Технология бетона

При несоответствии зернового  состава природных песков требованиям  ГОСТа следует применять в  качестве укрупняющей добавки к  мелким пескам крупные фракции природного или дробленого песка, а также крупный песок из отсевов дробления, а для понижения модуля крупности – мелкие пески.

Использование в качестве мелких заполнителей песков из отсевов  дробления и их смесей с природными песками допускается при условии обеспечения заданной удобоукладываемости бетонной смеси без перерасхода цемента. В природном песке, предназначенном для бетонов, допускаются зерна гравия или щебня размером более 10 мм – до 0,5% по массе; размером 5 – 10 мм – до 10% по массе.

Насыпная плотность кварцевого песка зависит от степени уплотнения, влажности и пустотности. Сухой и рыхло насыпанный кварцевый песок имеет насыпную плотность 1500–1600 кг/м³. На рис. 2.1 приведены кривые изменения объема разных песков в зависимости от их влажности. Наименьшая насыпная плотность кварцевых песков соответствует влажности 5 – 7%. При дозировке песка для изготовления бетона или приемке песка необходимо учитывать содержание в нем воды.

 

Рисунок 2.1 Изменение объёма песка в зависимости от влажности

3. Крупный заполнитель

 

В качестве крупного заполнителя  для тяжелого бетона применяют гравий и щебень из горных пород или щебень из гравия размером зерен 5 – 70 мм.

Щебень получают путем  дробления массивных горных пород, гравия, валунов или искусственных камней на куски размером 5 – 120 мм. Для приготовления бетона обычно используют щебень, полученный дроблением плотных горных пород, гравия, доменных и мартеновских шлаков. Дробление производят в камнедробилках. При этом получают не только зерна щебня, но и мелкие фракции, относящиеся по крупности к песку и пыли. Зерна щебня имеют неправильную форму. 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.

По дробимости, морозостойкости, зерновому составу, износу к щебню  предъявляют такие же требования, как и гравию.

Прочность щебня характеризуется  маркой, соответствующей пределу прочности горной породы при сжатии в водонасыщенном состоянии и определяемой по дробимости щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре. Щебень имеет следующие марки: 200, 300, 400, 600, 1000, 1200, 1400. При этом щебень высшей категории качества из изверженных и метаморфических горных пород должен иметь марку не ниже М800, из осадочных карбонатных пород – не ниже М600. Щебень марок по прочности 1400, 1200 и 1000 не должен содержать зерен слабых пород более 5% по массе, а марок 800, 600 и 400 – не более 10% и 300 и 200 – не более 15% по массе. По прочности исходной горной породы марка щебня при сжатии в насыщенном водой состоянии должна быть выше марки бетона в 1,5…2 раза. В отдельных случаях допускается применение щебня марки ниже указанной, но только при условии испытания в бетоне и при соответствующем технико-экономическом обосновании.

Зерновой состав щебня  устанавливают с учетом D_наиб и D_наим зерен. Наибольший размер зерен щебня применяют в бетонах в зависимости от вида изделия, насыщенности арматуры и толщины изделия. Так, для балок, колонн, рам наибольший размер зерен должен быть не более ³/₄ наименьшего расстояния между стержнями арматуры, а для плитных изделий – не более ¹/₂ толщины плиты. Подобно гравию, щебень по крупности зерен делят на четыре фракции: 5 – 10, 10 – 20, 20 – 40 и 40 – 70 мм.

В зависимости от формы  зерен ГОСТ 8267 – 82 устанавливает  три группы щебня из естественного  камня: кубовидную, улучшенную и обычную. Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой формы в них  не превышает соответственно 15, 25 и 35% по массе. К пластинчатой и игловатой форме зерен относят такие, в которых толщина или ширина их меньше длины в 3 раза и более.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне  из изверженных и метаморфических  пород, в щебне из гравия и в гравии для всех видов тяжелого бетона не должно превышать 1% по массе, а в щебне из осадочных пород в зависимости от вида конструкции и ее назначения – не более 2 – 3%, в том числе глины в комках – не более 0,25%.

Щебень, гравий и щебень из гравия должны применяться, как правило, в виде фракций, раздельно дозируемых при приготовлении бетонной смеси.

