Свойства строительных материалов

Применяют шлакопортландцемент для тех же целей, что и портландцемент, однако учитывая его повышенную водостойкость, наиболее целесообразно его использовать в гидротехнических сооружениях, а также для конструкций, находящихся в условиях влажной среды. Не следует применять его в конструкциях, подвергающихся частому замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию.

Известково-шлаковый цемент

Известково-шлаковое вяжущее получают совместным помолом су-хйгр гранулированного доменного шлака и извести с добавкой небольшого количества гипса или тщательным смешением тех же материалов, раздельно измельченных в тонкий порошок. Содержание окиси кальция в вяжущем изменяется в зависимости от вида шлака (основной или кислый) и колеблется в пределах от 10 до 30% веса смеси.

Известково-шлаковое вяжущее медленно схватывается и медленно твердеет: начало схватывания наступает через 1,5--4 ч, а конец -- через 4--8 ч. Для регулирования сроков схватывания и твердения в него вводят до 5% гипса. Это вяжущее Еыпускают трех марок -- 50, 100 и 150; при высококачественных шлаках и извести-кипелке марка может быть повышена до 300.

Воздухостойкость известково-шлакового вяжущего низкая^ При тйердении на воздухе прочность понижается в результате разрушающего действия СО2 воздуха на отдельные кристаллогидраты, а также вследствие больших усадочных деформаций. Морозостойкость этого вяжущего ниже, чем шлакового портландцемента: она достигает обычно 25--50 циклов замораживания и оттаивания. Поэтому в отличие от нз-вестково-пуццолановых нзвестково-шлаковый цемент можно применять для наружных стен и других ограждающих конструкций, а также тех частей гидротехнических сооружений, которые подвергаются нечастым периодическим воздействиям замораживания и оттаивания. Для повышения морозостойкости иногда вводят до 20% портландцемента (от веса смеси). Бетоны на этом вяжущем необходимо предохранять от преждевременного высыхания.

Применяют известково-шлаковое вяжущее в конструкциях, не подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию

Сульфатно-шлаковые цементы

Имеется несколько видов сульфатно-шлаковых цементов, но наиболее широкое распространение получили гипсо-шлаковый и шлаковый бесклинкерный цемент.

Гипсо-шлаковый цемент---гидравлическое вяжущее вещество, получаемое путем совместного помола гранулированного доменного шлака, гипса и портландцементного клинкера. Состав цемента следующий (в %): шлака 75--85, двуводного гипса или ангидрита 15--20 и до 5 портландцементного клинкера или до 2 извести. Для этого цемента используют шлаки с повышенным содержанием глинозема, т. е с высоким модулем активности. {

Сульфатно-шлаковый -цемент является медленнотвердеющим вяжущим веществом. Он выпускается двух марок -- 300 до 400 при испытании образцов из раствора жесткой консистенции (1:3) через 28 сут. Начало схватывания его должно наступать не ранее 30 мин, а конец -- не позднее 12 ч после затворения водой. При гидратации цемента выделяется мало тепла (40--45 ккал/кг в течение 7 сут.), поэтому его можно применять в массивных конструкциях. Подогрев до 40° С ускоряет твердение, но при более высоких температурах прочность падает вследствие дегидратации сульфата кальция. Изделия из гипсо-шлакозого цемента имеют невысокие морозостойкость и воздухостойкость, но повышенную стойкость в пресной и некоторых минерализованных водах.

Применяют гипсошлаковый цемент для бетонных и железобетонных подземных и подводных конструкций и сооружений. Наиболее целесообразно его использовать в условиях выщелачивания и сульфатной агрессии. Не рекомендуется применять сульфатно-шлаковый цемент в конструкциях, подверженных попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Шлаковым бесклинкерным цементом называют гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом гранулированного доменного шлака (85--90%), сульфата кальция (5--8%) и обожженного доломита (5--8%). Для основных шлаков доломит обжигают при 800--900° С, что сопровождается полным разложением MgCO3 и частичным СаСОз, а для кислых шлаков -- при 1000--1100° С с полным разложением также и СаСОз. Свойства и условия применения, шлакового бесклинкерного цемента такие же, как и гипсо-шлакового.

Глиноземистый цемент

Глиноземистый цемент представляет собой быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое тонким измельчением обожженной до плавления (или спекания) сырьезой смеси, составленной из бокситов и извести (известняка) с преобладанием в готовом продукте низкоосновных алюминатов кальция. Глиноземистые цементы выпускаются без добавок или с добавками различных минеральных веществ (до 2%), улучшающими некоторые свойства цемента и снижающими его стоимость

Производство глиноземистого цемента. Этот цемент получают во многих странах разными методами из различного сырья, отчего химический состав его колеблется в широких пределах. Главнейшими окислами являются А12О3 (30--50%), СаО (35--45%), SiO2 (5--15%) и Fe2O3 (5--15%). Наиболее важными соединениями являются алюминаты кальция СаО-А12О3(СА), 5СаО-ЗА12Оз(С5Аз) и СаО * 2А12О3(СА2), причем главная составная часть -- однокальциевый алюминат СаО * * А12О3.

Существуют два способа производства глиноземистого цемента: первый основан на спекании сырьевой смеси, а второй -- на ее плавлении. По первому способу тонкоизмельченная и тщательно перемешанная смесь боксита и известняка обжигается до спекания при температуре 1150--1250° С во вращающихся, шахтных, кольцевых, камерных и туннельных печах или на спекательной решетке. При обжиге не во вращающихся печах сырьевую шихту необходимо брикетировать, во вращающихся печах обжиг можно вести по сухому и мокрому способам производства. Полученный продукт обжига размалывается в тонкий порошок.

