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

Зона „А

Рис. 16. Схема распреде­ Зона „Б" ления различных ■видав

бетона в теле плотины

Зона „В ”

уделяется гранулометрии. В некоторых случаях в пластичную массу бетона втапливают так называемый «изюм» — каменные гльгбы до 3 м3 объемом, крупный заполнитель фракционируют рассевом на ситах и вновь смешивают в нужном соотношении, применяя до 6 фракций. Для обеспечения плотности растворной составляющей ограничивается величина В/Ц: на наиболее круп­ ных отечественных и зарубежных стройках выше 0,6 она не до­ пускалась.

Ограничение величины В/Ц и необходимость снижения тепло­ выделения обусловливают необходимость разбавления высокоак­ тивных цементов минеральными микронаполнителями: чаще все­ го твердыми активными минеральными добавками вулканиче­ ского происхождения или молотым кварцевым песком. Количе­ ство вводимого микронаполнителя определяется по формуле

где R*2s — прочность бетона на смешанном цементе, кг/см2; К28 — прочность бетона на чистом цементе, кг/см2;

а — количество добавки, %.

Специфика службы гидротехнического бетона обусловливает ряд необычных требований к материалам для его изготовления:

а) содержание R2O в цементе ограничивается 0,6%;

б) содержание аморфных разновидностей кремнезема в круп­ ном заполнителе ограничивается 2,0%, т. к. аморфный кремне­ зем с СаО цемента в присутствии щелочей образует сильно набу­ хающий тоберморитовый гель, вызывающий разрушение заполни­ теля;

в) прочность крупного заполнителя должна быть не меньше 800 кг/см2—в морозостойких бетонах и не менее 2R6 —в осталь­ ных.

2. БЕТОН ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Развитие автотранспорта потребовало строительства большо­ го количества автомобильных дорог, в которых тяжелые бетоны играют все более заметную роль.

Специфика службы дорожного бетона заключается в сле­ дующем:

а) покрытие подвергается интенсивному истирающему дейст­ вию и ударным нагрузкам;

б) покрытие дорог представляет собою сравнительно тонкий слой, подвергающийся внешним воздействиям на всю толщину; в) бетон подвергается выщелачиванию дождевыми водами и

многократному замораживанию и оттаиванию; г) бетон подвергается действию грунтовых вод, содержащих

агрессивные вещества.

При наличии асфальтового покрытия эти воздействия ослаб­ ляются, но не устраняются полностью.

Для того, чтобы бетон успешно противостоял разрушающему

31

действию окружающей среды, для его изготовления следует при­ менять соответствующие материалы. В качестве вяжущего жела­ тельно применять гидрофобный или пластифицированный порт­ ландцемент с активностью не ниже 500 кг/см2, содержащий до 15% гранулированных доменных шлаков; минералогический со­ став клинкера не лимитируется, но минимальное содержание С3А в нем всегда желательно. В качестве заполнителя в бетоне следует применять щебень или гравий из магматических горных пород.

3. БЕТОН ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В промышленности, медицине и военном деле во все возраста­ ющих количествах начинают использоваться установки, действие которых связано с возникновением радиоактивного излучения. Не только при взрыве атомных и водородных бомб, но, что значи­ тельно чаще, и при работе совершенно мирных установок: рент­ геновских лабораторий в поликлиниках, на промышленных пред­ приятиях и исследовательских институтах, атомных реакторов на электростанциях и кораблях — выделяются нейтроны, рентге­ новские и улучи, которые, проницая в ядра атомов, составляю­ щих живые клетки, вызывают необратимые изменения в них, приводящие к гибельным последствиям. Степень облучения изме­ ряется в рентгенах (г), который соответствует 0,11 эрга энергии, поглощаемой 1 см3 воздуха.

Быстро движущиеся частицы излучения задерживаются яд­ рами атомов. Поэтому чем большую часть площади поперечного сечения материала занимают ядра атомов, т. е. чем больше раз­ мер ядра по отношению к размеру атома, тем эффективнее его защитное действие.

Толщина стенки, достаточная для уменьшения интенсивности

где |х — полный коэффициент осла'бления излучения, см-1. Наиболее часто встречающиеся материалы имеют следующую величину р: свинец — 0,53, сталь — 0,35, алюминий — 0,12, бе­

тон обыкновенный — 0,09, вода — 0,045.

Бетон может служить эффективным средством защиты, т. к. он сочетает хорошую поглощаемость у-лучей и нейтронов с проч­ ностью и удобством производства работ. Его защитные свойства усиливают, применяя особо тяжелые заполнители: железные ру­ ды и скрап, барит и некоторые другие; для повышения нейтронопоглощаемости в бетон добавляют соединения бора и кадмия-

Наиболее часто применяются следующие бетоны: а) баритовый бетон (барит — до 92% BaS04).

