МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ Помимо описанных в данном разделе цементных бетонов, на основе неорганических вяжущих веществ изготавливают строительные растворы различного состава и назначения, сухие строительные смеси, железобетон и изделия из него, искусственные каменные материалы (силикатные, гипсовые, асбестоцементные и др.). Глава 7. БЕТОНЫ 7.1. Общие сведения, классификация Бетоны - это искусственные каменные материалы, получаемые в результате твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, заполнителей, воды и специальных добавок. До затвердевания этот состав называется бетонной смесью. Преимуществами бетона, обусловившими его повсеместное применение, являются достаточная сырьевая база, простота изготовления, широкий диапазон свойств, декоративно-отделочные свойства и др. Сравнительно низкая прочность при растягивающих напряжениях, являющаяся недостатком, устраняется армированием его стальной арматурой. Бетон в соединении с металлом - железобетон, обладает высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе. Бетоны классифицируют по ряду признаков: - По назначению: конструкционные и специального назначения (жаростойкие, химически стойкие, декоративные, теплоизоляционные и др.). -. По виду вяжущего: цементные (наиболее распространенные), силикатные (известково-кремнеземистые), гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные, асфальтовые бетоны и др. - По виду заполнителя: на плотных, пористых, специальных заполнителях. - По структуре: плотной структуры (пористость растворной части менее 6%); поризованной (пористость более 6%); ячеистой; крупнопористой (беспесчаный бетон). - По средней плотности: - особо тяжелые ( m > 2500 кг/м3); - тяжелые ( m = 2200-2500 кг/м3); - облегченные ( m = 1800-2200 кг/м3); - легкие ( m = 500-1800 кг/м3); - особо легкие ( m менее 500 кг/м3). - По условиям твердения: естественного твердения, с тепловой обработкой при атмосферном давлении (ТВО), автоклавного твердения. 7.2. Материалы для бетона Цемент - главный исходный материал для изготовления бетона. Наиболее широко применяют портландцемент и его разновидности. Выбор цемента должен производиться исходя из комплекса требований, предъявляемых к бетону по прочности, химической стойкости, тепловыделению, морозостойкости, водонепроницаемости и др., а также с учетом технологии изготовления и особенностей конструкции. Марку цемента назначают в зависимости от проектной марки бетона по прочности на сжатие по табл.7.1. Таблица 7.1 Марки М150 М200 М250 М300 М350 М400 М450 М500 М600 и выше М300 М300 М400 М400 М400 М500 М550 М600 М600 М500 М500 М600 М600 бетона Марка цемента М400 Заполнители занимают до 85-90% объема, сокращают расход цемента, образуют жесткий скелет бетона, уменьшая его усадку; несколько увеличивают прочность и уменьшают деформации конструкций под нагрузкой. Различают мелкий заполнитель (песок), имеющий частицы размером 0,16-5 мм, и крупный заполнитель (гравий или щебень), размер частиц которого 5-70 мм. При бетонировании массивных конструкций применяют щебень или гравий с крупностью до 150 мм. Крупность зерен определяют просеиванием заполнителей через набор стандартных сит. Пески главным образом состоят из кварца SiO2; возможны примеси полевых шпатов, слюды, известняка. Реже встречаются пески другого состава: полевошпатовые, известняковые. По происхождению пески бывают горные (овражные), речные, морские. Они различаются формой зерен и характером поверхности. Песок, используемый для приготовления бетона, должен отвечать стандартным требованиям по зерновому (гранулометрическому) составу, наличию примесей и загрязнений. Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе контрольных сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Зерна менее 0,16 мм (пылеватые и глинистые примеси) попадают в поддон – их содержание не должно превышать 10%. Чем больше в песке мелких и мельчайших фракций, тем больше цементного теста требуется на обмазку зерен песка при приготовлении бетонной смеси, то есть расход цемента возрастет. При определении зернового состава навеску сухого песка просеивают через набор сит и на каждом сите получают определенную фракцию песка по крупности (частные остатки), а затем вычисляют полные остатки. Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на данном сите и всех частных остатков на ситах большего размера. Например, полный остаток на сите 0,63 равен А0,63 = а0,63 + а1,25+а2,5. Суммируя полные остатки на ситах, вычисляют модуль крупности песка М к (сумма полных остатков, деленная на 100). В зависимости от модуля крупности и полного остатка на сите 0,63, пески классифицируются следующим образом (табл. 7.2). Таблица 7.2 Классификация песков по крупности Группа песков Полный остаток на сите Модуль крупности с сеткой 0,63 мм, % Водопотребность песка, % Повышенной крупности 65-75 3,0-3,5 5-4 Крупный 45-65 2,5-3,0 6-5 Средний 30-45 2,0-2,5 8-6 Мелкий 10-30 1,5-2,0 10-8 Очень мелкий Менее 10 Менее 1,5 Более 10 Гравий имеет округлые зерна и гладкую поверхность. Щебень получают дроблением горных пород, в том числе и крупного гравия. Он имеет угловатые зерна и шероховатую поверхность. Форма зерен и гладкость поверхности влияют на сцепление цементного камня с заполнителем, на удобоукладываемость бетонной смеси, а также на расход цемента. Зерновой состав крупного заполнителя определяется на контрольном наборе сит с размерами ячеек: 70, 40, 20, 10 и 5 мм и должен находиться в пределах, указанных в табл. 7.3. Наибольшая крупность крупного заполнителя D соответствует размеру отверстия сита, полный остаток на котором не превышает 10%; наименьшая крупность – размер отверстия сита, полный остаток на котором больше или равен 95%. Таблица 7.3 Требования к зерновому составу крупного заполнителя Размер контрольных сит Полный остаток на ситах, % по массе Наименьшая крупность d 5(3) мм 95-100 10 мм и 0,5 (d+D) Наибольшая 1,25D крупность для смеси фракций D более для одной фракции 90-100 40-80 50-70 0-10 0 По происхождению крупный заполнитель может быть природный, искусственный, из отходов промышленности (щебень из шлака, кирпичного боя, старого и бракованного бетона и проч.). Важнейшими свойствами заполнителей являются плотность, зерновой и минеральный составы, форма и характер поверхности зерен, содержание вредных примесей, прочность, морозостойкость. Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5-2 раза больше прочности бетона. Вода. В технологии бетонных работ воду используют для затворения бетонных и растворных смесей, для поливки бетона в процессе твердения, для промывки заполнителей. Применяют водопроводную питьевую воду, а также природную (вода рек, естественных водоемов) с рН не менее 4, содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей. Вредными считаются органические вещества, растворимые соли, в особенности содержащие ионы SO42 (их содержание не должно превышать 2700 мг/л в пересчете на SO3) и Сl-, а также взвешенные частицы глины, песка, пыли, почвы. Специальные добавки применяют для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента. Различают добавки, регулирующие свойства бетонной смеси (пластифицирующие, стабилизирующие, водоудерживающие); регулирующие схватывание цемента и твердение бетона (ускоряющие твердение, замедляющие схватывание, противоморозные); добавки, регулирующие плотность и пористость бетона (воздухововлекающие, газообразующие и др.); добавки, придающие бетону специальные свойства (гидрофобизирующие, антикоррозийные и др.). 7.3. Свойства бетонной смеси Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из тонкодисперсных частиц цемента, новообразований, возникающих при взаимодействии цемента с водой, частиц песка, крупного заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, вовлеченного воздуха. По своему строению бетонная смесь представляет единое физическое тело, в котором частицы вяжущего, вода и зерна заполнителя связаны внутренними силами взаимодействия. Основной структурообразующей составляющей бетонной смеси является цементное тесто. Свойства бетонной смеси зависят от количества и качества цементного теста. Основные свойства бетонной смеси Тиксотропия - способность разжижаться при механических воздействиях (приобретать свойства тяжелой жидкости) и вновь загустевать после прекращения воздействий. Это свойство используется при виброуплотнении бетонных смесей. Удобоукладываемость - способность бетонной смеси заполнять форму при данном способе уплотнения без расслоения, образуя в результате плотную, однородную массу. Удобоукладываемость оценивается: подвижностью, то есть способностью расплываться под действием собственного веса. Определяется осадкой стандартного конуса в см (чем больше осадка бетонного конуса, тем подвижнее, пластичнее смесь); жесткостью, оцениваемой временем вибрирования в секундах (с), необходимым для выравнивания и уплотнения бетонной смеси в стандартном приборе для определения жесткости. Жесткие смеси не дают осадки конуса (ОК=0). Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости приведена в табл.7.4. Связность – способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. Таблица 7.4 Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости Марка по удобоукладываемости Норма удобоукладываемости по показателю жесткости (Ж), с подвижности (ОК), см Сверхжесткие смеси СЖ 3 более 100 - СЖ 2 51-100 - СЖ 1 50 и менее - Жесткие смеси Ж4 31-60 - Ж3 21-30 - Ж2 11-20 - Ж1 5-10 - Подвижные смеси П1 4 и менее 1-4 П2 - 5-9 П3 - 10-15 П4 - 16-20 П5 - 21 и более 7.4. Основы технологии бетона Процесс производства бетона состоит из ряда последовательных операций. Подбор состава бетона осуществляется таким образом, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (по удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и проч.), и стоимость бетона при этом была бы как можно более низкой. Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом в виде формул, таблиц, номограмм. Полученный состав бетона может быть выражен двумя способами: - количеством составляющих в кг на 1 м3 бетона, например, цемент – 300, вода – 200, песок – 650, щебень – 1250; - соотношением компонентов в частях по массе или по объему; при этом количество цемента принимают за единицу (например, Ц:В:П:К = 1:0,7:2:4 – на 1 часть цемента берется 0,7 частей воды, 2 части песка и 4 части крупного заполнителя). Подготовка исходных материалов может включать дополнительный помол цемента (активизация), подготовка добавок, оттаивание и подогрев заполнителей в зимнее время и т.п. Дозирование компонентов осуществляется в основном по массе, обычно с помощью автоматических дозаторов с точностью до 1% для цемента, воды и водных растворов добавок и 2 % для заполнителей. Приготовление бетонной смеси осуществляют в бетоносмесителях периодического или непрерывного действия различной вместимости (от 75 до 4500 дм 3). По принципу действия аппараты бывают гравитационные (со свободным падением материалов) и с принудительным перемешиванием. Последние применяют для перемешивания жестких смесей. Оптимальная продолжительность перемешивания зависит от состава, удобоукладываемости бетонной смеси и типа применяемого смесителя. Транспортирование приготовленной бетонной смеси осуществляется автосамосвалами, автобетоновозами, автобетоносмесителями, на короткие расстояния ленточными конвейерами, контейнерами, а также по трубам с помощью бетононасосов и пневмонагнетателей. Предельное время транспортирования устанавливается в зависимости от сроков схватывания цемента, температуры воздуха, вида транспорта и типа покрытия дорог. Уплотнение производится с целью плотной укладки бетонной смеси в форму (опалубку). Недоуплотнение приводит к резкому уменьшению прочности и долговечности бетона, ухудшает прочие свойства. Для уплотнения применяют: вибрирование (виброплощадки, глубинные, поверхностные, навесные вибраторы), вибрирование с пригрузом, сверхжестких бетонных смесей), центрифугирование (для формования труб), безвибрационные методы (для литых бетонных смесей, уплотняющихся под действием собственного веса или путем штыкования) и другие методы. вибропрессование, виброштампование (для Твердение бетона оптимально происходит летом во влажной среде, зимой - во влажной и теплой. В нормальных условиях, т.е. во влажном воздухе с температурой 20 2 0 С, предел прочности бетона при сжатии нарастает пропорционально логарифму времени твердения: Rn lg n , где R28 lg 28 n - срок твердения в сутках (n>3); R28 - предел прочности бетона в возрасте 28 сут. Чтобы защитить свежеуложенный бетон от испарения влаги, а поверхность бетона - от высыхания, его покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Используется также защита полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями. На заводах сборного железобетона для ускорения твердения используют тепловлажностную обработку: пропаривание при 85-900С, автоклавную обработку, электропрогрев, воздействие инфракрасного излучения и проч.). Для ускорения набора прочности бетоном используют быстротвердеющие и особобыстротвердеющие цементы, а также добавки – ускорители твердения. В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами. 7.5. Свойства бетона Прочность - главное свойство бетона как конструкционного материала, зависящее от его состава, структуры, характеристик компонентов, условий приготовления, твердения, эксплуатации и прочих факторов. Действие этих факторов можно свести к двум основным: прочности затвердевшего цементного камня и прочности его сцепления с заполнителем. Прочность цементного камня в свою очередь определяется активностью (маркой) цемента (Rц) и соотношением количеств цемента и воды – цементно-водным отношением Ц/В. Основной закон прочности бетона Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона. Исследованиями была установлена следующая зависимость: Rц Rб = ---------к(В/Ц)n (формула Н.М.