Минералогический состав.

Для приготовления бетона в строительных конструкциях наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физикохимических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Наиболее широкое применение в производстве бетона получил портландцемент. Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде или на воздухе. Он представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Клинкер – обожженная до спекания смесь, в которой преобладают силикаты кальция. Для получения цемента высокого качества необходимо, чтобы его химический состав, а, следовательно, и состав сырьевой смеси были устойчивы. При помоле к цементному клинкеру можно добавлять до 20 % гранулированных доменных шлаков или активных минеральных добавок. Минералогический состав портландцемента в основном входят минералы: алит, белит, целит, алюминат. В портландцементе содержание клинкерных минералов бывает: трехкальциевого силиката C3S 37—60%, двухкальциевого силиката C2S 15 — 37%, трехкальциевого алюмината С3А 5— 15% и четырехкальциевого алюмоферрита C4AF 10 — 18%. Свободной извести не должно быть более 0,5%, так как она, находясь в пережженном состоянии, может вызвать в последующем растрескивание затвердевшего цементного камня.

В результате обжига при 1450 _С образуются следующие основные клинкерные минералы:

1. Алит, трехкальциевый силикат – состава 3CaO*SiO2 или C3S . Основной минерал, оказываю­щий влияние на качество цемента. Алит обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Цементы высоких марок и быстротвердеющие цементы изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката. Содержание в цементе – 37­60%.

2. Белит, двухкальциевый силикат – состава 2СаО*SiO2 или C2S. Медленнотвердеющее гидрав­лическое вяжущее средней прочности. Цементы с повышенным содержанием белита медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет может оказаться достаточно высокой. Содержание в цементе – 15-37%.

3. Трехкальциевый алюминат – состава 3СаО*Al2O 3 или С3А. Минерал-плавень, главная задача которого понижение температуры спекания сырьевой смеси. Твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Содержание в цементе – 5-15%.

4. Четырехкальциевый алюмоферрит – состава 4CaO*Al2O3*Fe2O3 или С4AF. Минерал-плавень. Твердеет быстрее силикатов, но медленнее алюмината. Содержание в цементе – 10-18%

Вопрос 7. Изложите основные требования, предъявляемые к цементному бетону для дорожных покрытий и оснований.

Бетон (франц. béton) -  искусственный каменный материал, получаемый из рационально подобранной смеси вяжущего вещества (с водой, реже без неё), заполнителей и специальных добавок (в некоторых случаях) после её формования и твердения; один из основных строительных материалов. До формования указанная смесь называется бетонной смесью.

Для проведения дорожных строительных работ может использоваться плотный тяжелый бетон, с помощью которого производится устройство автодорожного покрытия, мостовых конструкций или труб.

Бетон для покрытий и оснований должен соответствовать требованиям ГОСТ 26633 и таблицы1.

Таблица 1

Катего- рия дороги	Назначение бетона	Минимальный проектный класс бетона по прочности на растяжение при изгибе	Минимальный проектный класс бетона по прочности на сжатие	Минимальная проектная марка бетона по морозостойко-сти
I-a, I-б, I-в, II	Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия	Btb4,0	В30	F150
	Нижний слой двухслойного покрытия	Btb3,2	В22,5	F50
III	Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия	Btb3,6	В27,5	F150
	Нижний слой двухслойного покрытия	Btb2,8	В20	F50
IV	Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия	Btb3,2	В25	F150
	Нижний слой двухслойного покрытия	Btb2,4	В15	F50
I-V	Основание	Btb1,2	В5	F50
Примечания 1 При соответствующем технико-экономическом обосновании для однослойного или верхнего слоя двухслойного покрытия дорог I-a, I-б, I-в, II и III категорий допускается применять тяжелый бетон, как для дорог III категории. 2 Классы бетона по прочности на сжатие следует учитывать только при проектировании железобетонных и предварительно напряженных покрытий. 3 Среднемесячную температуру наиболее холодного месяца для районов строительства определяют по СНБ 2.04.02. 4 Допускается устройство цементобетонных покрытий для дорог IV категории при соответствующем технико-экономическом обосновании.

