Свойства бетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

132 с., 70 рис., 40 табл., 12 источников

МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ БЕТОН, БЕТОННАЯ СМЕСЬ, МОРОЗОСТОЙКОСТЬ, ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ, ПРОЧНОСТЬ, СТАНДАРТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ, ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ.

Областью исследования является получение бетонов с улучшенными показателями по морозостойкости.

Цель работы - исследование влияния различных факторов на морозостойкость мелкозернистого бетона.

Были отработаны и проанализированы методики определения морозостойкости стандартным и ускоренным (дилатометрическим) методами, определены их достоинства и недостатки.

Было изучено влияние на морозостойкость бетона цементно-песчаного и водоцементного отношений бетонной смеси и установлена зависимость между этими показателями.

В ходе работы было установлено, что технологические факторы существенно влияют на свойства мелкозернистого бетона, в частности на морозостойкость, поэтому требуют дальнейшего исследования и учета при приготовлении бетонной смеси.

морозостойкость бетон водоцементный песчаный



Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 Бетоны

1.1.1 Общие сведения

1.1.2 Классификация бетонов

1.1.3 Основные требования к бетонам

1.1.4 Материалы для бетона

1.1.5 Приготовление и уплотнение бетонной смеси

1.1.6 Свойства бетонной смеси

1.1.7 Структура бетона

1.1.8 Свойства бетона

1.1.9 Мелкозернистый бетон

1.2 Морозостойкость бетона

1.2.1 Теория морозного разрушения бетона

1.2.2 Методы определения морозостойкости

1.2.3 История дилатометрического метода определения морозостойкости

1.2.4 Способы регулирования морозостойкости бетона

2. Методическая часть

2.1 Изготовление образцов

Определение насыпной плотности песка

2.2 Способы измерения прочности

2.2.1 Определение прочности на сжатие

2.2.2 Определение прочности на растяжение при изгибе

2.3 Способы измерения морозостойкости

2.3.1 Определение морозостойкости стандартным методом

2.3.2 Определение морозостойкости ускоренным дилатометрическим методом

3. Экспериментальная часть

3.1 Исследование влияния предварительного замачивания песка на морозостойкость мелкозернистого бетона

3.2 Исследование влияния термовлажностной обработки песка на морозостойкость мелкозернистого бетона

Заключение

Список использованных источников



Введение

Получение бетонов с заданными параметрами при минимальных затратах является актуальной задачей на сегодняшний день. В зависимости от соотношения составляющих бетонной смеси можно получить бетон с различными характеристиками.

В условиях нашего климата особое внимание следует уделять такому свойству как морозостойкость. Сотни тысяч конструкций из бетона и железобетона находятся на открытом воздухе, увлажняются при действии природных факторов, подвергаются замораживанию и оттаиванию. Конструкции из неморозостойкого бетона со временем теряют несущую способность, подвергаются поверхностному износу и получают различного рода повреждения. Морозные повреждения защитного слоя, бетон которого работает в особенно жестких условиях, увеличивают его проницаемость и ухудшают защитные свойства по отношению к арматуре. Таким образом, морозостойкость бетона имеет особое значение для обеспечения долговечности и эксплуатационной надежности конструкций и сооружений из бетона и железобетона.

Одними из целей работы являются отработка методики, а также сравнение двух методов определения морозостойкости бетона: стандартного, который заключается в попеременном замораживании-оттаивание образцов в насыщенном водой состоянии, и ускоренного - дилатометрического, суть которого заключается в однократном замораживании водонасыщенных образцов в керосине до температуры минус 20°С и сравнении аномальных скачков объемных деформаций исследуемых и стандартных систем.

Другая важная задача работы - это изучение влияния цементно-песчаного отношения на морозостойкость бетона, а также поведение данного свойства при изменении водоцементного отношения бетонной смеси.

Наконец, завершающим предметом исследований стало влияние различных технологических факторов на морозостойкость мелкозернистого бетона. Для этого производилось предварительное замачивание песка, предназначенного для приготовления бетонной смеси, продолжительность которого составляла от 30 минут до 24 часов. Кроме этого исследовано также влияние на морозостойкость бетона термовлажностной обработки песка. Для имитации воздействий на песок в производственных условиях в зимний период времени он подвергался выдержке при температуре 60°С в условиях насыщенного водяного пара.

Предполагается, что рассматриваемые технологические факторы могут существенно влиять на морозостойкость получаемых бетонов.



1. Общая часть

1.1 Бетоны

1.1.1 Общие сведения

Бетоны - искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих. Вяжущее вещество и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Заполнители (песок, гравий, щебень) образуют жесткий скелет бетона, влияют на его структуру и свойства, значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. Считается, что между цементом и заполнителями не происходит химического взаимодействия, поэтому заполнители часто называют инертными материалами.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства.

В течение длительного времени в бетонах происходит изменение поровой структуры, наблюдается протекание структурообразующих, а иногда и деструктивных процессов и как результат - изменение свойств материала. С увеличением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяются не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси и условиями твердения. [1, с. 6,7]

1.1.2 Классификация бетонов

Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.

