Бетоны с эффективными добавками

А. Г. Зоткин
Бетонь1
с эффективными
добавками
Учебно-п11актическое пособие
Инфра-Инженерпя
Москва-Вологда
2014
УДК 666.031
ББК 3�.626.1
З 88
3 88
Зuткин А.Г.
Бетоны сэффскт1'mными добавками. -М.: I-lнфра-Инжснсрия, 2014. -160 с.
ISBN 978-5-9729-0079-4
Рассматривается применение суперпластификаторов, минеральных и возду­
хоnоnлеrса1ощих добаnоrс n бетонах, принципы их использования, свойства бетон­
ных смесей и бетонов с этими добавками.
Выделена рациональная область применения супсрпластификаторов и мине­
ральных добавок. Рассматриваюгся характеристики этих групп добавок и механиз­
мы их действия , эффекты в бетонах разных составов, совrv1естимость добавок с це­
ментами. Приnедепы и обобщепr,r литературньrе дапп1,1е по этим вопросам. Предла­
гаются методики определения оптимальных расходов добавок и назначения cocтa­
DOD
бетонов.
Разделы, посвященные бетонаr.,1 с добавками, предваряются изложением ос­
новных свойств и зiiвисимuстей дня Gездuбiiвuчнuгu (клiiссическогu) Geтuн::t, ис­
пользуемых при дальнейшем рассмотрении бетонов с добавками.
Издiiние uриентирuвiiНu в нервую очередь Hii инженернu-техни•:1еский персо­
нал, занимающийся производством бетона и конструкций из него, а в определенной
части - и на научных работников. Оно может быть полезно студентам и аспирантам
строительного направления.
© Зот](ИП А.Г., автор, 2014
© J,fздате.m.стRо «Инфра-}fнженерия», 2014
ISBN 978-5-9729-0079-4
Введение
Современный бетон как повышенной, так и обычной прочности отличается от
бетона прошлого века почти обязательпь1�1 применением добавок. Именно они, а пе
расход цемента, как это было раньше, обеспечивают в значительной части случаев
требуеt.rые сRойстRа бетона. Более тоrо, некоторf>те группf>т !(обаRОТ< ттозRоляют по­
лучать бетоны со значr,пельно более высокими свойствами, недостrгжимы�1и в без­
добавочных бетонах.
Сегодня для бетона используется болr.шое количество добаво1<. O1rn класси­
фицируются по основному эффекту или по свойствам бетона, которые они повы­
пrают.
Но если разделить добавки по универсальности (возУiожности влиять на раз­
личные свойства бетона) и/иm1 по эффективности, то первые три места займут: су­
перпластификаторLI, м1п1ералr.1IL1е добаnrси и nоздуховоnлекаrощие добавки. При
этом суперпластификаторы эффективны в бетонах с высокими расходами цеr.�ента,
а минералf>ньrе J(обаRки - при его низких pacxo,ri:ax. RозлухоRонлекаюп(ие J(обаRки
могут приrvrеняться в бетонах всех составов. l1спользование одной из этих добавок,
а иногда и их коr.rбинации, является главным отличием современных бетонов от
uбычнuгu (ю1ас<.:и'-lecкuгu) бетuна.
Можно выделить еще одну группу добавок, улучшающих свойства бетона
(гидрофобизирующие, стабилизирующие или снижающие проницаемость). Но эти
добавки характеризуются более «узким» спектро:м эффектов и применяются в су­
щественно меньших uбъема.х. Наконец, третья 1·ру1111а. доба.вuк аозвuJ�яет решать
«тактические» задачи (ускорители и заУiсдm1тсли твердения, противоморозныс до­
бавки), не улучшая коне'-lных свойств бетона..
Супсрпластификаторы являются добавками широкого спектра действия. Они
наиболее эффективны при высоких расходах цемента. Два главных эффекта, дости­
гаемых при их применении: это получение качественных высокоподвижных или
J1итых t;месt:й или бетонов с высокими техническими <.:вuй<.:твами. Это и аро'-lность,
значительно пре в. ышающая марку цеr.rента, и высокие плотность и долговечность.
Минеральные J(обанки, напротин, эффе1<тинны при низких и R меньптей
t.:тt:пени при средних расходах цемента.. Они улучшают комннекс свойств бе­
тонной смеси и затвердевшего бетона, 11,rожно сказать, позволяют получать бе­
тон более высокого качества при пониженных расходах цемента.
Граничным, разделяющим области приУiенения суперпластификаторов и ми­
нералf>ных лобаRОТ< можно ориентпроRочно считаТh расхо!( т,емента nopsr!(Кa 3003 5U кг/м.) . Обычная практика получения бетонов различной прочности на цементе
одной марки (класса), рсализусУiая при их производстве, приводит к весьма различ­
3
ноr.[у содер)капиrо цемента, от 200 до 500 кг/м бетона. II если средние pacxoдLI
цемента близки к оптимальным, то бетоны как с низкиУiи, так и с высоки1'>rи его
расхол:ами обла.п;ают опре!(еленm,1ми нелостатками.
При низкоr-1 содержании цемента в бетонной смеси имеет место дефицит дис­
персных частиц. Она подвержена расслоению, в результате чего, кроме обычной
микропористости, в бетоне появляются более крупные седиментационные поры.
Кроме того, плотностf> и прочностf> R нсрхнсм слое бетона понижается. RRс71снис R
3
такую смесь минеральных добавок позволяет устранить их расслоение, улучшить
удобообрабатываемость бетонной смеси и существенно повысить качество бетонов.
При высоком содержании цемента (более 400 кr/J\.r') растет водопотребность
бетuннuй смеси, чтu вынуж,цае-г для сuх.ршн:ния В/Ц дuпuлнитеньнu увеличивать
расход uerv1eнтa. Это приводит к значительному повышению в таких бетонах объема
пементного Т<амня. Особенно суп�естRенно Rозрастает он R ЛRух случаях: при полу­
чении высuкuпuдвижных и литых смесей, чтu требуе-r их uчень вы<.:uкuгu вuдuсu­
дсржания, и при попытках получить бетон с прочностью, превышающей �арку це­
мента (приходится назначать его расходьr, превышаrощие 500 кг/м3 ). Эффектив­
ность использования цеь,1ентов при этоJ\.1 снижается, а качество бетона ухудшается.
Их тнср,п:снис соrтрОRОЖ;'(астся значwrсЛЬНhТМ ТСППОRЫ,r(СЛСАИСМ и RОЗМОЖНЫМ обра­
зованием термичесюrх трещин. Гlри высьrхании такие бетоны имеют высокую усад­
ку и повышенную вероятность возникновения усадочных трещин.
Введение в бетопьr с большим содер)I<аrrием цемента суперпластификатороn
позволяет либо существенно сократить расход воды, либо пластифицировать смесь
без унеличения ее количестRа. Расхо1'(ЬТ r,е11,1ента и объем 1\е:-.1ентноrо камня при
этuм uстают<.:я в разумных uреденах.
Такиь,1 образом, применение минеральных добавок 1,ши суперпластификаторов
позволяет получить качественные бетоны независимо от расхода цемента в них.
Но бетоны с суперпластификатора:ми или rvшнеральными добавками :могут
иметь и некоторые недостатки. Самый существенный из них - пониженная морозо­
стойкость. :)тот недостаток присущ и обычным бетонам.
Радикально повысить морозостойкость бетона можно введением воздухово­
влекающих добавок. Без них бетон сегодня вряд ли успешно приrv1енялся бы в доро­
гах и мuстах, нефтяных пJ1атфuрмах и других <.:11еЩ1альных <.:uuружениях, нuдвер­
гающихся действию мороза. Введение воздухововлскающих добавок в бетоны с
су11ер11ластификатuра.\1И ИJlИ минераJIЬНЬL\1И дuбавками uбесне•-ншае-г им высuкую
морозостойкость. Таким образом, воздухововлекающие добавки позволяют суще­
ственнu расширить uбJ1асть уснешнuгu арименения <.:упернластификатuрuв и мине­
ральных добавок.
Но и н обhтчных бетонах, эксттлуатируемhтх н нарумнhтх услониях, применение
воздухововлекающих добавок является обычно необходимым для обеспечения их
долговечности.
Добавкам в бетон посnящепо как огромное количестnо статей, так и ряд :моно­
графий. В предлагае:\1ом издании акцент сделан не на описание многочисленных
разнони,п:ностей ,п:обаRок, а на их эффектhт R бетонах, принт�ипы применения, сной­
ства бетонов с добавками. Рассматривается совместимость добавок с цементами,
причем не только реологическая, но и прочностная. Большое вниJ\.1ание уделено
пазпачепи10 их оптималь1IL1х дозировок и определеrnпо cocтanon бетопоn с добав­
ками.
Рассмотрение этих RoпpocoR преТ(Rаряется сжатьтм изложением оснон бетоно­
ведения: uснuвных закuнuмернu<.:тей и свойств ю1ассическuгu (бездuбавuчнuгu)
бетона. Дальнейшее рассJ\.1отрснис свойств бетонов с добавками также базируется
На И<.:llUJlЬЗUBaHИИ этих Jакuнuмернuстей.
4
Подготовленный читатель может пропустить этот вводный раздел (классичс­
сюп1: бетон), тем более ч то в дальнейшем делаются необходимые ссьшки на его
материалы.
В 11рещ1ал:tемuм нuсuбии мuжнu выделить два аснекта: uснuвнuй - uриентирu­
ванное на практических работников расс�rотрение основных вопросов технологии
бетона с л:обанками, а также обеуж�ение ря�а научных ноттроеоR, нкmочаюп�:ее как
и3лuжение ре3ультатuв дuстунных исследuваний, так и au BU3-"1UЖHUL:TИ их аншнu.
Поэтому издание может представлять интерес в первую очередь для инжс­
перно-теюпfЧеских работникоn, запимmощихся произnодстnом бетона и конструк­
ций из него, а часть ��атериала - и для научных работников. Оно может быть полез­
ньтм ,тmя стулснтов и аспирантоR строительного напранления.
5
1. КЛАССИЧЕСКИЙ БЕТОН
Тяжелый (обычный) бетон - двухко�mонентный материал, сосrпоящий из
плотных заполнителей и пористого цементного ка.,ння. }lстория бетона насчитьmа­
ет несколько т11сяч лет, и n отличие от соnременпого бетона с добаnками его мо>rсно
назвать классическим.
Бетон получают в результате затвсрдсваm1я бетонной с:мсси, состоящей из за­
поJшитеJ1ей, цемента и воды. Пut.:ледние два компонента обрё:Uуют цементное тесто,
которое придает бетонной смеси пластические свойства, а также обеспечивает ее
тнер,т�;ение, трансформируясь
R
п:е1'-rентный камень. Объем 1�ементного камня
R
бе­
тоне составляет обычно 250 - 350 л/м • объем заполнителей- соответственно 750 650 л/м3 .
3
Количество воды на�на 1 1аетt.:я и� условия нодвижноt.:ти бетонной t.:меси. Оно
составляет обычно 40 - 70% от массы uемента и является значительно большим,
чем требуется для химических реакций с цементом (примерно 15%). I-Iзб11точпая
вода остается в свободном состоянии и образует в цементном камне значительное
количество пор.
Коl\-111оненты �атвердевшеJ"О бетона неравноценны. СнаGейшим ю них являет­
ся пористый цементный камень, который и определяет свойства бетона. Заполните­
ли таю1<е оказ11nаrот па пих определенное влияпие, по при достаточном качестве
(соответствии стандартам) их роль гораздо менее значительна, чем цементного
камня. Так, при прочности обычных заполнителей 80 - 120 МПа и более (кварце­
вый песок - порядка 1000 МПа) прочность обычных бетонов составляет 20 - 50
МПа. Опа определяется прочностr.rо цементного 1<ампя.
1.1.
lVfатер11а.,ы для бетона
1.1.1. Портландцемент
11ортландце:мент является основным видом вяжущего, при�1еняемым для бе­
тона, F,го получают обжиrо1'-f смеси глины и изнестняка, R результате чего образу­
ютt.:я иt.:кусственные минtраJ1ы, t.:лагающие нродукт uбжигс:1. - клинкер. Для нолуче­
ния портландце�1ента его размалывают с добавлением гипсового кал,�ня, а часто и
атапиаиых мииералыеых добавот(.
Портландце:мент состоит в основном из клинкерных минералов. Это:
- трсхкалhт(исный силикат (алит) 3Ca0·Si0 2 (C 3 S);
- двухкальциевьlЙ t.:ИJJИKal' (белит) 2CaO·Si02 (C2S);
- трехкальциевый алюминат (алюминат) ЗСаО·,l\.120 3 (С3А);
- четырехкалr.циеnый аmо:моферрит (ал1омоферрит) 4CaO·Al 2 03 ·Fe2 03 (C4AF).
В скобках приведены сокращенные названия и обозначения минералов.
Основным является алит (содержание до 60 - 65%), остальные минералы со­
держатся в значительно _,1еньших количествах. Содtржание силикатов составляет в
среднем примерно 75%, поэтоуfу' были предложения называть портландцемент си­
J1икатным цеI-,1ентом .
Зерна цемента имеют размеры от l до 100 мкм, преимущественно 5 - 40 �к.\1.
Его тонкость помола принято характеризовать удельной новерхностью зtрен. Она.
6
.,
-
,.,
колеблется от примерно 3000 см�/г для ооычных цементов до 4000 - 4500 сь,r"/г для
тонкомолотых цементов с высокой прочностью. На всей этой поверхности, дости­
гающей почти 0,5 м 2/г цемента, при твердении происходят реакции между минера­
Jlа.ми Цe.\1t:HTi:i и вuдuй.
В нашей стране действуют два стандарта на портландцемент: старый, преду­
сматрJ-mаюпr,ий л:еление Т(емента на мар1.·u [9], и ноньтй, исттоль.зуютций 1-:п.ассы Т(е­
мента. [14]. Прuизвuдитени цемента. с::tми uнреде.ляюг, нu к::tкuму ст::tнда.рту выпус­
кать его. Сегодня большинство из них производят портландuсмснт по ГОСТ 31108.
В отличие от марки цемента, определяемой в цемептпо-песчапом растворе со­
става 1 : 3 при В/Ц = 0,4 на однофракционном песке, класс цемента определяется на
растRорс того же состаRа, но при R/J' = 0,5 и при испоm.зоRании ттолифракт(ионноrо
песка. Образцы - балочки 4х4х16 мм твердеют после распалубки в воде при 20°с и
испытываются в 28-дневном возрасте. Получаемая при этом прочность носит
пазвапие а1апивпости Це,А,tе11та, по пей устанавливается марка или класс. Стапдартr,1
предусматривают марки портландцемента 400, 500, 550 и 600 (численнь1е значения
сооТRетстнуют гарантироRанной прочности н кrc/c1'i) и классы 32,5; 42,5 и 52,5
(нрuчнuсть - в f\1П::t).
В связи с различнь111,1и методиками испытаний установить однозначную связь
между этими показателя�1и не представляется возможным. Ориентировочно можно
считать, что класс 32,5 приl\irерно соответствует марке 400, 42,5 - марке 500 и 52,5 марке 600.
ГОСТ 31108 нормирует также прочность цемента в 2-дневном возрасте, при­
чем на достаточно высоком уровне. По ее величине цементы делятся на нормаль­
нотвердеющие (II) и быстротвердеющие (Б). Так, ЦЕМ 42,511 должен иметь 2дневную прu'-lность > lO МП::t, ЦЕМ 42,SБ > 20 МП::t, ЦЕ1v1 52,5 Б > 30 МПа.
По ве�чес1пвенно.му составу цементы подразделяются на клинкерные и с ми­
нерш1ьными дuбавк::tми, сuuтветственнu н::tзыв::tеl\-1ые ПU(УТJJ::tндцемент и нuртл<iнд­
цемент с акrивной минеральной добавкой (при ее содержании до 20%). При боль­
шем сuдерж::tнии минера.льнuй дuб<iвки нuлу'-lюuт пуцuuна.нuвый 11uртJ1а.ндцемент, а.
доменного гранулированного шлака - шлакопортландцемент.
По ГОСТ 31108 классифпкат(ия ,,ементон тто Rеп1естRенному состаRу более
детализирована. Выделено пять групп цементов:
ЦЕf\1 I - портландцемент;
ЦЕf\1 П - портландцемент с мипералr,пr,1ми добавками (пуццолана, зола­
уноса, ь,rикрокремнезем, шлак и др. - до 20%). Обозначение: группа.� (например,
T1FM ТТ/А-3: с золой уноса; т,RТVf ТТ/А-ПТ: со тплаком). Пре!(усh-rотрена и лобанка
шлака 21 - 35% (ЦЕМ 11/В-Ш);
ЦЕf\1 III - шлакопортландцемент (36 - 65% шлака);
ЦЕl\1 IV -пуццолаповr,1й портландцемент (2l -35% мипералr,пой добавки);
ЦЕf\1 V - композиционный цеl\irент (включает две добавки: шлак+ зола-унос;
r<аЖ!(ОЙ J(O 30%).
Стан.L1.а.ртны1\1и свuйств::tl\-lИ цемента. являются т::tкже нормальная густоrпа це­
_ментного тес111а (количество воды, необходимое для получения теста определен­
ной 1u1::tсти L 1нuсти), сроки схватывания (нa.'-l::tJJU С.'tватыв::tния цемента. определяет
время жизни бетонной смеси), а также равно.мерность 11.з.м.ененuя объема цeJvteн111a
при твердении.
7
1.1.2. За110J1нитеJ1и
Заполнители делятся на крунный - грi:iвий ини щебень с рi:1:.н,1ерi:1.\1И 5 - 70 (80)
:мм и мелкий - песок с размерами зерен О, 16 - 5 мм.
ОсноRнF.1е сRойсТRа заполнителей, нормиронаннF>1е етанлартом [13]: проч­
ность, крунность и Jерновой состав, допустимое содержание примесей.
Прочнос11�ь заполни11�елей должна в 1,5 - 2 раза превышать прочность бето­
на. Так каr< uеt.1ептпь1й камень является самым дopormvr коt.rпопентом бетона, его
прочность нужно использовать полностью (бетон должен разрушаться по цемент­
ноh-rу камню), что и л;остиrастся при ПОRF>птrснной прочности заполнителей. Кроме
того, заполнители высокой прочности оказывают упрочняющее действие на це­
ментный камень, что дает повышение прочности бетона до 20%.
Требоваиия 1( зериово.uу составу и 1<.pyn11ocmu заполиителей определяrотся
стремлением иметь :минимальный расход цемента в бетоне. Поэтому пустотность
заполнителей, заполняемая 1�ементнF>1м тестом, и их поRерхность, смазF>rnаемая им,
донжны быть мини.\1альными. Следует отметить. что тги требовi:iния нротиворечi:iт
одно другому: если все зерна будут крупными (что дает минимальную пове .р хность
заполнителей), между ними будет много пустот, а при заполнении их все более
:мелки:ми зернами увеличивается поверхность заполнителей. Поэтому приходится
принимать компромиссное решение: заполнитеm1 должны бь1ть по возt.1ожности
крупными, но при это11,1 содержать и достаточное количество зерен более мелких
раз�1еров для заполнения пустот.
l{ру-пный заполнитель характеризуется наиболыией крупнос111ъю (НК). Она
может COCTi:iBJlЯTЬ 10, 20, 40 и 70 (80) мм и выбирi:iется в зависимости от р�меров
конструкции. Для получения минимальной пустотности предусмотрено применение
фрi:iкционировi:iнногu запоннитеня, в виде фракций 5 - 10, 10 - 20, 20 - 40, 40 - 70
:мм. При выбранной III( заполнителя фракции ну-жных раз11,1еров смешиваются в
оптимальном соотношении, укаJанном в стандарте [13].
Крупность песка характеризуется JWО�ле.м крупнос,пи (Лtfк). Так как предель­
нь1е размерF.1 песка фиксироRаньr (О, 16 - 5 мм), мо,луm. 1<руттности расечитF>тнается
по содержанию зерен разных размеров. Чем крупнее фракция песка, тем с большим
коэффициентом она учитывается при расчете Мк. Поэтому чем он больше, тем вы­
ше содер,1<апие в песке зерен круппLIХ размероn.
По стандарту Мк песка должен быть в пределах от 2 до 3 ,25 (учитьmая име­
юп1уюся сырьеRую базу, допускается применение ттескон с Мк = 1,5-2). При боль­
шей крупности песка возрастает его пустотность, при меньшей - существенно уве­
личивается удельная поверхность. В обоих случаях увеличивается расход цемента в
бетопе.
Пptutecu. В заполн�пелях могут присутствовать различные вредные примеси.
Это nътлемтые и глинистьrе, органичес1<ие примеси, различньrе хиh-rnчеекие сое,п:и­
нения: i:iмuрфный кремнезем, сернистые и сернuкислые соединения, ионы xнopi:i и
др. Пылсватые и глинистые примеси повышают водопотрсбность бетонной смеси,
органичесю1е могуг Зi:i.\1еднять твердение цемента, другие uримеси могут вьвывi:iть
коррозию бетона и арматуры в нем. Поэтому их допустимое содержание нормиру­
ется стi:iндартом [13].
8
Применение заполнителей повышенного качества: прочных, чистых (промы­
тых), имеющих оптимальный зерновой состав (фракционированных) позволяет не
только сю1зить расход цемента в бетоне, но и существенно повысить его качество.
1.2. Бетонная смесь
Бетонная смесь образуется при смсптиRании т�смснта, RОТ(ЬТ, песка и крупного
зш1uлнителя. Этu нро.межутuчнut: (технuлuгичеt:кuе) t:uстояние бетонс:t cu «временt:м
жизни» не более 1 - 2 ч, но состав и свойства бетонной смеси в основном опреде­
ля1от качестnо получаемого бетона (дополпитеЛLное плияние 01<азr,1паrот услоnия
твердения).
Бетонная смесь является сложной трехфазной систс:мой, вк11ючающсй
твердые частицы (заполнители и цемент),
жидкую фазу: воду и растворенные в ней
:
вещества, а также некоторое коm1Чество воздуха. Он «защеivшяется» в пустотах
тnердьrх частиц n процессе образования смеси, а та101<:е дополнительно nовлекается
при перемешивании.
Rола н бетонной смеси нахолится R осноRном R сRобоJ(ном состоянии, но не­
котuрс:tя чс:tсть et: адсорбируе"zся нс:t пuверХНU(.;ТЯХ цемента, зс:tнолнителей и вuзникс:t­
ющих при реакциях цемента с водой продуктах его гидратации.
Адсорб1(ией называется повышение конпентрации вещества на поверхности
раздела фаз по сравнению с его содержанием в объеме. Для бетонной смеси
наибольшее значение имеет адсорбция nоды па поверхности тпердых частиц. Опа
объясняется тем, что на поверхностях твердых тел действуют силь1 межмолекуляр­
ного нритяжения. Рс:tt:стuяние их действия uчень мапu - рс:tспрut:траняется на не­
сколько слоев Ivrолекул, - но величина весьма значительна. Поэтому твердые по­
верхнuсти притягивс:tют к (.;t:Ge разли•1ные молекулы, c:t также сверхмелкиt: fа(.;'1·ицы,
например, Rf>ТСОКОДИСПсрсную Пf>TJТf>.
E(.;JIИ твердс:tя чс:tстица находится в воде, концентрация молекул вuды на ее но­
верхности повышается. Хотя вода практически несжимаема, действующие силы
насто.rтf>ко Rелики, что ее мо.rтеку.rтf>т притяrинаются к поRерхности тнерлых частит( и
«упаковьmаются» более плотно.
Особенно сильно уплотненными являются первые два - три слоя молекул во­
цы. Они нерехuдят в uстеклuванное («uсевдотвердuе») сuстuяние. Плuтнuсть вuды в
этих слоях возрастает до полутора раз. Она приобретает упругость и некоторую
прочностr,, температура ее замерзания станопится IПl)I<e -70 ° С. Последу�ощие слои
воды по мере удаления от твердой поверхности изменяют свои свойства все в
меньшей степени. Общее коm-Iчсство таких «рыхлосвязанных» слоев воды достига­
ет 30-40.
<<Оболочки» из адсорбированной воды вокруг твердых часmц контактируют
меж,Г(у собой, сознаRая ттространстRенную структуру. f;лагонаря ей, бетонная смесf.
приобретает внутреннюю связность, а твердые частицы разных размеров удержи­
ваются равномерно распределенными в ней.
Рuнь •1с1стиц в (.;UJдс:tнии связнut.:ти бетuннuй смt:(.;И вuзрс:tстс:tет нри уменьше­
нии их размеров, т.к. :мелкие частицы имеют большую поверхность и адсорбируют
новышенное KUJlИЧt:cтвu воды. Решс:tющt:е знс:tчt:ние имеют зерна цемента и осuбt:н­
но продукты их гидратации, адсорбирующие наибольшее количество воды, опрсдс1
9
ленное влияние оказывают мелкие фракции песка. В то же время рост водосодср­
жания ра3общает -!астицы и уменьшает степень связности бетонной смеси. Это
может приводить к оседанию твердых частиц под действием сил тяжести и пере­
1
мещепшо воды в nерхпие слои бетонной смеси (т.е. расслоеrппо).
С момента образования бетонной смеси начинаются реакции ]\,[Инералов це­
мента с ROJ(OЙ. Rола СRЯЗЬJRается химически, но етце больтпее ее количестRо аJ(сор­
Gируется на ненрерывно обра.Зующихся микро'-!асти•-LКах - продуктах ги дратации
цемента. :>то и приводит к постепенно:му загустеванию смеси. В то же вре]\,IЯ до
момента формования бетонная смесь должна обладать необходимой удобоуклады­
ваемостью.
R итоге ОСНОRНЫМИ СRОЙСТRами бетонной смеси ЯRЛЯЮТСЯ:
- удобоую1адь1ваемость;
- нерасслаивае1vrость;
- сохраняемость удобоуrсладr.rnаемости.
1.2.1. Удобоукладываемость бетонной смеси
Ее
Удобоукладываемость является важнейшей характерисп1кой бетонной смеси.
MO)I<IIO
определит1 как способность смеси под действием сил11 тmкести (соб­
ственной массы) или внешних воздействий (например, вибрации) растекаться и
припимат1 задаппу10 форму. Одновременно бетонная СJ1,,1есь дол)кпа уплотняться,
выделяя часть содержавшегося в ней воздуха, и при этом сохранять однородность:
равномерное распределение компонентов в объеме смеси.
По удобоукладываемости бетонные смеси делятся на подвижные и жестю1е.
Определение вида смеси и ее подв1пкпости производится при помощи стапдартпого
конуса [11]. Он заполняется бетонной смесью (с уплотнением), а затем снимается.
ЕсJ1и смесь 11ри этом сохраняет форму, она является жесткой, а если деформируется
(оседает), то подвижной (рис. l .1).
-----r--- .,..... ..,,,,-;... --------- -----ок
30см
.....
•·-�.,��
.•...... . ·:.�
·-t
с • ·.·r
!• о •:�
•••�.>v- • •-��v:,i
••
-�.
.i •••
'!'.-..�-
Конус
ок
•:.. ,,.
� ...,
• •:,·,
Жесткая смесь Подвюкная смесь
РК
Литая смесь
Рис 1.1. Определенпе вида 11 подвижности бетонной смеси
при помощи стандартного конуса (3)
Жесткие бетонные смеси содержат меньше воды и соответственно це1vrента.
Но ,п;ля них требуется Rысокая интенсинность уплотнения (Rиброплоп,алки, Rибро­
прессование и т.д.). Сегодня в большинстве случаев при1-rеняются более легкоукла­
,Г(ЫRаемые тто!(Rижные смеси.
10
Мерой подвижности бетонной смеси является величина осадки конуса (ОК).
Гlодвижные смеси делятся на пять марок (табл. l .1 ).
Ta6Ju1цi:i 1.1
Nlapкa
ПО ПОДDЮIСПОСТИ
Пl
112
ТТЗ
П4
П5
lVI арки бетоннои смесп по подвижности 171
Подвижность, см
осалка конуса
расттльrв конуса
-
l-4
5-9
10-15
16-20
21 и более
-
-
26-30
31 и более
Для высокоподвижных и литых смесей с ОК > 16 - 20 см нредусмотрено так­
же определение расnлыва конуса (растекаемости смеси). Он лучше характеризует
формоnочпь1е сnойстnа лить�х смесей и особеппо самоуплотпя1ощихся бетопоn.
Для оценки жесткости бетонной смеси применяют вибрацию, приче�1 извест­
но несколько методов [1,2]. Стандартным является показатель жесткости по Всбс:
время, необходимое для растексtНия конусс1 вибрируемой с�1еси в приборе Вебе,
представляющем собой цилиндр с пригрузочным диском [11].
Незс1висимо от uодвижнuсти или жесткости удобоуклаL1ываемЮI бетонна.Я
смесь должна быть пластичной.
Пластичность - снuсобность смеси деформиров,rться без нс1рушений слит­
ности (образования разрывов и трещин) и разделения на составляющие. Благодаря
этому бетонная смесь прин.имс1е--r при формов<1Нии требуе.\1ую форму, сохрс1няя ари
этом одноро,rсность и слитность строения.
ll ластичность бетонной с�1еси обеспечивается при правильноfl.1 назначении
состава бетона и достаточно:\1 содержании в ней дисперсных частиц (цемент, тонкие
фракции несКа, минераJ1ьные добс1вки).
Еще одной характеристикой бетонной с:\iеси является т11ксоп1ро11пос111ь. :::>то
способность бетонной с11еси при :механических nоздейстnиях (папри1v1ер, nибрацш1)
разжижаться, а после их прекращения вновь восстанавливать вязкость. Твердые
частJ,п,ы смеси при вибраr,ии приходят R колебания, с болыпой частотой смеrn:аются
цруг относительно другсt и теряют адсорGировсtнную воду. Пс:рехuдя в свободное
состояние, она разжижает бетонную смесь. После прекращения вибрации частицы
внонь сорбируют ROJ(Y и вязкость смеси восстанавлиRается.
Влияние состава смеси на удобоукладываемость
Важным аспеr..-то:м технологии бетона является получение бетонных cl\lreceй
требуемой удобоукладыnае:мости. Опо достигается регулированием состаnа смеси.
(,'остав сл�еси вы,ражае,пся расходал1и .маrперzшлов, необходимы.ми для полу­
чения 1 oit3 беп�онной Сонеси. «Модельным>� янляется преТ1станление о бетонной c1vre­
cи как частицах заполнителей, покрытых слоем цементного теста, вьmолняющего
роль смазки. Чем толrпе слой с11.1азки и ниже ее вязкость, тем Rьmre будет подRиж­
ность бетонной смеси.
11
Расход воды - основной фактор, определяющий подвижность с11,1сси. С ростом
ее содержания объем теста увеличивается, а его вязкость снижается. Оба фаь.-тора
способствуют повышению подвижности бетонной смеси.
Ксt•1ество бетонной смеси и бетонсt тем выше, чем ниже расход воды при 1пой
же подвижнос,пи с.л�еси. Поэтому еще одной характеристикой бетонной смеси яв­
ляется ее водопотребность - количестRо ною,1, обеспечияаюп,ее опре!(еленную
удобоую1сtдывсtемость. Она существенно зависит от применяемых зсt110Jшитеней, их
крупности, пустотности, чистоты, а также формы и степени шероховатости зерен.
Чем ПИ)Ке nодопотребпост1 бетоrпrой смеси, тем DLIШe - при прочих panпLIX усло­
виях - качество бетона.
Рост расхо!(а r,смснта у-же ттон�:,ппаст нязкость r,смснтноrо теста. Но при этом
увеличивается и объем теста. Гlо-видимому, эти факторы взаимно ко1mенсируются.
В итоге изменение расхода цемента от 200 до 400 кг/м3 бетонной crv1ecи не влияет на
ее подDИ)I<11ость. Эта очеп1 nюr<пая для практики зависимость n11рахсается правилом
поспzоянсrпва водопо,пребнос,пи: подвижносп,ь бе,понной смеси на 1zос1поянных
.:пап�ериа.п.ах зависипr. только от расхода воды.
БJ1агuдаря этой законurv1ернuсти кuличествu воды, uбесаечивающее нужную
подвижность бетонной crv1ecи, можно назначать, не зная расходов других материа­
лов. Это упрощает подбор состава бетона.
При увеличении расхода цемента свыше 400 кг/м3 (т.е. при Ц/В > 2,2 - 2,5)
это правило уже не действует и водопотребность бетонной смеси возрастает. По­
этому применение в бетоне высоких расходов цемента ( особенно более 450-500
I<Г/м3) является нежелательным.
Заполнители дополняют объе�ы воды и цемента в бетонной смеси до 1 м3 .
Пuэтul\<1у изменение их кuли Liества вuзмuжнu либu за с11ет расхода воды, нибu це­
мента с соотвстствующи�и рассмотренными выше эффектами. Но остается еще
сuuтношение между �-.1Jу11ным и мелким запuннителяJ1.ш. Онu uбuзна Liается uбы LIHO
как доля песка ( 1·) - его относительное содержание в смеси заполнителей:
п
r=п
+щ
Это еще один фактор, влияющий на свойства бетонной смеси.
Песок выполняет в бетонной смеси две важных функции. Во-первых, он за­
полняет пустоты между зернами крупного заполю1теля, причем с некоторой их
раздвижкой. 'Jто обеспечивает скольжение зерен заполните.лей друг относительно
друга и, следоnательпо, удобоукладыnаемост1 бетоппой смеси. Во-nторых, количе­
ство песка должно быть достаточным, чтобы придать растворной составляющей
бетонной смеси опре,r�:еленную нязкость, у!(ержияаюrпую крупнъ1й заполнwrел�:, от
uседс:1ния.
При низком содержании песка превалирует положительная роль раздвижки
зерен крупного заполнителя. После лоетижения ее оrrrималън�:,rх значений при
дальнейшем увеm1чении доли песка начинает сказываться отрицательная роль роста
вязкости растворной составляющей. В итоге существует оmималъная доля песка,
при которой бетонная смесь имеет наибольшую подвижность при данных расходах
воды и цемента (рис. 1.2).
12
10
8
б
4
2
о
0,35
0.45
0,4
Доля песиа
Р,н:. 1.2. В:1ияние доли песка на подвижность бетонной смеси.
Расход це'1ента 300 кr/м3 бетона
Соотношение между мелки�� и крупным заполнителями влияет и на стойкость
бетонной смеси к расслоению. Обьrчно l(ОЛЯ песка назначается по се наиболь1пей
нодвижности. Есни сравнивать равнонодвижные б�гонные смеси с разли•1ной доней
песка, то ее оптимальное значение обеспечивает минимальный расход це��ента. Но
если таr<ая смесr. отделяет nоду, расход песка приходится поnr.rшать по получения
нерасслаиваемой бетонной с��еси_, компенсируя происходяшее при этом снижение
подвижносm некоторым увеличением расходов воды и цемента.
«За.1ущающее» действие на растворную L:ос·л:1.вляющую оказыва.ет не только
песок, но и етце R больптей с-гепени т�емент. Поэтому оптимальный pacxol( песка
снижается при увеличении количества цемента в бетоне.
На оснонании этих закономерностей, а также занисимости прочности бетона
от В/Ц, рассмотренной далее, назначают состав бетонной смеси. Расход воды в ней
составляет об1rчно примерно 150-200 кг/м3 , цемента 200-500 кг/:м3 , щебня 11001200 кг/м-' . Содержание песка уменьшается при росте количества цемента с 800 до
500 кr/м3 .
Влиян11е характерист11к материалов на удобоукладываемость
Характеристики материалов, прежде всего заполнителей, оказывают большое
nлияпие па удобоукладыnаемостr. бетонной смеси. С ростом крупности заполните­
лей удельная поверхность зерен снижается, толщина слоя цементного теста на них
унеличинается и ТТО!(Rwмность смеси нозрастает. Опреяеленное нлияние на уl(обо­
укладываt::мость бетонной смеси uка.Зываt::т и форма. :3ерен занолнителей. Предно­
чтительны шаровидные зерна или зерна кубообразной формы. При повышении их
уrлонатости у[(ельная понерхность и пустотность заполнителя унеm.Учинаются, и
количество цементного теста, тpeбyervroe для сохранения удобоукладываемости
бетонной смеси, возрастает. Наименее желательны зерна лсщадной и пластинчатой
формы. Влияет на удобоукла.дываемо(.,�Ъ (или вuдонотребность) бетонной смt:,си и
степень шероховатости зерен. При переходе от гравия к щебню водопотребность
смеси поnr.rшается.
Важное значение имеет зерновой состав заполнителей. Оптимальный зерно­
вой состав обеспечfmает минимальную пустотность. Мелкие зерна располагаются
между более крупными, вытесняя цементное тесто из пустот, что увеличивает тол-
13
щину смазки и подвижность бетонной смеси или позволяет снизить расходы воды и
цементсt.
Пылевидные и глинистые частицы, содержащиеся в заполнителях, имеют
оченr, большуrо удельнуrо поверхность. Опи требуrот зпачительпого количестnа
воды для смачивания, что уменьшает подвижность бетонной смеси. Для ее сохра­
нения потребуется болJ.тпий расхо!( ROJ(ЬT, а J(ЛЯ обеспечения прочности - и поRы­
шение pctcxuдct цемента.
Влияние качества пемента на подвижность бетонной смеси связано с его
нормальной густотой. При ее повышенm1 вязкость цементного теста увеличивается,
а подвижность с��еси уменьшается.
Л:сйСТRИС RCCX фактороR, снижаюТТ(ИХ ТТО!(RИЖНОСТh бс'ГОННОЙ С�1ССИ, на прак­
тике нрихuдится кuмненсирова.ть добавксtми воды. По::,тому иначе говорят, '!ТО uни
повышают водопотребность бетонной смеси.
Графики водопотребиости (или водосодер:псаиия) устапаnлJmаrот зависи­
мость :между удобоукладьmаемостью бетонной смеси и требуе��ым для ее получе­
ния RО!(осодержанием. Они учитJ.mают Rлияние характеристик заполm,телей. Лля
нодвижных смесей тсtкuй график нредс1<1wн::н на. рис. 1.3. Он нuзволяет нu требуе­
мой подвижности и характеристикам заполнителей находить ориентировочный
расход noдr,1 при подборе состава бетона.
240
м 230
f
220
210
� 200
m 190
180
170
160
150
140
130
�
"
;8'
о
5
10
15
20
ПОДВИЖНОС1Ь смес11, СМ
Рис. 1.3. Водосодержание uе·1·онной смеси в зависнl\>1остu от подвижности.
Песок средней круоносm и щебень с наибольшей крJпностr.ю: 1 - 1 О мм; 2 - 20 1\-IM;
3 - 40 мм; 4 - 80 мм. При применении гравия расход воды уменьшается на 10 кг/м3
1.2.2. Расслоение бетонной с!\1сси
В бетонной смеси связи :между компонснта�m являются достаточно слабыl\,Ш.
Гlоэто1�у твердые частицы могут под действием силы тяжести оседать, а вода вы­
тесняться в верхние слои смеси и на ее поверхность.
Величина расслоения бетонной с11еси заnисит от ее подn�пкности. В >I<естких
смесях оболочки адсорбированной воды вокруг твердых частиц контактируют меж­
ду собой, обеспечпRая снязность смеси и ее о!(норо1{ность. Но лополнительная ROJ(a,
введенная для повышения подвижности, разобщает твердые частrщы. Это приводит
к их осе,r(анию и от!(елению RОТ(ЬТ на поRерхноС'ГИ смеси. Проr�ессы расслоения тем
более значительны, чем выше подвижность (водосодержание) смеси.
14
Наибольшую скорость оседания имеют крупные заполнители. Но оно :может
прекращаться из-за образования в бетонной смеси «сводов» из зерен различных
раз:\1еров. В то же время в растворной составляющей продолжается медленная се­
ДИf\.1ент<iция мелких зерен песка и uемента.
Вода - са:мьп1: легкий: компонент бетонной смеси - поднимается вверх и от­
слаинается на ее ттонерхности. Оrлеление ROJ(Ы янляется наиболее наrлялнf>тм про­
явлением расслuения. При этuм верхний слuй с.меси также uбuл:1щается водuй, а.
после затвердевания является более пористы:\1 и менее прочным. Допустимая всли­
чmrа nодоотделепия (виешиего расслоения) бетонной смеси нормируется ГОСТ [7].
Кроме внешнего, существует и вну,преннее расслоение бетонной смеси. Оно
нкmочаст нссколf>ко ттрот�сссон. Это осснанис зерен крупного заполнителя, R ре­
зультате чего их содержание уменьшается в верхней и увеличивается - в нижней
части отформованной бетонной смеси. Происходит также оседание частиц uемента
и песка. Кроме того, пия<Irие поnерхпости r<руппьrх запол1штелей задер)I<иnаrот пе­
ремещающуюся вверх воду. Поэтому слой раствора под заполнителями имеет по­
Rf>ттпенное RО}(ОСОJ(ержание и R/I�. При более значитеТТhном расслоении нона скап-
J1ивается пuд нижними пuверхнuстя.\111 за1н,лнителеи, чтu нривuдит к uоразuванию
V
�
при затвердевании бетона седиментационных пор. Их ширина достигает 0,1 мм, что
значительно превышает размеры капиллярных пор. Возникновение этих пор тем
более вероятно, чем крупнее зерна заполнителей и выше подвижность бетонной
смеси.
Расслоение замедляется, а затем и прекращается вследствие постепенного за­
густевания бетонной смеси.
Величина расслоения зависит от водосодержания бетонной смеси. Л{есткие
б�тuнные смеси не раL:слаиваются, а .мапuнuдвижные смеси �1aJ10 нuдвержены рас­
слоению. Для подвижных, а особенно высокоподвижных и литых смесей оно суще­
ственно усиливаетL:я. Играет рuль и В/Ц смеси, определяющее вязкость цементнuго
теста. При его уменьшении (увеличении расхода цемента) расслоение снижается
нри тuй же нuдвижнuсти смеси. Накuнец, пuвышение тuнкости пuмuJJa. цемента
приводит к его лучшей водоудерживающей способности и уменьшению расслоения
бетонной смеси.
Обычным критерием расслоения является водоотделение на поверхности сме­
си. Для бетонных смесей с подвижностью Пl - П2 количество отделившейся воды
пе доля(по преnышать 0,4%; при подnиж:ности ПЗ - П5 - 0,8% от объема смеси [7].
Для уменьшения или исключения расслоения применяется ряд прие:\1ов. Про­
стейптим из них янляется поньтптение доли песка R бетонной c1vrecи снерх отттималf>­
ной по подвижности. Идя на некоторый перерасход цемента, получают бетоны с
более однородной стру-ктурой и свойствами. Применение тонкомолотых цементов
тaror<e спи)r<ает расслоеrше смесей. Оптимальной считается удельная поnерхпост1
порядка 4000 см2/г. Приемами, существенно )'1'1еньшающи:ми, а иногда и полностью
устраняютп:ими расслоение бетонной смеси, ямяется RReJ(eниe но,п:опонижаюп(их
(ru1аL:тифицирующих), вuздухuвовлека.ющих. или минераJlЬНЫХ дuбавuк.
15
1.2.3. Сохраняемость удобоукладываемости бетонной с1иеси
Удобоукладывае:мость бетонной смеси с течением времени постепенно сни­
жс1.ется. Сuхрс1.няемuсть удuGuуклс1.дывс1.е_,1uсти смеси хс1.рс1.ктеризуется скuростью
этого процесса. Он определяет возможное время транспортирования, а также допу­
стимость и Rеличину ттерерьrRОR при уклмке бетонной смеси_
В тu же время интенсивность снижения подвижности бетонной t.:ме<.;н ве<.;ьмс1.
различна. Это зависит от состава смеси, се начальной консистенции, характеристик
uемепта, температурь� смеси и т.д. Ситуащ�я становится еще более неопределенной
при введении в бетонную смесь различных добавок. Это в первую очередь широко
rтримснясмьrс пластификаторы, которые моrут как уху�пrать, так и улучпrать сохра­
няемость бетонных смесей, а также ускорители твердения и другие добавки.
Сохраняе: мость удобоукладьmае: мости бетонной смеси определяют экспери­
ментально, фиксируя ее подВЮ[(Ностr. через определенные проме)1<ут1а1 времени.
Результат обычно выражают кривыl\1и потери подвижности бетонной смесью (при­
мер приRе7'ен �алее, на рис. 2.4).
Испuльзуются и количественные покс1.затеJ1и. Пu стс1.ндс1.рту сохраняемость ха­
рактеризуется временем, в течение которого подвижность бетонной смеси снижает­
ся на 6 см. Так, для начальной подвижности l 8 см конечная осадка конуса составит
12 см. Этот критерий предполагает линейное снижение подвижности смеси во вре­
мени. В ряде случаев оно может быть и нелинейным, поэтому кривые потери по­
движности смеси во времени являются, вероятно, более инфорl\1ативньпvm.
Показатель сохраняемости бетонной смеси не следует воспринимать букваль­
но (смесь пригодна для укладки в течение времени, характеризующего ее сохраняе­
мо<.;1ъ). Подвижнос1ъ смеси нри фор1\11ова.нии дuJIЖНа обе<.;печивс:1.ть ее качественное
уплотнение и1v1сющимися средствами. Поэтому целесообразно заказывать смесь с
требуемой нодвижно<.;тью на момент укладки. Тuгда пока:3атени <.;uхраняемости
будет использовать производитель, чтобы правильно определить начальную по­
движнuсть 11остс1вляе.\1ой бетонной С.\1еси.
1.3. Твердение бетона
Твердение бетона нред<.;'I'аВJIЯет собой <.;овокупнuсть физических и ХИ.\1иче­
ски:х процессов, протекающих при взаимодействии цемента и воды.
Xu,t1uчecl(ue про1(ессы при тверде11ии. С момента образования бетонной
смеси на поверхности зерен цемента начинаются процессы взаимодействия с водой
и се присоединения (гидратации) минералами цсl\1снта.
А.лит - uснuвной минераJI цемента, <.;одержащийся в нем в количе<.;'гве 50 65%. При его гидратации образуются гидросиликат и гидроксид кальция:
3Ca0·Si02 + 3Н2 0 � CaO·SiO·H20 (CSH) + 2Са(ОН) 2 .
Эти же продукты возникают и при гидратации бел1-па (2Ca0·Si02), но
Са(ОН)2 вьщслястся в l\rсньшсм количестве. Гuдроси.ли.кат кальция, образующийся
при гидратации аJ1итс1. и беru1та, является основны.1н J.tuн.ерало,и затвердевшего це­
,н.ентного камня, в наибольшей степени опреде л. яющим его технические свойства.
Кuличество гидрок<.:идс1. ка..11ьция к месячному возра(.,·гу сuстс1.в1�яет примерно
1 О - 15% от l\.raccы цементного камня. t.Iacтo используется его другое название -
16
известь (что нс совсем точно, т.к. известь - технический продукт). Са(ОН) 2 неводо­
стоек (его растворимость в воде ~1,2 г/л) и имеет небольшую прочность. Он оказы­
вает противоречивое влияние на различные свойства бетона (что будет рассмотрено
ниже).
Алюминат и алюмоферрит образуют при гидратации гидроалюминат
3Са0·А12 03 ·6Н20 (С3 АН6) и гиl\роферрит кальпия 3Ca0·Fez03 ·6H20 (C 3FH6). При
этuм а.J1юtvшнс1.т, хuтя и сuдержится в це1V1енте в небuльшuм кuличестве (5-15%,),
может оказывать заметное негативное влияние на ряд свойств бетона. Он увсm,rчи­
nает тепловыделение, спи)кает :морозостойкость бетона, яnляется <<nиповником»
сульфатной коррозии, уменьшает эффект�mность при:1\11енения пластификаторов в
бетоне. Поэтому R больтпоl\lr числе ситуат�ий т1слссообразно применение срс�нсалю­
минатных цементов (с содержанием С3А до 7-�%).
Скорость взаи.модейсп�вия .минералов це.менп�а с водой существенно различна.
Букnально с перnых секунд контакта зерен цемента с nодой пачипает гидратироnать
алюминат. Это может привести к быстрому схватыванию цементного теста. Для его
ттрелотнратт�еm,уя при помоле Т(емента ннолят гипсоньтй камень. R начальный период
твердения аJооминс1.т рес1.гирует с ним. Обра.3уются крунные кристс1.ллы гидросуль­
фоалюw1ината кальция 3CaO·AJ 2 O3·3CaSO4·31112O (C 3A·3CaSO4 ·II 31). Они закрьmа­
ют воде доступ к алюминату, что и замедляет начало схватывания цемента до жела­
тельной величины 2-3 ч.
Второй минерал по скорости гидратации - злит. Он наqинает взаимодейство­
вать с водой уже через 20 - 30 мин после затворения бетонной смеси. Гидрос1,шика­
ты кальция, образующиеся при этом, вносят основной вклад в набор ранней проq­
ности и вообще в твердение бетона в течение первого месяца.
Сс1.мым медленно твердеющим минерапом является белит. Он спосuбствует
набору прочности бетона в поздние сроки - до l года и более.
Вuдс1. 3с1.твuрения уже нри нригuтовнении бетuнной смеси нс1.сышс1.ется 1·идрuк­
сидом кальция и даже пересыщается им. Поэтому он выделяется в виде кристалли­
ков и оседс1.ет нс1. твердых нuверхностях (:х1пuлнителей). J,I в дальнейшем жидкая
фаза в цементном бетоне представляет собой раствор Са(ОН)2 и имеет высо�---ую
тцелоЧНОСТF, (рН = 12 - 13).
Образующиеся при гидратации: цемента минералы и слагают затвердевший
цементный камень. Они являются «клеящей>> матрипсй, связывающей заполнители
n бетонный монолит.
Ф1,з11ческие 11ро1�ессы, протекающие при твердею1и бетона, также достаточно
сложны. Продуктьт гил:ратат,ии, образуютт�иеся на понерхности т�ементных зерен,
обладают высокой дисперсностью, причем наиболее мелкие из них - гидросилика­
ты кальция. Они имеют форму волокон с субмикроскопическими пустотшm между
пи�m. ПоперечпL1й раз�ер гидросиликатоn состаnляет 2 - 3 нм 1, что n тысячи раз
меньше, чем размеры зерен цемента. Адсорбируя на своих поверхностях воду, ча­
стиr,ьт гил:росиликатон и ря,1а лругих пролуктон гиJ(ратапии образуют гель (тт. 1.4).
Мель•1с1.йши1:: поры в нем нс1.3ывс1.ются гелевыми.
Продукты гидратации постепенно покрывают зерна цемента вес утолщающи­
мися uболuчк<1ми. Они срс1.стс1.ются между собuй, 0Gрс1.:3уя цементный кс1.Мень. OGu1
1 мм = 1000 мкм = 1000000 нм
17
лочки состоят преимущественно из гидроеиликата кальция, а гслсвые поры :между
e1·u вuлuкнами настuлькu маны, '!TU существенно �,tтрудняют дuступ вuды к остат­
кам зерен цемента. И хотя их размеры постепенно у1-1еньшаются, остатки зерен
цемента присутстnу�от n бетоне л1обого nозраста. Поэтому постоянно замедля10-
щийся процесс твердения цемента растягивается на многие месяuы и годы.
Межлу оболочками из ттролуктон гидрата1�ии, 01-.-ружаюп�ими остатки зерен
цемента, остаются �пuJшенньн� вuдой нространства - капш1нярные норы. Они го­
раздо крупней гелевых пор и являются основны�1 дефеь.'Том структуры бетона.
Формирование микроструктуры цементного камня при твердении показано на
рис. 1.4.
цементный
камень
цементное
тесто
Рис. 1.4. Формирование структуры цементноп, камня нрu твердении:
1 - остатки зерен цемента; 2 - оболочки из продуктов гидратации,
включающие гелевые поры; 3 - капиллярная пора [3]
Кон111ракц11я. При твердении цемента постоянно увеличивается: содержание
тnерпых частиц n цементном I<амне и соотnетстnе1п10 СПИ)I<ается его пористостr,.
Вода, присоединяе!l-1ая к минерала!l-1 цемента (химически связываемая вода), встраи­
nается n их стру�<туру и упакоnыnается более плотно. В итоге ее объем у�1енr,шает­
ся, сокращается и суммарный объем реагирующих воды и цемента. Эго явление
пазr.1nается контракцией ( стя>ке1п-1ем).
Так как на химические реакции расходуется вода из капиллярных пор, вслед­
ствие контракции в них возникает вакуум (что легко подтверждается эксперимен­
тально). Поотому в капиллярные поры подсасывается воздух или вода из окружаю­
щей среды (в зависимости от того, в каких условиях бетон твердеет). Величина кон­
траrщии равна примерно 6 - 7 л па 100 кг цемента за 28 сут тnерпепия, поэтому n
бетоне среднего состава объем контракции составляет порядка 20 л/м3 •
Кинетика poc,rra прочности бетона. Наиболее нагля!(Но ттро1�есс тнер,Г(ения
бетона проявляется в рuсте его нpu'lliUt;TИ. Haчa.JlЬHi:iЯ 11ро 1 -1нuсть приобретае'l't;Я
бетоном в возрасте порядка 8-10 ч. Скорость роста прочности в интервале 12-24 ч
паиболr,шая, а n далLнейшем систе�атически за��едляется. Причиной являrотся по­
стоянно утолщающиеся оболочки из продуктов гидратации вокруг зерен це!l-1ента.
Стандартная прочность бетона определяется в возрасте 28 сут. Но и после этого
срока прочность оетона продолжает медленно нарастать.
Условиями твердения бетона являются достаточная положительная темпера­
тура, от которой заnисит скоростr. химических реакций, и сохранение n нем nлаги,
участвующей в этих реакциях. Стандартными являются норл�алъные условия твер­
дения. Это те:\1пература 20° С и nла1ю1остr. окр)7jка1ощего nоздуха 90 - 100%. При их
18
нарушении твердение бетона замедляется (при снижении температуры) или вообще
нрекра.шается (при ВЫ(;ЫХа.нии).
l{инетика твердения бетона во !l>Iнoroм зависит от тонкосn1 помола це:мента.
Обьrчпь1е цементы, например М400, mv1e1oт топкость поl\rола (характеризуему�о
удельной поверхностью S) примерно ЗUUU сl\?/г. Для тонкомолотых цементов высо­
кой прочности она 11.остигает 4000 - 4500 см2/г, например, лля J�F,M 52,5 и J�F,M
5 2,5Б нu ГОСТ 31108. Бнагuдаря бuлее мелким :3ернам, uни быстрее В:3а.имuдей­
ствуют с водой и имеют ускоренное твердение в ранние сроки и большую проч­
ность в стандартном возрасте.
Кинетика набора прочности бетонов на це!l>rентах различной тонкости помола
прслстанлсна на рис. 1.5.
Прочнос:ть, %
100
,t.
80
1
60
'
40
20
о
,,,,,
�
...
�
�
J
1
..,iio"
�
�
�
'
о
4
8
12
16
20
24
Возраст, cyr
28
Рис. 1.5. Рост прочвосrn бетона на цементах различной дисперсности:
1 -ря,�овыс псмснты (S = 3000 см2/r); 2 - ТОНТ<ОМОJТО'ТЪfС Т{СМСНТЫ (S = 4000-4500 c11,i/r) [3]
Относительная прочность бетона на этих цементах в 2-днсвном возрасте от­
личается примерно в два раза. Кривые для uе:ментов с удельной поверхностью 3000
-4000 c�/r занимают промежуточное положение между линиями: 1 и 2.
Все бетоны продолх(а1от твердеть и после 28 сут, по процесс дальнейшего
набора прочности носит «перевернутый» хараr-.."Тер: че11 быстрее их твердение про­
текает до 28 сут, тем медленнее оно будет происходить в поздние сроки.
При примепе1rnи цементов обычной дисперсности прочность бетона через 90
сут возрастает по сравнению со стандартной на 18 - 25%, через 180 сут - на 20 33%, а R возрасте 1 гол - на 25 - 35% [6]. Они про.п;олжают тяер.п;еть и R более ттозn­
ние сроки. Бетоны на тонкомолотых цементах, значительная часть зерен которых
(наиболее мелкие зерна) уже прореагировала с водой за первый месяц твердения,
имеют небuльшuй пuтенцис:1.11 дс:1.11ьнейшего
pu(;Tct
прuчнuсти. Егu мuжнu uценить в
15 - 20%. Для бетонов на таких цементах говорят уже о конечной прочности, до­
стигаемой n nозрасте 1 - 2 лег.
В условиях есrпесrпвенной в.ла:JJСносrпи окружающей среды (при <р > 50%)
тнерnение бетона на об�:.тчных т�ементах после ттрекратцения ухола за ним заме.n;ля­
ется, так как значительная часть капиллярной воды постепенно испаряется. Кинети-
19
ка потери воды бетоном зависит от :массивности конструкций. Прирост прочности
бетона в этих условиях оценивается в 11 - 25% к 6-месячному возрасту [6]. llpи
:меньшеи влажности воздуха все каmшлярные поры теряют воду и твердею1е оетона
llOJlНOCTЬIO прекращается.
При пониженных температурах бетоны набирают за месяц твердения 50 70% марочной прочности. Но н .п;шп,нейтттем их тнерление про.п;олжается .п;остаточно
активно. Как уже отме ч.а.11ось, скорость твердения онреденяется толщиной геневых
оболочек вокруг зерен цемента. При пониженных тсь,rпсратурах они формируются
-
-
:медленнее и сохрапЯiот поn11шеппу�о проницаемость для поды. Это позnоляет бето­
ну активнее твердеть в дальнейшем. Со временем при достаточной влажности такой
бетон .п;остиrаст той же микроструктурF>т (толп,ин�:,т оболочек нокруr зерен т,смснта)
и прочности, что и бетон, твердевший при нормальной температуре, но это проис­
ходит в весьма значительном возрасте.
1.4. Структура бетона
Бетон имеет очеНF. сложную структуру. F,e элементьт, от зерен крупного за­
поJшитеJ1Я до суGмикро•1астиu гидросиликатов кальция, отли•�аются 110 р�мерам в
миллион раз. Поэтому принято выделять, как мини11,1УJ1,1, два уровня: .микро- и мак­
рострукrпуру бетона.
Важнейшей характеристикой бетона является пористость. Ilo в связи с тем,
что бетон яnляется дnухкомпопептп11м материалом, различа1от пористосrпь беrпона
и порис1постъ це,wентного кс�,wня в нем. Последняя является основной характери­
стикой аористости, т. к. факти•1ески вt:е норы бетона t:осредото•�ены в uементном
камне.
Порис1пость бетона легко подсчитывается Иl:ходя из того, 'ITO при стdндарт­
ной J(литсm,ности тнср.п;сния rтортланлт,смент снязынает химически примерно 15%
воды от своей ма.t:t:ы. Остальная вода образует норы:
Пб = (В - О,15Ц) / 1000,
г71е R, ll - расхол�:,т но.п;ы и 1,емента, кr/м3 бетона; О, 15 - количестно нод"т,
связываемой цементо:м химически за 28 сут твердения.
Приведенная форь,rула выражает объем пор в долях от объема бетона. Она нс
уqитывает воздушные поры, кагорые формируются на ста,LJ.ИИ прtu"отовнения и
уплотнения бетонной смеси и содер
. жатся в бетоне в количестве 1-3%. Пористость
бетона состаnляет об11чпо 1О - 15%. Но практически nce пор11, имеrощиеся n бе­
тоне, находятся в цементном камне (пористость заполнителей обычно менее l о/о).
Аfикроструктура бетона - это тонкая структура цементного камня. Она ха­
рактеризуется прежде все1·0 его 11ористостью. Объем uop в цементном камне можно
подсчитать, отнеся их количество в бетоне к содержанию в нем цементного камня:
ТТт,.к. = ТТбNт,.к.
Объем цементного камня в бетоне (в долях от объема бетона) рассчитывается
по формуле:
Vu.к = (В - Ц/ Рц)/1000, (1.1)
где Рц - плотность зерен цемента, кг/л.
Так ка.к цементный камень занимает в бетоне 25 - 35% его объема, его нори­
стость по сравнению с бетоном пропорционально возрастает и составляет 30 - 60%.
20
Вследствие столь высокой пористости uсмснтный камень является слабейшей со­
ставляющей бетона. 11оэтому именно он определяет свойства бетона.
Структура це�1ентного камня слагается остатками зерен цемента, окружаю­
щими их 0Gолочкс1ми ИJ uродуктов гидрсrпщии uемента, в нервую очередь 1·идроси­
ликатов кальция, и порами.
Остаm1-.'И зерен. цр,1,,1,ен.та содержатся R бетоне стандартного Rозраста R коли­
честве 40 - 50% от его исходного содержания. При•1инс1 этu1·u - мш1u11рuницс1емые
для воды оболочки из продуктов гидратации вокруг зерен цемента, по мере форми­
рования которь1х скорость реакций uемепта с водой 1п1огократпо замедляется.
Значительное содержание остатков зерен цемента в бетоне стандартного воз­
раста, с 011.ной сторонhт, еRидстслhстRуст о недостаточном его исттолhЗОRании. Но
для эксплуатационных свойств бетона присутствие остатков зерен цемента является
положительным, так как они обеспечивают дальнейшее твердение бетона и улуч­
шение его свойств с течением времени. Это поnышает прочность, паде)ю1ость и
,.,
�
,.,
долговечность оетонных и железооетонных конструкции.
Кроме того, блаrоларя <<Клинкерному фон!(}'» бетон способен самостоятельно
за.J1ечивать микротрещины, которые мuгут uбраЗuваться в нем по раЗличным при­
чинам (температурные, усадочные напряжения, действие мороза и т. д.). При экс­
плуатации бетона во влажных условиях или периодическом увлажвен1-ш в них по­
падает вода. Получая благодаря микротрещинам доступ к остаткам зерен цеl\-1ента,
она взаиr-.-rодействует с ними. Образующиеся продукты гидратации uемента запол­
няют микротрещины и залечивают их.
Продукты гидратации цеwента являются высокодисперсньп�m частиuами, в
сотни раз меньши�и, чем его зерна. Их большая часть имеет размеры, характерные
дня геля.
Гель - это двухфазная систем.а, состояи1ая. из высокодисперсных твердых
часпzuц (1 - 100 нм) и адсорбированной (см. п.1.2) на их поверхностях воды. ТакаЯ
вода (и весь гель) приобретает свойства твердого тела. Прочность цементного геля
оuенивс1ется примерно в 120 МПа, т.е. нс1 уровне нлuтных горных uopuд. Прuчнuсть
цементного камня и бетона ниже, так как в них содержатся и капиллярные поры.
Солержание ROJ(hT R т�ементном геле л.оRольно значительно. Rro ттористостh
составляет примерно 28%, и все эти поры в обычных условиях эксплуатации бетона
заполнены адсорбированной водой. Она начинает испаряться только при влажности
окрУ)1<а1ощего воздуха менее 45%, а при ее поnL1шепю1 пповь сорбируется гелем.
Порь� це.м.енпzного ка,111,ня делятся на капиплярнъzе, имеющие размеры от 0,01
,11,0 1 () мкм, и сRерхмальте гелевые с ра11vrерами от 2 ,1,:0 5 нм. ОсноRным дефектом
структуры цементного камня и бетона являются каrmплярные поры (название объ­
ясняется тем, что капиллярные силы, действующие в них на воду, значительно
больше сил тя>1<ести). Они япля1отся путяr-.-rи фильтрации влаги через бетон, пропи­
каю-1я в него агрессивных сред, причиной капиллярного подсоса. Вода в капилляр­
ных порах замерзает уже при минус 2 - 3 ° С.
Гелевые поры зна L iительнu Gонее безвредны, та.к как за110J1нены сильно адL:ор­
бированной («остеклованной») водой. Поэтому они практически непроницаемы для
воды (нроддвить ее •-1ерез гель труднее, qем •1ерез гранит). Вода в гелевых норах
замерзает при те�1пературе ниже минус 70° С. Они, как и капиллярные поры, сни­
жают нрuчность бетона, но, по-видимому, в меньшей степени.
21
По мере твердения бетона объем и размеры капиллярных пор уменьшаются,
так как на их стенках откладываются вновь образующиеся частицы геля. Гlри низ­
ких В/Ц( < 0,35, а для бетона значительного возраста и < 0:4) они могут полностью
Зi:I.JlUJIHЯTЬCЯ генем.
А1акрос,пруктура беп,она определяется соотношением I\tежду объе11,[аr,,[и: сла­
гаютпих его !(Ryx компонентон: пементного камня и заполнителей. Но так как Vт�.к.
+ Vзс:tн. = Vбет., оGычнu uграничиваются укi:1.Занием содержания uднuй составляю­
щей - цементного камня.
Объем uемептпого камня определяется содер)rсапием n бетоrпrой смеси noдr,1
(В) и цемента (Ц): Vц.к. =В+ Ц/рц. (л/1\1�)
Возможно и н�:.тражснис 061,сма ,,с1vrснтноrо камня R !(Олях от объема бетона.
13 этом случае используется приведенная выше формула ( 1.1 ).
Объем цементного кarvrnя имеет минимальные значения в бетонах из жестких
смесей 200 - 250 л/м 3. С ростом расхода noдr,1 оп сущестnеппо возрастает, достигая
в бетонах из высокоподвижных смесей 300- 380 л/1\13 .
Технические снойстна бетона с ростом объема 11е;-.1ентного камня несколько
ухудшаются. В частности, ври.мерно на 10% может снизиться нрочность бетона,
еще более существенно уменьшается его морозостойкость.
В то же время процесс укладки бетонных смесей с ростом их подвижности
( объема це11,[ентного теста) существенно упрощается. Поэтоl\tу технологам прихо­
дится выбирать «меньшее из зол». В последнее вре1tя предпочтение отдается легко­
укладываемым высокоподвижным и литьТh[ бетонным смесям, а проблему роста
объема цементного камня удается существенно ослабить или полностью устранить
благодаря эффективным пластифицирующим добавкам.
1.5. Прочность бетона
Б�тон пр�дставняет собой зернс:t прочных 1·uрных нород (заполнитени), скле­
енные цементным камнем. Как у-же от11,[ечалось выше, прочность этой двухкомпо­
нентной сисrемьт опрелеляется слабейптим из компонентон -11ементным камнем.
Качество цементного каrv[НЯ зависит в первую очередь от его пористости, а
она от соотношения между водой и цементом - водоце.А-1ентного отноu�ения (В/Ц).