К такому бетону выдвигается ряд особых требований. В первую очередь, он должен быть долговечным при условии тяжелой эксплуатации. Тип бетона, используемый в каждом конкретном случае, определяется ГОСТом 10268—80. С помощью бетона могут создаваться:

• однослойные покрытия или верхний слой двухслойного покрытия;

• нижний слой двухслойного покрытия;

• основание усовершенствованного капитального покрытия.

Не менее жесткие требования предъявляются ГОСТом к заполнителю для бетона, который используется при создании однослойных покрытий или верхнего слоя двухслойного покрытия. Заполнители должны быть морозостойкими, а в идеале их набор определяется конкретными погодными условиями в данной климатической зоне. Ориентиром служит среднемесячная температура самого холодного месяца.

В отличие от заполнителей для обычного тяжелого бетона, заполнители дорожного бетона должны соответствовать нормам истираемости в полочном барабане.

При ведении строительства в условиях повышенной влажности, для создания сооружений, постоянно омываемых водой, применяют особый гидротехнический бетон, который также относится к группе тяжелых цементных бетонов.

При возведении мостов или других подобных конструкций в морской воде используют бетон, который создается на основе сульфатостойкого портландцемента. При создании подводной части такой конструкции бетон должен сопротивляться выщелачиванию гидроксида кальция. Происходит этот процесс в результате определенной химической операции. Активный кремнезем связывает гидроксид кальция, образуя малорастворимый гидросиликат кальция.

Для цементобетонных покрытий и оснований следует применять тяжелый и мелкозернистый бетоны по СТБ 1310.

Дорожная одежда должна соответствовать общим требованиям, предъявляемым к дороге и обеспечивать расчетную скорость, безопасность и комфортабельность движения транспортных средств. Это достигается обоснованным выбором и проектированием дорожной одежды и покрытия проезжей части, укрепленных и разделительных полос.

Выбор типа дорожной одежды и материала покрытия следует производить в зависимости от категории дороги

Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего: бетоны на неорганических вяжущих (цементные бетоны., гипсобетоны, силикатные бетоны, кислотоупорные бетоны, жаростойкие бетоны и др. специальные бетоны) и бетоны на органических вяжущих (асфальтобетоны, пластобетоны).

         Цементные бетоны в зависимости от объёмной массы (в кг/м³) подразделяются на особо тяжёлые (более 2500), тяжёлые (от 1800 до 2500), лёгкие (от 500 до 1800) и особо лёгкие (менее 500).

         Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий); они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны обычно вводят добавку карбида бора или др. добавки, содержащие лёгкие элементы — водород, литий, кадмий.

         Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетон, подвергающихся воздействию морских и пресных вод и атмосферы. К заполнителям для тяжёлых бетонов, предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов Советского Союза привели к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения Б., что достигается применением быстротвердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и др. способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими бетонами. занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Основные свойства бетона — плотность, содержание связанной воды (для особо тяжёлых бетонов), прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость, теплопроводность и техническая вязкость (жёсткость смеси). Прочность бетона характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых бетонов определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм, изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки. Для образцов монолитного бетона промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20 °С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 суткам. Прочность бетона в возрасте 28 сут R₂₈ нормального твердения можно определять по формуле:

         R₂₈ = aR_ц (Ц/В - б)

         где Р_ц — активность (прочность) цемента; Ц/В — цементно-водное отношение; а — 0,4—0,5 и б — 0,45—0,50 — коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей. Для установления марки бетона гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 сут. Срок выдержки и условия твердения образцов бетона сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых бетонов принимают временное сопротивление в кгс/см² на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см² ≈ 0,1 Мн/м²). Особо тяжёлые бетоны имеют марки от 100 до 300 (Бетон10—30 Мн/м²⁾, тяжёлые бетоны — от 100 до 600 (Бетон10—60 Мн/м²). Марки высокопрочных бетонов — 800—1000 (Бетон80—100 Мн/м²). Применение высокопрочных бетонов наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (Бетон2,5—20 Мн/м²), высокопрочные бетоны. — до 400 (Бетон40 Мн/м²), крупнопористые бетоны — от 15 до 100 (Бетон1,5—10 Мн/м²), ячеистые бетоны — от 25 до 200(Бетон2,5—20 Мн/м²), особо лёгкие бетоны — от 5 до 50 (Бетон0,5—5 Мн/м²). Прочность бетона на осевое растяжение ниже прочности бетона на сжатие примерно в 10 раз.

  Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к Б. дорожных и аэродромных покрытий. К Б. гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов, — требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного Б. учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых Б. — также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см) стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего — 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б. Г. Скрамтаева либо с помощью технического Вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов. Градации подвижности бетонной смеси приводятся в табл.

         Градации подвижности бетонной смеси

     

Бетонная смесь	Жёсткость по техническому вискозиметру (сек)	Осадка конуса (см)
Жёсткая	более 60	0
Умеренно жёсткая	30-60	0
Малоподвижная	15-30	1-5
Подвижная	5—15	5-10
Сильно подвижная	—	10-15
Литая	—	15-25

 Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки Б. Наряду с ценными конструктивными свойствами Б. обладает также и декоративными качествами. Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру Б.; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности Б. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из Б. усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств Б. используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

В строительстве часто применяют бетон, который приготавливается на цементе или иных неорганических веществах. Бетоны, как правило, затворяют водой. Главными активными составляющими бетона являются цемент и вода, реакция между ними образует цементный камень, который скрепляет зерна заполнителей в монолит. Изделия изготовленные из бетона могут оказаться в различных температурно-влажностных условиях внешней среды. Некоторые условия помогают ускорить процессы твердения, другие, наоборот, оказывают негативное влияние - вызывают замедление возрастания прочности, ухудшают структуру и, как следствие - страдает качество бетона. Наилучшие условия, при которых вяжущие минеральные вещества бетона начинают быстрее твердеть – водные. При небольшой влажности и в сухом воздухе бетон затвердевает очень медленно, так же страдает его прочность. Это вызвано тем, что часть воды затворения при этих условиях испаряется в окружающую среду. В высушенном бетоне нарастание прочности заканчивается. Состав смеси бетона выбирают в зависимости от свойств, требуемых от изделий. Только что приготовленная смесь должна иметь подвижность. Ее гомогенизируют в бетономешалках, укладывают и уплотняют путем вибрации. Прочность бетона особенно быстро вырастает в течение 7-10 суток. Марка бетона означает прочность на сжатие (в кгс/см2; 1 кгс/см2 = = 0,1 МПа) стандартных кубических образцов с ребром 15см, которые испытанию через 28 суток после твердения при 15-20°С при возведении гражданских сооружений и через 180 суток - при возведении гидротехнических сооружений. Затвердевание бетона ускоряется при высокой температуре, поэтому при изготовлении конечных сооружений из бетона часто используют обработку паром при обычном давлении или в автоклаве. Еще во времена СССР для тяжелого бетона были установлены следующие марки бетона (М): 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550 и выше. Для определения расхода цемента на 1м3 бетона необходимо учитывать те требования, которые предъявляются к плотности, прочности бетона и пластичности смеси. В зависимости от применения, бетон делят на: - общестроительный (легкий и тяжелый бетон); - специальный бетон (декоративный, гидротехнический, жаростойкий, дорожный и химически стойкий). Самой высокой прочностью отличается дорожный бетон, так же он имеет высокую морозо и износостойкость. Химически стойкий бетон содержит разные заполнители, которые зависят от агрессивности окружающей среды. Жаростойкий бетон. В качестве заполнителей добавляют специальные огнеупорные материалы, такие как корунд, динас, шамот. Декоративный бетон содержит много заполнителя (мраморная или гранитная стружка), вяжущее вещество - портландцемент с пигментами. При создании особопрочных бетонов применяют суперпластификаторы, они меняют свойства цемента, регулируют химические процессы гидратации и твердения, модифицируют структуру затвердевшего бетона. В зависимости от размера заполнителей существует крупнозернистый и мелкозернистый бетон. Крупнозернистый содержит гравий или щебень, а мелкозернистый – мелкий щебень или кварцевый песок.