Многие свойства бетона зависят от его плотности, на которую влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура. По плотности бетоны делят на:

особо тяжелые (плотностью более 2500 кг/м3) - такие бетоны приготавливают на тяжелых заполнителях - стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон);

тяжелые (1800…2500 кг/м3) - в строительстве наиболее широко используют тяжелый бетон с плотностью 2100…2500 кг/м3 на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Облегченный бетон с плотностью 1800…2000 кг/м3 получают на щебне из горных пород с плотностью 1600…1900 кг/м3 или без песка (крупнопористый бетон);

легкие (500…1800 кг/м3) - данный вид бетонов изготавливают на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза, туф и др.) и применяют для уменьшения массы конструкций и удешевления строительства;

особо легкие (менее 500 кг/м3) - к этой категории относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием смеси вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем, по существу, является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают следующие виды бетонов:

цементные - изготавливаются на различных цементах и наиболее широко применяются в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), применяемые для различных видов конструкций и условий их эксплуатации; успешно используются бетоны на шлакопортландцементе (около 20…25%) и пуццолановом цементе. К разновидностям цементных бетонов относятся: декоративные бетоны, изготавливаемые на белом и цветных цементах, бетоны для самонапряженных конструкций - на напрягающем цементе, бетоны для специальных целей, получаемые на особых видах цемента (глиноземистом, безусадочном и т.д.);

силикатные - приготавливаются на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный метод твердения;

гипсовые - применяются для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементно-пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью и более широкой областью применения (объемные блоки санузлов, конструкции малоэтажных домов и др.);

шлакощелочные - данный вид бетонов делают на молотых шлаках, затворенных щелочными растворами;

полимербетоны - изготавливаются на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные и др.) или мономеры (фурфуролацетоновый и др.), отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация и т.д.);

полимерцементные - приготавливаются на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества. В качестве полимера используют, например, водорастворимые смолы и латексы;

бетонополимеры - бетоны на неорганических вяжущих улучшенные путем пропитки мономерами с последующим их отверждением в порах и капиллярах бетона;

специальные - такие бетоны получают с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное и другие связующие. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые, стеклощелочные и др., полученные из отходов промышленности, что имеет важное значение для экономии цемента и охраны окружающей среды.

В зависимости от области применения бетоны можно классифицировать следующим образом:

обычный бетон - применяется для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостовых и других типов конструкций);

гидротехнический бетон - для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т.д.;

бетон для ограждающих конструкций - обычно легкий бетон;

бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытия;

бетоны специального назначения - жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты и др. [1, с. 11-13]

1.1.3 Основные требования к бетонам

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям:

бетоны для обычных железобетонных конструкций должны иметь заданную прочность, главным образом при сжатии, а для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе важна еще и морозостойкость;

бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой, стойкостью против выщелачивающего действия фильтрующих вод, в ряде случаев стойкостью по отношению к действию минерализованных вод и незначительно выделять теплоту при твердении;

бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытия должны обладать необходимой прочностью и теплопроводностью;

бетоны для полов должны иметь малую истираемость и достаточную прочность при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий еще и высокую морозостойкость;

к бетонам специального назначения предъявляются требования, обусловленные особенностью их службы.

Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие:

до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться;

бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию;

расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными. [1, с. 13]

1.1.4 Материалы для бетона

Вяжущие вещества

Для приготовления конструкционного бетона наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Различают неорганические вещества водного (цементы) и воздушного (известь, гипс и др.) твердения.

Цементы. Основу большинства цементов составляет портландцементный клинкер. Клинкер получают путем равномерного обжига до спекания тщательно дозированной сырьевой смеси, содержащей около 75…78% CaCO3 и 22…25% (CaO2+Al2O3+Fe2O3). В результате обжига при температуре 1200…1450°С образуются клинкерные минералы: алюмоферриты кальция переменного состава xCaOyAl2O3Fe2O3, трехкальциевый алюминат 3CaOAl2O3, двухкальциевый силикат 2CaOSiO2 и трехкальциевый силикат 3CaOSiO2. Эти четыре соединения - основные составные части цементного клинкера, но два последних (силикаты кальция) составляют 70…80% от его массы. Ориентировочное содержание различных минералов в портландцементе составляет: 37…60% 3CaOSiO2 или C3S, 15…37% 2CaOSiO2 или C2S, 5…15% 3CaOAl2O3 или C3A, 10…18% 4CaOAl2O3Fe2O3 или C4AF. Нормируя минералогический состав клинкера и вводя минеральные или органические добавки, получают различные цементы, несколько отличающиеся по свойствам и применяемые в разных областях строительства.

Основное влияние на качество цемента оказывает высокое содержание трехкальциевого силиката (алита), который обладает свойствами быстротвердеющего гидравлического вещества высокой прочности. Двухкальциевый силикат (белит) - медленно твердеющее гидравлическое вяжущее средней прочности. Трехкальциевый алюминат твердеет быстро, но имеет низкую прочность. Изменяя минералогический состав цемента можно варьировать его качество. Цементы высоких марок и быстротвердеющие изготавливают с повышенным содержанием трехкальциевого силиката (алитовые цементы). Цементы с высоким содержанием белита (белитовые) медленно твердеют, однако прочность их нарастает в течение длительного времени и в возрасте нескольких лет может оказаться достаточно высокой.

Основным свойством, характеризующим качество любого цемента, является его прочность (марка).

Прочность цемента при сжатии колеблется от 30 до 60 МПа. Соответственно прочность стандартных образцов на изгиб составляет 4,5...6,5 МПа. Цементы с прочностью от 30 до 40 МПа относят к марке 300, с прочностью 40...50 МПа - к марке 400 и т.д. В строительстве применяют цементы марок 300, 400, 500, 550, 600.