Беляева), где: Rб - прочность бетона, Rц - марка (активность) цемента, В/Ц водоцементное отношение, к и n - коэффициенты, зависящие от вида бетона и качества заполнителей (к=3,5 для щебня и 4 для гравия, n=1,5 для тяжелого бетона). На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью: Rб = А Rц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева), где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), bпостоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,5-3,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам. При расчете состава бетона используют также: - уравнение абсолютных объемов: Ц/ ц+ В/ в+ П/ п+ К / к = 1000 дм3, где Ц, В, П, К - расходы на 1м3 бетона соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг; ц, в , п, 3 к - истинная плотность зерен этих материалов, кг/дм и - уравнение, показывающее, что в плотно уложенном бетоне пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены цементно-песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен: Ц/ ц+ В/ в+ П/ п= К / нк. к .кразд , где нк – насыпная плотность крупного заполнителя, кг/дм3; к – пустотность крупного заполнителя; кразд - коэффициент раздвижки зерен заполнителя. Марка бетона по прочности - числовая характеристика, определяемая испытанием на одноосное сжатие стандартных образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных в возрасте 28 сут. после твердения в нормальных условиях. (М100, М150 .... М800, кгс/см2 - для тяжелых бетонов). Класс бетона (В) - числовая характеристика, определяемая величиной гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это значит, что заданная прочность достигается в 95 случаях из 100. Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; ... В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона - марке (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу: Rcp = В/0,778. Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как упруго-вязкопластичное тело. При небольших напряжениях бетон деформируется как упругий материал, а при больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация. Ползучесть - способность бетона к увеличению деформаций под действием постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба. Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации конструкции. Усадка и набухание связаны с физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Усадка у бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном возрастн; величина набухания значительно меньше. Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе составляет примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут. Водонепроницаемость бетона зависит от проницаемости цементного камня, заполнителя и контактной зоны. Характеризуется маркой по водонепроницаемости (МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2. Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75... F500. Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м.0С) для тяжелых бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м.0С) для легких бетонов. Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) тяжелого бетона (10-12).10-6 0С-1 близок к КЛТР стали, что обеспечивает совместимость термических деформаций бетона и арматуры. 7.6. Разновидности бетонов Разновидности приведены в табл.7.5. бетонов, наиболее часто применяемые в строительстве, Помимо приведенных в табл. 7.5, применяют также гидротехнические, химически стойкие, особо тяжелые и гидратные бетоны, а также цементнополимерные, декоративные и др. бетоны. .Вопросы для самоконтроля к главе 7 1. Что такое бетон? 2. По каким признакам классифицируются бетоны? 3. Какие требования предъявляются к материалам для бетона? 4. Какие виды добавок применяются для регулирования свойств бетонной смеси и бетона? 5. Что такое удобоукладываемость бетонной смеси и как она оценивается? 6. Назовите и кратко охарактеризуйте основные технологические операции при производстве бетона. 7. От каких факторов зависит прочность бетона? 8. Чем отличаются марка бетона и класс прочности бетона? 9. Какие разновидности бетонов Вам известны? Приведите применения. их характеристику и особенности Виды бетона Табл. 7.5 Вид бетона 1 Легкие бетоны на пористых заполнителях Ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон, газосиликат, пеносиликат) Состав Характерные свойства Применение 2 Вяжущее - обычный и быстротвердеющий портландцементы, шлакопортландцемент; пористые заполнители неорганические и органические (употребляемые гораздо реже). Неорганические природные пористые заполнители: вулканический туф, пемза, известняк-ракушечник и др.; искусственные бывают: специально изготовленные (керамзитовый гравий, керамзитовый песок, аглопорит, вспученные перлит и вермикулит, шлаковая пемза и проч.), и побочные продукты промышленности (топливные шлаки и золы, гранулированный металлургический шлак и др.). 