Оно тесно корр�нировано с пористостью цементногu камня: так как за исю1ю'-lением
небольшой части воды, связанной химически (примерно 15% от :массы цемента),
осталr,пая вода образует порr,1. Поэтому В/Ц является уд обпr,1:м для праrсrики экви­
валентом пористости цеl\1ентного камня, определяющи1v[ свойства бетона.
Зависимость свойств бетона от В/Ц является важнейшей в бстоновсдснии. В
uтношении прuчности она выражс:tется законом водоце.м.ен:пzных отношений, кото­
рый формулируется достаточно категорично: 11рочнос111ь беп,она на данных Аtа111е­
риалах зависип, только ont. В/Ц.
Конечно, это утверждение справедливо для определенного возраста и условий
твердения бетона. Обычно используются зависимости прочности бетона от В/Цили
формуны uро•1ности: справедливые дня стандартного возраста и нuрмальных усно­
вий твердения.
Зс:tвиси1v1ость нрочности бетона от В/Ц и1v1еет криволинейный хара1.(тер, что зс:t­
трудняст се практическое применение. Поэтому используется обратная величина:
22
цсмснтно-воднос отношение (предложено швейцарцем И. Боло:мссм). Зависи:-.1ость
нро'!ности бетона от Ц/В в важном для практики интерване 1 - 2,5 tг.е. В/Ц = 0,4 1) является прямолинейной (рис. 1.6). ')то делает ее удобной для использования.
Пр�ность, МПа
70
60
Rб =АRц( .VB+O S).>""'V"
50
40
,;r
/
30
/
ЛRб = АRц( .vв-о 5)
/
20
/
10
о
/
о
0,5
1
1,5
2
2,5
З
3,5
Цементно- водное отношение
Рис. 1.6. Зависимость прочноспt бетона от цементно-водного отношения. Численные
значения прочности справедл11вы для цемента марки 4UU
tЗJ
Существует ряд форJ\.[)'Л прочности бетона. OmI учитывают влияние качества
материалов и предназначены для определения прочности бетона в ?Н-дневном воз­
расте. Наиболhrпее применение
Скрамтаева:
R
напrей стране напrла формула Боломея -
R28 = АRц(Ц/В - 0,5) (1.2)
где R11 - марка (или активность) цемента; А- коэффициент качества заполни­
телей (0,65 ;О,6;0,55 соотnетстnеппо при их nь1со1<ом, средне� и попи>ке11110J\.1 каче­
стве). При известной активносп1 цемента расчет прочности бетона будет более точ­
ным, если в формулу подставлять нс марку цемента, а значение его активности.
Следует отметить, '!ТО увеJ1ичение Ц/В на нрактике осуществJ�яется путем 110вышения расхода цемента, так как количество воды, определяющее подвижность
бетонной смеси, меняться пе доm1п10. При этом происходит уnеличепие объема
цементного камня. Гlоэтому формула (1.2) учитывает одновременно два эффекта,
происходящие при повышении Ц/В: основной - снижение пористости цементного
камня и дополнитеньный - увеличение его объема, LITO несколько снижает вели•1ину
основного эффекта.
Огрипатеm,пая роль уnеличе1шя объема цеJ\.1ептпого камня возрастает при Ц/В
> 2,5. В этом случае дальнейшее повышение расхода цемента сопровождается ро­
стом водопотрсбности бетонной смеси. Приходится пропорционально ему допол­
нительно увеличивать коли'!ество uе.мента, K<iK сле,LJ.t;твие объем це.-.1ентного кю-.1ня
в бетоне возрастает более существенно.
Поэтому формула (1.2) справедлива при Ц/В < 2,5, т.е. n диапазоне обычно
применяемых его значений. При значениях Ц/В > 2,5 (или расходе це:мента свыше
400 - 450 кг/м3 смеси) рост прочности, в силу указанных причин, происхопит n
меньшей степени (см. рис. 1.6). В этом случае используется формула:
23
R2s = АRц (Ц/В + 0,5). (1.3)
Значения коэффициента А в ней составляют U,43; U,4 и U,37 для заполнителей
высокого, среднего и пониженного качества.
В СВЯ:$И с высокими расходами цемента. и 11онижающейся эффек1'ивностью егu
использования бетоны с Ц/В более 2,5 являются неэкономичными. Высокие Ц/В
ока.зF.тRаютея необхолимF>тми при несоотнететнии примененной марки 1\емента и
требуемой uро 11ности бетuна. При пра.ВИJ1ьнuм выборе марки цемента. Ц/В < 2,5.
Поэто11,1у, сели расчет дал его большие значсm-1я, следует либо при�fсю1ть цемент
более nr,rcoкoй марки, либо использовать суперппастификатор.
Приведенные выше колебания коэффициентов качества заполнителей свиде­
тслъстRуют о их R обтл:см-то нсболF.тпом Rлиянии на прочностF. бетон� конечно, при
соответствии стандарту. Но нестандартные заполнители могут существенно сни­
жать прочность бетона.
Таким образом, оспоnпr,rм путем поnr,rшепия прочности бетона является
уменьшение пористости цементного ка11,mя путе11,1 увеличения Ц/В (т.е. снижения
R/I�). Применяе1-rF.те значения R/Т' R без7'обаRочно1'1 бетоне оrраничеm,1, как уже
отмеченu выше, минимальной величиной норядка 0,4-0,45. Вuдuцементное uтнu­
шение порядка 0,4 дает прочность бетона, близкую к :марке примененного це11,1ента.
Второй прием повышения прочности бетона - увеличение ;'.1арки (класса) це­
мента, но его воз:\1ожности уже давно праl\.-гически исчерпаны. Максимальная марка
цемента 600 сохраняется в нашей стране уже более 50 лет. От попыток дальнейшего
ее повышения отказались как в связи со с.ложностью технологии получения высо­
копрочных цементов, так и потому, что появился более эффеЕ.."ТИвный путь повыше­
ния качества це1v1ентного ка:\1ня в бетоне. :)то суперпластификаторы, применение
кuторых но:3вuняет снижать В/Ц уже не увели1 1ением расхuда цемента, а. снижением
количества воды, т .с. при одноврсмснно:\1 умсньшсю1и объема цементного камня.
Цементный камень, как уже uтмечалось выше, явняется снабейшей сuста.вня­
ющей бетона. Увеличение его содержания при постоянном В/Ц приводит к сн�гже­
нию нрu 1 1нuсти Gе-гuна.. Ориентирuвu'lнu можнu считать, чтu рuст объема. цементно­
го камня с. 250 до 300 л/м3 снижает прочность бетона при1v1ерно на 10%, а до 350
л/м3 - на 15%. На практике это Rлияние может оказа1ъся меньттти11,r, так как бетОНf,1 с
низкими объемами цементного камня получают из :менее подвижных или более
жестких смесей. Они содержат повышенное количество воздушных пор, что сокра­
щает прочностной эффект у:мепьшеrшя ofue:\1a цемептпого ка:мпя.
Еще одним факторо11,1 прочности бетона является сцепление заполнителей с
т�ементнF.тм камнем. Rro ролF. УRеличиRаетея при ТТОRF.тrттении прочности бетона.
Сцепление во много:м зависит от состояния поверхности заполнителей, ее шерохо­
ватости и чистоты. Цементный камень в зоне контакта имеет ухудшенный состав,
так ка1< содер)кит преимущестnеппо пе очепr, прочпr,1е кристаллы Са(ОН)2 .
С росто1v1 шероховатости заполнителей прочность их сцепления с цементным
камнем УRеличинаетея. Поэтому бетон на ТТ\ебне имеет болr,ттrую ттрочносТh, чем на
гравии (при TU.\1 же В/Ц). В тu же вреJ\.lЯ гравий имеет меньшую вuдuнuтребнuсть.
Замена щебня на гравий при той же подвижности бетонной смеси приводит к сни­
жению В/Ц. В итuге в бетонах нuниженнuй нpu'IHUt;TlL, гце ронь сцепления невели­
ка, более эффективным оказывается гравий, тогда как в бетонах с прочностью более
24
30 МПа - щебень. Бетоны повышенной прочности (40 МПа и более) на гравии по­
лучить вообще не удается.
1\1ар1�а и •�ласе бетона
Как можно RИ,Г(ет�:. из изложенного материала, прочност�:. бетона заRисит от
большого чиt.:нс1. факторов (нараметры t.:остава бетона, кс1чеt.:твu мс1.териа.11ов), а.
прочность бетона одного состава на данных материалах - от условий и длительно­
сти тnердения. Поэтому понадобилось nnедепие стапдартпr.IХ характеристик проч­
ности. В прошлом веке это бьша марка, а сегодня - класс бетона.
Прочност�:. бетона, J(ажс опрс!(слясмая на образ1�ах - близнс1,ах, характеризу­
ется определенным рассеянием; ее отдельные значения отклоняются от среднего в
большую или меньшую сторону. То же происходит и в отдельных зонах конструк­
ций. Колебапия прочности могут бr.1тr, охарактеризоnапы ко:Jффициептом вариации
V, который представляет собой их усредненную величину. Он показывает, насколь­
ко «R сре,л:нем» прочностF. ОТ/"(ельноrо образr"(а отклоняется от ее сре71него значения
в t.:ерии. Ана.11uгичные конебс1.ния нроLiности и_\1еют место и в бетонных мс1.ссив<1х.
Прак.ическое значение имеют минu:,1альные величины прочности, так как
конструкция разрушается в зонах с наименьшей прочностью бетона. Минимальная
прочность рассчитывается по средней прочности бетона и коэффиuиенту ее вариа­
ции.
J1арка бетона - предел прочности при cжa,nuu образцов-1-..Jюов с ребром 15
с,н, ,пвердевших 28 су,п в нор,'Wальных условиях (Т = 20 ± 3 °С, относительная влаж­
ность окру-жающего воздуха <р = 95
5%). Полученное таким образом значение
средней нрu•-!нuсти бетона окру1·ляется в меньшую <-тuрону до бнижайшегu норми­
рованного значения: MIOO; J\11150; М200; М250; МЗОО; М350; М400; М450; М500;
.... Ml0OO (цифры соответствуют Jначениям нрuчнuсти в ю-с/см2).
1 Iормирование разl\11ера бетонного образца объясняется «масштабным эффек­
том;;: нuвышением нрочнuсти бетона. нри уменьшении раЗмеров обраЗцов. Он
наблюдается для всех хрупких :материалов. ГОСТ [10], допуская использование
образ110R J(pyrиx размерон, rтрет�усматринает при1'1енение к получаемой прочности
поправочных коэффициентов: для образцов 10· 10· 10 см- 0,95 и 20·20·20 см - 1,05.
Недостатком марки является то, что она представляет собой среднюю проч­
1
ность бетона, тогда как несущая способность копстру�щий определяется его мини­
мальной прочностью. Поэтому марка была отменена, и с 1986 г. в нашей стране
стандартная прочность бетона характеризуется его классом_
Класс бетона - мини.м.альная прочносrпь беrпона при сжаrпии с обеспеченно­
стью (надежнос,пью) 951�. В отличие от средней прочности, она не может быть
устапоnлепа эксперимепталr.по, а рассчитыnается :методами математической стати­
стию1 по величине средней прочности и коэффициенту вариации. При этом ее зна­
чения заRисят от того, с какой на,Г(ежностF.ю требуется rтолучптF> резулF.тат. Обеспе­
ченность 95% оJначает, что нрuчнuсть бетона, сuuтветствующс1.я ю1с1.ссу, будет до­
стигнута в 95 случаях из 100_
Для онреденения коJффициента вариации исноньзуютt.:я резуньтс1.ты uроиз­
водственного контроля прочности бетона за предшествующий период, обычно не
25
менее 30. По ним рассчитываются коэффициенты вариации прочности в каждой
партии бетона, а по их значениям -средний коэффициент ва риации [12].
Фактический коэффициент вариации прочности бетона на различных произ­
водствах конебнется в пределах 6 - 13%, уменьшаясь при повышении уровня тех­
нологии и качества бетона. Следует отметить, что на отдельных плохо организо­
нанньтх произно,l"(стнах он может нозрастать л:о 20-25%.
Введен и нормативный коэффициент вариащт - 13,5%. Его нрименяют ари
расчете класса бетона, если нет данных о фактическом коэффициенте вариации
прочности па произnодстnе. В этом случае ме>rшу классом и средней прочпост1,10
существует з ависи�1ость:
R = 0,78·R m, (1.4)
где Rm - средняя прочность бетона.
Следует отметить, что в отличие от марки бетона средняя прочность продол­
>кает испоm,зоnаться, n частности, при подборе состава бетона и текущем контроле
его прочности.
Стан}\артоТ\-r [13] нормиронаньт классы бетона по прочности при сжатии: R 1 О;
В12' 5·' Bl5·' В20·' ВЗО·' ВЗ5·' В40·' В45·' В50·' В55·' ВбО·' В65·, В70·, В75·' В80. Установлены таюке I<Лассы по прочности на осевое растяжение (Bt) и на растяжение при
изгибе (Btb).
1.6. Проекrированuе состава бетона
Целью проектирования является нахождение состава, обеспечивающего за­
данньн:: свойства бетона и при этом наибонее экономичного (oбы L rno это состав с
минимальны11,1 расходом цемента). Исходными данньп111и являются характеристики
материанов и требования к бетону.
Опрслслснис состава бетона нкmочаст лна этапа: расчет состава и ег() экспе­
риментальную проверку. Ниже кратко изнагi:iе'I'СЯ методика расче'тного онреденения
состава бетона.
Состан бетона принято ныражать расхолами материалоR, необхоТ(Пмыми
для получения 1 м 3 бетонной с11,1еси. Поэтому для расчетов используется уравнение
абсолютных объемов:
В + Ц + !!_ + Щ = 1 ООО
( 1 .5)
Рц Р" Рщ
1
rJ(c: R, 1�, ТТ, П� -расхо,7"ы матсриалон, кг/м-;
Pn, Рп, Рщ - плотности зе рен цемента, песка и щебня, кг/л.
Согласно уравнению: сумма абсолютных объемов компонен11�ов, необходи.­
Jных для получеиия 1 .м1 бетоииой с.1Неси, рааилется 1000 л. Объем смеси слагается
абсолютны11,1и объе:мами входящих в нее :\1атериалов, при этом мелкие частицы и
но,ла заполняют пустоты меж,rсу более крупными зернами, а ноз,лух, фактически
присутствующий в бt::тонной смеси, не учитывается 2 .
(
Объем воздуха в перемешанной подвижной бетонной смеси состав:rяет обычно от 4 до 6%, а
в уплотненной смеси 1-3%,.
2
26
Для расчетов состава бетона должны быть известны 11,rарка цемента, требова­
ния к бетонной смеси (удобоукладываемость) и к бетону, прежде всего его марка
или класс. При этом марка цемента должна в 1,2-2 раза превышать требуемую
арuчнuсть бетuна (меньшие значения для бuлее высuкuй нрuчнuсти [1,2]). Если
задан класс бетона, при отсутствии данных о фактическом коэффициенте вариации
среюнrя ттрочностh может бhТТh рассчитана по формуле (1.4). Потребуются и стан­
дартные характеристики занuлн�1телей. Этu пuзвuJшт сравнить их с требованиями
ГОСТ [13], оценить качество и назначить коэффициент А в формуле прочности
бетона.
Расчетное определение состава бетона проводят в следующем порядке:
1. По у!(обоуклаТ(hТRаемости с учетом наиболhптсй крупности и RИТ(а крупно­
го заполнителя по рис. 1.3 определяют водосодержание смеси: В (кг/м 3).
2. По формуле Боломея-Скрамтаева (1.2) находят В/Ц:
АRц
B/Ц=---­
Rm + O,SARц
где R.tn - средняя прочность (или :марка) бетона.
ТТре!(Rарителhно R занисимости от качеСТRа заполнителей оттре!(еляю'Т' ко­
эффициент А:
А = 0,65 для высококачественных заполнителей;
А=О,б для заполrпfтелей среднего качестnа, полпостLrо соотnетстnуrощих
ГОСТ;
А=О,55 для за11uлнитеJ1ей пuниженнuгu ка.чествс1. (вuзмuжнu несuuтвегствие
характеристик требованиям ГОСТ по отдельным показателям, сели оно допускается
стандартuм).
Если R/Т! оказалосh менее 0,4, то его СЛСТ(уСТ rтсрссчитатh, Rосттолhзонанттmсh
формулой (1.3). Но лучше применить цемент более высокой �арки, либо ввести в
бетонную смссh суrтсрттластифика'Гор. R rтослс!(нсм случае, нсзанисимо от rтолучае­
мuгu В/Ц, для рс1.сt1егuв испuньзуется фuрмуна (1.2).
3. Находят расход цемента:
ц
В (кг/�13 )
= В/Ц
4. После того, как определены расходы воды и це:\1ента, остается найти ко­
личество заполнителей. Оно будет дополнять объем смеси до 1 м 3 . Необходимый
для этого объем заполнителей рассчитывается в л/м 3 по уравнению абсолютных
объемоn ( 1.5):
ц
Vзап = 1 ООО - В - Рц
Найденный абсолютный uбъе.\1 нужнu распредеJшть между нескuм и крунным
заполнителем. Для этого по табл. 1.2 определяется доля песка в смеси заполнителей
(r) в заnиси:r.1ости от расхода цемепта.
Таблица 1.2
Лоля песка в смес11 заполнптелей (для щебня с HI( = 20 мм)
Расход цемепта, кг/м i
Доля песка
200
300
0,42
0,39
27
400
0,36
500
0,33
При.мсча1111я: 1. При использовании гравия доля песка У'iеньшается на 0,04. 2. При ИК
= 40 мм доля песка снижается для щебня на 0,03, для гравия на 0,07. 3. При ОК > 10 см доля
песка повышается на 0.04. 4. Более подробные таблицы имеются в [1,3].
Расходы песка и крупного заполнителя (n кг/м ) определяrотся по формулам:
П = Vзап·г·рu
Щ = Vзап·( l - r)·р щ
где Рп - uлотнuсть 3ерен неск::1, кг/м3 ; Pr.u - плотнuсть 3ерен крупногu 3а11олни­
теля, кг/:м3 .
Проnерка правильности расчетоn проnодится при помощи ураnпения абсо­
лютных объемов.
Полученные расчетные данные являются ориентировочными. Они уточняются нри Jкснериментальнuи проверке и корректирuвке сuстава. t>етона.
11зложенная выше 11,[етодика подбора составов бетона предназначена облег­
чить понимание :методоn проектирования cocтanon бетонов с суперпластификато­
ром, минеральной или воздухововлекающей добавкой, излагаемых далее. При прак­
тической реализации метода подбора состава обычных бетонов следует воспользо­
ваться Guнee пuдрuбньТh1и указаниями [1,2,3,5].
3
V
-
1.7. Деформативные свойства о трещиностойкость бетона
В бетоне при его твердении и эксплуатации происходят различные виды де­
формапий. Это деформации под нагрузкой, усадка, ползучестr., температурные де­
формапии. Они могут приводить к образованию трещин.
Усадка происходит при снижении ш1юкности бетона и выражается в умень­
шении его размеров. Обратный процесс - увеличение размеров при увлажнении
бетона - На3ЫВается набухаНием.
Причины усадки бетона заключены в цементном камне, в его структуре. Ее
виновниками являются капиллярные поры и гелевая составляющая (част�шы геля,
покрытые водными оболочками).
1{спарение часrи Rлan-J из бетона происхо,1ит после прекрап�ения Rлажностно­
го ухода за ним. Гlри этом сначала теряют воду крупные поры, зате:м все более и
более мслю1:с. Степень высыхания бетона определяется относительной влажностью
u1-.-руж<1ющегu воздуха (<р). Чем ниже ее значения, тем меньше станuвится влажнuсть
бетона и размеры пор, еше удерживающих воду.
1{спарение ROJ(F.T из части капиллярон rтриRОJ(ИТ к rтоянлению и разRитию R них
капиллярных сил, сжимающих цементный камень и бетон, что и приводrп к усадке.
Самые мелкие капилляры теряют воду при <р = 45%. При дальнейшем снижении
внажнuсти окружаюшегu воздуха на•-1инается иснарение воды из геля. Это приводит
к сближению частиц геля и дальнейше�1у уменьшению размеров бетона. Поэтому
уса.п.ка оказF.тRается тем бол"пте, чем ниже мажност" окружаютт\его Rозлуха.
Со вре11,[енем усадка затухает, так как влажность бетона приходит в равнове­
сие с окружающей средой. При колебаниях влажности окружающего воздуха меня­
ется и влажность бетона, поэтому в нем чередуются циклы усадки и набухания.
Величина усадки зависит от ряда факторов. Она увеличивается при повыше­
нии тонкости номола цемента, В/Ц, а также uбъема цемt:нтнuго камня в бетон<::.
28
Усадка уменьшается при увеличении возраста бетона, поэтому более длительный
уход за бетоном снижает вероятность образования усадочных трещин.
С ростом концентрации заполнителей в бетоне усадка существенно УJVIеньша­
ется. Для uементнuго ю:1.мня uна составляет 3 - 5 мм/м, для раствора 0,6 - 1 мм/м, i:I.
для бетона 0,2 - 0,4 м�r/:м [ 1].
F:сли ,л;еформат(ии уса,п:ки при Rьтсьтхании бетона ограничены или Rообrце не­
возможны, в бетоне возникают растт~ивi:1.Ющие напряжения, что нере,цкu приводит к
образованию усадочных трещин.
Модуль упругости бето11а является nюкпейшей из его деформациопrп,rх ха­
рактеристик. Вообще бетон является упруго-пластическим тело��. При действии
нагрузок R нем Rозникают напряжения и ттроисхоl(ят Rf>ТЗЫRас;-.1r.тс ими упругие лс­
формации. Гlри значительных напряжениях (превышающих 30% прочности) разви­
ваются и плас111ические деформации. l\.1одуль упругости определяется на бетонных
призмах при папря)r<еrп1и, равном О,ЗRпр (приз:ме1пrой прочности). Оп составляет
20000-40000 l\.1Па для бетонов с прочностью 1 О - 50 lv1Пa, увеличиваясь с ростом
прочности бетона.
Вi:1.Жнuе значение дня бетона имеют и е1·0 предельные деформации. Они до­
статочно низки, особенно предел:ьная растяжимость. Она составляет 0,01 - 0,015%,
а предельная сжимаемость бетона 0,15 - 0,3%. При достижении этих величин в бе­
тоне, подвергающемся действию нагрузки, появляются трещины. Низкие веm1чины
предельных деформаций позволяют отнести бетон к хрупким материалам.
Ползучесп,ь бе111она. За�1етные пластические дефор�1ации бетона затухают в
течение короткого времени после его загружения. Но ecm:r значительно увеличить
время наблюдений (до многих дней и месяцев), :можно установить, что они все же
аро,цuлжаются. f\1едJ1енно развивающиеся вu вре.мени деформации Ge'ГUHi:I. нод
нагрузкой называются ползучестью. Они также затухают, но для этого требуются
месяцы и годы.
Причины ползучести бетона, как и его усадки, заключены в цементном камне,
в его ге.J1с:вuй сuстi:1.ВJIЯЮщей. Частиuы гидрuсиликатuв каньция, окруженные uбu­
лочками адсорбированной воды, воспринимают нагрузку и поэтому, хотя и крайне
меl(ленно, смеп(аются OJ(Ha относителr.но !(ругой. Поэтому фактически R бетоне
«ползет>> uементный гель.
Ползучесть бетона зависит от тех же факторов, что и усадка. Но дополни­
тельно nлияет уроnепь папря)кепий n бетоне, при его росте ползучесть увеличи­
вается. Величина ползучести 11,1ожет значительно превысить упругую деформа­
Т(ИЮ бетона.
Влияние ползучести противоречиво. Она увеличивает прогиб изгибаемъ1х
конструкций, снижает напряжения в предварительно напряженной арматуре. В то
)Ке время
: ползучесть спи)кает впугреппие папря)кепия, nозникmошие в бетоне. Это
явление, называемое релаксац11ей напряжений, является положительным, так как
ТТОRf>ТТТТает треп�ИНОСТОЙКОСТh бетона.
Тре,циностойкость бетона uнреденяется сuuтнuшением нег::�.тивных факто­
ров, увеличивающих вну-трсннис напряжения в бетоне (усадка, колебания тс:/\mсра­
тур, Нi:1.!рузки), и нозитивных, таю1х как нрuчнuсть бетон::�. и релаксаuия н.:tпряжений
вследствие ползучести.
29
Наиболее опасны растягивающие напряжения, так как бетон имеет низкую
прочность при растяжении. Трещина образуется, когда они достигают значений
прочности.
Оснuвными 11ри 1 1ина.ми uбразuвания трещин ЯВJ1Яются: темнера.турные и уса­
дочные напряжения, а также напряжения от нагрузок. Но воз!\lrожны и другие при­
чинhт: нераRномерное изменение объема Т\ементноrо камня при тнер!(енmr, ,л:ейстние
мuрuза, кuррuзиuнные нрuц�ссы.
Те��1пературные rпреи1ины могут возникать в :массивных бетонных конструк­
uиях nследстnие теплоnыделепия uемепта, происходящего при его гидратаuии.
Внутренние части конструкций разогреваются, в то время как периферийные слои
от!(ают тепло R атмосферу. Rслсл:стнис охлажнсния R Н"ИХ Rозникакrr растяrиRаю­
щие напряжения, которые и могуг привести к образованию трещин.
Степень нагрева бетона в центре конструкции разm1чна в зависимости от ее
массиnпости и nеличинr.r теплоnыделеrrnя бетона. Последнее зависит от расхода
цемента и его характеристик (содержаю1:е быстротвердеющих минералов, мине­
ралъной )'\обанки, а также тонкостh тто1vrола пе1vrента). RcлeJ(CTRиe разоrрена темпера­
тура в центр� кuнструкции мuжет дuстил:1ть 60-70 °С.
Основными способами борьбы с трещинообразованием в массивных кон­
струкциях является снижение тепловыделения бетона путе;'.1 применения низкотер­
:мичных цементов, пониженных расходов uе:мента, введением в бетон минеральных
добавок.
Jтсадочные п1ре�цины. Усадка может приводить к образованию трещин при
высыхании конструкций, если оно происходит в условиях, препятствующих, ча­
стично или полностью, их дефорl\.mрованию. В ряде случаев, например, для кон­
струкций с бuльшими разм�рс1.ми в нла.не, uбра.Зuвс1.ни� усадu ч .ных трещин неизбеж­
но. Поэтому ограничиваются рсгуm-1рованисм мест их образования, устраивая уса­
дuчные швы.
1.8. Физические свойства бетона
К физическим свойствам бетона относятся плотность, влажность и водопо­
глошснис, водонепроницаемость.
П.i1отность бетона (средняя нлuтнuсть) - .\ia.cca егu едини ч .нuгu естествен­
ного объема, включающего поры. Иногда этот тeprvmн приl\.1еняется в другом значе­
нии (отпосителr.пая плотпостr.) - степень заполпеrшя объема бетона тnердr.1м nеще­
ством, т.е. величина, обратная пористости. Так как пористость бетона составляет
обычно 10-15%, его относительная плотность 85-90%.
Средняя uлuтнuсть рюли 1 1на для бетuннuй смеси и бе-ruнс1.. Рас ч.етная плuтность бетонной смеси определяется как суммарная масса ее компонентов в 1 I\.[
смеси (согласно ураннению абсолютнhтх об'hемоR). Фактическая плотность смеси
определяется экспериментально. Она на l - 3% меньше расчетной, т.к. в бетонной
смеси содержится воздух, нс учитываемый при определении се расчетной плотно1,;ти.
Плотность бетона может увеличиваться по сравнению с бетонной смесью, ее­
ни бетон тверд�ет ини экспJ1уа.тируется в вuде (вследствие кuнтра.кции. вuда дuнuл­
нитсльно подсасывается в бетон). В то же время для большинства бетонов, которые
.,
30
эксплуатируются на воздухе, часть воды из капиллярных пор испаряется, и плот­
ность бетона становится ниже, чем бетонной смеси.
Влажность и водопоглоиfение беп,она. Бетон, эксплуатирующийся на воз­
духе, сuдержит в нuрах тu или инut: кuли'-lество внаги, зависящt:t: uт влажнuсти
о�,.-ружающего воздуха. Эта влажность называется сорбционной. Гелевые поры и
микрокаm1ллярr,1 (ло О, 1 h-rкм) конленсируют Rлary из ROЗJ()''Xa, и при его Rлажности
100% нuлнuстью заполняются ею. Макрокапшu1яры (> 0,1 мкм) остаются заноннt:н­
ными воздухом. Так как влажность воздуха меняется, бетон то конденсирует, то
испаряет nлагу, что приnодит к колебаниям его сор6Щ1опной nла)кпости.
Для конструкций средней и большой массивности во многих случаях меняет­
ся толhко Rлажностr, ттоRсрхностного слоя бС'Гона, тоrл.а как его ннутрсннис слои
сохраняют ее средние значения.
Водопоглоzttени.е бетона - влажность, приобретаемая им при выдерживании в
nоде. Гелеnые пор11 при этом заполпя1отся водой полпост110, капиллярпь1е - почти
полностью (в них защеl\шяется некоторое количество воздуха), а воздушные поры
остаются заполненяь1ми Rозл;ухом.
Различают водоногнощt:ниt: но массе и по объему, когда мaccii ноглощенной
воды относится соответственно к массе или объе:му бетона. Водопоглощение бетона
по массе составляет обычно 4 - 8%, а по объему 9 - 18%. Последнее ориентиро­
вочно характеризует пористость бетона (если пренебречь небольшим количеством
воздуха в капиллярах и воздушньг-.1и порами).
Водопоглощение возрастает с увеm1чение:м В/Ц и объема цементного камня в
бетоне и уменьшается в процессе его твердения пропорционально происходящему
при этом снижению пористости бетона.
Про'-!Нuсть бt:тона нри его увлажнении и Нiiсыщt:нии во,цой нt:cкuJIЬK0 снижа­
ется. Коэф фициент размягчения (отношение прочностсй в водонасыщснном и су­
хuм состоянии) cocтiiBJIЯeт 0,85 - 0,9.
Водопоглощение бетона просто определяется и поэтому иногда используется
ка.к критерий его 1u1отности, а для некоторых Gетuнов и нормируt:тся.
Водонепроницае./1,,ос,пь бе,11она. Бетон обычной плотности непроницаем для
RОТ(Ы, не находяп,ейся под J(аRлением, т.к. капиллярные порf>1 ока.зf,1Rают сопротин­
ление ее перемещению тем большее, чем меньше их размер. llоэтому фильтрация
воды через бетон начинается лишь при повышении давления воды.
Водопепропицаемость бетона хараr\."'теризуется марками: \V2, \V4, Wб, vV8,
W 1 О, W 12 .... W20. Цифры обозначают максимальное давление воды в кгс/с:м:2
(1 кгс/см2 ::::: 0.1 МПа), при котором не наблюл:ается cлeJ(OR ее просачиRания (мокрого
пятна на проп1воположной поверхности бетона).
Фильтрация воды через бетон происходит по капиллярным порам. При этом
основная масса водь� перемещается по наиболее крупньrм из капилляроn. При по­
вышении давления для фильтрации «открываются» все более мелкие капиллярные
тторf>1.
Повышение водuненроница.t:мости достигается умt:ньшt:ниt:м кс1.пиJu�ярной
пористости бетона, что сопровождается снижением их размеров. Эго осуществляет­
ся обы'-lно нутt:м уl\о�еньшения В/Ц. Поэтому нормирова.ниt: В/Ц является основным
способом достижения требуе:мой водонепроницаемости бетона. Ilапример, если при
В/Ц = 0,6 Gе-тuн uбы 11но имеет марку W4, то нри В/Ц = 0,5- уже норядка W8.
31
При расслоении бетонной смеси в бетоне появляются более крупные дефекты
структуры. Капилляры под нижними поверхностями заполнителей, где скапливает­
ся вода, :увелич1,mаются в размерах, а иногда трансформируются в еще более круп­
ные седиментациuнные поры. Этu нриводит к существенному новышению прони­
цаемости бетона. Поэтому наряду с нор!v1ированием В/Ц следует уделять большое
нни�1ание обеспечению нерасслаинаемости бетонной смеси.
Водuненроницаемость нормируется ,цля бетонов, работающих под давлением
жидкости (гидротехнические сооружения, резервуары, туннели). Она также рас­
сматривается как один из критериев плотпости бетона, поэтому мо1кет нормиро­
ваться и для бетонов, подвергающихся коррозионным воздействия!v1.
C)'Il1CCTR)'Cl' значительное l<ОЛИЧССТRО способоR ПОRЬПТТСНИЯ RОJ(ОНспронипас­
мости бетона: снижение В/Ц, желательно путем применения пластиф1щирующих
добавок; введение гидрофобизирующих, набухающих (перекрьmающих капилляры)
или миперал1,пых добавок.
Перечисленные меры уменьшают капиллярную пористость и размеры капил­
лярон и позноляют получать бетоньr очень нь1сокой RОJ(онепрониr1аемости: Wl 2 W20.
1.9. Долговечность бетона
Долговечность бетонных и железобетонных конструкций определяется сро­
ком СЛу>r<бь1, в течение которого 01п1 сохрапя1от эксплуатациоппые свойства. После
исчерпания одного из них наступает предельное состояние, при котором дальней­
шая эксалуатация конструкции с1анuвится Jшбо технически нево�можной, либо
экономически нецелесообразной. Дошовечность конструкции определяется как
свойствами бетона (в первую очередь его 11лотностью), так и характерист1tками
срсю,r, R которой он эксплуатируется. 1.Jсм бoлF>rrrc агрсссИRность срсl(ы (Rпara, мо­
роз, коррозионные воздействия), тем выше донжны быть соответствующие свойства
бетона.
Оснонные снойстRа, опреl(еляюп�ие яолгонечностF>, это морозостойкостF> бе­
тона, его коррозионная стойкость, а также коррозионная стойкость арматуры в бе­
тоне.
1.9.1. Морозостойкость бетона
Морозостойкостью называется способность бетона выдерживать циклы по­
переменного замораживания и опаивания в насыщенном водой состоянии. Крите­
рием ее нс ч.ерпаНия нринята нотеря бетоном 5% прочно<.:ти. Для дорожных бетонов
предусмотрено и другое ограm1чение - потеря 3% массы [8]. Стандартом [ 13] уста­
ноRпены марки бетона по морозостойкости: F50; F75; FI 00; FI 50; F200; FЗОО; F400;
F500;F600;FHOO;Fl000.
Причиной разрушения бетона морозом является образование в его порах льда,
сuнровождающее<.:я увеличением его объема на 9%. Оно имеет два снед<.:твия. Обра­
зовавшийся при замерзании воды в капиллярных порах лед давит на стенки пор,
вызывая их деформации и возможное образоваНие А-1икротрещин. Но еще более
существенной является другая причина: вследствие расширения льда образуется
32
избыток воды, который отrсснястся по капиллярам от фронта за11,1срзания. Капил­
лярные поры оказывают сопротивление перемещению воды, а возникающее при
этом гидравлическое давление приводит к напряжениям, а при их достаточной вели­
чине и к трещинuuбразuванию в стенках нuр.
Замерзание воды в капиллярных порах происходит при температурах -2 ... -12
0
с, тeh-r более низких, чем меньпте их ра.змер. Стан,71,артное испъ1тание бетона на
мuрuзuстuйкuсть вредусмс:1тривс1.t:�т зс:1мuрс1.живание вuдuнасыщенных uбрюцuв на
воздухе при температуре -18 °с и отгаиванис их в воде при + 18 °с.
Соли, примепяемLiе для таяния льда и его удаления с поnерхпости бетона,
ус�шивают действие мороза. Механизм их действия недостаточно ясен, но разруше­
ние бетона ускоряется н несколько раз. )1,ля от\снки способности бетона сопротин­
ляться действию мороза в этой ситуации приl\>1еняется терJ1,,1ин ,иорозосолесrпой­
кос,пь бетона. Образцы дорожных бетонов, подвергающихся этому воздействию
при эксплуатации, испLIТL1nа1отся па морозостойкость при пасьпuе1пm пе nодой, а
5% pacrвopol\i1 NaCl. Каждый цикл такого воздействия равен 3-5 циклам заморажи­
нания-отrаинания обf>тчноrо бетона, насьттпенноrо но,71,ой. Поэтому марки по морозо­
стuйкuсти ,цuрuжнuгu бетuнс:1 имеют больший «вес». Так, мс:1рка F200 сuuтветствует
марке FбОО для обычного бетона.
На морозостойкость и морозосолестой:кость бетона вшrnет большое количе­
ство факторов. Их первая группа - качество материалов и прежде всего портланд­
цемента. Он должен содержать пониженное колит:1ество С 3А (желательно до 7 8%). Минеральные добавки в цементе, как правило, снижают морозостойкость,
поэтому предпочтительны чисто клинкерные це�ентьr. Сильное отрицательное
влияние на морозостойкость бетона оказывает лежалость пе:мента.
К запuJ1нитеJ1ЯМ для мuрuзuстuйких бетuнuв предъявняется двс1. требования.
Их собственная :морозостойкость должна быть нс ниже, чем требуемая для бетона.
Зс1.пuлнители дuлжны иметь дucтaTU'!HU высuкuе качествu (кру11нuсть, зернuвuй
состав, чистота), которое l\iroжeт быть интегрально оценено их водопотребностью.
Чем uнс1. ниже, тем 1\-tеньший uбъем уязвимu1·u для мuрuзс:1 цементнuгu кс1.мня будет
содержаться в бетоне.
Параметрами состана бетона, наиболее сутцестненно нлияюп1и?vrи на морозо­
стойкость, являются В/Ц, удобоукладываемосгь бетонной смеси, доля песка в ней.
Водоцсмснтнос отношение является важнейшим фактором обеспечения :морозо­
стойкости, так как при его спи>1<ении уменьшается капиллярная пористость и коли­
чество замерзающей воды в бетоне. Оно часто регламентируется нормативными
,11,окументами. Оченf> ориентироночно можно считать, что н срелнем R/Т' = 0,6 обес­
печивает марку бетона по морозостойкости FLUU, 0,5 - f:zuu и 0,4 - FЗUO. В то же
время в зависи�ости от качества материалов, состава бетона и условий его тверде­
ния, а та1оке уроnня технологии фактическая �1орозостойкость бетона при том )Ке
В!Ц может меняться в значительных пределах.
Rажную ролъ играет у!(обоукла!(ыRаеh-rостъ бетонной смеси, от которой сутце­
ственнu зависит uбъем цементнuгu кс:1мня в бетuне. С рuстuм нuдвижнuсти смеси uн
увсm,rчивастся, а морозостойкость бетона существенно снижается [3]. Причиной
этu1·u является увеличение тuлщины нрuслuек цементнuгu камня между за11uлните­
лями. При более тонких прослойках заполнители лучше сдерживают нежелатель­
ные дефuрмс1.ции це.\1ентнuгu кс:1l\-1ня при Jа.\1Uрс:1ЖИвании бетuна.
33
Существенное влияние на морозостойкость может оказывать доля песка в бе­
тонной смеси, так как при ее повышении увеличивается объем защемленного воз­
духа. Так увеличение доли песка в одном из экспери1v1ентов с 0,33 (доля, опти:маль­
нс1.я но про1 1ности) до 0,5 нривеJ10 к повышению мuрозостuйкuсти бетона с 120 до
400 циклов [4].
l\!fорозостойкость бетона может бьrть понытпена RRеление�r н бетонную смесь
разни1 1ных добавок. Это нластификатuры, нозвuJ1Яющие снижать B/U, г�,щрофu­
бизирующис добавки, уменьшающие степень насыщения бетона водой. Но основ­
пу�о ролr, игра1от воздуховоnле1<а1ощие добаnки. l'Ix nnедение в бетоп позволяет
радикально повысить его морозостойкость (раздел 4).
R бетоне, лаже насып(снном ноnой, нссrла имеются нскоторьrс пространстна,
заполненные воздухом. Их 1v1ожно рассматривать как «резервные>>, могущие в1v1е­
щать избьпок воды, образующийся при ее замораживании ( воздух легко сжимает­
ся). При их достаточном содер>I<апии и раnпо?\-rерном распределении n цемепnrом
камне избыток воды будет оттесняться в эти пространства без нарушения структу­
ры бетона. Rеm,rчина нозникаюrцеrо при за�rоражинании rилраRлического ланления
(основной нричины разрушения бетона морозом) зс1.висит от того, наскuJIЬКО бнизко
от фронта замерзания они находятся. Поэто1v�у в отличие от большинства других
свойств бетона, зависяших в первую очередь от величины пористости, для морозо­
стойкости более важен ее характер. Чем больше остается в водонасыщенном бетоне
воздушных включений (резервных пор) и чем равномерней они распределены, тем
выше будет его морозостойкость.
Резервная пористость бетона создается различными видами воздуха. Он мо­
жет подсасываться в капиллярные поры вследствие контракции, а некоторый объем
во3духа защемляется в них при насыщении бетона водой. Но основным видом ре­
зервной пористости являются воздушные поры, образовавшиеся из пузырьков за­
щемленнu1~u или искусственно вовлеченного воздуха, остс1.вшихся ври уuлотнении
бетона. Воздушные поры остаются заполненными воздух.01\1 даже при длительном
выдерживс1.нии или Jкснлуатаци_и бетона в воде. Искусственно вовлеченный воJдух,
в отличие от других его форм в бетоне, является легко регулируемым видом ре­
зернной пористости бетона (при ттомоп,и Rозл,ухононлекаюп(их nобаRок).
Специфика защитного действия воздушных пор заключается в тоl\-1, что каж­
дая из них защищает от разрушения 1v1орозом лишь небольшую оболочку цементно­
го камня nокруг себя, в пределах которой пере;\1ещения воды пе вь□r,1ва1от болLших
напряжений. Поэтому объем защишенного цементного камня увеличивается с ро­
стом солержания Rоздутпных пор и с уменьп1ение1,,f их размерон. JJ,ля от,енки эффек­
тивности воздушных пор используется так называемый факп�ор рассrпояния. Он
рассчитывается по данным о количестве и размерах воздушных пор в цементном
ка:мпе при :микроскопичес1,ом анализе шлифов бетона (подробнее - п. 4.6.2). Фактор
расстояния может бьпь представлен как наибольшее расстояние в цементном ка1\1не
,ri:o блw,кайrттей Rозnупmой порь1. Чем он меньпте, тем морозостойкость бетона Rьппе.
Фактор расстояния уменьшается нри увели t 1ении t.:uдержания во3душных пор
и особенно при умсньшсm1и их размеров. Обе эти цсm1 достигаются при введении в
бетонную смеt.:ь вuздухuвuвлекающих дuGавuк. В отечественных стандартах фактор
расстояния не нормируется. IIo в большинстве стран его значения должны быть
менее 0,2 -0,25 мм. Это обеснечивает высокую мuрuзоt.:тойкость бетона.
34
В качестве более простого критерия морозостойкости используется объе._111. во­
влеченного воздуха. Он обычно нормируется, в ТО}.1 числе в нашей стране, на уровне
4 - 6%. Если воздух вовлечен при помощи качественной добавки, есть большие
основания нреднонагсiть, •1то он Gудет нредстав.нен мелкими пузырьк<1ми, которые
при твердении трансформируются в воздушные поры соответствующих размеров. В
таких случаях объем Rомечепного Rоз,п;уха может бьтть ,r�:остаточно на,п;ежньтм кри­
терием м.ороJостойкuсти. Но следует иметь в виду, что ряд факторов может вызвать
укрупнение воздушных пузырьков: низкокачественная воздухововлскающая добав­
ка, педостаточпое уплотпепие бето1п1ой смеси и т.д.
11скусственное вовлечение воздуха является основным способом получения
бстоноR Rысокой морозостойкости. F,cmт умсныттснис R/T� (Rторой по значимости
фактор) с О, 7 до 0,4 позволяет повысить Уiорозостойкость с несколью1Х десятков до
200 - 300 циклов, то при содержании вовлеченного воздуха 4 - 6% и факторе рас­
стояния менее 0,2 - 0,25 удается постигатr. :морозостойкости бетона до 1 ООО - 2000
циклов.
1.9.2. Коррозионная стойкость бетона
При эксплуатапии бетона возможно воздействие на него агрессimных сред,
что может приводить к потере эксплуатационных свойств и разрушению бетона.
Коррозионная стойкость бетона определяется дву1m группами факторов: химиче­
скими и физическими.
Хи,пические процессы. Минералы цементного камня, образующиеся при
твердении бетона, могут химически взаимодействовать с различными агрессивны­
ми внешними сред<1}.u1, ВU:.$дейt;твующими на бетон, что приво,цит к его разруше­
нию. Основными составляющими цсУJснтного камня являются гидросиликаты, гид­
рuаню.\1инаты и гидрuферриты каньuия, гидросульфоа11юминс1.т и С<1(OН) 2. Послед­
ний ограниченно растворИ}.f в воде, поэтому жидкая фаза в порах цементного камня
нредставняет собой щелочной раствор. lvlинералы камня нс1.ходятся в конт<1кте с
ним, следовательно, устойчивы к щелочной среде, можно сказать, имеют щелочную
ттриро,п;у.
Следствием этого является их химическая активность к кислотам. llоэтому
кислотные среды являются агрессивными по отношению к цементному камню и
разрушаrот бетон. Различаrот общекислотиуто 1<оррози10 (дейстnие соляной, азотной
и других кислот) и углекислую коррозию (действие углекислоты), имеющую специ­
фические особенности.
Агрессивныl\1и для бетона являются и некоторые соли (сульфаты, магнези­
альные и некоторые друтие ).
Наиболее часто встречается nоздейстnие па бетон сул1фатоn, котор11е содер­
жатся в природных водах, включая }.tорскую, и в промышленных стоках. Особенно­
стhю сульфап�ной коррозии яRляется то, что «миптенью» сульфатоR ока..зыRается
только одна из СUСТаВЛЯЮЩИХ це.-.1ентного Ка.\1НЯ - гидрUi:UlЮМИН<iТЫ капьция. Это
позволяет получать сульфатостойкий портландцемент путем снижения содержания
i:UlIOMИHaTa.
Сульфаты взаимодействуют с ними с образованием соединения значительно
Guльшегu uбъемс1. - гидросульфuаJ1юмината каJ1ьция. Эт<1 реакция нрот�кает и на
35
начальной стадии твердения бетона, так как при помоле цемента в него добавляется
гипс (п. 1.3). Цеrvrентный камень в это вре�rя еще достаточно пластичен, и деструк­
ции не происходит. Ilo в затвердевшем бетоне образование кристаллов гидросуль­
фоа.r1ю1'v1ината с увели'iением объема по•1ти в 5 рс13 нриводит к большим нанряжt::ни­
я:м, трещинообразованию и разрушению бетона.
Опасной лля бетона является и филr,тра,,ия через него мягких нод, при кото­
рой ароисхuдит коррозия выщелачивания. ХU'гя C::t(OH) 2 и ма.r1орастворим (~1,2 г/л),
он может постепенно растворяться и вымываться из бетона, оставляя после себя
пустот11. Вым11nапие nсего гидроксида кал1ция (его содерj1,ится n цемептпом ка:м:пе
10-15%) приводит к снижению прочности бетона в 2 - 3 раза. Чем больше скорость
фильтрат,ии ROДF.T через бс-rон и чем тоньптс конетрукт,ия, тем разруттrснис происхо­
дит быстрее.
АгрессивнЫI\fИ являются мягкие воды, растворяющие повышенное количество
++
Са(ОН)2 . С уnеличепием )Кесткости (содер)l<апия иопоn Са++ и Jvlg ) nода стапоnится менее опасной, а при бикарбонатной щелочности более 1,05 мг/л - неагрессив­
ной.
Физические процессы, протt::кающиt:: нри коррозии - это uодвод агрессивной
среды к бетону (или ее ф�-шьтрация через него), а также отвод продуктов реакции.
Процесс развития коррозии зависит как от скорости хи:\fической реакции, так
и от скорости подвода (диффузии) агрессивной среды к бетону и отвода продуктов
реакции. Химическая реакция протекает наиболее бь1стро в начальный период, но
замедляется и может даже затухать по :мере накопления на поверхности бетона про­
дуктов реакции, затрудняющих диффузию к нему агрессивной среды.
Важнейшим для скорости коррозии является вопрос: проникаеп, агрессивная
среда в!-l)'mръ бетона и.ли процесс ограничивается поверхностнъии взаимодействи­
ем. Менее опасной является ситуация, когда имеет место поверхностный контакт. В
то же время при фильтрации воды •н;рез бетон скорость коррозии многократно уве­
личивается. i\грессивная среда приходит в контак-т и реагирует с уязвимыми ]\,Jине­
ра.rш.ми на громадной внутреннt::й новерхности бетона. Соотвt::тствt::нно возрастает и
скорость разрушения. К тому же фильтрующая среда может выносить из бетона и
про!()'КТhт коррозии.
За�цип�а бетон.а от коррозии осуществляется путем воздействия как на хи­
мические, так и на физические процессы коррозии. Первое предусматривает выбор
це.меип�ов, в котор11х отсутстDУJОТ компопепт11, уязnимые для данной сред11. Так,
пуццолановый портландцемент содержит активную 1\,ШНеральную добавку, связы­
наюп,ую Са(ОН)2 R нерастноримое сое,r,,инение и поэтому стоек при коррозии вь1щелачивания. Затвердевший сульфатостойкий портландцеrvrент (С 3А < 53/о) практи­
чески не содержит гидроалюмината кальция, с которым могли бы взаимодейство­
nат1 сул1фат11.
Воздействие на физические процессы позволяет уменьшить скорость корро­
зии. Оснонная змача- ис1.:.11.ючитъ фильтрацию агрессивной среды через бетон, что
достигаt::тся новышt::нием его плотности, обы•-!но пуп�м снижt::ния B/U. Это, ножа­
луй, основной прием по защите бетона от коррозии. Нередко среда считается агрсс1,;ивной, t:CJJИ она фильтруt:т черt:з бетон, и становится нt:опасной, есJш дело ограни­
чивается ее поверхносТНЫI\,J контактом с бетоном.
36
11ногда, при высокой агрсссивносn1 среды, указанные меры могут быть недо­
статочными и на бетон наносятся защитные покрьпия.
1.9.3. Защита бетоном арматуры от 1�оррозии
Болъптая час,ъ бетона, R натпей стране тторя,Г(Ка 80%, И!(ет на ттроизно!(стно
женезuбетuнных кuнструкций. В них Gетuн выпuнняет еще u,цну вюкную функuию защищает арматуру от коррозии.
Уcлonияrvrn коррозии стали яnляrотся присутствие nлаги и в то ж:е nремя до­
ступ к ней кислорода. Они имеют место и в бетоне, так как капиллярные поры, про­
низъmаюп(Ис 1\СМСНТН'F,lЙ камень, RЫХО!(ЯТ И на ПОRСрХНОС'ТЪ ар11,1атур�:,1. Они СО!(Ср­
жат как воздух, так и воду.
Тем не менее арматура в цементном бетоне не корродирует, так как бетон за­
щищает ее химическим nyniew. Гидроксид кал1ция, которr.rй имеет пиз1суто проч­
ность и растворим, для защиты арматуры от коррозии играет решаюшую роль. Он
растворяется R ттороRой RЛаге, что ттриRоnит к образоRанию П\елочноrо pacrRopa с
рН = 12 - 13. Он и 1нн.:сивирует пuверхнuсть станьнuй арматуры, нредотвращаЯ ее
коррозию.
Учитьmая негативные аспеI-.'ТЫ присутствия Са(ОН) 2, в технологии цемента и
бетона часто используют приемы, позволяющие уменьшить его содержание (при­
менение портландце�ента с 11,1инеральными добавками, пуццоланового или шлако­
портландцемента, введение минеральных добавок в бетон). llo некоторое количе­
ство Са(ОН)2 , так называемый «щелочной фонд», необходимый для защиты арма­
туры от коррозии, должен обязательно оставаться в бетоне.
Литература к разделу 1
Гершберг О.А. Техно.�:огия железобетонных изде:rn:й. М.: Стройизцат.-1971. -359 с.
Горqаков Г.И:., Баженов Ю.М. Строительные материалы. М.: Стройиздат.-1986.-687 с.
Зоткин А.Г. Бетон и бетонные констрУJ<UИИ. -Ростов н/Д: Феникс, 2012. - 335 с.
Кунцевич О.В. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений крайнего севера. - Л.:
Стройнздат, 1983. - 131 с.
5. Рекомендацш1 по подбору составов тяжелых и мелкозерШiстых бетонов. f\1.: ЦИШ. 199(). -68 С.
6. Серых P_JT., БаптлыкоR Н.Ф. Нарас-rанис прочности бетона RO Rрсмени // Rстон н жслс.зобстон. - 1992. - №J. -с. 19-21.
7. ГОСТ 7473 -2010. Смеси бетонные. Техниqеские условия.
Н. l 'UC..:T 10060-95. Бетонъr. Методы определения морозостойкости.
1.
2.
3.
4.
9.
ГОСТ 10178 -85. Портлан,11дсмснт и п1лакопортлан.11демснт. Технические услоRия.
10.
11.
12.
13.
14.
ГОСТ 10180 -90. Бетоны. Методы определения прочности по кон трольным образцам.
ГОСТ 10181 -2000. Смеси бетонные. 'Nlетоды испытаний.
ГОСТ 18105 -201 О. Бетоны. Правила контро.�я и оценки прочности.
ГОСТ 26633- 1991. ];стоны тяжелые и меm<озсрнистыс. Технические услоnия.
ГОСТ 31108 - 2003. Цементы общестроительные. Технические условия.
37
2. БЕ1"' 0Н С СУПЕРПЛАС1"'ИФИКАТОРАМИ
Суперпластификаторы (СП) - группа пласпzифицируюи1их добавок, повыша­
ющих подвrокностъ бе1понной c.,wecu с ПI до П5 или снижаю�цих ее водопотреб­
иос1пь не ме1tее ЧCht иа 20 %.
Следует сразу отметить, что эффекты СГl в бетонной смеси и бетоне не по­
стоянны, а существенно зависят от состава смеси и в первую очередь от расхода
цемента. Поэтому нриведенные в определении «граничные» значения эффеh.'ТUВ,
позволяющие отнести добавки к СП, ГОСТ [46] предписывает определять на бетоне
контрольного состана с расхо�ом r,емента 350 кг/м-' из бетонной смеси с rто,r(Rижностью 2-4 см. При этом должны быть использованы портландцементы марок 400 500 с ДО - Д5 и содержанием С3А < 8 %, щелочей < 0,6 % и удельной повсрхно1..:тью 3200-4000 см2/1· или их аналuги пu ГОСТ 31 l 08. Следует отметить, -!тu ис­
пользование цементов с нормированными в стандарте характерисn-1ками обеспечи­
nает поnr,rшеппУJо эффектиnпостr, добавок.
Результат, получаемый при применении Cll на конкретном производстве, бу­
дет отличаться от се стандартных испытаний по двум причинам. Во-первых, из-за
uтли•-!ия фс1ктичеliких характериliтик цементсt uт укшанных выше - этu мuжет ме­
нять и в ряде случаев уменьшать эффект. В то же вре1'tя при расходах це11,1ента,
болr,ших 350 кг/м3 , эффект СП будет уnеличиnаться.
Приведенное выше определение отражает два основных эффекта СП в бетон­
ных смесях: пластифицирующий и водоредуцируюший. Хотя стандарт предусмат­
ривает возможность оценки СП при использовании любого из них, следует отме­
титr., что nодоредуцируrоший эффект яnляется более ипфор :матиnrп,1м. Пластифика­
ция же нс трансформируется в удобный для практики показатель (как снижение
В/Ц нри водuредущ1ровании), 110 которому мuжнu Gьu1u бы uценить влияние СП на
свойства бетона.
Пластифицируrощие добаn1<и нашли применение n техполог�m бетона только
в 50-х годах прошлого века. :>то были отходы целлюлозно-бумажных комбинатов:
сульфитно-сm-1рт0Rая барда (CCt>), а R лал'f,нейттrем - сулr,фитно-лрожженая бражка
(СДБ). Их действующим началом являются кальциевые соли лигносульфоновых
кислот, но содержатся также нежелательные примеси - сахара (редуцирующие ве­
щества), окi:tзывающие тормuзящее действие на твt:рдение бетuна. Этu не нuзвuлилu
применять пластификаторы в дозировках более 0,25% от 11,1ассы цемента. Эффект
яобанок R таких нозиронках б'f,1Л ненеm-tк, порялка 8 - 12% по Rояорелут�ронанию
бетонной смеси.
Существенным шагом в совершенствовании пластифицирующих добавок
яnиласr, очистка СДБ от не,1селателr,1п.1х примесей, что позnоJШло улучшитr. каче­
ство получаемых таким образом их модификаций. Лиrносульфонаты технические
(ЛСТ) обеспечивают большее водоредуцирование, порядка 12 - 18%. Они под раз­
ными фирменными названиями выпускаются сегодня многи11,m производителями,
по российской классификаr�и на.знаны пластификаторами (н сличина нолорс�(И­
рования бетuнной liмеси менее 20%) [45].
Самым значительным собьm,rем в области добавок для бетона стало появле­
ние су11ерпластификс1торuв. Это liuецианьно нuнучаемые нолимерные пuверхнuст­
но-актиннF>rс RСП(сстм, которF>1с нс со,л:сржат нсжслатсл'f,НЫХ примесей. ГТоэтОJ\'fУ их
1
38
можно вводить в больших количествах, чем пластифицирующис добавки (0,5-1 %
от массы цемента), и получать более высокие технические эффекты.
Применение СП позволило решить две важных задачи, длительное время сто­
явшие uеред технологами по бетону: нuлучение качественных высокоподвижных и
литых смесей с ограниченным водосодержанием и высокопрочных бетонов, проч­
ность которьтх 1-rожет значительно преRьппать марку т,емента. 1vfнorиe спет,иалисты
рассма1риваЮт внедрение СП как са.\1ое значительное достижение технологии бе­
тона в ХХ веке.
В 90-х годах пояnились, а n последпее nремя нашли зпачительпое применение
еще более эффективные пластификаторы на поликарбоксилатной основе, получив­
птис назRанис rипсрпластификатороR. Они позRоляют снижать Rолосолсржанис
бетонных смесей на 30-403/о. 110 стандарту они также относятся к суперпластифи­
каторам.
Пояnлепие СП пoзnomrno n зпач�-rrельпой степеrпf разрешитr, оспоnпу�о про­
блему технологии обычного бетона. Она заключалась в проn1воречии между жела­
ние1-1 иметь хороrпо фор.\1уемую смесь (что требоRало )'Rеличения расхо11а RОТ(ЬТ) и
с1ремнением поJ1учить нлотньlЙ бетон нри разумном р,н.:ходе цемента (дня чего
воду уже нужно было уменьшать).
В классическом (бездобавочном) бетоне вода обеспечивает требуемую удобо­
укладываемость бетонной смеси, а улучшение технических свойств бетона достига­
ется снижением B/U, т.е. повышением расхода цемента. Его целесообразный пре­
дел, порядка 500 кг/м3 бетона, ограничивает получаемую прочность: которая, как
правило: не превышает марки цемента.
Введею1е СП, перенимающего пластифицирующие функции части воды
(так, 0,7 - 0,8 % С-3, т.е. 2-4 кг/м 3 бетона, :.н1меняют по 11ластиф1щирующему дей­
ствию 30-45 л воды), делает возможным снижение В/Ц уже нс повышением ко­
J1и•1ества цемент.t, а уменьшением расхода воды в бетонной смеси. Это позволяет
получить более качественный бетон с меньшим объемом цементного камня и с
ароч ностью, нревышшuщей марку цемента. В этом слу•1ае при В/Ц норядка 0,3
достигаются прочности бетона на 20 - 30% более высокие, чем при В/Ц = 0,4 (ис­
пользуемом при определении марки пемента). При 11ополнителF>ном ннеденm-t
м:икрокремнезема возможно и повышение прочности бетона по сравнению с мар­
кой цемента до двух раз.
Второй аспект применения СП - получение nысо1<отехпологичпьrх лит�:.rх и
са:моуплотняющихся бетонных смесей при разумном расходе воды и це:\1ента. По­
пытки 11остижения Rысокой подRижности бетонных смесей без пластифит{ируюп(их
добавок приводили к росту их водосодержания до 240-250 л/мJ и получению низкокачественных бетонов с большиJ\11 объемом цементного камня. II лишь использо­
3
nаrше СП позnоmшо получат�:. литые смеси с расходом водr,r 180- 190 л/м и бетоны
из них требуемого качества [ 16].
2.1. Суперпластифи:каторы
СП представляют собой органические высокомолекулярные водорастворимые
соединения. Они относятся к поверхностно-активным веществам.
39
2.1.1. Поверхностно-активные вещества
Бетонные смеси включают твердую, жидкую и газообразную фазы, между ко­
тuрыми и_\1еются нuвс:рхнuсти pa.3Дt:Jii:i: Кl'вердi:iЯ фюс1. - вuда.►> и «вuда - вu3дух».
Ilекоторые органические вещества, растворяющиеся в воде, способны накапливать­
ся (адсорбироnатLся) 3 па этих поnерхпостях, существеппо измепяя свойства смесей
уже при введении в очень малых дозировках. Они назьmаются поверхностно­
активными веществами (ПАВ).
Пuверхнuстнu-активные вещс:ствi:i ширuкu иснuньзуются в качестве дuбавuк
для бетона (органические добавки). Основой адсорбционных процессов ПАВ на
твердых частица,"< и поверхности раздела «вода - воздух» являются нейтрализация
электрических зарядов частиц и уменьшение поверхностной энергии (в частности,
ттонсрхностноrо натяжения ROJJ:"hJ).
Бuльшинствu ПАВ в вuде диссuциирует на иuны. НаибuJ1ее ра.снрut.:трi:iнены
анионактивные вещества, поверхностную активность в которых проявляет отрица­
телLпо заря)I<еппый иоп (апиоп). В частности, апионактивпые СП сорбиру�отся па
зернах цемента и продуктах их гидратации, поверхность которых заряжена положи­
тельно.
Сущс:t.:твс:нным дJlя _цругuй чаt.:ти адt.:uрбциuнных нpuцc:t.:t.:uв явняется тu, чтu
значите_тп,ная част1, TTAR имеет ассиметричное, как rоRорят, 7'Ифиm,ное строение.
Их :молекулы состоят из гидрофобной (основная часть молекулы - углеводородный
радикал) и гидрофильной частей. В воздухоnоnлека1ощих добавках, адсорбируrо­
щихся на поверхности раздела «вода - воздух», гидрофобная часть выталкивается
из nодь1, а гидрофильная, обладаrощая сродство1vr к полярпLrм молекулам nоды -
остается в ней.
При адсорбции па тnердьIХ поверхностях (зерна цемента и проду�<т11 их гид­
ратации) молекулы Гl-\В могут улучшать их смачивание (тогда это гидрофилизи­
рующис добавки �ши пластификаторы) иm,1 - наоборот - придавать этим повсрхно­
t.:тям вuдuuт1·а.лкива.ющис: свuйt.:твi:i (гидрuфuбизирующие дuбавки). Слс:дствис:м
адсорбции ПАВ на зернах це11,1ента может явиться ухудшение доступа к ним воды и
замедлеrше пропессоn схnатыnапия и твердения цемента. У некоторых добавок этот
эффект наиболее выражен (добавки - замедлители схватывания).
Fсли ТТА R ал:сорбируются на ттоRерхностях разлела «R07'a - RОЗ,1)'Х», они сни­
жают пuверхнuстнuе нс1.тяжс:ние вuды' вызывая вuвлс:qение в Gетuннvю
смесь вuз�
духа (воздухововлекающие добавки)_
J(Re rрутпп,т ПА R, рассматриRаем-ые ниже (суттерттластификатор�=.т и RОЗ7'ухо­
вовлекающие добавки), имеют разный механизм адсорбции. Анионактивные СП
сорбируются на зернах uсмснта, поверхность которых заряжена положительно, а
воздухововлекающие добавки, будучи дифильныN1и, конuентрируются на поверх­
ности раздела «вода - воздух».
3
Адсорбцией называется увеличение концентрации вещества на поверхности раздела фаз по
сравнению с его содержанием в объеме фазы (п. J .2).
40
2.1.2. Состав суперпластпфикаторов
В зависимости от состава СП делятся на несколько групп [6,17]. Две важней­
тпие из них - это пролуктF.т поликонл:енеат,ии нафтаппнсулF.фокислотF.т и 1vrеламин1,;уньфокисноты 1,; форманьдегидом, соответственно Нi:i!р'Л:1J1информш1ь,цегид и мелi:i­
минформальдсгид. К первой из этих групп относится СП С-3, нашедший наиболь­
шее применение n пашей стране.
Молекулы С-3 имеют различную степень поликонденсации (n). Выделяют
олито,1срную (легкая ( n = 2 - 4) и срс,л:няя (n = 5 - 9) фрак1,ии) и поли�1срную (n >
I О) составляющие. Каждая из них оказывает свое влияние на эффеt-'ТЫ СГl.
В частности, легкая фракция способствует воздухововлечению в бетонную
смесь и ра1п1ей прочности бетона, тогда как тяjкелая фра1щия обеспечиnает лучшу�о
пластификацию с11,rеси и прочность бетона после 7 суточного возраста. В итоге с
ростом содержания тяжелой фрак1,ии эффектиRность СП уRеличпRаетея [7].
Колебания фракционного состава, воJможные нри нро�,аводстве СП, могут
приводить к значительной изменчивости свойств пластифицированной бетонной
смеси и бетона. Так, при применении разных партий С-3 осадка конуса бетонной
смеси изменялась в пределах 20-25 см, содержание воздуха от 3,l до 7,7%, проч­
ность бетона от 29 до 38,6 МПа. Оптимизация фракционного состава, проведенная
для СП С-3, позволила повысить и стабилизировать технологические и прочност­
ной эффекты добавки, В частности, содержание воздуха в отформованных смесях
составило 2,9-4,4%, а прочность бетона находилась в пределах 33-36,4 МПа [12].