Действительную прочность цемента называют его активностью. Например, если прочность контрольных образцов окажется 44 МПа, то активность этого цемента будет 44 МПа, а марка -- 400. При проектировании состава бетона лучше использовать активность цемента, так как это обеспечивает более точные результаты и экономию цемента. Повышение прочности цемента на 1 МПа приводит к снижению расхода цемента на 2...5 кг/м3, причем более заметное снижение наблюдается в высокопрочных бетонах. Если предположить, что учет активности цемента позволяет использовать в расчетах данные о прочности цемента на 2...4 МПа более высокие, чем по его марке, то это будет обеспечивать экономию цемента 5...20 кг/м3 бетона.

Цементная промышленность выпускает в основном цементы марок М400...550, а по особому заказу - М600. Прочность цемента высоких марок нарастает быстрее, чем цемента низких марок. Например, цемент М500 уже через трое суток имеет прочность 20...25 МПа, поэтому цементы высоких марок являются не только высокопрочными, но и до известной степени быстротвердеющими. Применение таких цементов обеспечивает быструю распалубку конструкций и сокращает сроки изготовления сборных железобетонных изделий.

Помимо прочности важными свойствами цемента являются также нормальная густота и сроки схватывания.

Нормальной густотой называют то содержание воды (%), которое необходимо добавить к цементу, чтобы получить определенную консистенцию цементного теста. Портландцемента имеют нормальную густоту 22...27%, пуццолановые -- 30% и более. Нормальная густота увеличивается при введении в цемент при помоле тонкомолотых добавок, обладающих большой водопотребностью, например трепела, опоки. Наименьшую нормальную густоту имеют чисто клинкерные цементы. Нормальная густота цемента в известной мере определяет реологические свойства цементного теста и тем самым влияет на подвижность бетонной смеси. Чем меньше нормальная густота цемента, тем меньше водопотребность бетонной смеси, необходимая для достижения определенной подвижности смеси. В среднем в зависимости от состава бетона уменьшение нормальной густоты цемента на 1% понижает водопотребность бетонной смеси на 2…5 л/м3, причем большее снижение водопотребности наблюдается у высокопрочных бетонов. Сокращение расхода воды, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода цемента. В бетонах желательно применять цементы с пониженной нормальной густотой.

Сроки схватывания цемента, определяемые на специальном приборе по глубине проникания иглы в цементное тесто, характеризуют начало и конец процесса превращения материала в твердое тело. По стандарту требуется, чтобы начало схватывания при температуре 20 °С наступало не ранее чем через 45 мин, а конец завершался не позднее чем через 10 ч с момента затворения цемента водой. В действительности начало схватывания цемента наступает через 1...2 ч, а конец - через 5...8 ч. Эти сроки обеспечивают производство бетонных работ, так как дают возможность транспортировать и укладывать бетонные смеси и растворы до их схватывания. Сроки схватывания цемента можно регулировать путем добавления в бетонную смесь при ее приготовлении различных химических добавок (рис. 1).



Рисунок 1 - Влияние химических добавок на срок схватывания цемента

Например, хлористый кальций ускоряет гидратацию и схватывание цемента, поверхностно-активные вещества (сульфитно-дрожжевая бражка и др.) - замедляют. Сроки схватывания уменьшаются также при повышении температуры бетона, уменьшении водоцементного отношения.

Портландцемент имеет, как правило, тонкий помол: через сито № 008 (около 4900 отверстий на 1 см2 с размером ячеек в свету 0,08х0,08 мм) должно проходить не менее 85 % общей массы цемента. Средний размер частиц цемента составляет 15...20 мкм. Тонкость помола цемента характеризуют также удельной поверхностью зерен, содержащихся в 1 т цемента. Удельную поверхность цемента определяют социальным прибором. Цемент среднего качества имеет удельную поверхность 2000...2500 см2/г, высокого качества - 3500 см2/г и более.

Истинная плотность портландцемента без добавки составляет 3,05...3,15 г/см3. Плотность портландцемента при расчете состава бетона условно принимают в уплотненном состоянии 1300 кг/м3.

Виды цемента:

портландцемент (ПЦ) - цемент, не содержащий в своем составе минеральных добавок, кроме гипса. Чисто клинкерный портландцемент без добавок применяют для высокопрочных бетонов, в производстве сборного железобетона, особенно предварительно напряженных конструкций, при строительстве в особых условиях: на Севере и в районах с сухим и жарким климатом;

портландцементы с добавками - наиболее распространенные цементы, которые составляют более 60% от общего объема выпускаемых цементов. Они могут применяться для большинства монолитных и сборных железобетонных конструкций, если к последним не предъявляются особые требования;

быстротвердеющий цемент - разновидность портландцемента с добавками. Через трое суток твердения прочность на сжатие этого цемента не менее 25 МПа, марки 400, 500. Для обеспечен быстрого твердения клинкер должен содержать C3S>50%, (С3S+С3А) >60 %, а цемент иметь тонкий помол (удельная поверхность не менее 3500 см2/г);

шлакопортландцемент - получают в результате совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака. Шлакопортландцемент отличается от портландцементов (при одинаковом составе клинкера) более медленным схватыванием (начало через 4...6 ч, конец через 10...12 ч) и твердением в первые 7...10 сут. Истинная плотность его немного ниже, соответственно меньше и средняя плотность. Этот цемент при содержании в клинкере менее 8% С3А дает бетон стойкий к действию минерализованных вод (сульфатных, морской воды). При тепловлажностной обработке твердение шлакопортландцемента ускоряется в большей степени, чем обычного портландцемента, что обусловливает его высокую эффективность в производстве сборного железобетона;

