STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

например при переработке в стружку сильно увлажненной щепы частицы стружки становятся значительно разволокненны-ми и получается стружка низкого качества. Различия во влажности дерева, его отходов и, следовательно, в древесных заполнителях оказывают отрицательное влияние на однородность ИСК.

Древесные заполнители обладают значительным водопоглощением. Вода поглощается оболочками клеток древесины (связанная, или гигроскопическая влага) и капиллярами (свободная, или капиллярная влага), т. е. полостями клеток, межклеточными пустотами, а также сосудами (у лиственных пород). Количество капиллярной влаги в заполнителе зависит от общего объема капилляров в древесине, а водопоглощение — от крупности его частиц: чем они мельче, тем больше водопоглощение, так как увеличивается удельная поверхность. Наибольшее количество воды заполнитель поглощает в первые полтора часа, например древесная дробленка до 160—190% от абсолютно сухой массы.

Древесный заполнитель обладает также гигроскопичностью, причем при поглощении влаги древесина набухает, что сопровождается давлением разбухания. Набухание происходит при поглощении влаги оболочками клеток, которые при этом увеличиваются в объеме, тогда как поглощение влаги капиллярами древесины набухания не вызывает. При расчете составов ИСК (например, арболита) учитывают набухание древесного заполнителя.

При высыхании древесного заполнителя происходит уменьшение его объема (усушка). Усушка древесины связана с испарением влаги из клеточных оболочек; при удалении ее из капилляров усушки не происходит. Наибольшая усушка происходит поперек волокон (до 12%), а вдоль волокон она незначительна (0,1%). В целом усушка древесного заполнителя в ИСК вызывает дополнительные напряжения и влияет на деформатийные свойства. Вследствие волокнистого строения древесный заполнитель вызывает некоторую анизотропию прочности ИСК.

Частицы древесного заполнителя обладают упругостью, которая отрицательно влияет на эффект прессования изделий, поэтому заполнитель длительно увлажняют горячей водой. В результате частицы древесины размягчаются, становятся менее упругими и легче сжимаются при прессовании.

Содержание хвои в заполнителях должно быть не более 5%, а коры — не более 15% массы абсолютно сухой древесины. Не допускаются заполнители, имеющие гнилостный запах и гнили. Гниль необходимо удалить просевом заполнителей через сито с отверстиями 1,5—2 мм.

Заполнители из камыша и костры. В разных районах нашей страны имеются большие заросли камыша. Сечку камыша применяют в качестве заполнителя при изготовлении арболита.

Ее готовят из зрелых стеблей камыша наиболее благоприятной зимней заготовки. Стебли камыша сначала режут на силососоломо-резке и затем дополнительно измельчают на молотковой дробилке. Частицы полученной сечки имеют длину 7—35 мм, ширину 2—6 мм и толщину 1—2 мм. По техническим требованиям наибольшая крупность сечки 5 мм.

Средняя плотность сечки составляет 150—155 кг/м3. Насыпная плотность колеблется в широких пределах — от 60 кг/м3 для фракции 0—1,2 мм до 120 кг/м3 для фракции 5—10 мм, а межзерновая пустотность соответственно от 77 до 88%.

Перед применением сечку подобно некоторым древесным заполнителям минерализуют. Костра лубяных культур — конопли и льна — является распространенным и дешевым сырьем. Ежегодный выход этой костры на заводах составляет в нашей стране около 1 млн.т.

Конопляную и льняную костру применяют для изготовления арболита, причем наиболее широко используют конопляную костру. Льняную костру, кроме того, применяют для изготовления теплоизоляционных плит.

261

Конопляная костра — это отход первичной переработки стеблей конопли на пеньку. Она представляет собой мелкие частицы раз дробленной одревесневшей части стебля неправильной формы длиной 10—70 мм и в поперечнике 2—2,5 мм.

Насыпная плотность костры 100—120 кг/м3, влажность 17— 22%. Костра имеет большое водопоглощение — через 8 ч оно достигает 450% по массе.

