обработки можно ожидать двухкратного увеличения прочности (рис. 15).

При повышенных температурах, особенно в условиях авто­ клавной обработки; с кремнеземом вступают в химическое вза­ имодействие также и гидроалюминаты кальция. Так, С3АН6, вза­ имодействуя с Si02, образует серию гидрогранатов:

С3АН6-|- S -> C3ASH4 C3AS2H2 -*■ C3AS3, т. е. C3AS6He 2п-

Если С3АН6 сравнительно хорошо растворяется :в воде и, взаимодействуя с гипсом, образует гидросульфоалюминат каль­ ция, то гидрогранаты в воде практически нерастворимы и гидросульфоалюмината не образуют. Кроме того, взаимодействие крем­ незема с СаО способствует более полному усвоению активных минеральных добавок, остатки зерен которых в цементном кам­ не способствуют понижению его морозостойкости. Поэтому бето­ ны, твердеющие при термовлажностной обработке, обладают бо­ лее высокой морозостойкостью и сульфатостойкостью по сравне­ нию с теми же бетонами, но твердеющими в обычных условиях.

26

Например, бетоны ,на -пудцолановых цементах обычно неморозо­ стойки, но после термовлажностной обработки успешно применя­ ются для облицовки гидротехнических сооружений.

Все это обусловливает непрерывный рост доли бетонов, твер­ деющих при повышенных температурах, в общем объеме бетон­

работ при пониженных температурах, иногда значительно ниже 0°С. Применяемые при этом различные способы поддержания тем­ пературного режима, обеспечивающего твердение бетона в нор­ мальных условиях (тепляки, «термос», электропрогрев и др.), до­ роги и не всегда приемлемы по условиям производства работ. По­ этому в некоторых случаях используется известный в физике криоскопический эффект, т. е. понижение температуры замерзания водных растворов с повышением их концентрации.

Согласно закону Рауля, растворение грамиона вещества в литре воды понижает температуру ее замерзания на 1,84° С. Практически добавка в бетонную смесь 1% СаСЬ от веса цемен­ та снижает температуру замерзания бетона примерно на 1° С. Следовательно, затворяя бетонную смесь раствором солей соот­ ветствующей концентрации, можно обеспечить его твердение да­ же при температурах ниже 0° С. Обычно возможность производ­ ства бетонных работ в зимнее время обеспечивается тем, чтобы не дать бетону замерзнуть при самой низкой температуре, ожи­ даемой в ближайшее время. Поэтому величина добавки раство­ римых солей в бетон определяется уровнем ожидаемого пониже­ ния температуры.

Чаще всего в качестве растворимых солей применяют СаС12 й NaCl как наиболее недефицитные и дешевые. Некоторые иссле­ дователи предлагали использовать хлорную известь, NaF и неко­ торые другие, но распространения они не получили.

При использовании хлористых солей в бетоне нужно учиты­ вать следующие обстоятельства.

Первое — в растворах.хлористых солей значительно увеличи­ вается растворимость Са(ОН)2, что способствует протеканию процесса гидролиза клинкерных минералов и ускорению схва­ тывания и твердения бетона. Поэтому бетон, предназначенный для укладки в конструкцию на морозе, нельзя использовать при положительных температурах, т. к. он будет быстро густеть. Та­ кой бетон должен быть в полном смысле слова «холодным», т. е. изготовляться из компонентов, имеющих минимальную темпера­

туруДля ускорения твердения бетона СНиП разрешает добавлять

С.аС12 в количестве не более 2,0% от веса цемента — в армиро­ ванный бетон и не более 3,0% — в неармированный. Ошибка в дозировке может привести к крайне нежелательным последстви­ ям. Так, Госстрой СССР вынужден был обратиться к строителям со специальным письмом, в котором указывалось, что расследо­ вание причин аварий некоторых монолитных железобетонных конструкций обнаружило содержание в них до 7-f-8 СаС12. При строительстве асботрубного завода в г, Жигулевске в бетон мо­ нолитных конструкций вместо 2,5% СаС!2 от веса цемента доба­ вили 2,5% СаС12 от веса бетона. В результате уже через 2 ме­ сяца после ввода завода в эксплуатацию эти конструкции нахо­ дились в аварийном состоянии.

Второе — хлористые соли весьма гигроскопичны, и эту спо­ собность они сохраняют в бетоне. Поэтому конструкции из «хо­ лодного» бетона всегда сырые, что ограничив'ает область их при­ менения подземными фундаментами и конструкциями, работаю­ щими в воздушной среде и не связанными с пребыванием челове­ ка. При использовании «холодного» бетона в конструкциях, под­ вергающихся действию отрицательных температуре следует иметь в виду, что он подвергается более интенсивному воздействию мо­ роза. Замерзая при температурах ниже 0° С, он оттаивает во вре­ мя оттепелей зимой, оттаивает днем и замерзает ночью, что рез­ ко увеличивает количество циклов замораживания и оттаивания.

В связи с этим следует отметить вред применения соли для удаления снега и наледи с бетонных покрытий: обычно такие по­ крытия быстро разрушаются.

Е. Специальные тяжелые бетоны

I. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ БЕТОН

Отличие гидротехнического бетона от обычного определяется особенностями условий его службы. На рис. 16 представлен раз-

28

рез плотины — наиболее типичного гидротехнического сооруже­ ния. По характеру воздействий окружающей среды конструкцию можно разделить на 3 зоны: зона «А» — подводная, зона «Б» — переменного уровня воды и «В» — надводная.

Материал зоны «А» находится в неизменных условиях служ­ бы. Опасной для него являются фильтрация воды и химическое воздействие растворенных в ней веществ. Поэтому основными требованиями к бетону этой зоны будут применение коррозиестойкого, обычно пуццоланового, портландцемента « его Зысокая плотность.

Материал зоны «Б», помимо выщелачивающего действия во­ ды, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию при сменах уровня воды. Стойким в этих условиях, видимо, будет бетон, изготовленный с применением4 портландцемента с пони­ женным содержанием алита и алюмината и обладающий высо­ кой прочностью.

Бетон в зоне «В» служит в тех же условиях, что и бетон мно­ гих обычных строительных конструкций. Следовательно, требо­ вания к нему должны быть аналогичными требованиям, предъяв­ ляемым к обычному бетону.

Во всех зонах гидротехнического сооружения бетон часто бы­ вает массивным, что вызывает необходимость применения цемен­ та с умеренной экзотермией.

В соответствии с этим гидротехнические бетоны подразде­ ляются на:

а) нормальный, б) морозостойкий — М,

в) водонепроницаемый — В, г) низкотермичный — НТ.

По прочности бетоны делятся на марки: «100», «150», «200», «250», «300», «400» и «500»; по морозостойкости — наМрз'—50,

Мрз—100 и Мрз—200 и по водопроницаемости — на В—4 и В—8. Все особенности гидротехнического бетона указываются на чер­ тежах проектируемых сооружений. Например, шифр «200», В—8, Мрз —150 обозначает, что бетон должен иметь прочность не ни­ же 200 кг/см2, выдерживать не менее 150 циклов попеременного

заполнителя. Очевидно, что содержание растворной составляю­ щей в бетоне будет тем больше, чем мельче зерна крупного запол­ нителя и чем труднее обеспечить ,их плотную упаковку. Вот по­ этому в гидротехническом строительстве стремятся применять по возможности крупноразмерный заполнитель и больше внимания