сульфатостойкие цементы (СПЦ) - выпускается марки М400. Сульфатостойкость цемента обеспечивается нормированием его минералогического состава, в котором ограничивается содержание менее стойких к сульфатной агрессии минералов. Этот цемент содержит 50% C3S, 5% С3А, 10...22% (C3A+C4AF). Сульфатостойкий портландцемент с добавкой (СПЦД) получают совместным помолом портландцементного клинкера специального состава [С3А<5%, (C3A+C4AF)<22%] и тонкомолотой активной минеральной добавки: трепела, опоки, диатомита (5...10 %) или доменного гранулированного шлака (10...20%). Добавка связывает выделяющийся при гидратации С3А гидрат оксида кальция, что способствует повышению сульфатостойкости цемента. Так как в этом случае возможно использование клинкера с высоким содержанием С3А, то сульфатостойкий цемент с добавками имеет марки М400 и М500;

сульфатостойкий шлакопортландцемент (СШПЦ) - получается за счет ограничения содержания в клинкере С3А<8% и выпускается марок М300 и М400. Сульфатостойкие цементы предназначены для бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях переменного уровня воды, а также сооружений, которые подвергаются агрессивному воздействию сульфатных вод при одновременном многократном замерзании и оттаивании или многократном увлажнении и высыхании.

пуццолановый портландцемент (ППЦ) - также отнесен к группе сульфатостойких цементов. Этот цемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера, содержащего С3А<8%, с активной минеральной добавкой, которая вводится в большем количестве, чем в обычный портландцемент с добавкой. Содержание добавки зависит от ее вида и составляет для трепела, опоки, диатомита 20...30%, для других активных минеральных, чаще всего кремнеземистых, добавок, например туфа, трасса, пемзы - 25...40%. Трепел, опоку, диатомит вводят в цементы в меньшем количестве, так как они обладают не только высокой гидравлической активностью, но и повышенной водопотребностью. Поэтому введение в цемент лишнего количества подобной добавки резко повышает его нормальную густоту, что нежелательно. Пуццолановый портландцемент светлее обыкновенного и имеет меньшую плотность. При одинаковой дозировке по массе пуццолановый портландцемент дает более высокий выход смеси и плотность раствора и бетона, поэтому последние получаются более водонепроницаемыми. В первые сутки и недели после смешивания с водой пуццолановый портландцемент твердеет медленнее, чем цемент без гидравлической добавки. После 6 месяцев твердения в воде этот цемент приобретает такую же прочность, как и цемент (из того же клинкера) без добавки. Из-за связывания большей части свободного гидрооксида кальция хорошо затвердевший пуццолановый портландцемент не выщелачивается пресной водой и не разрушается под действием морских и других минерализованных вод. Применять пуццолановый портландцемент целесообразно в тех случаях, когда необходима повышенная физико-химическая стойкость бетона и обеспечено его твердение во влажной среде.

Специальные виды цемента. С каждым годом увеличивается номенклатура цементов, используемых для приготовления бетона. Специальные цементы придают бетону особые свойства, расширяют возможности его применения в строительстве.

Разновидности специальных цементов:

белый портландцемент - получают помолом маложелезистого отбеленного клинкера, приготовленного по специальной технологии, предотвращающей его загрязнение, с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой диатомита. Белый цемент выпускают марок М300, М400 и М500. Также он должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к обычным цементам;

цветные портландцементы - получается совместным помолом белого цемента, гипса и пигмента. Содержание минерального синтетического или природного пигмента не должно превышать 15%, а органического пигмента - 0,3% от массы цемента. Возможно получение цветного портландцемента путем помола специально приготовленного цветного клинкера. Белый и цветные цементы предназначены для получения цветных бетонов, архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ;

напрягающий цемент - получают совместным помолом портландцементного клинкера и напрягающего компонента, который включает глиноземистый шлак или другие алюмосодержащие вещества, гипс и известь. Среднее соотношение между компонентами 65:20:10:5. Вследствие перекристаллизации низкосульфатной формы гидросульфоалюмината кальция в высокосульфатную форму напрягающий цемент обладает способностью значительно расширяться в объеме (до 4%) после достижения цементным камнем сравнительно большой прочности 15...20МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления самонапряженного железобетона, в котором арматура получает предварительное напряжение вследствие расширения бетона. Этот напрягающий цемент отличается от других расширяющихся цементов, которые увеличиваются в объеме лишь в ранние сроки твердения. Напрягающий цемент и бетоны на его основе обладают высокими прочностью, водо- и газонепроницаемостью. Напрягающий цемент целесообразно применять для изготовления самонапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и водопроводов большого диаметра и других подобных конструкций. При этом следует учитывать быстрое схватывание напрягающего цемента (начало схватывания 2 мин, конец схватывания 6 мин), а также необходимость применения специальных режимов твердения, обеспечивающих расширение цемента лишь после достижения бетоном прочности, необходимой для заанкеривания арматуры;

расширяющиеся или безусадочные цементы - применяют для приготовления водонепроницаемых бетонов. Особенностью этих цементов является наличие составляющих, увеличивающихся в объеме в результате физико-химических процессов, происходящих при твердении цемента. Известно большое количество рецептур таких цементов, которые выпускались отдельными партиями для специальных целей. В последние годы для регулирования изменения объема бетона в процессе его твердения вместо расширяющихся цементов применяют комплексные добавки, вводимые в растворы и бетоны на обычном портландцементе;