Состав — 1 :3,8 : 5,1.

32

Rr = 200 «г/см2.

y0 = 3700-4-3800 кг/м3, t = 0,11—0,12.

Рекомендуется укладка «насухо» крупного заполнителя с последующей заливкой цементным раствором.

б) магнетитовый бетон (магнетит — Рез04).

С&став — 1 : 4-М : 6.

R — 250-М 00.

уо —ДО 5600 кг/м3, t = 0,16-5-0,18.

Положительную роль играет добавка стальной стружки и колеманита (боросодержащая руда).

уо — 2600-4-4400 (при добавке стальной стружки). Полутолщина t =5-Р9 см.

Стекло «пайрекс» (боратное) 1-4-1,5% значительно снижает толщину стенки.

г) бетон из обычных материалов, т. е. портландцемента, квар­ цевого песка и щебня из магматических и осадочных горных по­ род также может быть использован в качестве рентгенозащитно­ го, но прн этом потребуется значительно большая толщина огра­ ждающей конструкции, т. к. объемный вес его равен всего 2200-4-2400 кг/м3, соответственно полутолщина t колеблется в пределах 104-46 см.

д) бетоны на специальных цементах. Бетоны для защиты от радиоактивного излучения должны иметь хорошую водоудержи­ вающую способность. Наилучшими показателями в этом отноше­ нии обладают бетоны на магнезиальном вяжущем.

4. Облегченный бетон. Если в бетонной смеси уменьшить содер­ жание песка, то растворной составляющей не хватит для заполне­ ния пространства между зернами крупного заполнителя и в бето­ не останутся изолированные или сообщающиеся между собой пу­ стоты. Такой бетон имеет меньший объемный вес и иногда ис­ пользуется для изготовления стеновых камней. Однако следует иметь в виду, что стены из такого бетона, даже оштукатуренные с обеих сторон, продуваются ветром и могут быть использованы только в местностях с теплым климатом. Крупнопористый бетон оправдал себя в стенках бензохранилища. Резервуар из этого бетона, оштукатуренный с обеих, сторон, с пустотами, заполнен­ ными водой, сохраняет бензин лучше, чем резервуары любой другой конструкции, т. к. потери за счет фильтрации практиче­ ски равны нулю, а испарение, вследствие постоянной сравнитель­ но низкой температуры, минимально.

33

Прочность облегченных и тяжелых бетонов зависит от актив­

бетона обычно подбирается опытным путем, но при работе на постоянных материалах могут быть использованы принципы про­ ектирования тяжелых бетонов.

Типичный состав бетона: цемент — песок — щебень = 1 : 0,5 : : 3,5-7-4; прочность — от 35 до 200 кгс/см2.

Ж. Силикатные бетоны

Силикатными бетонами называют каменные материалы, по­ лучаемые в результате затвердевания смеси кварцевого песка и извести. Связующими в них являются гидросиликаты кальция, откуда и произошло название этих материалов. Кристалличе­ ский кремнезем не взаимодействует с известью в нормальных ус­ ловиях, позтому смесь песка и извести подвергают обработке насыщенным водяным паром при давлении 8-М 2 ати в автокла­ вах, в результате чего образуются низкоосновные гидросилика­ ты.,

Наиболее распространенным изделием из силикатного бетона пока является силикатный кирпич.

При изготовлении силикатного кирпича смесь, состоящая из 90-^-92% кварцевого песка и 8-:-10% молотой извести, тщатель­ но перемешивается, увлажняется водою и вылеживается в силосах для гашения извести. Из этой смеси прессуются при давле­ нии около 150 кг/см2 кирпичи, которые твердеют в автоклавах при давлении насыщенного водяного пара 8-:-12 ати. При этом на поверхности зерен песка между известью и кремнеземом проте­ кает реакция взаимодействия, образуется цементирующее веще­ ство — гидросиликат кальция

Са (ОН)2 + Si02—^ СаО-БЮг а<7.

Однако около половины всей извести в реакции не участвует и остается в пустотах между зернами песка. В дальнейшем в по­ верхностном слое свободная известь карбонизируется, превра­ щаясь в СаСОз, но основная масса ее так и остается свободной и довольно легко вымывается водой, что приводит к разрушению кирпича.