Глиноземистый цемент можно получать плавлением сырьевой смеси при температуре 1500--1700° С в вагранках, электрических или доменных печах, а также в конвертерах. Расплавленная масса охлаждается и подвергается дроблению, а затем измельчению в тонкий порошок. При получении глиноземистого цемента спеканием требуются более чистые бокситы с небольшим содержанием кремнезема (до 8%) и окиси железа (до 10%). При получении его плавлением можно использовать сырье с большим количеством примесей, что препятствует распространению метода спекания, несмотря на меньший расход топлива.

Твердение глиноземистого цемента. При затворении порошка глиноземистого цемента водой образование пластичного теста, последующее его уплотнение и твердение протекают так же, как и для обыкновенного портландцемента. Однокальциевый алюминат при взаимодействии с водой гидратируется, образуя, в конечном итоге, двухкальциевый восьми-водный гидроалюминат и гидрат окиси алюминия:

2(.СаО-А12Оз) + ПН2О = 2СаО * А12Оз * 8HSO + 2А1(ОН)з.

Восьмиводный гидроалюминат кальция выделяется в виде пластинчатых кристаллов гексагональной системы, а гидроокись алюминия -- в виде гелевидной массы.

Другие алюминаты кальция -- С2А, С5А3, а также алюмоферриты и ферриты кальция, входящие в состав цемента, взаимодействуя с водой, дают соответствующие гидраты. Происходит уплотнение геля двух-кальциевого гидроалюмината и кристаллизация продуктов гидратации, протекающие очень интенсивно, что обеспечивает быстрое нарастание прочности. Примерно через 5--6 ч прочность глиноземистого цемента может достичь 30% и более марочной, через 1 сут. твердения -- свыше ,90%, а в трехсуточном возрасте -- марочную прочность. jtS~-i Свойства глиноземистого цемента. Глиноземистый цемент является (быстротвердеющим, но не быстросхватывающимся вяжущим веществом: начало схватывания должно наступать не ранее 30 мин, а конец -- не позднее 12 ч. По величине предела прочности при сжатии цемент делится на три марки -- 400, 500 и 600. Марка цемента обозначается по пределу прочности при сжатии образцов, изготовленных в виде кубов размером 7,07X7,07X7,07 см из жесткого раствора состава 1 : 3 (по весу) и испытанных в возрасте 3 сут. после твердения в нормальных условиях, j

Наиболее благоприятными для твердения глиноземистого цемента являются влажные условия и нормальная температура (20±5° С), нарастание прочности при более высокой температуре уменьшается. Возможно даже падение достигнутой прочности и разрушение бетона в результате перекристаллизации двухкальциевого гидроалюминат'а в трех-кальциевый гидроалюминат. Это называют болезнью глиноземистого цемента, и поэтому пропаривание изделий на глиноземистом цементе не допускается. При температуре ниже-нормальной и близкой нулю цемент твердеет удовлетворительно, что объясняется его высокой экзотермией. В течение 1--3 сут. глиноземистый цемент выделяет в 1,5--2 раза больше тепла, чем портландцемент. Это ограничивает применение глиноземистого цемента в массивных конструкциях, так как разогрев бетона внутри массива и охлаждение его снаружи вызывают растягивающие напряжения в наружных слоях и образование трещин.

Бетоны на глиноземистом цементе характеризуются высокой водостойкостью, воздухостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью; они стойки в условиях пресных и сульфатных вод, однако разрушаются щелочными водамид Высокая воздухостойкость глиноземистого цемента объясняется уплотнением и кристаллизацией продуктов гидратации цемента и их незначительной деформативной способностью при изменении влажности воздуха. Бетоны на глиноземистом цементе обладают значительной плотностью, примерно в 1,5 раза меньшей пористостью, чем на портландцементе, что и определяет их высокую морозостойкость. Повышению плотности цементного камня способствует гель гидрата окиси алюминия, образующийся при гидратации однокальциевого алюмината, который имеет плотное строение.

Применение глиноземистого цемента существенно ограничивается его стоимостью (в 3--4 раза выше, чем портландцемента), хотя по своим физико-механическим свойствам (скорости твердения, стойкости в различных средах) он превосходит все другие вяжущие вещества, в том числе и портландцемент.-(Применяют глиноземистый цемент в тех случаях, когда наиболее рационально используются его специфические свойства, например при срочных восстановительных работах (ремонт плотин, труб, дорог, мостов, при срочном возведении фундаментов). Химическая стойкость глиноземистого цемента делает целесообразным его использование для тампонирования нефтяных и газовых скважин, на предприятиях пищевой промышленности, на травильных и красильных предприятиях, для футеровки шахтных колодцев и туннелей.

Глиноземистый цемент обладает большей, чем другие вяжущие, стойкостью к действию высокой температуры--1200--1400° С и выше, что позволяет использовать его для изготовления жаростойких бетонов, применяемых в качестве футеровки тепловых аппаратов}) Нельзя использовать глиноземистый цемент в тех случаях, когда температура бетона во время его твердения может подняться выше 25--30° С, а также в бетонных конструкциях, подвергающихся действию вод, содержащих щелочи

Расширяющийся цемент

Цементный камень, полученный на основе всех гидравлических вяжущих веществ, испытывает усадочные деформации. Это гложет привести к появлению трещин в местах соединения бетонных и железобетонных элементов сооружения, что нарушает монолитность конструкции. В ряде случаев, когда усадочные деформации недопустимы, например для зачеканки и гидроизоляции швов тюбингов туннелей, раструбных труб, заделки фундаментных болтов, получения плотных стыков бетонных и железобетонных конструкций, заделки трещин и др., необходимо применять безусадочный или расширяющийся цемент.

К. этой группе вяжущих относятся цементы, несколько увеличивающиеся в объеме при твердении во влажностных условиях или не дающие усадки при твердении на воздухе. Все расширяющиеся цементы являются смешанными и состоят из основного вяжущего вещества и расширяющейся добавки, в которую, в свою очередь, может входить несколько компонентов.