2.1.3. Механизм действия суперпласп1фикаторов
Введение СП в бетонную смесь вызывает несколько эффектов, но основным
И3 них является дефлокуляция зерен цемента. В сме1,;и без добавок они объединены
во флокулы - агрегаты зерен. Причина их образования - действие на поверхности
тRер,л:ьrх тел сил межмолекулярного притяжения. Роль этих сил нозрастает с умень­
шением размеров частиц.
При раз11,rерс зерен < 100 мкм, характерных для цемента и минеральных доба­
nок (11апотп1телей), роль сил ТЯ)1<ести сушестnеппо уменьшается (хотя они и могут
вызывать седиментацию в цементном тесте с повышенными В/Ц). Основное значе­
ние приобретают еилF.т меж-молекулярного притяжения (Rан ,л:ер Raam.coнF>т) и сиm,1
электростатического отталкивания (при наличии заряда на поверхности частиц).
В цементно11,r тесте частицы заряжены положительно, но величина электро­
статических сил оттатшnапия ме)I<ДУ пиrvrn меньше, чerv1 сил :ме)к11олекулярпого
притяжения. Поэтому зерна цемента притягиваются друг к другу, образуя флокулы.
Rнуrри флокул у,п;ержиRается («затцемляетея») значительное количестRо RОТ(Ы, ко­
торая не участвует в об�спечении uодвижности бетонной смеси.
Пластифицирующис добавки, в том числе СП, являются обычно анионактив­
ными. Пластификацию обесне•швают отрицаrеJ1ьно за.ряженные ионы (анионы).
Так, rvrолекулы С-3 отщепляют ионы Na +, а оставшиеся анионы состоят из углево­
дородного радика11а. и некоторого количе(.,"ТВа гидрофильных грунu S0 3·, раснреде-
41
ленных по длине молекулы. Они адсорбируются «плашмя» на положительно заря­
женньLх частицах цеf\.1ента и нрuдуктах егu гидратации, нридавая им uтрицс1.тельный
заряд.
При применении пластификатороn nеличипа (плотность) зарядов па поnерх­
ности частиц такова, что электростатические силы отталкивания уже превышают
сильт меж�олекулярного притяжения. Это приволит к взаимному отта.пкиRанию
цементных 3ерен и их диспергс:1.ции, рс:1.:3рушению флuкул (рис. 2.1 ). Вuдс1., кuтuра.Я
механически удерживалась в них, освобождается и разжижает бетонную смесь.
Поэто��у наряду с обшепринятым названием для СП используется и другое: добавки
- диспергаторы [6].
а
Рис. 2.1. Дисперrация зерен цемента суперпластификатором. Цементное тесто:
а -без добавки, б -в присутствии суперпластификатора [34]
Гlроцесс не ограничивается физической адсорбцией, так как сульфогруппы
S0 3-, остаюп1иеся на молекулах СТТ ттри 01111еплении ионоR натрия, химически Rза­
имодействуют с алюминатной составляющей и необратимо связываются с ней (хе­
мосорбция). В литературе отмечается nозмо)I<постL копкурирутощей адсорбции СП
и сульфат - аниона, образующегося при диссоциации гипса, на алюминатной фазе.
Адсорбция СП нс закрывает воде доступ к зернам цс:мснта, хотя и несколько
3атрудняет e1·u. С дру1·uй <.,-тuрuны, ра.3рушение флuкул улу•-!шает смачивiiние це­
ментных часп1ц водой. В зависимости от соотношения этих эффектов СП могут как
не влиять на процесс схватывания цемента, так и несколько за�1едлять его.
Гидратация цемента и адсорбция СГI и начинаются с момента контакта его
зерен с RО/"(ОЙ. При этом на их поRсрхностях образуются свсрхмслкис частички нo­
вuuбpii3UBiiНИЙ. Они llUK]JЫВcl.IOT c�iiMypUBЫBiiIOT) уже адl:uрбирuвс1.нные мuлекуJ1Ы
пластификатора, что прекращает их действие. В это время в воде затворения нахо­
дится зпачителLпый из6L1ток СП. Поэтому молекулы добавки, растnоре1пIЬ1е n воде,
адсорбируются на вновь образующихся частицах, и действие отталкивающих сил
между зернами цемента восстанавливается. Процессы гидратации цемента и ад­
l:uрбции внuвь uбрii3ующимиl:я qастицiiми молекул СП прuтекают непрерывнu.
Действие СП продолжается, пока сохраняется его «резерв» в воде затворения.
Если оп закапчиnается, пропол)l(а1ощаяся п1дратация nпоnь придает зернам цемента
(уже покрытым продуктами гидратации) способность притягиваться друт другу.
Опять образу�отся флокуль1, <<защемля1ощие» частL водLI. Это резко спи)кает по­
движность смесей. Поэтому в бетонную смесь вводится такое количество добавки,
которое обеспечивает ее присутстnие n )IGiдкой фазе и сохрапяемостL подвю1а1ости
42
на нужное время. Но этот прием l\ltoжeт быть реализован нс всегда, т.к. ограничен
дозировками, при которых начинается тормозящее действие С.:11 на набор прочности
бетона.
Таким uGразом, важнейшим аспектом действия СП в бетuннuй смеси является
адсорбция его молекул на зернах цемента и главным образом на продуктах его гид­
ратапии. Rеличину алсорб1�т,п1 обычно опре11еляют по остаточному содержанию
добавки в жидкой фа:3е. Имеются данные о вели11ине и кинетике адсорGuии СП как
на отдельных минералах, так и на портландцементах разного состава [7,17].
ПолаRляюп�ая часть, а, по некоторым данным, практически Rся l(обаRка ад­
сорбируется на 11родуктах гидратации цемента. Основное:: значение в Jтuм нрuцессе
имеют гидроалюl\lrинаты кальция. Алюминат вступает в реакuию с водой уже в мо­
мент контакта с пей, образуя гидроал1омипать1 или n присутстnии гипса - гидро­
сульфоалюминаты. Большое количество СГI, измеряемое процевта1"Пi, адсорбирует­
ся на них, причем необратимо (хемосорбция).
Вторым вступает в реакцию с вuдuй а.лит. Hu он начинает гидратировать го­
раздо медленнее, чем алюминат. Поэтому адсор бция СП на гидросиликатах кальция
n бетонной смеси пезпачительпа, а ее nеличипа определяется аmо11ипатпой состав­
ляющей.
Быстрая rидрата1щя алюt-mната приRолит к постоянному обра.зоRанию нояых
частиLJек на новерх.ности зерен цемента. Требуются новые нuрции добавки для
сорбции на этих непрерывно образующихся частичках. Поэтому с ростом содержа­
ния в цементе алюмината следует вводить в бетонную смесь большее количество
лобаRТ<И, а при том же со!(ержании СП пластификапия смеси ухудтпается.
Кроме основного действия СП - разрушения цементных флокул и освобож­
лсния зап,смлснной в них RО,Г(Ы - имеет место и Rторой эффект. R бетонной смеси
без добавок частицы цемента и продукты их гидратации адсорбируют на своих по­
верхностях несколько слоев воды, переводя ее в «остеклованное» состояние (п. 1.2).
При адсорбции и:ми СП эти молекулы «освобождаются», что также увеличивает
содержание сRобо,Г(Ной RО)'{Ы R бетонной смеси.
Придается значение и с1·лаживi::LНию микрорельефа новерхнuсти цементных
зерен адсорбирующимися молекула1"rи СП, имеющими значительные размеры ( не­
сколько папометроn), что та1оке CJIИjJ<aeт nязкость цемептпого теста.
2.2. Эффекты суперпластификаторов в бетонной смеси
Перnопричипой влияния СП па сnойства бето1пrой смеси яnляется увеJШчепие
содержания свободной воды и происходящее вследствие этого снижение вязкости
пементного теста. Оно может быт�:. использоRано для пластификатщи бетонной c1vre­
cи, если ее состав при введении С.:Гl не меняется. Второй вариант применения СГI сокращение расхода воды при сохранении постоянной подвижности смеси. При
этuм снижсtется В/Ц и улуч_ша�rся кuмнлекс те::хни1 1еских свойств бетона. Еще один
возможный эффект в этом варианте: экономия цемента при сохранении В/Ц посто­
янным.
Возможно и одновременное использование пластифицирующего и водореду­
циру1ощего эффектов СП n бетоппой смеси, по ка)1<.дый из IПIX будет прояnляться
лишь частично. Пример приведен на рис. 2.2.
43
25
10
1
о т------t--------1�----т----<--->-1
140
150
160
170
180
Вода,кr/мЗ
Рис. 2.2. :Jффекты суперпластификатора при его использовании для пластифпкацпи
(1----+4), водоредуцирования и снижения В/Ц (1-2) и одновременного получения двух
эффек.ов (линия 2 - 4, пример - т. 3). Точка 1 -контрольный состав бетона.
Контроm.ный состан бетона (R = 180 кг/м3 ; т,= 360 кг/м 3 ; R/Т' = 0,5) имеет
подвижность 2 см (точка l). llpи введении СГl возможны следующие эффекты:
- если добаnка применяется n варианте пластифи1<ации (без изменения состава
бетонной смеси) - подвижность смеси повышается до 21 см (точка 4);
- при�1енение СП при сохранении подвижности бетонной смеси постоянной
позволяет снизить расход воды до 140 кг/м3 (точка 2), и уменьшить В./Ц до 0,39.
Воз�оя(на и э1<ономия цемента - 80 I<Г/м 3 бетона (если В/Ц остаnить постояппь1м,
раВНЫJ\1 0,5);
- если О№ОRременно используются оба эффекта СП, нозможны их различные
сочетания. Их варианты определяются точками на линии 2 - 4. Например, при
уменьшении расхода воды до 165 кг/м 3 подвижность бетонной с:\1сси увеличится до
1 О см, а. В/Ц сни3ится до 0,46 (то•1ка. 3) с соответствующим улу 1 1шением свойств
бетона. Экономия цемента в этом случае составит 30 кг/:м 3 (при одновременной
пластификации бетонной смеси).
Возможно и одновременное использование трех эффектов: пластификация
бетонной смеси, снижение pacxo,r(a нодьт (R/Т') и соr--ратт\ение расхопа пемента. Rе­
ли•1ина ннастифика.uии и экономии uемента. определяется выбuром В/Ц (в приве­
денном выше примере в интервале 0,46-0,5). Приведенные примеры показывают,
что СП являются мощным средством регулирования свойств бетонной с:меси и бе­
тона.
Кроме ттластифипируютт�с - нодорсдут1ируютцсrо нсйстниsr, СП l'vroryт понышать стоикость uетонных смесеи к расслоению и вJ1иять на. их сохраняемость.
V
-
V
44
2.2.1. Пластифицирующе-водоредуцирующий
эффект су11ер11J1астификаторон
Пластификация и водоредупироnапие яnля1отся дn��я эффектами, n котор11е
может быть трансформировано первичное действие СГl в бетонной смеси - увели­
чение количестна снобо,rr.ной нол:ьт. Поэтому они RзаимоснязанF>т: каж11F>тй из них
может быть трансформирован, а также нересчитан в другой нри иснuльзuвани_и
зависимости подвижности бетонной смеси от ее водосодержания.
Для обычных бетонов эта зависимость выражается графиками водопотребности
бетонной смеси (п. l.2.1). В соответствии с ними можно считать., что для повышения
поЦАижности с 1 ,rr.o 5 см R смссъ требуется добаRwrь ROJ{Ы 24 л/м 3, а с 15 ,'\О 20 см - 8
JJ/м3 . Данные u росте вuдо111У1ребнuсти для дианазuна нuдвижнu<..,ти 20 - 25 см в стан­
дартных графиках отсутствуют, но приводятся в [6], требуемый расход воды 11,1ожно
оцепитr. как 6 л/м3. Tarrnм образом, nода D n11coкoпoдDИ)ICIILIX смесях становится «более
эффекrn:вной». 11оэтом:у возникает вопрос: какой прием (увеличение расхода СП или
л:обамение ROT(F>т) сле,'\Ует прелпочесть R той иm-1 иной ситуат�. Он булет ра ссмотрен
дш1ее нри Нс:13Начен.ии uиrимальнuй дозировки СП в Gt:тuнe.
Другой вопрос: сохраняется ли количественно зависимость подвижности бе­
тонной смеси от расхода nод11, устапоnлеппая для обычпr.IХ бетонов, D смесях с СП.
По одним mпературныl\1 данным она практически не меняется [6], тогда как по
другим - пластифицироnаппая бетоппая c1v1ec1 требует для поn11шепия подвиjкно­
сти значительно :меньшего количества воды, чerv[ смесь без добавки [33,34]. По­
видимому, в каждом конкретном случае эту зависимость следует устанавливать
экспериментально.
Припципиалr.пая картина пластификашiи бетонной смеси при nnедепии СП и
его влияю,rя на прочность бетона представлены на рис. 2.3.
!
2S
i 20
а
�
1 1S
10
s
/
I
•/
/
�
150
140
i::
11
/
160
б
/
130
120
110
о
100
о 0.1 0.2 о.з 0.4 o.s о.6 о.7 о.а о,9 1
/
о
г--,....._
�
..........
,,,
_/
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Cynepnn&cr..фм1Catop, %
Суnермос:rмф1t1СМор, %
Рис. 2.3. ВJ1ияние расхода су11ер11ластифuкатора в бетоне 11остоянно1-о состава:
а) на подвижность смеси; 6) на прочность бетона [21]
При поn11шепп�:.IХ количествах СП пластифиr<ация бетонной смеси имеет за­
тухающий характер. :::Ла часть зависимости наиболее важна для практики, так как
определяет оптималr.пуrо дозироnку добавки (с:\1. далее п. 2.8). Эффект замедления
пластификации объясняется уменьшением влиян1,rя СП на вязкость цементного
теста при его в11соких дозировка,х.
45
Снижение водопотрсбности бетонной смеси при увеличении расхода СП по
:многи:м данным имеет линейный характер [24,41 ]. Но если исходить из связи между
пластификацией и водоредуцированием ( а в их основе лежит один эффект - сниже­
ние вязкости цементного теста нри введении СП), то характер ИJ-'1енения нuдвиж­
ности и водопотребности бетонной смеси должны соответствовать друг другу. По­
этому Rолорелуттируютций эффект при болF.1пих лозироRках СП л:оwмен уменf>тпаТh­
ся. Этu наблюдалось в ряде иссJ1е,L1.ований [1,30] и отмечается в [6].
Величина водорсдуцирующсго эффекта СП в бетонной смеси зависит и от ме­
тодики его определепия. При этом nибрациопп11е метод11 оцепrш удобоукладr.mае­
:мости C!'l,recи дают большее снижение водопотребности, чем полустатическая осадка
конуса. Это сRязано е ТТОRF.ппснисм тиксотропнf>тх сRойстR (тт. 1.2.1) бетонной смеси
при введении СГI. Гlоэтому при той же подвижности смеси с СГI ее жесткость ниже,
чем контрольной смеси.
Так, при осадке конуса 1 и 5 с:\1 жесткость контрольной
:
бетонной смеси составляла 28 и 16 с (по техническому вискозиметру), а смеси с СП
соответственно 16 и 7 с [33].
Картина сохраняется и для более по/�RИЖНf>ТХ смесей, но их формоRочнf>те
свойства нри действии вибрации приходится оценивать по растекаемости бетонной
смеси. Вре:мя виброрастекаемости для смеси с С - З сокращалось при 01( = 12 см в
1,5 раза, а при ОК = 18 см-в 6 раз [27].
Повышенная тиксотропность бетонных смесей с СП является дополнитель­
ным резервоl\-1 увеличения их технических эффектов в бетонах или экономической
эффективности. При оценке удобоукладываемости бетонной смеси с СП по осадке
конуса продолжительность ее укладки по сравнению с бездобавочной смесью су­
щественно сокращается [2].
ВсJ.Жным фактором, вJ1ияющим на пластификацию и вuдоредуцирование бе­
тонной смеси при введении СП, являются характеристики цемента. Этот вопрос совмеt.:тимuсти uемента и СП-будет ра1.:смотрен ниже.
Значительное влияние на эффекты СП в бетонной смеси оказывает и расход
цемента, несколько меньшее - удuбuукладываемuсть бетонной смеси. При увелиqе­
нпи расхода цемента и его концентрации в тесте возрастает флокуляция цементных
зерен и «захRат» ими ROJ(F.T. СосrmетстRенно уRеличИRается и эффект RRел:ения СП,
разрушающего це:ментные флокулы.
Влияние расхода цс:\1снта, а также удобоукладывасмости бетонной смеси на
nодоредуцируrощий эффект СП С-3 и СДБ, по дап1IL1м Ю.М. Ба)кеноnа [4], приnе­
дены в табл. 2.1.
Таблит\а 2.1 .
Воноренуuирующнй эффек1· (%) сунер11.1астифнкатора (С-З)
Пот(RижносТh, см
и пластисЬикатоnа (СДБ)
Расхот�: Т\емента, кr/м3
sou
4UO
23/16
20/10
15-18
21/14
17/12
8-10
1-4
18/12
14/1 О
12/8
13/10
Же1.:ткость 20 - 30 t.:
Примечание. До пприха - для С-3, после штриха - для СДБ.
46
зоu
17/12
15/10
12/8
916
Эти данные показывают, что С11 наиболее эффективны в высокоподвижных
бетонных с�есях с высокими расходами цемента. Так, при повышении расхода це­
мента. с 300 до 500 кг/.\1 3 бетона. водuредуuирующий эффекг увеsшчива.еп.:я на. 35 50 %, при переходе от малоподвижных к высокоподвижным смеся:м на 30 - 40 %.
Мияимал�:.н1,1е значения он имеет лля жестких бетонн�:.тх смесей.
Пшн,;тифицирующе-вuдоредуuирующий Jффект 3а.висит и от норядка. введе­
ния добавки. Часто СП вводят в бетонную смесь с водой затворсния. Его эффект
:мо>I<ПО усилитL, если 1313ОдИТL СП 13 пред13арителr.по перемешаппу10 смесL с остат­
ком водь� затворения с последующиl\1 дополн�пельным перемешиванием. Это поз­
Rоляст либо п0R�:.тсит1, эффект пластифика�ии, либо снизит1, расхол л.обаRки. При
таком вве,;::�:ении уменьшается адсорбция СГl на быстро гидратирующе:мся алюмина­
те и тем самым его «о:\1ертвление». Поэтому больше СП остается в воде затворения
[17].
Недостатком метода является сложность обеспечения удобоукладываемости
бетонной с1'1еси при таком порядке перемеmиRаниsr, а также снижение произRо,�и­
тельности с.,1есителя. Комнрurvшссным решением является начальное аеремешива­
ние бетонной смеси с 50% воды, затем введение СП, растворенного в 25 °/4 воды, а
на последне:м этапе подают остаток воды до достижения нужной удобоукладывае­
мости [34].
2.2.2. Стойкость против расслоения
Влияние СП на расслоение бетонной смеси зависит от способа его введения.
При пласпzифицuроваliии бепzонной с;неси ее состав оt..:та.ется ностоянным, но
вязкость цементного теста резко снижается. Соответственно увеличивается и ра(?
слоение (в то же время оно будет нижt:, чем в равнuнодвижной crv1ecи без добавки).
Поэто11,[у для высокоподвижных бетонных смесей с СП требуются дополнительные
мероuриятия но у�1еньшению расслоt:ния. Простейшим И3 них явJmеггся нuвыш.1::ние
доли песка в бетонной смеси с СП. Применею-1е :мелких песков в таких смесях более
приемлемо, чем R 061,тчн1,1х бетонах, так как их расслаИRае1-1ост1, R этом случае су­
щественно нrгже. Более эффективными методами являются введение в бетонную
смесь с СП минеральных или воздухововлскающих добавок. Эти меры тем более
актуалыr11, че�1 ПИ)IСе содер)капие цемента 13 оетоппои смеси.
-
V
В равноподвuжных бепzонных с.111есях В/Ц при введении СП снижается и во­
J(ООТJ(еление УJ\fеm.тпается тем R бол1,пrей степени, че1-r значитеЛJ,ней это снижение.
Так, для бетонной смеси с жесткостью 15 с при введении С-3 и водоредуцировании
водоотделение снизилось в 4 раза [27]. I(ачество бетона при этом повышается, так
как умепLшается впутреппее расслоение бетоппой смеси и повL1шается однород­
ность бетона.
2.2.3. Сохраняемость бетоп11ой смеси
Сuхрс1няе�1ость бетонной t..:меси характеризуется кинетикой потери удобu­
укладываемости во времени. l(ак уже отмечалось выше, характер снижения по-
47
движности смеси может быть близок к линейному, на основании чего введена стан­
дартная х::1рак1·еристика сохраняемости бетонной смеси (п. 1.1.4 ).
Для бетонных смесей с СП из:менение подвижности во времени обычно имеет
cлo)IaILIЙ характер. По ряду да1п1ых после определенного периода, в течение кото­
рого осадка конуса мало меняется, наступает ее резкое снижение. Оно соответству­
ет исчерпанию з апаса СП R жил:кой фазе, Rсле11стRие чего происхоЮiТ флокулиро­
вание зерен цемента. Это показано на рис. 2.4.
20
:1
\1
а:
�
18
•
16
14
12
10
8
б
"
"'
1
'
....
'
4
l.
'
3
'
�
2
о
о
1
2
3
4
Время.час
Рис. 2.4. Потеря попвижности бетонных смесей во времени в зависимости от доз11ровки
суперпластификатора. Содержание С-3: 1 - 0%; 2 - 0,6%; 3 - 1 % [33)
Сложный харакп::р изменения подвижности смесей вu времени набнюдался и
в работе [ 18] для всех 12 изученных супер- и гипсрпластификаторов. Это позволяет
считать кривые изменения подвижности более информативной характеристикой
сохраняемости для бетонных с:мсссй с СП, ч с:\1 се стандартная оценка (время, в тс­
qение которого нодвижнuсть смеси снижается на 6 с.\1).
Скорость потери подвижности бетонной смесью во много:\1 зависит от вида
nnеде1п1ого СП. Нафталип- и мела�ппrформальдегидпые СП n этом плане значи­
тельно проигрывают пластификаторам на поликарбоксилатной основе [4]. Гlри этом
мсламинформальдсгидныс СП вызывают более быструю потерю подвижности, чем
нафтаJшнформапьдегидные [ 17]. Весьма существенно на скuрuсть нотери нuдвиж­
ности влияют и характеристики цемента (п. 2.5. l ).
!(ля nоRьппения сохраняемости бетоннь1х смесей с СП нозможны несr<олько
решений. Это в первую очередь подбор пары «добавка - це:\1ент>>, обладающей хо­
рошей совместимостью. Хотя характер влияния как вида СП, так и характеристик
цемента xopuшu известны, фактическую степень совместимuсти можнu установить
только экспериментально.
Для данного сочетапия «СП - цеме1п» воз�10)1а10 поnr.IШение сохраняемости
при увеличении дозировки добавки, как это показано выше на рис. 2.4. Но этот при­
ем может быть применен лишь в случае, сели нс вызовет спада прочности, проис­
ходящего при высоких расходах СП.
ПоRьттпснис сохраняемости происходит и при примснсm,rи СТТ, ,10Т(ифипиро­
ванных лигносульфонато:м, или его дополнительном введении. Так, в работе [37]
48
для бетонной смеси с С-3, имеющей низкую сохраняемость, наблюдалась потеря
подвижности за 15 мин с 1�,5 до 7,5 см, а при одновременно1v1 введении 0,1% лигно­
сульфоната осадка конуса снизилась лишь до 14 см.
2.3. Стру1сrура бетона с суперплаt..-тифи1саторами
"А1а«росп1ру«тура беп�она. При ввс11снии СП
ттластификат{ии смеси со­
став Gетонс1. остаt:�тся по1.:тоянным и его макро1.:1-руктура, обы 11но характери�уемая
содержанием цементного камня (п. 1.4), не меняется. Но если СП вводится при во­
доредуцироnа1п1и бетопной смеси, объем цементного ка:мпя зпачителr,но сокраща­
ется по сравнению с контрольным бетоном. Неличина его уменьшения при исход­
но11,1 водосодсржании бетонной смеси 180 л/м3 и водорсдуцировании 20 - 30% со­
3
ставит 36 - 54 л/м .
Еще большее снижение объема цементного камня происходит при примене­
нии СП для эконо11,mи цемента. В этом случае, например, при расходе цемента n
контрольном бетоне 400 кг/:м3 и сохранении В/Ц при водоредуцировании 20 - 30%
объем пементного камня сократится на 62 - 93 л/м 3 . Такие изменения макрострук­
туры нредстаВJIЯЮтся существенными и бнагоприятными w1я техни•1еских свойств
бетона (см. п. 1.4).
Микроструктура бетона :меняется при любом способе введения СП.
При неизменно.м составе бе111она (вариан,п 11.ластифuкации ), пористость це­
ментного камня n бетоне остается постоянной, т. к. степень гидратации цемента n
присутствии СП практически не 11,1еняется. IIo происходят два других изменения:
Ка'lества твердой фазы и рс:!:;!мерuв нор.
Модифицирующее влияние СП на морфологию гидратных фаз в цементном
Ка.\1не с•1итает1.:я важным аспектом их дейt:твия в бетоне [29,35]. Оно объясняется
тем, Ч"ГО ансорбп:ия СП на заро11'f>ппах и растут1'ИХ кристаллах ттролуктов ги.п:ратат�ии
цемента тормозит их рост. Это нодтверждено измерениями удельной поверхности
цементного камня, зафиксировавшими ее значительное увеличение в присутствии
С-3. R сре71нем оно состаRило примерно 50% [41]. Считается, что измельчение ча­
стиц способствует оптиl\.mзации структуры Пfдратов в цементном камне и должно
положительно отразиться на прочности [29]. В то же время отмечается, что кри­
стаJu1ики становятся коро 1 1е, 'ITO ослабJiяет их микрuармирующее действие [35].
Следует отметить, что эти изменения �vпfкроструктуры обычно не отражаются
заметно па прочности бетона. Это MO)I<IIO паблrодатr, при nneдerпrи СП n nарианте
пластификации, когда состав бетона не меняется и его прочность остается практи­
чески постоянной (се колебания составляют ±5 - 10% [3]). Но наблюдаются и слу­
чаи зна 1 1ительного снижения нрuчности бетона (несовместимости цемента и СП).
Их объясняют как раз изменением 11,1орфологии новообразований и прочности кон­
таТ<тов 1vrежлу ними [3 1].
Размеры пор цементного камня в бетоне при введении СГl уменьшаются даже
при неиз менном В/Ц, что также является следствием измельчения кристаллов. Это
подтверждено измерениями сорGuии азота, котораЯ для цементнu1·0 камня с С-3
возрастала на 26 - 48% [41].
При водоредуцировании и снижении В/Ц пори1.:то1.:ть цементнuго ка.мня 1.:оот­
встствснно уменьшается. Но если снижение В/Ц в классическом бетоне, осущссгв-
49
!(ЛЯ
лясмос увсm-rчснисм расхода цемента, приводит к росту объема цементного камня,
то в рассматривае:мом случае он уменьшается. Существенное снижение пористости
цементного кa:rvrnя при одновременном :ум:еньшении его объема, достигаемое при
ввt:дении СП и вuдuредуцирuвании, пuJвuляет пuлучать высuкuнрuчные и высuкu­
качественные бетоны.
2.4. Влияние суперпластифпкатороR на прочность
Влияние на прочность является важнейшим вопросом, определяющим эф­
фектиnностr, применения СП n бетоне. В частности, nr,rcoкиe эффектr,1 nодо­
редуцирования и пластификации бетонной смеси часто не могут быть использо­
ваны полностью, так как требуемая для этого дозировка добавки вызывает сни­
жение прочности бетона. Влияние СП на прочность бетона в стандартном и
paннe:rvr возрасте различно.
2.4.1. Стандартная прочность бетона
При пластифицированuи (введении СП без измt:нt:ния сuст<1ва) арuчнuсть бе­
тона в определенном диапазоне дозировок СП может незнач�пельно повышаться,
или остается на уровне прочности контрольного бетона. Это и понятно, т.к. состав
бетона не меняется и В/Ц - главный фактор прочности - остается постоянным. Ilo
при дЗЛLнейшем уnеличепии расхода СП прочпостr, бетона начинает y>r<e спих<атr,­
ся. Причиной снижения прочносnif бетона при повышенных расходах добавки явля­
ется тuрмuзяшее действие СП н<1 нрuuессы твердения цемента. ГОСТ [45] UJJJ<IНИ­
чивает допускаемое уменьшение прочности величиной 5%. Характер изменеm1я
прuчнuсти Gt:тuн<1 нри введt:нии СП в вари<1нтt: пластификации был нuказан p<tнt:t:
(см. р ис. 2.3).
При водоредуцировании (введt:ниt: СП и снижениt: В/Ц) прu•muсть бt:тuна нuвы­
шается, но после достижения oпn�ry:rvra также происходит ее �1еньшение (рис. 2.5).
Нужно отметить, что снижение прочности бетона происхо,rт,ит несмотря на
продолжающееся водоредуuирование и }711-Iеньшение В/Ц бетонной смеси, т.е. тор­
мозящее действие повышенных расходов СП на твердение бетона является более
синьны.\1 фактuрu.\1.
Taки:rvr образом, именно спад прочности :может ограничивать дозировки СП,
примепяемь1е n бетоне. Тем пе менее, ему пе уделяется достаточного nпимапия.
4асто в исследованиях применяется одна дозировка С:11. Гlри этом остается неяс­
нь1м, в каком соотношении она находится с оптmvrальной по прочности.
В вс1риант� плаt:тифик<1ции uрt:вышение uптиманьнuго р<1схuда СП Gy дет
установлено по спаду прочности бетона. Поэтому возможно только занижение
расхо!(а nобаяТ<и, что может сопрояож!(атъся некоторъ1м уменъптением эффекта
ее применения. Но в варианте водоредуцирования прочность бетона в значи­
тельном диапазоне расходов СП будет выше контрольной и узнать, насколько
он<1 uтличается uт uптимальнuй, нри иснuJIЬзuвании uднuй дu�ирuвки нt: нрец­
ставляется возмож ным.
50
'tl
t
а
35
30
""fl 25
•1!- 20
,,,,,,-
�
g 15
,с:
R 10
!8
..
3
1:
5
о
о
0,2
0,4
с
150
130
120
,r
/
110
100
/
1
С\'nермааификатор, "
160
140
0,8
0,6
б
�
.,,,.--,
�
/
---
Г"""--,..._
�
о
0,2
0,4
О,б
0,8
1
суnермастифнкатор, "
Рис. 2.5. Влияние расхода суперпласmфикатора при постоянной подвижности
бетонной смеси на ее водопотребвость (а) в прочность (б) бетона [21).
Средние зна•1епия для 4-х низкоалюминатных цементов и суперпластификаторов 10-03
п 40-03, по.11учснныс обработкой данных (1)
J,Jзменение прочности nри Rолорелут�ироRании бетонной смеси обстоятельно
изучено в работе Ш.Т. Бабаева и А.А. Комара [1] для бетонов на 22 портландцемен­
тах при введении суперпластификаторов 1 О - 03 (мсламинформальдсгид) и 40 - 03
(нафталинформальдегид). Следует отметить, что в этой работе получена наиболее
подробная информация по прочности бетона с СП. Использованы их дозировки
0,25; 0,5; 0,75; l и 1,25%. Образцы ка)I<дого из 220 исследоnаппr,rх состаnов бетона
твердели как в нормальных условиях, так и при пропаривании и были испытаны в
различном возрасте. Авторы опубликовали подробные результаты исследований.
Раl:l:мuтрение и анализ этих данных будет неuднuкраrнu нрuвuдитьl:я в даJlЬ­
нейшем. При этом ограничились прочностью бетонов нормального твердения, у-чи­
ТF>1Rая, что режимы теплоной обработки оказF>1нают сутп:естRенное Rлияние на проч­
ность пропаренных бетонов с СП, что усложняет анализ таких результатов. В связи
с тем, что эффсктF>1 лобаRок 1 О - 03 и 40 - 03 различалис'f>, как праRило, незначитель­
но, представляемые ниже данные о прочности бетонов с этими добавками являются
уерс,л:нснными. А Rтopa1'm [ 1] они еrруппироRанF>1 по т�смснтам с разm,1м со!(ержани-
51
см алюминатов. Некоторые из этих результатов были у-же представлены выше на
рис. 2.5. Для Gетuнuв нс:t нШ1бuJн::е рс:tспрuстрс:tненных среднес:tлюминс:tтных цементах
(С3А = 6-8%) часть данных (выборочно) приведена на рис. 2.6.
t..
0
�0
о
:z
�
�
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
о
1
0,5
1,5
Суп@рпласmф1tка10р, ¾ от массы ц@м@нта
Рис. 2.6. Влияние расхода суперпластпфпкаторов в бетонных смесях постоянной
подвижности на прочность бетона на срсднсалюминатных цементах по данным [l).
Усредненные результаты для СП 10-03 и 40-03. 1- 5 -различ11ыс цементы [22).
Для всех цементов этой группы наблюдался выраженный опти11,�ум прочности
бетона, при 7'алънсйтпсм росте расхол:а СТТ она сm-тжаласF., несмотря на про!(олжа­
ющееся водоредуцирование смеси. Аналогичная картина наблюдалась и для бето­
НОR на низкоаmоминатнf>тх Т(емснтах, но оптJп,1ум прочности имел место при менъ­
ших дозировках добавок (см. рис. 2.5).
Оптиму11,rы прочности бетона при RОJ(орелут(ироRании бетонной смеси наблю­
дюu1сь и для других СП, кuгд<:t применялись их р.1зли чные дuзирuвки, в тuм числе и
для С-3. Его опти�1альный расход в одном из опытов в работе [8] составил 0,9%. В
исследовании [36], где бьmи применены 4 СП, включая С-3, во всех случаях имели
место макси11,1)'1'1Ы прочности, в основном при расходах добавок 0,6 - 0,8%. В работе
C.R. КоRаля [28] оптпмумь1 прочности наблюяалиеf> как )(ЛЯ С - 3, так и /(ЛЯ 71:яух
других отечественных СГl при их расходах 0,41 - О,75о/о. Они зависели от вида до­
бавки, но также несколько возрастали при увеличении расхода цемента. Опти:-.1умы
прочности 61L11и n1rnnлe1111 и n других исследованиях, n то:м числе для бетопоn, под­
вергнутых пропариванию [1,2].
R ТО же Rремя !(ЛЯ RЪIСОКоалюминаТНF.ТХ Т(еМеН'ТОR при раехот�:е СТТ 10-03 и 4003 до 1,25% оптимумы прочности не были достигнуты, хотя интенсивность роста
прочности при содержании добавок более 0,75% в 4-х случаях из 5-ти существенно
НUНИЗИJlсiСЬ [ l].
В исследовании С.С. Гордона [15] для бетонов с С-3 рост прочности бетона
при унеличенпи ее расхо,ТJ,а т�:о 1,5% наблю71алея при значителhном объеме опъттон.
Это происходило как при раздельной, так и при обычной технологии приготовления
бетонной смеси и при разнътх расхот�:ах Т(емента. При это,1 интенсиRностF. роста
прочности при обычной технологии лишь незначительно замедлялась при увеличе-
52
нии расхода добавки. 1-lспользовался воскресенский портландцемент, по данным
[24] высокоалюминатный. Он применялся и в работе [24], где расходы С-3 в бето­
нах на этом цементе были приняты 0,8-1,2% (результаты приведены далее, в табл.
2.2).
Таким образом, содержание в це:менте С3 А дает определенные ориентиры для
нахождения оmималhнь1х Т(озироRок СП. Но они ;-�.олжнF.т уrочнятF>ся эксперимен­
тальнu.
Кроме содержания С3А на эффективность СП в бетоне влияет количество и
активность миперал1пь1х добавок n цемепте. Их сущестnеппая роль бr,rла n1rяnлепа
при изучении пластифицирующего эффекта С-3 в бетонных смесях на 21 разновид­
ности портланлцс11,rснтоR [7] (тт. 2.5.1). К сожалению, 71:аннhIХ о прочностных эффек­
тах в работе не приводится.
Еще одни11,1 влияющим фактором является марка (класс) це:мента. Прочност­
ной эффект СП
D
бетоне уnеm1чиnается при ее спmr<епии. Это отмечается в [3] и
подтверждается рядом экспериментальных результатов. Расчеты, выполненные по
л:аннF>тм [ 1] показhтнают, что нля группьт среднеалюминаТНhIХ пементоR ттоньпттение
арuчнuсти для бt:тона с СП при дозирuвкt: 0,75% сос1авинu в срt:дне.м 53% при
применении марки 400 и 43% при марке. цемента 500 [23]. Аналогичные результаты
получены в этой работе и для С-3. Среднее значение прочности бетона, рассчитан­
ное по данным пяти различных исследований при его использовании для пластифи­
кации смеси, превышало на 2% прочность контрольных бетонов при :марке 400 и
бьmо ниже ее на 3% при марке цемента 500.
Причинами этого эффекта могут являться как большее содержание цемента в
бетоне при rv1еньшей его марке, так и повышенная адсорбuия СП при гидратации
более диснерсных высuкuмарu ч .ных цементов, ч .то нриводит к их мt:ньшему эффt:к­
ту при одинаковой дозировке добавки [7]. Поэтому рекомендации по выбору марки
цемента для бt:тuнов с СП изменяются: «uuтиманьнuе сuuтнuшениt: меЖJ.J.у маркой
цемента и классом бетона смещается с 1,5-2 до 0,75-1,35>> [8].
Прu ч.нuстной эффt:кт оптимi::U1ьных дозировок СП в бt:тuнах при водuредуци­
ровании вследствие действия рассмотренных и ряда других факторов колеблется в
значителF.нhтх ттрет�:елах. )1,ля СТТ 10-03 и 40-03 он состанлял лля бетонон на низко­
алюминатных цементах 40-603/о, а при применении среднеалюминатных цементов
44-80% [ 1 ]. Нужно отмстить, что прочностной эффект этих добавок оказывался
n11ше, чем для С-3. Литературные данные для С-3, приnедеппые далее n табл. 2.2,
показывают_, что ее прочностной эффект в бетоне составлял от? 1 до 69%.
Л,озироRка СП, опрет�:еленпая по началу стта,1а прочности при ттластификат-�.ии
�
,или ее максимума при водоредуцировании оетоннои
смеси, является основным
ориентиром для нахождения оптимального расхода добавки в бетоне.
Поn11шепие прочности при сrапкепии nодосодер:жапия
D
смесях с расходами
СП, не превышающими оптимальных, поддается расчету (прогнозированию) по
неличине снижения R/T�. Но ,r-�.ля этого требуется уrочнеm-1е услоний применения
зависимости прuчнuсти uт Ц/В дня бетонов с СП. Для бездобавu•1ных бt:тuнuв
обычно используется формула Боломся - Скрамтасва: R6 = АRц (Ц/В - 0,5). Она
справt:днива нри Ц!В < 2,5. При егu Guньших значt:ниях раt.:тет водuнuтребнut.:ть
бетонной смеси и существенно увеличивается объем цементного каr.mя в бетоне.
53
Поэто11,1у прочность бетона нарастает в меньшей стспею1, и в формуле Боло:\1ея Скрамтаева изменяются коэффициенn,1 (см. п. 1.5).
Для бетона с СП рост Ц/В происходит вследствие снижения расхода воды и
uбъем цементнuгu камня уменьшается. Пuэтuму uснuвная фuрмула Бuлuмея Скрамтаева оказывается справедm1вой во всем диапазоне изменения Ц/В, по край­
ней мере т�:о 3,5 и т�:аже 4 [3]. Она и может бьrтъ использоRана т�:ля расчета прочности
бетuна с СП cu снижt::нным В/Ц нu нрuчнuсти кuнтрuльнuгu бt::тuна.
Пример: Бетон с Ц/В = 2 и расходом noдr,1 180 I<г/м 3 имеет стапдартпу�о
прочность 36 МПа. При введении СП и сохранении подвижности смеси расход во­
л:�:,т сократился т�:о 144 кг/м3, а TVR ПОRf>тсилоеf> т�:о 2,5. Требуется ориснтироночно
опредеm1ть прочность бетона с СГl в 2�-суточном возрасте.
Формулу прочности бетона в этом случае лучше использовать в виде R6 =
К(Ц/В - 0,5), где К = АRц - I<оэффицент I<ачестnа :материалоn, n1ш1очая цемент, т.е.
учитывая его активность. Подставив в нее данные для бетона без добавки, получаем
К= 24. Прочность бетона с СП состанит:
� = 24(2,5 - 0,5) = 48 МПа.
Расчёт является ориенn1ровочным по двум причинам.
1. Как уже отмечалось выше, фор:мула Боломея - Скрамтаева, KaI< и другие
формулы прочности, разработана для бездобавочных бетонов, т.е. для случая, когда
Ц/В повышается путем увеличения расхода uе:мента. При этом не только снижается
пористость цементного камня, но и увеличивается его объё11,1. Поэтому прочность
бетона растет несколько в меньшей степени, чем при увеличении Ц/В при постоян­
но11,1 объеме цементного камня [38].
При ввt::дении СП расхuд це11,1ента не меняется, а снижается расхuд вuды. Пu­
этому уменьшение Ц/В сопровождается уже сокращением объема цементного кам­
ня в бетuне, •1тu мuжет дuнuннитеJIЬНU нuвысить егu прuч.нu,пъ. Этuт эффекr зави­
сит от величины водоредуцирования и при снижении расхода воды в бетонной с:ме1,;и на 40 н/м 1 (т.е. на 20- 25%) сuставит примt:рнu 10% [23].
2. С другой стороны, СП часто оказывают тормозящее действие на твердение
бетона, что может нейтрализонать эффеТ<т объема Т(ементного Т<амня. Более того, R
ряде случаев прочность бетона может оказаться ниже рассчитанной по формуле
Боломея - Скрамтасва. Для таких ситуаций можно предполагать тормозящее дей­
стnие добаnки па тnepдe1rne бетопа nследстnие ее завr.Шiеппой дозироnю-1 или низ­
кой степенью совместимости СП с цементом.
Rели исттользоRатf> усрет�:неннъrе литературнf>1е J(анньrе при оптимал"ных рас­
ходах Cfl, приводимые в разных источниках, то при водоредущ-1рован1,п1 и сниже­
нии В/Ц на 20-30% рост прочносn-1 бетона в стандартном возрасте составляет 3050%. Весr,:ма ориентироnочпу10 оценку прочпостного эффеrсrа добаnки мояспо полу­
чить уУiножением водоредуцирующего эффекта на коэфф�щиент l ,5-1,6.
2.4.2. Проч11ость бетона в раппем возрасте
Супt:рнлсtстификатuры uбы LfHU нескuлькu Jамедляют гидратацию uемента в
раннем возрасте и могут увеличивать начало схватывания бетонной смеси. :>то
uбъясняет1,;я к:3краннрuванием» uuверхнut.:ти гидрсtтирующихся зерt:н цемента их
54
молекулами, что может несколько затруднять доступ воды к ней. При повышен­
ных дозировках добавки этот эффект становится более выраженным и продолжи­
тельным.
Пpu'lliucть бетuна в раннем вuзрасте мuжет быть еще в большей степени пuд­
вержена тормозяще:му влиянию СП, чем стандартная прочность. В то же время в
пелом ряде случаен наблюдалось и ускорение тнер,п;ения бетонон с СТТ н днух­
трехдневнuм вuзрасте. Литературные данные нu Jтому вонросу наибuлее нрuтиво­
рсчивы.
Пpu.'tteneuue СП а варианте пласпzификации мох(ет наиболее неблагоприятпо
отразиться и�1енно на ранней прочности, т.к. заf1-1едляются процессы гидратации, а
R/I� С;\1сси нс снижается. Тем нс менее, при «разумных» яозиронках СП прочностF>
бетона 2-3 дневного возраста может оставаться на том же уровне, что и контрольно­
го бетона, либо незначительно снижаться. Так в бетоне с С-3 на низкоалюминатном
портландцементе 3-х дпеnная прочность состаnила 103%, па nь1со1<оал1оt.1ипатпом
цементе - 90% от прочности контрольных образцов [16].
Пр очность бе,пона при снижении R/J( н значительном числе случаен суп\е­
ственнu увеличиваетL:я, иногда дu 50-75% в вuзрасте 2-3 L:yi·oк. Этu значительнu
больше, чем наблюдается в стандартном возрасте (30-45%) [16]. Возможно, вклад в
этот эффект оказывает и само снижение В/Ц, ускоряюшее раннее твердение.
По данным [ L ], 1 - 3-х дневная прочность бетона с СП 40-03 бьmа почти вдвое
выше, чем контрольного бетона. В работе [24] 3-х дневная прочность бетона с С-3
на высокоалюминатном цементе бьша на 75-117%, а в стандартном возрасте на 3545% выше, чем контрольных бетонов. Но в бетоне на среднеалюминатном uементе
превышение составляло соответственно 21-46% и 27-51%.
В тu же время при пuвышенных дозировках СП рс1.нняя прочность бетона мо­
жет снижаться даже при водорсдуцировании. I-Iсслсдованис, проведенное при ис110J1Ьзuваю1и 20 пuртландцементов, введении 1 % С - 3 и L:нижении ВiЦ дано следу­
ющие результаты. Растворы на L О цементах повысили !-суточную прочность на 734%. В тu же время при применении l О других uементuв uна нонизш1ась и сuстави­
ла лишь 17-85% от прочности контрольных образцов. :и даже в трехсуточном воз­
расте прочность растнорон на тпести изученньтх Т\ементах литпь незначительно пре­
высила прочность контрольных образцов [5]. Эти данные свидетельствуют об особо
сильном влиянии на прочность бетона совf1-1сстимости uсмснта и СП. Эrот вопрос
будет рассмотрен далее.
Торь-1озящий твердение эффект СП можно уменьшить, сокращая его дозиров­
ку R утперб пластификат�ии или нодоре,Г()'l,иронанию R занисимости от того, какие
требования к ранней прочности бетона предъявляются.
2.5. Совместимост1-. суперпластифи1�атора и цеl\'1е11та
В связи с большим влиянием характеристик uсмснта на эффекты СП в бетон­
ной L:меси и бетоне важнь.1.м ЯВJ1Яется вонрос сuв.\1естимости цемента и СП [39].
Степень совместимости можно охарактеризовать величиной эффектов СП в бетон­
ной смеL:и и в бетuне на даннuм це.\1енте.
55
2.5.1. Реологическая совместимость
Применительно к бетонной смеси принято говорить о реологической совме­
стимости цемента и СП. Этому понятию в литерс:1туре аридаются двс:1 различных
значения. Согласно [9] она может быть охарактеризована степенью пластификации
или Rолорелупиронания бетонной смеси при RRелении лобаRки. R работе [39] глаR­
ной хс:1рс:1ктеристикой совместимости цементс:1 и СП считается сохраняемость бетон­
ной смеси во времени. По видимому, первый аспект актуален во всех случаях при­
:мепепия СП, тогда 1<а1< второй ва)I<еп для монолитного бетона с учетом длител1по­
сти его транспортировки.
Пластифицирующе-водоредуцируюи(ий .эффект. Rлияпис минералогиче­
ского состава портландцемента на снижение водопотребности бетонной смеси при
введении СП было изучено в уже цитировавшейся работе [1], где выявлена роль
содер)I<апия ал1оr.mпата в цементе при введении в бетопп11е смеси СП 1 О - 03 и 40 03. Наибольшее водоредуцироваю1е наблюдалось при использовании низкоалюми­
натн1,тх пе1,,1ентоR (С 3 А < 5%). Оно понижалось при перехо71е к среJ(неалюминатным
(С3А = 6 - 8%) и дс:1лее к высокою1юминс:1тным цементс:1м (С 3А = 10 - 12%). Для рс:tс­
хода СП 0,75% усредненные для двух добавок веmiЧины водоредуцирования в бе­
тонных смесях на разных цементах составили при росте их алюминатности соот­
ветственно 24 - 29%; 21 - 25о/о и 18 - 21 %.
Для С-3 бьmа исследована пластификация бетонных смесей на 21 разновид­
ности портландцемента, отличающихся минералогическим составом: тонкостью
поl\-1ола и содержанием минеральной добавки. Как и в предыдущеl\-1 исследовании,
пластификация уменьшалась при росте количества алюмината, причем наиболее
синьно нри новышенном его содержании. Набнюдс:1.11ось о•!ень GоJ1ьшое влияние на
степень пластификации бетонной смеси при введении СП вида активной минераль­
ной добс:1вки, превышс:1ющее влияние С 3А. П ри иснользовс:1нии в бетонных смесях
цементов с минеральными добавками низкой активности пластификация, по срав­
нению с ю1инкерными цементами, менялась мано, тогдс:1 кс:1к нри высокоактивных
добавках - снижалась. Это подтверждено данными по адсорбции С-3 в бетонных
смесях на разнF>тх Т\ементах. Для ,,ементоR е малоактиRными минеральНЫ}.fИ лобаR­
ками она сюгжалась по сравнению с клинкерными цементами, при высокоактивных
добавках - повышалась [7].
Поn11шепие топкости помола портландцемента умеп1шает эффективность СП
в бетонной смеси в связи с большей скоростью возникновения продуктов гидрата­
Т\ИИ, сорбируюп(их его. Это прИRодит к необхолимости поньппения лозиронок СТТ.
Гlо данным [7], при росте удельной поверхности цемента с 31()() см2/г до 5U6U с�?-/г
требуется увеличение расхода С-3 с 0,3% до 0,58%. Поэтому при постоянной дози­
ровке СП цемепт11 0611чпой дисперсности r.10Г)''Т 61п1 более эффектиnпы, чем тон­
комолотые це:менты более высоких марок.
Сохраняемость бетонных смесей с СП янляется еп\е олной характеристикой
реологической совместимости в системе «цемент - добс:1вкс:1». Онс:1 имеет тот же хс:1рактср зависимостей от хараh.'Тсристик цемента, что и пластифицирующс­
водоредуцирующий эффекг. Поэтому сохраняемость бетонных смесей существенно
уменьшается при увеличении содержания алюмината в цементе и при присутствии
в нем высокос:1ктивных минерапьных добс:1вок. Оба этих эффекта связаны общим
56
механизмом - большей сорбцией СП на алюминатах и продуктах их гидратации, а
также на минеральных добавках высокой активности. Так, подвижность бетонной
смеси на среднеалюминатно:r.,1 це:\1енте без минеральной добавки снизилась за 60
мин UT Иt;ХUДНUЙ 21 см дu 18 t;M, нри ВЫСUКUсl.КТИВНОЙ дuбавке в цементе - ДО 14,5
см:, а при высокоалюминатном це:менте - до 12 см. Высокая степень сохраняемости
наблюл.аласf> как на чистоклинкерном срел.неалюминатном т,ементе, так и при
нс1.J1ичии в нем минерш1ьнuй дuбавки ни:3кuй активности [6].
2.5.2. Прочностная совместимость
Если понятие реологической соRмсстимости яRлястся достаточно яснf>тм, то
прочностная совместимость цемента и СГl как таковая в литературе не рассматри­
вается. В работе [5], где выявлено значительное негативное вmifЯние повышенных
расходов С-3 па ра1ппо10 прочность бетона, использовано понятие: раппяя п:rдрата­
ционная а:к-тивность цементов в присутствии СП.
Но принеленпые ньптте ланнf>те как о спал.ах станлартной прочности, начина­
ющихся при нuвышенных расходах СП, так и u рсi3ничной степени ее рuста дu до­
стижения опти:rvrума прочности в бетонах на разных це11,1ентах позволяют говорить о
прочностной совместимости СП с uе:ментом для всех сроков твердения. При этом
дозировки СП, вызывающие начало спада прочности, ограничивают величины пла­
стифиц:ирующего и водоредуцирующего эффектов. Поэто:rvrу оценка совместимости
цемента и добавки только по величине пластификации
может оказаться некорректной.
fШИ
водоредуцироваm:rя
Прочностные эффеь."Ты СП в бетонах на различных цементах целесообразно
рс1.сt;ма1рива1ъ нри вuдuре,цуцировс1.нии смеси и снижении В/Ц. Этому сносuбствует
большое количество литературных данных, выраженные максимумы прочности,
uпреденяющие uнтимс1.J1ьные дu:3ирuвки дuбс1.вок, а также во:3мuжнuсть сuнuставить
прочностные эффекты с величиной снижения В/Ц.
Как устанuвленu Ш.Т. БаGс1.евым и А.А. Кuмарuм [1], влияние вида нuртланд­
цемента на характер изменения прочности бетона при росте расхода СП в большой
степени занисит от соl(ержания алюмината. Чем оно ниже, тем раньп1е начт,mается
спад прочности бетона. Гlо данным этой работы, в бетонах на низкоалю:rv1инатных
цементах замедление роста прочности начиналось как правило при СП = 0,5%, а се
спад при СП= 0,75% (усредпеппые результаты были пр�mедепы па рис. 2.5). В бе­
тонах на среднеалюминатных цементах спад прочности происходил при расходах
,11,обанок 0,75-1 %. При нысокоалюминатнf>тх 1,ементах рост прочности бетона замеl(­
лялся при 0,75-1% добавок, но спада прочности бетона не наблюдалось даже при
расходе СП 1,25% (большие дозировки не изучались). Отсутствие спада прочности
бетопоn па nысокоалrомипатпых цементах при поnышеппых дозировках СП y)I<e
отмечалось выше (п. 2.4.1).
Таким обра.зом, н.заимо,11,ейстние <<l�емент - СП» н прочностном аспекте Rыра­
жа.ется нрежде всегu в рс13нuй величине uнтимшtьнuй дuзирuвки дuбавю1 в зависи­
мости от содсржаю:rя в цементе аmомината.
В тu же время имеется и другuй нрочнuстной эффект этu1·u вза.имuдействия интенсивносп1ь роста прочнос,пи бетона: ее увеличение при введении СП, отне­
сенное к расходу добавки ини к вuдоредуцирuвс1.нию Gетuннuй смеси. Этuт эффект
57
добавок в отечественной литературе нс рассматривается. 11нтснсивность роста
прочности зависит уже не столько от содержания С3 А, сколько от действия других,
причем недостаточно ясных, факторов. Она существенно :менялась для отдельных
цементов, uриче�1 внутри каждой их грунны по содержанию с:UIЮмин.rта.
Результаты для среднеалюминатных цементов уже были приведены выше
(рис. 2.6). При pacxol(e СТТ = 0,75% прирост прочности для бетоноR на разных
цементах колебнлся от 40 до 70%. Пt::рвой возможной нричаной таких нро'iност­
ных различий может быть разная величина водорсдуцирования. Но в рассматри­
nаемой группе uе:\1ептоn, о частности, для uемептоn 1 и 5 с резко различrп,rми
прочностными эффектами водоредуцирование почти не отличалось (более по­
дробнь1с J(анныс лля бстоноR на этих 1�смснтах приRсJ(сны далее, R табл. 2.2). J(ру­
гим фактором !\>Iожет быть влияние СГl на r.rорфологию rnдратных фаз в цемент­
ноr.1 камне [35].
Сущестnеппr.rе различия n росте прочности при nведепии СП и водоредуциро­
вании для бетонов на разных це:ментах наблюдались и для С-3. В работе Ф.М. 11ва­
нона, R.M. 1vfоскRина, R.Г. т;атракона и л;р. [24] прино11ятся J(анньте, полученные !(ЛЯ
бt::тонов нс1. трех 11ортландuементс1.х при их расходt:: 350 - 51 О кг/.\1 3. При дозировках
С-З 0,5 - 1,2°/4 (назначавшихся в зависимости от вида цеrvrента) водоредуцирование
составило 14 - 29%, а рост прочности при нормально:м твердении 27 - 51 %. Пропа­
ренные бетоны в возрасте 28 суток имели прирост прочности 39-87%.
Для выбора возможных Ь.1)Итериев оuенки интенсивности роста прочности
при введении СП (прочностной совr.1естимости «цемент I СП») сделана выборка
экспериментальных данных различных исследований. Ее можно рассматривать
как случайную, так как были включены доступные результаты для бетонов нор­
м;:u1ьного твердения нри достато 1 1ной информации об условиях экL:неримента
(табл. 2.2).
Водuредуцирующий эффект СП опреденялL:я по снижению В/Ц. Тс1.кже были
рассчитаны отношение прироста прочности бетона к водоредуцированию (чтобы
иt.:ю1юqить егu влияние) и к расходу СП. Дня L:равнения р<1ЗJш•1ных дс1.нных 110 ос­
новной формуле Боломея-Скрамтаева ( 1.2) были рассчитаны прочностные эффекты
снижения Rол:осолержания бетонной смеси срел;неrо состана (T�/R = 2) на 20 и 30%
(две последние строки табл. 2.2).
Возмо)r<пы пескоm,ко критериеn оценки иптепсиппости роста прочности при
введении СП.
• Отношение прироста прочности бетона к величине водоредуцирования (%
/ o/n). К со)калепиrо, опо песколr.ко меняется n заnисимости от nеличипы сrппкеrн:�я
расхода воды. (;огласно расчетам по формуле Боломея-Скрамтаева, это отношение
состаRило при Rол:оре!(уr�иронании 20% - 1,65, а при 30% - 1,83 (Т<аТ< л:ля марки т�е­
ментс1. 400, тс1.к и 500), т.е. отли 1 1с1..11ось более чем на 10%. Но для бетонов с СП оно
меняется в значительно большей степеm1: для С-3 от 1,12 до 2,48. Таким образоr.1, в
заRисимости от применяемого портланю�емента прочностной эффект СП при 011.ина­
ковом водоредуцировании rvroжeт отличаться до 2-х раз. В связи с простотой расчета
это отноптение �1ожет быть исполF.зоRано как ОJ(ИН из нозможных критериеR проч­
ностной совместимости цемента и СГl.
58
Таблица 2.2
Про•1ностные эффекты суперпJ1астиф11каторов и критерии их эффективноt.-ти
СП,%
Ц/В
Ц,
3
кr/м Контр
сп
лв,
%
R2s, МПа
Контр. сп
ЛR2s
%
Мпа
ЛR2s/ ЛВ,
%/%
ЛR2s/СП
МПа/%
R расч• сп,
МПа
Rфакт.СП
/ Rрасч.СП
Примечания
2,67 3,48
72,5 72
[1], ПЦ 1 по рис. 2,6
3,13
40,7
23 42
1,24
30,5
58
2,63 3,45
[1], ПЦ 5 по рис. 2.6
1,79
66
1,03
27
64
20
24 46
43
12,3
10.2
1,05
25 27,5
[24], Воскресенский ПЦ
39,8 45
1,67 2.22
1,8
37,8
13,2
1,0
2,25
40.4
1,85 2,22
16 29,7
10,6
40,3 36
12,1
1,67 2,22
25 34,7
50,9
46.8 35
1,4
10
0,92
(24], Пикалевский ПЦ
17,1
65,4 29
2,38 3,33
26 48.3
24,4
72.7
0,9
1.12
21
27,4
50,7
13,7
1,14
14 52.3
2,86 3,33
65
1,5
1,92 2,56
1,04
(24], Михайловский ПЦ
44,1
45,8 34
15,4
25 30,4
1,21
19.2
18,8
45
1,85 2,56
28 28.1
1,04
46.9 67
23,5
2,4
(43], 3долбуновский ПЦ
2,13 2,86
26 35,2
24.2
59,4 69
2,65
30,2
1,19
50
28.1
28
32,7
1,06
19,7
1,89 2,86
1,76
(6]
55,5
52,4 60
22,2
2,74 3,45
21 43
56.3
65.2 52
2,48
22,2
1,16
[33], ПЦ с СзА = 8%
75
1,96
71,4
(33], пц с езд= 8%
51
1,05
25,5
25,5
2,35 3,17 26 49,5
12
48
Расчеты по формуле
20 36
33
2,0
1,65
2,5
Бол омея-Скрамтаева
2,85
30 36
2,0
20
1,83
56
55
Пр11мечан11.я: 1. Суперпластификатор С-3, кроме [1 ). 2. ЛВ - водоредуцирование. 3. ЛR2s- рост прочнос·r·с
супр
е пластификатором. 4. Бетоны нор мального твер дения, кро ме [ 6] . 5. Портландцементы марок 400-5.1()0
0,75
0,75
1,2
0,8
1,2
0,7
0,5
0.8
0.8
0.8
0,7
1.0
1,0
500
500
350
350
420
510
510
430
420
470
~350
500
500
• Возможно, более строгим является сравнение фактической прочности бе­
тона с СП с ее расчетп11м зпачепие1v1, получепп11м по формуле Боломея-Скрамтаеnа
по повышению Ц/В. Техника расчета показана выше в п. 2.4. Минимальные значе­
ния отношения Rфакт /Rvасч. составили 0,9-0,92 (что говорит о низкой степени совмс­
стимuсти це-'1ента и СП), тuгда ю::1.к максимальные дuстигли величины 1,19-1,24.
Следует отметить, что этот и предыдущий Ь.l)Итерии удовлетворительно кореллиро­
ваны.
• Отношение нрирuста нрочности бетона к расходу СП мuжет расс-'1атри­
ваться как экономический показатель. Оно дает возможность сопоставить стоимо­
сти нне,f"(енного СП и л.остиrаемой эконо11,п1и Т"(емента. ПослеW{яя может быть рас­
считан.:1 нu величине прироста uрочности бетона, учитывая, что для ее новышения
на 1 МПа требуется увеличение расхода цемента на 8-1 О кг/м3 (для конкретной си­
туации эта величина может быть определена более точно). В отличие от двух
предыдущих, этот показатель не исключает влияния водоредуцирования. Для С-3
поныптенпе прочности на 1 % /"(обанки колебалось от 1 О 7'0 30,2 МПа, т.е. эффектин­
ность ее применения 1v1енялась в 3 раза. Следует отметить, что эта величина не­
сколько условна, так как оптимальная дозировка добавки обычно меньше 1 % и ко­
лебнется в 3ависимости от ряда факторов, •1то будет менять ее фактический проч­
ностной эффект.
Таким образом, значительные колебания пр�;mеденных критериев позволяют
утnер)1сдат1, что эффектиnпост1 СП n значительпой степени заnисит от его проч­
ностной совместимости с цементом. При этом некоторые факторы, не связанные с
nодоредуцироnапием, сущестnеппо nлияrот па прочность бетопа с СП.
В качестве причины различных прочностных эффектов СП при одинаковом
снижении В/Ц и, следuвательно, нuристости на:3ывается происходящее в их нрисут­
ствии :модифицирование структуры цементного кairnя. В то же время не совсем
понятно.. почемv., для од1п:rх добаnок и цемептоn близкого состаоа nозмо>1а111 столь
существенные различия в прочности. Представляется, что этот вопрос нуждается в
яалънейптем изученfm.
Таким образом, прочностная сов��естимость цемента и СГl :может быть оха­
рактеризована интенсивностью роста прочности бетона при введении добавки в
бетонную с.месь в варианте водоредуцирования. При одном и том же расходе СП
его прочностной эффект в бетоне на разных це1v1ентах может значительно отличать­
ся, и ЭТО заниеит не ТОJП,КО ОТ RеЛИЧИНF.Т RОJ(ОреJ()'Г(Иронания.
Реологическая совl\1ести:мость цементов с СГI, оценивае1v1ая величиной пласти­
фикации или водорсдуцирования бетонной смеси, имеет подчиненное значение по
отпошепи10 к прочпостпой соnмести1-1ости. I1итеисиаиость роста прочиос1пu бепwиа
при увеличении расхода СП до оrппи.,�wулш наиболее важна для оценки его эффектив­
н.осп·zи, а стпlJ( прочности после достижения ее максимума обест"(енинает лаm.нейптее
снижение водопотребности или повышение подвижности бетонной смеси.
2.6. Деформативные свойства бетона
Влияние СП на деформативные свойства бетона определяется двумя факто­
рами. Решающим явняется спuсоб введения (нри пuстuянном В/Ц или при егu сни-
60
жснии). Но определенную роль играет и модификация микроструктуры цс,1снтного
ка:мня (уrvrеньшение размеров микрокристаллов), происходящая при любоf\,I способе
введения СП и приводящая к некоторому повышению дефор,1ативных свойств бе­
тuна.
А1одуль упругосrпи бетона. При введении СП для ТL'lас,пификации бетонной
смеси состан и макроструктура бетона не меняются. R то же нремя мо,1уль упруго1,;ти бетuнс1., 11uнученнu1·u и� литых 1,;ме1,;ей, нu ряду .1..1.с1.нных u1,;тается нрактически
постоянным, но согласно другим исследованиям, обнаруживает тенденцию к неко­
торому СПИ)I<еПИIО.
Обобщение результатов различных исследований, в то�� числе и зарубежных
анторон, ныполнсннос н работе [ 11 ], показало, что R срслнсм молуль упругости бе­
тонов из пластифицированных СГl с�rесей практически не изменился. В отдельных
исследованиях наблюдалось как его повышение до 18%, так и снижение до 12% по
сраnпе1ппо с коптроЛLпьrми бетонами.
В то же время по данным работы [ 1 О] для двух составов бетона с С-3 наблю­
л:алось �1енъпrение мо�ля упругости по сраннению с контрольным бетоно,1 при­
мерно нс1. 10%.
Для бетонов с СП, вводиJ\1ом в варианте водоредуцирования бетонной смеси,
модуль упругости бетона повышался. По данным [ 1 О], его увеличение составило
примерно 10% при росте прочности бетона в 1,5 раза. По усредненным результатам
ряда исследований увеличение ь.rодуля упругости составило 22% при росте прочно­
сти бетона на 45% [11]. .')то примерно соответствует динамике увеличения этих
показателей при снижении В/Ц в бездобавочных бетонах.
Усадка бе111онов с СП при плас111ифuцированuи бетонных смесей увеличива­
нс1.1,;ь в среднем на 4 - 5% [11]. Пu другим дс1.нным, онс1. вuзрс1.ста.лс1. в большей стене-­
ни, на 10- 18% [16] и даже до 1,3 раза [10]. Рост усадочных деформаций оказывал­
ся не1,;кuлько большим, '!ем нс1.6J1Юдс1.вшееся в ряде исследовс1.ний снижение .\1одуля
упругости бетона.
В то же время при водоредуцировании бетонной смеси, снижении В/Ц и uбъ­
е:ма цементного камня в бетоне усадка заметно уменьшалась, до 65% от ее величи­
ны R контрольном состане [ 1 1].