3 - классы по прочности на сжатие (МПа): от В2 до В40 (для теплоизоляционных бетонов предусматриваются классы В0,35, В0,75, В1); -марки по прочности (кгс/см2): М35М500; - марки по морозостойкости: F25-F500; - марки по средней плотности (кг/м3): D200-D2000; - марки по водонепроницаемости: W0,2W1,2; - теплопроводность = 0,07-0,8 Вт/(м.0С); - деформативные свойства и трещиностойкость лучше, чем у тяжелых бетонов. - пористость 60-85%; поры замкнутые; 4 - конструкционный бетон с m =1400-1800 кг/м3 - для легких несущих железобетонных конструкций (пролетные строения, мосты, фермы, гидротехнические сооружения, элементы перекрытий, покрытий зданий и др.); - конструкционнотеплоизоляционный ( m =600-1400 кг/м3) - для ограждающих конструкций зданий; - теплоизоляционный ( m менее 600 кг/м3) – как теплоизоляционный материал. Газо- и пенобетон: вяжущее – портландцемент; газо- и пеносиликат: вяжущее - молотая негашеная известь. Кремнеземистый компонент (молотый кварцевый песок, зола-унос ТЭС, молотый доменный шлак). Газобетон и газосиликат газообразователь (обычно. алюминиевая пудра). Пенобетон и пеносиликат – пенообразователи (клееканифольный, - m ( кг/м ) 300-1200; 3 - классы по прочности на сжатие: В0,35В12,5; - марки по прочности на сжатие М15 – М150; - = 0,14-0,37 Вт/(м.0С); - марки по морозостойкости F15-F100; - водопоглощение по объему 28-40%; - огнестойкость; Наиболее рациональная область применения – изготовление камней и блоков для ограждающих конструкций (стен) жилых и промышленных зданий: несущих – для малоэтажных зданий и ненесущих – для многоэтажных, имеющих несущий каркас; для легких железобетонных конструкций и теплоизоляции. Вид бетона Состав Характерные свойства гидролизованная кровь, сульфанол и др.). - легкость механической обработки. Крупнопористый бетон (беспесчаный) Вяжущее – портландцемент, шлакопортландцемент (расходуется лишь для склеивания зерен крупного заполнителя); крупный заполнитель (плотный и пористый) - пониженный расход цемента: 70-150 кг/м3 ; Высокопрочный бетон Вяжущее - цементы высоких марок; особо быстротвердеющие цементы; высококачественные заполнители; суперпластификаторы; низкое В/Ц = 0,27-0,45, интенсивное уплотнение. Дорожный бетон Вяжущее – портландцемент М500 с содержанием С3S не более 10%, гидрофобный и пластифицированный портландцементы; для бетона оснований дорожных покрытий – портландцемент и шлакопортландцемент М300 М400; крупный заполнитель (щебень, гравий, щебень из шлака) высокой износостойкости; ограничение В/Ц (0,5-0,55); щелоче- и светостойкие пигменты, или цветные цементы, цветные заполнители (для цветных бетонов). - m =1700-1900 кг/м3 - на плотном заполнителе, 500-700 кг/м3 - на пористом; - класс не более В7,5; - марки М15 - М75; - = 0,55-0,8 Вт/(м.0С) - марки М600-М1000; - морозостойкость: F50-F500; - высокое сопротивление поверхностному износу; - уменьшение расхода арматурной стали на 10-12%; - сокращение объема бетона на 10-30%. - Основная прочностная характеристика – проектная марка на растяжение при изгибе; - морозостойкость: в суровом климате не ниже F200, в умеренном –F150, в мягком – F100; Применение Целесообразно применять в районах, богатых гравием. Монолитные наружные стены зданий, крупные стеновые блоки (оштукатуривают с двух сторон, чтобы устранить продувание); как теплоизоляционный материал (на пористом заполнителе). Дорожное, аэродромное, гидротехническое строительство; полы промышленных зданий, защита от радиоактивного излучения и проч. Для оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов; для декоративных целей при устройстве пешеходных переходов, разделительных полос на дорожных покрытиях, для изготовления элементов городского благоустройства. Вид бетона Жаростойкий бетон Состав Вяжущие – портландцемент с активной минеральной добавкой (пемза, зола, шлак, шамот), шлакопортландцемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цемент, жидкое стекло (условия кислотной коррозии); фосфатные и алюмофосфатные связующие; заполнитель –бескварцевые горные породы плотные и пористые, бой керамических и огнеупорных материалов. Характерные свойства Сохраняют в определенных пределах физико-механические свойства при длительном воздействии высоких температур – от 700 до 17000С (в зависимости от состава бетона). Применение Для промышленных агрегатов (облицовка котлов, футеровка печей, фундаменты доменных и мартеновских печей и т.п.) и строительных конструкций, подверженных нагреванию (дымовые трубы и проч.).