Известно несколько видов расширяющихся цементов: на основе глиноземистого цемента -- водонепроницаемый расширяющийся цемент и гипсо-глиноземистый; на основе портландцемента -- расширяющийся портландцемент, напрягающий цемент, гипсо-цементно-пуццолановые вяжущие и т. д.

Водонепроницаемый расширяющийся цемент представляет собой быстросхватывающееся и быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, получаемое помолом или смешением в шаровой мельнице тон-коизмельченных глиноземистого цемента, гипса и высокоосновного алюмината кальция 4СаО * АЬОз * 12Н2О. Последний получают гидротермальной обработкой в течение 5--6 ч при температуре 120--150° С смеси глиноземистого цемента с известью (1 : 1), затворенной 30% воды. Полученный продукт высушивают и измельчают. Начало схватывания цемента не ранее 4, а конец не позднее 10 мин. Схватывание можно замедлить добавкой с.с.б., уксусной кислоты и буры. Предел прочности при сжатии образцов из цементного теста должен быть не ниже: через 6 ч -- 75, 3 сут. -- 300 и 28 сут. -- 500 кГ/см2. Через 1 сут. твердения образцы должны быть полностью водонепроницаемы при давлении в 6 атм, а их линейное расширение-- не менее 0,2 и не более 1%.

L-Применяют водонепроницаемый расширяющийся цемент при восстановлении разрушенных бетонных и железобетонных конструкций, для гидроизоляции туннелей, стволов шахт, в подземном и подводном строительстве, при создании водонепроницаемых швов. Нельзя применять водонепроницаемый цемент при работах, выполняемых при температуре ниже 0°С, а .также в конструкциях, эксплуатируемых при температурах выше 80° СЛ

Гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент является быстротвер-деющим гидравлическим вяжущим, получаемым путем совместного тонкого помола или смешения высокоглиноземистого шлака и природного двуводного гипса в соотношении 0,7 : 0,3 по весу. Это вяжущее характеризуется интенсивным твердением в водной и воздушной среде.

Цемент бывает трех марок -- 300, 400 и 500, устанавливаемых испытанием на сжатие образцов размером 7,07X7,07X7,07 см, изготовленных трамбованием из жестких растворов 1 : 3 и испытанных через 3 сут. твердения. Начало схватывания цемента не ранее 20 мин, а конец не позднее 4 ч после затворения водой.

Образцы из теста гипсо-глиноземистого цемента через 1 сут, должны быть водонепроницаемы при гидростатическом давлении в 10 атм с линейным расширением не менее 0,15%; через 28 сут. линейное расширение имеет значение не менее 0,3 и не более 1%. При твердении образцов на воздухе (после трехсуточного твердения в воде) расширение должно быть не менее 0,1%. Образцы из теста через 1 сут., а из раствора состава 1 : 3 через 3 сут. после изготовления должны пропускать воду под давлением 10 атм.

Для бетонов на гипсо-глияоземистом цементе характерна высокая прочность сцепления нового бетона со старым -- в 20--25 раз выше, чем бетонов на портландцементе. Бетоны обладают высокой морозостойкостью и сульфатостойкостыо.

I Гипсо-глшюземистый расширяющийся цемент применяют для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов и бетонов, заделки стыков бетонных и железобетонных конструкций, зачеканки швов и раструбов и т. п. Нельзя использовать его в конструкциях, работающих при температуре выше 80° С. t

Расширяющийся портландцемент (РПЦ) -- гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера, высокоглиноземистого шлака, гипса и активной гидравлической добавки. Состав этого цемента следующий (в %): портландцемент 60--65, глиноземистый шлак 5--7, двуводный гипс 7--10, гидравлическая добавка 20--25. Портландцемент должен содержать более .45% C3S и не менее 7% СзА. В качестве добавки применяют трепел, бентонит, опоку и др.

Расширяющийся портландцемент выпускают марок 400, 500 и 600, устанавливаемых по показателям прочности при сжатии образцов размером 7,07X7,07X7,07 см, изготовленных из жестких растворов (1:3) и испытанных через 28 сут. твердения в воде.

Образцы из теста расширяющегося портландцемента при твердении . в воде в течение 1 сут. расширяются не менее чем на 0,15% и через 28 сут. на 0,3-- 1%. Для этого цемента характерен интенсивный рост прочности в процессе пропаривания при температуре 70--80° С. Это позволяет при производстве бетонных и железобетонных изделий на этом цементе ограничиваться термообработкой в течение 4--6 ч. Для цемента характерна высокая водонепроницаемость -- нет фильтрации воды при давлении 11 атм и выше.

Применяют расширяющийся портландцемент для тех же целей, что и другие расширяющиеся цементы, а также для производства бетонных и железобетонных изделий, если необходимо сократить время термообработки.?

Напрягаемый портландцемент (НЦ) представляет собой быстро-схватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое тонким помолом портландцементного клинкера (65%), высокоглинозе-мнстого цемента или шлака (20%) и двуводного гипса (15%). Начало схватывания цемента через 2--5 и конец через 7 мин. Замедляют схватывание добавки сульфитно-спиртовой барды. Предел прочности при сжатии через 1 сут. составляет 200--300 кГ/см2. Фильтрации для образцов из затвердевшего цемента толщиной 20 мм при давлении до 20 атм не наблюдается. Для этого вяжущего наиболее характерна энергия расширения, достигающая 30--40 кГ/см9- при твердении образцов из раствора 1:1. Это свойство позволяет использовать напрягаемый цемент для изготовления железобетонных изделий, арматура которых должна быть напряжена в нескольких направлениях (двухосное и трехосное напряженное армирование). Такое напряжение арматуры механическим путем связано с большими затруднениями. Напрягаемый цемент целесообразно применять для производства напорных железобетонных труб и некоторых тонкостенных железобетонных изделий.