Ползучесть бетонов с (11 из пластифицироваШiых смесей также возрастала. В
среднем се увсmIЧснис, полученное при сопоставлении данных различных исследова­
ний, состаnило примерпо l 0% [11]. При водоредуцироnапии бето101ой смеси ползу­
честь уже значительно уменьшалась по сравнению с контрольными бетонами [ 16].
R обзоре [6] СJ(елан ныно,r�:, что бетоньт с СТТ облапают rтрат-.-тичесТ<и таТ<ими же
дефор�1ативнъ1ми свойствами, что и равнопрочные бетоны без добавок, хотя не­
большое их снижение все же наблюдается. При этом бетоны с СП соответствуют по
этим сnойстnам требованиям порматиnпой литературы.
2.7. Долговечность бетона с суперпластификаторами
Характер вшIЯНия СП на долговечность, как и на другие свойства бетона, су­
щественно зависит от c11oc0Gc1. егu введения. При этuм свойствс1. бетона, от которых
61
зависит его долговечность при ввсдсю1и СП (проницаемость, коррозионная стой­
кость, морозостойкость), могут иметь различный характер изменения.
Пр11 введен11и СП для плас11111фикации беп,онной с;1,1ес11 состав и структура
бетона не 1\tеняются и часть свойств, определяющих дuлгuве 11нuсть, остается на
уровне контрольного бетона. Это касается таких свойств, как водонепрон�,щаемость
и коррозионная стойТ<ОС1Ъ бетона.
Hu данные u мuрu:3uстойкости бетuна с СП нрuтивuречивы. Согласнu некuтu­
рым из них, �орозостойкость при введении СП пою1жалась. Так, в опытах Г. Лит­
nапа [44], проведенпьrх па мелкозер1пiстом бетоне с постоянным В/Ц, морозостой­
кость по сравнению с контрольными бетонами была ниже как для составов с нафта­
линформальдсrи,11,1п,тм, так и мсламинформальл:сгипньтм СТТ. Фактор расстояния
системы воздушных пор (cr,..1. l.�.l) при это1v1 оказывался несколько выше, чем у
контрольных бетонов. По данным работы [14], морозостойкость бетона с IП{ = 20
мм при nneдe1пnI как С-3, так и 1�3 с1m>калас1, как при постояппо�, так и дюке
при пониженном В/Ц. В работе [6] также приводятся данные японских исследова­
телей о пониженной морозостойкости бетонон с СП. R то же нремя, согласно лру­
гим исследованиям, r,..1uр0Jостuй.кость бетона нри введении СП не ухудшается [17].
В качестве причины понижения морозостойкости бетонов с СП из пластифи­
цированнь1х смесей обычно указывается неблагоприятное изменение параметров
системы воздушных пор, в частности, увеличение фактора расстояния. В бетонах
без воздухововлекающих добавок, морозостойкость которых при введен�:ш СП
снижалась, он несколько увеличивается по сравнению с контрольными составами
[6,44]. В то же время, согласно другим результатам, морозостойкость бетона при
этом оставалась на уровне контрольных составов [ 17].
Тем не менее, для бетuнuв ИJ 1u1астифицирuванных смесей с норr,..шруемой
:морозостойкостью считается цслссообразныr,..1 одновременно с СП вводить воздухо­
вuвлекающую добавку. Этu uuзвuлилu резкu, дu бuлее 760 циклuв, увели 11ить мuрu­
зостойкость :мелкозернистого бетона состава 1:3 с В/Ц=О,65 [44]. Воздухововлече­
ние будет 11uле:3ныr,..1 и для нuвышения стuйкuсти высuконuдвижных бетuнных сме­
сей проп1в расслоения.
Введение СП при снижении ВЛ( (расхода водlJ.) ттозRоляет не толъко унели­
чить прочность бетона, но также повысить его другие свойства, в тоr,..1 числе влия­
ющие на долговечность. Причиной этого является уменьшение содержания и раз­
меров пор цементного камня в бетоне. Играет поло)I<ительн)'Iо роль и c1IИ)I<e1rne
объема цементного ка1vmя.
Rолонеттронит,аемость бетона нслелстRие отмеченных структурных измене­
ний при введении СГl существенно увеличивается. Для бетона с l % С-3 при сниже­
нии В/Ц с 0,515 до 0,415 она возросла с \V4 до Wl2 [6]. В другом эксперименте при
nnедении 0,7% С-3 и та1оке при с1по1сении расхода водLI водонепроницаемость бе­
тона увеличилась с Wб до \Vl4 [20].
Коррозионная стойкость бетона с СП таТ<же ттоньmтается. Это ПО,1'ТRерж,,"(ается
значительныl\-1 •1ислом данных u увеличении нлuтнuсти бетонов с СП ш равнuпu­
движных смесей со сниженным В/Ц и уменьшении их водопоглощсния, например, с
12,3 дu 9,7% нu uбъему [25]. Пuгнuщение такими бетuнами сульфат-иuнов сниJи­
лось по сравнению с контрольным составо1v1 в 1,5 раза [20].
62
Данные о влиянии СП, введенного при водорсдуцировании и снижении В/Ц
бетонной с-меси на морозостойкость бетона, как и приведенные выше для пласти­
фицированm.1х бетонов: неоднозначны. В одних случаях она повышалась примерно
в два рс:1.:3а [20], в других имt:ло место лишь ее нt:боньшое увеличение [6].
Выводы по результата:м обзоров по данному вопросу также несколько различ­
ньт. R.C. Рамачан.л.ран и R.M. Малъхотра [17] бе.зотносительно к способу ннеления СТТ
утверждают, 1то морозостойкоL:ть бетона нри Jтом не снижается, «несмотря на не­
большое количество прот�mоположных результатов, оставшихся без объяснсmIЯ>>.
В.Г. Батракоn [6] отмечает: что «СП пе могуг быть целеnьrми модификаторами, пред­
назначенными для повышения морозостойкости бетона». Он указьmает на необходи­
мость олнонре,1снноrо ннслсния ноз.л.ухооонлекаюп,их Т(обанок при применении СТТ
как для пластификации, так и для водорелуцирования бетонных смесей.
В то же время в литературе неоднократно от,1ечаегся, что при одновременном
nnедепии СП и nоздухоnоnлекаrощей пoбanrrn фактор расстояния для nоздушпых
пор оказывается большим, чем при применении только последней [17]. Поэтому в
бетонах с СТТ нажен контроль фактора расстояния и Т(остижение его значений менее
0,2- 0,25, обеспечивс:1.ющих морозостойкость бетона. [34].
1
2.8. Подбор состава бетона с суперпласт11фикатором
Схема подбора состава бетона с СП зависит от его цели. Можно выделить не­
сколько ситуаций.
Подбор состава ли,пой бетонной c.i1ecu. В этом случае контрольной принято
аринимать малоподвижную смt:сь, состав которой обеспе 1 u1вс:1.ет понучение бетона L:
требуе11,[Ьп11m характеристиками. В нее вводится опти11,1альное количество добавки,
не снижающее 11рочнuL:ти бетона. Если 110,цвижность бетонной смt:си с добс:1.вкой
отличается от требуемой, она корректируется расхо.л.ом RO)"(f>T (что ранносильно из­
мt:нению сuстс:1.вс:1. контроньной смt:си). Кроме того, дня uбеснечения стойкости про­
тив расслоения в бетонной с:меси с СП требуется некоторое увеличение доли песка.
Исполь3ование СП для повышения прочности бетона. 3'гот прием часто янля­
ется более uелесообразным, чefl.1 традиционное увеличение расхода цемента. Сни­
жение В/Ц при этом происходит вследствие уменьшения расхода воды, и сопро­
вождается :iНа. 1 1ительным повышением прочности бетона.
Особенно эффективно введение СП для получения бетонов с прочностью,
раnпой или преnыша1ощей марку цемента, т.е. при В/Ц < 0,4 (nысокопрочпые бето­
ны). В бездобавочном бетоне в этом случае растет водопотребность с\1еси, что при­
водит к сущсствснно11,1у росту расхода цемента. Слсдствис11,1 этого является значи­
тельное увеличениt: объема. uе_\1ентного камня, и в ито1·е - понучение бетона аони­
женного качества. Ilапротив, введение СП и снижение водосодержания смеси одно­
нременно уменьп1ает и R/Т\, и объем т,ементного камня н бетоне. R этом случае не
наблюдается замедления роста прочности, происходящего при увеличении Ц/В
более 2,5 для обычных бетонов (см. п. 1.5). Поэтому введение СП даст хороший
прочностной эффект, 110J1учаемс1Я прочность бетона может до 1,4-1,5 ра.:3а нревы­
шать марку цемента.
63
Пр1L111.енен.ие СП для экономии це.Аtента. Добавка вводится, как и в предыду­
щем случае, при водоредуцировании бетонной смеси, но одновременно сокращает­
ся расход цемента (при сохранении В/Ц постоянным).
Использование СП для получения комплексного эффекта. В ряде слуqаев
целесообразно получение комплексного эффекта от введения СП, часть ero мо­
жет бьrть исполhзонана !(ЛЯ пластифиТ<аr,ии смеси, а часть - л ля нолорел)'IЛ•rро­
ва.ния, снижения В/Ц и повышения про 11нuсти бетuна (или Jкuнuмии цемента.).
В этом случае для малоподвижной контрольной смеси следует определить эф­
фе кт1,1 ка1< пластифи1<ации, та1< и nодоредуцироnания, ка1< это было описано nr.r­
шe, с построением графика, уже представленного ранее (см. рис. 2.2). Его ис­
полhзонанис позволит нахо!(ить нужнъ1с сочетания эффектов СТТ R бетонной
смеси и бетоне.
11змевения состава смеси при введении СП не представляют сложностей. В
первом из pacc�roтperп1L1x случаев состав пе ·меняется, в других - дело сводится к
сокращению расхода воды, либо воды и цемента при соответствующем увеличении
количестRа заполнителей.
Определение опт11.;иш1ьного расхода СЛ Единственнuй 11робJ1емой вu всех
этих вариантах является определение опти.мального количества добавки. Методика
его нахождения отличается при приJ.rенении СП для пластификации бетонной сме­
си и для ее водоредуцирования.
Иногда дозировку СП определяют уже по изменению свойств бетонной с�rе­
си. Ilапри�1ер, прини}.,1ают расход, позволяющий достичь ну-жной её подвижности
(если прочность при этом не снижается). Но это ещё не значит, что найденный рас­
ход СП оптимален. Он может быть большим, и эффект применения добавки при
этuм увеJJИ'-IИТt:Я.
В соответствии с дву}.,IЯ основньI}.,Пi вариантами применения СП в бетоне воз­
мuжны и двс1 спuсоба нс1знс1чения егu uпти.мш1ьнuгu расхода.: нри 1u1астификации
или при водоредуцировании бетонной смеси (вопрос: совпадут ли эти две дозиров­
ки раt,;t,;матривается ниже).
В качестве контрольного может быть использован имеющийся на производ­
стRе состаR бетона с требуемыми техническими характеристиками. Возможна его
корректировка по подвижности бетонной смеси. Гlри необходимости контрольный
состав бетона может быть рассчитан обычным способо:м (п. 1.6).
Следует принять три дозировки СП в интервале, указанном производителем.
Иногда этот интервал может быть откоррекп1рован с учётом содержания С 3А в
т,ементе: J(ЛЯ низкоалюминатных r,ементоR понижен на О, 1-0,2%, лля Rhтсокоалю­
минатных - повышен (см. п. 2.4).
IIахоЖдение оптимального расхода СП можно проводить на бетоне одного
состаnа, с одrmм расходом цемента. Но если предполагается nводитr. СП в бетопLI
нескольких составов, эксперимент целесообразно повторить, приняв два крайних
расхо,1ах Т\емента, например 300 и 500 кг/м3• Это позволит либо получитh заниси­
МUt;'IЪ uпти.мш1ьной дuзирuвки дuба.вки от расхuца. це.\1ентс1, либо уt;танuвить et! uт­
сутствис. В любом случае результаты будут более надёжны�m. Кроме того, будет
устанuвленсt сравнительная эффективнuсть JJ.обавки и ценесuuбрюнut,;ть ее приме­
нения при разных расходах цемента в бетоне.
64
2.8.1. Пр111\tенение СП для пластификации смес11
В этом случае контрольный состав бетона с требуемыми характеристиками
должt:н имt�ть uuдвижнu сть 2-4 с�1. В 3-х сu с'Лiвах с нринятыми расходами дuбавки
целесообразно заранее увеличить долю песка в бетонной с�rеси по сравнению с ее
обычнhтми значениями (табл. 1.2): л:ля ожил:аемой ОК = 10-15 см- на 0,02; лля ОК =
15-20 см - на 0,04 и дня ОК > 20 см - н.:t 0,06, •1тобы исю1юqить или уменьшнть
расслоение этих смесей.
Для приготоnле101LIХ бетоппLrх смесей всех 4-х cocтanon фиксируется по­
движность и контролируется стойкость к расслоению. Прочность образцов опреде­
ляется R станл:артном Rозрастс, а при нсобхол:имости - R л:руrис сроки.
11олученные результаты обрабатываются графически, Характер изменения
подвижности бетонной смеси и прочности бетона при использовании СП для пла­
стификации бLш предстаnлеп ранее (см. рис. 2.3).
Оптимальный расход добавки определяется по к-ривой пластификации бетон­
ной смеси с учетом харат(тера изменения прочности бетона.
Назначение оптимального расхода СП по характеру кривой ,�ласп�ифика­
ции 6е111онной c.1Jtec11. Ila этой кривой можно выделить два участка: интенсивной
пластификации и ее затухания. Если граница между участками (перегиб кривой)
хорошо выражена и дальнейшее повышение расхода СП мало пластифицирует бе­
тонную смесь, оптималъный расход добавки �1ожет быть принят по ее положению
(если при этом не снижается прочность).
Если же пластификаuия бетонной смеси �1еньшается постепенно, как это по­
казано на рис. 2.За, требуется дополнительная обработка результатов. Можно сопо­
ставить нuвышение нuдвижно<.,-ти с�1еси, например, н.:t каждый 0,1 % расхuда СП с
дополнитсльны:ми расходами воды и соответственно цемента, которые понадоби­
J1ись бы дня этuгu в Gездuбавuчной бетuннuй <.:.мt:си. Расход воды может быть uнре­
делен по графикам водопотребности бетонной смеси (п. 1.2.1). Ориентировочно
мuжнu сqит.:tть, 'fTO для новышения пuдвижнuсти Gетuннuй смt:си с 15 дu 20 см
ну-жно добавить воды 8 л/м3 смеси, с 20 до 25 см - 6 л/м3. Но лучше иметь экспери­
менталhНJ,Те Т1аннhте, тем более, что л:ля бетонной с:\fеси с СП нол:опотребностh мо­
жет меняться и в другой степени (п. 2.2.1.). 110 найденному расходу воды рассчиты­
вается дополнительный расход псмснта (при сохранении В;Ц). При сравнении сто­
имоспI этого це:\1епта и добавки и паходят ее опти;-.1аЛL1IL1й расход.
Пример приведен в табл. 2.3 (контрольный состав бетона: В= 180 кг/��-' ; Ц =
450 кг/м3 , TVR = 2,5). СrоимосТh Т(емента принята 4 руб/кг, стоимосТh л:обаRки 55
руб/кг (U,l % СГl стоит 25 руб). Расчет выполнен по рис. 2.За для близоптимальной
области (дозировю1 СП 0,4-0,9%).
Табm1ца 2.3
Данные для опоеделения оптимального nасхода сvпеnпластиt�икатооа
Расход СП,%
Рост ОК, см
Э1mиnалептп1,1й
расход воды, кг/м3
Расхол т�емента, кг/мj
Сп.>ИМ()(.,"IЪ цt:мею'½ руб
0,4-t 0,5
12--+16
9
о,s-о,б
22
88
16-19
5
0,6-t0,7
19-+21
3
0,7--+0,8
21--+22,5
0,8-t0,9
22,5--+23,5
1,2
12
48
7,5
30
5
20
3
65
2
12
Как видно из представленных данных, добавка становится менее эффектив­
ной по мере увеличения ее дозировки, поэтоl\tу эквивалентный расход воды и це­
мента снижается. Стоимость условно сэкономленного цемента становится меньше
стоимости вводимой добавки нри СП= 0,7% (более то'lliыЙ результат дает графиче­
ская обработка результатов). Эта дозировка и является оптимальной.
При увеличении сп�оим.ости добавки ее оптимальный рас_ход будеп1. умень­
шаться, а при росте стоимости це,нента - увеличиваться. Таким обраЗо.\1, 1V1етu­
дика учитывает как технические, так и экономические факторы.
Нахо>rшепие оптималr:.пого расхода добаnки возмо>rаrо и графическиl\1 путем:
проведением касательной к кривой пластификации бетонной с:меси (показанной на
рис. 2.За). F,e наклон заластся соотнотпснисм расхо,n:он СП и Т(смснта при рапной
стоимости. Зтот подход будет рассмотрен далее при определении оптимального
расхода золы в бетоне (п. 3 .4.9). В случае применения СП он осложняется тем, что
расход цемента дол)I<еп бLiтr:. вьrра)кеп через расход noпLI и далее через подDИ)I<­
ность смеси. Последние две величины связаны нелJ.mейно, что и создает проблему.
Поэто11,rу peкo11,reн,ri;yercя мето,rсика, рассмо'Гренная Rf,TTТJe.
НайденнаЯ дозировка СП явля�л;я окончательной, если uна. лежит в области,
где прочность бетона не снижается. Если же она находится в области падеmrя
прочности бетона, поиск решения усложняется.
Нахождение оптимального расхода добавки с учетом падения прочносп�и
бетона. В этом случае возможны два решения:
а) принять найденный выше (по пластификации) расход СП за окончатель­
ный. В это:м случае для обеспечения прочности бетона следует увелwmть расход
цемента. I(ак следует из фор�rул прочности бетона (или норм расхода цемента), для
аовышения прочности на. 1 МПа нужно увели '-lить расход цемента. на. 8-1 О кг/м3 .
6) Принять за окончательную дозировку добавки се максимальньrй расход, нс
ВЫЗЫВа.ЮЩИЙ снижения нрО'-lНОСТИ бетонсt.
Чтобы сравнить решения а) и б), бетонные смеси нужно выровнять по по­
движности (расчетным путе.м). Для этого в смеси б), имеющей меньшую аодвиж­
ность, увеличивается расход воды и пропорционально, в соответствии с В/Ц, расход
пемента.
Таким образом, каждое из решений связано с увеличением расхода цемента, а
второе - еще и }'1\Iсньшснным расходом СП. Оптимальный расход добавки будет
определен по мепьшей стоимости затрат. Проnерка :мо)кет бr,rть произпедепа расче­
том стоимостей сравнивае:\1ых бетонных смесей.
Может оказатr,ся, что сраRниRаемF>те Rарианты практически раRнопеннhт. То­
гда появляется диапазон оптимальных дозировок добавки, что создает определен­
ные технологические удобства в производственных условиях.
При пайдеппом оптимальном расходе СП бетоrпrая c1v1ecr, n общем cлyi--rae пе
будет иметь требуемой подвижности. Ее следует получить изменением расходов
ROТ(F>T и пемента, сохраняя най,r(енную опrималr,ную !{озиронку т�:обаRки.
2.8.2. Применение СП для водоредуцирования
Снижение расхода воды в бетонной смеси при введении СП может бьпь ис110J1Ьзовано для новышения про•1ности бетона или экономии цементсt.
66
Схема экспери�снтальной части аналогична предыдущей. Но контрольная бе­
тонная смесь принимается с той подвижностью, кuторую должен иметь иt,;комый
состав с добавкой. Она сохраняется и в 3-х составах с разными расходами СП, что
достигается сокращением nодосопер>ка1шя бетоппr.IХ с�1есей. Расход це:мепта оста­
ется неизменным, снижение объе:ма волы компенсируется увеличением количества
заттолнwrелей. После иеттhттапия образт1он строятся заRисимости нот�;оттотребноети
смеси и нрочности бетона от дuзирuвки добавки.
Полученные результаты могут быть проиллюстрированы рис. 2.5, представ­
ленным ранее. Водопотребность бетонной смеси снижалась во всем диапазоне при­
мененных дозировок СП, а кривая прочности бетона имела выраженный максим�,
после чего ттрочностh ут-,,rснhпталасh, несмотря на ттрололжаюп(ссся сокрап1снис рас­
хода вuды.
Характер кривой прочности бетона при увеличении расхода СП может быть
различпьIМ. Мо>I<по nr.щелитr. остроnершm1пr.1й и пологий ма1<симум11 прочности.
Гlри островершинном максимуме, когда интенсивность роста прочности бетона
до его лостижения практически не снижается, отттималhная т�;озиронка СП оттрет�;еляется
нu егu нолuжению. По нему же находится и рс1.схuд вu,цы в uкuнчю·ельном составе бето­
на (примеры островершинных максимумов - кривые 2,4,5 на рис. 2.6).
При пологом мaкcm-IYJ.fe эффективность исполиоnапия СП при приблиJкепии
к не11,rу заfl,tетно уменьшается и поиск оптимального расхода добавки становится
более сло>кпым. Э1ссперимептальпые данные для бетона с добаnкой С-3 предстаnле­
ны на рис. 2.7, заимствованном из работы [8].
44
� 42
ё
/
40
8. 38
с::
,,,,,-
/
/
36
34
32
О
0,2
0,4
О,б
0,8
1
1,2
Суnерnласrмфикатор, %
Рис. 2. 7. Прочность бетона в завис1tмости от расхода С - 3 при водоредуцированип
бетонной с!\1еси. Бетон 28 суточноrо возраста при нормальном тверден11и
В этом случае оrrгимальная дозировка СП будет лежать на восходящей части
криной прочности бетона. Лля ее нахожлепия можно носттоПhзонатhся приемом, уже
нримененным ранее (см. тс1.бн. 2.3). В данном снучае t,;uпuставJIЯЮтся затраты на до­
бавь.--у с возможными расходами на цемент, если бы повышение прочности бетона
осуществлялось пугем уnеличепия его количества. Примем стоимоСТh цемента 4
руб/кг, а С - З 55 руб/кг. При расходе цеiv1ента 400 кг/м3 бетона 0,1 % СП составит 0,4
кг, а его стоимоСТh 22 руб. Расчет стоимости цемеrnа, необходимого для поnышепия
67
прочности бетона на ту же величину, что и при увеличении СП на О, l %, выполнен для
бm1зоптимальной области дозировок добавки. Гlринято, что для повышения прочно­
сти бетона на 1 1-1Па потребуется l О кг це11,1ента ( эти данные могут быть уточнены для
кuнкрt:тнuй ситуации). Результаты рас•н:та нривt:дt:ны в табн. 2.4.
Таблица2.4
расчет экв11валентного оасхода о стоимости цемента
Расход суперпластиФикатора, %
Рост ПDОЧНОСТИ, l\1Па
:Jквивалентньп':i расход цемента, кг
Стоимость цемента, руб
0,5 - 0,6
0,8
8
32
0,6 - 0,7
0,66
66
,
26.8
-o,s
0,1
0,47
4,7
18,8
0,8 - 0,9
0,34
3,4
13,6
Таким uGpaзu.м, uптимш1ьная дu:,ирuвка СП сuставит 0,7% вместu 0,9% пu
максимуму прочности бетона. I( то:м:у же она будет :меняться в зависимости от со­
отношения стоимостей цемента и дoбanraf.
Следует отметить, что принятый для повышения прочности на 1 MI la расход
цемента справедлив лишь для области постоянства водопогрсбности (п. 1.5 - фор­
муны 11рu•1нuсти бетuна). При кuли•1е<П'Ве цt:мента в кuнтрuньнuм сuставе бетона
более 400-450 кг/м3 растет водопотребность смеси и этот расход значительно уве­
личиnается. Расчетr.1 по формулт.r Боломея-Сь.-рамтаеnа и Кайсера при Ц/В > 2,5
дают существенно различнъ1е результаты. По-видимому, в этом случае расходы
цемента на едиюfцу прочности бетона необходи1v10 определять экспери�1ентально.
11ри найденной оптимальной дозировке С:.:11 по величине водоредуцирования и
В/Ц мо:iкет быть рассчитана экономия це:мепта n бетоне с добаnкой.
2.8.3. Соотноп1снис оптимальных J1озироиок, определенных
при пластифпкацпи и при водоредуцпровании
Представляет интерес выяснить, как соотносятся оптимальные дозировки СП,
определенные при пластификации и при nодоредуцироnапии бетонной смеси.
К сожалению, результаты экспериментов, необходиrv1ые для такого сопостав­
ления, R литературе практически отсутстRуют. vlскточение состаRляет работа [1],
где нривuдятся данные u влиянии раJничных дuзирuвuк СП 10-03 и 40-()3 на прuq­
ность бетонов, полученные как при пластификации, так и водоредуцировании бе­
тонной смеси для одного вида цемента. Опи сопоставлепLI па рис. 2.8.
11з этих (к сожалению, весьма ограниченных) результатов, тем не rv1eнee следует, что
оrпимальная дозировка СП, опрсдслённая в варианте пластификации бетонной смеси
(О, 75%), оказалась несколько ниже, чем в варианте ее водоредуцирования (0,87%).
Подобную разницу результатов можно предполагать и из теоретических сооб­
рюrсеrпfй. При пластификации бетоппой смеси путем вnедеrп1:я СП 1rn микроструктура
бетона (определяемая В/Ц), ни r,,1акроструктура (объем це11,1ентного камня) не меняют­
ся. Поэтому прочность бе'Т'она при лооптимаrп,ных pacxol(ax СП остаётся праRТически
нuстuяннuй. Hu нри дальнейшем нuвышении кuли•1tх.,·т8с:i дuGсtвки нpu'iliucть снижает­
ся вследствие тормозящего действия добавки на процесс твердения бетона.
При nодоредуцироnаrпfи cтpyrcrypa бетона меняется сушестnеrп10. OcпonIILIМ фак­
тором повышения прочности является снижение В/Ц. По его величине можно ориенти­
ровочно оценить прочностной эффект СП, используя формулу прочности бетона. Но
68
она выведена для бездобавочных бетонов, в которых В/Ц снижается пуrсм повышения
ра.схuдс1 це�1ентс1 (uбъем uементнuгu ка.мня при этuм увели 'fИВ::tе-п;я) .
...•
85
'" 80
с
::i: 75
�
t 70
8,
1
65
с 60
/
ss
/
./
/
L.
J,
50
-.
45
40
о
0,2
''
0,4
0,6
о.в
1
'
._"
1,2
Суп�рплёlСТМфикмор,
1,4
%
Рис. 2.8. Вдияние расхuда СП на 11рuчнuсть:
] - бетона со снижающимся водосодержю-п1ем (ОК-3 см.); 2 - пластиф1щированноrо бетона
(ОК з-26 см). Краматорский цемент MS00. Усредненные данные для добавок] 0..03 и 40-03.
Стрелками показаны опn1мальные расходы добавки, определенные по максmrуму прочности [21]
При вuдuредуцирuв::1нии бе-гuннuй смеси введением СП uбъе�1 цементнuгu
камня уже понижается. И это дополнительно повышает прочность бетона и может
вызывать увеличение оптимальной дозировки добавки.
Таким образом, оптимальная дозировка СП при водорсдуцировании может
быть нескuлькu бuньшей, чем нри пнастификации бетuннuй смеси. Hu для Нс1J1ежно­
го вывода нужны более обстоятельные экспсри1'tснты.
2.9. Гиперпластификаторы и их эффекты в бетоне
В нuследнее время пuявИJ1с1сь грунна еще бuлее эффективных нл::tстифициру­
ющих добавок, снижающих водопотребность бетонной смеси на 30°/о и более, и
получиnшая пaзnarme гиперпластификаторьr.
Пластификацию бетонной смеси этими добавками по осадке конуса оцен1-пь не
y,n;aeтcsr, т.к. ПОJ(Rижност�:, смеси с гиnерпластификатором при исхо!(Ной ОК=2-4 см
составляет уже бонее 25 см, и требуется уже uнределение ра.с1u1Ыв::t кuнусс1 (н. l.2.1).
Поэтому эффективность гиперпластификаторов обычно оценивают по водоредуциро­
nапmо. По r<Лассификащш ГОСТ [45] опи относятся к суперпластификаторам.
Более сильное пластифицирующее и водоредуцирующее действие гиперпла­
стификаторов объясняется их составом. Это, как правило, поликарбоксилатныс
(иногд::t с1криловые) нuлимеры. Они имеют другую «кuнструкцию» мuл�кулы и от­
личаются от СП механиз:мом пластифицирующего действия. Молекулы гиперпла­
стификатора имеrот наряду с оспоnпой и бокоnые цепи. Оспоnпая цепL адсорбиру­
ется на зернах цемента, а боковые ответвления направлены от них в водное про­
странсТRо. Они созпают эффект Rзаимного отталюfRаниsr зерен, натыRаемf.тй стери­
ческим (11рuстрс1нственным). Он су.½мируется с энекгрuстатическим эффекго_\1, чтu
усиливает диспсргацию флокул цемента и пластифицируюшс-водоредуцирующий
эффекг этих дuб::tвок.
69
Таким образом, общий принцип действия гипсрпластификаторов тот же, что и
су11ер1u1с:1стификс:1тuров: дисаергс:1ция зерен uе.\1ен1а и снижение вязкости цементно­
го теста, но за счет стерического действия эти эффекты значительно возрастают.
Существенной особе1п1остыо пmерпластифiп<атороn является nозмо>кпость кон­
струирования разm1Чных видов их молекул. Увеличивая длину основной uепи, сорби­
руюп1ейся на поверхности зерен nемента, ·можно лостwп, заме;vтеm-1я его ГИЛРатап,ии и
новысить оохрс:tняемость бетuнной смеси. И нс1.обuрuт- uри небuльшuй wшне оснuвных
цепей обеспечивается быстрая г�щратация и набор ранней прочности бетона.
В итоге имеется большое количество модификаций гиперпластификаторов
разных производителей. Они характеризуются «узюrм» назначением, в отличие от
«униRсрсал;,ю.тх» супсрттластификаторон. Это слслуст учитьmать при их н;,тборс.
Влияние гипер1u1с:1стификс:1тuров нс:1 t,;вuйствс1. бетоннuй смеси и Gетuнс1. имеет
принципиально тот же характер, что и суперпластификаторов. Ilo благодаря боль­
шей пластифи1<ации смеси 01п1 позnоля1от получат1 самоуплотнЯiощиеся бетоны, а
при водоредуцировании и снижении В/Ц достигается более значительное улучше­
ние технических снойстн бетона. При изучении эффекта 6 различнътх rиттерпласти­
фикс:1тuрuв прочность бетонuв и:з рс1.внuпuдвижных смесей новысилс1.сь нс:1 36-51 %
(тогда как бетона на С-3 только на 26%), морозостойкость увеличилась в 2-2,5 раза,
а nодонепропицаемост1 n 2-3 раза [26].
Сохраняеl\1ость бетонной смеси с гиперпластификатора:ми выше, чем при
при:менепии суперпластифиrсаторов [4].
Поликарбоксилаты обладают заметны11,r воздухововлекающи:м действиеl\-r, со­
держание воздуха в бетонной смеси :может достигать 5% и более [13]. Ряд произво­
дителей подавляет этот эффект, вводя в водный раствор добавок пеногасители. По­
этому, если предполагается одпоnремеппо применять nоздуховоnле1m1ощу10 добав­
ку, следует выяснить её совмесn,п11ость с гиперпластификатором.
Можно 11редпuлс:1л:1.ть, чтu, экрi:1.нируя новерхнuсть зерен цементс:1, гинернлс:1стификаторы в повышенных дозировках также могут оказывать тормозящее дей­
стnие па твердение цемента и с1ш>rсаТL прочност1, Эта ситуаuия пабmодалась n эrсс­
пери:ментах [26], результаты которых представлены на рис, 2.9,
"
55
1
С50
.о"45
�40
ъ
l35
30
25
о
1,5
Гиnерnласпtфю�атор, %
Рис. 1. 9. ВJ1ияние дuзирuвки гипер11Jпtстификатuра на прuчнос1-ь. 1 - 3 - разJiичные 1-иuер1u1а­
сп1фикатuры отечеL"l-венногu 11рu11Звuдства. Раствuр сuспtва 1:3 (22)
1
0,5
С�ледует отметить, что в этих экспериментах повышение прочносn-1 при опти­
малLНLIХ
расходах гиперпластификатороn составляло 60-83%, что зпаtспtтеЛLпо вы70
ше результатов, приведенных выше. В то же время при дозировках трех изученных
гиперпластификаторов более l - l,2% 2�-дневная прочность снижалась, нес:Уiотря на
продолжающееся уменьшение расхода воды в бетонной смеси. I(артина аналогична
аредставненнuй ранее для су11ер1u1астификаторuв (рис. 2.5 - 2.6). Пu::Jтuму дня вы­
явления оптимальных расходов, как и в случае суперпластификаторов, следует изу­
читh Rлияние ра.зличm.тх дозироRок nптерттластификатороR не только на нодоре!(у­
цирuвание, нu и на 11ро 11ность Gетuна в стандс1.ртнuм, а нри необхuдимuсти - и в ран­
нем возрасте.
При применении гиперпластификатороn сохраняется проблема их соnмести­
мости с це:ментами. На нее влияют те же характеристики цемента, что и для супер­
ттласrификаторов, но стеттенr, их влияния изменяется. Так, роль С3 А суп\сстненно
ослабляется, а в ряде случаев - исчезает. В то же время значительно возрастает роль
щелочей в цементе. Может вш1ять также содержание гипса, в отдельных случаях C4AF [13].
Степень несов11,1ести:\1ости гиперпластификаторов с портландцементами в ря­
л:е случаен ока.зF>тнается RecF>мa значителF>ной. Так, при применении о!(ного из ги­
аерпластификатuров с ра3ными цеJ1.,1ента.\1И степень 1u1с:1.стификс1.ции растворных
смесей изменялась в 2 раза, причем ее снижение произошло для цемента с мине­
ральной добавкой [19].
В исследовании Г.В. Несветаева и А.Н. Давидюка для цементного камня с
различными гиперплаетификаторами при постоянном В/Ц и практически равной
пористости наблюдались весьма значительные колебания прочности по сравнению
с контрольным составоУI. Так, введение одного из гиперппастификаторов в смесь на
цементе Мальцевскоrо завода привело к у�v1еньшению прочности на 24%, а в соста­
вах на цементах Вольскuго и Себряковскuгu зс:1.во,цuв к ее ув�личению сuuтветствен­
но на 7% и 18% [31]. Причины столь больших отклонений прочности от контроль­
ных сuставuв при ра.Внuй нористости uстаются неясными. Авторы считают, чтu ими
:могут быть морфология новообразований, прочность контактов между ними [З l].
В опытс1.х на. м�лкuзернистом бетuне пuстuяннuго сuста.Ва (вариант 1u1астифи­
различных rиперпласn1фикаторов в дозировках, указанных
кации) при применении
:
ттроизволителем, прочность колебаласr, R ттрелелах ± 25% [ 18].
11оэтому оценить степень совместимости mперпластификатора и цемента мож­
но только в эксперименте, как это рекомендовалось ранее для СП. При пластифика­
ции бетоrп1ой смеси побаnка пе доm1а1а спюr<ат1 прочпост1 бетона, при водоредуци­
ровавии повышение прочности при достаточно хорошей совмесn11\1ости должно бьпь
не меньптим, чем при расчете тто формуле Боломея - Скрамтаена (тт. 2.4).
11одбор состава бетона с г:r,mерпластификаторами может проводиться по ме­
тодикам, рекомендованным выше для СП.
Литература к разделу 2
1. Бабаев Ш. Т., Комар А.А. Энергосберегающая технология железобето1-rnых конструкций из
высокопрочного бетона с хm.mческими добавками. - М.: Стройиздат. - 1987. - 240 с.
2. Бабаев В.А. Тепловлажностная обработка бетонов с добавкой суперпластификатора С- 3
// Бетоны с эффекrnвньМI суперпласmфикаторамн. Сб. НШ1ЖБ. - М.: 1979. - С. 69 - 84.
71
3. Баженов Ю.М. ПовьШiение эффективности и эконо�mчвости технологии бетона// Бетон и
железобетон. -1988. - N_129- с. 7 -9.
4. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: АСВ. - 2007. - 528 с.
5. Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашниr<ов В.И. Модифицированные высо1<окачествен­
ныс бетоны. -1\11.: ACR. - 2006. -368 е.
6. J;атраков R.Г. 1\.1о;�;ифит1ир0Rанпыс бетоны. -1\11.: Технопроект. - 1998. -768 е.
7. Батраков В.Г., Тюрина Т.Е., Фаликман В.Р. Адсорбция и плаетифицирующий эффект
суперпластификатора С-3 в зависИ11,юс-п1 от состава цемента.// Ьетоны с эффективными модифици­
рующими добавками. С..:б. Н.ИИ
. Жь.-М.: l9S5.-с. S-14.
8. Батраков В.Г., Файнер М.Ш. Ра,'У])Сосбереrающий эффект модифиютторов бетона// Бетон и желе­
зобетон. -1991. - №3 -С. 3 -5.
9. Борисов А.д..., Калашников В.И., Ащеулов ПВ. Классификация реакционной акrnвнос'П1 цементов в
присук,-гвии суперnласmфиюпоров // Строительные материаn_ы.-2002. - №.> 1. -С. 1О-12.
10. Булгакова М.Г. Влияние суперпластифиuирующих добавок на свойства бетона в конструкциях
// Исследование и применение бетонов с суперпластифи:катора�и. Сб. НИИЖБ. - М.: 1982. С. 91-97.
11. J;улrакова М.Г. Rлияние еуrrсртптастнфикаторов на осноRные снойСТRа бстонон R конетрую'(fт­
ях. // Химические добав:ки для бетонов. М.: J 987. -С. 3 О-40.
12. Новк А.И. () качестве нафталинформальдеrидньrх суnерпластификаторов. Часть 2. // Техно­
:�огии бетонов.-2UUK - №3. - С. �-9.
13. Вовк А.И. О некоторых особенностях применения гиперпластификаторов // Техно:1огии бето­
нов. -2007. -№5-С. 18-19.
14. Г.1адков В.С., Виноградова Э.А. Высокопрочные бетоны с добавками суперпластификато­
ров для морских гидротехнических сооружений.// Бетоны с эффективньrми суперпластификато­
рами. Сб. НИИЖБ.-М.: 1979.-С. 114-120.
15. Гордон С.С. Раздельная тех нология приготовления бетонной смеси с добавкой суnерпластифи­
каторов // Бетон и железобетон. -1990. - №8 -С. 13 -14.
16. Дворкин Jl.И., КизимаН.lL Эффеъ.,ивные литые бетоны. JJьвов.: «Нища школа». 19Sб.-142 с.
17. Добавки в &гон: справочное пособие/ lloд ред. Н. Рамачандрана. М.: Стройиздат. - l9SK -575 с.
18. Дорф В.А. Сравн�;пельные исследования: эффективносm современных пласrnфицирующих
добавок д.,я монолитного бетона// Технологии бетонов. -2012. -№ 5-б.-С. lU-13.
19. Захаров С.А Оптимизация сос тавов бетонов высокоэффекпmными по:rnхарбоксилатными
пласmф10<аторам11 // Строительные материалы- 2008. - № 3.-С. 42 -43.
20. Зинина Е.А. Коррозионная стойкость бетонов с суперплае,-тификатором // Исследование и
применение бетонов с суперпластификаторами. Сб. НlПIЖБ. -М.: 1982. -С. 79 -82.
21. Зоткин А.Г. Определение оптимальной дозировки суперпластификатора в бетоне// Техно­
.1олiи бетонов. - 2013. - №3. -С. 35 -39.
22. Зоткин А.Г. Бетон и бетонные ковструI<ции. - Ростов н/Д: Феникс. - 2012. - 335 с.
23. Зоткин А.Г., Саен:ко П.А. Прогнозирование прочности бетона с с111ерrmасrnфикаторами с учетом
зффсттl ofu.cмa цементного камня . il hС'ТОН и жсr�сзобстон. 2008. - № 4. - С. 14-16.
24. ИRанов Ф.М., Москвин П.Т\tf., f�атраков R.Г. и лр. Jl,oбaRкa ,11,ля бетонных смесей - супер­
пластификатор С- 3. // 1:>етон и железобетон. - l 97S. - №lU. - С. 13 - l б.
25. Иванов Ф.!v1., Зикеев Jl.H., Леонович С.Н. Структура и морозостойкость центрифуrиро­
ванного бетона с добавками. // Исследование и применение химических добавок в бетонах . М.:
НИИЖБ, 1989.-С. 59-66.
26. JЬотов В.С., Ибрагимов Р.А. Влияние некоторЬL'{ гиперпластификаторов на основные
свойства цементных ко�mозиций // Строительные материалы. -2010. - № 11. - С.14 -17.
27. Каприелов С.С. Влияние суперпластификатора С - 3 на технологические характеристики бетон­
ной смеси// Беrоны с эффективными суперпластификаторами. Сб. ЮIИЖБ. -М.: 1979. -С. 36 -49.
28. Коваль С.В. Оuен:ка эффективности суперпластифи:каторов с применением эксперимен­
тально-статистических ��оделей // Бетоны с эффективными: модифици:р)'Iоши1vп1 добавками.
М.: 1985. - С. 93- 101.
72
29. Колбасов В.М. Структурообразу�ощая роль суперп.1астифи:каторов в цементном камне бетонов
и растворов.// Бетоны с эффе�-'Тивными модифицнру�ощими добавками. Сб. НIШЖБ. - �1.: 1985. -С.
126-134.
30. Несветаев Г.В. Эффективность примене ния суперпластификаторов в бетонах // Строи­
тельные материа лы -2006. - № 10. - с. 23 -25.
31. Неенстаен Г.R., !(анилюк А.Н. R:тиянис некоторых rиrтерттластификаторон на ттористоетh,
влажностные деформации и морозостойкость цементного камня. // Строите.�ьные материалы 2010. -№ 1.-С. 44-46.
32. 1lопов А.Н., Ционский A.Jl., J:эач,аков B.l '. и др. llрименение добавки суперпластификатора
С - 3 при изrоrовлении вибропрессованных же.1езобегонных труб // Бетоны с эффекmвными су­
перпласmфикатора1ш:. Сб. НИ:ИЖБ. -М.: 1979. -С. 85-100.
33. Попов Л.П.,Башлыков Н.Ф., Иванов Ф.М. и др. Эффективность применения суперпласти­
фикатора С - 3 в бетоне для монОJШтных и сборных конс,-трукций. // Бетоны с эффекшвными моди­
фицируJОIШfМИ добавками. Сб. НИ1DКБ. -М.: 1979. -С. 100-114.
34. РамачmщранВ., Фепьдман Р., Бодуэн Дж. Наука о бетоне. М.: Стройи:щат. - 278 с.
35. Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. f\1.: Стройиздат. -1989. -187 с.
36. Санника Ю.А., тr,србак IO.R. Rысокоnрочныс бcmm,1 с ,г�:обаяRами еу11срrmастификаторон // Ис­
сл�;щование и применение беrонов с суперпластифЮ<аторами. Сб. 1 П1ИЛСБ.-М.: 1982.-С. 28 -34.
3 7. Силина J::.C. Uпыr применения суnерпластифЮ<атора С - 3 на заводах 1 'лавсредуралстроя 11 11с­
следование и применение химических добавок в бетонах. М.: НИJttж.1::,, l 9H9-С. 35 -45.
38. Сорокер B.lI. Довжих В.Г. Жесткие бетонные смеси в производстве сборного железобето­
на. -М.: Стройиздат. -1964.- 307 с .
39. Ушеров -Маршак А.В., Ц:иак �f. Совместимость - тема бетоноведения и ресурс техноло­
mи бетона // Строительные материалы. -2009. - №1О -С. 12-15.
40. Фаликман В.Р., Булгакова lv[.Г., Вовк А.И., Савидова Л.А. Зависимость свойств бетона с
суперпластифЮ<атором С - 3 от степени поликонденсации полиметиленполинафталинсу.m,фонатов
// Бетоны с эффекrnвны:ми: :v�одифицирующими добавками. Сб. НИ:ИЖБ. -М.: 1985. -С. 15 -25.
41. Фурманов С.И. В.�:ияние суперпластификаторов на технологические свойства мелкозерни­
стых бетонных смесей и структуру мелкозернистого бетона // Исследование и применение
бетонов с суперпластификатораJ>.п1. С6. Н11ИЖБ. -�1.: 1982. -С. 60 - 70.
42. Чернышев IO.ll., Козлова Jl.A., Рейниш BJl. Опыт производства и применения в техноло­
mи бетона суперпластификатора до фен // Химические добавки для бетонов. l\1.: 1987. С. 47-54.
43. Шаблевский В.В., Литвак Л.А., Артемов А.П Высокопрочные бетоны из литых бетонных сме­
сей// Исследование и применение бетонов с суперпластификатораJ>.ш. Сб. НИИЖБ. -М.: 1982.
-С. 34 -36.
44. Litvan G. Air Entraiment in the Presense of Superplasticirers. JACI. 1983. - v. 80. - № 4.
45. ГОСТ 24211 - 2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические
условия.
46. ГОСТ 30459-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценr<а
эффсктинности.
73
3. БЕТОН С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ
3.1. Минера.11ьные добавки
Минерапьнhте добанr<и (ТVfJI) - это тторотпки раэличного происхожнения, RRO­
дmv1ыe в бетон в относительно больших количествах: от 30 до 200 кг/м 3 и более.
Они не обладают вяжущей способностью, тем не менее, могут существенно улуч­
шать ряд сnойстn бето1п1ой смеси и бетопа.
Бетонные смеси при введении МД становятся более пластичными, стойкими к
расслоению, легче перекачиRаются и укла,Т(hТRаются. !(ля эатRерлеRтпеrо бетона по­
вышается нлuтнuсть и уну•1шаются техюi'Jеские свойства. В важной J.tдя. нрактики
ситуации: при сравнении равнопрочных бетонов (контрольного и с 1\IIД) достигает­
ся экономия цемента при одпоnремеппом улучшении ряда сnойстn. В частности,
бетон с МД имеет :меньшее тепловыделение, пониженную проницаемость и повы­
шенную коррозионную стойкость, а также большую однородность структуры
вследствие устойчивости бетонной смеси к расслоению. Можно говорить о более
высоком уровне качества таких бетонов. Поэто�у сегодня МД рассматриваются как
почти обязательный ко�mопент бетона.
В то же время отдельные свойства бетона с �неральными добавка:\1и могут
попи)каться. К пим отпосится морозостой1<ость бетона, его защитное дейстnие по
отношению к ар матуре,
а также ранняя прочность бетона и скорость твердения при
:
нониженных темuературах. Знс:1ние как достuинств, так и возможных недостаткuв
бетонов с МД будет способствовать их успешно:rv�у применению.
Минеральные дuбавки наибuнее 3ффективны в бетонах с низкими расхuдами
цемента, меньший эффект имеет место при средних его расходах. При этом эффект
МД зависит не только от их количества и расхода цемента в бетоне, но и способа
введения: взамен цемента или песка: или цемента и песка одновременно. :)то
осло1к1rnет анализ эффе1<тоn 1v1Д и их оuепку и будет подробно расс:\1отрепо n даль­
нейшем.
11стория ,�рименения .rнинеральн1r1Х добавок ухо71ит R J(апекие нремена. Они
явня.ются, 110-видимuму, первыми добавками, нри.\1.ененными в строительных. рас­
творах и бетонах. Санторинская зе:мля (остров Санторин) - вулканическая порода,
которая nnодилась греками n растворы за несколько столетий до пашей эры. Другой
издавна применявшейся добавкой были измельченные керамические отходы, кото­
р1,тс позже стали назhтRатh 1,емянкой.
Ширuкuе нрименение t\1Д нолучили в Древнем Риме. J,Iт.:1.11ия богата вулкани­
чески�1и порода1'm, но наибольшее при1'1енение нашли добавки из пород вбm1зи
:местечка Пуццуоли. Опи, а зате1-.1 nce добаnки nулкапического происхо)I<депия стали
называться пуцz1олановы,нu. Сегодня это название распространяется на все природ­
ные МД.
Введение в раr.,�·воры и бетоны на извести 11уццоJ1ановых добавок позв0Juu10
существенно улучшить качество и долговечность римских бетонов и растворов. Ряд
сооружений Древнего Ри1v1а в хuрошем соL:тuя.нии L:охранинись до нашего времени
(Пантеон и др.).
74
Природные МД вводились в бетоны и растворы более 2000 лет. Но в середине
ХХ века наступил новый этап: при:rvrенение в бетонах в качестве !vlД отходов про­
мышленности - зол Т.:)С и несколько позже микрокремнезема. Они, в отличие от
ариродных добавок, не требуют измельчения, так как уже находятся в диснерсном
состоянии, и часто обладают более высокими свойствами, чем природные добавки.
Учить1ная это, а также регламентат"(Ию их снойстн етанлартами, эти Ml( рассматри­
вают сегодня не как отходы, а как нобочные нродукты нроl\-1ышненности. "УтилиЗа­
ция этих продуктов в бетоне важна и с позиций экологии.
Прииципы прш,е11е11ия и 1тассифu1'ация МД. Минеральные добаnки пе об­
ладают вяж.--ущими свойствами, но большая их часть обнаруживает хи:rvrическую
актинноет�:. R присутстнии Са(ОН) 2 - актинныс лобанки. R то же нрсмя оснонной
эффект большинства МД в бетоне и�1еет физическую основу - наполнение цемент­
ного Ка:\1НЯ.
Следует отмегит1, что папоm1епие различrп,rх материалоn (паз11nаеМLrх в этом
случае 11,rатрицами) дисперсными порошками или другим:и компонентами широко
испол�:.зуют лля получения композит�ионных материалон. Наполнение т,е�1ентного
Ка-'1.НЯ диснерсными Ч.а(.,"ГИцами имеет свои особенности. Если нонимеры и метанни­
ческие матрицы являются плотными и при наполнении их плотность не меняется,
то цементные матрицы - пористые и при наполнении их пористость снижается. Но
это происходит лишь тогда, когда повышается концентрация твердых частиц в це­
ментном тесте - камне, т.е. когда МД вводится в бетонную смесь либо взамен пес­
ка, либо- це11,1ента и песка одновременно.
В перво11 прибm1жении целесообразность введения МД в бетон можно объяс­
нить, исходя из практики получения бетонов различной прочности на цементе од­
ной .марки. Это приводит к расходам цемента от 200 до 500 ю·/м 3 бетона. В то же
время существует положение об оптимальном содержании дисперсных частиu в
бетоне (11орядка. 400 - 500 ю"/м 3 ), установленное еще в на.чане прошлого века Фере,
II.A. Поповым и другими учеными. При низюiх расходах цемента в бетонной смеси
имеет место дефицит диснерсных '!астиц, который и может быть комненсироваН
введением :tvlД. В первом приближении можно считать, что МД должна дополнять
количеетRо т�емента н бетоне л:о оптимального солержания Т(Исперсных частит,.
Для минеральных добавок применяются несколько классификаuий.
По пуццолановой ак1пивнос1пu они делятся на тип I - активные и тип II ипертп11е.
По происхождению добавки подразделяются на:
• природные (измельченные вулканические или осадочные горные породы:
nулкапический пепел, туф, диатомит);
• отход11 пром1rшлеппости (золы ГЭС и микроI<ремпезем);
• искусственные (мета.каолин, наносИJ1икаты).
По дисперсности различают:
• :tvlД обычной диспсрности. К этой группе относится большинство добавок
с удел1пой поnерхпостr.rо 2000 - 5000 с1�2/г;
• высокодисперсные МД с удельной поверхностью 15000 - 20000 см 2/г и
более (микрокрсмнезс,1, мстакаолин, наносиликат�:.т).
В основе действия МД обычной дисперсности в бетонах лежит <<Эффект мик­
ронаполнителя»: при их введении в бетон с постоянным расходом цемента проис75
ходит повышение прочности, тс:м большее, чем он ниже. Активные МД дополни­
тельно увеличивают прочность, вступая в реакцию с Ca(UH) 2, вьщеляющимся при
гидратации цемента, и образуя гидросиликаты кальция (пуццолановая активность
дuбавuк). Обна<.;ть нрименения �тих добавок - бетоны с низкими и средними расхо­
дами цемента.
!{ля Rь1сокодисттерснь1х 1\11( их Rысокая химическая (ттут,r,оланоRая) ак­
тивнuсть имеет uсновнuе значение, а микрuнанолняющий эффект играет уже
меньшую роль. Они эффективны в бетонах всех составов, но, учитывая высо­
I<УJО стоимост1 эrnx добаnок, примепя1отся для получения n11со1<опрочпь1х и
высококачественных бетонов.
ОсиовньLrии свойства1•1и МЛ яRлsпотея ,n:иеттсрсност�:., пупт,оланоRая актиR­
ность и водопотребность.
Дисперснос111ь добавок оцен�mается либо по удельной поверхности, либо по
остатку па сите 45 мкм. С ее повышением качество МД улучшается: увеличивается
химическая активность и микронаполняющий эффект в бетоне. В то же время мо­
жет Rозрастать RОТ(оттотребность яобаRок.
Водопотребность добавок обычно онределяется по методике, нрименяемой
для цемента. Добавки с такой же �ши меньшей водопотребностью, че:r-.-1 цемент не
меняют иm1 понижают водопотребность бетонной с:r-.-1еси.
Пуццолановая ак,пивнос,пъ :может бьпь оценена по взаимодействию добавки и
Са(ОН)2 и определяется либо по поглощению добавкой СаО из раствора, либо по
прочности затвердевших смесей добавки и извесn1 или портландцемента.
И:r-.-1еет значение и химический состав МД, отсутствие или ограничение в них
составляющих, попадание которых в бетон недопусn1мо �ши нежелательно.
СвоЙ<.;ТВа дuбавок в значительной <.;тенени взаИмuсвязаны. Так, <.; рuстuм дис­
персности увеличивается их химическая активность, но одновременно возрастает и
водонотреGность, 11то в значительной стенени уменьшает эффект дuбавок. Наиболе�
известный пример - микрокре:r-.-mезем, который при громадной удельной поверхно­
сти (норядка 20000 см2/г) и вы<.;uкой химическuй активности имеет и бuльшую во­
допотребность (до 60% и более). В итоге его прочностной эффект в бетоне часто
сраRним с эффектом зол об�:.тчной J(Исттерсности. J,f mптт�:. нейтрализуя Rьrсокую RО­
допотребность микрокреf\>mезе:ма введением СУJlерпластификатора, получают боль­
шой рост прочности бетона.
Искл1очепием из этой 1сартипы яnля1отся золы ТЭС, для котор1IХ с ростом
дисперсности водопотребность сю1жается, так как их мелкие частицы имеют шаро­
RИJ(ную форму, R то яре,1я как крупные - неттраRильН)'Ю.
3.1.1. Активные 1\,IИнеральные добавк11
Акп�ивны.ми называюп�ся "иuнеральные добавки, не твердею�цие сал�остпо­
ятельно, но способные в присуп�ствuи воды в:заил,tодейсп1вовап�ь с и.1весп�ью при
обычных те.м.пераrпурах, образуя соединения, обладаюu1ие вяжущu.1ии свой­
ства�ни.
При введении в бетон они взаи.модействуют с Са(ОН) 2, выделяющимся
при гидратации портландце:мента. :)та активность добавок называется пуццола-
76
новой. Она определяется в первую очередь высоким содержанием в них хими­
чески актиDпого аморфного* кремнезема.
Эта группа 1\.1,Ц является основной и включает природные и искусственные
добавки, а также промышленные отходы.
Природные добавки
К этой группе добавок относятся прежде всего вулканические породы (туфы,
ттсnлf>т, трассf>т и лр.). И-r.rснно к ним бf>тл псрRоначалъно при�rснсн термин «пут,т,о­
ланы», по На.:3Ванию итс1.J1ьянL:кuгu меL:те'-lка Пуцuуuли, где дuбывалL:я с11итавшийся
лучшей добавкой туф. Позднее этот термин был распространен и на вторую группу
природ1п,1х добаnоr< - осадочпr.rе породы (диатомит, трепел, опока), иногда оп при­
меняется для всех активных МД.
Сегодня использование природных минеральных добавок нс имеет смысла,
т.к. имеются качественные отходы промышленности, уже находящиеся в измель­
ченном состоянии и к тому же требующие утилизации.
Промышленные отходы
В качестве МД испuльзуют рi:Uни 11нь1е виды отхuдов, нu важнейшими явля­
ются золы ТЭС и микрокрсмнсзсм. Эти две основные группы добавок будут рас­
смотрены ниже.
Отлеm.ное положение занимают доменнf>те тплаки. Они, R отличие от ттут,т�о­
лановых добавок, содержат значительное количество СаО (35-50%) в виде низко­
осноRНhrх силикатоR и ттrлаконос стекло. А Т<Тинносrь rплакон янлястся нс путп�ола­
новой, а скрытогидравлической, пробуждаемой уже небольши�rn добавка:ми изве­
сти, что обеспечивает их самостоятельное твердение [7]. Эффективность доменных
гранулированных шлаков в бетоне значительно выше, че�� кислых минеральных
нобанок [9].
Искусственные добавки
В прошлом веке искусственные 1'1Д получали в основном путем обжига гm1н
(например, глинит) [7]. Сегодня при наличии зол ТЭС получение таким пугс�� доба­
вок uбычнuй дисн�рснuсти нецелесuобра.:3нu. Сuврем�нные искусL:твенные МД это метакаолин и наносиликаты.
Метакаолии - продукт об1кига каолипоnr,1х глин. Это nr,1сокодисперпый по­
рошок с размером част�,щ 1 - 5 мкм. Метакаолин имеет высокую химическую ак­
тинностf> и расс�1атринается как заменитель микрокремнезема [ 16]. Rro получают
аутем обжш·а каонинuвых глин при темнераrурах 600-800пС. Каолинит uбезвuжи­
вается с образованием активного метакаолинита Al2O3 ·2SiO2, способного взаимо­
л:ейстноRатf> с Са(ОН)2 [7]. Метакаолин применяется R неболnп1их лозиронках: J(O
l 0% от массы цемента. Его недостатком является высокая водопотребность, ко��*
Кристалmrqеекий кремнезем - кварт� - nри обыqных температурах инертен по отно­
шению к извести. Он активизируется только при автоклавной обработке (t=l75-200 °С).
77
пснсировать которую приходится введением суперпластификатора. Но расход по­
следнего меньше, че?\>1 при использовании микрокремнезема.
Наносuлuка,пы - искусственно получае:\iые наночастиuы аморфного кремне­
зема (юрut.:ил, uсажденный кремнезем, к0Ju1uидный кремнезем). Они имеют значи­
тельно большую дисперсность и удельную поверхность, чем микрокремнезем.
Наносиликаты произно!(ятся л:ля разm.JЧньтх 11елей, но начинают при1'-rеняться и nля
аолучения высuкокачеt.:твенных. бетuнов.
3.1.2. Ifнсртныс добавки
1.fнсртныс MJI: - лиспсрсныс частит1ы, нс облал:аюп1ис какой-либо химической
активностью в бетоне. Тем не менее, они улучшают свойства бетона с низки1'-IИ и
�
даже средними pacxoдal\iof це :мента, хотя и в меньшеи степени, че�1 активные дооавки. Наряду с об11чпым пазnанием, к пим широко примепя1от тер?\-IИН «папоmп:�:тели».
Именно на основе влияния на прочность бетона этой группы добавок бьmо сформу­
лиронано понятие «эффект микронаполнителя>> [29].
Эти дuбсtвки стали вводиться еще в начсtне арuшлогu вексt t.:HctЧaJJa в цемент
(при помоле), а в дальнейшем и в бетон. Первоначально они расс:матривались как
средство разбавления цемента и приведения его активности в соответствие с требу­
емой прочностью бетона. Но бьmо выявлено и улучшение свойств бетона с низкими
расхода:\iи цемента при их введении [8].
I<лассической инертной добавкой является молотый песок. В большом кош1честве экспериментов было установлено, что при его введении в бетон взамен це­
мента прочность снижается в примерном соответствии с проценто:м замены [33].
Это сви,LJ.етельствует uб определенной эффективноt.:ти молuтого aet.:кct и t.:оответ­
ствуст максимальному снижению прочности, допускаемому EN 450 для золы ТЭС
(снижение нрочности нсt 25% uри заl\,tене золой 25% цемента). Неt.:ложные рас 1еты
(выполненные, например, при использовании формулы прочности бетона) показы­
всtют, 1то нростое t.:окрсtщение расхода цемента в бетоне нривuдит к нuтере про 11но­
сти, приl\11ерно в 1,3 раза большей, чем пропент уменьшения цемента.
l\tfолотый песок часто используется как эталон при сраннении эффектон раз­
личных .N1Д в бетоне. Он не меняет водопотребности бетонной смеси. Дисперсность
:молотого песка нс оказывает большого влияния на его эффективность [9,23]. Liис­
ленп11е значеrп-ш его прочностного эффеrсrа n бетоне пеnелики.
Некоторое применение в бетоне находит молотый известняк. Его особенно­
стью янляется оттрелеленная химическая актинность к алюминатной фазе портлан!(­
цемента. Гlри этом образуются карбоалюl\11осиликаты кальция [36]. Но степень во­
влечения известняка в химичесь.--ую ре.акuию, по-видимому, незначительна и он
остается m1ертной добаnкой. Его эффе1сrиnпост1 примерно такая )Ке или пезпачи­
тельно выше, чем молотого песка.
Как и )1.ТТЯ' лругих MJI:, ,�щя от�енки инертных лобанок может быть использонан
коэффициент эффекrпивноспzи. Он предt.:тсtВJJЯет t.:обой отношение масс сокращае­
мого цемента и вводимой добавки, при котором прочность бетона остается посто­
янной (более нодробно коэффициент эффективности МД будет рассмотрен в п. 3.3).
l(оэффициенты эффективности для молотого песка и известняка, полученные при
обработке нитературных данных [23], приведены в табл. 3 .1.
1
1
78
КоэdнЬициенты _ · ективности молотых песка и известняка
3
Расхоп т�емента., кг/м
r-.1олоть1й песок
Молотый известняк
212
0,29
0,32-0,4
268
0,2
0,18 -0,23
295
0,14
0.13
Таблица 3.1
320
0,11
0.1
Как видно из представленных данных, эффекты инертных IvlД, как и других
добавок обычной диснерсности, уменьшаются нри увеличении расхода цемента. в
бетоне.
В последнее время в качестве напол1п:�:телей находят при:мепение и другие из­
мельченные горные породы, в то:м числе получае:мые из отсевов камнедробления
[26]. lVfoжнo нътл:елитh л:на аспекта их применения, при обычной и нътсокой ,f"(ис­
нерсности.
Ilаполнители обычной дисперсносп1и часто применяются совместно с супер­
пластификаторами. При :rгом оспоnпой интерес nызL1nа1от те из них, которые пла­
стифицируются лучше, чеl\-1 це:мент [2]. Такие «реологически а1<.."Тивные» в присут­
ствии суnсрпластификатора наполнители находят применение в самоуплотняющих­
ся бt:тонах, где им, похоже, отдается нредночтение но сравнению с химически ак­
тивными зола:r.01.
Изучаются и высокодuсперсные нанолнителя с удельной uоверхностью боJн::е
1 ООО см-/г. При столь тонком измельчении их поверхность а:морфизируется, что
нриводит к значительной химической активности. Эффект применения сунер1u1а­
стификатора в сочетании с этими добавками увеличивается. Поэтому они :могут
составлять конкуренцию микрокремнезему [2].
3.2. Эффекты минеральных добавок в бетоне
Минералъпые добавки nызыnа1от измепепие различных сnойстn бетона, по
обычно их эффективность определяется по изl\-rененпю прочности. В частности,
таким обра.1ом 01� енинаютсsr дна оснонных эффекта Mll: н бетоне: микронаполняю­
щий и пуццолановый. Кро:ме того, добавки могут изменять водопотребность бетон­
ных смесей.
Доля ка>I<дого из эффектов n поnышепии прочности заnисит от химической
активности добавюr. Для инертных добавок и пуццолановых добавок невысокой
акт�-mности, осноннът1'-Нf прел:стаRителями которых ЯR.Ляютсsr золы, R стан!(артном 28
суточном, а тем более в меньшем возрасте их основным эффектом в бетоне являет­
ся микронаполняющий [17,60]. Он является и наиболее сложным.
3.2.1. Микронаполняющ11й эффект
Микронаполняющим эффектом назьmают повыиtение прочнос,пu бе,пона с по­
с1поя.ннъиvt рас.ходол-t це.111.ен1па при введении. инертных минеральных добаво-к [29]. Он
является также частью общего эффекта активных мд. в бетоне. Этот эффект
наблюдается даже при некотором росте водопотребности бетонной смеси. В каче79
ствс добавки, использус:мой для его изучения в «чистом,, виде, обычно при1111снястся
молотый песок.
Следует отметить, что микронаполняющий эффект находится в определенном
арuтивuре'iИи с uбьl'fным представлением u нежелс:rгельнuсти введения инертных
пъшевидных частиц в бетон в составе заполнителей. Поэтому представляет интерес
его rтриро,r(а.
Микрuнанuлняющий эффекг вю1ю'-lает uе.11ый кuмнлекс вuздействий Мд. на
бетонную с:мссь, твердеющий и затвердевший бетон.
В бетотиеой смеси при введении 1'1Д:
• увеличивается количество дисперсных частиu и их концентрация в це­
ментном тесте, что снижает расслоение бетонной смеси, причем наиболее сутт(с­
ственно - при низких расходах цемента. Роль наполнителей в снижении расслоения
возрастает при применении высокоподвижных и литых смесей, а также самоуплот1rяrощихся бетонов. В последних требуемое количество дисперсных част�щ дости­
гает 500 - 600 кг/м3 ;
• улучптаетсsr зерновой состав r,ементно-rтесчаной составлsrютцей, что может
сниж.:1ть вuдuпuтребнuсть бетuннuй смеси. Э1vг �ффект также наибuлее выражен
при низких расходах цемента.