При нагревании силикатного кирпича выше 500° С кварц пре­ терпевает полиморфные превращения, сопровождающиеся увели­ чением объема каждого зерна, что приводит к разрушению це­ ментирующей эти зерна оболочки из гидросиликатов кальция. При температурах выше 700° С гидросиликаты обезвоживаются и теряют значительную часть своей прочности. Оба эти процесса приводят к тому, что кирпич разрыхляется и разрушается.

И вода, и высокие температуры разрушают кирпич только при условии достаточно длительного воздействия. Поэтому си-

34

автоклав и подвергают гидротермальной обработке при t = 170ч200° С и давлении 8—12 ати. В этих условиях между тонкомоло­ тым кварцем и известью протекает реакция образования гидро­ силикатов кальция.

Тщательный помол извести и песка обеспечивает при запарке в автоклаве практически полное связывание извести в гидросили­ каты, что придает силикатному бетону достаточно высокую водо­ стойкость. Прочность силикатных бетонов регулируется изменени­ ем количества известково-песчаного вяжущего в бетонной смеси и может достигать 7004-1000 кг/см2.

Разновидностью силикатных бетонов является силикальцит, изобретенный И. А. Хинтом в начале 50 годов XX столетия. Для его изготовления применяют кварцевый песок и известь-пушон­

ется смесь крупных кварцевых зерен и вяжущего, состоящего из мелких обломков кварца, тщательно перемешанных с гидратной известью. После увлажнения, укладки в форму и запарки в ав­ токлаве получается камень с прочностью до 1000 кг/см2.

Недостатком способа является быстрый износ стальных паль­ цев (срок службы Юч-12 часов), что обусловливает необходи­ мость применения для помола другой машины. .

Из силикатного бетона изготовляют стеновые блоки, элементы сборных конструкций (плиты перекрытий, лестничные марши и т. п.), черепицу и даже трубы для ливневой канализации.

Силикатный бетон можно армировать металлом, так же как и обычные конструктивные бетоны, что открывает широкие воз­ можности для его использования в строительстве.

III. ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ

Легкими бетонами называют искусственные каменные мате­ риалы, получающиеся в результате затвердевания смеси пори­ стых заполнителей естественного или искусственного происхож­

36

дения с цементный тестом. Характерной особенностью легких бе­ тонов является то, что прочность и объемный вес крупного запол­ нителя обычно меньше прочности и объемного веса самого бето­ на. Поэтому закономерности, управляющие формированием камня из легкобетонной смеси, и требования к компонентам бетона су­ щественно отличаются от таковых для тяжелых бетонов.

1.КРУПНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

Вкачестве крупного заполнителя в легких бетонах могут быть использованы:

а) пористые магматические горные породы: пемза, туфы, ту­ фовые лавы;

б) пористые осадочные горные породьпизвестковые туфы, из­ вестняки-ракушечники, опоки;

в) отходы промышленности: топливные и паровозные шлаки; г) отходы от переработки древесины; д) искусственные пористые материалы: шлаковая пемза, ке­

рамзит,. аглопорит, перлит, вермикулит и др.

Залегание пористых горных пород приурочено к определен­ ным географическим районам, например: пемза и туфы—а За­ кавказье, известняки-ракушечники — на побережье Черного мо­ ря, известковые туфы — в районе Ленинграда, поэтому приме­

нение пористых горных пород в' производстве легких бетонов ог­ раничено и имеет сугубо местный характер.

Отходы от переработки древесины также используются срав­ нительно редко, т. к. большинство вяжущих веществ плохо сцеп­ ляется с поверхностью древесины, а на некоторые из них .рас­ творимые вещества, содержащиеся в древесине, действуют разру­ шающе.

Долгое время основным заполнителем в легких бетонах были топливные, особенно паровозные шлаки. Но переход многих же­ лезных дорог на электротягу значительно уменьшил их выход и значение в промышленности легких бетонов.

Основными заполнителями в легких бетонах в настоящее вре­ мя стали керамзитовый гравий и аглопоритовый щебень. В пер­ спективе широкое развитие производства шлаковой пемзы из ог­ ненно-жидких шлаков металлургической и химической промыш­ ленности и щебня, получаемого ее дроблением.

Для изготовления теплоизоляционных легких бетонов 'Исполь­ зуются вспученный перлит, вспученный вермикулит и особо лег­ кий керамзит.

Каждый из этих заполнителей обладает специфическими осо­ бенностями. Общими для них являются требования к грануло­ метрическому составу и присутствию загрязняющих примесей, аналогичные требованиям к заполнителям для тяжелого бетона. В остальном каждый из перечисленных представителей крупного заполнителя обладает своими специфическими особенностями.