Основные сведения о бетоне

Бетоном называется искусственный камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет вначале роль смазки заполнителей, придающей подвижность (текучесть) бетонной смеси, а впоследствии, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень -- бетон. Бетон в сочетании со стальной арматурой называется железобетоном.

Бетон как строительный материал применялся еще в глубокой древности. С течением времени использование его в строительстве почти прекратилось, и только с XIX столетия после изобретения новых гидравлических вяжущих, в первую очередь портландцемента, бетон снова стал широко применяться для строительства различных инженерных сооружений. Начиная с 60-х годов XIX в., после усовершенствования технологии и повышения марочной прочности цемента, он становится основным вяжущим для бетона и железобетона.

Русские ученые уже с конца XIX в. уделяли большое внимание созданию плотного бетона и правильному расчету его состава. Крупный вклад в науку о бетоне внесли военные инженеры, в особенности Й. Со-мович (1885--1890 гг.) и профессор военно-инженерной академии И. Ма-люга. В его труде «Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости», вышедшем в 1895 г., были изложены результаты исследований зависимости прочности бетона от содержания воды, уплотнения бетонной смеси, крупности песка и щебня или гравия.

Наибольшее развитие технология бетона получила после Великой Октябрьской социалистической революции начиная с 1924 г., со времени первого крупного гидротехнического строительства -- Волховстроя.

Особое значение в развитии технологии бетона в СССР имели работы Н. М. Беляева и его школы. Начиная с 1927 г. Н. М. Беляев и И. П. Александрии и их ученики стали внедрять в практику научные методы подбора состава бетона, обеспечившие значительное повышение его качества. С 30-х годов способы расчета составов бетона, предложенные академиком К. С. Завриевым и Б. Г. Скрамтаевым, совершенно вытеснили иностранные способы расчета. Заслугой советских ученых является создание способов производства зимних бетонных работ н широкое внедрение их в практику.

Крупные успехи имеются также в создании легкого, кислотоупорного и жароупорного бетонов. Технология легких бетонов, разработанная Н. А. Поповым, в настоящее время получила широкое развитие. Все более широкое применение получают пенобетон и газобетон, обладающие малыми объемным весом и коэффициентом теплопроводности. Достижения советской технологии бетона наиболее полно реализуются на различных стройках нашей страны.

Вопросам общей технологии и теории бетонов, исследования физико-механических свойств их различных видов, методов подбора состава, защиты бетонов от коррозии и повышения долговечности, а также заводской технологии изделий посвящены работы ряда ученых -- А. Ё. Де-сова, С. А. Миронова, В. В. Михайлова, Н. В. Михайлова, В. М. Москвина, Н. А. Мощанского, О. П. Мчедлова-Петросяна, К. Д. Некрасова, А. А. Саталкина, В. Н. Сизова, С. В. Шестоперова и многих других исследователей. Развитию отечественной технологии бетона, бетонных и железобетонных изделий способствовали исследовательские и практические работы многочисленных коллективов лабораторий и проектных организаций, научно-исследовательских институтов, в частности НИИЖБ, ВНИИ Железобетона, ВНИИСтрома, ВНИИСтроммаша, проектных институтов Гипростройиндустрия, Гипростройматериалы и др., а также достижения передовых советских инженеров, технологов, конструкторов и новаторов производства.

Получение качественных бетонной смеси и бетона возможно только при глубоком знании технологии, умении выбирать составляющие материалы надлежащего качества и устанавливать их оптимальное соотношение, изыскивать режимы приготовления бетонной смеси, методы ее укладки, уплотнения и условий твердения, обеспечивающие получение бетонных конструкций высокой прочности и долговечности.

Бетон является одним из важнейших строительных материалов во всех областях современного строительства, его производство в СССР в 1970 г. превысило 200 млн. м3. Это объясняется:

разнообразием свойств бетона, получаемых путем использования соответствующего качества вяжущих и каменных материалов и применения специальных методов механической и физико-химической обработки;

легкой механической обработкой бетонной смеси, обладающей пластичностью и позволяющей без значительных затрат труда изготовлять самые разнообразные по форме и размерам долговечные строительные конструкции;

возможностью полной механизации бетонных работ;

экономичностью бетона (до 80--90% его объема составляют заполнители из местных каменных материалов).

Классификация бетонов

Классифицируют бетоны по следующим главнейшим признакам: объемному весу, виду вяжущего вещества, прочности, морозостойкости и назначению.

Основной считается классификация по объемному весу. Бетон делят на особотяжелый объемным весом более 2500 кг/м", тяжелый --объемным весом от 1800 до 2500 кг/м3 включительно, легкий -- объемным весом от 500 до 1800 кг!к3 включительно-особолегкий -- объемным весом менее 500 кг/'м3.

В зависимости от наибольшей крупности применяемых заполнителей различают бетоны мелкозернистые с заполнителем размером до 10 мм и крупнозернистые с заполнителем наибольшей крупности 10--150 мм.

Важнейшими показателями качества бетона являются его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны подразделяются на марки R в кГ/сль2. Тяжелые бетоны на цементах и обычных плотных заполнителях имеют марки 100--600, особотяжелые бетоны 100--200, легкие бетоны на пористых заполнителях 25--300, ячеистые бетоны 25--200, плотные силикатные бетоны 100--400 и жаростойкие бетоны 100--400.

Долговечность бетонов оценивается степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны разделяют на марки морозостойкости Мрз: для тяжелых бетонов Мрз 50--300 и для легких бетонов Мрз 10--200.