До первичной обработки стебли конопли вымачивают 20—30 суток в естественных водоемах или в заполненных водой ямах, или в бассейнах с горячей водой на пенькоперерабатывающих заводах. Биохимические процессы происходят с вымыванием из костры во-до-растворимых веществ — Сахаров, органических кислот, минеральных солей. Ввиду небольшого диаметра стеблей конопли и большой их пористости экстрактивные вещества удаляются из них быстрее и более полно, чем из древесины. Такая обработка конопли защищает цементный камень от коррозии, поэтому при производстве арболита из конопляной костры ее не замачивают в воде с минерализаторами.

Влажность конопляной костры, применяемой для арболита, должна быть не более 20% по массе, ее хранят в закрытом складе или под навесом.

Льняная костра состоит из узких тонких пластин длиной до 50, шириной до 3 и толщиной до 3 мм. Насыпная плотность ПО— 120 кг/м3, влажность (в отвалах) 15—20%, водопоглощение 220—240%, гигроскопичность до 25%. В ней содержится больше, чем в конопляной костре, вредных для цемента веществ; при применении с цементом ее минерализуют.

Использование древесных и других растительных заполнителей для изготовления различных ИСК дает возможность получать большой экономический эффект; уменьшить загрязненность окружающей среды.

Полимерные заполнители. Основным полимерным заполнителем является пенополистирол в виде высокопористых гранул, получаемых из бисерного полистирола [ - CH2-CH(C6H5)-]n и путем вспенивания его гранул при нагревании.

Насыпная плотность вспененных гранул составляет 15—20 кг/м3, а межгранульная пустотность — в среднем 40%.

Гранулы пенополистирола применяют для получения легких бетонов и новых эффективных теплоизоляционных материалов — пенопластов. Одним из перспективных пенопластов служит фености-ропор ФСП (разработанный ВНИИстром), в качестве связующего в котором применяют фенолоформальдегидный олигомер.

262

9.3.3. НАПОЛНИТЕЛИ

Наполнителями называют порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Как и заполнители, они могут быть неорганическими и органическими, непременным элементом в составе которых является углерод; при- родными и искусственными; простыми по химическому составу и сложными. Частицы наполнителя могут быть также пластинчатыми, волокнистыми. Размер частиц обычно от 10 до 100 мкм и не более 1—2 мм.

Наполнители совместно с вяжущим веществом участвуют в формировании микроструктуры матричной части и контактных зон в конгломератах. Тесному контакту этих двух компонентов в общей смеси способствуют механические, тепловые, ультразвуковые и другие способы обработки. Нередко сложно разграничить их функции в работе микро- или макроконгломерата. Обладая огромным потенциалом поверхностной энергии, наполнители становятся активными компонентами при отвердевании вяжущих веществ в процессе формирования структуры и свойств материала. Конкретный характер функций наполнителя зависит от разновидности вяжущего вещества. Однако можно выделить ряд сравнительно общих функций наполнителей: заполнение пор в микроструктуре без вступления в химические взаимосвязи с компонентами; увеличение водоудержи-вающей способности порошкообразного вяжущего вещества при использовании его в строительных растворах, укладываемых по пористому основанию, например в кирпичной кладке; перевод большей части органического вяжущего вещества из объемного в пленочное состояние с равномерным распределением его по высокоразвитой поверхности наполнителя для улучшения тепломеханических свойств; развитие зоны контакта между крупнозернистыми компонентами конгломерата; снижение теплового напряжения в материале, появляющегося за счет значительного различия в коэффициентах температурного расширения вяжущего вещества и заполнителя; улучшение некоторых специальных свойств конгломерата, например повышение огнестойкости, снижение истираемости и т. п.; удешевление материала за счет частичной замены дорогостоящего вяжущего местным дешевым наполнителем при сохранении качества на необходимом уровне. Могут быть у наполнителя и другие, нередко комплексные, функции. Так, например, он может выполнять роль твердого эмульгатора в пастообразных строительных материалах, порообразователя в обжиговых ИСК с выгоранием органического наполнителя, понизителя яркости тона в красочных составах с пигментами при удешевлении готового материала и т. п.