В твердеющем бетоне:
• увеличивается степень гидратации цеrv1ента в ранне:м возрасте. При введе­
нии МД в бетонную смесь возникает большая дополнительная поверхность разде­
ла: <<Добавка - вода». Ila поверхности МД отлагаются продукты гидратации цемен­
та, а :мельчайшие ее частички могут служить центрт.m кристаллизапии. Все это и
приводит к большей степени гидратации в раннем возрасте, часть эффекта сохра­
няется и в бuлее пuздние сроки.
В затвердеви,ем беп1оне эффектами МД являются:
• физическое напuлнение цементного камня. Э-го основной эффект МД в з.:1твердевшем бетоне. Он проявляется, когда добавка вводится в бетонную с:месь полно­
стью шш '-la<:J'И'-lНU ВJамен веска. В этuм слу'-lае в цементнuм тtх;те - камне ув�JИ L ШВ.:t­
ется конuентрация твердых частиц (цемент+ наполнитель), а количество воды в едини­
Т\е объема умепыттаетсsr, в итоге снижается rтористостF. Т(ементного камня. Этот эффект
проявляется во всем диапазоне расходов цемента, приr-.,1еняемых в беrоне;
• повышение однородносги имеет место дпя бетонов с низкими расходами цс­
меига, в связи с уменьшением расслоения бетоrшой смеси при введепии МД. Оно по­
полняет эффект снижения пористости, что делает общий миь.�:юнаполняюший эффект в
этом случае наибоm,ттrим. С ростом солержания Т\емента R бетоне он умеm,птается, а
при высоких его расходах исчезает. Поэтому повышение прочности при средних расхо­
дах цемента определяется в первую очередь снижением пористости цементного камня;
• ухудшение качества цементного кам1rя в бетоне. При его наполнении воз­
никает новая поверхность раздела «продукты гидратации цемента - МД», ослабля­
ютт(ая т�ементнF.тй камеm,. Отрит�ател1,наsr роль rтонерхности раз,п:ела станонитсsr все
бuлее существеннuй но мере увели'-lения нлотнuсти цементногu камня, т.е. в бето­
нах с повышсннъ1м расходом цемента.
Донолнительное влияние на структуру и свойства з.:1твердевшегu бетона мо­
жет оказать изменение водопотребности бетонной смеси при введении МД. В зави­
симости uт вuдuнотребнuсти самuй дuбавки uна мuжет увеличиваться или умень-
80
шагься, чго соответствующим образом отражается на пористости бетона и цемент­
ного ка.мня в нем. Рост водопо1ребности снижа.t:1' общий эффект 1\1Д в бетоне.
В литературе предлагаются самые разные объяснения природы микронаполняюще­
го эффекта. Нере,Jдо указr.mается, что !Уtелr.чайшие зерна lvЩ могуr быть це111ра:ми кри­
сталлизации для продукrов гидратации твердеющего цемента. Иногда предлагаемые объ­
яснения :-.1отуr быТh лостаmчно спожm,11\п-т, наnример: «ялияние rтооорхностной энергии
'!а.1.,ти.ц добавю1 на. формирова.Ние струь.�·уры цементного Ю:tМНЯ в бетоне» [6].
Часто высказьmается предположение, что причиной эффекта микроваполни­
теля является заполнение частицами rvrинеральной д обавки пустот :между зернами
цемента. Однако это может происходить лишь в частном случае, когда добавка яв­
ляется значительно более листтсрсной, чем псмснт. J1ля модельной ситуации· с олно­
рi:iЗмерныl'vш зерна.ми цемента и наноннителя дня эффекгивнuгu з,1.поннения пустот
размер зерен последнего должен быть примерно в 7 раз меньше, чем зерен цемента.
Но обr.Рп10 дисперспостr. МД близка к такоnой для цемента. Поэтому Da)lcпo
дать объяснение эффекту микронаполнителя в этой наиболее распространенной
ситуа11ии. Оно было уже сфор мулиронано нытпе: введение наполнителя увеличивает
концентрацию твердых частиц в це.менпzно.�1. mecnze. у.А-tенъшает опzносипzелъное
содержание воды в его единично,1w объеме и, следовательно, снu;;,сае,п порис1посп1ь
це.меипzиого ка.мил в бетоне.
Для его подтверждения бьш проведен экспериiv1ент с введением в бетон моло­
того песка, который m1ертеп и пе меняет n одопо'Iребпости бето1п1ой смеси. Образ­
цы твердели в нормальных условиях и были испытаны в возрасте 28 сут. Кроме
прочности определялась пористость бетонов (по водопоглошению ), по ней была
рассqитана пористость цементного камня (п. 1.4). Полученные результаты пред­
стаnлепы па рис. 3.1 [ 17].
17
.,r 16,5
l:i 16
� 15,5
_g 15
*
е'u
70
65
60
� ss
о so
-d
а1
-1
')
о
50
- --...
100
200
Молотый песок, еа/м3
б
о
1
2
С,
с: 45
40
150
50
100
�
150
200
Молотый песок, кr/м3
Рис. 3.1. Влияние молотого песка, введенного в бетон с постоянным расходом
цемента, на а) пористость бетопа и б) пористость цементного камня. Расход цемента,
кr/м3 : 1 - 200; 2 - 285. Нормальное твердение, возраст 28 сут
81
J,Iз представленных данных видно, что пористость бетона при введении моло­
тuгu песка не меняJ1ась, а 11uристuсть цементнuгu камня - снижалась, что и вызыва­
ет повышение прочности. :)то подтверждает предложенную выше и, в общем, до­
статочно очевидпу�о осповп}'IО причину эффекта м1п<ропаполпителя. В то >rce nремя
это простое объяснение не рассматривается, по крайней 1v1epe, в отечественной ли­
тературе.
Пu-ви,цимuму, ситуация U(;J1uжняется тем, •1тu введение н::t11uлнителя uuвыша­
ет прочность бетонов только с низкими и средними расходами цемента, тогда как
при высоких его расходах прочность снижается.
Тvmичные данные, полученные для «модельного» наполнителя - молотого
песка приRс,11,снь1 на рис. 3. 2 [ 1 7].
,.
35
с
;:Е
30
- 4-
о
z
,:, 25
8.
3
с
20
--
2
�
15
�
�
10
1
�
о
100
50
150
200
Молотый песок, кr/м 3
Рис 3.2. В.r1ияt1Не мш1отоп, 11еска на нрочность бетона. Расход цемента, к1i1,i':
1 - 200; 2 - 240; 3 - 285; 4 - 400. Кривые 1 и 3 соответствуют линиям 1 и 2 на рис. 3.1
Из представленных. данных. виднu, чтu нрuчнuстнuй эффект введения нанuл­
нителя уменьшается, а затем и исчезает по мере увеличения расхода цемента в бе­
тоне. Аналогичная картина пабл1одается и при введении n бетон золы ( c1v1. далее
рис. 3.11). Гlоэтому изложенный выше механизм микронаполняющего эффекта
нумно дополнить об'hsrснением, почему он перестает лейстRоRать R бетоне с Rьrсо­
кими pacx.u.LLaMИ цемента.
Ilаблюдаемая картина соответствует положению об оптимально�1 содержа­
нии дисперсных частиц в бетоне. Как известно, оптимальный расход цемента в бе­
тоне, определенный по минимальному его количеству на единицу прочности, со­
станлsrст порялка 500 кг/м3 . ТТр1,rмсрно такую же Rслпqину 400 - 500 кг/м 3 состаRля­
ет и суl\'�марный u11тимаJ1ьный рас.ход цемента и МД. Сuuтветствующее нuлuжение
было установлено еще в начале прошлого века Фере, Н.А. Поповым и другими уче­
IП,IМИ [1]. Но это поло)кепие толь1со констатирует ситуащпо. Опо пе 061,яспяет, чем
определяется положение оппп,f)'Ма и почему при высоких расходах цемента введе­
ние МД приводит У)Ке к c1m)I<e1nпo прочности бетона, хотя n этом случае плотпост1
цементного камня также повышается.
82
По-видимому, причиной является новая поверхность раздела, возникаю1цая
при введении наполнителя (минеральной добавки). Iiзвt:стно, что uовt:рхнuсть сц�u­
ления цементного камня с заполнителями является слабым местом в бетоне. I-Ь.1е1отся и да1п1L1е о некоторой «дефектности» поnерхпости сцеплеrпiя с цемептпr.rм
камнем как инертных добавок, так и зол [66,21:>]. Гlри низкой плотности цементного
камня это не сказF.тRается на прочности бетона, но по мере ее ПОRF.ппения отрипа­
Тt:J1ьноt: вJ1ияниt: этuй пuвt:рхнuсти сц1::�-u1ения вuзр<1ст<1t:т. Вt:рuятно, настунаt:т мо­
мент, когда оно начинает превьШiать положительное влияние NIД на пористость
цементного камня в бетоне.
Для подтверждения этого предположения на рис. 3.3 представлены изменения
прочности бетона при увеличении расхола т1смснта и RRСJ(снии R бетон молотого
111::ск.t и золы (пu данным рис. 3.2 и 3.11) в зависи-'1uсти uт нuристости ц�м�нтнuгu
камня в нем [17].
40
45
50
ss
60
65
Пормсrосrь цемеиn4оrо камня, %
Рис. 3.3. Влияние пористости цементного камни, ненаполненноrо (1) и наполненного
(2 ... 5) на прочность бетона. 1\llинеральная добавка: 2,4 - зола; 3,5 - молотый песок.
Расход цемента, кг/1\13 : 2,3 - 400; 4,5 - 240. Возраст бетона 28 сут
По представленным данньТh1 можно сделать следующие выводы:
• при снижении пористости т,е11,rентноrо камня R наиболf>пrей степени растет
прu•muсть ц1::м�нтно1·u б�тuн.t (ь.-ривсtя l ). Про•-tность бегuна с дuбсtвками вuзрастаt:т
в значительно меньшей степени (кривые 2 - 5). Это свидетельствует об ухудшении
качестnа тnердой фазLI при nnедепии мипералLПLiх добаnок n бетон;
•
положительное влияние добавок на прочность уменьшается при увеличе­
нии расхода цемента. При его высоком расходе роль МД становится отрицатель­
ной. Молотый песок вызывал снижение прочности бетона уже при содержании
uе:мента 400 кг/�,�3 (ь.-ривая 3), зола - при его расходе 500 кг/м3 (на рис. 3.3 не пока­
зано), несмотря па то, что пористостr. цементного кm.пrя при nnедепии этих добавок
продолжала понижаться;
• при ранной пористости т�ементноrо камня прочность бетона снижается R
последовательности: цементный ка:мень ---+ цементный камень с золой ---+ цемент­
НF.ТЙ каменf> с молотf>тм песком.
83
Таки: м образом, предложенный механизм микронаполняющсго эффекта МД с
учетом изменения качества твердой фазы позволяет объяснить как повышение
прочности при введении :минеральных добавок в бетоны с низкими и средни1v1и
расхода.\1И цемента, так и t:t: снижениt: нри высоких расходах цемента. Электронно­
:мm..-роскопическое изучение поверхностей разрушения бетона показывает, что
наибольптее количестно ттроJ(уктон rилратапии остается на ттонерхноети зерен золы,
днлее слt:дует известняк, наиболее бt:дна ими новt:рхность зерt:н 11t:ска [66]. Иными
словами, чем меньше химическая активность добавки, тем хуже се сцепление е цс­
мептпьТhI кампем.
Следует заметить, что если для молотого песка представленная зависимость
(рис. 3.3) ян.пяетея окончательной, то J(ЛЯ золы с унеличением нозраста бетона она
должна измениться. Гlуццолановая реакция золы наиболее активно протекает в воз­
расте 30 - 90 суг, при этом наблюдается значительное улучшение плотности кон­
тактной зоны зерен золы с цемеrmrьrм rca:rvпreм [38]. Поэтоl\-�у естr, ocпonarпrn
О)IПl­
дать, что при испытании бетонов в зрелом возрасте кривые для бетона с золой су­
ТТ\естненно сблизятся и нозможно сонпалут е тq,иной I лля т,ементноrо бетона на
рис. 3.3.
Рассмотренный l\-rеханизм микроваполняющего эффеl\.-га относится к МД
обычной дисперсности. Высокодисперсные добавки (например, микрокремнезем,
рассматриваемый далее) обычно вводятся в бетон взамен цемента. Учитывая, что
их зерна в десятки раз мельче частиц цемента, микронаполняющий эффект таких
добавок выражается в заполнении пустот между ними. ::>то может приводить к уве­
личению плотности цементного теста - камня, если только не будет нейтрализовано
значительньТhr ростом водопотребности бетонной смеси, вызванным введением
высокодисперс1:1ой МД.
3.2.2. Пуццолановый эффе1�т
Пуццола1:1овая а�..�ивность lvlД 011редt:J1Яе-гся 11рисут1.:твиt:м в их составе с:iК­
тивных кремнезема и глинозема. Находясь в аморфном состоянии, они при обыч­
ных температурах нстуттают н реакт(ию с Са(ОН) 2. Обf>тчно ттреобла,,r(ает аморфный
кремнезем (в золах ЗU - бU %, в :микрокремнеземе - до 9�%). llоэтому основное
значение имеет реакция (упрошснно):
Са(ОН)2 + Si02 + Н2 0 = CaO·Si02 · 2Н20
В добавках, содержащих также активный глинозем, например в золах, кроме
гил;росиликата калы�ия, образуется таК'ме гил:роалюr.,п-tнат калf>Т(ИЯ - С3 АН6.
Образование высокодисперсного гидросиликата с повышенными вя)кущими
свойствами взамен Ca(OII)2 приводит к улучшению свойств цементного камня.
Этому способстnует и умепr,шепие размероn пор вследстnие трансформации части
капилляров в гелевые поры, находящиеся :между частицами гидросиликата кальпия.
Химическому Rзаимо.i{ейстнию ттрелтттестнует растнорение стеклоRИJ(НОЙ со­
ставпяющt:й добавки 1.: нереходом Si02 и AJ203 в раствор. Скорость t:ro вt:1.:ьма м;:1.па,
но возрастает при увеличении щелочности жидкой фазы. Поэтому эффективность
активных МД увt:Jtи 11ивает1.:я нри uовышенно.м 1.:одt:ржании щелоqей в uе.менте.
84
Тем нс менее пуццолановая реакция зол развивается постепенно. Она начина­
ется в возрасте бетона 7 - 14 сут, а основная ее часть протекает в период 30- 90 сут
и более. Заметная скорость реакции сохраняется до 1 года.
Высокодиснерсные МД (микрокремнезем, меггi:1.каолин) наиболее а.Кl'Ивно вза­
имодействуют с известью в раннем возрасте, начиная с 3 сут. Высокая химическая
актинность микрокремнезема ттриRОJI.ИТ к тому, что, тто некоторf.тм данным, 25 30% е1·0 от массы цемента могут полностью связать Са(ОН)2 в цементном камне,
тогда как при 60% золы примерно 3 - 4% его остается в свободном состоянии.
Таким образо�r, соспzавля1ощие пуццола1tового ::>ффекта - :Jmo и сама реакция,
но главным образо,н проuсходя�цие при эrnOA,t, из.,ненетtя сrпруктпуры: 111рансформа­
цuя. Са(ОН)2 в гидросиликаты кальция. и умены.иенuе ра3.меров пор в бе111оне.
Незначительная пуццолановая реакция золы в возрасте до 2� сут приводит к
тому, что основной эффеl\.� ее в стандартном возрасте - микронаполняющий. Для
микрокремпезема n связи с его в11сокой химической активпост110 рол1 пуццолапо­
вого эффекта значительно больше. Он является главной составляющей его общего
эффекта R бетоне.
3.3. Критерии эффективности минеральных добавок в бетоне
Минеральные добавки хараь.-rеризуются несколькими показателя�пI, каждый
из которых оказьmает свое влияние на их эффекты в бетоне. Это в первую очередь
дисперспост1, пуццолапоnая аrсrиnпост1 и водопотребпост1, а для пекоторr,1х доба­
вок и потери при прокаливании. Оценка добавок по этим их свойствам затрудни­
тельна, та.к ка.к их величины сложно 'LJ)а.нсформировать в эффекты МД в бетоне.
Большую информацию о качестве f\1Д получают, испытывая их в смесях с известью
или цементом, в том числе неносредственно в бетоне.
СтарсЙТТП,Т\1 MCTOJl,OM O1(СНКИ актиннътх 1\/fJ( ЯRЛЯСТСЯ опрсл:слснис ИХ аТ-."ТИRНО­
сти 110 11огJ1ошению СаО из иJвесткового раствора. Но этот метод учитываегг JШШЬ
один из аспеl\.�ов их действия - химическую активность и сегодня при!l-1еняется
мало. Часто добанки с RF.тсокой актинностf.ю имеют значителf.ную но71оттотребностf.,
и суммарный прочностной эффект этих двух фаl\.�оров может быть небольшим
(пример - микрокрс:мнсзсм).
Для uценки !\1Д, вводимых в бетон, испоньзуются пока.Jатели, основанные на
испытании добавок в це:ментных бетонах или растворах. Они одновременно учиты­
nаrот все свойства добаnок, определя1ощие их эффектr,r в этих системах. Это показа­
тели, рассчитываемые по прочностному эффекту МД в бетоне: индекс активности и
коэффициент эффективности.
Выбор критерия оценки ка.•tества добавок осножняется тем, что существуют
два принципиально различных способа их введения в бетон: взамен цемента и вза­
мен песка. Каж.л:ому из них соотнетстнует сной прочностной эффект (отрит,ателъ­
ный rши положительный). Критерии, рассчитанные по эти!l-1 эффектам, не являются
равноценными.
Предпочтительным является эффект при введении 1v1Д в бетонную смесь вза­
мен песка (т.е. при постоянном расходе цемента). Он соответствует практике при­
менения этих добавок как незавиt.:имого комнонент,i бетона. Прочноt.:ть при этом
85
растет (если этого нет - добавка неэффективна), физически ясный эффект роста
прочности бетона легко пересчитывается в экономию це:мента.
Ог введения МД взамен части цемента как способа их применения в бетоне
довоJ1ьно давно и обосновано откс1:3ались, но в мето,цике оценки добавок и в частно­
сти золы этот подход сохранился. Он используется для определения индекса актив­
ности золь1 и ,r(рутих 1-rnнерал;,ньrх л:обаRок R станл:артах многих стран и нключен R
европейские нормы EN 450 «Зонс1. для бетона». Ниже критерии эффективности рас­
сматриваются применительно к этой добавке.
Иидет(с активиости (ИА) представляет собой (n редакuи:и EN 450) огпо­
шение прочности стандартного раствора, в котором 25 % цемента заменено по
массе золой, к прочности исхол:ноrо растнора (состан Т�:ТТ=1 :3; RЛ�=О,5 при
использовании CEMl класса 42,5). Возможно и его определение в бетоне, что,
на пример, и�rело место в немецкой практике [57]. С огласно EN 450, индекс ак­
тивности зол для бетона дол>кеп быт1 >75 % для 28-суточного возраста и >85 %
для возраста 90 суток.
Ко.1ффи1�иент .1ффе1<11-�ивности (/{з) минераm,н;,1х л:обанок яRляется горазло
более информс1.тивным покс!.:3а.тенем, чем индекс акгивности. Он нредставняет собой
о,пношенuе анасс вводимой добавки и сокра�цаеt1ого цемен,па, при которо,111 проч­
нос1пь бетона остается постоянной. Впервые Кэ бьш предложен А. Смитом [34],
проводившим исследования бетонов с золой. Смит назвал его коэффициентом це­
ментирующей эффективности. Термин «цементирующая эффективность» является
не совсем удачным, т.к. ассоциируется с пуццоланической активностью, тогда как
фактически характеризует общий прочностной эффект в бетоне любых f\1Д ( вклю­
чая микронаполнители).
Методика нахождения К3 оt:нова.на на t:опоt:тавлении сос тавов равно­
прочных бетонов: контрольного и с МД, а более конкретно - :масс цемента и
добавки, вносящих одинаковый вклад в прочноt:ть бетона. Онс1. является доста­
точно сложной. Смитом значение I<э рассчитывалось из равенства В/Ц кон­
троJ1 ьного бетона. и В/(Ц + К3 • 3) бетона с золой (3) той же нрочнuсти. Их онре­
деление является весьма трудоемким. Для этого требуется предварительно по­
лучит;, заRисимости прочности контрол;,ного бетона от R/1� и бетона с золой от
В/(Ц + 3). Для каждой из них, учитывая нелинейность зависимостей, требуется
по три состава бетона. Так как получаемые значения К э зависят от принятого
уровня прочности, определялос1 среднее из нескол1ких зпачепий [34]. Эта ме­
тодика использовалась во многих исследованиях.
R Германm-J она нескол;,ко у проп�ена и прел:усматринает исттьттание контрольного состава (с расходо�1 цемента 300 кг/м j ) и двух составов бетона с МД и
разными расходами цемента. 'Jто позволяет графическим путем находить состав
бетона с добавкой, равнопрочньrй контрольному [ 60 ].
Нами предложена более простая методика определения К3• Она основана на
сопостанленпи прочноспzн.ых эффектов Rнел:ения R бетон опрелеленного количестRа
цобавки и увени•:1ения в нем на. ту же величину расхода цемента. Ее графическа.Я
интерпретация представлена на рис. 3.4.
86
25
� 22
8,
19
16
13
10
о
50
100
•t11•1 (+)цемемт, 1r/м)
Рис.3.4. Рост прочноС'ПI бетона:
l- при введеюrn МД (золы) вместо песка, 2 - при увеличении расхода це:мента.
Контрольный бетон с расходом цемента 230 кг/� [22]
Зола
Сравнивая прочностные эффекты МД - ЛR 1 и цемента - ЛR, определяем Кэ как
отношение этих всm,rчин: Кз = ЛR 1 /ЛR.
При полном экспериментальном определении требуется изготовление 3-х со­
ставов бетона. Ilo на производстве обычно имеется зависи.\1ость прочности от рас­
хода цемента, либо формула прочности бетона с коэффициентом А, уточненным
для применяемых .\1атериалов. Тогда определяется прочность контрольного состава
и состава с МД, а прочность бетона с увеличенным расходом це.\1ента - рассчить1-
вается. Таким образом, определить коэффициент эффективности МД эти:м способом
мо>кпо при испытании ncero дnух cocтanon оетона.
По данным, представленныI\1 на рис. 3.4, рост прочности при введении в бетон
100 кг золы со<.:тавил 5,7 lvlПa-, а- 100 кг Цt.\1t�нт.:1. - 12 lvШa.. Тогда. К3 = 5,7/12 = 0,47.
I(ооффициент эффективносrи МД существенно зависит от расхода цемента, при
котором оп определяется. Особеш1остыо данной методики яnляется то, что коэффици­
ент эффективносm устанавливается для расхода цемента не в контрольном бетоне (230
кг/�), а R безТ106аночном бетоне, ранноттрочном бетону с золой. Это бетон с прочностью
l 'cl,7 l'vlfla и расходом цемента 275 кг/м3 • Из рис. 3.4 следует, что эта прочность достига­
ется как при введении 100 кг золы, так и при увеличении расхода це:мента на 46 кг, что
дcit:l' близкое значение Кэ = 0,46 (ужt нри ис110J1ЬЗовани.и <<Ма.t.л.:овой» .\1етодики).
Коэффициенты эффекп1вносn1 ряда зол приведены в табл. 3.2.
Таблит�а 3.2
Коэфф11циенты эффеь."Тивности некоторых зол
Расход
Вид золы / условия твердения
Углеrорской J 'РЖ 1-121
Бурштъrвской J 'РЭС 114 ·1
т,смснта, IЛ--СКОЙ 1xr221
3
кr/м
проnариванnе
нор:ма.�:ьное твердение rропаривание
пропаривание
0,39
240
0,46
0,39
0,5
0,42
О , 31
300
О ,36
0,4
0,2
350
0,45
0,33
0,29
400
0,2
0,5
0,25
3
Примечания: l. Расход золы - 150 кг/м ; 2. Возраст бетона - 28 сут; 3. Значения К, по
результатам из источнИ](а [ 12] расс•п1таны автором.
87
Сравнение индекса акп�ивн.ости II коэффициенп1а эффективности Л,/Д.
Индс:к<.; <1ктивнuсти труднu интерпретируется. Пu егu вели'-iине неньзя uнрс:делить,
каким будет прочностной эффект МД в бетоне хотя бы среднего состава fШИ эконо­
мия цемента. В EN 450 «Зола для бетона>> да)ке указано, что 1пrдекс акгиnности «пе
содержит прямой информации о прочностно:м эффекте золы в бетоне».
Но такая информапия Rce же содержится, хотя и R «скр1,1том ►► RИJ(e. Раскр1,тт1,
ее нuзвuJrneт тuт факт, '-iTU нрuчнuстные эффекrы введения МД в бетuн взамен uе­
мента и песка однозначно связаны между собой [24]. :)то показано на рис. 3.5 на
при:мере золы.
Ц.
кr/1'
400
R,
35
�fПа
R1
30
R
350
25
а
---------------
Rз
1
300
20
о
Зола, кr/!<f
100
Рис. 3.5. Взаимосвязь прочностных эффектов золы при разных способах ее введения для
получения 011пого состаRа бетона с зо.,ой (т. А). Замена золой:
1 - песка; 2 - цемента. а, б - определение экономии цемента при введении !УIД;
pacxo)l. r�смснта: а - R бетоне без золъr, б - R раRноnрочном бетоне с золой
График снаб)кен второй вертикальной осыо - расхопоn цемента. 01m соответ­
ствуют прочности бетона без добавки. На поле графика расход цемента постоянен
вдоль m1нии 1 (при замене золой песка).
Состав А �101rсет бI,JTL получен вnедепием l 00 кг золI,J взамен пес1<а n бетон с
расходом цемента 300 кг/м3 , ил� взамен цемента в бетон с его расходом 400 кг/м3 . В
перRом случае прочност1, расте1', R0 Rтором - пмает. При пон1,ппении качестRа зол1,т
т. А будет перемещаться вверх, рост прочности при введении золы взамен песка
ЛR2 будет большим, а ее снижение при замене золой цемента ЛR 1 - ·меньши�1. Ilo
сум.\1арнut шменение нрuчнuсти (ЛR 1 - ЛR2) останется ностuянным. Онu равнu
прочностному эффекту 100 кг цемента в бездобавочном бетоне (ЛR).
Эта зависимость и позволяет установить сnязL ме11сду ипдексом а1<тивности и
Кэ, опредеmпь, какоl\1у повышению прочности бетона при замене золой песка соот­
ветствует данное се понижение при замене золой цемента: ЛR2 = ЛR - ЛR 1. Можно
найти и го минимальное повI,Jшение прочности, при котором зола мо'iкет приме­
няться для бетона в соответствии с EN 450. График на рис. 3.5 построен таки�1 обра­
зом, что криnая 2 и т. А соотnетстnуrот минимально допустимому зпачепmо и1щекса
акт1-mности 0,75 (замена цемента золой - 25 % , снижение прочности бетона 25 %).
Зола с этим ипдексо1v1 активности, введенная в бетоп взамен песка n количестве 100
88
кг/м 3 , обеспечивает рост прочности на 12 % (24/21,5). А нулевому росту прочности
бетона при введении l\1Д соответствует индекс активности 0,67 (21,5/32).
Такиl\11 образом, зола с минимально допустимым по евронормам индексом ак­
тивнuсти 0,75 uбJ1с1д,н:�т uпределеннuй эффекгивнuстью дс1же в бетuне cu средним
расходом цемента. При его снижении эффект применения золы значительно возрас­
тает. Так, зола Ноноиркуrской ТЭС (проба отобрана н 1989 г.) с ин,п;ексом актинно­
сти 0,72 (uпреденен н<:t бетоне с расхuдuм цемента. 400 кг/м 3) нри введении взамен
песка в бетон с расходом цемента 230 кг/м 3 вызвала рост прочности: при введении
100 кг - 25 %, а 200 кг (количество, оптимальное по прочности) - 40 % [ 18]. Эти
данные приведены далее на рис. 3.12.
Таким образом, ин,п;скс аТ<Тинности и Кэ о,n:нозначно снязанf>1 мсж,п;у собой. Ifз
рис. 3.5 в частности следует, что для граничного значения индекса активности 0,75
коэффициент эффективности золы составит 0,12, а для 11.А = 0,85 - 0,5.
При этом Кэ имеет явпь1е преимущества по сраnнепиrо с ипдексом активно­
сти. Он имеет ясный физический смысл: снижение расхода цеl\lrента при введении в
бетон 1 кг МЛ и сохранении прочности бетона или прочностной эффект MJ); н сран­
нении с тем же количествuм цемент<:t.
l(оэффициент эффективности может быть использован при определении со­
става бетона с золой, так как позволяет сразу установить, насколько можно сокра­
тить расход цемента при введении МД и сохранении прочности бетона (эконоl\lmя
цемента равна произведению Кэ на расход золы). Но при этом он должен быть зара­
нее известен для конкретной ситуации (см. табл. 3.2).
Сравпеиие 1<0:1ффициеита эффеI<1nивиос1пи и других эффеl(п�ов МД в бе111оне. Для оценки МД могут быть использованы и другие показатели: ее прочност­
ной эффект в бетоне (ври введении взамен веска.) или эконuмия uе�1ентс1 в р<:tвно­
прочном бетоне [44,24]. Коэффициент эффективности также рассчитывается по
арu'!нuстнuму эффекту. В итоге каждый из этих аоксtза-телей легко переt;�fитывс1ется
в другие. Так, эконоl\rnя цемента для рассматр�mаемого случая (введение 100 кг
зuлы в Gетuн с pa.CXUДUM цемента. 300 кг/.\1 3 ) при ИСПUJlЬЗОВа.НИИ зuлы с МИНИМа.JlЬНU
допустимым ИА = 0,75 составит 23 кг (см. рис. 3.5).
Недостатко1vr К:> считается заRисимость его неличиньт от расхо,п;а 1\емента, при
котором он определяется, а также от количества вводимой добавки [44]. Гlоэтому
при подборах составов бетона нужно знать значения Кэ для разных расходов цемен­
та и МД. Но и другие критерии эффективности добавок та1оке заnисят от у1<азаппых
величин. Причиной является тот факт, что прочностной эффеk'Т �1Д снижается при
ттонf>ппении расхо,п;а пемента и унеличении содержания добаRки н бетоне, как это
уже было показано выше. 11оэто:му используя различные критерии для характери­
стики добавок, следует учитывать их зависимость от расхода цемента.
Значения Кэ для некоторых зол и его зависимости от расхода uемепта приве­
дены выше в табл. 3.2. Они определены для расхода золы 150 кг/:м 3, но по видимо­
му, могут бf>lTf> исттоm,зоRаны и 11.лsr несколf>ко меныпих расхояон золъ,, например,
100 ю·/м3. В этом слу•tс1е эффект золы мuжет быть занижен аримернu на l 0-20 %.
В отечественной практике критерии качества МД используются I\lraлo и нс
uпределенu, какuй из них. нреднuчтителен. В этuм 1u1ане вредстс1вJ�яют интерес дан­
ные о влиянии расхода цемента в бетоне на численные значения рассматриваемых
89
критериев. Результаты, приведенные в табл. 3.3, рассчитаны при введении в бетон
1 00 кг золы взамен песка.
TaGJu1цii 3.3
Критерии эффективности золь� Ангарской ТЭС-1,
определенные в бетоне с разным расходом цемента
Критерии эффективносп1 золы
Прочностной эффект, %
Прочностной эффект, f\Ша
Экономия 1,емента, кг/м5
Коэффициент эффективности
200
43
4,5
43
0,43
Расход цемента, r<r/м:j
360
300
19
11
3
4
38
27
0,38
0,27
l(ак видно из представленных данных, все рассматриваемые критерии эффек­
тивности золr.r уменr.ша1отся с росто :м расхода цемента, что соотnетстnует отмечен­
ным выше закономерностям. При этом наиболее зависимым: от расхода цемента
оказался прочностной эффект, яыраженн�:.1й R %. Остал�:.н�:.1е показатели изменялис�:.
меньше и примерно в одинаковой стенени. Тем не менее �авиt:имость их веJшчины
от расхода цемента следует признать существенной.
Численные значения эффектов, приведенные в табл. 3.3, справедливы для
примененной зольr. Но соотноптение эффет-.'"ТОR и их заRпсимость от paexo,rta цемента
носят достаточно общий характер.
При этом � является наиболее удобным из расс;\1атривае?v1ых rсритериеn, так
,,...
как может оыть
использован в одном из двух вариантов: для сравнительном оценки
различнr.rх МД (n этом случае оп раnпоценен прочпостпому эффекту или экономии
цемента) и для расчета составов бетона с МД. В последнем случае нужно знать его
Rеличин�:.1 ,rщя различных pacxo,n:oR 1,емента (см. табл. 3.2).
в l:JIY'iat: ИCllOJlЬЗUBiiHИЯ Кэ КаК крит�рия эффt:ктивности �OJlЫ CJlt:дy�т СТаН­
дар'ПiЗИровать условия его определения. l(ак один из вариантов возможно его опре­
деление n бетоне с расходом цемента 300 r<r/м3 при nnедепии золы 100 I<Гlм3 бетона.
При этом К� будет однозначно связан с индексом активности при его определении в
бетоне с расходом цемента 400 кг/ м3 [?4].
-
3.4. Бетон с золой
Зола ТЭС - порошок, t:оt:тоящий нреимущественно и� t:ферических частиц
раз:\1ером до 100 мкм. Она образуется при сгорании пьшевидного угля в котла,"< теп­
лоnr.IХ станций. С химической еторопr.1 зола представляет собой аmо:мосиликатное
стекло с вкточениями кристаллов различных минералов.
Оrносител�:.но 1<рупн�:.1е частm,�:.т золы оседают R котле (зола - провал.), а более
мелкие выносятся воздухом и оседают в эн�1..,..грuфильтрах: леп�учая зола или зола
уноса. На каждом следующем поле электрофильтра дисперсность золы повышается.
Зола, осажденная в электрофильтрах, и используется как минеральная добавка в
бетоне (при содержании СаО < 10%).
90
3.4.1. Образование зоJ1ы и ее свойства
При СЖИГiiНИИ H�Mt:JlЬЧt:HHUГU угля В KUTJla.X Tt:HJJUBЫX станций егu uрл:1ни•1е­
ская часть выгорает, а минеральная обжигается и трансформируется в золу. Содер­
жание минерал1,н�=.тх примесей R углях состанляет 5 - 40%. Это rлинист�=.те минера­
лы, карбuнаты, кварц.
При обжиге они разлагаются на оксиды. В зависимости от температуры в котле
(1200 - 1600 ° С) и размеров уголь1п,1х частиц их мипералr,1п,1е остатки оплаn ля1отся с
поверхносп1 или полностью расплавляются. Быстрьп1 вынос из топки приводит к их
резкому охлажl(снию и образоRанию из расплаRа глаRнF.тм образом стсклонидной фа­
зы. Силы поверхностного натяжения придают расплавленным каплям сферическую
форму, которая фиксируется при охлаждеm1и. Более крупные частицы, не подверг­
шиеся поmrому расплаnлепmо, мo:ryr сохрапятr, пепраnилr,пуrо форму.
Часпщы золы оседают в электрофильтрах и удаляются из них сухим (зола
сухого уда.п"енuя) или мокр�=.тм сттособо1vr (зола гидроудаления). Зола сухого улаления
имеет бuлее высuкие и стабильные свuйства.
Химический состав зол зависит от минеральной части углей. Он характеризует­
ся содержанием Si02 35 - 60%, Al203 15 - 35%, F�0 3 1 - 20%, СаО 1 - 30%, в не­
больших количествах находятся MgO, SO 3, щелочи и другие соединения. В зависимо­
сти от содержания СаО золы делятся на нuзкокальциевые (кислые) и высококальцие­
въzе (основные). Последние содержат 10 - 30% СаО: часть его связывается в минера­
лы, а часть остается в свободном (пережженном) состоянии. Медленное гашение сво­
бодного СаО может приводить к неравномерному изменению объема при твердении
цемt:нтнu-зuльных смеt:t:Й и вызывает слuжнu<-ти при при_\1енении 10.ких �uл.
Наряду с минеральной частью в золах ТЭС остается некоторое количество (до
5 - 10%, иногд.а. и бuнее) несгuревшегu тuннива, uбы•fнu в виде кuкса. Эти Чiiстицы
имеют высокую пористость, что увеличивает водопотребность золы. 1-fx содержа­
ние uнределяетt:я прuкаливанием зuл и uбu�начаетt:я как пuтt:ри нри 11рокаJ1ивании
(п.п.п.).
R Т<ачестRе актиян�=.тх Ml( исполF.зуются низкокал�=.r�иея�=.те зол�=.т (СаО < 10°/4).
Они состоят главным образом из алю:мосiшикатного стекла (�U% и более), которое
и определяет их пуццолановую активность. Кристаллическая составляющая нсзна­
чителr,па и практически инертна.
Размеры частиц золы лежат в пределах 1 - 100 мкм и близки к размерам зерен
т�емента. Они заRисят от тонкости помола угля и содержания R нем 1vn-rnepaлi=.нoй
части. С уменьшением размеров частицы становятся более сферичными, тогда как
несгоревшее топливо содерж�,пся главным образом в крупных зернах, которые мо­
гут иметr, пепраnилы1уrо форму. В итоге, n отличие от других порошкообразпI,JХ
материалов, с повышением дисперности зол их водопотребность снижается. Часть
зерен может nредстамятh собой ттол�=.те часТИf1Ъl с оболочкой из алюмосилиТ<атного
t:тt:ю1а. ВС'треча.ются также t:пекшиеся агре1·аты зерен. Плuтнuсть �ерен зuлы сu­
ставляст 1,8 - 2,4 г/с:м3 , а се насьmная плотность - 600 - 1 ООО кг/м3 .
91
3.4.2. Стандартные требования к .золе ТЭС
:)ффективность зол в бетоне существенно зависит от их свойств. Поэтому во
многих странах действуют стандарты, нормирующие требования к золе для Gt:тона,
причем на достаточно высоком уровне. Эти требования в разных странах в основ­
НОУ\.r сонпаJ(ают по нормируемьп,1 параметраУ\.r, отличаясь по их неличине.
Трt:бования к ХИ!\-lИ '!ескому составу вклю•1ают нормированиt: потерь нри про­
каливании (содержания нссгорсвшсго угля) - до 5 - 12%, S03 до 2,5 - 5% . В от­
делып,rх стандартах ограпичиnается таrоке количество MgO, CI, щелочей [55].
Важнейшими физически11,rи свойствами золы, нормированными в стандартах,
ЯRЛЯЮТСЯ ,п:исттсрсность и ИНJ(СКС ЗКТИRНОСТИ (раньптс - ИНJ(СКС ттут,т,оланоRОЙ ак­
тивности). Дисперсности золы придается большое значение, так как она влияет и на
водопотребность, и на пуццолановую активность. Дисперсность оценивается по
остатку па сите 45 11,1км (n разп11х стандартах до 12,5 - 50%).
11ндекс активносп-�: характеризует влияние золы на прочность цементных си­
стем. Он опре,n:еляется как отнотпение прочности станл:артноrо т,ементно-песчаноrо
раствора, в котором ча<.:ть це1v1ента заменена золой, к прочноt,;ти иt,;ходнuго t.;О<.:тава.
Обычно стандарты предусматривают замену золой 25 - 30% цемента по массе. При
этом мини}..1альнь1е значения индекса, при которых золу можно использовать в бе­
тоне, составляют в разных стандартах 60 - 85% [55].
В большинстве стандартов нормируется также водопотребвость золы. Общий
принцип- зола не должна повышать водопотребность цементно-песчаноrо раство­
ра, используе�1ого для определения индекса аr(rивности.
Требования к золе Т:)С в европейских странах концентрировано выражены в
евростандарте EN 450 «Зона для бетона». Они ограни L1ива.ют потери при прокали­
вании (п.п.п.) до 5%, содержание хлора- до 0,1 %, оксида серы- до 3%, свободного
СаО- дu l % (допуl:каt:тся до 2,5%, если смесь 50% зоJ1ы и 50% цемента. обладает
равномерностью изменения объема).
Нор!\-utруется дисuерt,;НОl:ТЬ золы и индекс активности. Оl:та1uк на сите 45 мкм <
40%, индекс а1...-rивносп1 в 28 сут возрасте не ниже 75%, в возрасте 90 суг- не ниже 85%.
Оrечестненный стан,n:арт на золу ТЭС лля бетонон [68] нормирует хи-r.п.JЧеский со­
став: содержание СаО- до 10%, MgO - до 5%, S03 - до 3%, щелочей- до 3%, потери
при прокаливании для каменноугольных и буро угольных зол соответственно до 10% и
до 3%. }Ь физических свойств зоm,1 нормируется удельная поnерХI1ост1 - пе менее 2500
С}.(/г и остаток на сите № 008 до 20%. При этом оговаривается возможность применения
зо.път с более нысокими со,r(ержанием S03 и тт.п.тт., если это обоснонано сттет(иальными
исследованиями по долговечности бетонов и коррозионной стойкости арматуры.
Для золы для бетонных конструкций некоторые требования с�1ягчаются, в
частности удельная поnерхпостr, доmкпа б11тr, пе мепее 1500 см2/r.
Стандарт предусматривает выдачу на каждую партию золы документа о каче�
стне. R снязи с тем, что зола ТЭС лпя бетона ,r(олжна обла,n:ать "1остаточно нысокими
характеристиками, она рассматриваt:тl:я нt: как отхuд, с1. как нобо'!ный нродукт нри
производстве энергии. Производитсm1, предполагающие поставлять се для произ­
водства бетона, дuлжны нредприни.\1ать усилия, обесuе•1ивающие требуемыt: <.:вuй­
ства золы. :Jто настройка :мельниц помола угля с ориентаuией на повышенную дисаерснuсть пону•1ае!\-1ои золы; регулирование нроцt:сса l:жигания в котлt: дня оонее
V
�
92
полного сгорания органической части. Воз:можсн также отбор более дисперсной
зоны с нuследних нолей электрофиньтров.
3.4.3. Влияние золh1 на снойстна бетонной смеси
RRедение зол�:,т R бетонн�:,1е смеси ттриRо,1ит к изменению их снойстR. Удобоукладываемuсть с.меси в зависимости от вuдонотреuности золы может как увеличиваться, так и уменьшаться. Ilo другие характеристики бетонной смеси заметно
улучшаются. Это стойкость к расслоению, пластичность, реологические свойства.
Степень выраженности этих из:менений зависит как от свойств золы, так и ее колиЧССТRа и сттосооа RRCJ(CHИЯ.
Наи.\iеньшее влияние на свойства бетонной смеси оказывает зuJ1a, вводимая
взамен цемента, когда количество дисперсных частиц в смеси не меняется. Ilo при
061,rчпо применяемом ее nведепии одпоnре:меппо взамен цемепта и песка (о соот­
ветствии с коэффиuиентом ее эффект�mности) и особенно при введении взамен
песка количество лисперсн�:,тх частит( н cvrecи заметно Rозрастает и ноздейстние
золы на своиства uетоннои смеси усиливс1.ется.
Влияние золы на водопотребность бетонной смеси зависит также от состава
бетона, n котор1,1й опа nnодится. В смесях с низкими расходами: цемепта зола да)I<е с
повышенной водопотребностью оказывает двоякое влияние на бетонную смесь.
V
-
V
Опа требует дополпитеЛLпого коmiчестnа nод11 па cnoe смачивание. Но с другой
стороны - увеличивает объем теста, которого так не хватает в тощих смесях. Это
уже улучшает удобоукладываемость. В итоге водопотребность таких смесей 11ожет
повышаться незнаqительно.
С уве личением расхода uемента n исходной бетонной сr.1еси эффект «объема
теста» уменьшается и затем исчезает. Водопотребность смеси при введении золь�
во3рс:1с1ает все в боньшей стен�ни. Экс11ери_,1ентаJ1ьные д<1нные для зuлы с водоно­
требностью 40% приведены на рис. 3.6, откуда, наприr.rер, видно, что введение 100
кг золы поnь1сило nодопотребпость бетонной смеси с расходом цемента 200 кг/м 3 па
7 л, а при расходе цемента 470 кгЛ"r3 - уже на 20 л.
30
"'i
"'i::- 25
е 20
о
\О
15
о 10
5
о
А.
о
о
100
200
300
3оп�, кr/м�
Рис. 3.6. Влияние расхода золы на водопотребность бетонных смесей (ОК = 2-4 с�1).
Расход цемента:
1 - 200 кг/м3; 2 - 290 кг/м 3 ; 3 - 380 кгАr\ 4 - 470 кг/м3• Зола Ангарской ТЭС - l [25]
93
При значительном росте водопотребности бетонной смеси зола становится
неэффективной. Поэтому чем выше водопотребность золы, тем более узкой обла­
стью бс:тuнuв с низкими расхuдами цс:мс:нта ( uри прuчих равных услuвиях) uграни­
чивается область ее применения.
ЗопF>т с пониженной RОТ(ОТТСУГребностf>ю снижают нолосоl(ержание бетонной
смеси. Так, при введении в Gетuнную смесь с расхuдuм цемента 298 ю-/м 3 ряда ан­
глийских зол в количестве 118 - 128 кг/:м 3 расход воды снизился с 200 кг/м3 до 184 192 кг/:м 3 [44]. Но и n этом случае измепепие nодопотребпости заnисит от общего
содержания дисперсных частиц в cfl.1ecи. Одна и та же зола может снижать расход
RO!{F>T R бетонной смеси при низком со,r(сржании т,смснта и ПОRF>тптать его при н�:.тсо­
ком содержании цемента или дисперсных частиц в смеси (цемента и золы). Так,
введение 60 кг золы в бетонную cfl.1ecь с расходо:м цемента 240 кг/:м J уменьш�шо
расход noдLI па 5 л, добаnлепие еще 60 1сг зол1,1 пе изменило его, а уnеличепие рас­
хода золы до 180 кг/м3 привело уже к росту водопотребности с:меси [ 54].
БетоннF>те смеси с золой обпмают ТТОRF>ттпенной тиксотропностью. Поэтому
рuст их вuдuпuтрс:Gнuсти нри uценкс: удuбuукладываемuсти с иснuнь:зuванием виб­
ровоздействий (жесткость или нестандартные методы испытаний, например, по
виброрастекаемости) может быть несколько меньше, чем определяемый при одина­
ковой подвижности смесей.
Бетонная смесь при той же подвижности становится более пластwmой, лучше
разжижается вибрацией при той же осадке конуса, что облегчает формование кон­
струкций. Повышение тиксотропности бетонной смеси при введении золъ1, как и дру­
гих f\1Д, позволяет снижать осадку конуса по сравнению с контрольной смесью на 2 3 см при сuхранении ее удuбuuбрабатываемuсти. Смесь легче нерека•швается. Привu­
дится пример, когда введение золы в количестве всего 30 кг/м3 бетона позволило увс­
J1ичить даJIЬнuсть Gecupuблetviнuгu нерека•1ивания смс:си cu 100 дu 450 м [51].
При введении зол существенно у'Niеньшается, а иногда и полностью прекра­
щается вuдuuтделение и расслuение бетuнных ctv1eceй. Так как в равнuнрu•1ных бе­
тонах они частично заменяют песок, концентрация дисперсных частиц в цементном
тесте унеличинаются, а его RязкостF> Rозрастает. Rеличина эффекта заRисит от коли­
чества золы и ее «загущающих» свойств (т.е. водопотребности).
3.4.4. Твср11:снпс бетона с золой
Процессы при твердении
Твердение бетона начинается с гидратации клинкерных минералов на поверх­
ности цементпьrх
зерен. При этоfl.1 )I<ИПI<ая фаза быстро пересыщается известыо, что
:
вызывает осаждение ее микрокристаллов на поверхностях заполнителей. Основным
прояуктом rилратат,ии 11емента srRпяютcsr rилросиликаТhт калF>Т\ИЯ (CSH), R значи­
тельнu меньших кuли•1ествах uбразуются г�-щрuаJiюминаты, Са(ОН)2 и другие со­
единения. Они образуют вокруг зерен це�1снта оболочки, которые постоянно утол­
щаются 110 мерt: гидратации цемента.
Введенные в це11,1ентное тесто зерна золы образуют большую дополнительную
аuверхнuсть, на кuтuрuй такжс: uседает Са(ОН)2 . Уже через 1 ч пuсне пригuтuвления
94
смеси зерна золы 11,rогут быть покрыты и11,1. То же происходит и при введении инерт­
ных добавок. Таким образом, на начальной стадии твердения участие минеральных
добавок в процессе твердения бетона носит физический характер. Адсорбция изве­
сти на их частицах приводит к ускорению гидратации цемента. Этот эффекг доба­
вок сохраняется во все сроки твердения [60].
Роль зольr R формироRании структуры т�ементноrо камня заRисит от способа
ее введения в бетонную смесь. При замене цемента она ограни•н1вается онисанным
выше процессом. Если же зола вводится взамен песка или одновременно взамен
пес1<а и цемента, копuептраuия тnерд1,1х частиц n uе-r.1ептпом тесте уnеmfчиnается,
водные прослойки между ними утончаются (эффект микронаполнителя). Их запол­
нение продуктами гидрата1,ии r,смснта происходит бьrстрее и тRсрленис бетона
ускоряется.
Участие золы в химических реакциях, происходяших при твердении бето­
на, начинается n nозрасте 7 - 10 сут [28,61]. Оса-ж:деппый па ее поnерхпостях
гидроксид кальция вступает в реакцию со стекловидной фазой золы. Как и при
гиJ(рата1,ии r,емента обра.зуются гиJ(росиликаты и гидроалюминаты калы,ия. Но
количеt.:тво этих нродуктов в течение нервого месяца твердения невелико и
оболочка, создаваемая ими вокруг зерен золы, многократно тоньше, чем вокрут
зерен це :мента.
Многие авторы по результатам электронно-:м:иь..--роскопических исследований
бетона с золой утверждают, что между поверхностью зерен золы и продуктами ее
гидратации существует тонкая водная прослойка, возможно шириной от 0,5 до 1
мкм [28]. Это также может объяснять небольшой вклад зол в набор прочности бето­
на до 28-дневного возраста. И лишь постепенное зарастание этого промежутка в
поздние сроки твердения нривuдит к знаLштельнuму росту про•mости бетона с зо­
лой.
По некuторым данным, обра.зование водных прослоек вокруг зер�н зоны нро­
исходит в бетонных смесях с повышенньп,f содержанием щелочей. В друтих случа�
�
ях наt>JIЮдается плотное l:растание зоньных зерен с продуктами их взаимодеиствия
с Са(ОН)2 • Щелочи, содержащиеся как в цементе, так и в золе, ускоряют растворе­
ние алю1.1осиm-tкатного зольного стекла, что поRьппает его участие R npor,eceax
твердения.
Существенным аспектом твердения бетона с золой и другими активными МД
коптактпой зоны ме>кду це-r.1епт111,1м камнем и
яnля1отся поло)кительпые измепепия
:
заполнителями. В обычных бетонах поверхность заполнителей поь..--рьпа слоем
Са(ОН)2, а прилегаюпщй пементный каменr, имеет поRыпrенную ттористостh. ТТуr,­
цолановая реакция золы трансформирует Са(ОН)2 в гидрос1-шикаты кальция со зна­
чительно более высокими характеристиками, а также способствует уУiеньшению
пористости коптаrсrпой зоп11.
Участие золы в процессах твердения бетона часто оценивают по связыванию
ею Са(ОН)2, что пока.1ано на рис. 3.7.
Связывание Са(ОН)2 интенсифицируется но мере ра.звития нуццолановой ре­
акции. Оно становится за11,1стнь1:м к 28 сут, а наиболее интенсивно происходит в
возрасте 30 - 90 сут. Сuдержание Са(ОН)2 нродоJlЖаt::т снижаться в бетонах с зоной
и в более поздние сроки.
95
25
r
r
� 20
1
2
3
,,,
4
•
о
о
40
20
60
80
100
Время пердения, Cf'I
Рис. 3. 7. В.111rnние количества золы в вяжущем на содержание Са(ОН)2 в цементном
камне. Зола от массы вяжущего: 1 - 0%; 2 - 20%; 3 - 40%; 4 - 60% [48).
Вообще, количестnо Са(ОН)2 n бетонах с золой определяется дnумя пропес­
сами: его выделение:м при гидратации uемента
и связыванием при гидратации золы.
:
В равнопрочных бетонах е золой, а тем более при за:-.1сне ею цемента (что показано
на рис. 3.7) содержание клинкерной части снижается, и это приводит к меньшему
выделению Са(ОН)2 . Поэтому в поздние сроки твердения зола связывает больше
иJвести, чеl\1 выдеJrnет ее нuртлс1.ндцемент и тем больше, 1ем выше ее сuдержс1.ние.
Это говорит о более существенной роли золы в процессах твердения после 28 сут,
�
чем цемента, 'ПО подтверждается и кинетикои роста прочности rоетонов.
1
Кинетика роста прочности
Общая картина набора прочности для цементного бетона, бетона с инертной
добавкой и золой, по данным П. Шиссля [61], представлена на рис. 3.8.
70
:i
t
z
60
50
f
40
'
30
20
1
--
�2
�
3
�
-
4
10
о
о
20
60
40
80
100
Время теердеw№, cyr
Рис. 3.8. Кине..-ика роста прuчности бетонuв с зоJ1а.\-1и ТЭС u инертной добавкой
про замене ими цемента: 1 - контрольная смесь; 2,3 - бетоны с зо.1аm1;
4 - бетон с молотым песком.
96
Бетоны с различными :минеральными добавка·ми имеют одну и ту же прочность в раннем возрасте, причем значительно меньшую, чем у контрольного оетона.
Отсутствие разницы между эффекта11,rи инертной и аr(rивных МД объясняется тем,
чтu в �тu время uни нрuявляют тuлькu мнкрuнапuлняющий 3ффекг. Hu нuсле 7 сут
твердения бетона поведение добавок у-же отличается. Бетон с молотым песком со­
храняет отставание R наборе прочности и в поз11ние сроки, тоrла как бетонь1 с золой
интенL:ифицируют твердение. Егu скuрuL:ть в вu:3расте 7 - 28 L:YI' так,1.я же, как у
контрольного бетона, а при дальнейшем твердении становится более высокой.
Приnедеппые nr,rшe да1п1r,1е относятся к nnедепюо золы n бетон nзамеп uемеп­
та, когда в раннем и даже стандартном возрасте она «разбавляет» цемент. При за­
мене золой песка се прочностной эффект становится положительным во вес сроки
твердения. Так, прочность бетона с расходом цемента 240 - ЗUU кг/м 3 при введении
60 кг золы увеличилась в 2-дневном возрасте на 4-8о/о. При больших расходах золы
(120 кг для расхопа цемента 300 1<г/м 3 и 180 I<Г для бетона с 240 кг пемента) опа y)I<e
незначительно снижалась. Прочность бетона с золой в 28 суточном возрасте повы­
тпалась при расхо71е Т(емента 240 кг/м 3 на 30 - 34%, а при Т(ементе 300 кг/11,r3 на 13 15%. Наибольший рuст нрuчнuсти наблюд<i11ся в вu:3расте 28 - 90 L:утuк, кuгда акти­
визируется пуццолановая реакция. Он составил 17 - 27% для бетона с золой против
8 - 9% для контрольного бетона [54].
Близкие результаты получены в работе [60]. Для бетонов на двух видах порт­
ландцемента при его расходе 240 кг/м3 и трех видах золы при ее введении в количе­
стве 60 кг/м 3 бетона прочность в 90-суточном возрасте возросла на 28 - 35%. Боль­
ший рост прочности бетона с золой наблюдался в возрасте до l года. Он составrш,
по сравнению с 90-суrочной прочностью 9 -17%, а по сравнению со стандартным
вu:3растu�1 нрuчнuсть бетuна с :3uлuй увели•1и.пась на 3 7 - 50%.
Большая интенсивность твердения бетона с золой, по сравнению с обычным
бетuнuм, сохраняется и в бuнее 11u:3дние срuки, нu крайней f\.tepe дu 3-х J1ет.
Следует отметить, что приведенные выше результаты получены на лабора­
тuрных uбpa:3U::tx, твердеющих в нuрманьных услuвиях. В !\-tассивных кuнL:трукциях
из бетона с золой появляется еще один эффект - повышение температуры тверде­
юп1еrо бетона. Это благоприятно сказывается на пут{r,оланоной актинности золы и
вносит свой вклад в развитие прочности. Для учета этого эффекта в работе [4�], где
подбирался состав бетона с золой для массивного фундамента, контрольные образ­
UЬI тnердели при 30 ° С. Дисперсность золr,1 мало nлияет па ра1ппо10 прочпостr, бе­
тона, когда она проявляет только микронаполняющий эффеь.-т. В то же время с воз­
растом роль Т(Исперсности усиливается. Так, если в 28-суrочном возрасте ее повы­
шение с 2000 до 4000 см2/г увеличивало прочность бетона с золой на l U%, то в воз­
расте 90 суг - уже на 25% [28].
Зпачителr,по болr,ший рост прочности бетона с золой n поздние сроки наибо­
лее эффективно используется при возможности назначать проектный возраст бето­
на более 28 сут. Но и л:ля бетонов с золой, испытF>тнаемF>тх R станлартном нозрасте,
существеннuе их унрuчнение, нрuисхuдящее нри твердении в пu:3дние срuки, пu­
вышаст их надежность и долговечность, так как ряд агрессивных воздействий,
наuример, мuрuза .\1uжет На'-lИНаТЬL:Я нри :3Начительнuм вu:3расте uетuна и егu нuвышенной плотности.
97
Твердение при тепловой обработке
Участие золы в процессах твердения бетона значительно активизируется при
тегu1uвuй обработке, так как ускоряется реакция �ОJIЬного стеюнi с Са(ОН) 2 . Пuнu­
жительный прочностной эффект для пропаренm,1х бетонов может сохраняться и в
стан!(артно11,f Rозрасте. J(ля больптей температур ной аJ-."ТИRизап:ии температура теп­
ловой обработки повышается дu 90 - 95 ° С, тuгда как для uортландцементного бе­
тона она обычно составляет 80 °с.
ПропареппL1е бетопLI с золой Углегорской ГРЭС с уделLпой поnерхпостыо
2
4000 см /г, введенной в количестве до 150 кг/м3 , в возрасте 28 сут имели прочность
R срсл;нсм на 17% бол�=,тпс, чем при нормальном тR срлсmiи [12].
В исследовании [ 14] друтая высоко дисперсная зола (Бурштынской ГРЭС')
имела в пропаренных бетонах больший коэффициент эффективности, чем при нор­
малLпом тnердепии (см. табл. 3.2). Его преnL1шепие состаnляло 10- 14%.
Более слабое влияние тепловой обработки на прочность наблюдалось для бе­
тона с низкоТ(Исrте рсной золой Ла!(ьтженской ТЭС. Контрол�=,ный бетон нормал-ьноrо
твердения им�::л в 28 сутuчнu.м воJрс:tсте нрuчнuсть нс:t 4 - 15% выше, чем нропс:tрt:н­
ный. При замене золой 20% цемента эта картина сохранилась. Ilo при замене золой
40% цемента пропаренный бетон показал уже прочность на 11 - 13% выше, чем
бетон нормального твердения [ 11].
В наших опытах прочность пропаренного бетона в 28 сут возрасте при разных
расходах золы Ангарской Т:)С практически не отличалась от прочности бетонов с
золой нормального твердения [25].
В зарубежных исследованиях для одновременного учета температуры при
твердении бетuнi:1. и ее днитеньнuсти инuгдс:t исаользуется понятиt: «зрелость» (нро­
изведсние этих величин). В работе [45] изучалось вm1янис пяти зол различной дис­
аерсности (остс:tток н а сите 45 мкм от 3,7 дu 33,4%). При зрелости 1400 °С·ч (одни
сутки твердения при температуре до 70°С) прочностной эффект золы был больше,
чем после 28 сут нормального тверд�::ния б�::тонс:t. При Jтом внияние дисперсности
золы на прочность бетона нормального твердения было относительно небольшим,
rторяJ(ка 10%. При теrтлоной обработке прочности бетона на ра.зн�=,тх золах отлича­
лись уже на 20%. Это подтверждает приведенm,1е выше данные российских иссле­
дований о большей эффективности высокодиспсреных зол при тепловой обработке.
НаиболLший прирост прочности бетопLI с золой име1от сразу после теплоnой
обработки. Так, если прочность контрольного бетона после пропаривания составля­
ла 73% от 28-суточной, то л.лsr бетоноR с уне личиRаюп�и11,fсsr количеетном зол�=,1 она
возрастала до 75 - �73/о стандартной прочности [l l]. Результат можно оценить и
иначе: пропаренные бетоны с золой набирают �1еньшую прочность при дальнейшем
тnердепии до стандартного nозраста.
3.4.5. Влияние золы на структуру бетона
Влияние золы на свойства бетона является следствием изменений его струк­
туры, происходящих при ее введении. Основными их нричинами являются: нс:tпон­
няющее действие золы; изменение водосодержания смеси с золой; пуццолановая
98
реакция, приводящая к трансформации Са(ОН)2 в CSH. Эти эффекты проявляются в
разной степени в зависиl\1ости от способа введения золы и ее свойств.
Пр11 введен1111 золы взамен I{емен111а макроструктура бетона не изменяется,
uбъем uементнuгu кс:1мня ост.tется постuянным. Микроструктура. в рс:1нн1::м вuзра.ст�::
ухудшается, т.к. цемент разбавляется добавкой и пористость це:ментного каl\mя
у'Rеm-JЧинается. Но по мере ра.знития пу�л�оланоной реакт�ии качестно пементно­
зоньногu ка.мня пuвыш.tется. Эффект з.tвисит от диснерсности зuны и ее хими•1е­
ской активности. К 28-днсвному возрасту изменения микроструктуры бетона нс­
зпачител1пы. Orm усилиnа1отся при длительп11х сроках тnердепия, когда за счет
активной пуццолановой реакции идет снижение пористости и уменьшение размеров
пор (слс,п:стнис трансформат(ии С'.,а(ОН) 2 в rи,п:росиликатF>т калF>т(ия). Поэтому R зре­
лом возрасте при небольшой замене цемента золой может достигаться та же пори­
стость бетона, что и в контрольном составе при меньших размерах пор и 1\1еньшей
проницаемости бетона [60].
При введении золы взамен 11еска структура бетона меняется наиболее значи­
те_тп,но. Тfз\1енение макроструктурr.т Rr.тражается R унеличении об'hема •�е:-.1ентноrо
Ка..\1.НЯ. Ронь этого ф.tктора. отрица.т�::льн.t. Увеличение объ�::ма. цементногu ка.мня на.
50 л/м 3 (это происходит при введении 110 - 120 кг золы взамен песка) может приво­
дить к снижению прочности на 5-10% (п. 1.5). Но этот эффект перекрьmается зна­
чительными полож�,пельными изменениями 1\mкроструктуры бетона.
Основным изменением микроструктуры является снижение пористости це­
ментного камня вследствие увеличения концентрации дисперсных частиц (цемент 1
зола) в цементном тесте. Размеры пор также становятся меньше. Этому дополни­
тельно способствует и трансформаuия кристаллов Са(O11)2 в гидросиликаты каль­
ция, нрuисхuдяща.я 11ри 11уццоJ1а.новой рес:1кuии. Гидрuсилик.tтный гень, зс:tнима.я
значительно больший объем, чем гидроксид кальция, заполняет часть объсl\[а кa11ИJ1JrnpньLx нор. Уменьшение uбъем.t и р<1Змеров нор приводит к знс:1чительному
улучшению свойств бетона, в первую очередь повышению прочности и снижению
ароница.емuсти.
За.1t1ена одновременно це.,пен,,1а и 11еска в пропорциях, определяемых коэф­
фиnиентом эффектинности, обr.IЧНО применяется на практике ,п:ля получения ранно­
прочных бетонов с золой. В этом случае происходят те же изrvrенения структуры,
что и в предыдущем, но их величина уменьшается в соответствии с пропорциями
замены.
При любых способа.,1: введения золы и других акт�,mных МД происходит
улучтпение качестна контактной зонF>т меж.п:у Т(ементнr.1м камнем и заполнителем.
Нследствие пуццолановой реакции кристаллы Ca(UH)2 , слагающие эту зону, ча­
стично трансформируются в гидросиликаты, что улучшает сцепление цементного
ка:мпя с запоmrителяl\m [47].
При введении золы в бетон происходит не только улучшение качества твер­
,r�:ой фа.зr.т, снязанное с унеличением количестна гилросиликатоR, но и ее уху,п:птение,
вызыва.емu�:: 11оявлением новой пuверхности рёtЗдела: «зuла. - 11рuдукты гидр<1тс1ции
цемента». Степень ухудшения значительна в раннем и даже стандартном возрасте,
но 110 мере развития пуцuола.новой ре.tкuии дефектность поверхности конта.Кl'а.
уменьшается, а в зрелом возрасте- исчезает [28].
99
3.4.6. Прочность бетона с золой
Влияние золы на прочность является важнейшим аспектом, определяющим
эффеrсrиnпостr. ее применения n бетоне. Рассмотрение nопроса осло,к1rяется тем,
что прочностной эффект золы зависит не только от ее характеристик, количества,
состаRа бетона, но и способа нне,1'ениsr ее R бетон.
Влияние способа введен11я золы на прочность
Зола может вводиться в бетон вза1v1ен цемента, вза:мен песка, взамен цемента и
песка однонрс,1снно. Суп(сСТRуют дRс конт(СТП(ИИ роли золJ.т
R
бетоне, определяю­
щие и снuсоб ее введения:
• концепция золы как час,пи вяжуи+его, в соответствии с которой она вво­
дится в бетон озамен цемента;
• концепция золы как независи..�,�ого ко.�,�пон.енrпа бепwна. В этом случае зола
RRoдитcsr либо нзамен песка, либо 11е,1ента и песка о,п:нонременно.
Влияние снособа введения Juлы в бетон на прочность показанu на рис. 3.9.
30
Прочносп., МПа
1
2S
5
о
so
100
150
Зо.nа,п/�
Рис. 3.9. Влияние способа введения золы в бетон на прочность:
1 - взамен песка; 2 - взамен uемента; 3 - одновременно взамен цеменга и песка в соотноше-­
ю1и 45: 55. Зола Ангарской ТЭС-1, контрольный бетон с расходом це�ента 285 кг/м3
При замене золой 11емента прочность бетона снижается, а при замене песка -
растет до oптиivI)'J\ta. Эти два эффекта являются крайними фрагментами общей кар­
тины вmыния золы на прочность бетона. Промежуточное положение займут эффек­
ты иJменения uрu•1нuсти нри замене золuй части цемента и части неска. Каждая
точка пространства между кривыми 1 и 2 характеризует бетон с определенным рас­
ходом золы и пропорция�1и замены цемента и песка.