37

а) Керамзитовый гравий Изготовляют обжигом при температуре 1100-М200° С гранул,

полученных формированием из'легкоплавких железисто-известко- вистых глин в естественном составе или с различными добавка­ ми (пиритные огарки, топливные золы, органические вещества). Иногда в качестве сырья используют имеющиеся в природе су­ харные глины и сланцы, не размокающие в воде и поэтому обжи­ гаемые в виде щебня.

При обжиге протекает реакция

Fe20 3 + СM i 2FeO + С 02 1 •

Закись железа (FeO) с кремнеземом, глиноземом и другими окислами, содержащимися в глине, образует вязкое стекло, в котором выделяющийся С 02 фиксируется в виде мелких пузырь­ ков, превращающихся в поры после охлаждения. Поверхность ке­ рамзитовой гранулы покрыта плотной корочкой из частично расстеклованного материала, т. к. при обдувании гранулы ох­ лажденным воздухом часть закиси железа снова переходит в окись, что приводит к разрушению стекла.

По величине объемного веса керамзитовый гравий разде­ ляют на следующие марки: «350», «400», «450», «500», «600» и «700».

Прочность керамзитового гравия определяется, раздавлива­ нием его в специальном металлическом цилиндре, (поэтому эта характеристика материала не соответствует его прочности в бе­ тоне! Согласно данным НИИкерамзита, прочность керамзитово­ го гравия при испытании в цилиндре связана с величиной объем­ ного (насыпного) веса зависимостью

Яцил= А ■ Yq'5 • Ю * кг/см2.

Коэффициент пропорциональности «А» за!висит от свойств сырья, примененного для изготовления керамзита, и от особен­ ностей производства, поэтому он будет различным для керамзи­ та разных заводов. Для керамзита из смышляевской глины, ис­ пользуемой большинством заводов в г. Куйбышеве, этот коэф­ фициент равен 6. Установлено также, что оптимальная величина прочности керамзитового гравия для получения заданной прочно­ сти керамзитобетона должна отвечать соотношению

Я«ил _л ос

Нередко, особенно за рубежом, для получения хорошего гранулометрического состава керамзитовый гравий подвергают дроблению с последующим фракционированием по крупности, т. е. рассевом на ситах с соответствующим размером отверстий. Использование дробленого керамзита сопровождается увеличе­ нием расхода цемента, т. к. приходится цементным тестом запол­ нять поверхностные поры в зернах щебня, и небольшим увеличе­ нием объемного веса бетона.

б) Аглопорит

Так называется материал, полученный спеканием на агломе­ рационных машинах легкоплавких суглинков с добавками 10% угольной мелочи и 4% опилок. Выходящие из машины глыбы (коржи) охлаждают и дробят в щебень, который используется в качестве заполнителя в легких бетонах — преимущественно конструктивных и конструктивно-теплоизоляционных.

основная масса пор образуется не за счет вспучивания, а пусто­ тами между зернами обжигаемого материала, по которым про­ ходят горячие газы. Поэтому в аглопорите отдельные участки массы представляют собой включения сильно обожженной гли­ ны. Поры в аглопорите в основном крупные и открытые, поэто­ му при равном объемном весе прочность аглопорита меньше, чем керамзитового гравия, и расход цемента при изготовлении бетона больше, чем в керамзитобетоне.

напоминающий вулканическую пемзу. Вспучивание происходит при смешивании расплавленного шлака с водой, которая, испа­ ряясь, образует в шлаке замкнутые поры. Например, огненно­ жидкий шлак выливают в ванну, дном которой служит обводнен­ ный песок. Для шлаковой пемзы характерно непостоянство объ­ емного веса по высоте вспученного слоя. Поэтому перед примене­ нием в качестве заполнителя в бетоне щебень подвергается сор­ тировке по объемному весу, в результате чего получается щебень для различных видов легкого бетона. Объемный вес шлаковой пемзы может быть различным в пределах от 200 до 900 кг/м3.

Щебень из шлаковой пемзы по эффективности использования почти не уступает керамзиту и превосходит аглопорит. Быстрый рост выхода огненно-жидких шлаков, обусловленный увеличени­ ем производства металлов и некоторых продуктов химической промышленности, дает основание предполагать, что со време­ нем щебень из шлаковой пемзы станет основным видом пори­ стых заполнителей.

г) Топливные шлаки Топливные шлаки получают при сжигании каменных углей.

лива и условий его сжигания. При использовании антрацита по­ лучают шлак, содержащий большое количество несгоревшего углерода, который не взаимодействует с твердеющим цементным камнем и не сцепляется с ним. Бурые угли часто имеют слои­ стую и даже землистую структуру, которая частично сохраняется

39