фосфатные цементы - применяют для изготовления жаростойких и других специальных бетонов. Твердение этих цементов происходит за счет взаимодействия некоторых тонкоизмельченных оксидов (двуоксида титана, оксида меди, оксида магния, оксида цинка и др.) и специальных составов с фосфорной кислотой. Цементы обладают высокой прочностью и стойкостью к воздействию высоких температур, но в зависимости от состава требуют особых режимов твердения, так как при неправильной технологии в бетонах могут значительно развиваться деструктивные явления, например вспучивание массы, понижающие конечную прочность материала;

кислотоупорный цемент - применяют для изготовления кислотостойких или жаростойких бетонов. Этот цемент состоит из тщательно перемешанного молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, его затворяют на жидком стекле - коллоидном растворе натриевого или калиевого силиката Na20nSiO2, К2ОnSiO2 с плотностью 1,32...1,50 г/см3, обладающем вяжущими свойствами. Для получения необходимой консистенции жидкое стекло разбавляют водой. Жидкое стекло твердеет на воздухе вследствие высыхания и выделения аморфного кремнезема под действием углекислого газа. Для ускорения твердения жидкого стекла и повышения плотности цементного камня используют кислотоупорный цемент. Входящий в его состав кремнефтористый натрий является катализатором твердения, повышающим водостойкость и кислотоупорность затвердевшего материала. Обычно добавка кремнефтористого натрия должна составлять 12...15 % от массы растворимого стекла.

Известь. Для. производства силикатных бетонов, получивших в последние годы широкое применение в строительстве, в качестве вяжущего используют воздушную известь.

Воздушная известь - простейшее вяжущее, получаемое умеренным обжигом карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, отходов химических производств и др.), содержащих не более 8% глинистых примесей. В строительстве применяют негашеную известь, основной частью которой является безводный оксид кальция СаО, и гашеную, получаемую в результате соединения негашеной извести с водой и состоящую в основном из Са(ОН)2. В воздушную известь можно вводить минеральные добавки - молотые горные породы или отходы промышленного производства (доменные и топливные шлаки и золы, вулканические туфы, опоки и пемзы, кварцевые пески, гипсовый камень).

По качеству, в зависимости от содержания активных СаО и MgO, известь делят на три сорта (соответственно в извести без добавок их содержание должно быть 90, 80, 70 %, а в извести с добавками - 64 и 52%).

В зависимости от скорости гашения различают известь быстрогасящуюся (скорость гашения до 20 мин) и медленногасящуюся (скорость гашения более 20 мин).

При твердении на воздухе прочность известковых, растворов и бетонов в возрасте 20 сут составляет всего 0,5...3 МПа. Прочность может быть заметно повышена путем автоклавной обработки изделий - при давлении 0,8 МПа и температуре 175 °С, в результате чего при взаимодействии извести с кремнеземом заполнителя образуются сравнительно прочные гидросиликаты. Этот прием используют для получения автоклавного силикатного бетона прочностью 20...50 МПа и более, а также для производства ячеистых бетонов. Для получения автоклавных силикатных материалов используют быстрогасящуюся известь с содержанием оксида магния не более 5 %.

2) Заполнители для бетона

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают влияние на свойства бетона, его долговечность и стоимость. Введение в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона - необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнитель уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении достигает 1...2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня.

Пористые естественные и искусственные заполнители, обладая малой плотностью, уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

В силикатных бетонах заполнитель помимо своего обычного назначения играет особо важную роль, так как его зерна с поверхности вступают во взаимодействие с вяжущим веществом и от их минералогического состава и удельной поверхности во многом зависят свойства получаемого бетона.

Стоимость заполнителя составляет 30 ...50% (а иногда и более) от стоимости бетонных и железобетонных конструкций, поэтому применение более доступных и дешевых местных заполнителей в ряде случаев позволяет снизить стоимость строительства, уменьшает объем транспортных перевозок, обеспечивает сокращение сроков строительства.

В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный заполнитель (более 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок.

К заполнителям для бетона предъявляются требования, учитывающие особенности влияния заполнителя на свойства бетона. Заполнитель представляет собой совокупность отдельных зерен, т. е. является зернистым материалом, для которого имеется ряд общих закономерностей. Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой состав, прочность и чистота заполнителя.

Зерновой состав показывает содержание в заполнителе зерен разной крупности. Он определяется просеиванием пробы заполнителей через стандартные сита с величиной отверстий от 0,14 мм до 70 мм и более. Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, когда зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких между собой размеров, например 5...10 мм или 20…40 мм. Заполнитель характеризуется наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры наименьших и наиболее крупных зерен заполнителя. В заполнителе могут встречаться отдельные зерна меньше или крупнее предельных размеров, однако их должно быть не более 5%. Зерновой состав называют непрерывным, если в нем встречаются зерна всех размеров - от наименьшего до наибольшего. Если же в заполнителе отсутствуют зерна какого-либо промежуточного размера, то такой зерновой состав называют прерывистым.

Прочность заполнителя определяется не только прочностью горной породы, из которой он получен, но и крупностью зерен. При выветривании или дроблении породы разрушение происходит по более слабым местам структуры и с уменьшением размера зерен прочность их как бы повышается. Естественные пески обладают прочностью при сжатии и растяжении, как правило, более высокой, чем прочность раствора или цементного камня. Прочность крупных заполнителей из прочных горных пород (гранита, диабаза и др.) превосходит по прочности раствор. Прочность пористых заполнителей может быть равна или меньше прочности раствора. Зависимость прочности бетона Rб от прочности раствора Rр показана на рис. 2.