По виду вяжущего вещества различают бетоны:

цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих веществах -- портландцементах и его разновидностях;

силикатные -- на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами;

гипсовые -- с применением гипсоангидритовых вяжущих;

бетоны на органических вяжущих материалах.

В настоящей главе рассматриваются бетоны на минеральных вяжущих веществах.

Тяжелый бетон изготовляют на цементе и обычных плотных заполнителях, а легкий -- на цементе с применением естественных или искусственных пористых заполнителей. Разновидностью легкого бетона является ячеистый бетон, представляющий собой отвердевшую смесь вяжущего вещества, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя. Он отличается высокой пористостью (до 80--90%) при равномерно распределенных мелких порах. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим твердением сформованных изделий в автоклаве при давлении 9--16 атм (изб.) и температуре 174,5--200° С.

По назначению бетон бывает следующих видов:

обычный -- для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты);

гидротехнический -- для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.;

для зданий и легких перекрытий;

для полов и дорожных покрытий и оснований;

специального назначения: кислотоупорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты. Последние изготовляют на цементе со специальными видами заполнителей высокого объемного веса.

Материалы для тяжелого бетона

Тяжелый бетон, применяемый для сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций и деталей промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений, должен приобретать определенную прочность в заданный срок твердения, а бетонная смесь должна быть удобной в укладке и экономичной. При использовании в незащищенных от внешней среды конструкциях к бетону предъявляются требования повышенной плотности, морозостойкости и коррозиестойкости. В зависимости от назначения и условий эксплуатации бетона в сооружении составляющие его материалы отвечают определенным требованиям.

Цемент

Для приготовления тяжелых бетонов применяют портландцемент обычный, пластифицированный и гидрофобный, портландцемент с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент и др. Характеристика этих цементов и требования, предъявляемые к ним, изложены в четвертой главе.

Вода для затворения

Для затворения бетонных смесей и поливки бетона применяется вода, не содержащая вредных примесей, препятствующих нормальному твердению бетона, -- кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара и т. п.-Щельзя применять воды болотные и сточные, а также воды, загрязненные вредными примесями, имеющие водородный показатель рН менее 4 и содержащие сульфаты (в расчете на SO3) более 0,27%. Морскую и другие воды, имеющие минеральные соли, можно использовать только, если общее количество солей в них не превышает 2%..'Пригодность воды для бетона устанавливается химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на данной и на чистой питьевой воде и испытанных в возрасте 28 сут. при хранении в нормальных условиях. Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность, не меньшую, чем образцы на чистой питьевой воде.

Песок

Песком называется рыхлая смесь зерен крупностью от 0,14 до 5 мм, образовавшаяся в результате естественного разрушения массивных горных пород или их дробления (природные пески). Кроме природных песков применяют искусственные, получаемые при дроблении или грануляции металлургических и топливных шлаков или специально приготовленных материалов -- керамзита, аглопорита и др. Можно использовать пески фракционированные и нефракционированные.

Для тяжелого бетона преимущественно идут природные пески, которые по минералогическому составу подразделяются на кварцевые, полевошпатовые, известняковые и доломитовые; наибольшее применение получили кварцевые пески. Дробленый песок изготовляют из невывет-ренных изверженных, метаморфических или плотных карбонатных осадочных пород с пределом прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии не менее 400 кГ/см2. Форма зерен дробленого песка должна быть близка к кубической.

На качество бетона большое влияние оказывает зерновой (гранулометрический) состав песка и количественное содержание в нем различных примесей: пылевидных, илистых, глинистых и органических. Содержание их устанавливается отмучиванием и количественно не должно превышать 3% в природном песке и 5% в дробленом, в том числе не более 0,15% глины. Наиболее вредной в песке является примесь глины, которая обволакивает отдельные зерна.песка и препятствует сцеплению их с цементным камнем, понижая прочность бетона. Глинистые и пылевидные примеси в песке повышают водопотребность бетонных смесей и приводят к понижению прочности и морозостойкости бетона. Очищать песок от этих частиц можно промыванием водой в специальных машинах -- пескомойках.

Б природных песках могут содержаться также в большом количестве органические примеси (гуминовые кислоты, остатки растений, перегной), которые вступают в реакцию с твердеющим цементом и понижают прочность бетона. Содержание органических примесей устанавливается колориметрическим методом -- обработкой пробы песка 3%-ным раствором едкого натра. Если после обработки песка цвет раствора оказывается не темнее цвета эталона, то песок признается доброкачественным. Испытуемый песок можно также считать пригодным, если прочность образцов раствора из него оказывается не меньше прочности образцов на том же песке, но промытом сначала известковым молоком, а затем водой.

Зерновой (гранулометрический) состав песка имеет особое значение для получения качественного бетона. Песок должен состоять из зерен различной величины в пределах 0,14--5 мм и тогда объем пустот в нем будет минимальным; чем меньше объем пустот в песке, тем меньше требуется цемента для получения плотного бетона. Зерновой состав песка определяют просеиванием сухого песка через стандартный набор сит с отверстиями размером 10,5 и 2,5 и сетками № 1,25, 0,63, 0,315 и 0,14 ж;.;. Высушенную до постоянного веса пробу песка просеивают через сита с круглыми отверстиями размерами 10 и 5 мм. Остатки на этих ситах взвешивают и вычисляют с точностью до 0,1% процентное содержание в песке зерен крупностью 5--10 мм и выше 10 мм.

Зерновой состав песка в бетоне должен соответствовать кривой просеивания, выбираемой при проектировании состава бетона в пределах, указанных ниже и на графике (45), с учетом свойств применяемых -материалов и требований к бетону и бетонной смеси.

В зависимости от зернового состава песок разделяют на крупный, средний, мелкий и очень мелкий. Для каждой группы песка показатели должны соответствовать следующим величинам Для бетона рекомендуется применять крупный и средний пески с модулем крупности 2--3,25.