Применяемые фракции  в зависимости от наибольшей крупности  зерен заполнителя указаны ниже

 

Таблица 2.2 Фракции крупного заполнителя

Наибольшая крупность  зерен, мм	10	20	40	70	120
Фракции крупного заполнителя, мм	5 – 10 3 – 10	5 (3) – 10 10 – 20	5 (3) – 10 10 – 20 20 – 40	5 (3) – 10 10 – 20 20 – 40 40 – 70	5 (3) – 10 10 – 20 20 – 40 40 – 70 70 – 120

 

Содержание различных  фракций в крупном заполнителе  при подборе состава бетона должно соответствовать указанному в табл. 2.2 и обеспечивать получение плотной смеси.

В качестве крупного заполнителя  для всех видов тяжелого бетона сборных  и монолитных конструкций, изделий  и деталей должны использоваться щебень и щебень из гравия с содержанием  зерен пластинчатой (лещадной) и  игловатой формы в количестве не более 35% по массе.

Морозостойкость крупных  заполнителей должна обеспечить получение  бетона требуемой марки по морозостойкости. Для бетона гидротехнических сооружений морозостойкость щебня и гравия указана в таблице.

 

Таблица 2.3 Зерновой состав крупного заполнителя

Наибольшая крупность  заполнителя, мм	Размер фракций, мм
	5 – 10	10 – 20	20 – 40	40 – 70	70 – 120
20 40 70 120	25 – 40 15 – 25 10 – 20 5 – 10	60 – 75 20 – 35 15 – 25 10 – 20	– 40 – 65 20 – 35 15 – 25	– – 35 – 55 20 – 30	– – – 30 – 40

 

Таблица 2.4 Морозостойкость гравия и щебня для бетона гидротехнических сооружений

Среднемесячная температура  наиболее холодного месяца	От 0 до 10ºС	От 10 до 20ºС	Ниже 20ºС
Марка по морозостойкости	100	200	300

 

Щебень высшей категории  качества для бетона должен иметь  марку по морозостойкости не ниже F 25.

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.

В зависимости от крупности  зерен щебень для бетона из доменного  шлака выпускают тех же фракций, что и щебень из горных пород: 5 – 10; 10 – 20; 20 – 40 и 40 – 70 мм. Содержание зерен пластинчатой и игловатой формы не допускается более 25% по массе.

Прочность щебня характеризуется  маркой, определяемой по его дробимости при сжатии (раздавливании) в цилиндре в сухом состоянии. Марка шлакового щебня по прочности бывает Др15, 25, 35, и 45. Для приготовления бетона используют щебень с плотностью не менее 1000 кг/м³, содержание пылевидных частиц для щебня марок Др15 и 25 допускается не более 2% по массе, а для щебня марок Др35 и Др45 – 3% по массе.

По морозостойкости щебень подразделяется на шесть марок от F15 до F200. Щебень марки Др15 используют для бетонов  высокой прочности (40 МПа и выше), а щебень марок Др25 и менее  используется для бетона прочности 30 МПа и менее.

Шлаковый щебень используют в бетонных и железобетонных сооружений гражданских  и промышленных зданий, не рекомендуется  его применение в конструкциях, эксплуатирующихся  в проточных водах.

4. Вода

 

Для приготовления бетонной смеси  применяется питьевая, а также любая вода, не содержащая вредных примесей (кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара), препятствующих нормальному твердению бетона. Нельзя применять воды болотные и сточные, а также воды, загрязненные вредными примесями, имеющие водородный показатель рН менее 4 и содержащие сульфаты в расчете на ионы SO₄ более 2700 мг/л и всех других солей более 5000 мг/л. Морскую и другую воду, содержащую минеральные соли, можно применять, если общее количество солей в ней не превышает 2%. Пригодность воды для бетона устанавливают химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на данной воде и на чистой питьевой воде и испытанных в возрасте 28 суток при хранении в нормальных условиях. Воду считают пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность не меньше, чем у образцов на чистой питьевой воде.

5. Добавки для бетона

 

К добавкам для бетонов относятся  неорганические и органические вещества или их смеси, за счет введения которых  в контролируемых количествах направленно регулируются свойства бетонных смесей и бетонов либо бетонам придаются специальные свойства. В основу классификации добавок для бетонов положен эффект их действия. По этому признаку добавки для бетонов делят на следующие группы:

1. Регулирующие реологические свойства бетонных смесей. К ним относятся пластифицирующие, увеличивающие подвижность бетонных смесей; стабилизирующие, предупреждающие расслоение, и водоудерживающие, уменьшающие водоотделение.