Рисунок 2 - Зависимость прочности бетона от прочности его растворной составляющей при применении заполнителей:

1 - высокопрочных гранитных; 2 - средней прочности;

3 - слабых (керамзитовый гравий)

Прочность бетона на гранитном щебне (Rз>Rб) несколько выше прочности раствора. При применении менее прочного крупного заполнителя прочность бетона при увеличении прочности раствора возрастает лишь до определенных значений и дальнейшее повышение прочности раствора не приводит к повышению прочности бетона. Предельно достижимая прочность бетона тем ниже, чем меньше прочность крупного заполнителя, причем ее значение зависит также и от содержания заполнителя, постепенно увеличиваясь с уменьшением его количества. Влияние крупного заполнителя на прочность бетона приходится учитывать при проектировании составов легкого бетона на пористых заполнителях. В этом случае для получения соответствующей плотности в бетон вводят легкий пористый заполнитель. Следует заметить, что выше линии ON (рис. 2) располагается область наиболее экономичных по расходу цемента составов, которые желательно применять на производстве.

Большое влияние на прочность бетона оказывает чистота заполнителя. Пылевидные и особенно глинистые примеси создают на поверхности зерен заполнителя пленку, препятствующую сцеплению их с цементным камнем. В результате прочность бетона значительно понижается (иногда на 30...40%). Корректировать отрицательное влияние грязного или некачественного заполнителя на свойства бетона путем повышения расхода цемента недопустимо.

Мелкие заполнители. Природный песок, применяемый для производства обычного бетона, представляет собой образовавшуюся в результате выветривания горных пород рыхлую смесь зерен (крупностью 0,14...5 мм) различных минералов, входящих в состав изверженных (реже осадочных) горных пород. При отсутствии природного песка применяют песок, получаемый путем дробления твердых горных пород.

Песок для производства обычного бетона, должен соответствовать требованиям ГОСТ 10268-80. Содержание в песке зерен, проходящих через сито 0,14 мм, не должно превышать 10%, а содержание глинистых, илистых и пылевидных примесей, определяемых отмучиванием - 3% по массе. Наиболее вредна примесь глины, так как она, обволакивая зерна песка, препятствует сцеплению с цементным камнем. От глинистых примесей песок очищают тщательной промывкой. Органические примеси (например, гумусовые) допускаются только в очень незначительном количестве, так как они (особенно органические кислоты) понижают прочность и даже разрушают цемент.

Крупность зерен определяют просеиванием песка через стандартный набор сит с отверстиями в свету 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Наличие в песке зерен крупнее 10 мм не допускается, зерен размером 5...10 мм должно быть не более 5% (по массе). Среднюю пробу сухого песка массой 1 кг просеивают, начиная с самого крупного сита. Остатки на каждом сите (%), называемые частными, характеризуют распределение зерен песка по степени крупности, т.е. зерновой (гранулометрический) состав песка. Складывая частный остаток на данном сите с суммой остатков на предыдущих ситах, определяют полные остатки (%) на ситах.

Для условного выражения крупности песка пользуются модулем крупности, обозначающим сумму полных остатков (%) на ситах стандартного набора, деленную на 100:

Результаты просеивания песка можно представить графически. На рис. 3 в виде заштрихованной полосы указаны допустимые пределы колебаний зернового состава песка для бетона. При оценке зернового состава песка учитывают только зерна, проходящие через сито 5 мм. Кривая просеивания песка, получаемая по результатам ситового анализа, должна находиться между верхней и нижней ломаными линиями.

Рисунок 3 - Зерновой состав песка:

a - полные остатки; D - размер отверстий контрольных сит

Модуль крупности позволяет оценивать влияние заполнителя на свойства бетонной смеси и бетона лишь приблизительно. Смеси с различным зерновым составом могут иметь одинаковый модуль крупности, но различные пустотность и удельную поверхность и соответственно по-разному влиять на подвижность и другие свойства бетонной смеси и бетона.

По крупности пески, пригодные для бетона, разделяют на крупные, средние, мелкие и очень мелкие или тонкие (табл. 1).

Таблица 1 - Классификация песка по крупности

Группа песка	Модуль крупности	Полный остаток на сите 0,63, %	Водопотребность, %
Крупный	3,5…2,5	50…70	4…6
Средний	2,5…2,0	35…50	6…8
Мелкий	2,0…1,5	20…35	8…10
Очень мелкий	1,5…1,0	Менее 20	Более 10

Если песок крупный, то это еще не значит, что он вполне пригоден для бетона. Крупный песок может иметь большой объем пустот, который придется заполнять цементным тестом, что невыгодно. Поэтому полная характеристика песка может быть дана только с учетом его пустотности.

Песок, отсеянный на ситах двух близких номеров, т.е. состоящий из зерен почти одинаковой крупности, имеет большую пустотность (40-42%). При наилучшем сочетании в песке крупных, средних и мелких зерен пустотность может уменьшаться до 30%. В хорошем песке пустотность не должна превышать 38%.