100
Кон,�еп,�ия золы как час,пи вяжущего. На первом этапе применения вводи­
мая в бетон зола заменяла часть це1-1ента. Это приводило к снижению прочности
бетона (це:мент разбавлялся золой). Принципиальная картина была представлена
кривой 2.
Введение золы вызывало снижение прочности бетона, несколько меньшее,
чем прот�ент заменF.т. Как уже отмечалосF., F.N 450 ,п;опускает снижение прочности
до 25% нри введении золы в:нtмен цемент<1 в коsшчестве 25% (индекс активности).
Высокодиспсрсныс золы при расходе до 10% могут и нс снижать прочности
бетона и пезпаtсrnтельпо уменьшать ее при замепе до 15-20% uемепта. Причипа:ми
этого 1-1огут бъпь высокая дисперсность зол и связанная с ней знач�пельная пуццо­
ланоная актинностF. уже к нозрасту 28 сут, а также сни-мснис RО)""(оnотрсбности бе­
тонной смеси. Кро:ме того, так как замена обычно осуществляется по массе, объем
вводимой золы превышает объе:\1 сокращаемого це:мента и имеет место некоторый
микропаполпя1ощий эффе1сr.
Наблюдаемое снижение прочности бетона не означает, что золы неэффектив­
НF.Т. При RReлeнm,t Rзамен песка они лалут заметное ТТОRF.ттпение прочности, что так­
жt: нок�сtно н<1 рис. 3.9. Но недоt:т<1ток введения зuны в�амен цемента в том и з<1ключается, что его результаты трудно трансформировать в реальный прочностной
эффект золы в бетоне.
В этой ситуации иногда прибегают к другому показателю - коэффициенrпу
исполъзовапия цемента в беп�оне, хара1(геризуемому расходом цемента на единицу
прочности: I<иц = Ц!Rа. Действительно, если зола вносит вклад в прочность бетона,
то в любом случае это :можно выявить по улучшению использования цемента. Этот
прием применялся, в частности, в работе [32].
в TU же вр�мя ври ИСПОJlЬЗUВ<lНИИ Киц нужно нредСТ<lВJlЯТЬ, к<1кую И.\1енно
информацию он даст. Первая проблема заключается в том, что уже в обычном бе­
тоне он не но<.:тоянен, а сниж<1еТ(;Я при умt:ньшt:нии р<1сход<1 цемент<1. Поэтuму нри
введении МД и одновре�rенно:м сокращении расхода цемента эффект золы (или
другой минерапьной добавки) может быть иск<!Жt:Н. Наиболее н<1глядно это можно
наблюдать при введении в бетон молотого песка.
БF.тли рассчитанF.т Кпц при RRедении молотого песка R бе'ГОR нзамен песка, нза­
мен цемента и песка одновременно (при сохранении прочности) и взамен це1-1ента,
основываясь на данных рис. 3.2 и дополнительных опытов [17]. Составы контроль­
пьrх бетонов были припят�:.r тarrnм образо�1, чтобы при ncex способах nnедепия мо­
лотого песка получать один и тот же состав бетона с его содержанием 170 кг/м3 •
ТТолученнf.те резулhтатhт ттрелстаRленF.т на рис. 3.1 О.
Из представленных данных видно, что одна и та же минеральная добавка в
определенном составе бетона в зависи1-1ости от применяемого метода введения
мо>кет быть оценена как полоаситеJII,НО,
так и пегатиnпо. Если опа nnодится вза­
:
мен песка �ши одновременно взамен це1-1ента и песка (при сохранении прочно­
сти), исттолF.зонание ,,емента сутг(естненно улучmается (криRf.Те 1 и 2). R то же
время нри введении �10J1oтuгu нt:ска ВJамt:н цемент<1 к<1к пu M<ll;Ct:, т<1к и но объе­
му, использование цемента ухудшается, что приводит уже к отрицательной оцен­
ке .\1олотоrо не<.:к<1. При'iинсt заклюqае-г<.:я в том, '-!ТО поножитеньный эффект до­
бавки в последнем случае перекрывается уменьшением I< иц вследствие сокраще­
ния расхода цемент<1.
101
20 �--�--��--�--�
..
:Е
19
18
" 17
i
-t.--------------i
----------------i
+--�,-+--�f---+------!
16 -k:----+""-,:------if-----+-------i
1
3
12
=---e===Ф=====,r,
�
�f
--,
4
----------- ---i
о
50
100
150
Молотым песо1<,
200
мr/м3
Рис. 3.10. ВJ1ияние моJJотого песка на степень ucJJOJtьзoвaнuя цемента
в бетоне в зав11симостu от с11особа введения:
1 - взамен песка; 2 - при сохранении прочности посгоя1rnой;
3 - взамен цемента по массе; 4 - то же, по объему
Для золы, благодаря ее большей эффективности по сравнению с :молотым
песком, при любом способе введения в бетон Кпц обычно улучшается. В то же вре­
мя нельзя исключить, чтu ври ее пuниженнuм Ю:t.честве не вuзникнет ситу.:1ции, а.н.:1логичной представленной выше для :молотого песка. Таким образом, при:\1снснис
Киц для uценки эффективнu1.:ти МД в бетuне вряд ли явняется кuрректным. Крuме
того, при RRе!(ении золь, Rзамен пемента и исттользонании К иц л:ля поиска ее опти­
мального содержания в бетоне может возникнуть и другая проблема. Она будет
рассмотрена !(алее при rтомоп(и номограммы прочности бетона с золой.
Концепция золы как независимого ко.А�nонента бетона оказалась более
плодотворной. Если зола вводится взаме.н песка, прочность бетона повышается и
оптималr.пый расход золr.1 мо>кет бr.1тr. определен по ее максимуму. Степень повы­
шения прочности бетона или экономия цемента, определенная по ней, может слу­
жить критерием эффеr,.-тиRНОСТИ ЗОЛЬI.
Для нр.:1ктики применения зuлы в Gетuне н.:1ибuльший интереt: представляет
замена золой одновременно цемента и песка таки:м образом, чтобы прочность бето­
на по сраnпепи1O с коптрольпым пе мепяласr.. Однако для этого II)')l(IIO знать про­
порции замены. Они устанавливаются достаточно сложным путем. Зола вводится
взамен песка, по величине прочностного эффекта рассчитывается состав равно­
прочного бетона с золой. В приведенном выше примере (рис. З.У) при замене це­
мента и песка в соотношении 45 : 55 бетон с расходом золы 100 кг/м3 равнопрочен
контрольному. Подробно методика пахо:х(депия раnпопрочпых составов бетона с
золой будет рассмотрена ниже (п. 3.4.9).
J.f з трех рассматриRаемьтх сrтособон RRе7'ения золы R бетон наиболее у,1обным
и информативным является замена ею песка. Он позволяет по повышению прочно­
сти бетона O1�снит1, эффсктиннос1ъ золь,, а по �rаксимуму прочности оrтрслслить се
оптимальную дозировку.
102
В.1uнние расхода цемента на нрочностной эфф ект зОJ1ы в бетоне
При изучении сnойстn бетопоn с золой n качестве хараrсrеристик состава ис­
пользуют Н/Ц, расход цемента или его прочность. Гlредпочтительным является
расхол 1(емента, так Т<ак эффеТ<т золf>т занисит от со,л;ержания лисперснь.тх частит( R
бетонной смеси.
Выше уже была рассмотрена зависимость оптимального количества мине­
ральных побавок от расхода це:мента (п. 3.2.1). Она подчиняется положению об
оптимальном расходе дисперсных частиц в бетоне, который составляет 400 - 500
Т<r/м 3. R соотнстстнии с ним Т<оличсстно ,л;обанки ,л;олжно умсньптать.ся при унсличс­
нии расхода цемента.
Эту зависимость удобно проследить при введении минеральной добавки вза­
мен песка. Приnедеrп1L1е ранее данные для бетона с молот11м песком (рис. 3.2) под­
тверждают это. Гlри введении в бетон золы также наблюдается снижение ее опти­
мал�:,ной лозироRТ<И по мере роста расхо.Т(а 1(емента R бетоне (иногда н11,rесто расхона
цемента и<.:нользуют прuчнuсть бетuна). Сuответствующие ре:3уньтаты нредста.вне­
ны на рис. 3.11.
40
3S
30
2S
20
5
1S
10
о
50
100
150
200
250
зола, кr/мз
Рис.3.11. Влия1mе расхода золы при ее введении взамен песка на прочность бетона раз3
11ых составов. Расход цемента, кг/м : 1 - 2UU; 2- 290; 3 - 38U; 4- 470.
Кривая 5- оптимальные расходы золы. Зола 1\нтарской ТЭС -1,
портландцемент М400, возраст бетона 28 сут. [21]
Дтtя обычны"--с зол, имеющих повышенную водопотребность, их влияние на во­
,Т(осодержаmrе бетонной смеси занисит от pacxol(a Т(емента. При низТ<ом его расхо,Г(е
водuнuтреGнuсть увеJ1ичивс1.ется не-Jначительно, тогда ка.к нри боньшuм кuни•1естве
цемента она возрастает в значительно большей степени. :.)то приводит как к умень­
шепи10 оптимального расхода зол11, так и к мен1шей ее эффеrсrиnпостн (nеличmrе
роста прочности, отнесенной к расходу золы).
R то же нрсмя объяснитh набmо,Т(асМ1'>1с рсзул�:,татf>т тоm.ко ростом RОТ(отто­
требности смесей с золой не удается. Несложные расчеты для бетона на золе Ан­
гарской ТЭС показывают, что при внесении поправок на большую водопотребность
103
бетонной смеси с золой при повышенных расходах цемента принципиальная карти­
на, представленная на рис. 3 .11, не меняется. Бетонные смеси с молотым песком
имеют постоянную водопотребность, но получаемые бетоны имеют тот же характер
и�.\1енения прочности (см. рис. 3.2).
Наблюдаемые зависимости подчиняются положению об оптимальном содер­
жании л:исттерснf>n< части1\ н бетоне. При приближении их количестRа к оптимуму
арu'-!нuстной эффект снижается, а да11ее становится отрицательным. Пu нредс тав­
и NIД при макеи1'v1альной
лснным выше данны:\1, суммарное количество uсмснта
:
прочности состаnило для бетоноn с молог1,rм пecкol'vt 370 - 385, а с золой 400 - 480
кг/м3•
Оrри11атслf>ная заRисимостf> оптималF.ного pacxo,r(a зо.ттF.1 и других минсра.ТТF,­
ных добавок обычной дисперсности от расхода цемента (прочности бетона) наблю­
далась и в ряде других исследований [9,10,13]. :)ффективность золы также снижа­
лас1, при росте расхода цеf.1ента n бетоне. Заnиси:\1ост1, коэффициепта эффектиnпо­
сти ряда отечественных зол от расхода цемента была приведена ранее в табл. 3.2.
ДТ1.я высокодисперсных .зол занисимость прочностного эффекта от расхола r�е­
мента в бетuне мuжет и_\1еть различный характер. Хuтя водuнотребнuсть бетuнных
смесей с такими золами при росте расхода цемента также увеличивается, их эффек­
тивность может как понижаться, так и повышаться. Оптимальное количество такой
золы может не зависеть от расхода цемента в бетоне [14].
Кроме расхода цемента, на опти:\1альное содержание золы оказывает влияние
подвижность бетонной смеси. По данным [14] с ростом подвижности оно увеличи­
вается, например, со 150 кг/:м3 при ОК = 1 - 4 см до 200 кг/м 3 при ОК = 10 - 14 см.
:)та тенденция подтверждается и увеличением оптимального содержания дисперсных частиц в са.моунлuтняющихся б�тuнах, где uнu <.iOCTa.BJtяeт 500 - 600 кг/м·'.
Влияние характеристи1� золь� па прочпость бетона
Характеристики �uл ТЭС меняются в U'-!ень широких пределах. Все зuлы
:можно разделить на группы: 1) золы обычного или пониженного качества (далее обF>rчнf>те золът) и 2) Rf>тсоко,r�:исттерсные зоm,1. Золhт 1 - ой грутптf>т имеют поньпттен­
ную водопотребность и увеличивают водопотребность бетонной с:меси; золы 2 - ой
группы - пониженную водопотрсбноеть. Они нс меняют либо уменьшают водопо­
требпост1, бето1п1ых смесей.
Прочность бе111она на обычных золах изучалась во многих отечественных
иссле,n:оRаниях, так как болf>тпинстRо российских зол относится именно к этой груп­
пе. В то время как дисперсность и п.п.п. зол в стандарте [бН] нормируются, водопо­
требность не ограничивается. Типичная картина влияния такой золы на прочность
бетона б1,1ла }')I<e предстаnлепа рапее (см. рис. 3 .11 ).
Влияние водопотребности зол на прочность бетона изучалось в работе [18]. В
чистом Rи,n:e Rьr,п:е.rтить эту характеристику зол не y,n:aeтcsr, так как понf>птrение но,п:о­
аотребнuсти вызывается как снижением их диснерснuсти, так и увеJш'-!ением пuтерь
при прокаливании. Характеристики использованных зол приведены в табл. 3.4.
104
Табm1ца 3.4
характеоистики ис110J1ьзонанных ЗOJI
Зола
l .НовоI-mкvтской ТЭС
2. Ангарской ТЭС - 1
3. Новоиркутской ТЭС
4. Усольского завода
горного оборудоnаrп-1я
1
1
1
У дельная поверх2
HOCTF,, см /r
4700
3600
330()
2600
Гl.п.п., %
Водопотребность,%
2,0
5.0
3,6
9,0
37
43
60
80
1
1
Примечан11е. Пробы зол 1 и 3 Новоиркутской ТЭС отобраны с разных полей электро­
фильтра.
11сходные бетонные смеси If'мели В/Ц = 0,5 (Ц = 3�0 кг/м 3 ) и О,� (Ц = 230 кт/:м:3
бетона). Золы вводились взамен песка по объему, подвижность смесей сохранялась
постоянной (ОК = 2 - 4 см). Это приводило к росту водосодержания бетонных сме­
сей, тем большему, чем выше бьmа водопотребность зол. Изменения прочности
бетона n зависимости от расхода зол предстаnлеп11 па рис. 3 .12 [ 18].
28
"'26
с
t
36
а
1V
с
24
2
{ 3
о
х 30
7
о 22
х
8, 20
с
34
28
18
26
16
24
14
12
22
10
20
о
100
200
300
Зола, кr/м3
о
50
100
150
200
Зола, кr/м 3
Рис. 3.11. Зависимость прочности пропаренного бетона в 28 сут возрасте от расхода золы.
Расхuд цемента: а - 230 ю/м3; б - 380 кг/м3. 1 - 4 - BИJ.J. золы нu табл. 3.4.
Во всех случаях, когда введение золы увеличrmало прочность бетона, наблю­
дался хорошо выраженный максимум, определяющий се оптимальное содержание.
Прочностной эффект зол б11л паиболr.шим после пропариnапия [18] и
с нижался к 28-дневноl\1у возрасту (что наблюдалось и в других исследованиях).
При этоh-r сохраняласf. отмеченная ранее закономерность: и отттимальн�:.тй рас­
ход золы, и величина эффекта увеличивались при уменьшении расхода цемента
в бетоне. Для бетонов с золами 1-3 с водопотрсбностью 37-60% прочность при
расходе цемента 230 кг/м3 возрастала на �2-42%, а при З�О кг!м 3 на l�-0%. В
105
бетоне с золой 4 прочность нс изменялась при расходе цемента 230 кг/м 3 и сни­
жалась при 3�() кг/:м 3 бетона.
Ог расхода цемента зависели и оптимальные дозировки зол. Они УJV1еньша­
J1ись при егu увеличении в изу 1 11::нных пределах с 200 до 100 кг/м � бетона.
Эффективность зол возрастала при снижении их водопотребности (или по­
R�:,ттпении дисперсности). 3'ro же приRодило к упеличению диапазона cocтaROR бето­
Нi:1., в котuрых зола uказывш1<:1.сь эффективной. Te1V1 не менее, даже золi:1. 3 с водоно­
трсбностью 60% имела значительный прочностной эффект в бетоне с расходом
uемепта 230 кг/:м3•
Таким образом, даже золы повышенной водопотребности дают определенный
прочностной эффект R бетонах с низкими расхо7'ами т,смснта. Такой же н�:,тно.п: при
изучении других r,,mнеральных добавок повышенной во.J.опотребности делает <.:.А.
Высоцкий [9].
ОгрицателLпая заnисимостL оптимального расхода зол1,1 обLrчной дисперсно­
сти от расхода цемента наблюдалась, в не только в отечественных исследованиях
[1 О, 13,25], но также R ряне зарубежн�:,тх работ, rле испоm,зоRалис�:, зол�:,т ттоRьпттен­
нuй водuпuтребнuсти [46,56]. Онi:1. имела место нри введении в бетuн и других ми­
неральных добавок: r,,rолотого песка, активных природных добавок [9].
Прочность бетона на высокодисперсных зола.,у с низкой водопотребностью
исследовалась большей частью в зарубежных работах. В мировой пра:к-гике исполь­
зование таких зол является обычным и во многих случаях поддерживается стандар­
тами.
Обстоятельный анализ влияния характеристик 26 зол низкой водопотребности
(88 - 103% от водопотребности цемента) на прочность бетона выполнен в работе
[45]. Сuдержi:1.ние цементi:1. сост<=1внЯJ10 примернu 300 кг/м3, золы 120 ю-fм3• Наю1у•1шая корслляция с 28-днсвной прочностью бетона наблюдалась для дисперсности
зон (кuJффициент кuрелляции 0,87). ДJ1Я индекса активнuсти и водuuотребности зол
он составил соответственно 0,64 и 0,63. ::>кономия це:мента в зависимости от вида
золы составляна 20 - 100 кг/м'· . Тсtки.\1 uбра�ом, даже Juлы низкой вuдонuтребности
:могут существенно отличаться по качеству и эффектам в бетоне.
Влияние дисперсносп�u. J(исттерсностF. ттринимае-гся бол�:,пmнстRом иссле,л:ом­
телей в качестве основной характеристики зол. Tef\-1 не менее эффект повышения
дисперсности оказывается по данным ряда работ нс очень большим. Анализ рсзулъ­
татоn песколLко затрудпяется использоnапие:м различных метопоn ее оценки. В
нашей стране это удельная поверхность золы, тогда как за рубежом чаще применя­
ется остаток на сите 45 мкм.
В опъпах A Jvl. Сергеева повышение дисперсности золы с 2000 до 7()()() c'l'vr2/г
привело к увеличению прочности бетона на 12 - 18% [32]. В зарубежнъrх исследо­
nапиях про"-ПIОСТL бетона та1оке поnL1шалась: при росте удел1,ной поnерхпости золы
с 2000 до 4000 см2/г на 10% [28], при снижении остатка на сите 45 :мкм с 33 до 3,7%
на 7 - 12% [45]. Эффект етт\е более уt,rен�:,ттrается, если сраRниRат�:, бетоны с золой
ари нuстuяннuм вuдосuдержi:1.нии. Так, в работе [60] нри росте удельнuй новерхнu­
сти золы с 3170 до 4740 см?'/г нс наблюдалось заметной разницы в прочности бето­
нов (1V1енее 5%). Снедуе-т отметить, чтu все нриводиь,1ые ре�уньтаты uтносятся к 28суточному возрасту при нормальном твердении, когда золы еще не проявляют за-
106
м:стной химической активности, а их эффект определяется в основном микронапол­
няющим действием.
При повышении возраста испытаний бетона прочностной эффект дис­
аерсности золы увеличивается. Ддя 90-,цневного возраста при росте удельной
поверхности с 2000 до 4000 см 2/г он составил уже 25% (против 10% в 28 J(ReRHOM RОзрасте) [28].
Эффект диснерсности может возрастать, если она аовышается аутем но��ола
зол. В работе [32] в это�� случае увеличение удельной поверхности с 4500 до 7000
с:м�/г приnело к росту прочности uемептно-песчаного растnора па 10- 30%, по данным В.В. Стольникова и В.В. Кинда [35] домол золы с исходной дисперсностью
2600 см2/г тr.о 5000 см 2/г ттон�:,1сил ттрочност�:, бС'Гона на 24%. Причинами роста проч­
ности авторы считают не только увеличение дисперсности, но и разрушение спек­
шихся агрегатов зерен, содержавшихся в исходной золе и повышающих ее водопо­
требпостr..
Влияние состпава бетона на прочностной эффект высокодисперсных зол с
низкой RОJ(оттотребност�:,ю носит уже друrой характер, чем ,л:ля об�:,тчных зол. ЛJ·f.
Дворкин и И.Б. Ша.мGа.н по результатам иссJ1едовс:1ний бетонов с золой Бурштын­
ской ГР.'JС (удельная поверхность 4000 см2/г, водопотребность 21 %) предлагают
принимать постоянные расходы такой золы для бетонов с разным расходом цемен­
та. Для бетона нормального твердения они составили 150 - 200 кг/м 3 (большие зна­
чения для более подвижных смесей) [14].
В методе подбора состава бетона с золой, предложенном английскими уче­
ными, предварительный расход золы определяется расчетны: м путем. Для зол с
3
остатко11,r на сите 45 м1а1 менее 12,5%, 120- 140 кг/м , при остатке 12,5- 20% - 100
- 120 кг/м3 [45]. В дс:tJ1ьнейшем 011тимс:tJ1ьный рс:tсход �олы уточняется эксперимен­
тально. К сожалению, из работы неясно, как определялся опти:\1альный расход зо­
JlЫ. Возможны ра.ЗНИ'JНЫе нодхuды, дающие piiJHЫe веЛИ'!ИНЫ OllTИMaJIЬHOГU расхо­
да золы, что будет рассмотрено ниже (п. 3.4.9).
По-ви,цимому, дJ1я высокодиснерсных зол ноложение об онтимшlЬном содер­
жании дисперсных частиц в бетоне нарушается. Возможной причиной этого оказы­
RаЮ'Гся лополнительн�:,1е эффекты таких зол R бетоне: улучптение микроrрануломет­
рии смесей при заполнении пустот между зернами цемента мельчайши:ми частица­
ми золы, а также возможное дсфлокулируюшсс действие таких частиц на цемент­
ные агрегаты. Еще одним фактором МО)I<ет яnиться улучшение сцепления золоце­
м:ентного камня с заполнителями, так как высокодисперсные золы в связи с повы­
тттенной ТТ}'lЛ�оланоной актинност�:,ю у-ме к 28-лненному нозрасту могут улуч1пат�:,
качество контактной зоны в бетоне вследствие трансформации Са(ОН)2 в гидроси­
ликаты кальция [38].
Влияние расхода цемента на эффективность золы в бетоне
Эффекг зоны в бетоне онре,целяется двумя фактора.ми: ее количеством, обес­
печивающим максимальную прочность и величиной повышения прочности. По­
сJ1едняя лу'!Ше все1·0 ха.ра.ктериJуется коэффициентом эффекl'ивности, который
показывает «вклад» золы в прочность бетона в сравнении с тем же количеством
цементс:1 (нро•1ностная трактовка. Кэ).
107
Для зол обычной дисперсности Кэ снижается при увеличении расхода цемен­
та. Это же может на.блюд,1ться и дня некоторых высокодиснерсных �ол. Та.к, в уже
цитировавшейся работе [14] оmимальное количество золы Бурштынской ГР::::>С
бr.тло примерно постояттпо для разпьrх расходоn це:мепта, а коэффициент эффетсrиn­
ности золы снижался при его росте с 0,46 до U,2 (табл. 3.2). В то же время и:меются
и J(аннf>те о ттонf>ттпении эффет-."Тинности таких зол R бетоне при )'Rеm-JЧении расхода
цемента [50,60].
Проведен анализ зависимости эффективности зол от расхода цемента в бе­
тоне. Рассматривались только золы, не повышающие водопотребности бетонной
смеси (чтобы исключить влияние этого фактора). В связи с этим использованы дан­
ньтс зарубежных исслсгtоRаний, rлс применение таких зол srнлsrстся обf>IЧНОЙ прак­
тикой.
Привлечены результаты, полученные на портландце:ментах, эквивалентных
российским маркам 400 или 500 или БТЦ. В сnязи с тем, tfIO К:> спиjкается с ростом
содержания МД, выбирались невысокие и по возможности близкие дозировки зол.,
обычно 0,2-0,3 от массь1 т�емента. Rозраст испf.1таний бетона - 28 cyr при нормаль­
ном. твердении. В тех снуч::tях, ко1да. в 11убликациях приведены тоJ1ько 11рочностные
эффекты зол, I<э рассчитывался либо по обычной «массовой>> методике, а если дан­
пr.rх для этого бьшо недостаточно, способом, оспоnаппо�1 па его «прочностной>>
интерпретации. Полученные зависимости приведены на рис. 3.13.
1,2 -..-----,,------,-----т----,------,
0,8
0,4
0,2
о -+------,f------+----+----1-------!
0,45
0,5
0,55
О,б
0,65
0,7
8/Ц
Рис. 3.13. Зависимость коэффициента эффективности зoJI разJ1ичной диснерсиости в
бетоне от ВЩ по да11ным: 1,5- [50); 2,7 - (39]; 3 - [60); 4 - (46]; 6,9 - [40); 8 - [34)
В свя�и с тем, что данны� u расходах цемента в •�асти публика.щ1й отсутству­
ют, а в качестве параметра состава бетона обычно приводится В/Ц, его величины
использованы в качестве эквивалента расхода цемента и отложены на горизонталь­
ной оси. В тех случаях, когда в исследованиях быш1 приведены значения прочности
бетона, они пересчитапr.r n В/Ц по фор1v�уле Боломея-Скрамтаеnа. В11яJ1лепиrо теп108
дснции изменения Кэ с ростом расхода uс:мснта это нс препятствует. Большая часть
представленных зависимостей получена при постоянном водосодержании бетонных
смесей.
Ксtк виднu И3 прt:дстсtw1енных дiiНных, Кэ 3UЛ нри put,-тe piicxuдii цементii
(снижении В/Ц) мог как уменьшаться, так и увелич�mаться. При этом колебания его
значений Rозрастали с УRеличением содержания 1�емента R бе'Гоне. Rсли при
В/Ц=О,7 uни сuстiiвили 0,22-0,8, тu uри В/Ц=О,5 уже 0,2-1,2.
11нформация о дисперсности и К3 (при низких В/Ц) примененных зол прсд­
ставлепа в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Диспеосность и коэсЬсЬициенты эdнЬектпвности зол (пои низких В/1.�'
№№ кривых па рис. 3.13
Остатuк на сите 45 мкм, %
К:. при низких В/Ц
1
7,4
2
22
1 - l,2
3
15
4
-
5
20
6
12
0,4
7
22
8
-
9
32
0,2
Дисперсность зол считается их ва>r<пейшей характеристикой. В то >I<e время
золы достаточно высокой дисперсности при больших расходах цемента значитель­
но отличались по эффективности. Так, три золы с остатком на сите 45 мкм 7,4%,
15% и 22% и1,1е.J1и при ни3ких В;Ц кuэффициент эффt:ктивнuсти пuрядкс:t 1-1,2, тuгдii
как для трех других зол с близкой дисперсностью (остаток на сите 45 мкм 12%, 20%
и 22%) uн сuставнял приблизитеJ1ьнu 0,4.
Более того, оба характера зависи:мости наблюдались в рамках отдельных ис­
СJlt:дuвс:tний. Один из тШ<Их ре3ультатuв У',ке был предстс:tвнен на рис. 3 .13 (кривые 2
и 7, соответственно для БТЦ и обычного портландцс:мснта при одной золе), другой
при веден нс:t рис. 3 .14.
1\/fожно отметить, ЧТО !(ЛЯ RЪlСОТ<оэффеКП-fRНОЙ ЗОЛЪl с п.п.п. 3,7% «ттрОЧНОС'Г­
ной вклад» бьш выше, чем uемента (Кэ > 1 ). Гlри этом увеличение Кэ происход�шо
несмотря на одновременный рост водопотрсбности бетонной смеси при повышении
pctcxuдii цемента.
Таким образом, влияние дисперсности зол на их эффективность оказывается
:меньшим в бетопах с пизrшми расходами це?\-1епта, и увеличивается при большем
его содержании. Это подтверждается данными, представленны?\-rn как на рис. 3.12,
3.13 и 3.14, таТ< и R табл. 3.2.
Некuтuрые исснедuватели HaCTc:tИBc:tIOT TUJlbKU Hii UДHU.\1 Xiipiiктepe Зс:tВИСИМО­
сти I<э золы от расхода цемента (или В/Ц) [39,60]. В то же время приведенные выше
яаннъ1е ттоказь1Rают, что она может бъrгь как положителъной, 'Гак и отрит\ателъной.
Достаточные объяснения это:му в литературе отсутствуют. Сложность ситуации
объясняется тем фактом, что характер зависи?\-rости нс связан, по к-райнсй мере до­
ст.r1·u< 1нu теснu, с диснерснuстью 3UЛ.
Одно из предлагаемых объяснений: повышение концентрации раствори:\1ьrх
щелочей цеме1па в >ки;::rдой фазе бетонной смеси при спихсепии В/Ц, что уnеличива­
ет скорость растворения зольного стекла и пуццолановой реакции [39,60]. Возмож­
нь1м его по,r(тRерждением янляется суп�есТRенно разнъ1й хараТ<тер изменения Кэ R
бетоне с одной и той же золой при использовании БТЦ и обычного портландцемен­
та (криRъ1е 2 и 7 на рис. 3.13) [39]. R то же Rремя неясно, почет.ту этот эффект имеет
:место в одних случаях и не проявляется в других.
109
1,4
а
� 1,2
1
--
1
�
0,8
--
----
О,б
......_
--.........
2
0,4
0,2
о
280
300
320
340
360
380
400
420
Цеменr. кr/м3
210
-!_
205
�..--с----�------�-б
+--t--..---t---+---t--+---+:21""�
180 +--::::+---!----1----1---1----1--�
280
300
320
340
360
380
400
420
ЦемеНJ, кr/мЗ
Рис. 3.14. Влияние расхода це�1ента на коэффициент эффеъ.-rивностизо:1 (а)
п водосодержание бетонной Сl\<1еси (б) по данным f541. Расход зо:1ы 60 кг/м3•
Золы с п.п.п.: 1 - 3,7%; 2 - 9.3 °/о. 3 - контрольный бетон
Еще одним фактором, способным как-то объяснить обсуждаемый эффект,
мuжнu с 1 iит<1ть дефлuкулирующее действие мель 1 i<1Йших фракций зuJ1ы на цемент
[49]. Разумеется также возникает вопрос, почему оно проявляется избирательно.
Boз:\iO)l(IIO, оспоnпу10 рол1 n этом l\-Iогут игратr, сnерю.1ел1<Ие зерна, например < 1
мкм. Таких зерен в высокодисперсных золах может быть 2-�о/о [65).
R итоге можно уrRержлатъ, что хотя листтерсностF. зол !(ЛЯ бетона srнляется их
важнейшей х.:1рс1.кгеристикuй, золы дucт.tTU'iHU высокой диснерснuсти могут суще­
ственно отличаться по эффективности, особенно при высоких расходах цемента в
бетоне. Имеюп\иеся R исттолf.ЗОRаннF.тх ттублпкат,иях ланнъте не ттозноляют объяс­
нить, что является причиной столь большой разницы в величинах Кэ высокодис­
псрсных зол.
Пр.tкти'iеский вывuд заключ.tется, но-видимому, в тuм, чтu uц�нкii зол по их
прочностному эффекту в бетонах с разными расходами цемента, например, при
исполиоnапии К), позволяет более корректно оцепить их эффектиnпост1 и опреде­
лiпь область рационального применения в бетоне, чем такие характеристики зол,
как дисперсность, п.п.п. и водопотрсбность.
110
Номограмl'tа прочности бетона с золой
Для наглядного сопоставления различных способов введения золы в бетон:
nзамен цемента, песка, цемента и песка одпоnре:меппо была разработана номограм­
ма прочности бетона с золой [20]. Ее основой является рассмотренная ранее взаи­
мосRЯЗf> способоR RRеJ(ения золъ1 Rзамен 11емента и ттеска. Как уже 011vrечалось, 0)1.ин
и тuт же сuс·л1в бетuнс:t с Juлuй 11uжнu пuну•шть ее введением кс:tк ВJамен цементс:t в
бетон его повышенным расходом, так и взамен песка в бетон с низким расходом
цемента. Так, из представленного ранее рис. 3.5 видно, что бетон, содержащий золы
100 кг/м3 бетона с прочностью 24 МПа, может быть получен как при замене золой
Т(смснта R бс-гонс с его расхолом 400 кr/м 3, так и при замене песка R бс-гонс с расхо­
дом uементс:t 300 кг/м3 . Учет этuй Jакuнuмернuсти нег в uснuву аuстрuения нuмu­
граммы прочности бетона с золой. Она представлена на рис. 3.15.
а
40
"'
2
с:
35
:z:
'Z
8.
с:
:i: 35
..
2
о
30
=•
40
�
о
:z:
:r
=8.
2
30
25
25
20
15
з Б
so
100
1S0
3
200
2S0
200
300
400
500
Цемент, кr/м3
3о11а. кг/мЗ
Рис. 3.15. а - номограмма про•mостн бетона с золой.
1 - опт1rмалъные расходы золы; 2 - про•mости при замене зо.11ой песка; 3 - про•1ности
при замене золой цемента. Точки А, Б, С - пояснения в тексте.
б - Rспомогательный график л:ля нахождения расхода цемента R бездобаRочном бетоне.
Зола Ангарской ТЗС, порт:1андцемент М400. Возраст бетона 28 cyr
В основе но11,1ограм:мы лежат две группы зависи�1остсй прочности бетона от
расхода золы: при ее введении взамен песка (�..1)ивые 2) и взамен uемента (кривые
3). При ее построении дополнительно к Е.1)ИВЫМ изменения прочности бетона при
замене золой пес1<а (см:. рис. 3 .11) использованы ли1пш сни)I<епия прочности при
замене золой цемента. Замена песка производилась по объеl\fУ, замена цемента - по
массе. Так как плотность зольr меныпе, чем 1\емента, RO Rтором случае о,r(нонремен­
но уменьшался расход песка.
111
Дополнительный график (рис. 3.156) позволяет определить расходы цемента в
бездобавочном бетоне. На поле номограммы линии постоянного расхода цемента кривые 2, полученные при замене золой песка.
Максиму.\1ы прuчнuсти Gетuна, наблюдаемые на кривых 2, сuединены кривuй
l, представляющей собой линию оптимальных расходов золы. С ростом расхода
пемента (или прочности бетона) отттиммF>нF>rй расхол золF>r у'\1енF.тт1ается.
Нuмu1ра.мма JJU:3BUJtяeт анали3ирuвсrгь свя:3ь снuсuба введения, .L1.U:3ирuвки зо­
лы и се прочностного эффекта. В частности, можно определять прочность бетона
при разлиЧI111х расходах золь� и способах ее nnедения. Рассмотрим nnедепие 150 I<Г
золы в бетон с прочностью 75 lvlПa и расходом цемента 332 кг/м 3 • При введении
золF>т Rзамсн песка получаем состан А (ттрочностF. 28 МПа), нзамсн Т(смснта - состан
Б (прочность 14,5 МГlа). Можно определIПЬ равнопрочный состав бетона с золой
(точка С). Расход це:мента в нем будет тем же, что и в бездобавочном бетоне с
прочпост110 20 МПа (линия 2), т.е. 290 1<г/м 3 (рис. 3.156). Экономия цемента при
введении в этот бетон золы 150 :кг/м3 бетона составит 42 кг.
При помотт(и номогра11,rмF>т можно рассмотреть ноз11,rожности нахожления отт­
тимшIЬных по прочности расходов золы нри разных снuсобах ее введения в бетон.
Они легко определяются при замене золой песка (кривые 2). Ilo при введении золы
взамен цемента прочность бетона :монотонно снижается (кривые 3). Выявить опти­
мумы можно при привлечении коэффициента использования це:мента, что бьшо
рассмотрено вьrше (п. 3.4.6) и применено в работе [32]. Но следует отметить, что
эти оптимумы являются локальны�1и, так как кривые 2 не достигают mmии опти­
мальных расходов золы 1 [20] и поэтому не позволяют най:ти эти расходы.
Полученная номограмма с количественнной точки зрения имеет значение
только для использованной 3uлы шш других :3ол с бли:ишми характеристикаJ\,lИ. Но
в качестве удобной графической формы связи прочности бетона с расходами це­
мента и 3олы она может ис11011ьзоваться для соноставления рсUJШ'fных методов
назначения расхода золы и для развития представлений об эффектах золы в бетоне
нри рсUных снособах ее введения.
Прочность бетона с золой при растяжении
По ряду литературных данных, активные t.1инсральныс добавки более благо­
приятно nлия1от па прочпост1 бетопа при растяхсеп:ии по сраnнепи10 с прочпостыо
при сжатии. Лиф [30] приводит данные экспериt.1ентов с различными :минеральны­
ми лобанками, бетонF.1 с которF>тми имели болF>ттrую относителъную прочностF> ттри
растяжении, чем при сжатии. Это наблюдалось как в раннем возрасте, так и при
поздних сроках испьпаний. Больший рост прочности при растяжении по сравнен
. ию
с прочпост110 при С)I<атии при nnедетпm n бетон золы паблтодался и n работе [54].
3.4.7. Долговечность бетона с золой
Долговечность бетона определяется рядом его свойств, основные из которых
Jто корро3ионная �-тойкость и морu:3остойкuсть бетона, а дJIЯ жене3uбетонных
конструкций и стойкость арматуры в бетоне.
112
Влияние зол на свойства, определяющие долговечность бетона, противоречи­
во. Они существенно понижают проницаемость, улучшают состав цементного кам­
ня и в итоге повышают коррозионную стойкость бетона. В то же время морозостой­
кuсть бетuн.:1 и его защитнuе действие по отношению к арм::tтуре могут и ухудшать­
ся. Все эти свойства зависят от струк"Туры бетона, прежде всего от объе:ма и харак­
терисrик пор. Эти параметрьт RПИЯtОТ R перRую очередь на пронипаемость бетона.
Проницаемость бетона
Проницаемость для газов и жидкостей является важной характеристикой бе­
тона, оказынаютпсй значwrсльнос Rлиянис на его .п;олговсчность. Она определяется
как объемом, так и еще, большей степени размерами пор. Основным путем филь­
трации через бетон являются сообщающиеся капиллярные поры, в первую очередь
круппьrе. В то >I<e nремя цемептпьrй гель, содер>r<аший 28% гелеnых пор, яnляется
практичесю1 непрон�;щаемым.
Rвел.ение R бетон золы \fожет менять как об-ьем, так и характер пористости
цементногu камня. При этом ВJU1Яние зuны на. нористоL:ть Jа.висит uт ее L:uдержа.ния,
способа введения, а также возраста бетона. Оно определяется двуrvrя эффектами.
Это пуццолановая реакция, протекаюшая во всех бетонах с золой и приводящая к
дополнительному образованию геля, заполняющего капиллярные пространства и
уменьшающего сечения или перекрывающего капиллярные поры. При введении
золы взамен песка или одновременно цемента и песка имеет место и микронапол­
няющий эффект, водные прослойки между твердыми частицами в цементном тесте
становятся тоньше, что также приводит к соответствующе11,rу уменьшению объема и
ра.З.\1ерuв Ki:111ИJ1J1ЯpHЬLX нор.
Контактная зона между цементным камнем и заполнитсЛЯl'\,Ш в связи с повы­
шеннuй пористостью ч.:1сто L:лужит uутем усиленнuй фильтрации га.Зов и вuды череJ
бетон. Увеличение ее плотносп1 при введении золы [38] также способствует полу­
чению бетонов новышеннuй ненрuницаемости.
Газопрон111(аемос1пь. Исследовалась прон�;щаемость бетонов с золой для кис­
лорол:а, хлора и лругих raзoR. Эффект золы заRисел от способа ввеления. Но даже
для бетона, в котором зола заменяла часть цемента, снижение проницаемости для
ионов хлора наблюдалось уже к 28-сут возрасту и существенно возрастало с его
уnеmIЧепием nппоть до 1 года [43]. При nnедепии золы nзамеп песка зпачител1пое,
до двух раз, снижение газопроницаемости по сравнению с контрольными бетонами
наблю.п;алось уже R Rозрасте 28 суг. R гол:оRом Rозрасте пронит\аемость Rcex бето­
нов по данным этого исследования повысилась (высыхание капиллярных пор, усад­
ка), но при этом для бетонов с золой она оставалась в несколько раз ниже, чем у
коптрольпых [ 52].
Водонепроницаемос,пь. При введении золы в бетон наблюдается системати­
ческое понnппение его Rо71онепронип:ае1vrости. R иссле,1овании [35] л:аже при замене
золuй Llасти цемента (25%) нaGJiю,LJ,a.лucь нuвышение водuненроницс1.емости бетuн.:1 в
возрасте 90 сут.
В работе [54] приl\-1енялись разные снuсuбы вве,LJ,ения зuлы в бетон с ра.З.J1ич­
ными расходами цемента. Водонепроницаемость оценивалась по глубине проника­
ния воды нри ее вдавлнв.:1нии в бетuн. При введении зuлы ВJа..\1ен неска в кuниче-
113
1
ствс 60 кг/м- глубина проникания воды уменьшалась в среднем в два раза, при 120
Ю" золы - еще в два ра3а. При сравнении равнопрочных бетонов Jффект был значи­
тельно меньшим. В бетоне, содержащем 120 кг золы, глубина проникания воды
уменьшилась n 1,75 -2 раза.
Коррозионная стойкость бетона
l(оррозионная стойкость бетона определяется двУJ,1я факторами: его прониuа­
емостью и хи:мической стойкостью компонентов цементного камня к агрессивным
средам ..�ктивные NIД для целого ряда агресс�mных воздействий повышают корро­
зионную стойкость бетона, так как снижают его пронит(асмость и трансформируют
3на'ШтеJ1ьную •1асть растворимого Са(ОН)2 в г1-щросиликаты ка.J1ьuия.
l(ак отмечалось выше, введение золы взамен песка, а также при одновремен­
ной замене цеме1па и песка, т.е. в panпoпpoЧIILIX бетонах, nсегпа с1пп1<ает пропипа­
емость бетона. Гlри замене золой цемента снижение проницаемости возможно толь­
ко н зрелом возрасте.
Для бетонов с 3олой наиболее существенно новышается сульфатuстойкuсть
бетона, что подтверждено рядом исследований. Данные одного из них, где сульфа­
тостойкость оценивалась по расширени10 образпоn, помещенных в растnор сульфа­
та натрия, приведены на рис. 3.16.
4
�
1
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
о
4
о
50
100
150
200
Время хранения, дии
Рис. 3.16. Влияние минеральных добавок на су.11ьфатостойкость бетона. Бетоны:
1 - с молотым песком; 2 - контрольный; 3 - с 20% золы; 4 - с 40% золы [48)
11з предстаnлепных дапнr.1х видно, что }')I<e 20% золы радикально поnыша1от
сульфатостойкость бетона. Инертная добавка (молотый песок) таким действием не
облаласт.
Рассма1риваются р<i�личные нричины нuвышения сульфатuстuйкuсти бетона
с пут�т�оланоньп,rи ,r(обанками, н том числе и с золой [30]. OJ(ной из них является
меньшая проницаемость таких бетонов и соответственно скорость проникновения в
114
них сульфатов. В этой же работе отмечается, что сулъфатостойкость бетона с золой
на обычном цементе соответствует бетону на сульфатостойком портландцементе.
Стойкость бетона с золой повышается также при коррозии выщелачивания
иJu1 углекислuй корро:3ии [37]. Этu явJrnется следствием снижения содержания
Са(ОН)2 в таком бетоне. Бетон с золой является также более стойкиl\1 против раз­
руп1ения при наличии R заполнителях актинноrо кремнезема, которьтй R обычньтх
бетонах на высокощелочных цементах (сuдержание щело•н::й более 0,6%) мuжет
вызывать внутреннюю коррозию бетона.
-"'1орозостойкостъ бетона
Jlитературные данные о морозостойкости бетона с золой наиболее противоре­
чивы. Влияющи:ми факторами являются качество золы, способ ее введения и рас­
ход, а так)lсе возраст бетона к моменту исп1,1тапий.
Эффектом золы, положительно влияющим на морозостойкость бетона, явля­
ется уменьптение объема и размерон пор, происхо,1яrГ(Ие при ттуг(1,оланоной реакт�ии.
Этот эффект имеет место нри J1юбuм спuсобе введения :3олы, но достагочно выра­
жен лишь в поздние сроки твердения. Введение золы как независимого ко:rvmонента
в свою очередь снижает объем и размеры пор в бетоне, причем независимо от его
возраста. В итоге этот эффект является основным при начале испытаний бетона на
морозостойкость в стандартном возрасте.
Отрицательное влияние на морозостойкость бетона с золой может оказать:
образование дополнительной поверхности раздела: зола - цементньп1 камень, осо­
бенно при налич1п1 водных промежутков между зернами золы и ее гидратированной
обоJ10•1кuй и начш1u иснытаний в 28-дневном вuзра.сте, когда. пуццuланuва.я реакщ1Я
еще незначительна.
Суммсtрный резуJlЬТа.Т JТИХ ВJН1ЯНИЙ нроГНU:3Ировать сложно.
В отечественных исследованиях наблюдались как понижение, так и повыш�
ние моро:3остойкости бетона. с зuлой. При введении в бt::тон зоны с повышенной
водопотребностью взамен цемента происходило снижение морозостойкости, тем
болыттее, чем Rыrпе был ее расхол [3 5]. R то же нремя при использонании золы с
пониженной водопотребностью в количестве 20 и 40% от массы цемента мороза..
стоикость ,..остона повысилась как при нормальном твердении, так и в несколько
:меньшей степени при пропариnапии [11].
В двух немецких работах как при введении золы 60 кг/м-' бетона взамен цемента [60], так и 60 - 120 кг при сохранении прочности бетона [54] его морозостой­
кость практически не изменилась. Н каждой из работ применялись разные цеl\1енты
и различные золы.
В противополо)кносгь этому, n исследоnании [52] эффект золы зависел от
способа ее введения. При введении золы взамен песка прочность бетона повыша­
лась, а морозостойкость R cpe,rcнe1vr бьтла на том же уронне, что и у контрольного
бетона. Но нри сравнении равнопрочных бетuнuв она. снижш1а.сь дня бетuна. с :3олой.
Примеры можно продолжать. В дискуссии в немецкой прессе защищались
ТU'IКИ :3рения Ка.К u Мi:::НЬШi:::Й мuро:3UСТUЙКОСТИ бетuна с золuй [63], так и о донусти­
м:ости введения 25 - 30% золы от массы цемента без ущерба для морозостойкости
[42].
115
t.Iсткого влияния качества золы на морозостойкость, в отличие от прочности,
не прослеживается (при применении зол, соответствующих стандарта.\1). В частно­
сти, не обнаружено разницы в морозостойкости бетонов с золой с п.п.п. 3,6 и 9,3%
[54]. Но в uбзоре [65] uтf\.�ечается снижение мuрозuстuйкuсти ври росте 11.н.п. в золе.
Обобщая приведенные данные, можно отметить, что для практически важно­
го случая раяноттрочньтх бетоноя может наблюл.аться как понижение морозос-гойко­
сти бетuнuв с зuной, так и сuхранс:ние ее на пuстоянном урuвне. При небuньших t:t:
расходах, порядка 60-100 кг/м 3 бетона, понижения :морозостойкости обычно нс
пабл1одается. Но поnь1шеппые расходы золы l\-Ioryт пегатиnпо сказаться па морозо­
стойкости.
Слслуст отмс-гитh, что морозостойкость бетона оттрсТ1,слястся R 28 сут RОЗ­
расте, когда пуuцолановая реакuия золы еще незначительна. llpи длительном влаж­
ностном уходе за бетоном или его эксплуатации во влажных условиях до начала
:морозного воздействия ситуация моjкет измениться. По даппь1:\1 пеl\-1ецких исследо­
ваний, бетон с золой после 28 cyr твердения имел :морозостойкость на 30 % ниже, а
после 180 сут нахожления RO JJлажнъгх услояия-х - уже на 30 % н;,ппе, чем кон­
трольный бетuн. В работе [30] также отмt:Liается, LITU бетон с пуццuланuвы.\1и до­
бавками, подвергнутый действию мороза в возрасте 6 месяцев и более,. не уступает
цементному бетону по морозостойкости.
Эффективным способом обеспечения морозостойкости бетона с золой являет­
ся введение воздухововлекаюших добавок. При это:м бетонная смесь с золой обла­
дает более низки:м воздухововлечением. Поэтому дозировка воздухововлекающей
добавки должна увеличиваться таким образом, чтобы добиться равного содержания
воздуха с контрольны:м бетоном. В одном из исследований падение прочности в
бетонах с содержанием зuлы дu 50% и искусственно вuвнеченныl\-1 воздухuм наблю­
далось, как и для контрольного бетона, только после 800 циклов замораживания uт1'аивания [ 65].
Защитпое действие бетона по от11оше111110 к арматуре
Бетон за1ц1,пцает арматуру от коррозии благол:аря ттрисутстнию R нем Са(ОН)2 ,
выделяющегося при гидратаuии цеr.�ента. Растворяясь в воде, содержащейся в по­
рах, гидроксид кальция повышает се щелочность до рН > 12, что и пассивирует
стат.. Щелочная защита арматурь1 мо,кет быть нарушена вследстnие карбонизации
бетона и при связывании Са(ОН) 2 в нерас,пворимые соединения, напри,нер, ак,пив­
нымu минеральньы1и добавкал,�и_
Карбонизация бе,пона с золой. Введение золы и других активных МД приво­
дит к связыванию части Ca(OII)2 , что может увеличить глубину карбонизации бето­
на. С другой стороны, поnышается плотпостr. бетона, что способствует уме1ILше­
нию глубины карбонизац:vпf.
Rлияние золъ1 на карбонизаУ\ИЮ бетона изучалос;, RO многих работах. При
введении зоны взамен цемента в коничестве 20% нu результатам 3-х летних наблю­
дений установлено [60], что разницы в величине карбонизации бетона с золой по
сравнению с кuнтрuньным нет (±1 мм). Даже вниянис: разновиднuсти нuртнан,'J.це-­
:мента оказалось более значительным. В то же вре:мя глубина карбонизации бетона
116
на шлакопортландцсмснтах заметно возрастала, что известно и из других исследо­
ваний.
В работе [52] при введении золы до 90 кг/м3 как вза:мен песка, так и в равно­
арuчные бетuны наблюда,1ut:ь увеличение глубины карбuниз.:tции в гuдuвuм воз­
расте на 1 - 3 м:м при ее величине в контрольных бетонах 3 - 5 мм.
R противоположность этому, при расхо!(е золъ1 ло 1 80 кг/м3 в бетонах о,;-(ной
арuчнut:ти 11u резуньтатам 3-х летних наблюдений не наблюда,1ut:ь увеличения гну­
бины карбонизации. Нс выявлено также влияния содержания нссгорсвшсго топлива
(п.п.п. золы 3,6 и 9,3%) па глубину карбонизации бетона [54].
В работе [60] отмечается, что раннее прекращение влажного ухода за бетоном
с золой приво1'"(ИТ к за11,1стному унсличснию глубины его карбонизап,ии.
(,'вязывание золой С'а(ОН) 2. Изучалось и влияние высоких расходов золы на
сохранение «щелочного резерва» в бетоне. Установлено, что даже при содержании
золr.1, преDLIШа1ощей расход цемента (60% золLI и 40% пе�rепта), шелочпостr.
}Кид­
кой фазы в бетоне остается высокой [ 48]. Влияние количества золы на связывание
Са(ОН)2 по паяным этой работы было уже прине,r(ено ранее (см. рис. 3.7).
Пря,ное определение коррозионной стойкости арматуры прuвuдилut:ь в ряде
американских исследований, вьmолненных на :малоцементных бетонах с высокими
расхода:ми золы и суперпластификатором. В частности, при содержании золы 50%
[59] от суммарного количества золы и цемента скорость коррозии арматуры была
такой же или ниже, чем в контрольных бетонах. Нужно отметить, что бетоны бла­
годаря присутствию суперпластификатора имели весьма низкий расход воды, по­
рядка 110- 130 кr/м3 .
Приведенные данные, по-видимо:му, подтверждают обоснованность требова­
ния рuссийскuгu стандарта, uг1н1ничиваЮщегu расходь1 зuлы нредельным отнuше­
нис�1 зола : цемент, равным l [68]. В то же время в работе [lS] отмечается, что при
удельной пuверхнuсти зuны бuнее 4000 см2/г реа,ш�ация uтнuшения зuла: цемент 1
: l может привести к значительной коррозии ар�1атуры. Поэтому заслуживает вни­
мания нреднuжение ограничить егu вели•1инuй 0,8, к тuму же учитывая вuзмuжнuе
содержание акт�,mной минеральной добавки в портландцементе [ 1 О].
3.4.8. Дру 1·ие свойства бетона с зоJ1ой
ТсплонhIJI.СЛснис бетона
Теrтловыl(еление бетона при твердении созl(ает больпrие rтроблем�=,1 при изго­
товлении �1ассивных конструкций. Te1vmepaтypa в их центре в начальный период
твердения бетона может повышаться до 50-70 ° С. При этом в более холодных по­
nерхпостпых слоях nозпика1от растягива1ощие папря)кепия и трещины. Вnедепие
зол ТЭС позволяет снизить расход цемента - источника тепловыделения - при со­
хранении снойств бетона.
НаиGuльшаЯ часть теплuвыденения прuисхuдит в на•1а,1ьные срuки твердения
бетона. .За 3 сут выделяется 60 - 70o/u месячного количества тепла [7]. При введении
зuны на•:1аJ1ьнuе тенлuвыделение бетuна уменьшается нuчти apuaupuиuнa,IЬнo со­
кращаемому цементу. Высказьmается мнение, что количество вводимой золы зна­
чения не имеет, т.:tк как uна не участвует в твердении в этuт пepиu,Lt [48]. Пu дру1·им
117
-
...
...
данным, тепловыделение остона с золои снижается в мсньшси степени, так как зола
повышает степень rnдратации цемента в ранние сроки. Кроме того, повышение
температуры в массивных конструкциях может приводить к более раннему прояв­
J1ению зuлuй нуццuланuвuй ,:1.ктивнuсти.
При отсутствии к бетону массивных сооружений повышенных требований к
морозостойкости R него Rнол:ят УRеличенное количестно золhт - J(O 200 т-.т/м3 . Это
аuзвuJ1Яет сократить расх.uд цемента и теплuвьщеJ1ение Gетuна на 20 - 30%. Не сну­
чайно зола стала первоначально применяться именно в бетоне гидротехнических
соору')кеrпш. В пашей стране зола Ангарской ТЭС шзодилась n бетон плотины Брат­
ской ГЭС еще в 1960 г. [35].
Мо11уJ1ь унр)1 1·ости бетона
Даппьrе о nлияпии дoбanrrn золы па модуль упругости бетона доnол1по огра­
ничены. Согласно [54], при введении золы взамен песка :модуль упругости бетона
ттонъппается н соотнетС'Т'нии с увеличением прочнос1'и. При этом н поз,л;нем возрасте
uн увеличивается в бuJ1ьшей стенени, че-"1 в кuнтрuльнuм Gетuне. ЭкснериментшlЬ­
ные данные при введении золы повышенного качества с п.п.п. 3,7% (ее коэффици­
енты эффективности приведены на рис. 3.14) представлены в табл. 3.6.
т,емент,
кr/м
J
240
240
240
Зола,
, J..,
КГ/М
о
60
180
п эочность и :модуль упруrости б етона с 5золои
Rб, tvrпа,
28
25,8
35,8
39,6
R
нозрасте
91
28.2
42,9
49,3
F., МПа· 10·
91
28
25,6
24,6
29.6
32.8
29,3
32.3
Табm-1ца 3.6
Рост,%
�
9
20
24
Е
4
11
10
Как видно из представленных данных, при ввсдсю,rи в бетон золы в количс­
стnе 60-180 r<r/м3 прочность поn11силас1 n 28 сут возрасте па 39-53%, а D nозрасте 9 L
сут на 52-743/о. Модуль упругости при этом увеличился в 28 сут возрасте примерно
на 20%, а R нозрасте 91 сут примерно на 28%.
11ри золе пониженного качества (п.п.п. 9,З�lо) модуль упрутости бетона с зо­
лой также у13еш1Чивался, но в связи с большей водопотребностью бетонной смеси
(см. рис. 3.14) на неt:кuлькu меньшую величину.
Усадка бетона
П о ряду литературных данных усадка бетона с золой незначительно отли­
чается от усадки обычных цементных бетонов. TaI<, введение 25% золr.1 Апгар­
ской Т:)С взамен це: мента практически не отразилось на усадке бетона при его
твердении на воздухе [35]. В немепком исследовании при испытании в годово�1
возрасте усадка незначительно отличалась при введении золы как вза�1ен це­
мента, так и взамен песка. Потери при прокаливании золы также не оказали
влияния на ее величину [ 54].
118
3.4.9. Подбор состава бетона с золой
Методы подбора составов бетона с золой развивались в соответствии со
взглядс:1.ми нс:1. ее рuль в бt::'гоне. Нс:1. первом этс:1.не uрименения зuлс:1. вводилс:1.сь взс:1.11,1ен
цемента. Это приводило к небольшим ее расходам, до 15 - 20% от массы цемента
[56] и не ттозRоляло полностью реализонатr. эффеr-.-ты золr.1 R бетоне. R ттослетютт(ем
зuнс:1. 1,;тс:1.нс:1. рс:1.ссмс:1т1н1вс:1ть1,;я кс:1к незс:1висимый комнuнент бетuннuй 1,;меси. Это пuз­
волило применять се в больших количествах при одновременной замене как цемен­
та, так и песка n рационалr,пых соотношениях.
Назначение составов бетонов с золой является экспериментальным. Подбор
Т(слссооора1но Rссти J(ЛЯ Rссго J(Иапазона ттримсняемr.тх состанон осrона на оснонании основных положений по их проектированию, изложенных выше (п. 1.6).
Ilахождение состава бетона с золой включает три этапа:
• экспериментальное определение свойств бетона с золой, выявление се оптимапьных расходuв для Ut::'гонов с рс:1.зJ1ичным содержсtнием цеl\-1ента;
• построение зависимостей свойств бетона с золой от его состава;
• назначение составов бетона с золой по этим зависимостям.
11сходными служат составы бетона без золы. Желательно принять три соста­
ва: с низким, средним и высоким расходами цемента. Это позволяет определить
область эффективности применяемой золы и получить зависимости для дальнейше­
гu нюнс:1 LJения сuстс:1вuв Gетонс:t. При urрс:1.ни L Jенном дис:111с1.3оне изучс:1емь1Х состаВuв
бетона можно ограничиться и составами с дву11,rя расходами це11,1ента.
В каждый из контрольных составов бетона вводятся различные количества
золы. Для зол обычной дисперсности с повышенной водопотрсбносгью ориентиро­
вочно мuжно 11ред11олс:1гс:1ть, что ОUТИМа.ЛЬНЫЙ рс:11,;хuд ЗUJlЫ l:ОСТс:1.ВИТ: Зопт = (400 450) - т, (кг/м3), где т,- расхо,п: 1�емента R контрольном состане. Расчет лает среJ(ний
расход зо.тrь1, минимальный можно принять вдвое 11,1еньшим, а макс1п,1альньп1 - на
30% выше этого значения. При использовании высокодиспсрсных зол можно
нс:1.3нс:1•Jить их бuньшие рс:1схuды в бетоне с нuвышенным сuдержс:1нием uементс:1.
Зола вводится взаме.н песка, желательно по объе1v1у, но допустима и замена по
:массе. Таким образом, всего исполr,зуется 8 - 12 составоn бетона.
Требуемую удобоукладываемость бетонной с?У1еси в каждо:м за1v1есе обеспечи­
нают корректиронкой расхо,п:а RO/'(f>T (расхо,п: т�емента при этом не меняется!). !(.пя
подвижных смесей с золuй uсс:tдку конуса можно уменьшить нс:1 2-3 с11,1, учитывс:tЯ их
лучшие тиксотропные свойства. Образцы испытьmают в проектном, а при необхо­
дm.1ости и n прутом nозрасте. По получеппr,rм резуm,татам строят заnисимости во­
допотребносп1 смесей и прочности бетона с разными расходами цемента от количе­
ства золы, как это было представлено на рис. 3.6 и 3.11.
Даньнейшс:tя нрuцедурс:t нахuждения 1,;остс:1вс:1 бетuнс:1 1,; зuлой являет1,;я рс:1.1,;LJет­
ной и основывается на этих зависимостях. Первым шаго� является назначение оп­
тимального расхода зоm,1 для 1m,1сдого припятого расхода це:\1епта. Возмо,1а1ы дnа
подхода в зависи.мосrпи orn сооrпноzиения crnouмocrneu золы и це.м.енп�а.
Стои,�1ост1, .1олы существенно ниже, чем цемента и RОЗ�1ожно ,п:аже ниже,
чем заполнителей. В это:\1 случае оптимальными принимаются расходы зольt, обес­
печивающие максu.мальную прочность бетона. Такой по,п:хо,п: янляется распростра­
ненным, он неоднократно предлагался для назначения расхода золы [25] и других
-
-
119
МД в бетоне [ 1 О]. Расчетное определение составов бетона с золой по полученным
экснериментапьным дс:1нным производится в снедующем порядке:
1. Определяется оптимальный расход золы в зависимости от требуеrvrой
прочности бетона по представленпому ранее рис. 3.11.
2. Для нахождения расхода цемента нужно построить вспомогательную зави­
симоСТh: «расхол п:еТ\-rента - прочностf. бетона», спраRеJЩИRую при оптималf.нътх
рс:1схuдах зuJ1ы (рис. 3.17). При этом также испоJ1ьзуется рис. 3.11 и рс:1схuды цемен­
та, указанные в подписи к нему .
.,.
с
� 35
+----+-----+-�=------i
� 30
+-----+-�--t-----i
с
25 -.....�,-,-----i------1
15 4----:о<.4---------�
200
300
400
500
Цемент, tt.r/м�
Рис. 3.17. Нахождение расхода цемента в бетоне требуемой прочностп
с опntмальным количеством золы
3. Расход нол:f>т получают корректиронкой исхолноrо нодосодержания кон­
трольной бетонной смеси по данным об изменении водопотребности смеси с золой
(рис. 3.6).
4. Расход крупного заполнителя оставляют неизменным, количество песка
определяют по уравнению абсолютных объемов.
ПриА1ер. Определить состав бетона с золой при прочности 25 МПа. Плотность
золr,r Рз = 2,1 кг/л, песка Рп = 2,65 кг/л, щебня Р щ = 2,6 кг/л. Контролr,rп,rй состаn
бетона приведен в табл. 3.5.
1. По требуемой прочности тто рис. 3.11 оттрсТ(слястся оптималf.нътй расхол
золы: l 7U кг/м 3 .
2. По рис. 3.17 находят расход цемента, обеспечивающий требуемую проч­
ность uри UllTИM:iJlЬHOM расходе зоны. Он составит 290 Ю'/м 3 . Прои�вuдится uрuвер­
ка соотношения зола : цемент (170 : 290 = 0,59 < 1) на допусти}.1ость расхода золы с
позиr,ии обеспечения коррозионной стойкости арматурf>т.
3. Опреденяют рuст водuнu1ребнuсти бетонной смеси с золuй по сравнению с
исходны:м составом:+ 17 кг/:м3 (по рис. 3.6) и расход воды -207 кг/м 3 .
4. Расход щебня по сравнению с контрольным составом не меняется, расход
песка определяется по уравнению абсолютных объемов ( 1.4), в которое включается
еще один компонент - зола:
П = (1000- D - Ц/рц- З/р 3 - Щ/р щ) Рп = 177·2,65 = 470 (кг/:м 3)
Резулиать1 подбора приведены в табл. 3.5.
120
1 ВодаКомпоненты
1 Т1смснт
р езуJ1ьтаты 11одб· ора состава б· етона с зо.1ои
Песок
Щебень
Зола
Табm-1ца 3.5
u
Контрольный состав, кг/l\>г'
190
335
690
1150
Состав с золой, кг/I\г'
207
290
470
1150
170
-
Аналогично производится определение составов бетона с золой для других
уроRней прочности бетона.
Сто�июсть золы сосп,авляет суtt(ественн.ую чш:ть стоимости цемента. В
этом случае uелесообразно учесть затухающий характер роста прочности при увели­
чении сuдtржания Juлы в бeruнt. Снедуtт uтметить, '!TU на.ибоньший рuст прuqнuсти
дают первые порции вводиI\1ой золы, тогда как в близоптимальной области ее эффект
незначителен. Эrо Rил.но по характеру криRF.ТХ на рис. 3.11 и ттодrRерждается расчета­
ми, вьшолненными на его основе. Результат пр:r,mеден в табл. 3.6.
Табm-1ца 3.6
Экономия цемента и коэффициент эффективности золы
в бетоне постоянной пvочности (20 l\iIПa)
Количество золы, кг/м3
Расход цемента, кг/м3
Экономия цемента,
кг/м3
Кuэффиuиtнт эффективности золы
о
50
100
150
220
290
265
245
228
222
-
25
45
62
68
-
0,5
0.45
0.41
0,31
Э1<опомия uе:мепта при nnеде1пп1 100 кг золь� составила 45 кг, а при увеличе­
нии ее расхода со 100 до 220 кг (оптИМУJ\>I по прочности) возросла лишь на 23 кг.
Поэтоl\-IУ можно ограничиться введением, например, 100 кг золы (45% от расхода,
оmимального по прочности), получив 653/о возможной экономии цемента. Гlри этом
устраняется или ослабляется негативное влияние золы на «критические>, свойства
бетопа [21].
