Глава 10. Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ

Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ

10.1. Общие сведения

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 веще-ства, 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 кон-[струкций, доступность высокой механизации технологических коопераций и т. п. Большая экономичность изделий из бетона состоит гВ 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, алюминия, стекла, кирпича, пластмасс. Для затворения по­рошкообразных вяжущих в тестообразное состояние и получения ^Йетонной 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 бе­конная смесь — бетон (конгломерат). Часть объемов в бетоне, за­полнителе и камне занимают поры и капилляры разного размера и! ■!» различном количестве.

Для бетонов применяются почти все разновидности неорганиче­ских вяжущих, которые были изложены выше (см. § 8.1), соответ­ственно чему бетоны разделяются на цементные, гипсовые, сили­катные, шлаковые, специальные (на фосфатных, магнезиальных и Других вяжущих). Для них применяются также все разновидно­сти заполнителей (см. гл. 9), соответственно чему бетоны разделя­ют на плотные, пористые, специальные. При объединении вяжущих и заполнителей в принятых по составу количествах получают мно- '. жество технических решений при производстве искусственных стро-■ ительных конгломератов различного назначения. Если этих двух компонентов окажется недостаточно, тогда вводят дополнительные

вещества (добавки). Еще более сильным фактором, которым поль­
зуются при получении бетонов с заданными свойствами, является
технология с ее многообразными операциями (переделами), режи­
мами (тепловыми, механическими и пр.) и характеристиками обо­
рудования. J

К одному из показателей заданных свойств Относится средняя ллотность бетона. Величина средней плотности бетона зависит от разновидности заполнителя, а отчасти обусловлена пористостью цементного камня. Особо тяжелые 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 плотности 2200...2500 кг/м³ получают применением в них в качестве заполнителя щебня из плотных горных пород — гранитов, диабаза, песчаника и др.; облегченные — со средней плот­ностью 1800...2200 кг/м³. В легких бетонах со средней плотностью 500... 2000 кг/м³ используется легкий заполнитель, природный или искусственный, в том числе пемза, туфы, керамзит, аглопорит, ва-кулит и др., а также в них нередко отсутствует песчаная фракция, вследствие чего возникают пустоты между щебнем, а сам бетон именуется крупнопористым легким бетоном. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) со средней плотностью менее 500 кг/м³ ха­рактеризуются тем, что функции своеобразного заполнителя в них переданы воздушным или газовым ячейкам.

При наибольшей крупности заполнителя до 10 мм — бетоны мелкозернистые, более 10 мм — крупнозернистые.

В зависимости 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 — для использования при устройстве жароупорных покрытий, 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.

В соответствии со стандартом СЭВ, в нашей стране принят ГОСТ 25192—82 «Классификация и общие технические требова­ния» на бетоны. Основным показателем качества бетонов является предел прочности при одноосном сжатии образца-куба с ребром

I 15 см с разделением их на классы В или предел прочности при сжа-(гии цилиндрических образцов размером 15X30 см с разделением

бетонов на классы С. Эти показатели качества обоих классов при­нимаются по стандарту с гарантированной обеспеченностью, чем аклассы отличаются от деления бетонов на марки. Марка бетона формируется 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 по-¹ казателя однородности бетона (см. § 10.2). 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 выше (для тяжелых бетонов). Как отмечено выше, основное деление принято в настоящее время по классам, но временно допускаются марки бетонов.

| 10.2. Тяжелые (обычные) бетоны

Исходные материалы. При выборе разновидности цемента учи­тываются характер конструкции и рекомендации нормативных до-I кументов (ГОСТа, СНиПа, ТУ и др). Так, например, при производ­стве железобетонных конструкций промышленных зданий и многих инженерных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцементы 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, следователь-|, но, в меньшей мере конструкции подвержены тепловым неравно­е/мерным напряжениям. Если конструкция работает в условиях воз-| действия морской или другой минерализованной воды, тогда вы- р. бирают малоалюминатные сульф а тоетой кие портландцементы и | шлакопортландцементы. Гидротехнические сооружения проектиру-| ют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с I пластифицирующими и гидрофобными добавочными веществами. |, Аналогичным образом учитывают условия при выборе цемента для |, других видов бетона.

I Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также |его марку, 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 (100... 300) превышение марки цемента составляет; 'Ю0...200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам произво-

дится при различных условиях подготовки соответствующих сме­сей и при несходных структурах испытываемых материалов. Имен­но поэтому часто фактическая прочность бетона получается на од-ну-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, т. е. из 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. § 5.4) можно достаточно точно обусловить выбор расчетной актив­ности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполните­лей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (5.3).

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

Широко используются пластифицирующие, воздухововлекаю-щие и противоморозные добавки в технологии бетона.

Определение состава бетона. Одной из основных технологиче­ских задач является проектирование состава бетонной смеси. Разработан ряд методов проектирования состава, в том числе име­ются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необходимо 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 материалов обусловлен проектной маркой Орегона к определенному возрасту, разновидностью конструкций и Эксплуатационными условиями с учетом марки бетона по морозо­стойкости, водонепроницаемости и др. На втором этапе проектиро­вания производится определение количественных соотношений при­нятых материалов, что достигается с помощью несложных расчетов и опытов в лаборатории. Важно обосновать такие количественные соотношения компонентов бетонной смеси, при которых принятая Технология в состоянии обеспечить получение бетона необхо­димого качества и оптимальной структуры. На третьем этапе по-яучают пробный замес бетонной смеси и более детально проверя­ют ключевые качественные показатели, а при необходимости про­изводят уточнение (корректирование) проектного состава.

Выше был изложен общий метод проектирования состава ИСК,

^-opbifi в полной мере относится к тяжелому и другим видам це-1тных бетонов. Для них фазовое отношение с/ф означает водо-1ентное отношение, или водотвердое отношение, если вяжущее — > жное и содержит активный или неактивный наполнитель. Вода: же может содержать в растворе соответствующие добавочные дества. Наиболее распространен в настоящее время расчет и 1бор состава тяжелого бетона по методу «абсолютных объемов», фаботанный Б. Г. Скрамтаевым и его научной школой. На первом этапе принимаются исходные данные в отношении ► ектного класса бетона по прочности и другим свойствам, для о должны использоваться технические документы — проект зда-[ или сооружения, проект бетонных элементов, проект организа-i работ, СНиП и другая проектная и нормативная документация. цественной характеристикой бетонной смеси (в зависимости от «ктных и производственных условий) принимается подвиж-Ть, выражаемая в см, или жесткость, выражаемая в секундах и определяемые по стандарту (ГОСТ 10181—81). Производится юр заполнителей, возможные фракции при их разделении (клас-> икации), а также размер наибольшего зерна (щебня или гра-) в зависимости от вида конструкции и способа укладки бетон-смеси. Обосновываются вид и марка цемента, его минимально устимое количество в зависимости от условий работы конструк-и подвижности (жесткости) бетонной смеси (по таблицам). условливается рекомендуемый расход воды в зависимости от вижности бетонной смеси, вида и крупности заполнителя (по лице), а именно: чем меньше жесткость (выше пластичность) си и мельче наиболее крупный размер щебня (гравия), тем ьший расход воды рекомендуется принимать в бетонной смеси, •ажаемый в л/м³. На втором этапе производится определение состава бетона рас-чо-экспериментальным способом. Это определение производится в ой последовательности: а) определяется водоцементное отноше-(В/Ц) по данным предварительных опытов, которые помогают ус-овить графическую зависимость прочности бетона от В/Ц при 277

данной активности цемента и применении принятых местных запол­нителей (табл. 10.1). Чаще, однако, пользуются формулой, которая следует из формулы прочности Боломея — Скрамтаева:

ЛЛц__, ' (10.1)

Л_б+0, 5ЛЛц

(Ю.2)

Таблица 10.1. Значения кмффициентов А и A i

Заполнители бегов»

Высококачественные Рядовые Пониженного качества

б) определяется расход воды (В) по требуемой подвижности бе­тонной смеси на основании результатов предварительных испытании или по таблице, но с обязательным последующим корректировани­ем применительно к исходным материалам (рис. 10.1); в) находит-