Если в бетоне или растворе заполнить цементным тестом только пустоты между зернами песка, то получится малоподвижная, трудная для укладки, очень жесткая смесь. Необходимо раздвинуть зерна песка и окружить их цементной оболочкой, которая создавала бы смазку, обеспечивающую подвижность смеси и скрепляла бы в дальнейшем зерна песка. Чем крупнее песок, тем меньше общая поверхность зерен и расход цемента для создания оболочек, так как суммарная поверхность зерен, содержащихся в единице объема, обратно пропорциональна их диаметру. Однако, как указывалось выше, песок, состоящий только из крупных зерен, имеет слишком большой объем пустот и его применять не следует.

Для бетона наиболее пригоден в основном крупный песок, содержащий достаточное количество средних и мелких зерен. При такой комбинации зерен объем пустот будет малым и поверхность зерен небольшая. Этот оптимальный состав соответствует заштрихованной полосе на рис. 3.

Песок, предназначенный для бетона марок М200 и выше или для бетона конструкций, подвергающихся замерзанию в насыщенном водой состоянии, должен иметь насыпную плотность не ниже 1550 кг/м3; в остальных, более простых случаях - не ниже 1400 кг/м3.

Крупные заполнители. Видами крупного заполнителя являются гравий и щебень.

Гравием называют рыхлый материал, образовавшийся в результате естественного разрушения (выветривания) горных пород. Гравий состоит из более или менее окатанных зерен размером 3...70 мм. В нем могут содержаться зерна высокой прочности, например гранитные, и слабые зерна пористых известняков. Обычно он содержит примеси пыли, глины, иногда и органических веществ, а также песка. При большом содержании песка такой материал называют песчано-гравийной смесью или гравелистым песком.

Для бетона желательна малоокатанная (щебневидная) форма зерен гравия; малопригодна яйцевидная (окатанная), еще хуже - пластинчатая или лещадная с шириной, в три раза и более превышающей толшину, и игловатая с длиной в три и более раз превышающей толщину и ширину. Игловатых и пластинчатых зерен в составе гравия для бетона должно быть не более 15% (по массе).

В зависимости от происхождения различают гравий:

овражный (горный) - обычно загрязнен примесями, зерна более остроугольные;

речной и морской - зерна вследствие истирания водой обычно имеют округлую форму, иногда со слишком гладкой поверхностью, не дающей прочного сцепления с цементным раствором, что понижает прочность бетона.

В зависимости от величины зерен различают гравий следующих видов: рядовой - 3...70 мм; фракционированный:

особо мелкий - 5…10 мм (3.. .10 мм);

мелкий - 5…20 мм;

средний - 20...40 мм;

крупный - 40...70 мм.

Крупность гравия определяют просеиванием его через стандартный набор сит с круглыми отверстиями размером 70, 40, 20, 10 и 5 (или 3) мм. При изготовлении бетона большое значение имеет максимально допускаемая крупность гравия, определяемая размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5% от общей навески. Максимальная крупность зависит от размера бетонируемых конструкций: для удобной укладки бетонной смеси нельзя применять гравий крупнее ј минимального размера сечения конструкции и больше минимального расстояния между стержнями арматуры в железобетонной конструкции; при бетонировании плит, полов и покрытий - Ѕ толщины плиты, при бетонировании массивных сооружений с редкой арматурой - 120...150 мм.

После просеивания гравия определяют частные остатки (%) на каждом сите начиная с наибольшего, затем вычисляют полные остатки. Результаты просеивания гравия обычно наносят на график. Зерновой состав гравия должен располагаться по возможности в пределах заштрихованной площади (рис. 4). Для бетона желателен в основном крупный гравий, но с достаточным содержанием средних и мелких зерен. Подвижность бетонной смеси одинакового состава и с одинаковым количеством воды при крупном гравии больше, чем при мелком. Пустотность гравия не должна превышать 45%. Прочность зерен гравия должна обеспечивать получение бетона, прочность которого на 20...50% превышает заданную.



Рисунок 4 - Зерновой состав гравия (щебня):

a - полные остатки; D - размер отверстий контрольных сит

Гравий считается морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократное попеременное замораживание при -15 °С и оттаивание, причем суммарная потеря в массе зерен должна быть не более 10%, а при морозостойкости выше 50 циклов -- не более 5%. Морозостойкость требуется от гравия только в том случае, если он предназначен для бетонных сооружений, подвергающихся многократным замораживанию и оттаиванию. В суровых климатических условиях гравий должен выдерживать не менее 100...200 циклов замораживания и оттаивания, в умеренных - 50, в мягких - 15...25.

В гравии допускается не более 1% (по массе) глинистых, илистых, пылевидных примесей, количество которых определяют отмучиванием. Содержание органических примесей в гравии устанавливают, как в песке, колориметрическим методом. Если в гравии количество примесей больше допустимого, то его промывают водой.

В природе встречаются готовые смеси песка и гравия. В этих случаях необходимо проверять постоянство состава и соответствие песчаной и гравийной частей существующим стандартам. Если состав смеси пригоден для бетона и сохраняется неизменным, то смесь можно не рассеивать, но чаще всего смеси по составу не постоянны и их приходится разделять на песок и 2...3 фракции гравия.

Щебнем называют материал, полученный в результате дробления камней из горных пород. Щебень имеет остроугольную форму. Для приготовления бетона лучше всего использовать щебень, близкий по форме к кубу или тетраэдру; плоская форма значительно хуже, так как она легко ломается. Форма щебня зависит от структуры каменной породы и типа камнедробильной машины.

Для производства щебня используют гранит, диабаз и другие изверженные породы, а также плотные осадочные породы - известняк, доломит и измененные породы - кварцит. Наиболее широко в строительстве применяют известняковый и гранитный щебень.