При большом многообразии функций наполнителя общим у каждого остается то, что в структуре конгломерата не теряется его индивидуальность, сохраняются специфические свойства компонента.

К наполнителям для применения в различных материалах относятся известняковые, доломитовые и другие природные порошки осадочных пород, тонкоизмельченные горные породы и минералы вулканического происхождения, порошки помола керамического боя, шамота, шлака и других отходов промышленности, асбестовые отходы производства, древесная мука (для пластмасс), зола-унос, колошниковая пыль и др. Для выбора необходимого наполнителя и определения его количества производятся лабораторные испытания как чистого вяжущего, так и вяжущего с наполнителем при сравнении их показателей при оптимальных структурах. Сравнением величин экстремумов свойств устанавливают степень эффективности наполнителя, рациональное содержание его в вяжущем веществе и ИСК.

263

9.3.4. ДОБАВОЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА (ДОБАВКИ)

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества в смесях, именуемые добавками. На стадиях технологического процесса они облегчают выполнение операций, снижают количество за- трачиваемой энергии, уменьшают расход дорогостоящих компонентов, снижают материалоемкость, способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала, благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания. На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее в ИСК, призваны упрочнить, стабилизировать структуры материала, максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

Основное функциональное назначение добавок, и этим они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смеси в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количе- стве добавки могут частично остаться в смеси и в сформованном материале без каких- либо изменений, что не является желательным.

Распространенными являются порошкообразные добавки, по внешнему виду, а иногда и по химическому составу сходные с наполнителями. В качестве тонкомолотых активных минеральных добавок их вводят в состав неорганических, вяжущих веществ с целью придания им требуемых свойств, например способности к твердению в водной среде при добавлении к воздушной извести, повышенной водостойкости и стойкости против коррозии при добавлении к портландцементу или стойкости к воздействию высоких температур с сохранением прочности при добавках, вводимых в портландцемента, глиноземистый и некоторые другие вяжущие при производстве жаростойких бетонов, и т. д. Кислотостойкость материала повышают добавки из порошкообразного кварца, андезита, базальта и др. К другим распространенным порошкообразным добавкам от- носятся: из природных — осадочные горные породы (трепел, диатомит, опоки, магнезит и др.) или породы вулканического происхождения (пуццоланы, пемзы, туф, диабаз и др.); из искусственных — доменные гранулированные шлаки, зола-унос, нефелиновый шлам (побочный продукт алюминиевого производства), помол шамотного кирпича, обожженной глины (порошкообразный керамзит, агло-порит) и др. Все эти твердые добавки образуют с вяжущим новые, как правило, более сложные соединения типа силикатов кальция, алюминатов кальция и др.

Твердые добавки в смесях могут оставаться не только в состоянии нерастворимых минеральных порошков. Используют и такие твердые добавки, которые в смесях сравнительно легко образуют растворы или расплавы. Они относятся либо к катализаторам и ингибиторам (замедлителям), либо вступают в химические связи с компонентами смеси и создают новые фазы в процессе структурообразования. Их действие может привести также к преобразованию свойств поверхности компонентов, например к минерализации древесной дробленки и стружки путем экранирования поверхности пленкой нерастворимого вещества. Среди добавок этого действия — водорастворимые соли (средние и кислые), основания и другие электролиты и неэлектролиты.

Широкое распространение имеют жидкие добавочные вещества (добавки) — гомогенные или гетерогенные, как, например, водные дисперсии полимеров, или легко переводимые в жидкое состояние в виде истинных и коллоидных растворов, эмульсий, мыльных пен и др., именуемых как поверхностно-активные вещества (ПАВ). В этих органических соединениях молекулы имеют углеводородный радикал и полярную группу, обращаемую

264

при адсорбции к среде или твердой фазе, производя структурирующее воздействие в мате- риале.