Оптимальный расход золы в бетоне определяется по соотношению стоимо­
стей зопы и r�емента. Точку оптимума можно устаноRИТh проRе,Г(ением касател"ной
к 1....-ривuй pu<.:тi:i прuчнuсти бетона при ввtдении Juны. Ее н::1ю1uн uпрt,ценяется t:uuт­
ношением расходов золы и цемента при равной стои:\1ости. Пример приведен на
рис. 3.18.
Стоимость золы принята 33% от стоимости цеl\>1ента. Касательная построена
на ЛRух катетах: зола - 100 r-.т и т,емент - 33 кг. R сRязи с тем, что нертикалF.ная ocF.
графика выражена в М11а, по рис. 3.11 найдено, что этот расход цемента соответстRует прочности 3 МПа. ОптималF.нF.тй расхол золы состаRил 85 кг/1.г', т.е. значительно ниже, чем был бы определен по максимуму прочности.
121
26
�
с:
� 24
е'
о
g
:1
Q.
с:
22
Ц мент
20
18
ола
о
50
100
150
200
Зола, кr/м'
Рис..i. 18. Нахождение оптимального расхода золы
в бетоне по соотношени10 стоимостей золы и цемента:
l - изменение прочности бетона при введении золы; 2 - касательная, определяющая опти­
мальный расход зо:1ы; 3 - построение касательной (пояснения в тексте)
Таким же образом находятся оптимальные расходы золы при других уровнях
нрu'iнu<.:ти. Д.:1.11ьнейший нuрядuк ра<.: t1ётuв сuставuв тuт же, •Jтu и в примере, uриве­
дснном выше.
Эта методика является универсальной, пригодной при любых соотношениях
стоимостей· зольт и T\cмcwra, а ттрслы!(у�цая �rожст рассматриRаться как се упротпс­
ние, применимое при низкой стоимости золы.
Ограничения по расхо,Г()' зольт могут быТh RRслсны нс только из экономиче­
ских соображений или необходимости обеспечить коррозионную стойкость арма­
турьт. Они Rозможны и ТQТЯ получения требуемой морозостойкости бетона, или ран­
ней прuчнu<.:ти.
В итоге расходы золы в зарубежной практике, где се стоимость достаточно
высока, оказываются существенно ниже определенных по максимуму прочности.
Так, в Германии они составляют обычно 30- 100 кг/м 3 бетона [21].
Назначение состаноR бетона с лругими добанками Rедётся теми же метола1vп1,
что и для золы. Uбщая методика, предусматривающая нахождение расхода МД из
условия максимальной прочности бетона, приведена в рекомендациях [31].
Если предполагается ограпичитr,ся пебоЛLшими pacxoдa:r.rn золы (до 100 кг/м 3
при низких и 5U - 6U кг/м-' при средних расходах цемента), которые априори дают
поRытттение прочности, метолика назначения состаRа бетона может быть уттроrпена.
В этом случае достаточно изготовление контрольных бетонов и составов с приня­
тыми расходами золы. Она может вводиться взамен песка с последующей коррск­
тирuвкuй сuстава нu прuчнuсти.
Но при ориентации на постоянное при�1енение золы в бетонах разных соста­
НОR преJ(ТТочтительна методика, оснонанная на получении обтт\ей картины Rлияния
золы на прочность бетонов разных составов (то есть зависимостей, представленных
на рис. 3.11 ). Это позRолит н J(алънейттrем «упраRляты> состаRами бетона с золой,
122
корректировать их как по техническим соображениям, так и при из�1снснии стоимо­
сти золы или цемента.
3.5. Бетон с 1\111крокремнеземом
Микрокремнезем (МК) является вторым после золы побочным продуктом
ттромъпплснноС1'и, п1ироко примснясмF>тм R технологии бетона. Rro л:руrис на.зRания:
микрut:илика, кuнденt:ирuванный кремнезем, амuрфный кремнезем, беJ1ая t:i:iЖi:i. В
отличие от золы, он содержит только один оксид: Si02 (до 98%). Второе отличие оче11L nr.1сокая дисперспостr. . Bпepnr.1e МК бr.1л nведен в бетон n Норnегии n 1971 г.
1\1икрокремнезем является высокоэффективной МД. Его применение позволя­
ет существенно повышать прочность бетона, в том числе при высоких расходах
цемента. В то же время его недостатком является большая водопотребвость. Про­
блема была решена одновременны�r при�rенением суперпластификатора. Сегодня
комплексная добаnка JvlK + суперпластификатор является обязателr.пr.1м компонен­
том высокопрочных и высококачественных бетонов.
3.5.1. Образование и хара1�теристи1�и ми1�ро1�реl\111езема
Микрокремнезем образуется при получении кремния и его сплавов (напри­
мер, ферросилиция). Восстановление кварца (Si0 2) до �rеталлического кремния
происходит при те:f\.mературах порядка 2000 nc, при этом образуется некоторое ко­
личество газообразного SiO. Улетучиваясь из реакционного пространства и охла­
ждс1я1.:ь, uн uкиt:ляетt.:я дu Si02 и кuнденt:ируется в виде сверхмелких частиqек мик­
рокре�1незема (одно из его названий - кре:мнезем, конденсированный из газовой
фазы). Именнu кuнденсс1цией uбъясняются стuль r..1алые размеры егu У.аt.:тиu. Они
имеют срс№ИЙ размер поряJ(ка О, 1 мкм, т.с. примерно R 100 раз мслF>чс, чем псмснт
и :3uла. Блii.Гuдаря стuль Guльшuй диt:перснuсти и амuрфнuму сuстоянию (быстрuе
охлаждение), MI( имеет высокую пуццолановую активность и является эффектив­
ньтм микронаттолнителем.
Содержание Si02 в микрокремнеземе обычно составляет 85 - 98%. Суще­
ствуют и отходы ферросплавных производств с его меньшим содержанием: 65 75% [З]. При нuвышении сuдержания Si02 кс1 t1ествu микрuкреl\tнезема существеннu
улучшается. Удельная поверхность MI( составляет 18000 - 25000 см 2/г против 2000
- 4000 см2/г для золы и пемепта. Потери при прокалиnапии обr.1чпо невелики, до 2%
[4], но встречаются и микрокреl\>rnезе1\-rы со значительно больши�и п.п.п. [3].
В связи со сверхвысокой дисперсностью МК его зерна находятся в сильно
фJ1uкулирuвс1ннuм сuстuянии. Пuэтul\1у его нс1сыпн<1я нлuтнuсть сuставляет TUJIЬKU
0,15 - 0,2 т/м 3 (для зол Т:)С 0,7 - 1 т/r.13 ). При этом плотность зерен составляет 2 2,2 т/м3, т.е. R ръ1хлонасF>1ттанном состоянии МК со!(ержит поряпка 90% RОЗ/'()'Ха. Это
вызывает сложности при его транспортировке. llоэтому он используется в уплот­
ненных формах (гранулированный), либо в виде суспензии, например, с 50% воды и
плuтнuстью нuрядю:1 l 350 кг/м3. Последняя фuрма предпuчтитеJ1Ьнс1, т.к. дисперга­
ция гранул, даже при длительном пере1\-rеш�mании бетонной с:\iеси, происход�п нe­
HUJ1НU. Этu уменьшает эффе1-.'"гивнu1.:ть микрuкремнеземс1.
123
3.5.2. Влияние микрокремнезема на своiiства бетонной смеси
Микрокремнезем имеет повышенную водопотребность. Для МI( 4-х отече­
ственных заводов она составш1а 40 - 61 %, i:i в 01..LНОМ слу•н1е - 137% [4]. Ввt:дение
�1К в бетонную сl\1есь приводит к существенному росту ее водопотребности. В
сре!(Нем можно считать, что каждый 1 кг МК унеличинает нояопотребность на 1 л
[58]. Поэтому его введt:ние нри сохранении по,цвижности Gt:тоннuй смеси дает не­
большой прочностной эффект, сравниl\1ый с эффектом зол, и становится необходи­
мым одпоnремеппое применение суперпластификатора.
Степень повышения водопотребности бетонной смеси при введении МК вш1яст на количсстно суттсрпластификатора, которое нужно 11:обанить лля сохранения се
подвижности постоянной. Гlри использовании пяти различных микрокремнеземов и
20% замене ими цемента расход суперпласrификато-ра составил 0,6 - 0,8% от массы
nmкущего (цемент+ l\1K) [4].
Бетонные с:меси с �1К имеют повышенную тиксотропность, что наблюдается
и при применении больптинстна .п;ругих 71:обанок. Это позноляет снижатh их ocaJl:I<y
кuнуl:а по l:равнению с контрольным Gt:тuнo�1, чтu нолuжительно отражается на
водосодержании бетонных смесей. Они отличаются также повышенной связностью
и стойкостью против расслоения, так как МК сорбирует на своей поверхности и
физически связьmает большое коm1чество воды.
В ряде случаев бетоны с МК имеют повьIШенную липкость. Проблема реша­
ется при вовлечении знач1пельного количества воздуха, до 8%, а также некоторым
увеличением подвижности смесей [64].
3.5.3. Эффе1пь1 ми1�ро1�рем11езема в бетоне
Являясь активной минеральной добавкой, МК нрuявняет в бt:тоне два основ­
ных эффекта: микронаполняющий и пуццолановый. Оба они выражаются в повы­
шении нроч .ности. В то же время рассматрение эффектов МК осложняется одно­
временным присутствием суперпластификатора, который выполняет две важные
фу'ПКТ\ии: снижение RОJ(опотребности смеси 71:0 ее Rеличины R контрольно11,r бетоне
или даже ниже ее и диспергацию зерен МК, находящихся в сильно флокулирован­
но1111 состоянии.
В связи со сnерхдисперспость10 и высокой химической актиnпост110 проч­
ностной вклад МК оказьmается большим, чем того же количества цемента. Поэтому
его обычно рассматриRают (н отличие от золы) как часп-zь вя�--жущего и вводят в
оеrпонную смесь взал-�ен цемен,па.
J1икронс111олняюи{иii эффек111 МК проявляется иначе, чем м инеральных до­
баnок 0611чпой дисперсности; так как оп вводится взамеп цеме1па, собстnе1шо
наполняющее действие - повышение концентрации микрочастиц в тесте - отсут­
стнует или точнее происхо71:ит R очень небольптой степени, R снязи с �еньптей плот­
ностью МК uo сравнt:нию с цt:ментом (Jамена. обычно нрuизводится но массе).
Основным аспектом мик-ронаполняющсго эффекта МК в бетоне считается за­
полнениt: t:го �1икроч .астицами пустот .\1ежду зернi:i.Ми цемента. Kpuмt: тuго, мель­
чайшие зерна MI{ выполняют роль центров l\.l)Истаплизации. При этом разделить
эффекты МК и одновре�1еннu вводимого сунt:рнлаl:тификатuра в Gt:тuнной смеси
124
затруднительно. Супсрпластификатор снижает водосодсржанис смеси и дсфлоку­
лирует зерна МК, благодаря че:му он и проявляет микронаполняющее действие.
Улучшение 11,1икрогранулометрии цемента при введении NП( приводит к
умt::ньшt::нию раЗмерuв пuр в Geiuнt::. Bf\.it::(,�'U �-.-рунных каниллярных нuр, в кuтuрыt::
обычно трансформируются про:меЖутки между зернами цемента, появляются более
мелкие капиллярr.1 или геленr.1е порr.1. R про1�ессе «измелr.чения» пор боm.1пую ролъ
играет и пуццuланuвая реакция МК.
Одной из составляющих эффекта микронаполнитсля является повышение
степени гидратации uемепта nследстnие сорбц1rn и химического сnяз11nапия
Са(ОН)2 . Оно возрастает с дозировкой МК и возрастом бетона, достигая 10% и бо­
лее [27].
Луццолановый эффекп, J'v/.K значительно выше, чем минеральных добавок
обычной дисперсности. Он является основной составляющей эффекта МJ( в бетоне.
Немаловаi-1а10 и то, что оп проявляется n короткие сроки, до 28 сут, тогда как для
зол основная его часть реализуется в более позднем возрасте.
Реак1�ия Са(ОН)2 с аморфным кре,1неземом начинается R раннем нозрасте,
вслед �а егu uсаждt::ниt::м на частицаХ !\.1К. К 2 - 3 дням uна приuGретает Guльшую
скорость и сохраняет ее до 28 сут [5], а по другим даннъ1м до 56 - 90 сут [58]. При
этом образуются низкоосновные гидросиликаты кальция с основностью менее 1,5.
Общая пористость бетона и цементного камня в не:м при введении МК взамен це­
мента не :меняется, так как количество хи�1ически связанной воды при пуццолано­
вой реакции не увеличивается [2 7].
Положительные изменения структуры бетона с МК при пуцuолановой реак­
ции связаны с заменой Са(011) 2 на гидросfшикатъ1 и снижением размеров пор. .'Jто
нс1.ряду с прu•1нuстным эффt::ктuм существенно снижает прuницаt::мuсть Gt::тuнa, •1тu
способствует повышению его свойств, влияющих на долговечность.
ВiiЖным нрuявнt::нием нуuцuнанuвuгu эффектс1. является унучшt::ние ка•tествс1.
контактной зоны uементного ка:\1ня с заполнителями. В обычных бетонах она сла­
гается в uснuвнuм 'iастицами Са(ОН) 2 , кристаплизующимися на пuвt::рХНU(,"ТЯХ за­
полнителей, и прилегающим к ним цементны:м камнем повышенной пористости. В
бетоне с МК происходит трансформаr,ия rи-,r(рокси71а каль1(ия R ги,r(росиликатr.1, что
существенно повьШJает сцепление цементного камня с заполнителями, также сни­
жается пористость контактной зоны [38,47].
3.5.4. Прочность бетона с мив.-рокремнеземом
К11н.етика твердения 11 набора прочности. Гlри твердении бетона основной
вклад l\11( в набор прочности происходит благодаря пуuцолановой реакции. Ilo
имеет значение и микропаполпя1ощий эффект, такие его аспекты как ускорепие
гидратации цемента.
Благо!(аря болr.rпой скорости реак1�ии R ранние сроки бетон с МК, при замене
им 1-iасти цемента, ужt:: в вuзрастt:: 1 - 2 дня нриuбретает Guльшую пpu'lliucть, чем
контрольный бетон. Активный прирост прочности продолжается, по различным
цанным, дu 28 - 90 сут [5,58]. Вuзмuжнu, uснuвным фактuрuм, .внияюшим нс1. кине­
тиъ.--у твердения бетонов с МК, является его дисперсность.
125
Прочнос11�ь в сп,андар,пно�, возрасте. При повышении расхода МК (обычно
вводимого путем замены цемента) прочность бетона увеличивается до достижения
оптим)')'!а, после чего начинает снижаться. В отечественноrv1 исследовании при од­
новременном введении сунернластификатора ш1я uGеснечения пuстuянства вuдосu­
держания оптимальный расход М:К различных заводов в бетоне составлял примерно
30%, а неличина прироста прочности изменяласf> от 32 Т(О 55% [4].
В исследовании [67] uнтиманьн<tЯ дозировка МК для высuкопроLJНых бетuнuв
(В/Ц + МК = 0,34) была порядка 15%. Такой же вывод сделан в обзоре [64].
В1,1сокий прочпостпой эффеrсr МК, или точнее комплекса МК + суперпласти­
фикатор, подтверждается данными о коэффициенте его эффективности. Согласно
ра.знf>IМ источникам, он нахо,rт.ится R прслслах от 2 л.о 5, т.с. / кг МК .за...1.• -сеня.е1п 01n 2
до 5 кг цеJwента при сохранении прочности бе,пона [41,64). Гlри этом коэффициент
эффективности увеличивается с ростом расхода цемента (имеется и некоторое ко­
личестnо протиnополоjкп1,rх результатоn [64]) и СПИ)I<ается при поnыше1ши коли11: е­
ства МК. Снижение эффекта при росте дозировки является обши:м для МД и было
рассмотрено ранее на примере золf>т (п. 3.4.9). Значение коэффит-сиента эффектинно­
сти lv[К как заменителя цеJ1,1ент<1, нuрмированнuе в EN-206 uри определении макси­
мально допустимых В/Ц, составляет 2 (для золы 0,4).
Принцип назначения расхода суперпластификаrпора в бепzонах с мR· в отече­
ственных работах с течением вреrv1ени изl\1енился. Первоначально его дозировка
определялась из условия нейтрализацirn негатimного влияния МК на водопотреб­
ность бетонных смесей. Она зависела от водопотребности tv1I{ и при его расходе
20% составляла в среднем 0,5 - 0,8% [4]. Такой же подход применялся и в ряде за­
рубежных работ [58].
В дальнейшем нерешли на дозировки сунерннастификаторов, обеспе•шваю­
щис максимальные значения прочности бетона с МК. Выяснилось, что они превы­
шают расходы, нрименявшиеся ранее и зависят главным образом от коли•1ествс1
MIC В серии экспериментов для бетонов с В/(Ц I MI{) = 0,22 - 0,26 оптимальная
дозировка супер11ластификатор<1 составила 12% от массы lvlK при его 01п·имаJIЬном
расходе 15% [5] (т.е. около 2% к массе вяжущего). Высокие дозировки суперпла­
стификатороR R бетоне с М1{ применяются и R зарубежной практиТ<е.
Большой расход суперпластификатора в бетоне с МК объясняется активной
пуццолановой реакцией, начинающейся уже при затворснии бетонной смеси водой.
Образуrощийся при этом n1,1сокодисперспь1й г�-щросиликат кальция сорбирует
наибольшее количество суперпл:астификатора. Именно он, а не продукты гидратации
т�емента, оттреТ(еляет потребностF. R суперпластификаторе бетонной смеси с МК [5].
3.5.S. Долговечность бетона с 1\tикрокремнеземом
Важнейшим фактором, влияющим на свойства, определяющие долговечность
бетона, янляется его пронипаемостf>. Rнедение R бетон МК ттринол:и т к уменf>rпению
раз.,1еров aup и снижению прuница<::мости. При содержании МК трех видов в кони­
чсствс 1 О - 30% и постоянно1111 водосодсржании газопроницаемость снижалась в 2 4 раза, а водuнрuницае.\1ость от 3- х до 1 О раЗ [27]. Ана11оги•mые данные пону•1ены и
в зарубежных исследованиях [ 5 8]. Положительное влияние MI{ на прони:цаемость
126
бетона является значительно большим , чем на прочность и иногда рассматривается
как его важнейший эффект в бетоне.
Коррозиопоая СТОЙIСОСТЬ
J(ля коррозионной стойкости бетона нарял:у с его пронит�аемостью нажна и
Х11мичесК:.-tя устuйчивuсть кuмпuнентuв цементнuгu камня к агрессивным средам.
Введение МК улучшает состав цементного камня, вследствие за�1сны большей ча­
сти Са(ОН)2 па гидросиликаты кальция. При1шипиал1,но картина изменения I<орро­
зионной стойкости соответствует рассмотренной ранее для зол.
R болыпом числе ИССЛСJ(ОRаний устаноRлено еут1{ССТRСННОС ПОRЬТТПСНИС сульфа­
тостойкости бетона с МК. При воздействии ряда других химических сред (растворов
MgCl2 , других хлористых солей, 5% растворов уксусной и серной кислоты ) бетон с
МК имел более nысоку10 коррозионпу�о стойкость, чем коптрольпый состаn [41 ].
Морозостойкость
В отношении влияния MI( на морозостойкость бетона m1тературные данные
наиболее противоречивы. Поэтому ограни[rn:мся цитированием обобщающих работ
[5,41].
Существенное влияние на морозостойкость бетона оказывае т дозировка МК.
Оптимальны11,r , не снижающи�1, а во многих случаях и повышающим морозостой­
кость считается расход МК до 10% от массы цемента. При его увеличении морозо­
стойкость бетона уменьшается. По данным одного из исследований повышение
кuли 'iества МК с 1 О дu 20% нривенu к снижению мuрu:;uстuйкuсти в 1,5 ра:;а [ 5].
По данным другого обзора [41], 11,rорозостойкость бетона с МК при небольших
егu расхuдах uстается на урuвне кuнтрuньных uетuнuв, а в uтденьных случаях и
повышается. IIo при увеm1чении количества NП(, заменяющего цемент , до 20 - 30%
uна Jначительнu снижается. Умt:ньшt:ние мuрu:;uстuйкuсти в <1асти случаев прuис­
ходило даже при низких В/Ц, порядка 0,3 - 0,4.
J(етально изучалось RОЗ}"(ухоноRлечение бетоноR с l\1K и нозлухононлекаютцей
добавкой как при одновременном введении суперпластификатора, так и без него
[41]. Установлсно, что при той же дозировке воздухововлскающсй добавю1 в бетон­
ной смеси с МК nоздухоnовлечепие с1пп1<ается, а параметры системы nоздушпъ1х
пор ухудшаются. Наблюдались также большие потери воздуха при транспортиров­
ке и укла,l"(тсе таких смесей. Отмечается отрит\ательное нmrяние суттерттлаетификато­
ра на размеры воздушных пор в бетоне с искусственно вовлеченным воздухом, что
имеет место и для бетонов без MI{ (п. 2.7).
В то )Ке npe�rя прт.1ое опрепелепие морозостойкости бетоноn при небольших
расходах МК и постоянной дозировке воздухововлекающей добавю1 показало, что
она может и улучтттаться. F.сли же унеличиRать расхол RОЗJ()'ХОRОRлекаюп�ей лобаR­
кн таким uбра:;uм, чтuбы uбеснечить нuстuяннuе вu:;духuвuвлечение и ни:;кие :;на­
чсния фактора расстояния, то в бетоне с разумными расходами МК морозостой­
кuс1ъ сушественнu нuвышается. При Jтuм отмечается, чтu требуется :;нс1.чительнuе
повышение расхода воздухововлекающей добавки по сравнению с контрольным
бетuнuм, •гruбы uбес11е <1ить дuстатuчнuе сuдержание вu:;духа в бетоне с МК [58].
127
В обзоре [41] отмечается, что противоречивость результатов различных ис­
следований морозостойкости бетона с МК :может быть вызвана влиянием таких
факторов, как его дисперсность, присутствие суперпластификатора, а также раз­
J1ичными метuдс1.мн uнредеJ1ения мuрu3uстuйкuсти.
Таким образом, как и для бетона с золой, надежным способом обеспечения
морозостойкости бетона с 1vfK яRляется искусстRенное RОЗ!()lХОRОRлечение R бетон­
ную смесь. При этuм следует uрименять увеJШ 1-!енные рс1.схuды вu3духuвuш1екс1.ю­
щсй добавки, чтобы обеспечить требуемые объем воздуха и фактор расстояния. В
ряде случаеn морозостойкость, соотnетстnу1ощая коптролr,пому бетону, обеспечи­
вается и при больших значениях фактора расстояния. Содержание :N1K во всех слу­
чаях нс ДОЛЖНО ттрсRhППать 15%.
Следует отметить, что при применении f\1.К, в отличие от золы, является зна­
чительно меньшим такой резерв повышения морозостойкости, как увеличение воз­
раста бетона к началу nоздейстnия мороза, потому что его актиnпое тnердепие пре­
кращается уже в возрасте 28 - 56 сут.
Коррозионная стойкость арматуры
Защrпное действие бетона по отношению к арматуре определяется двумя
условиями: наm1:чие:м в нем «щелочного фонда» - определенного количества
Са(ОН)2 и ограниченной глубиной карбонизации бетона, фронт которой не должен
достигать арматуры.
Достаточность щелочного резерва можно оценить по веш1чине рН в жидкой
фазе бетона. Как известно, его критическое значение, ниже которого возможна кор­
рu3ия стюш, сuстс1.вJtяет 11,8. Ряд исследuвс1.ний, 11рuведенных нс1. рс1.3ных цементах,
показал, что замена до 15о/о цемента на IVIK нс приводит к уменьшению рН до ука3аннuй вели Lfины. В тu же время 25 - 30% МК мuгут сни3ить егu и дu меньших 3на­
чений.
При t 1инuй 113.менений рН явJtяется свя3ывание микрuкремне3емuм 1·идрuксидс1.
кальция. По ряду данных, уже 25% МК могут полностью связать находящийся в
пементном камне Са(ОН)2. Поэтому расход МК порядка 15%, которhтй часто яRля­
ется оптимальным по прочносrn, одновременно гарантирует и сохранение высоких
значений рН в перовой влаге бетона, что необходимо для защиты ар:матуры от кор­
розии.
Вторым факторо:м, который может привести к коррозии арматуры, является
карбониза1{Ия бетона. Re глубина R бетоне с МК может унеличитhся из-за меньп1его
содержания Ca(UH) 2 • В то же вре:мя меньшая прон�щаемость такого бетона затруд­
няет диффузию СО 2 . Противореч1,mая роль этих двух факторов и приводит, воз­
МО)I<НО, к разпr,rм резулr,татт.1 эксперименгоn. При небольших расходах Jv1К 5 - 10%
глубина карбонизации чаще не изменяется, но иногда может несколько повышать­
ся. При ттоRытттении расхода МК она, как nраRило, унеличиRается. R то же Rpeмsr лля
бетuнuв высuкuй прuчнuсти (и пJ1uтнuсти) как с f\1К, тс1.к и бе3, кс1.рбuни3ация рас­
пространяется на небольшую глубину.
Отмечается, LfTU недuстс1.тuчный ухuд 3с1, бетuнu.м бuнее негс1.тивнu скс1.3ывается
на глубине карбонизации бетона с MI{, чем обычного це:ментного бетона.
128
Литература к разделу 3
1. Баженов Ю.�1. N1елкозерrm:стый бетон д.1Я армоцементных конструкций. М.: Госстройиз­
дат. - 1963. - 128 с.
2. Баженов Ю.1\1., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифиuированные высоr�окачественные
бетоны. М.: АСВ. - 2006.- 368 с.
3. F.атраков R r., Капрнслов С.С., Пирожникон R.R. и 71.р. Примснсm,с отхол:он фсрросттланноrо
nроизво,n;ства с nонижснньrм со,1.сржанис\f ми1'-рокрс�.mсзсма // F.стон и железобетон. - 1989. №3.-С. 24-25.
4. l>атраков н.1·., Каприелов С.С., 11ванов Ф.М., Шейнфельд А.Н. Оценка ультрадисперсных
отходов металлурn1ческих производств как добавок в бетон // Бетон и железобетон. - 1990. №12.-С.15-17.
5. Батраков В.Г. N[оди фицированные бето ны . -М.: Стройиздат. - 1998. -768 с.
6. Власов В.К. Механизм повышения прочности бетона при введении микронаполнителя //
Бетон и железобетон. - 1988. - №10. - С. 10- 12.
7. Во лженский АВ. �fннеральные вяжушне вещества.1\1.: Стройиздат.- 1986. - 464 с.
8. Во.mкенский АВ., Попов JI.И. Смешанные портландцементы повторного помола и бетоны
на их основе. М.: Госстройиз71.ат. - 1961. - 106 с.
9. Rысоr�ий С.А. Эффск-пmностF> примснсm,я в бетонах лисnсрсных ,п;обанок различного
вида// Бетоны с дисперсныi\01 минеральными добавками. Сб. l[И11)КБ. М.: 1992. - С. 4-38.
10. Нысоцкий С.А., J:ipyccep J'vl.И., Смирнов Н.11., Цари:к ,.:\.М. Uпmмизация состава бетона с
дисперсными лп-1неральными добавками II Бетон и железобетон. - 1 990 - Jfo 2. - С.:. 7-9.
11. Нысоцкий С.А., Смирнов H.ll. Эконо).ШЯ портландце�ента при изготовлении бетонов с
добавками золы ТЭС // Бетон и железобетон - ]9�7. - № 1. -С. 17-19.
12. l'иржель А.М., Брагинский U.l'., Романов 13.И. Тяжелый бетон с добавкой золы-уноса//
Бетон и железобетон. - 1987. - № 1. -С. 39-40.
13. 1'ольденберr Jl.Б., Uганесянц C.Jl. llрименение зол ТЭС для улучшения свойств мелкозер­
нистых бетонов// l>етон и железобетон. -19�7. - J'fol.-С. 15 -17.
14. ,Uворкин Jl.И., Шам6ан И.1. llроектирование состава тяжелого бетона с использованием
золы Бурштынской ГР:JС // Бетон и железобетон. - J 990. - № 5.-С. 40 -42.
15. Иванов Ф.NI., Степанова П.Ф., Хо.1ошин Е.П. Проблемы обеспечения долговечности бето­
на и железобетона поm1женной энерrо- и материалоемкости. J:iетон и железобетон.- 19�Н. - №
9.-С. 29-31.
16. Захаров С.А., Калаqик Б.С. Высокоактивный метакаолин - совре менный wmеральный
модификатор цементных систе� li Строительные материалы.-2007. - № 5. - С. 56-57.
17. Зоткин А.Г. �1икронаполняющий эффект минеральных добавок в бетоне// Бетон и желе'JО­
бетон. - 1994. - N.> 3. - С. 7-9.
18. Зотюrn АГ. Сравнение различных способов назначения расхода золы в бетоне// Бетон и
железобетон. 1990. - № 11. - С. 34-35.
19. Зоткин А.Г. Rmтяm-1c расхо71.а r�смснта на эффсктинностъ мimcpaлr.нF>rx 71.обанок R бетоне//
J;стон и железобетон. 2006. - № 3. - С. 16 - 19.
20. Зоткин А.Г. Графическая интерпретация методов назначения расхода золы в бетоне//
.Бетон и железобетон. - 1992. - № 6. -С. 21 -23.
21. :;откин Al . Назначение расхода золы в бетоне// Технологии бетонов - 2UlU - № З - 4. С. 19-21.
22. Зоткин А .Г. Коэффициент ы эффективности минеральных добавок в бетоне: интерпрета­
ции и определение// Бетон и железобетон. -2005. - N!!5. -С. 12-14.
23. Зоткин А.Г. Эффекты .\tинералъных добавок в бетоне// Тех нологии бетонов - 2007. - N!!4.
-С. 10-12.
24. Зоrкин А.Г. Критершt эффекп-t.вНО(,"ТИ золы в бетоне// Технолопu1 бетонов. - 2010. - N� 7 - 8. -С.
38 - 39.
129
25. Зоткин А.Г., Балтаков Р.Ф. Назначение составов бетона с золой// Бетон и железобетон. 1988. - N!! 1. -С. 31-33.
26. Калашников B.ll. Промышлешrость нетрудных строительных материалов и будушее бе­
тонов// Строительные материалы. - 2008. - № 3. -С. 20 -22.
27. КаприслоR С.С., 1ПсйнфслF.л: A.R., Кривоборо�о-в Ю.Р. Rлиянис структуры Т(смснтного
камня с �обаRками микрокрсмнс.1с\,fа и суnсрпластификатора на свойстRа бетона // Бетон и
железобетон. - 1992. - №7. -С. 4 -7.
2К Кокубу f\1., Ямада ,Ц. Цементы с добавкой золы. Шестой международный конгресс по химии
цемента. Том 111. М.: С-rройиздат, 1976.-С. 83 -94.
29. Красный JI.M. О механиз ме повышения прочности бетона при введении :\1m<ронаполните­
ля // Бетон и железобетон. 1987. - № 5. - С. 10 - l 1.
30. Ли Ф. Химия цемента и бетона. М.: Госстройиздат.- 196 l . -645 с.
31. Рекомендации по подбо ру составов тяжелых. и мелкозернистых бетонов. - М.: Ц1'1ТП. 1990. -68 с.
32. Сергеев А.�1. Использова ние в ст роительстве отходов энергетической промышленности.
Киев: «Будивельник». - 1984. -118 с.
33. СизоR R.TT. Об актИRаТ(ИИ r(смснта с наполнителями при ра1�с1п,ной тсхнолоr1пт ттриrотоR­
лени я бетона// Бетон и железобетон. - 1986.- № 12. - С. 26 - 27.
34. Смит А.Э. Современный подход к применению золы - уноса в бетоне. Технология товарной
бетонной смеси. -Nl.: Lтройиздат. - 19�1. -С. 18-24.
35. Стольников В.В., Кинд В.В. Опыт исс:1едования и применения з олы уноса в п1дротехническом
бетоне и для сборных конструкций. Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вьm. 67.
Л.: Энергия. -1971.-С. 153 -161.
36. Тимашев В.В., Колбасов В.М. Свойства цементов с карбона1Ны:мидобавками // Цемент. -1981.
-№10.-С. 10-12.
37. Backes Н., Sclmeider Е. Verl1alten flugascl1el1aftiger 1vlortel bei111 A11griff kalkloseпder KoЪJensaure.
TIZ h1temational. - 1988. - NoJ. - S. 42 -45.
3К He11ts D., Uarboczi Е. Si1nulatio11 studies of tl1e etJects ot' mineral ad111ix.tures on tl1e seg111eпt
paste-aggregate iпtertacial zопе // ACl Materials Jot1n1al, 1991. - No 5. - рр. 518-529.
39. Bijeп J., van Selst R. Ce111ent eguivalense faktors fог fly ash // Се111епt a11d Co11crete Reseaгcl1,
1993. - № 5. - рр. lU29-l039.
40. Cannoн R. Propo1"tio11i1Jg F/y Ash Сонс.-еt е �1ixes fo.- Stre11gtl1 анd Есоноrну // ACI Jour·nal,
Pr·oceediлgs, v . 65, 1968. - № 11. -р. 969-979.
41. Condensed Silica Fume in Con(..тete. Thornas Telforu, London -FIP, 1988.-37 р.
42. Dinkgem G. Nochmals Frost - Tausalz - Wiederъ'tmd von Zementstein mit шiterscruedlichen
Beimengungen von Flugaschen. ВFГ.-1984. - 11. - S. 786-788.
43. Dhir R. Buars Е. PFA Concrete Cbloride Diffusion Rates. Nlagazine of Concrete Research. 1993. 162. S . 1
-9.
44. Dhir R.K., Jones R.M., Munday J.G.L., Hubbard F.H. Physic a l characterization of UК pulver­
izcd -fucl ashcs for usc in concrctc. tifag azinc of Concrctc Rcscarch Vol.37, 1985. - № 131.- рр.7587.
45. Dl1ir R., Но Н., Munday U. Pulversed f:<'uel Asl1 i11 Stгuctural precast Concrete !! Coпcrete. 1985. -N 6. -рр. 32-35.
46. Ghosl1 R.S., Ti111usk J. Greep of"fly asl1 сонс!'еtе // ACI Jouл1al, ]981. - № 5. -рр. 351-357.
47. Goldman А. Bentur А. Bond Effects in High -Strength Silica -Fume Concretes . ACI �1aferials
Joumal,V. 86. - N!! 5. - Р. 440 -447.
48. Haerdt l R. Moeg lichkeiten neuer Betone mit hoher Flugaschegehalten - Nachweis ihrer Eig­
nung . 15 Aachener Baustofftag . Nowember, 1995, Aachen.
49. Helmuth R.A. Water -reducing properties of fly ash in cement pastes, mortars and concretes: causes and
test methods. Fly ash, silica fume, slag and natural puzzolans in concrete. �1adrid, 1986. -рр. 723-740.
50. Но D. W.S., Levis RK Effectiveness of fly ash for strength and duraЬility of concrete // Cement and Con­
crete Resea.rch, 1985. № 5. -рр. 793 -800.
130
5 l . Kem Е. EinsatzgeЬiete :fur Flugasche aus der Sicht der Bauausfuhrung. VGB-Bautagung 1988. S. 67- 76.
52. Кrell J. Wischers G. Einfluss der Feinstь1offe irn Beton a uf Konsistenz Fe::.iigkeit und Dauerhaftigkeit
Beton. - 1988. - № 9. - S. 356-359.
53. Langley W., Carette G., Malhotro V.tv1. Structural Concrete Incorporating Hign Volumes of
ASTl\,1 Class F Fly Ash. АСТ l\.1afcrials Journal,V. 86, № 5, 1989, рр. 508-514.
54. Т .,cwandowski R. Finfl11c;s 11ntcrschicdlichcr Fl11gaschcqualitatcn und - 7.нqahcmcngcn auf dic Retonci­
genschaften. Teil 2 //IЗetonwetk I Fertigtei]-Technik, 1983. No 2.-s. 105-108.
55. Mehta Р. Staпdait Specifi.kations for Mi11e1-al Ad111i,xtнres-an Uveiview. t·ty ash, silica fi.m1e, slag апd
11a.tuл1l puzzola.11s il1 co11crete. Madrid - 19�6.-рр. 637-651.
56. Muнday J., Онq L., Dl1ir R. l\,fix Propo1·tio11i11q of Co11crete witЬ Pfa: а cr-itical l'ewie\V. Ar11e1"ica11
Совсгеtе lнstitute PuЫicatioн. SP-79, July 1983, рр. 267-288.
57. Richtlinien fur die Erteilung von Zulassungen fur anorqanische Betonzusazstoffe. Mitteiluge n
DIВt,№_'4, 1993. -S. 122-131.
58. Silica Fume inConcrete. ACI �fafe rials Journal,V. 84, № 2, 1987, рр. 158-166.
59. Sirivivatnanon V., Сао Н.Т., Neison Р. Mechanieal and DumЬility Properties of High Volume
Fly Ash Concrete. DuraЬility ofConcrete. Third Intern. Conference. SP-145. Nice. Fmnce. - 1994. рр. 967-984.
60. Schiessl Р., Ilardtl R. Steinkohlenflнgasche im IЗeton // IЗeton.- 1993. - 11.11.-S. 576-580 tmd
Н.12. -S. 644-64�.
61. Scl1iessl Р. \\'irkuпg vоп Stei11kol1le11t1ugasc he11 in Heto11// Heto11.-1990. - Н.12.-S. 519-523.
62. S111olczyk H.-G., Roн1berg Н. De1· Ei.нfluss de1· Nachbel1a11dlш1g uнd dег Lageruнg auf die Na­
che1-lle1·tuнg uнd Po1·eвfe1ieiluнg vo11 Beto11. ToнiвdustI"ie Zeitung. - 1976. - № 11. S. 381-389.
63. Schoп К Fгost-Tausalz-Widerstaвd vo11 Zerнeнtsteiн 111it u11terscliiedlicl1e11 Bei111e11gu11geн vон
Flugascl1e11. BFT. -1983. - № 1 -S. 16 -22.
64. Sclн-age I. Hocl1feste1· Beto11.-DAFS.- Berliн.-1994.
65. Wesche К Fly c:tSh in concrete-Propertie s нnd performance. London:Chaпnan & Нall, 1991.
66. Wisehers G., Riehartz W. Einflu� der Bestandteile und der Granuiometrie des Zements auf das
Gefuqe des Zernentsteins !! Beton.- 1982. - Н.10. - S. 379-386.
67. Yogendran V., Langan В., Hague .tvl., \Vard М. Silica Fume in Нigh-StrengthConcrete. ACI Mafe­
rials Journal,V. 86. - 1987. №5.- рр. 124 - 129.
68. ГОСТ 25818-91. Золы-уноса тепловых электростанций для бетонов. Техю1чеекие ус.1овия.
69. ГОСТ 2421 l - 2008. Добавки ддя бетонов и строительных растворов. Общие технические
услоRия.
131
4. БЕТОН С ВОЗДУХОВОВЛЕКАЮЩИ�IИДОБАВКАМИ
Рост пористости бетона приводит к снижению его свойств. Но если микро­
поры цем
. ентного ка:мня ухудшают все свойства бетона, то воздушные поры обла­
да1от упю<:альной особенпостыо: пони)I<ая большипстnо сnойстn бетона, они спо�
сооны существенно увеличивать его :морозостоикость.
Воздушные поры подразделяются на сстсствснныс, присутствующие во всех
бетонах, и искусственнь1е, uбразованные нри нuмощи воздухuвuвлекающих доба­
вок. Положительное влияние на I\1орозостойкость бетона оказывают оба вида воз­
,rсутпных пор, но радикапF.ное ПОRF.тrпение морозостойкости бетона происходит при
исF--усственном воздухововлечении. Некоторое уменьшение прочности, возможное
при этом, может быть устранено небольшими добавками цемента. В ряде случаев
прuчнuсть бетuна мuжет и не снижаться, если увеличение вuздухuсuдержания со­
провождается достаточным пластифицирующим эффектом и соответственным
уменьшением nодосодер)I<ания бетонной смеси.
Искусственно вовлеченный воздух, кроме того, улучшает удобообрабатыва­
смость бетонных смесей, снижает их расслоение. Поэто:\1у искусственное возду­
ховлечение применяется сегодня и для нuвышения качества бетонной смеси и бе­
тона.
Эффе1сr искусстnенпого nоздухоnовлечения был обнару)кен D США D 30-х г.
прошлого столетия: когда было установлено, что дорожные бетоны на одних це­
ментах значительно более морозостойки, чем на других. При микроскопическом
анаm-1зе в этих бетонах бьmо выявлено повышенное количество �елких воздушных
пор. Была устапоnлена и причина их образоnапия - некоторые интенсифmсаторы
по11,1ола цемента, обладающие воздухововлскающими свойствами. В 1939 г. в США
был выпущен цемент, уже L:11ецисU1ьно сuдерж.:tщий вuздуховuвлекающую дuбавку
винсол (абистат натрия), в дальнейшем такие добавю-1 стали вводиться нспосрсд­
стnеппо n бетон.
После войны воздухововлекающие добавки появились и в Европе. В нашей
стране ттерной такой лобаRкой бF.тла смола нейтрализонанная ноздухононлекаюп,ая
(СНН). Гlриl\,1енение воздухововлекающих добавок считается одним из важнейших
достижений в развитии технологии бетона в Х.,"'{ веке, позволивШИJ\,I существенно
новы<.:ить морuзuстойкuсть и долгuвечнuсть бетонi:i.
4.1. Воздушная фаза в бетонной смеси
Бетuнная смеL:ь наряду с основными сuстаw1яющими содержит воздух, ко­
торьп1 «загружается>> в бетономешалку в пустотах между зерна1111и твердых компо­
пептоn. Его начальное содер)1са1ше состаnляет 40 - 60%. В процессе смесеобразо­
вания часть воздуха вытесняется более мелкими зернами и водой, но часть остает­
ся в бетонной CI\Iccи.
В жестких с.iнесях заще-'1.нение воздуха нрuисхuдит при их унпотнении.
После перемешивания они имеют рыхлое строение, а воздух представлен взаи:мо­
<.:вязанныl\-111 канапi:iми. При у11.11uтнении смесь uceдi:ieт, вuздушные кансU1ы сужают­
ся, а их стенки в узких 11,rсстах смыкаются, защемляя воздух в расширениях. Жид­
кая фi:iза становится непрерывной, а смесь достиг.:tет снитнuгu стрuения.
132
При недостаточном уплотнении, когда слитного строения бетонной смеси нс
дости1с1ется, возцушные канш1ы остаются в отформованной смеси, обраЗуя каверны
(полости), обычно выходящие на поверхность. Они возможны и в подвижных смесях
при пеполпом запоm1ении пространства опалубки иmf проме)I<уrкоn м
: е)кцу стер)IаIЯ­
ми арматуры. Эти дефекты структуры бетона, являющиеся следствием нарушений
технологии формомниsr, следует отличать от естестненнF>rх ноздупrнF>rх пор, обра.зо­
ванных JаЩемненным ВU'Jдухом и остаЮщихся 11ри каqественном у1u1U'гнении бетон­
ной смеси. Присутствие каверн (полостей) в бетоне недопустимо.
В подвижных с.11-1есях, приобретающих слитное строение уже при пере:\1е­
шивании, воздух представлен изолированными пузырьками. 11х образование (за­
П\смлснис ноздуха) ттроисхо,1""(ИТ R пустотах опрснслсннhrх размсроR МСЖJ\У тнсрJ{Ы­
ми кuмнонентами смеси. Они характерны 1·лавным обраЗuм для зерен песка и мо­
гут расс:r.,1атриваться как «ловушки» для воздуха. В процессе смесеобразования
узкие части пустот могут перекрываться водой или цемеrпн11м тесто�1, а воздух n
их широких частях оказывается заUJ(;)�-t.ленным, т.е. находится в изолированном
состоянии (рис. 4.1 ).
а
1
Рис. 4.1. Схема защемления воздуха при приготовле1[ПИ бетонной смеси:
l - зерна песка; 2 - вода; 3 - воздух; а и б - последовательные
стадии увлажнения бетонной смеси
В то же вpel\lIЯ другие пустоты между тверды:r.,1и частицами заполняются це­
ментньп.1 тестом, т.е. ттро11есс зап\емлениsr нозлуха носит нероятностнF>rй характер.
При перемешивании нрои<.:ходит также дополнитеньнuе вовлечение воздуха
в разрывы сплошности бетонной с:r.,1еси. Он «захлопывается», дробится, крупные
пузыри всплr.rnа1от, а мелкие - остшотся n смеси. Силr.1 поnерхпостпого патюкения
в водных оболочках пузырьков придают им сферическую форму.
Объем зап1емленного ROЗJ(y'Xa R бетонной смеси нозрастает при уRеличении
отношения несuк : uемент. Практически этu происходит uри ро<.:те доли неска в
смеси или снижении наибольшей крупности заполнителей. Ilаиболее велико со­
дер)I<ЗIП•Iе воздуха D мелкозернистых бетонах.
Воздух, присутствующий в перемешанной бетонной смеси, частично удаля­
ется при вибрации. Скорость всплывания воздушного пузырька из вибрирусмой
смеси пропорциональна квадрату его радиуса и обратно пропорциональна вязкости
смеси (закон Стокса). Если принять, что пузырек диа:r.,1етром 5 мм поднимается в
смеси за вре.\1Я вибрации на 25 см, то при диа1v1етре 3 1viм - на 9 см, а нри диаметре
133
1 мм - лишь на 1 см. Эти данные очень условно можно отнести к малоподвижной
смеси.
В более подвижных бетонных смесях скорость всплывания пузырьков уве­
J1ичивс�ется, в тu же время сuкрс�щ<1ется вре.\1Я их вибрации, в свя3и с u11<1снuс1ъю
расслоения таких смесей. Кроме того, с ростом толщины слоя уплотняемой смеси
нероятност�:. того, что ноз,пуптные пузътр;,ки J(остигнут ттонерхности бетонной сме­
си, уменьш<1ются. В итuге нри уплuтнении всннывс�ют в оснuвнuм пу3ырьки вu3ду­
ха размерами более 1 - 2 мм. Но воз:можности их удаления зависят от толщины
слоя с:меси, степени ее раз>IПDI<епия и длительности nибраuии.
4.2. Воздушные поры в бетоне
При твердении бетона включения воздуха, остающиеся при уплотнении,
трансформируются в воздушные поры. Они Иl\rеют, как правило, сфери ческую
форму и явля1отся n сотни и да>I<е тысячи раз более круп1п,1:ми, чем капиллярньrе
поры , соответственно U,05 - 2 1\11\,I и U,O I - I U мкм. <.:тенки воздушных пор пред­
станляют собой т,ементнътй гелъ, ттронизаннъrй каттилляраh-rи, н;,тхо!(яп�ими на тто­
верх.нuсть ВU3душных нuр.
В отличие от микропор це:ментного камня, активно поглощающих влагу из
о�-.--ружающей среды, воздушные поры не заполняются водой даже при длumе'lьном
контакте беп�она с ней. Вода, содержащаяся в капиллярных порах, удерживается в
них капиллярrп.1ми силами, большими, чем сил1r тюкести и тем бол1ши1\m, чем
меньше их размер. Она не :может «вылиться» в более крупные воздушные поры.
ПuJT0!\-1Y они, хuтя и сuuбщс�ются с атмuсферой •н�ре3 сиt:тему к<111ю1лярных нuр в
бетоне, назьmаются условно зал1.кнуп1ы.л,1u.
Пuвышение Guньшинства техни '-!есю1х свuйств Geтuнci дuстигс�етt:я прежде
нссrо снижением его пористости. Исключение - .моро.зостойкость, для которой
реutающее значен,uе u.1,,teem н,е объе,и пор, а их характер. Дня ее обесне'Iения в вu­
донасыщенном бетоне должны оставаться «резервные» воздушные пространства,
котор;,те могли 6;,1, сжимаяс;,, R!\fетт,ат;, пзб;,тток RoJ(;,1, нозникаюп(ий ттри ее замер­
зании.
Кроме воздуха, оставшегося при уплотнении бетонной смеси , его включения
ариt:утствую1' в к<111инлярных нuра.х вснедствие кuнтр<1кции. Онс� прuисхuдит при
твердении бетона, когда уменьшение объема взаимодействующих цемента и воды
приводит I< nозпикпоnепи10 na1(}'Y�1-a n капиллярп11х порах. Оп «гасится» путем
подсоса извне той среды , в которой бетон твердеет, т.е. обычно - воздуха. Тот уро­
вень морозостойкости, который и1111сют обычные бетоны, достигается в том числе
бнс�гuд<1ря кuнтр.tкциuннuму вu3духу.
В то же вре1'1Я, если при эксплуатации бетонная конструкция или ее внешние
слои нысыхают, каттилляр;,т заполняются ROЗ1l)'XO!\f и эффект контракт,ии исчезает.
Но при последующем увлажнении бетона, например, осенью, или при водонасы­
щснии образцов бетона при стандартном опрсдслсmп1 морозостойкости в капилля­
рс�х, �с�нuнняе!\-rых вuдuй, прuисхuдит защемление большего uбъема во�дух<1, '!ем
контракционный. При этом степень заполнения капиллярных пор водой :уменьша­
етt:я нu ср<1внению с исхuднuй [32]. Пuэтu.му пuдсушка. бетuнс� и1·рс�ет пuлuжитель134
ную роль в повышении его морозостойкости. К сожалению, этот процесс трудно
регулируется.
В итоге воздушные поры являются единственным «управляе�1ым» видом ре­
зервной пористости бетона. Этu в некоторой степени осуществимо для естествен­
ных воздуum:ых пор, разумеется, не степенью уплотнения при формовании, а по­
н�:,ттпением лоm1 песка н смеси или снижением НК заполнителей. Но более эффек­
тивным является применение воздухововJ1екающих добавок, •�то ноJВОJIЯет нолу­
чать любое содсржаm1с искусственно вовлеченного воздуха, причем при его высо­
ком качестве (малLJХ размерах nоздушпых пор).
4.3. Влияние воздушных пор на свойства бетона
Основны:\1 дефе1(rо:м структуры бетона являются, как известно, капиллярные
поры. Они ухудшают все свойства бетона. Гелевые поры значительно менее вред­
пь1, опи пе nлия1от па морозостой1<ость и проницаемость, а та101се, по пекоторь�м
данным, в :меньшей степени снижают прочность бетона. Гlоэтому влияние воздуш­
ньтх пор ниже рассматринается R сраннении с капиллярными порами.
Влияние воздушных нор на про•1ность зависит от состава бетона. Снижение
прочности на 1 % воздушных пор составляет для бетона из подвижных и жестких
смесей соответственно 6% и 7%, для бетона из сверхжесТI<их смесей - 8 - 10%
[ 11].
Вообще из дnух nоз:мо>1<11ых: способов nь1ра>ке1шя пористости: отпесепия их к
объему бетона или цементного камня в нем, применяется последний. :Jто понятно
с физиqеских позиций (все поры находятся в uе�1ентном камне) и uодтверждается
тем, что свойства бетона наиболее тесно коррелированы с В/Ц, которое является
эквивалентuм нористости uементного камня в бt�тоне.
11сключснис состаRляют нозлуп1нh1е поры, которые принято отноеитъ к объ­
ему бетона. Но располагаются они также в uементно!\-1 камне и ослабляют именно
его.
При том же объеме нозлупrных пор R бе'Т'оне их солержание R т�ементном
камне оказьmается тем большим, чем меньше его объем. Напри�1ер, при 2% воз­
душных: пор в бетоне их содержание в цементном камне при его объеме 350 л/м 3
составит 6,7%, а нри объеме 250 н/м3 уже 8%. Естественно, •�то надение нроqности
бетона во втором случае будет больши�1. :Jто, по-видимому, и объясняет отмечен111.1е nL1шe различпL1е прочпостпь1е эффектLI nоздушпых пор n бетоне. Если рассчи­
тать снижение прочности бетона разных составов на 1 % воздушных пор в цемент­
но�� камне, оно составит пра1сrичсски постоянную величину - около 2% [11].
ПредставJrnет интерес сравнить влияние на прочность бетона воздушных и
каmп1лярных: пор. Рост объема капиллярных пор происходит при увеличении В/Ц,
тоrл:а как объем rелен�:,1х: пор при этом меняется .rтипп, R неболыттой степени.
Влияние капиллярной пористости uементного камня на прочность при рас­
чете по общепринятым формулам составляет для бетонов обычных составов (В/Ц
= 0,4 - 0,7) 3 - 4% на 1 % нор. Ре3уньтат, нолу•1енный дня во3душных пор: снижение
прочности на 2% показьmает, что они, по-видимо�, 11,1енее опасны для прочности,
чt::м капш1лярные норы.
135
Это же следует из расчетного определения прочности бетона по величине
Ц/В, когда одновременно учитывается влияние воздуха. В этом случае 1..1/В в фор­
муле прочности (1 .2) заменяется на величину Ц/(В I Возд), где Возд. - объем воз­
духа в уплuтненнuй смеси (или воздушных нор), л/м3 бе-гона.. Hu при твердении
часть водь� связывается химически, а на образование микропор в бетоне среднего
состаRа и,п:ет 70 - 75% Rо,n:ьт затRорения (причем часть их - rелеRьте). }fными сло­
ва.ми, нри данном нuдходе 11рини.\1а.еТ{;Я, •tто 1\1ИЬ.1)онuры цементного ка1\1ня вызы­
вают примерно на 30% большее снижение прочности бетона, чем тот же объем
nоздушных пор. Этот фактор яnляется существепп1,rм для бетона с ис1<усстnеrп10
вовлеченным воздухом, так как для обеспечения его прочности при росте содер­
жания Rоз.п:уптных пор требуется мсныттес сократпснис объема 111rикропор.
Бетон с искусственно вовлеченным воздухом отличается повышенным объе­
мо:\1 цементного камня (увеличивающимся за счет воздухововлечения), а также
тем, что nоздушпые nopr,r n нем более �еmсие, чем n 06111-пrо:м бетоне. По этим
причинам снижение его прочности составляет примерно 5% на 1 % воздушных пор
[14], а тто ,п:руrим ,л:анным Т(аже 4%, т.е. несколько 11,rенытте, чем ,1vтя бетонон с за­
щемленным воздухом.
Влияние воздушных пор на прочность при растяжении и 1\.Iодуль упругости
бетона оказывается l'vieньшиif, чем на прочность при сжатии [25]. В итоге именно
она является «критическиl\.1» свойством бетона при увеличении содержания воз­
душных пор в нем.
Проницаемость бетона с ростом содержания воздушных пор повышается. В
частности, рост газопрониuаемости может увеличить глубину карбонизаuии бето­
на. В то же время численные значения этого эффекта достаточно невелики. Так,
увеличение содержания во:3душных нор, обра3uванных искуt:{;твенно вовле•1енным
воздухом, на 4o/u привело к росту глубины карбонизации на 2 мм [1]. Для естс­
{;ТВенных воздушных нор, учитывая их бuльшие ра:3меры и менее равномерное
распределение, можно ожидать в отдельных l\lrecтax большего увеличения глубины
карбонизации бетона. В тu же время 1.:ледует отметить, что нрактика нрименения
искусственного вовлечения воздуха в бетон такова, что одновременно приходится
несколF>ко снижать R/Т�. R этих услониях ттронипаемость бетона уже уменыпается.
Основным эффектом искусственных воздушных пор в бетоне является суше­
ствсннос повышение l\,IОрозостойкости.
4.4. Защитное действие воздушных пор
Механизм защитного действия воздушных пор при действии 1\.1ороза достаточ­
нu снеuифичен. ЕсJш для улучшения большинства свойств бетuна увеJшчи.вают егu
плотность, то для повышеюIЯ морозостойкости идут на увеличение пористости. При
этом rланным фактором яRЛяется из.менени.е харакпzера пор: лобанляются услонно
замкнутые воздушные поры, не заполняе"t.1ые водой при водонасыщении бетона.
4.4.1. 1"lеха11нзм защитного действия
Деструкция бетона нри 31:1.моражив1:1.нии может вызьIВатьt:я как давление.�,�. 06разую�l!егося льда (с увеличением объема на 9o/u), так и гидравлическ�иw давлением,
136
возю-1кающим в капиллярах при отжатии избытка воды, образующегося в зоне
замораживания. Гlоследнее считается основной причиной разрушения бетона :мо­
розом. Гидравлическое давление увеличивается с ростом расстояния 1\1ежду фрон­
тuм замерзания и ближайшей резервнuй нuрuй и мuжет нревысить прu•muсть сте­
нок капиллярных пор.
Зап,итное )'"(ейсТRие нозлуптньтх пор (которые практически нсегла заполнены
вuздухuм) uбъясняеrгся вuзмuжнuстью uггеснения в них избытка вuды, uuраЗуемu­
го при замораживании. Но это происходит, сели такая пора находится вблизи от
зоны за�ерзапия. Капиллярп11е пор11 оказыnаrот бол1шое сопротиnлепие переме­
щению воды, так как она <<фиксируется» в них капиллярными силами. Поэтому
«отлалснныс>> рсзсрRньтс пространстRа нс могут быть использоRаны и произойл:ст
образование микротрещин в стенках капиллярных пор.
В итоге воздушная пора защищает от разрушения морозом лишь тонкую
оболочку uе:мептпого камня nокруг себя, D пределах которой перемещепия nоды пе
вызывают больших напряжений. Чем меньше раз�1еры воздушных пор, тем больше
их ул:ельная поRерхность и .за�чищаемый объР..А,t r,ементноrо каh-rня. Расчет, иллю­
стрирующий ситуацию, выпuJ1нен дня з<1щищеннuй uuuJ1uqки цементнuгu Ка-"1НЯ
толщиной 0,25 I\fМ (табл. 4.1).
Табm1ца 4 .1.
Объем цементного камня, защищаемый 1 л воздушных
ооо раз111.1х размеоов
Удельная поверхность
Объем защищенного
Ра змер нuр, мм
3
Г{еh-rентноrо Т<амня, л
пор, ,1м2;мм
1
6
1,5
12
3
0,5
20
5
0,3
15
0,1
60
Защитное действие крупных воздушных пор мало (их можно рассматривать
как безnредпL1е) и m1ш1, при размерах пор менее 0,5 - 0,3 мм опо сущестnеrпrо nоз­
растает. Таким образо:м, речь не идет о емкости резервных пор. Даже для объема
заh-rерзаютцей ROЛf>T 100 л/м3 (что соотRетСТRует очень Rысокой Т<аm-1ллярной пори­
стости бетона порядка l 0%), количество оттесняемой воды составит только 9 л.
Для его размещения достаточно l % воздушных пор. Решающим является их «до­
ступнuсть»: вблизи uт любuй тu'-!Ки замерзания дuлжна нахuдиться вuздушная но­
ра. Это достигается уменьшением размеров и увеличею-1е,1 количества пор. Так,
умен1шение размера D 10 раз даст 1000-кратное уnеmrчепие числа nоздушr11IХ пор,
которые просто «вынуждены» более равномерно распределиться в цементном
камне.
Возnращаяс1 к механизмам разрушения бетона морозом, :rv1o)raro отметит1,
что гидравлическое давление считается основной причиной разрушения бетона
:морозом в частности пото,1у, что только при его помощи :rv1ожно объяснить защит­
ное действие воздушных пор.
137
4.4.2. Эффеh."ТЫ естественных и искусственных воздушных пор
Есп1ес111венные воздуи1ные 11оры содержатся в бетонах из подвижных и ма­
J1uпuдвижных смесей uбычнu в кuличестве l - 2 % и имеют преимущественные
раз:\1еры 0,05 - 2 fl,IM. ПоэтоI\tу их защитное действие невелико. Но в ряде случаев
их содержание заметно нозрастает, унеличиRае'Т'ся и объем 1vrелких ноздуптных пор,
чтu нривuдит к Jа..\1етнuму рuсту мuрuJuстuйкuсти бетuна..
Наиболее извсстньrй пример - мсЛI<озсрнистыс бетоны. С,адсржанис воз,пушных
пор состаnляет G 1шх 3 - 6 % и более. При то:\1 )Ке В/Ц плотпоСТL и nрочпосn, мелкозер­
нистого бетона оказываются ниже, но морозостойкосrь - заметно вьШiе, чем у обычного
бетона [ 19]. Слс,гсуст СУГМСТИТh, что поRьттттснию морозостойкости способсrRуст и менее
дефектная поверхность сцепления цементного камня с заполнигелеУI в :мелкозервистоI\1
бетоне, с увеличением крупности заполнителя степень ее дефектности возрастает.
В бетоне с круппым заполнителем содер)I<апие nоздушпь1х пор МО)l<ет быть
повышено увеличением доли песка в смеси (защемление воздуха при это:м возрас­
тает). R опьттах O.R. Кунт�енича [13] ее рост с 0,33 (неличина, оптималf>ная по
арuчнuсти) дu 0,5 привел, нри пuстuяннuм В/Ц, к нuвышению мuрuJостuйкuсти
бетона со 107 - 120 до 400 циклов.
1\1орозостойкость бетона повышается при уменьшении подвижности смеси
[4] и особенно при переходе к жестким смесям. В бетонах из них существенно
снижается объем цементного камня при одновременно1-[ росте содержания воз­
душных пор, соответственно уменьшается толщина прослоек цементного камня
между ними. Разумеется, это справедливо при качественном уплотнении жестких
смесей. При их недоуплотнении в бетоне остаются воздушные включения непра­
вш1ьнuй формы и вuJдушные нuнuсти, выхuдящие на. нuверхность, кuтuрые мuгут
заполняться водой и существенно снижать морозостойкость.
ИсhуссR�венные возду,иные поры, uuлуч::tемые нри auJ1v1uщи вuз,цуховuвле­
кающих добавок, являются значительно более мелкими. Они имеют преимуще­
ственные ра.Jмеры 0,01 - 0,3 мм и мuгут сuJд::tва.ться в любых коsшчества.х нутем
варьирования дозировки добавки. Оптимальным считается их содержание 4 - 6%
[1,7], rтозноляюп1ее раликалъно rтонысить морозостойкость бетона. F.сли !(ЛЯ обыч­
ных бетонов она редко превышает 200 - 300 циклов, то при искусственно1v1 возду­
хововлечснии досп1гаст 1000 - ?ООО циклов [7,14].
4.5. Искусственное воздухововлечение в бетонную смесь
В противоположность защемленному воздуху, содержание которого в бетоне
стремятся свести к минимуму, при искусственном вuздуховuвле•1ении <.,-т::tвится
противоположная задача - создать в бетонной смеси определенный объем воздуш­
ной фазf>т, rтре,гсстаRленной мелкими Rозлуп1нf>тми пузырьками, сохраняюп1имисsr
при обработке бетонной смеси.
4.5.1. Воздухововлека1ощие добав1�и и механизм воз11уховов.11ече11ия
Воздухововлекающие добавки - нuверхнuстно-а.ктивны� вt:щества (а. 2.1.1),
существенно снижающие поверхностное натяжение воды. В отличие от супсрпласти-
138
фикаторов, молекулы воздухововлскающих добавок имеют ассимстричнос строение.
Их основная часть - углеводородный радикал - является гидрофобной и поэтому
выталкивается из воды в воздух. В то же вре:мя гидроф1-шьная часть обладает срод1.:твом к полярным молекулам вuды, 110Jтому 01.:тает1.:я в ней. В итоге .\1олекулы возду­
хововлекающей добавки концентрируются на границе раздела «вода - воздух», а I\110лет,.у7ль1 RОЛ:Ы Rытесняются из нее, что и снижает поRерхностное натяжение.
Введение этих добавок в бетонную смесь нриводит к образовс:LНию большого
количества мелких воздушных пузырьков, трансформируюшихся при твердении в
nоздушпые порь1. Дозировка воздухововлека1оших добаnо1< составляет обычно
0,005-0, l % от массы цемента. Как правило, они тем более эффективны, чем значи­
тслF.нсй умсныпают поRсрхностнос натяжение ROJ(Ы. Но более на,Г(сжно оценить
воздухововлекающuе добавки A-WJlcн,o по их эффекп�аJ11 в бепzон.н.ой с.меси и беrпон.е.
Можно выделить два критерия для оценки воздухововлекаюших добавок:
объем nоздуха в смеси с добавкой и размеры воздушных пузырь1<ов (которые
МОjК­
но определить, только измеряя воздушные поры в затвердевшем бетоне). ГОСТ
[34] ттрелусматриRает оттреТ(еление объе:-.1а Rозлуха R бетонной смеси стандартного
1.:0<.:та.ва, нu указывает объем дuнолнитеньного вuздуховuвлечения в ве<.:ьма широ­
ких пределах: от 2 до 6%.
Размеры воздушных пор в зависимости от вида воздухововлекающей добав­
ки 11,1огут существенно отличаться. По данны:м Т. Пауэрса, при сравнении пяти
различных добавок удельная поверхность воздушных пор в бетонах менялась от
468 до 846 сl-.?/см3 , а средний размер воздушных пор от 71 до 128 мкм [26]. Поэто­
му оuенка эффективности воздухововлекающих добавок по параметрам системы
воздушных пор в бетоне, несмотря на трудоемкость, заслуживает серьезного вни­
мания.
В этом плане представляет интерес :\1стодика оценки добавок, предлагаемая
О. Бнюмелем и Р. Шпрингеншмидтом [21]. Oнii нроизвuдится нu двум нuка.зате­
лям: объему вовлеченного воздуха и фактору расстояния. При содержании воздуха
в бетонной смеси 3,5-4% фактор ра<.:<.:тuяния должен <.:u<.:та.внять менее 0,25 мм, а.
при 4-4,5% воздуха- :менее0,2 мм.
Rопрос соRместимости RозлухоRонлекаютт�их л:обанок с Т\ементами, R отличие
от суперпластификаторов, обсуждается мало. В то же время в работе [ЗU] наблю­
далось значительное влияние вида цемента на прочностной эффект добавок. Испы­
тыnались 4 добавки в сочетании с разmfчпы�1и портлаппцемептами при постояп­
но11,1 содержании воздуха в бетонных смесях 5,5-6%. Прочностной эффект каждой
из л:обаRок R бетоне на разных �е1vJентах был различным. Колебания прочности ллsr
трех примененных цементов в зависимости от вида добавки составили (в % от
прочности контрольного состава) 77-105%; 72-89% и 52-77%.