К крупности, зерновому составу, прочности и морозостойкости щебня предъявляют те же требования, что и к гравию. Щебень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Предельное содержание глинистых и пылевидных примесей допускается: для бетонов марок М300 (В25) и выше - 1% в щебне из изверженных пород и 2% в щебне из карбонатных пород; для бетонов более низких марок - соответственно 3...2% (по массе).

Для обычного бетона можно применять щебень только из каменных пород, прочность которого выше заданной марки (класса) бетона, а именно: необходимая прочность исходной каменной породы (в насыщенном водой состоянии) Rщ>2Rб для бетона М300 (В25) и выше и Rщ>1,5Rб для бетонов более низких марок. Для бетона в конструкциях, подвергающихся насыщению водой и замораживанию, желательно применять щебень водопоглощением не более 3% (по массе), а без замораживания - не более 5%.

Для приготовления легких бетонов используют легкие пористые заполнители:

щебень из пористых горных пород (пемзы, вулканических туфов и лав, известковых туфов, ракушечников и т. п.);

отходы промышленности: а) топливные (котельные) шлаки, т. е. отходы от сжигания угля; б) гранулированные доменные шлаки; в) зольный гравий из золы ТЭЦ;

специально изготовляемые (искусственные) пористые заполнители: а) керамзит, получаемый в результате вспучивания глин, глинистых сланцев и подобного сырья при ускоренном режиме обжига (керамзитовый гравий, щебень и песок); б) шлаковую пемзу (термозит) - пористые доменные шлаки, вспученные под действием водяного пара и раздробленные на щебень и песок; в) агломерированные шлаки, получаемые спеканием зол или топливных шлаков на особых спекательных устройствах (аглопорит); г) вспученные при обжиге горные породы (перлит, шунгезит).

Искусственные пористые заполнители отличаются более высокими качествами, чем обычные топливные шлаки, и позволяют получать более прочные, стойкие и легкие бетоны.

Легкие (пористые) заполнители должны иметь плотность в насыпном состоянии менее сн=1000 кг/м3, чаще же всего сн=500...800 кг/м3, т.е. примерно вдвое меньше, чем у обычных песка и гравия. Вследствие большой пористости прочность легких заполнителей значительно меньше, а поверхность их значительно больше, чем у обычных песка и гравия или щебня.

3) Добавки к бетонам

Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии цемента применяют различные добавки. Их подразделяют на два вида:

химические добавки - вводятся в бетон в небольшом количестве (0,1...2% от массы цемента) и изменяют в нужном направлении свойства бетонной смеси и бетона;

тонкомолотые добавки - вводятся в количестве 5...20% и более, используются для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона.

Химические добавки. Применение химических добавок является одним из наиболее универсальных, доступных и гибких способов управления технологией бетона и регулирования его свойств

Химические добавки классифицируют по основному эффекту действия:

регулирующие свойства бетонных смесей - пластифицирующие, т.е. увеличивающие подвижность бетонной смеси; стабилизирующие, т.е. предупреждающие расслоение бетонной смеси; водоудерживающие, уменьшающие водоотделение;

регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона - ускоряющие или замедляющие схватывание; ускоряющие твердение; обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (противоморозные);

регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона - воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие (воздухоудаляющие и кольматирующие поры бетона), гидрофобизирующие; добавки-регуляторы деформаций бетона, расширяющие добавки;

повышающие защитные свойства бетона к стали, ингибиторы коррозии стали;

придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие, т.е. уменьшающие смачивание бетона; антикоррозионные, т.е. повышающие стойкость в агрессивных средах; красящие; повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства, электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные.

Некоторые добавки обладают полифункциональным действием, например пластифицирующие и воздухововлекающие, газообразующие и пластифицирующие и др. В этом случае добавку классифицируют по наиболее выраженному эффекту действия.

Большое значение имеет эффективность воздействия добавки на бетонную смесь или бетон, которую обычно оценивают по величине максимального технического эффекта, достигаемого при введении данной добавки. Добавки одного класса могут заметно различаться по эффективности. В этом случае применяют дополнительную классификацию добавок по группам, обладающим определенной эффективностью. Например, добавки пластификаторы делят на четыре группы или категории по эффективности (табл. 2).

Таблица 2 - Классификация пластификаторов

Категория	Группа	Эффективность действия
		изменение осадки, см	уменьшение водопотребности равноподвижных смесей, %
I	Суперпластификатор	От 2...3 до 20	Не менее 20
II	Сильный пластификатор	От 2…3 до 14…20	Не менее 10
III	Средний пластификатор	От 2…3 до 8…14	Не менее 5
IV	Слабый пластификатор	От 2…3 до 6…8	Менее 5

Тонкомолотые добавки. Тонкомолотые добавки вводят в бетон в количестве 5...20% и более от массы цемента. Эти добавки предназначены для экономии цемента и для получения плотного бетона при малых расходах цемента. К тонкомолотым добавкам относят золы, молотые шлаки, отходы камнедробления, пески и некоторые другие материалы, позволяющие изменять в нужном направлении свойства бетона, повышающие его плотность, водостойкость, жаростойкость, изменяющие электропроводность, окрашивающие и др. При введении тонкомолотых добавок следует учитывать, что на цементных заводах в цемент уже, как правило, введено определенное количество минеральных добавок. Излишнее введение тонкомолотых добавок в бетон без проведения специальных мероприятий по гомогенизации и активации бетонной смеси может снизить долговечность бетона.