Если песок не удовлетворяет требованиям ГОСТа, то его необходимо фракционировать, т. е. рассеивать на две фракции -- крупную и мелкую, получаемые разделением исходного материала по граничному зерну, соответствующему размеру отверстий сит 1,25 или 0,63 мм, а затем смешивать эти фракции в соотношении, установленном лабораторией. Фракционированный песок можно поставлять в виде готовой смеси.

Мелкие пески имеют очень большую суммарную поверхность зерен, и на их обволакивание требуется большое количество цемента при изготовлении бетонной смеси, поэтому применение мелкого песка должно быть экономически обосновано. Песок, предназначенный для растворов, не должен содержать фракции зерен крупнее 5 мм, а в песке, предназначенном для бетонов, допускаются зерна гравия или щебня размером более 10 мм в количестве до 0,5% по весу; зерна размером 5--10 мм допускаются в количестве не более 5% по весу; содержание зерен, проходящих через сито № 014, не должно превышать 10%.

Объемный (насыпной) вес кварцевого песка зависит от степени уплотнения, влажности и пустотности. Сухой и рыхлонасыпанный кварцевый песок имеет объемный вес 1500-- 1600 кг/м3. На 46 приведены кривые изменения объема разных песков в зависимости от их влажности. Наименьший объемный вес кварцевых песков соответствует влажности 5--7% (по весу). Поэтому при дозировке песка для бетона или приемке песка необходимо учитывать содержание в нем воды.

Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяется гравий или щебень из горных пород, реже шлаковый и кирпичный щебень.

Гравием называется скопление зерен размером 5--70 (150) мм, образовавшихся в результате естественного разрушения горных пород.

Зерно гравия имеет окатанную форму и гладкую поверхность. Для бетона наиболее выгодны зерна малоокатанные щебневидной формы, хуже яйцевидные (окатанные), еще хуже пластинчатые и игловатые зерна, понижающие прочность бетона. Содержание пластинчатых и игловатых зерен в гравии допускается не более 15%, а зерен слабых (пористых) пород -- не более 10%. По крупности зерен гравий разделяется на следующие фракции: 5--10, 10--20, 20--40 и 40--70 мм.

Часто гравий залегает вместе с песком. При содержании в гравии 25--40% песка материал называют песчано-гравийной смесью.

Гравий, подобно песку, может содержать вредные примеси пыли, ила, глины, органических кислот и сернистых и сернокислых соединений. Количество в гравии глинистых, илистых и пылевидных примесей, определяемых отмучиванием, не должно превышать 1%. Содержание органических примесей устанавливается колориметрическим методом: гравий, предназначенный для бетона, при обработке его раствором едкого натрия не должен придавать раствору окраску темнее цвета эталона. -

Предварительную оценку прочности гравия дают испытанием на дробимость в цилиндре, раздавливая пробу гравия в цилиндре статической нагрузкой. Затем пробу просеивают через сито с размером отверстия, соответствующим наименьшему размеру зерен в исходной пробе гравия, и устанавливают величину потери в весе. В зависимости от этой величины гравий ( щебень) подразделяется на марки: Др8 (при потеоэ в весе 8%), Др12 (при потере 9--12%) и Др16 (при потере 13--16%У

Окончательная пригодность гравия для бетона требуемой марки устанавливается по результатам испытания образцов из бетона на этом гравии. При строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений прочность зерен гравия должна быть более чем в 1,5 раза выше прочности бетона марки ниже 300 и не менее чем в 2 раза выше прочности бетона марки 300 и выше. Для бетона марки 400 и выше можно использовать гравий только при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Гравий для бетона характеризуется петрографическим составом,причем необходимо знать количество зерен слабых пород, а также механическую прочность на истирание и удар. Истираемость гравия определяется в полочном барабане. При этом определяется сопротивляемость каменного материала скалыванию кромок, удару и истиранию при падении и изнашивании, при трении зерен гравия друг о друга или при ударе падающих с полки шаров. Показателем истираемости И считают потерю гравия в весе от первоначального веса в %. По истираемости гравий делят на ч-етыре марки -- И20, ИЗО, И45 и И55. Потеря в весе при истирании соответственно равна 20, 21--30, 31--45 и 46--55%. В зависимости от сопротивления удару при испытании на копре ПМ гравий подразделяют на три марки -- У75, У50 и У40

Гравий, предназначенный для бетонных конструкций, подвергающихся совместному действию воды и низких температур, должен обладать определенной степенью морозостойкости. По этому признаку его подразделяют на шесть марок -- Мрз 15, Мрз 25, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200 и Мрз 300. Морозостойкость определяется непосредственным замораживанием и оттаиванием гравия. Для предварительной оценки морозостойкости гравия разрешается его испытание в растворе сернокислого натрия. Гравий считается морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократное (15 и более циклов) попеременное замораживание при температуре --17° С и оттаивание; при этом потеря в весе после испытания составляет не более 10%.

Морозостойкость гравия можно определить не только непосредственным замораживанием и оттаиванием, но и ускоренным испытанием.

Сущность этого метода заключается в том, что вместо замораживания образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и высушивают при температуре 105--110° С. Кристаллы сульфата натрия, образующиеся при этом в порах материала, давят на стенки пор сильнее, чем частицы льда. При таком испытании число цик-лов испытания меньше, чем при замораживании: 1 цикл испытания в растворе сернокислого натрия приравнивается 5--20 циклам испытания замораживанием в зависимости от степени морозостойкости гравия. В случае получения неудовлетворительных результатов при испытании сернокислым натрием проводят испытание непосредственным замораживанием, и результаты его являются окончательными. Наиболее экономично для приготовления бетона применять крупный гравий, так как благодаря меньшей его суммарной поверхности требуется меньше цемента для получения прочного бетона. Допустимая крупность зерен гравия зависит от размеров бетонируемой конструкции: для хорошей укладки бетонной смеси размер гравия не должен превышать lU минимального размера сечения конструкции и быть не больше наименьшего расстояния между стержнями арматуры; для плит, в которых бетонная смесь укладывается легче, допускается наибольшая крупность зерен, равная '/г толщины плиты; для бетонирования массивных гидротехнических сооружений применяют гравий крупностью зерен более 70 мм.