Mexauuut воздуховов.п,ечеиия. Воздухоnоnлека1ощие добаnки адсорбируrот­
ся на поверхности раздела «вода - воздух», которая образуется при смешивании
комrтонентоR бетонной смеси R результате затцемления R ней болыттого коm-rчестRа
воздуха. При :Jто.м ча1.:ть добавки остается растворенной в вuде. Hu этu только
начальная стадия их действия. При дальнейшем перемешивании бетонной с:-.1сси
арuисхuдит еще несконько эффекiов, вызыва.е.\1ЬLХ дuбавкuй:
• воздушные пузыри в бетонной смеси без добавки являются достаточно
крупными и ттоэто1vrу часть их RсттлыRает из ттеремептинаемой смеси. Кроме того,
139
сталкиваясь, они могут дополнительно укрупняться (сливаться). В большинстве
случаев добавки являются моногенными, диссоциирующими в воде на ионы. Ад­
сорбция заряженных ионов на поверхности пузыръков воздуха придае111 им элек­
троста,пический заряд, бнагодаря 1ему они взаимно огга,1кивюuтся и сохраняют
свои раз:\1еры;
• более того, снижая поверхностное натяжение воды, добавка облегчает де­
1
ление пузырьков при перемешнваю1и бетонной смеси на более 1v1елкие. Это проис­
ходит как с воздухом, защемленным при образовании бетонной смеси, так и с воз­
тсухом, поттмаюп'(Им R paзpi:.rni:.r сттлоптности ттсрсмсrпиRасмой смеси и захлатт�:.mас­
мым в них (собственно воздухововлечение). Сум11арнаЯ поверхность 11у3ырьков
увеmfЧивается, и на ней сорбируется часть добавки, еще остававшаяся в воде.
Таким образо:\1, широко исполr.зуемLIЙ термин «nоздухоnовлечепие>> пе пол­
ностью отражает существо происходящих процессов. Гlри перемешивании с:\1еси
как защемленный, так и дополнительно вовлеченный воздух в присутствии возду­
хововнекающей добавки «перерабатывается» в бонее мелкие пузырьки. Они
накапливаются в сl\1еси, так как уже не всплывают при перемешивании. Большая
их частL сохраняется как при трапспортироnапии, так и при уплотнении бетоппой
смеси. Поверхностное натяжение воды обеспечивает воздушным пузырькам сфе­
рическую форму. При тнерl(ен�m бетона они трансфорt.,rируются R Rозлуrпн�:.те nopi:.r
также сферической форt.1ы с соответствующими ра3мерами: 0,01 - 1 t,,lt,,I нри мак­
симуме около 0,1 l\IM.
4.5.2. Факторы, влияющие на воздухововлечение
Объем RОЗТ()'Ха R бетонной с11,,rсси с RозлухоRоRлскаюrпсй лобаRкой заRисит
от многих факторов. Он увелиqивается при большей ее дозировке. Но на него вли­
яют и две группы факторов, не связанные с расходом добавки: начальный объем
защемленного в бетонной смеси воздуха и его количество, дополнительно вовле­
ченное при ее ттере11,,rеппrRании.
Объем ИL:кусственно вовлеченного воздуха в большой t-�'епени онределяется
тем, сколько его защеwипось в процессе с,wесеобразования. Поэтому зависит от фак­
торов, определmощих пaчaлLIILIЙ объем защеl.ше1п1ого nоздуха в бетонной смеси.
Это в первую очередь характеристиI<И песка (зерновой состав и пустот­
ность), а также его содержание в бетонной с:\1сси. Наибольшее защемление воздуха
нроисходит в пустотах веска фракций 0,15 - 0,6 мм [7]. Близкий результат полу•шл
и Б. Сингх [28], проводивший опыты на полифракционных песках и наблюдавший
паиболLший эффе1сr для фракций 0,3 - 1,2 1v1м. В то )I<e время фракции размером
менее 0,2 мм снижали содержание воздуха. 11грает роль и пустотность песка. Для
мелкозернистобетонной смеси состана 1 : 4 ее УRеличение с 40 ,10 50% ттринело к
росту объема защемленного воздуха с 7,5 до 11,5% [9].
Если попытаться выдеm-1ть основной фактор, определяющий объем защем­
ленного нозлуха R смесях слитного строения, то это булет соотноmение 1.fеж,1у
объемом пустот в песке и объемами це11,1ента и воды, которые могут заполнять эти
ттустотh1. Чем менr,rпе R смеси этих <<Заттолняютт,и,о> материалон, че11,,r более нероят­
но защемление воздуха в пустотах зерен песка. В связи с этим вряд ли правильно
наз�:.тRат�:. зап,емленнr,тй ноз!(ух случайнь1м. Rго присуrстние R опре!(еленной степе-
140
ни закономерно, так как «устраняет» недостатки гранулометрии цс:мснтно­
несчаной сuставляющей бетонной смеси. Рсtспонагаясь в пустотах между зернами
песка, воздух <<замещает» его недостающие зерна, либо частицы цемента , которые
могm1 61,1 заполнить эти пустот11. Сnязь пустот n песI<е и заще�шенпого nоздуха n
бетонной смеси подтверждается и те:м, что размеры воздушных пор �1еньшаются
при снижении крупности песка, сле!(онател�:.,но, размерон пустот R нем [9].
Определяющей характеристикой считается отношение П: П. Оно возрас­
тает при снижении расхода цемента в бетоне, увеличении доли песка, уменьшении
наибольшей крупности заполнителей. В частности, повышение доли песка в бе­
тонной смеси на О, l вызьmает рост содержания воздуха при:rvrерно на 1 %. Сниже­
ние НК заполнителей с 50 !(О 1 О 111rм принсло к у-Rсличснию объема Rоздуха R бе­
тонной смеси с 5 дu 7,5% [7]. В то же время увени•1ение содержания зсtполняюших
пустоты в песке дисперсных часnщ: цемента , пыли заполнителей и минеральных
добавок СПИ)I<ает объем
: nоздуха в бетонной смеси.
Вторая группа факторов связана с дополнurпельным воздухововлечением, про­
исхоля�т�м ттри перемептпнании смеси. Оно унеличиRается nри ттоRьтптении ТТОТ(RИЖ­
НU(,'ТИ смеr.;и, днительности и/или интенr.;ивноr.;ти ее неремешиван.ия [23]. Эти факго­
ры взаимодействуют с дозировкой воздухововлекающей добавки (рис. 4.2).
16
,ft 14
J
12
10
8
б
4
4
2
о
о
100
200
300
400
Рис. 4.2. Вл11янпе длительности перемешивания, дозировки добавЮI 11 водоце�1евтного
отношения на объем воздуха в бетонной смеси. Расход добавки: 3,4 - 0,1 %; 1) - 0,2 °/о.
Rодо1(ементное отноrпение: 1,3- 0,45; 2,4- 0,43
С росто1\-r дозировки добавки и В/Ц (подвижности смеси) эффект длительно­
сти переl\<1ешивания сушеr.;твенно увени•:1ивается. В то же время снедует отметить,
что в исследовании [23] применялась и повьпnенная дозировка добавки (0,2%). В
работе [7] угnер)кдается, что уnеличепие nремепи пере�1ешивапия бетоrп1ой смеси
с воздухововлекающей добавкой лишь незначительно повышает содержание воз­
л:уха (тто-нил:имому, это ПОТ(ТRержпают и линии 3,4 на рис. 4.2). Тем не менее, л:ан­
ные рис. 4.2 хuрошо ИJUJюt.:трируют ситуации, которые могут возникать на нрсtкти­
кс. Это и передозировка добавки, и колебания В/Ц (подвижности), что может су­
щественно менять содержание воздуха в аеремешанной бетонной r.;меt:и .
141
При длительном псрс:мсшивании небольшой интенсивности (4-11 об/мин),
нроисходящем в автобетоносмеситенях, соцержi:iНие во3духа после Hi:iЧi:iJlЬHOl'O
роста примерно в течение 20 мин начинало уменьшаться [7].
Данпь1е о влиянии □одвю1а1ости бетопной смеси па воздухововлечепие при­
ведены в [7]. Гlри ее увеличении с 2 до 16 см объем воздуха в перемешанной с:\1еси
Rозрос с 3,2 до 5%. Но и уJ(аление этого Rоздуха при уплотнении бетонной смеси
нроисходит с боньшей скоростью. В итоге посне 15 с вибрс:tции этих смесей он
оказался практически постоянным, примерно 3%.
Заметное влияние на содержание воздуха может оказьmать и температура
смеси. Для высокоподвижных смесей ее рост с 1 О до 30 ° С уменьшал содержание
Rоздуха примерно на 1 %. Ллsr менее ПОJ(RИЖНF>тх смесей эффект тс�mсратурF>т иcчc3i:iJl [7]. В то же время но дс:tнным [2,14], количество во3,цухс:t при новышении те.,1пературы бетонной с:меси может Уf"Iеньшиться до 1,5 раза.
Воздух, содер)кащийся в перемешанной бетонной с�rеси, при даль□ейших
операциях с ней :\1ожет только уменьшаться. Так, вооможны его потери при транс­
портироRании и/или хранении смеси. Ланньте по этому нопросу раз.пичнF>т. Ог11,,rеча­
етt:я, что 3Нс:tчитеньные нотери во3можны «в высокоподвижной бетонной смеси с
плохими параметрами пузырьков воздуха при достаточно длительной ее транспор­
тировке» [20]. В немецкой работе [2 l] потери искусственно вовлеченного воздуха
применительно к технологии дорожного бетона оuениваются величиной около 1 %.
При уплотпепии бетонной смеси, в зависm-1ости от ее подви1кности и време­
ни вибрации, содержание воздуха может значительно уменьшаться. I1меются дан­
ные как о небольшой, так и о высокой скорости удаления искусственно вовлечен­
ного воздуха из уплотняемых смесей. Согласно [7], малая скорость удаления воз­
духа пабл1одалас1 да:ш:е для высо1<оподви>кпь1х смесей (рис. 4.3).
5
"#­
i1(
4
сВ
3
�
1
2
-
2
1
о
о
100
50
150
Время аибрацни, с
Рис. 4.3. )'мен1.шен11е содержания воздуха при виброуп.1отнен11и бетонной смеси.
Подвижность смеси: 1 - 5 см; 2 - 15 см
В orn,1тax [31] скорост1 удаления воздуха та1оке бьша небоm,шой: в подв1пк­
ной смеси при времени виброуплотнения 2 мин содержание воздуха снизилось с
7% ДО 4,5%.
В то же вреl\IЯ, согласно данным [24], в Cl\tecяx с начальным содержанием
Rоздуха 6,8-8% после 20 с Rибрат(ип ero осталосF> 4, 1-2,3%, а после 50 с - 2,9-
142
1,2%. Другие результаты, свидетельствующие о высокой скорости потерь искус­
ственно вовлеченного воздуха при вибрации бетонной с:меси, приведены ниже.
Противоречивь1е данные различных исследований могут объясняться разной
аодвижностью исслеJ.tуемых бетонных смесей и интенсивностью их вибрации,
различной высотой слоя уплотняе:мой смеси. Nlожет влиять и качество воздухово­
нлекаютт\ей ,r�:обанкп, R заRпсимостп от которого меняется крупность rтузьтрькоR
воJдуха и скорость их вснJ1ывания. Приводятся и данные о том, что ври уплотне­
нии смеси на виброплощадкс теряется меньше воздуха, чем при использовании
глубиппого вибратора [23]. Но II)')ICHO отметитr., что определение произnодилось па
лабораторных образцах.
R 1,слом же rтрИRСТ(СННЫС ланньтс СRИ,Л:СТСЛЬСТRуют R OCHORHOM О !(Остаточной
устойчивости пузырьков искусственно вовлеченного воздуха в вибрируе:мых по­
движных смесях, по крайней мере, при обычно при:меняемой на практике неболь­
шой длительности уплотнения таких смесей. В сnязи с опаспостr.10 расслоения
высокоподвижных бетонных crv1eceй вperviя их вибрации может сокращаться до
нескольких секунд.
Как уже отмеча.11ось выше, во всех случаях (11)анспортирование, уплотнение)
из бетонной смеси удаляются в первую очередь более крупные пузырьки. .'Jто мо­
жет и не отразиться отрицательно на морозостойкости бетона. Так, для бетонной
смеси с начальным воздухосодержанием 6,5% при времени: вибрации б, 12, 20 и 30
с оно последовательно снижалось до 4,6; 2,7; 2,4 и l,9% (использовались образцы­
цилиндры 15 х 30 crv1). Ilo фактор расстояния воздушных пор в бетоне оставался
почти постоянным (0,224 - 0,264 мм), и морозостойкость не изменилась: 1360 1340 циклов. В друтой серии опытов при начальном содержании воздуха 8,2% и
его уменьшении до 2,9% она дюке в0Jроснс1. с 1540 до 1830 циклов. Но нри Ha.'iaJJЬ­
нol\.1 объеме вовлеченного воздуха 3,4% и конечном его содержании l ,3o/u она уже
снизш1а.сь с 1050 до 700 циклов. МороJостойкость оценивш1ась по 25% нотере мас­
сы [24]. Следует отметить, что потери воздуха при вибрации бетонной смеси в
этих опытах были дос1с1точно высокими.
Близкие результаты приводятся в [ 1 ], где содержание воздуха после дли­
тельной Rибрат,ии снизилось с 9,8% !(О 1,4%, а ,r�:инамический 1'-rолулъ упругости
бетона после НОО циклов замораживания-оттаивания не изменился.
В работе [5] определялась :морозостойкость бетона с комплексной добавкой
С-3 + СИВ после разной длительности nь1дер>к1-mания смеси (до 120 мип). При
этом происходили значительные потери воздуха - от 7,2 - 12% до 3,4 - 4,8%. Мо­
розостойкость, оп.ениRаемая по прочности при сжатии, ;\1енялась незначительно, но
прочность при растяжении бетонов при снижении воздухосодержания уменьша­
лась на 50о/о и более. Вообще большая чувствительность прочности при растяже­
нии к различнr.1м дестру�<т1-m1II.1м процессам n бетоне яnляется хорошо изnестпой.
К сожалению, рассмотреннь1:\1 вьпnе эффектом сохранения фактора расстоя­
ния и нысокой морозостойкости бетона при значительных потерях искусстнепно
вовлеч.енного воздуха. на нрактике воспоJ1Ыов.rться оч�нь сложно. Оаред�нив со­
держание воздуха в уплотненной смеси перед се укладкой, нельзя установить раз­
меры оставшихся нузырьков и оценить их эффективность. Кром� того, низкое со­
держание воздуха не будет соответствовать требованияrv1 нормативных докумен­
тов.
143
4.5.3. ВJ1иян11е воздухововJ1ечения на свойства бетонной смеси
Искусственное вuздухuвuвлечение заметно улучшает свойства бетuннuй
смеси благодаря нескольки11,1 эффектам. Увеличивается объем це�1ентного теста,
что ттонъппает у,Т"(обоуклаJ(ътнаемостъ бетоннътх смесей. Особенно заметен этот эф­
фект в тuщих составах, имеющих дефицит тестuuбраЗующих частиц (цемент и
:мелкие фракции песка). Дисперсные пузырьки вовлеченного воздуха в определен­
пой степени компепсиру�от их недостаток. Они )I<e облегчаrот nзаимпьrе перемеще­
ния твердых част1щ в бетонной смеси (эффект «шарикоподшипника>>), что также
ттонътптает се ттоднижностъ. Пластифит(ируюп1ий эффеТ<Т 1 % иекусстненно нонле­
ченного воздуха приравнивается эффекту 3 л воды.
Повышаются тиксотропные свойства (п. 1.2.1) бетонной смеси. Ecmif удобо­
укладыnаемость оцеrшnается по осадке конуса, опа :мо>кет быть у:мепr.шепа при
сохранении удобообрабаrпывае,иостпи смеси, причеrv1 в тем большей степени, чем
нъппе сопержание нозJ(уха (табл. 4.2).
Таблица4.2
Рекомендации по подвижности бетонной смеси с искусственно
вовлеченным воздухом [171
ОК смеси без
ОК смеси с добавкой, см, при возлvхосодержании, %
4-6
2-4
добавки,см
1-3
2-4
4-6
10 - 12
6-�
12 - 14
1-2
3-5
6-8
11:скусстnеппо nоnлечеппый nоздух спи>кает nодоотделепие и расслоение бе­
тонных смесей, причем наиболее существенно - для тощих составов. Этот эффект
приобретает бол"пrое значение и !(ЛЯ нысокоттолнижнътх и литътх бетонных c-rvreceй е
супернластификатuрuм.
Заметное положительное влияние вовлеченного воздуха на свойства бетон­
пьrх смесей приводит к то1-,,rу, что n ряде случаеn nоздухоnоnлекаrошие добаnки при­
меняют именно для повышения их качества. В США их вводят почти в 70% выпус­
каем"тх бетонон [7].
4.6. Критер11и эффективности воздушных пор
Эффективность воздушных пор для защиты бетона от разрушения морозом
:может быть оценена уже при испытании бетонной смеси и еще более надежно на
затвердевшем бетоне. К достоинствам этих метQдов относится легкость определе­
ния объема нозлуха
R
уплотненной бетонной смеси и относительная бъ1строта
определения параметров воздушных пор в затвер,;::1,евшем бетоне.
144
4.6.1. Объе1и воздуха в бетонной смеси
Объем вовлеченного воздуха является простейшим критерием морозостой­
кuсти Gетuна. При егu испuJ1Ьзuвании учитывается, явняется вuздух в Gетuннuй
смеси естественны11,1, или воздушная фаза сформировалась в присутствии воздухо­
RОRлекаюп1ей лобанки. R послеJ(нем случае, при унеренности R качестне добаRки,
мuжнu с вьк:uкuй степенью верuятнuсти преднuлс1.л:1ть MaJJыe размеры воздушных
пор и их высокую эффективность.
Вообще объем nоздуха или nоздушпь1х пор было бы корректней оmосить пе
к объему бетона, как это делается, а к oбъel\liy це11,1ентного камня, который они за­
тцитцают. 1.fногда это учитьтнают косRснным образом, норl\п-труя болf>тпсс содержа­
ние воздуха для бетонов с меньшей крупностью заполнителей, т.е. с большим объ­
емом цементного камня. Пример для бетона гидротехнических сооружений со­
гласно ГОСТ 26633 приnедеп n табл. 4.3.
Таблит\а 4.3
Об·ъем вовJ1еченно1·0 воздvха
. в зависимости от кр�111ности за110J1ните.11и
НК заполнителя,
мм
10
70
40
80
Объе:м вовлеченного воздуха,
% при В/Ц > 0,5
5-7
4-6
3-5
2-4
Следует отметить достоинства рассматривае1v1ого критерия: определение
произnодится просто и быстро y)ICe па бетонной смеси, что позnоляет оператиnпо
корректировать технологию. В отечественных стандартах, а также в EN-206 нор­
мируется именно объем вовлеченного воздуха.
В то же время недостатком этого критерия является невозможность оценить
раз:\1еры воздушных пузырьков. Хотя в присутствии воздухововлекающей добавки
01nI достаточно малы, те:м пе менее могут колебаться n заnисимосги от ряда фа1сто­
ров: вида добавки, В/Ц и подвижности смеси, времени вибрации и т.д. [5,26]. По­
этому более на7(ежнъ1 критер1пt, учитываюп1ие размерьт Rоздутпнf>тх пор. Qm,y могут
быть определены только на затвердевшем бетоне. Важнейшим из них является
фактор расстояния.
4.6.2. Фактор расстояния
Ларtl.lиетры возду,иных пор определяются на шлифах бетона под микроско­
по11,1 (методика рассмотрена далее, в п. 4.9). Находят применение разm1чныс крите­
рии, у•1итывающие кuличествu 11 размеры пор. Самый нрut.:тuй из них: сuдержание
воздушных микропор (до 0,3 мм) [22]. Он :учитьmает действительно «работающие»
поры, но не дифференцирует их эффект при колебании раз!\-1еров в широко1v1 интер­
вале 0,01 - 0,3 мм.
145
Этого недостатка лишен <<фактор расстояния>> Т. Пауэрса, получивший
наибольшее распространение. Для его расчета используется идеализированная
система воздушных пор. Объем и количество пор в ней те же, что и в реальной
CИt;Tt:Mt:, HU они нринимаЮТt;Я одинаковыми по р�мt:ру и раt:ПОЛОЖt:ННЫМИ На рав­
НОl\,[ расстоянии друг от друга. В этой модели каждая пора находится в центре куба
из nel\.reнтнoro камня. Расстояние от наиболее у!(аленной точки (угол куба) до порьr
и яш1яt:тся фактором расстояния (мм):
ФР= ЗО 1, 4а
где:
�.к.
Vв.п.
113
+J
-]
объем цементного камня в бетоне,%;
Vв.,1. - объt:м воJдушных пор в бt:тонt:, % ;
�
?
а -удельная поверхность воздушных пор, см-/с1r'.
Упрощенно фактор расстояния можно представить как усредненное рассто­
яние :ме)1<.ду noздyШIILIMИ порами n цементном r<ампе. Следует отметитL, что оп
характеризует параметры системы воздушных пор именно в цементном камне,
который эти поры и зап,rл1,ают. 13 этоl\.r заключается еп,е олно преимутnестно фак­
тора расстояния по сравнению с объемом воздуха, которьп1 соотносится с объемом
бетонной смеси.
Фактор расстояния, как и «защищенный объем» цементного камня ( исполь­
зоnаrнILIЙ для расчетов n табл. 4.1), рассчитL1nаrотся по nеличине уделLпой поnерх­
ности воздушных пор. Можно утверждать, что эффеь.�ивность воздушных пор
будет тем болLше, чем DLiшe их удельная поnерхпостr,, следоnатеm.по мепLше
толщина слоя цементного кal\.rnя при его равно:\1ерно:м распределении по этой по­
nерхпости.
У дельную поверхность используют и как самостоятельную характеристику
но.з!(у,пньrх пор. F,e определеmfе н бетонах 38 промыmленных объектон показало,
что в бетоне с воздухововлекающими добавками она составила 243 - 630 с� 2/см3 ,
тогда как в бетоне без добавок - 42 - 436 см 2/с:м3 [24]. Эти данные еще раз показы­
вают, что <окt:сткоЙ>> границы мt:жду этими двумя видами воздуха нt:т, а Jiiщем­
ленный воздух вряд ли правильно называть «случайным».
Следует отметить, что упельная ттонерхностh янляется качестненной харак­
теристикой воJдушных нор, так как нt: учитываt:т их содержания. В этuм ru1aнt: она
проигрывает фактору расстояния.
ИсполLзоnапие фактора расстояния no мпогих страпах облегчается тем, что
в них ограничиваются понятиями морозостойкий бетон или морозосолестойкий
бетон (без разделения на марки). Считается, что !(ЛЯ получения таких бетонон
фак,пор расстоя1tuя 1te должен превы�иапzь U,2 - 0.25 .м.�1.
Определение параметров воздушных пор достаточно трудоемко. В то же
nремя опо пе требует 28 суток тnердепия бетона и длитеm.ного испытания для по�
,следующего определения морозостоикости, а может оыть
проведено через несколько дней после фор:моnапия бетона [8]. Cal\-10 определение n <<ручном» ре)r<име
��к.
-
146
длится примерно 3 ч (имеются и автоматизированные комплексы). Эгот метод
ТаКЖt: MUЖHU раССМаI]JИВаТЬ K<iK ДUCT<iTU'iHU U11t:ративный (uн paCCMU1]Jt:H в 11. 4.9).
l{ачественная оuенка присутствия искусственно вовлеченного воздуха может
бr.1тr. произведена j'jI<e па бетонной смеси (лопа1отся многие мелкие воздушные
пузырьки при заглаживании поверхности смеси мастерком). В затвердевшем бе­
тоне н это1vr случае на сколах бетона наблюJ(ается болf>тпое количестно мелких ноз­
душных пuр, види.мых с пuмuщью луны (мuжнu сравнить с вu�душнuй пuристu­
стью на сколах обычного бетона) [21].
4.7. Морозостой1rост1" бетона
с исн:усстnеппо nоnлечеп111.1м nоз,Г(ухом
l'Iскусственное воздухововлечение является наиболее эффективным спосо­
бом повышения морозостойкости бетона. Если спи)кепие В/Ц n 0611чпо примепяе­
мом диапазоне с U,7 до U,4 может увеличить ее с нескольких десятков до примерно
3 00 циклов, то при искусственном воздухововлсчснии 11,1орозостойкость может
дuстиг<1ть 1 ООО - 2000 цию1uв (рис. 4.4).
-•
�
•
t;
IS
2000
1800
1600
j
1400
1200
8о
1000
1
600
I
800
/
I
400
200
о
/
/
/
о
2
4
б
8о3дух,"
Рис. 4.4. Влияние искусственно вовлеченного воздуха на морозостойкость
бетона [7) . .Количество циклов за,1ораживания-отrаивания соответствует снижению
динамического мuдудя у11ру1-uсти uетuна на 50%
Искусственное воздухововлечение позволяет в значительной степени
нейтрализовать негативное влияние на морозостойкость бетона ряда факторов,
действ)'Iощих n обычп11х бетопах, в частности, вида (портла1щцемепт с миперал1-
ной добавкой или шлакопортландцемент) и минералогического состава цемента
(содержание алюмината). Так, бетон на шлакопортландцементе с искусственно
вовлеченным воздухом может иметь высокую морозостойкость [1,22].
Бетон на Rf.тсокоалюминатном т(сментс (С 3 А = 11%) при ннс,�снии комплекс­
ной добавки с.:'НВ+с.:'ДБ имел морозостойкость 400 циклов, такую же, как и на
среднеалюl\'niнатных цементах [12]. В ряде стран 1'-Iинералогический состав цемен-
147
рого пузырьки могуг увеличивать свои размеры, возрастает и воздушные поры
становятся более крупными.
:)ффеь.-т В/Ц менее выражен при стандартной схеме испытания бетона ( за­
мuрс1.живс1.ние нс1. вu3духе и uтrс1.ивс1.ние в вuде) и вu3рс1.стает, если в вuде нрuисхuдит
как оттаивание, так и замораживание бетона. Возможной причиной этого является
ОRОJ(нение сам�:.тх 1\fе.пкпх Rозл.уттmътх пор R ттоRерхностном слое бетона. R обычнf>тх
условиях Ki:i11ИJIJ1Яpныe пuры при U'lTi:iИB<iHИИ бетuн<1 UTCc:tCЫBaIOT вuду из вuздуш­
ных пор, но при длительном контакте бетона с водой капилляры поверхностного
слоя �1огуг поглощатL ее изnпе. ВоздушпLте поры мипи�(алLНLIХ раз�ероn при этом
постепенно заполняются водой, что прекращает их защитное действие. Скорость
ОRОJ(НСНИЯ RОЗJ(утПНf>ТХ пор нозрастаст с унсличснисм R/T1 [ 13].
Зависимость морозостойкости бетона с искусственно вовлеченным воздухом
от В/Ц учитывают и нормативные документы. Так, EN-206 и ГОСТ 31384 [35] для
бетона с умерептп,IМ nодонасLтщением предусмагриnа1от В/Ц < 0,55. При более
неблагоприятных условиях эксплуатации (сильное водонасыщение и/или при.\1е­
нение антиоблеленителей) станоRится обязателf.Нf>JМ искусстRенное нозлухоRоме­
чение (> 4%), i:i В/Ц нuрмируется нс:t урuвне 0,55 - 0,45. Однuвременнuе нuр.\1ирu­
вание содержания воздуха и В/Ц для ряда бетонов предусмотрено и ГОСТ 26633.
4.7.2. Обеспечение морозостойкости бетона
l(ак уже отмечалось, решающим в обеспечении морозостойкости бетона яв­
ляется не объем вовлеченного воздуха, а расстояние между воздушны� порами
(фактор расстояния). Его значения, принятые в разных странах для морозостойкого
и мupu3ucuлecтui'tкu1·u бетuнс:t, сuста.вля.ют < 0,2 - 0,25 l\<lM. Они .\1.UГYl' быть иснuль­
зованы и в отечественной практике, несмотря на наличие марок бетона по �орозо­
стuйкuсти и их широкий дианс:t3uн. Кuнечнu, вряд ли мuжнu нрuuисать значения
фактора расстояния для каждой из семи марок по морозостойкости (в диапазоне
200 - 1 ООО). Hu нр и uuенке вu3мuжнuстей нрименения этuгu uс:tра.метра в нс1.шей
,....
,....
стране, по-видимому, следует ооратить внимание на ооеспечен.н.ос111ъ
А4Орозос,пои""' он.а.
коспzu оеrп.
Морозостойкость, как и другие свойства бетона, является случайной величи­
ной (в статистичсско11,1 смысле) [15], причем характеризуется коэффициентом ва­
риации до ЗОо/n, зпачительпо боЛLШИМ, чем прочность. РезулLтат опредепепия lv(O�
,....
розостоикости в конкретном испытании оетона :можно рассматривать как ее среднее значение. R ттроизRОJ(СТRеннътх услониях часть конструкт(ий иm-J их участкоR,
изготовленных из бетона, подвергнутого испытанию, вследствие его неоднородно­
сти может иметь меньшую морозостойкость. :)то тем более произойдет для всей
партии бетона (другие замесLI, колебания сnойстn материалоn и т. д.). А учитL1nая,
что морозостойкость определяется 1 раз в 6 месяцев, :можно представить колеба­
ния морозостойкости Rcero изrотоRленного за это Rpe1vrя бетона OJ(Нoro класса или
мс:tрки.
Обеспеченность морозостойкосп1 ( отношение количества положительных
ре3уль1с:1тuв uри Mc:tCCUBЫX ИСПЫТс:tНИЯХ К их uGщему КUJIИ'!еству) HUЭTU.\1)' является
достаточно низкой. Для обычных бетонов она может составлять примерно 50% и
149
даже меньше, особенно при применении с:\1сссй повышенной подвижности. Это
подтверждено экспериментально [4].
Воздухововлекающие добавки, существенно повышая средний уровень 1\110рuзuстойкости, зна'fитеJ1ьнu увели t 1ивают и ее uбеспе'fенность. Поэтому нри изго­
товлении бетона с воздухововлекающей добавкой целесообразно ориентироваться
на содержание Rоз,rотха более 4 % и фактор расстояния ( если он бупет определять­
ся) меньше 0,25 - 0,2 мм. Этu нuзвuлит нонучать требуе.\1ые марки пu морuзuстuй­
косги с высоким уровнем обеспеченности.
Следует тaror<e отметить, что получение бетона требуемой морозостойIСости
должно основываться не только (а, возможно, и не столько) на периодическом ее
лабораторном определении, а на обеспечении осноRньтх ттарамстроR состаRа произ­
водственного бетона [15], включая и В/Ц, и объем вовлеченного воздуха. Уровень
этих параметров определен в требованиях EN-206 и ГОСТ 31384 [35]. Более де­
тально требоnаrпы к пим с учетом марок бетона по морозостойкости пpeддox<eIILI n
работах [15,16]. В несколько измененном виде они представлены в табл. 4.4.
ф актоnы, обеспечивающие моnозостоикость оетона
Факторы, обес-
Морозостойкость, циклы
400 - 600
200 - 300
печивающие
100 - 175
В/Ц
<06
'
<0,55
> 300
морозостойкость
Расход цемента,
1
кг/мРасход воды,
1
кr/м·
Добавки
TaGHИЦii 4.4
700 - 1000
<0,45
> 300
<05
'
>320
>340
< l�U
< l�U
< l�U
< l�O
водоредуцирующая
воздухововлекающая или водоредуци:рующая
3-4
воздухавовлекающ ая
воздухавовлекающая
5-7
Воздухововле4-6
чение, %
Прш�чание,. J(ля марок бетона по морозостойкости 1 ()0-30() применяются об1nсстрои­
тельные портландцементы, для марок 400-600 и особенно 700-1000 желательно применение
цементов с СзА < 7 - 8% и:ти сульфатостойкого портландцемента.
Следует отмстить, что требования строк 1 - 3 (В/Ц, расходы цс: мснта и воды)
n зпачительпой степени nзаимосnязапы. Но при nарLироnапии характеристи1< мате­
риалов (например, марю1 или класса цемента) и состава бетона любое из них мо­
жет стать контролируютт1им. Rероятно, поэтому они нормируются R соRокупности.
В проекте ГОСТ 26633-2012 также содержатся требования к составу бетонов,
подвергающихся действию мороза. Обязательными являются требования к расходу
ц�м�нта (не менее 300 - 340 кJJм 3) и вuздухuсодержс1нию (6 ± 2%), а рекuмендуе­
:МЫ}.IИ - В/Ц < 0,55 - 0,45 и класс бетона не ниже В37 (так в дОК)'fl'Iенте).
По некоторым ,п;анным, морозостойкость бетона при стан,1артном опре,п;еле­
нии и факторt: расстояния менее 0,2 - 0,25 мм может состс1влять порядка 1000 цик­
лоR и более. Так бетоны с R/Т' = 0,4 и ,п;обаRками CHR, CHR + ССБ или ГКЖ - 94
при факторе расстояния U,21 - U,17 после 320 циклов замораживан1ы-оттаивания
150
при - 60 ° С имсm1 остаточное расширение< 0,08% [13], что меньше считающегося
критическиУI значения U,l %. Гlоэтому стандартная морозостойкость этих бетонов
может превышать 1 ООО циклов, так как разрушение бетона при этой температуре
зс:tмораживШiия ускоряется нu срiiвнению со стiiндартным испытанием в 5 и бонее
раз. Бетоны с добавкой ССБ+СНВ уже при содержании воздуха 2,4-3,6% имели
морозостойкостF> 700-750 Т(иклоR [ 1].
В рс:tботе [13] приведены и другие дс:tнные о мuрuзuстuйкuсти KiiK контроль­
ных образцов , так и производственных бетонов (керны). Так, бетоны с воздухово­
nлека1ощей (СНВ) или газообразуrощей добавкой (ГКЖ - 94) имели фактор рас­
стояния О,18-0,23 мм и стандартную морозостойкость более 500 uиклов.
Срс,л:няя прочностF> керноR, RЗЯТF>тх из плотиньт Зсйекой ГЭС, после 500 Т"(ИК­
лов замораживания-оттаивания не снизI-шась по сравнению с контрольными кер­
нами (соответственно 42,4 и 42,9 МПа) [13]. Имеются и другие данные о высокой
морозостойкости бето1п111х соор)')I<епий с искусстnеппо nоnлече111111м nоздухом.
Так, бетон тонкостенных конструкций Кислогубской прfшивной электростанции
(Барент"(еRо море) после 40 лет эr<сплуатат(ии не имеет ниr<аких поRреж/"(ений, а его
арочность превышает нрuекrную. При Jтuм фактор рс:tсстояния состс:tвJ1ял 0,115 0,137 мм [18].
4.8. Проблемы технолоrии бетона
с искусственно вовлеченным воздухом
ВuвJ1еченный воздух не дозируется непосредственно, как uбы чные компо­
ненты бетона. Его коm1Чество и размеры воздушных пор зависят не только от рас­
хода добавю1, но и целого ряда других факторов: зернового состава и крупности
песка, состава смеси и ее подвижности (В/Ц, расходы воды и цемента), режима
аеремешивания, темперс:tтуры смеси, наличия минеральной доGiiвки и т. д. Поэто­
му создание в бетоне систе:мы воздушных пор требуемых параметров является
сло)1а1ой задачей. Ее решение возмо>кпо па произnодстnах с nr.1сокой техпологиче....
...,
.....
,,качеством исходных материалов, отлаженнои систескои культурои, стаоильнь1м
мой контроля.
При uбы•1нuй технонuгии бетона нс:tбнюдаются весьма знс:t 1 1ительные кuнебс:t­
ния объема искусственно вовлеченного воздуха. Так, на строительстве Зейской
ГЭС по дaIIIILIМ 16 измерений содер>I<апие воздуха n бетонной смеси мепялосr. от
1,4 до 11,8% [ 13]. Близкие результаты получены при производстве тротуарных
плит: от 2 J(O 10 % [6]. ТТоRF>тmение технологичесr<ой r<улътурF>т произRодсТRа позRо­
ляет сократить эти колебания. Так, при контроле бетона нескольких больших пло­
ти н в США объем воздушных пор менялся от 2,9 до 5,6 % [24].
Для обеспечения качества бетона с искусстnеппо nоnлечеппым nоздухом
требуется высокий уровень технологии, в частности применение фракционирован­
ного песка [ 13], систематический контролF> объема RОRлеченного Roз,rcyxa и при
неuбхuдимuсти uнерс:tтивнuе регуJ1ирование технологического процессii. Нанример,
температура бетонной смеси при приготовлении утро:м и во второй половине рабо­
чего дня может существенно uтли•1аты.:я, что аривuдит к иJменению сuдержс:tния
воздуха. В такой ситуации возможно неоднократное из��енснис в течение дня до­
зировки воздуховuвлекс:tющей дuGавки [21 ].
151
Значительные колебания объема воздуха в бетонных смесях е воздухововлс­
кающими добавками заставляют искать другие пути создания резервной пористо­
сти, например, введение «упакованного» воздуха в виде полимерных микрокапсул
[29] или пористых 'lастиц, чтu пuзвuляет достато•тu тu<1нu дuзирuвать воздух.
Большого внимания заслуживают газовыделяющие добавки, например ГКЖ - 94.
Имеется значителъный опыт их ттроизнодстненного при11,rенения, ттоказантттий, что
колебания объема л1зuвuй фазы в бетоне в этu.\1 сну•tа.е существенно уменьшаются
[ 13]. 11 вес же сегодня искусственное воздухововлсчснис остается основным спо­
собом получения бетонов в11соrсой морозостойкости.
4.9. Определение содержания и параметров воздушных пор
Характеристики воздушных пор могуг быть определены только на затвер­
девшем бетоне. Ilo их объем может бьпь оценен уже по содержанию воздушной
фазы в отформоваrп1ой бетонной смеси.
4.9.1. Определение объема воздуха в бетонной смеси
В мировой практике применяются три метода определения объема воздуха в
бетонной смеси, все они стандартизированы в нашей стране [33].
Расчетный метод определения объема воздуха основан на сравнении теоре­
тической и фактической плотностей бетонной с1v1еси. Длительное время для оценки
содержания воздуха в отформованной смеси использовался коэффициент уплотне­
ния4 (Купл), нuдс•fитываемый по фuрмуне:
1(,-пл = Pq/ Рт
где Рт - теоретическая (piic•1e-rнaя) плuтнuсть бетuннuй смеси (кг/м.з ), онреде­
лснная R прсJ1,Положснии отсутстния н ней ноз,11.уха;
РФ- фаКТИ'lеСКаЯ fUIUTHUCTЬ бетонной смеси (кг/м 3).
I(ак известно, состав бетона выражается расходами материалов на 1 м 3 смеси
(п. 1.6), ттоэто11,rу Рт= R+т,+тт+тт, (кr/м-' ). Фактическая ттлотност;, смеси оттрелеляется
экспериментально при ее уплотнении в мерных цилиндрах [33]. Она меньше теоре­
тической, т.к. часть объема бетонной смеси занимает воздух.
Метод явняется недuста.точно тоqным. Причина. заюоочается в тuм, •1то при
расчете теоретической плотности не учитывается ранняя контракция, водопоглоще­
пие заполнителей и nозмо)кпое в ряде случаев расслоепие бетонной смеси. Но эти
эффекты отражаются на величине определяемой экспериr-.rентально фактической
плотности с:мсси. Ошибка может достигать 2% по абсолютной величине, в ряде
исследuва.ний с применением этuгu метод;:а пuлуqали и отрицатеньные зн;:ачения
содержания воздуха в отформованной бетонной смеси. При применении расчетного
метода !(ЛЯ искусстненно Rонлеченного воздуха отттибка может 61,1т1, 01�енена н ±
40% [27].
В то же время применительно к искусственно вовлеченному воздуху методи­
ку можно модифицирuвс1ть. Дост;:атuчнu сравнить фактические 1u1uтности бетон4
Сеrодня коэффициент уплотнения используется в нормативных документах в друrом зна­
чении: как одна из характеристик удобоую1адывае�ости бетонной смеси (ГОСТ 7473-2010).
152
ных смесей: без и с воздухововлскающсй добавкой. Ошибки, О'Тh1счснныс выше,
при этом устраняются. Разность плотностей бетонных смесей дает количество
дополнительно вовлекаемого воздуха, которое в принципе и следует контролиро­
вать. Просуммировав его с отнuситеJIЬНО стабильным количеством воздуха в кон­
трольной смеси, получаем общее воздухосодержание смеси с добавкой.
Но более корректнf>тм является прямое оттре11еление объема ноз,1'уха (rазоной
фазы) в бетонной смеси.
Компрессионный метод (метод давления) является общеприняты м. Он
осноnап па том, что nоздух яnляется еди пстnенпой с>rси:маемой фазой n бетон­
ной смеси. Поэтому, прилагая к поверхности бетонной с�1еси, покрытой слоем
ROJ(f>T, некоторое давление, получаем сократцснис се объема Rслс,r"(ствис сжатия
воздушных пуз ырьков. l1ри избыточном давлении 0,1 .N1Гla (1 атм.) воздух в
смеси будет сжат в два раза. Поэтому , удваивая у�еньшение объема (ЛV, с�1 3 ),
получаем: V 001д = 2ЛV (см 1). Определение произnодят n поромере [33]. Содер­
жание воздуха выражают в процентах от объема б етонной смеси (т.е. чашки
тторомера).
Объемный метод или ин.:1че метод вытеснения (при испоньзов.:1нии прибо­
ра вытеснения) основан на разрушении бетонной смеси, покрытой водой, с вьще­
ление�1 содержащегося воздуха и понижением уровня воды. Он дает отклонения от
:метода давления ± 15% [27].
4.9.2. Определение объема воздушных пор, их удельной пов ерхности�
фактора расстоя11ия в затвердевшем бетоне
Иснuльзуется _,1и1-.1>оско11ический метод, т.:1к ка.к искусственные воздушные
поры на шлифах бетона легко опознаются оптически. Они имеют преимуществен­
ные размеры от 0,01 до 1 мм, сферическую форму и «глаЗурованную» новерхность.
:)то отличает воздушные поры от углублений, которые могли образоваться при
аодготuвке шнифа. Измерения производятся на. шлифах из uбр.:1зцов или кернов
бетона при увеличении микроскопа порядка 50 (иногда используются и качествен­
Нf>Те срезf>т бетона).
Методы, применяемые для бетона, являются разв�,пием геометрических мето­
дов количественного анализа многоко�mонснтных материалов , при�снясмых в гео­
логии [3]: планиметрического и линейного. Orm ocпonaнr,r па поло>кеrrnи, что рас­
пре деление компонента в плоскости или вдоль линии соответствует его содержа­
нию R материале.
2
Линейный метод наиболее распространен. Шлиф площадью не менее 100 с:м:
просматривается вдоль параллельных линий общей длиной не менее 200 - 250 см.
Умеrп,шепие длm1r,1 просl\>1атриnаемr.1х линий nедет к l\>tепr.шей точности определе­
ния объема воздушн ых пор и фактора расстояния. Хорды пор, попадающие на эти
линии (рис. 4.5), изме ряются , а их число фи1<сируется.
При <<ру•-�нuм» измерении р аЗ.\1еров хорд (интеграционный столик или изме­
рительный микроскоп) затраты врс�сни на один шлиф �1огут составить до 3-х ч. ,
подготовка шнифа. - еще 1 ч. [21].
153
.
·
.
·
·
·
·
·
о
·
-заuол:ватеЛJ.
-----
.
...... . ·.·.·: ,,
. ..
. .. .
.
. .. . .
.
.
.
.
. . . . . ' . . .. . . ' . . . . " " . , . : . , . .. . . . . . . . . .. ... .
. . .. . .. ' ..' .' . .. ." . . "... . , .
. . . . о·
•
•
•
во�.а;;;уnхаые ооры
•
•
•
f
,•
2
.
• • •
. .• •
..
• •
"
Рис. 4.S. Определение параметров ROЗJJ.y11IHь1x пор на m.,ифе бетона:
1 - просматриваемая линия; 2 - измеряемые хорды воздушных пор [ 1 О]
Объем RОЗ7'упmnтх пор рассчитьrnается как отноптенис суммhт длин хор7' к
uбщt:й длинt: прul:мuтренных линий:
V"n = 1: l; /1: h;,
где I: l;- сумма длин измеренных хорд;
1: hi - сумма длин прос1vrотреннhтх линий.
По результатам измерений можно определить и фак.ор расстояния. Для этого
допоm1ительпо рассчитьmается удельная поnерхпость пор:
где n - число измерепньrх хорд.
а = 411/V"",
По величине удельной поверхности и объему цементного камня в бетоне рас­
считывается фак"Тор расстояния (формула приведена выше).
Точечный метод отличается простотой. Методика состоит в просмотре опре­
деленных точек па поnерхпости шлифа, который перемещается под r.mкроскопом с
заранее выбранным шагом. При просмотре регистрируется, попала ли воздушная
пора R перекрестие нитей окуляра микроскопа. Отнотттение числа точек, приптел­
шихся на воздушные поры, к их общему числу дает содержание воздушных пор в
бетоне. К сожалению, метод точек нс позволяет опрсдсm1ть характеристики воз­
душных нuр, для этuгu следуt:т ИCllUJJЬЗUBalЪ JlИНt:JЙНЫЙ метuд.
Подробно методика определения содержания воздушных пор линейным ме­
тодом рассмотрена n работах [1,7,13], точечпьrм методом n [l,7].
4.10. Проектирован11е сосгава бетона
с искусственно вовлеченным воздухом
Rоз7'УХОRонлекаютцие л.обаRки, R отличие от лругих их RИ7'0R, ттри!\,rеняемhтх
для бетона, не являются добавками <<пря:мого» действия. Они не выделяют воздух,
как газообразующие добавки, а только способствуют переработке имеющегося в
бt:Jтuннuй смеси вuздуха, защемненнuгu ИJlИ дuнuнннгt:ньнu вuвлечt:ннuгu, в бuлt:Je
мелкие пузырьки. При той же дозировке добавки в зависимости от уровня других
факторов количество вовлеченного воздуха может существенно меняться (п. 4.5.2).
Поэтоr.rу подбор состава бетона или его значительная часть должна проводиться в
154
условиях производственного эксперимента, где будет наиболее точно проявлено
влияние различных факторов на воздухововлечение, включая тип смесителя.
Основные �оменты, которые следует учесть при подборе состава бетона:
1. Кс1ждый 1 % воздушных нор снижает прu'-lнuсть бетuна нримернu на 5 %.
Это влияние может быть учтено включение:\1 объема вовлеченного воздуха в фор­
мулу прочности бетона путем заменьт IVR на TV(R + Rозл.).
2. Микропузырьки вuздуха увели•1ивс1ют нодвижнut,;ть бетuнной смеси
(<<эффект шарикоподшипника»), а сама добавка может несколько пластифициро­
nат1 смес1. Это позволяет спизит1 водосодер)капие бетоrпrой сr.1еси.
3. Вовлекаемый воздух занимает в смеси значительный объем. Обычно это
л1-ппь частично компенсируется снижением pacxoJ(a RОЛЫ, поэтому прихолится
также сокращать расход песка.
11сходным для прое��ирования является состав бетона требуе:\1ой прочности
без дoбanrrn. Определение состаnа бетона с искусстnеппо воnлечеп1п,1м воздухом
:может быть выполнено в следующем порядке:
1 . По за,п;анной морозостойкости бетона по норТ\fатинной ло�:-·ументат(ии при­
НИ-'1i:iе'гся uбъем вовлеченнuго воздухс1, а также В/Ц, если uнu нuрмирuванu. Если
нормирование отс-утствует, эти пара!1-1етры состава бетона :могут быть приняты по
рекомендациям в табл. 4.4.
2. Экспериментально определяется дозировка воздухововлекающей добавки и
Rолосояержание смеси с л:обаRкой, обеспечинаюrпее требуемую по,r(Rижность ( R' ).
Эти два пара!1-1етра следует определять одновременно, так как эффекты дозировки до­
баRки и ТТОJf.RИЖности смеси н.заимосRязаяъ1. Ориентирооочные результаты могут быть
получены в лабораторной мешалке (при ручном перемешива:mш трудно обеспечrпъ
соотRСТСТR)'ЮП,сс Rозлухооонлсчснис). Но окончатспьm.Jй результат может л:ать только
производственный экспериl\-1енг. При его проведении следует контроJШровать темпера­
туру бетоноой смеси. Крайне желательно установить зависимости объема вовлеченно­
го воздуха от дозировки добавки и ДJiительности перемешивания смеси. Они будут
исполыонаньт при корректиронке технологического проr,есса JJ.ЛЯ обеспечения требуе�
,..
мuгu содержания воздуха при прuиJвuдстве Uе'I'
оннuи смеt,;и.
Если консистенция бетонной смеси оценивается по подвижности, осадка ко­
нуса 1\fожет быть уменьmена по сравнени ю с контрольной по табл. 4.2.
3. Рассчитывается необходИмый для сохранения прочности расход це:\1ента
приравниванием В/Ц исходного состава и ( В' + Возд.) / Ц' бетона с добавкой
(Возд. - объе1v1 вовлеченного воздуха, л/м3 ; Ц' - искомый расход цемента, кг/м 3 ).
По найденному расходу цемента определяется расчетная величина В' /Ц' в
бетонной смеси с добавкой. Если В/Ц пор1v1ироnапо (см. пункт 1 ), его прmrятое по
документам значение сопоставляется с расчетным. Если нормативное значение
R/I� окажется 1vreнr.пre расчетного, оно принимается за окончательное и расхол:
цемента нересчитывается нри егu ис11uJ1ЬЗuвс1нии.
Расчет расхода цемента может быть уточнен, если учесть содержаю1е возду­
ха в контрол1ной бетоrпrой смеси (см. при:мер).
4. По уравнению абсолютных объе1v1ов, включающему воздух, уточняют рас­
ход песr<а.
Полученньп1 состав бетонной смеси проверяется сначала в лабораторных, а
зате1v1 и в произnодстnе1пr1rх условиях и при необходимости корректируется.
155
Пример. llодобрать состав бетона марки по морозостойкости F5UU. Ис­
ходный состав: В= 200 кг/м3 ; Ц = 350 кг/м3 ; П = 680 кг/м3 ; Щ = 1110 кг/м3 (В/Ц =
0,57, средняя про'iность 28 МПа; нодвижность смеси 8 см). Плотность щебня - 2,6
г/с)1?; песка - 2,65 г/см 3 ; цемента - 3,1 г/см'. Морозостойкость, оцененная п о вели­
чине R/Т{, тторя,Т(Ка 100 1�пклоR.
l. Пu табл. 4.4 находим uбъе�1 вuвлеченно1·0 во:3духа для uбесне'iения требу­
емой �1орозостойкости FS0O- 5% и н ормируемую величину В/Ц < 0,5.
2. Определяется дозироnка nоздухововлека1ошей добавки, обеспечива1ощая
воздухосодержание с:меси после ее формования 5%. При ее введенm,�:, наряду с воз­
�ОRОRлечснисм, ттроизо1пла и ттластифика1{ия смеси: ттодRижнос1ъ 8 см была !(О­
стигнута при снижении расхода воды на 10% (В' = l�U кг/м 3 ). В примере не исполь­
зована возможность снижения осадки конуса бетонной смеси согласно табл. 4.2.
3. Рассчит1,1вается расход пемепта,
обеспечива1ощий сохранение прочности
:
3
бетона: В/Ц =(В'+ Возд)/Ц'. Отсюда Ц' = (180+50)/0,57 = 400 кг/м . В/Ц = 180/400
= 0,45, что менf.rпе нормироRанного значения.
Расчет �1ожеI бьпъ более точным, есни учесть объем воJдуха в контрольном бегоне.
IIaпpm1ep, при его содержаню1 2% объем дополнительно вовлекаемого воздуха составит
3%, а расход цемента- 370 Ю'/м3. Независимо от метода расчета найденный расход це�1ен­
та будет угочнен из условия прочности бетона при эксперm1ентальной проверке состава.
4. Корректируется расход песка в смеси: П'= (1000 - 180-400/3,1 - 1110/2,6
- 50) 2,65 = 570 кг/м3•
В· = 180 Ю'/м3 ; Ц' = 400 кг/ м3 ;
Окончательный расчетный состав бетонной смеси:
:
П'= 570 кг/м3; Щ' = 1110 кr/I\i3; воздухововлекающая добавка; Возд = 50 л/м3; В'/Ц' =
0,45. Рас'iетный расход цемента дня обt}СНе'iения прu•шости G�тона с вовлеченным во:3духом повышен на 50 кг/м3 (или на 30 кг!�? в зависимости от метода расчета).
Полу•1енный t;uстс:1.в нодвер1·ается �ксuериментальной проверке и корректи­
ровке сначала в лабораторных, а затем в производственных условиях.
Литература к разделу 4
1. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., 1vfo,1pы С., ПТисслъ ТТ. Лолrовсчностr. железобетона R
агрессивных срс71:ах. М.: Строй-из11:ат. - 1990. - 320 с.
2. Ненюа tv1. Цемен ты и бетоны в строительстве. М.: С..:тройиздат. - 19!:!U. - 415 с.
3. 1 'лаrолев А.А. 1 ·еометричесю1е методы количественноrо анализа arperaroв под микро­
с:коnом. l\1.: 1941.
4. Гладков В.С. Добавки в про1пводстве морозостойких бетонов // Бетон и железобетон. 1977. - N�7. - С. 9 -11.
5. Гладков В.С. Формировюше условно-закрытой пористосrn в бетонах с воздухововле­
КЗIОЩJп,m добавками // Химические добавки и их применение в технолоrии производства
сборного железобетона. tv1.: 1992. - С. 51-57.
6. Грапп А.А., Грапп В.Б., Якобсон Л.В. Совершенствоваю1е технологии получения мо­
розостойких бетонов. Рига. - 1982. - 41 с.
7. J(обавки R бсrо1-1: справочное пособие/ rто;1рс11:. R.C. Рамачанлрана. -1\tf: С1JJОЙи:�л:ат. - 571 с.
8. Добролюбов Г., Ратинов П.Б., Розенберr Т.И. Прогнозирование дол говечности бетона
с ,J\Об аR1сами. �Л.: Стройиз,11а
: т. - 1983. - 21 З с.
9. Зоткпн А.Г. Зап1смлснис воз�а R т\смснтно-nсс чаньтх смесях // l\1слкозсрнистыс бе­
тоны и конструкции из них. - М.: - 1985. - С. 59-64.
156
LO. Зоткин А.Г. Обеспечение морозостойкости бетона. }Iркугск / ИПИ. - 1988. - 86 с.
LL. Зоткин А.Г. Влияние воздушных пор на прочность бетона // Технологии бетонов. 20LL. - № 3-4. - С. 58-60.
L2. Иванова О.С., Яр.1ушr<Ина С.Х., Миронов С.А., Журавлева Л.. Е. Морозостойкость бето­
на на высокоаmоминатных ттортлан7'т\смснтах с ,n:обавками-// Бетон и железобетон. 1984. - №
5. - С. 24-25.
13. Кунцевич О.IЗ. Бетоны высокой морозостойкости для сооружений крайнего севера. Л.:
Строi'о-вдат. -1УН3. - 132 с.
14. Невилль А.М. Свойства бетона. М.: Стройиздат. -1972. - 344 с.
LS. Подвальный А.�1. Об оценке результатов коррозионных испытаний и марках бетона по
морозостойкости.// Бетон и железобетон. - 2002. - №5. - С. 26 -30.
L6. Подмазова С.А. Технологические аспекты обеспечения морозостойкости бетона // Бе­
тон и железобетон. -2003. - М!3. -С. 28-29.
L7. Руководство по примененmо химических добавок в бетоне / НИ}IЖБ - М.: Стройиздат.
- 1980. - 55 с.
L8. Усачев И.Н., Розенталь Н.К. Бетон, стойкий в зоне прилива арктического побережья
России.// Бетон и железобетон. - 2008. - №5. - С. 18 -22.
19. Хворостянский В.Ф. Сопоставление прочности и морозостойкости пропаренных бето­
нов и растворов // Вопросы общей технологии и ускорения твердения бетона. 1\1.: Стройиз­
дат. - l 97U. - С. 35 - 42.
20. Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой �tорозостойкосm (послесло­
вие О.В.Кун цевича). Л.: Стройиздат. -1989. -127 с.
2L. Blu1nel О.V•.Т., Sp1·i.нge11sclunid R. Gru11dlage11 u11d Pr·axi.s de1' He1'stelluнg uвd UЬe1·wacl1ш1g
vон Luftpo1'e11beto11 / Be1·i.cl1te des 1. Eur·opeisclэeв Syн1posiu1ns fiн Beto11fal1Ibalu1e11, Vol. 1, Pa1'is,
L968, s. 67 -80.
22. Bo11zel J., Siebel Е. Neuere U11teгsucl1unge11 uber den Frost-Tausalz-Widerstand vo11 Beto11.
Beton. 1977. Н. 4. S. L53 - 157. Н. 5. S. 205 - 211. Н. 6. S. 237 - 244.
23. Dobl'olubov U., Rо111ег 13., vап dег Spek J.!'v1. Zusatz1nittel u11d Luftpore11kontrolle bei111 Нiп­
Ьан vo11 Hetontahrbahndecke11 / 13e1"icl1te des 1. Ьнropeische11 Sy111posilu11s fнr Beto11Jal1rbalme11,
Vol. 1, Paris, 1968, s. 45 -62.
24. Miele11Z R.S., WolkodotI V.H., Backstron1 J.H., l:3u1тows R. \V. 01'igin, Hvolution апd Hffekts
of tlэe Ail' Voids Syste111 iн Co11c1·ete. PЗJ·t 3. Jouп1al ACI, Septe111beJ", 1958.
25. Popovics S. Effekt of Porosity 011 tl1e Stl'eнgtl1 of Co11crete // Jouп1al oflvlatet'ials. 1969. № 2.
р. 356-371.
26. Powers Т.С. Topics in Concrete Technology. 4. Charakteristics of Air Void Systems. Journal
of РСА Research and Development Labs. January 1965, рр 23 - 41.
27. Schafer А. Die Bestimmung des Luftporengehalts im Вeton // Beton. - 1963. - № 8. - S. 383 - 386.
28. Singh В. Aggregate Grading Effects Air Entrainment. Journal ACI. - 1959. - № L.
29. Sommer Н. Zu.r Frost-Tausalz-Bestendigkeit des Betons i/ Zement und Beton. 1977. - №4. S. 124 -129.
30. Teubert J. Pral'iische Erfahmngen bei der Пerstellung von Tлftporenbetonen il ПFТ. 1974. н. 11. - s. 741-744.
3 l . Werse Н.-Р. Prufuпg des rrost- uпd TausalZ\\'iderstandes des Beton vоп Hгuckkappeп. J:И•-г.
L976. - Н.1. S. 24-28. - Н. 2. S. 93-96.
32. Wong А. Anderson С. Hilsdorf Н. The Effekt of Drying on the F.reeze-Thaw Du.raЬility of
Concrete. University of Illinois. Bulletin 506. - 1972. - Р. 327.
33. ГОСТ 10181- 2000. Смеси бетонные. Методы испытаний.
34. ГОСТ 24211- 2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие техниче­
ские условия.
35. ГОСТ 31384-2008. Защита бетоm1ых и железобетонных конструкций от коррозии. Об­
щие технические требования.
157
Содержание
Введен11е .. ........................................................................................... .. 3
1. Классический бетон..............................................................................6
1.1. Материалы для бетона..........................................................................6
1.1.1. Портландцемент............................................................................................6
1.1.2. Заполнители.................................................................................................8
1.2. Бетонная смесь..................................................................................9
1.2.1. Удобоукладываемость бетонной смеси.............................................................. 1 О
1.2.2. Расслоение бетонной смеси............................................................................14
1.2.3. Сохраняемость удобоукладываемости бетонной смеси.......................................... 16
1.3. Твердение бетона ..............................................................................16
1.4. Структурс:1 бt:тuнс:1..............................................................................20
1.5. Прочность бетона.............................................................................22
1 .6. ПроектироRание состана бетона............................................................26
1.7. Деформативные свойства и трешиностойкость бетона..............................2�
1.8. Физические свойства бетона ............................................................... 30
1.9. Долгооечпость бетопа........................................................................32
1.9.1. Морозостойкость бетона...............................................................................32
1.9.2. Коррозионнан стойкостF. бетона ......................................................................35
1.9.3. Защита бетоном: арматуры от коррозии.............................................................3 7
2. Бето11 с суперпластиф111�аторам11 ..................................................... .....38
2.1. Суперпластификаторы.......................................................................39
2.1.1. Поверхностно - активные вещества..................................................................40
2.1.2. Состав суперпластификаторов........................................................................41
2.1.3. Механизм действия суперпластификаторов .......................................................41
2.2. Эффе1(rы супер11лi:iстификс:1тuрuв в бt:тuннuй С.\1t:си...................................43
2.2.1. Пластифицирующе - водоредуцирующий эффект суперпластифиr(аторов...............45
2.2.2. Стойкость npO'ПIR расслоснин.........................................................................47
2.2.3. Сохраннемостf> бетонной смеси.......................................................................47
2.3. Структура бетона с суперпластификаторами............................................49
2.4. Влияние суперпластификаторов на прочность..........................................50
2.4.1 <.:тандартная прочность бетона ........................................................................50
2.4.2 Прочность бетона в раннем возрасте.................................................................54
2.5. Сонместимость супе рттластификатора и т,емента....................................... 55
2.5.1. Реологическая совместимость......................................................................... 56
2.5.2. Прочностная совместимость .......................................................................... . 57
2.6. Дефuрмативныt: свойства бt:тuнс:1..........................................................60
2.7. Долговечность бетона с суперпластификаторами......................................61
2.8. По!(бор состаRа бетона е суперпластификатором.......................................63
2.8.1. Применение СП д:1я пластификации с�еси .........................................................65
2.К2. 11рименение l:11 д:IЯ водоредуцировавия............................................................66
2.КЗ. <.:оотношение оптимальных дозировок, определенных
при пластификации и при водоредуцировании...........................................................68
2.9. Г1u11::рпластификс:1тuры и их эффt:кты в бt:тuне..........................................69
158
3. Бетон с минеральны!\1и добавками ........................................................74
3.1. Минеральные добавки.........................................................................74
3.1.1. г'\Jстиввые минеральные добавкн ......................................................................76
3.1.2..Инертные добавки........................................................................................78
3.2. Эффекты минеральных добавок в бетоне ................................................ 79
3.2.1. Микронаполняющий эффект...........................................................................79
3.2.2. Пуццолановый эффект..................................................................................84
3.3. Критерии эффекn1вноети минеральных добавок в бетоне ........................... 85
3.4. Бетон с золой...................................................................................90
3.4.1. Образование золы и ее свойства......................................................................91
3.4.2. Стан!(артнъrе трсбонания к золе ТЭС................................................................ 92
3.4.3. Rлияние золы на евойетна бетонной смеси.........................................................93
3.4.4. Твердение бетона с золой ..............................................................................94
3.4.5. Влияю1е золы на структуру бетона..................................................................98
3.4.6. Прочность бетона с золой.............................................................................100
3.4.7. Долговечность бетона с золой .......................................................................112
3.4.8. Другие свойства бетона с золой..................................................................... 117
3.4.9. Подбор состава бетона с золой...................................................................... 119
3.5. Бетон е микрокремнеземом................................................................ 123
3.5.1. Образование и характеристики микрокремне-зема..............................................123
3.5.2. Влияю1е микрокремнезема на свойства бетонной с�еси....................................... 124
3.5.3. Эффекты микрокремнезема в бетоне...............................................................124
3.5.4. Прочность бетона с микрокре11.mеземом ............................................................125
3.5.5. Долговечность бетона с микрокремнеземом...................................................... 126
4. Бетон с воздухововлеR"ающими добавками. ........ ...................................132
4.1. Воздушная фюа в бетонной cr.iecи.......................................................132
4.2. Воздушные поры в бетоне .................................................................. 134
4.3. Влияние воздушных uup на свойства бетона.......................................... 135
4.4. Защитное действие воздушных пор...................................................... 136
4.4.1. Механизм защитного действия ......................................................................136
4.4.2. Эффекты естественных и искусственных воздушных пор.................................... 138
4.5. ИскусстRенное ноз,1ухон0Rлечение н бетонную cf\.recь............................... 138
4.5.1. Возду:хововлекающие добавки и механизм воздухововлечения..............................138
4.5.2. Факторы, влияющие на воздухововлечение....................................................... L4U
4.5.3. Нлияю1е воздухововлечею1я на свойства бетонной смеси.....................................144
4.6. Критерии эффекn1nпости nоздушп11х пор............................................. 144
4.6.1. Объем RОЗ!()'Ха R бетонной смеси.................................................................... 145
4.6.2. Фактор расстояния...................................................................................... 145
4.7. Морозостойкость бетона с искусственно вовлеченным воздухом............... 147
4.7.1. Влияю1е водоцементного отношения..............................................................148
4.7.2. Обеспечение морозостойкости бетона............................................................. 149
4.8. Проблемы технологии бетона с искусственно вовлеченным воздухом.......... 151
4.9. Оттрелеление соl(ержания и ттараметрон RОЗJ()'ТПНъ1х пор............................ 152
4.9.1. Определение объема воздуха в бетонной смеси................................................... 152
4.9.2. Определение объема воздушных пор в затвердевшем бетоне ................................. 153
4.10. Проектирование состава бетона с искусственно
вовлеченным воздухом ........................................................................... 154
159
БЕ'l'ОНЫ
С ЭФФЕКТИВНЫl\![И ДОБАВКАl\П:1
Учебно-прак1пическое пособие
Верстка
И .И. Моисеев
Редактор
А.И. Зайцев
I(орректор
Е.Е. Вдови11
Пuднисанu в Ht::'-li:lTЬ 27.05.2014
Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймсн.
Тираж 500 экз. Заказ №430
ИздатеJ1ьство «Инфра-Инженерия»
Тел.: 8(911)512-48-48
E-mail: infra-e@yandex.ru
W\VW.iпfra-e.ru
Издательство приглашает
к сотрудничеству авторов
научно-технической .rтwrepaтypьr