Поверхностно-активные вещества как добавки разделяют в основном на гидрофобизирующие и гидрофилизирующие, что зависит от механизма их контактирования с вяжущими веществами и от конечного эффекта их взаимодействия — соответственно гидрофобизация (несмачиваемость водой) после воздействия первого и гид-рофшшзация — после воздействия второго. Эти добавки способствуют также повышению морозостойкости и долговечности, что является следствием их способности, особенно при гидрофобизирующих добавках, к воздухововлечению при приготовлении смеси. Образуются замкнутые воздушные пузырьки, которые предохраня ют разрушение материала при замерзании свободной воды, например, в бетоне с расширением льда. Вместе с тем практически не возникает водопроницания материала, так как количество воздушных пузырьков невелико (около 3—4%). Разновидностей ПАВ много, и они с большим эффектом используются в материалах для направленного структурообразования и обеспечения требуемых качественных показателей.

Добавки, вводимые в цементно-бетонную смесь, разделяют по эффекту их действия на бетонную смесь и бетон. Пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие добавки регулируют реологические свойства. Ускорители и замедлители схватывания те- ста, противоморозные добавки регулируют процессы твердения. Воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие регулируют пористость бетона. Специальные добавки придают, как отмечалось выше, бетонам кислотостойкость, жаростойкость и др. Ряд добавок носит комплексный характер и выполняет одновременно несколько функций в бетонных смесях и бетоне.

265

9.4. ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНГЛОМЕРАТОВ

9.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНАХ

Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ представляют собой искусственные строительные конгломераты, получаемые в результате твердения рациональной по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Кроме основных компонентов в состав бетонной смеси могут вводиться дополнительные вещества специального назначения. Среди других ИСК бетоны относятся к самым массовым по применению в строительстве вследствие их высокой прочности, надежности и долговечности при работе в конструкциях зданий и сооружений.

Кроме высокой прочности, у бетонов на основе неорганических вяжущих веществ имеется много и других достоинств: легкая формуемость бетонной смеси с получением практически любых наперед заданных форм и размеров изделий и конструкций, доступ- ность высокой механизации технологических операций и т. п. Большая экономичность изделий из бетона состоит в том, что для их производства применяют свыше 80% объема местного сырья — песка, щебня, гравия, побочных продуктов промышленности в виде шлака, золы и др. По некоторым зарубежным данным, количество энергии, требующейся для производства бетонных материалов, является минимальным по сравнению с энергией (приведенной к единому эквиваленту), необходимой для изготовления стали, алю миния, стекла, кирпича, пластмасс. Для затворения порошкообразных вяжущих в тестообразное состояние и получения бетонной смеси используют обычную воду — питьевую из водопровода или речную, озерную и др. Расход воды также ниже, чем при производстве стали. После твердения тесто образует камень, например цементный камень (микроконгломерат), а уплотненная бетонная смесь—бетон (конгломерат). Часть объемов в бетоне, заполнителе и камне занимают поры и капилляры разного размера и в различном количестве.

Для бетонов применяют почти все разновидности неорганических вяжущих, в соответствии с чем бетоны разделяются на цементные, гипсовые, силикатные, шлаковые, специальные (на фосфатных, магнезиальных и других вяжущих). Для них используют также все разновидности заполнителей, вследствие чего бетоны разделяют на плотные, пористые, специальные. При объединении вяжущих и заполнителей в принятых по составу количествах получают множество технических решений при производстве искусственных строительных конгломератов различного назначения. Если этих двух компонентов окажется недостаточно, вводят дополнительные вещества (добавки). Еще более сильным фактором, которым пользуются при получении бетонов с заданными свойствами, является технология с ее многообразными операциями (переделами), режимами (тепловыми, механическими и пр.) и характеристиками оборудования и энергетики.

К одному из показателей заданных свойств относится средняя плотность бетона. Величина средней плотности бетона зависит от разновидности заполнителя, а отчасти обусловлена пористостью цементного камня. Особо тяжелые бетоны со средней плотностью свыше 2500 кг/м3 получают при заполнителях в виде железной руды, барита, чугунного скрапа, обрезков стали или чугуна и т. п. Тяжелые — средней плотностью 2200—2500 кг/м3 — получают, применяя в них в качестве заполнителя щебень из плотных горных пород — гранита, диабаза, песчаника и др.; в состав облегченных бетонов со средней плотностью 1800—2200 кг/м3 вводят керамдор, шунгузит, шлаки. В легких бетонах со средней плотностью 500—2000 кг/м3 используют легкий заполнитель, природный или искусственный, в том числе пемзу, туфы, керамзит, аглопорит, ва-кулит и др.; нередко в них отсутствует песчаная фракция, вследствие чего возникают пустоты между щебнем, а сам бетон именуется крупнопористым легким бетоном. Особо легкие