Хорошим зерновым составом гравия считается тот, в котором имеются зерна разной величины, так как при этом пустотность его оказывается наименьшей. Зерновой состав гравия определяется просеиванием сухой пробы в количестве 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм. Зерновой (гранулометрический) состав каждой фракции или смеси нескольких фракций гравия должен находиться в пределах, указанных на графике (47). За наибольшую крупность зерен гравия (?)Наиб) принимается размер отверстий сит, на котором полный остаток не превышает 5% навески. Наименьшая крупность гравия (?>наим) соответствует размеру отверстия первого из сит, через которое проходит не более 5% просеиваемой пробы.

Щебень получают путем дробления массивны?: горных пород, гравия, валунов или искусственных камней на куски размером 5--70 мм. Для приготовления бетона обычно используется щебень, полученный дроблением плотных горных пород, щебень из гравия и щебень из доменных и мартеновских шлаков.

Щебень из гравия и горных пород. Гравий или горные породы дробят на камнедробилках. При этом получают не только зерна щебня, но и более мелкие фракции, относящиеся по крупности к песку и пыли. Зерна щебня получаются неправильной формы, лучшей считается форма, приближающаяся к кубу и тетраэдру. Вследствие шероховатой поверхности зерна щебня лучше сцепляются с цементным камнем в бетоне, чем гравий, но бетонная смесь со щебнем менее подвижна, чем с гравием.

По дробимости, морозостойкости, зерновому составу, истираемости и сопротивлению удару к щебню предъявляются такие же требования, как и к гравию.

Марка щебня определяется пределом прочности горной породы при сжатии в кГ/см2 в водонасыщенном состоянии. Щебень разделяется на следующие марки--1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200. При этом щебень из изверженных горных пород должен иметь марку не ниже 800, из метаморфических -- не ниже 600 и осадочных карбонатных пород -- не ниже 300.

По прочности исходной горной породы марка щебня при сжатии в насыщенном водой состоянии должна быть выше марки бетона более чем в 1,5 раза для бетона марки ниже 300 и в 2 раза для бетона марки 300 и выше. В отдельных случаях допускается применение щебня марки ниже указанной, но в этом случае должна быть установлена марка бетона на этом щебне непосредственным испытанием бетона, а также дано технико-экономическое обоснование целесообразности использования щебня низких марок. Содержание зерен слабых пород в щебне не должно превышать 10, а зерен пластинчатой и игловатой форм--15%.

Количество глинистых и пылевидных частиц в щебне, определяемых отмучиванием, должно быть не больше величин, указанных в табл. 24.

В щебне не должно содержаться комков глины, суглинка и других засоряющих примесей.

Шлаковый щебень получают дроблением шлака, который образуется в процессе доменной плавки металлов (доменный шлак) или при сжигании минерального топлива (топливный шлак). Шлаки должны обладать кристаллической структурой и не иметь признаков распада. Шлаковый распад является результатом перехода одних соединений шлака в другие под действием газов, содержащихся в воздухе, и влаги. Этот переход сопровождается увеличением объема образующихся новых соединений, что вызывает растрескивание и распад кусков шлака.

Щебень должен иметь устойчивую структуру. Она считается устойчивой против силикатного и железистого распада, если потеря в весе щебня после соответствующих испытаний составит не более 5% в каждом случае. Он должен быть без засоряющих примесей: топливных шлаков, золы, колошниковой пыли и т. п. Содержание пылевидных, илистых и глинистых частиц в щебне, определяемых отмучиванием, не превышает 2%. По физико-механическим свойствам шлаковый щебень должен удовлетворять тем же требованиям, что и щебень из природного камня.



Основные свойства бетонной смеси и бетона

Тяжелый бетон чаще всего изготовляют на портландцементе, кварцевом песке и гравии или щебне из плотных горных пород. Бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам ее укладки.

Прочность бетона

В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб или скалывание. Тяжелый бетон, применяемый в промышленном, жилищном и гражданском строительстве, оценивается пределом прочности при сжатии и пределом прочности на растяжение при изгибе, являющимися основной характеристикой механических свойств бетона.

По величине предела прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 20 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси, после твердения их в течение 28 сут. в нормальных условиях, обозначается марка бетона. Допускается определение прочности бетона на' образцах размерами 30X30X30, 15X15X15 и ЮХЮхЮ см. Результаты испытаний таких образцов приводятся к нормальным путем умножения полученных значений на коэффициенты соответственно 1,1, 0,9 и 0,85.

Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основными факторами, влияющими на прочность бетона, являются активность цемента и водоцементное отношение. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, однако при одной и той же активности цемента можно получить бетон различной прочности в зависимости от изменения количества воды в смеси. Эта зависимость была установлена в 1895 г. И. Г. Малюгой.

Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды В к цементу Ц обычно принимают В/Ц= = 0,4--0,7 (для химического взаимодействия цемента с водой требуется 15-- 20% воды от веса цемента). Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, а это ведет к снижению плотности и, соответственно, прочности бетона. Исходя из этого прочность бетона можно повысить путем уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.

Глубокие всесторонние исследования советских ученых (Н. М. Беляев, Б. Г. Скрамтаев и др.) расширили и уточнили выводы И. Г. Малюгп о влиянии различных факторов на свойства бетона и установили зависимости, графически изображенные на 49.