266

бетоны (теплоизоляционные) со средней плотностью менее 500 кг/м3 характеризуются наличием в них воздушных или газовых ячеек. Они именуются ячеистыми бетонами. При наибольшей крупности заполнителя до 10 мм — бетоны мелкозернистые, более 10 мм — крупнозернистые. При применении песка (крупность зерен до 5 мм) получают песчаные бетоны, также весьма необходимые в строительстве1.

Взависимости от производственного назначения бетоны разделяют на конструкционные, предназначенные для изготовления бетонных и железобетонных внутренних и наружных конструкций промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений (колонны, балки, плиты и др.); гидротехнические — для строительства плотин, шлюзов, облицовки каналов и других гидротехнических сооружений; дорожные — для строительства дорожных и аэродромных оснований и покрытий; специальные — при устройстве жароупорных покрытий, изготовления кислотоупорных изделий и т. п. Каждой разновидности бетона присущи свои особенности: гидротехнический должен быть предельно плотным, водонепроницаемым, морозостойким, стойким против коррозии, тогда как бетон для жилищного строительства, тем более ограждающих конструкций (стен, перекрытий), должен быть малотеплопроводным, поддерживать и сохранять хорошую звукоизоляцию и пр., а бетоны дорожные должны быть не только морозостойкими, но и устойчивыми к динамическим воздействиям транспортных нагрузок, к истираемости и износу под колесами автомобиля в сложных климатических условиях.

Всоответствии с ГОСТ 25192—82 основным показателем качества бетонов является предел прочности при одноосном сжатии образцов-кубов с ребром 15 см с разделением их на классы В или предел прочности при сжатии цилиндрических образцов размером 15x30 см с разделением бетонов на классы С. Эти показатели качества обоих классов принимаются по стандарту с гарантированной обеспеченностью. Марка бетона нормируется по среднему значению показателя прочности на сжатие, тогда как класс бетона нормируется с гарантированной обеспеченностью прочности. Важное значение в классификации по прочности и другим показателям качества отводится определению показателя однородности бетона.

Всего предусмотрено классов по прочности на сжатие при испытании кубов 15x15x15 см

— 19 (от В1 до В60), при испытании цилиндров 15x30 см — 19 (от С0,8 до С55); все значения прочности выражаются в МПа. Марки бетонов выражаются в кгс/см2: от 15 (для ячеистых бетонов) до 600 и более (для тяжелых бетонов). Как отмечалось выше, основное деление принято в настоящее время по классам, но допускаются и марки бетонов.

Существенным недостатком бетона различных классов и различной плотности является невысокая сопротивляемость растягивающим (изгибающим) напряжениям. Она в 12—15 раз ниже прочности бетона при сжатии.

1 Львович К. Песчаный бетон: родина — Россия // Стройка. 2000. 34.

267

9.4.2. ТЯЖЕЛЫЕ (ОБЫЧНЫЕ) БЕТОНЫ

Исходные материалы. При выборе разновидности цемента учитывают характер конструкции и рекомендации нормативных документов (ГОСТа, СНиПа). Так, например, при производстве железобетонных конструкций промышленных зданий и многих инженерных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцемента с повышенным содержанием алита. Если эти конструкции относятся к массивным, то более предпочтительны цементы с меньшим содержанием алита, которые меньше выделяют теплоты при реакциях твердения и, следовательно, в меньшей мере конструкции подвержены тепловым неравномерным напряжениям. Если конструкция работает в условиях воздействия морской или другой минерализованной воды, тогда выбирают ма-лоалюминатные сульфатостойкие портландцементы и шлакопорт- ландцементы. Гидротехнические сооружения проектируют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с пластифицирующими и гидрофобными добавочными веществами. Аналогичным образом учитывают условия при выборе цемента для других видов бетона.

Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также выбор его марки, исходя из требуемой прочности бетона в конструкциях и минимального расхода вяжущего как наиболее дорогостоящего компонента бетона, избыток которого увеличивает величину усадочных деформаций, а потому и снижает трещиностойкость бетона. Обычно исходят из соотношения, чтобы марка по прочности цемента превышала на 10—40% марку бетона, а при низких марках бетона (110—300) превышение марки цемента составляет 100—200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам производится при различных условиях подготовки соответствующих смесей и при несходных структурах испытываемых материалов. Имен- но поэтому часто фактически прочность бетона получается на одну-две марки выше марки принятого цемента. Чтобы избежать случайности, следует при выборе цемента и расчетах исходить не из марки, а реальной активности (R*) при оптимальной структуре, в теории ИСК именуемой расчетной активностью. Она соответствует прочности цементного камня оптимальной структуры, полученной при испытании образцов, изготовленных при технологических параметрах и режимах, характерных для принятого или предполагаемого производства бетона и изготовления бетонных изделий. При проектировании состава бетона общим методом (см. 3.4) можно достаточно точно обусловить выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (9.3). Строгие требования предъявляются к качеству воды, используемой при затворении бетонной смеси, а также для промывки заполнителей и увлажнения бетона при его твердении в сухих условиях. Рекомендуется применять питьевую воду; не допускаются болотные и сточные воды. Ограничивается содержание растворенных в воде солей, органических веществ, вовсе не допускаются примеси нефтепродуктов, проверяется водородный показатель рН, который не должен быть ниже 4,0 и выше 12,5.

Для тяжелых бетонов предусмотрены требования к качеству заполнителей. Пески используют природные или получаемые дроблением плотных морозостойких горных пород с размером зерен не крупнее 5 мм. Важно обеспечить повышенную плотность зернового состава (по кривым плотных смесей) при модуле крупности не ниже 2,0. Ограничивается содержание пылевато-глинистых и других вредных примесей, о чем указывалось выше при описании заполнителей. На стадии проектирования состава бетона устанавливают целесообразный зерновой состав крупного заполнителя с наименьшим

268

объемом пустот и наибольшей крупностью зерен при общих требованиях, указанных выше в отношении качества заполнителей1.

Широко используют в технологии бетона пластифицирующие, воздухововлекающие и противоморозные добавки.

Определение состава бетона. Одной из основных технологических задач является проектирование состава бетонной смеси. Разработан ряд методов проектирования состава, имеются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необ- ходимо выбирать тот метод проектирования (или подбора), который при принятой технологии способен обеспечить получение наиболее достоверного состава и оптимальной структуры бетона. Тогда формируется качество бетона, при котором имеется не только комплекс заданных, но и экстремальных показателей свойств, что соответствует закону створа. При всех методах на начальной стадии производится обоснованный выбор исходных материалов, чему способствуют табличные данные и вспомогательные графики, помещаемые в соответствующие руководства по подбору составов. В них выбор исходных материалов обусловлен проектной маркой (классом) бетона, разновидностью конструкций и эксплуатационными условиями с учетом не только прочности, но и морозостойкости, водонепроницаемости и других свойств. На втором этапе всех методов проектирования с помощью расчетов и опытов в лаборатории определяют количественные соотношения применяемых исходных материалов. Важно найти наиболее достоверные и закономерные способы определения таких соотношений с гарантией получения бетона не только необходимого качества по показателям свойств, но и оптимальной структуры. На третьем этапе в методах обычно предусмотрен выпуск пробного замеса бетонной смеси и более полная техническая характеристика качества этой смеси с возможным корректированием (уточнением) проектного состава.

Изложенный в теории ИСК общий метод проектирования состава и оптимальной структуры в полной мере, естественно, относится к тяжелому и другим видам цементных бетонов. Принятое в общем методе отношение с/ф становится водоцементным (В/Ц) или водо-твердым при более сложном вяжущем веществе.

Ниже изложен общий метод применительно к тяжелому плотному цементному бетону, но вначале следует уточнить общие закономерности из теории ИСК, на которые опирается этот метод. Среди законов видное место занимает закон створа (см. рис. 3.13), а в отноше- нии механических свойств действует закон прочности оптимальных структур: произведение прочности бетона на степенную функцию фазового отношения (В/Ц) есть величина постоянная. Такой постоянной величиной служит аналогичное произведение прочности цементного камня на его водоцементное отношение при оптимальной структуре, возведенное в ту же степень, т. е. R*·(В/Ц*)n. Прочность R* цементного камня оптимальной структуры находится опытным путем при испытании образцов, хотя возможен и расчетный метод по формуле Фере: R=K[c/(c+e+a)]2, где K — константа; с, е, а — абсолютные объемы соответственно цемента, воды и воздуха в смеси. Как отмечал А.В. Волженский [8], было бы более целесообразно в формуле принять абсолютный объем новообразований цемента с учетом объема гелевых пор (Т. Пауэре. М., 1955).

Показатель степени n в обоих случаях отражает влияние заполняющих компонентов и общую степень дефектности структуры бетона.

Из закона прочности оптимальных структур и общей формулы (3.1) следует и общая формула прочности бетонов:

Rб = RЦ* / xn , (9.3)

где Rб — прочность цементного бетона оптимальной структуры, выраженная любой ее характеристикой (предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении

1 Более полные сведения о заполнителях для тяжелого и легкого бетонов см. в ж. «Стройка», 2000, № 5, с. 139—141.

269

центральном или изгибе и т. п.); RЦ* — прочность цементного камня оптимальной структуры, выраженная той же характеристикой, которая была принята для оценки прочности цементного бетона (и в том же возрасте); x — отношение фактической величины В/Ц бетона к В*/Ц цементного камня оптимальной структуры; оно равно отношению усредненных толщин (δ; δ*) пленок водной среды в свежеизготовленных материалах, т. е. x = В/Ц / В*/Ц = δ/δ*; n — показатель степени, отражающий влияние качества заполняющих материалов, дефектов структуры на прочность бетона; R* — экстремум в зависимости R = f(В/Ц), определяется опытным путем.

Для исходных материалов, применяемых в цементном бетоне, и принятой технологии изготовления бетона с ее конкретными параметрами и режимами все члены формулы (9.3) имеют вполне определенный физический смысл. Из формулы следует, что повышения прочности бетона можно достигнуть, во-первых, путем всемерного увеличения RЦ* — введением химических добавок типа катализаторов или поверхностно-активных веществ, увеличения содержания кристаллической фазы на стадии твердения, дополнительным помолом, переходом на более высокие марки вяжущего и др. Из формулы (9.3) следует также, что для той же цели требуется уменьшать значение реального В/Ц и показателя степени п. Первое достигается с помощью пластифицирующих и суперпластифицирующих добавок, интенсификацией перемешивания смеси или другими мерами, снижающими толщину пленок водной среды на твердых частицах цемента или другого вяжущего; второе достигается фракционированием и промывкой заполнителя, составлением плотных смесей, применением кубовидного крупного заполнителя, активированием поверхности зерен и т. п. Большой резерв повышения прочности заключается в оптимизации технологических переделов, особенно режимов уплотнения при формовании и тепловых режимов при обработке отформованных изделий и конструкций.

Формула (9.3) графически выражается гиперболической кривой в прямоугольной системе координат (R, В/Ц). Понятно, что этот график (рис. 9.7) аналогичен графической зависимости для любых ИСК (см. рис. 3.15, б). Однако на рис. 3.15, б отсутствует третья плоскость и соответственно ось аппликата (В+Ц) или (П+Щ), показанная на рис. 3.8 в виде (с+ф) и на рис. 3.15, а.

Рис. 9.7. Гиперболические кривые прочности бетонов оптимальной структуры; интенсивность спада прочности зависит от заполнителя: I — прочный известняк; II — гранитный щебень; III — керамзитовый гравий; IV — природный гравий (необработанный)

На плоскости R(В+Ц) ей соответствует формула прочности бетона оптимальной структуры:

270