Для ориентировочного определения возможного предела прочности-бетона при сжатии в возрасте 28 сут. при твердении в нормальных тем-пературно-влажностных условиях для бетонов из умеренно-жестких и малоподвижных бетонных смесей, уплотняемых вибрацией при коэффициенте уплотнения не ниже 0,98, рекомендуются следующие расчетные формулы.

К высококачественным материалам относятся щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки, а также заполнители чистые, промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций; к рядовым материалам -- заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент; к материалам пониженного качества -- крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, отвечающие пониженным требованиям ГОСТ 10268--62, и цементы низкой активности.

Приведенные зависимости прочности бетона от различных факторов, выраженные в виде формул и графиков, позволяют заранее определить ориентировочную прочность бетона в 28-суточном возрасте при известном водоцементном отношении, марке цемента и виде заполнителя, а также величину водоцементного отношения, обеспечивающую получение бетона заданной прочности.

Наряду с приведенными выше факторами (активность и качество цемента, водоцементное отношение и качество заполнителей) на прочность бетона в значительной степени влияют степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона. Прочность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона до тех пор, пока прочность их больше проектируемой марки бетона. Применение низкопрочных заполнителей прочностью ниже требуемой марки бетона может существенно снизить прочность последнего или потребует высокого расхода цемента. Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличие от гравия, зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем, а бетон, приготовленный на щебне, при прочих равных условиях имеет прочность, большую, чем бетон на гравии.

На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси. Последнее определяет ее подвижность (или жесткость). Жесткие бетонные смеси с низким содержанием воды обеспечивают более быстрое твердение бетона, чем подвижные.

Нарастание прочности тяжелого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7--14 сут. прочность бетона быстро растет, затем рост прочности к 28 сут. замедляется и постепенно затухает; во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения бетонных образцов их средняя прочность в семисуточном возрасте составляет 0,6--0,7 прочности 28-суточных образцов. У трехмесячных образцов прочность примерно на 25%, а у 12-месячных на 75% оказывается выше, чем у образцов 28-суточного возраста.

Большое влияние на рост прочности бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха --90--100% и температура -- 20±2°С. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, которое может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с ее понижением. Так, за 10--14 ч твердения в атмосфере насыщенного пара (пропарива-ние) при температуре 80--90° С прочность бетона достигает 60--70% марочной 28-суточной прочности.

Для ускорения твердения бетона применяют также добавки (ускорители твердения) -- хлористый кальций и хлористый натрий. Это имеет большое практическое значение при производстве бетонных работ в зимних условиях, так как добавки позволяют получать бетоны, твердеющие на морозе.

Свойства бетонной смеси

Прочный и долговечный бетон из материалов даже высокого качества может быть получен только при тщательном уплотнении бетонной смеси при формовании из нее конструкций. Формовочная способность бетонной смеси определяется двумя показателями -- подвижностью и пластичностью.

Пластичность характеризует внутреннюю связность смеси, способность ее формоваться, приобретая заданную форму без разрывов и расслаивания на отдельные составляющие.

Подвижность бетонной смеси с максимальной крупностью зерен заполнителя до 70 мм оценивается величиной осадки (в сантиметрах) под собственным весом или при вибрации конуса, отформованного из бетонной смеси. Конфигурация массы получается при загрузке ее в форму -- усеченный конус (50). Осадку конуса смеси определяют следующим образом. Сначала конус смачивают внутри водой, затем форму заполняют бетонной смесью послойно тремя слоями одинаковой высоты и каждый слой уплотняют, штыкуя 25 раз металлическим стержнем; при этом форму прижимают к листу, избыток смеси срезают вровень с краями формы; затем снимают форму и устанавливают ее рядом с отформованной бетонной смесью; образовавшийся конус бетонной смеси под действием собственного веса оседает. Величина осадки конуса служит оценкой подвижности бетонной смеси

Жесткость бетонной смеси в секундах устанавливается: а) для бетонных смесей с максимальной крупностью зерен заполнителя 40 мм -- с помощью технического вискозиметра;

б) для бетонных смесей с максимальной крупностью зерен заполнителя до 70 мм и при жесткости смеси не более 100 сек -- упрощенным способом.

Технический вискозиметр для определения показателя жесткости бетонной смеси (51) имеет цилиндрический сосуд / высотой 200 мм и диаметром 300 мм с плоским дном; цилиндрическое кольцо 2 диаметром 216 мм и высотой 130 мм с тремя опорными планками 3, при помощи которых кольцо можно помещать в цилиндрический сосуд и удерживать в цилиндре; форму конуса 4 с насадкой 5; штатив 6, закрепленный в петлях, приваренных к цилиндрическому сосуду; плоский диск, перемещающийся вертикально на штанге 7 и укрепляемый зажимом. Жесткость бетонной смеси определяют следующим образом. На виброплощадку устанавливают цилиндрический сосуд, в который вставляют и закрепляют цилиндрическое кольцо, а затем в кольцо помещают форму-конус, заполняя ее смесью на полную высоту с насадкой и одновременно уплотняя смесь штыкованием. Окончательно бетонная смесь уплотняется вибрированием до момента, пока на ее поверхности и из-под нижнего основания конуса не начнется заметное выделение цементного клея. Время вибрирования должно быть не менее 5 и не более 30 сек. Затем насадку снимают, избыток смеси срезают вровень с краями конуса и строго вертикально поднимают конус. После этого освобождают зажимной винт штатива с диском и опускают диск на поверхность отформованного конуса бетонной смеси. Включают виброплощадку и секундомер и наблюдают за опусканием штанги; когда риска штанги совпадет с верхней плоскостью направляющей головки штатива, выключают секундомер и вибратор и отмечают время, прошедшее от момента включения вибратора до его выключения. Это время в секундах характеризует жесткость бетонной смеси.