2. Регулирующие схватывание бетонных  смесей и твердение бетонов. К ним относятся добавки, замедляющие схватывание, ускоряющие схватывание и твердение, и противоморозные, т.е. обеспечивающие твердение бетона при отрицательных температурах.

3. Добавки, регулирующие пористость  бетонной смеси и бетона. К ним относятся воздухововлекающие, газообразующие и пенообразующие добавки, а также уплотняющие (воздухоудаляющие или кольматирующие поры бетона).

4. Добавки, придающие бетону  специальные свойства: гидрофобизующие,  уменьшающие смачивание, повышающие  противорадиационную защиту, жаростойкость; антикоррозионные, т.е. увеличивающие стойкость в агрессивных средах; ингибиторы коррозии стали, улучшающие защитные свойства бетона к стали; добавки, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства.

5. Добавки полифункционального действия, одновременно регулирующие различные свойства бетонных смесей и бетонов: пластифицирующе-воздухововлекающие; пластифицирующие, повышающие прочность бетона, и газообразующе-пластифицирующие.

6. Минеральные порошки – заменители  цемента. К этой группе относятся тонкомолотые материалы, вводимые в бетон в количестве 5 – 20%. Это золы, молотые шлаки, отходы камнедробления и др., придающие бетону специальные свойства (жаростойкость, электропроводимость, цвет и др.).

В качестве пластифицирующих добавок наибольшее распространение получили поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Поверхностно-активные добавки представляют собой особую группу органических веществ, введение которых в бетонные (растворные) смеси позволяет существенно  улучшить их удобоукладываемость. Вместе с тем поверхностно-активные добавки позволяют уменьшить водоцементное отношение и соответственно сократить расход цемента без снижения прочности материалов и изделий. Использование поверхностно-активных добавок в малых дозах (0,05 – 0,2% от массы цемента) позволяет на 8 – 12% уменьшать удельный расход цемента в бетонах и растворах. Вместе с тем поверхностно-активные добавки повышают водонепроницаемость, морозостойкость, коррозиеустойчивость и вообще долговечность материалов в конструкциях. Этим самым применение поверхностно-активных добавок способствует повышению эффективности капиталовложений в строительство. По указанным причинам поверхностно-активные добавки в цементно-бетонной технологии приобретают все большее значение, как у нас, так и за рубежом.

Действие поверхностно-активных добавок  на цементные системы основано на следующих положениях физической химии. Поверхностно-активные вещества способны повышать поверхностное натяжение  у поверхности раздела фаз, например на границах раздела фаз вода – твердое тело, вода – воздух. Мельчайшие частицы поверхностно-активных веществ адсорбируются, т.е. прочно связываются с внутренней поверхностью раздела тел, образуя на этих поверхностях молекулярные слои толщиной в одну молекулу. Величина этого адсорбционного слоя относится к диаметру цементной частицы так же, как толщина спички к высоте 30-этажного здания. Однако применение в малых дозах добавок поверхностно-активных веществ к цементным системам существенно меняет свойства их.

Поверхностно-активные добавки, используемые в цементах, растворах и бетонах, по определяющему эффекту действия на цементные системы можно условно разделить на три группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие и воздухововлекающие.

Гидрофализующие добавки при затворении вяжущего водой предотвращают на определенный срок слипание отдельных цементных частиц между собой. В этом случае несколько замедляется коагуляция новообразований, а вместе с тем высвобождается некоторое количество воды, которое обычно как бы застревает в коагуляционных структурах. По этой причине требуемая удобоукладываемость смеси с добавкой достигается при меньшем количестве воды затворения, чем у смеси без добавки.  Наибольшее распространение получили гидрофилирующие добавки на основе лигносульфатов – сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ). Эта добавка несколько замедляет твердение бетона в раннем возрасте, и поэтому на заводах ЖБИ ее применяют в сочетании с добавками – ускорителями твердения.

Суперпластификаторы – новые эффективные  разжижители бетонной смеси –  в большинстве случаев представляют синтетические полимеры – производные меламиновой смолы или нафталинсульфокислоты.

Применяют суперпластификатор С-3 – на основе нафталинсульфокислоты, суперпластификатор 10–03 – продукт конденсации сульфированного меламина с формальдегидом и др. При введении в бетонную смесь суперпластификатора резко увеличивается ее подвижность и текучесть. Воздействуя на бетонную смесь, как правило, в течение 2 – 3 ч с момента введения, суперплаетификаторы под действием щелочной среды подвергаются частичной деструкции и переходят в другие вещества, безвредные для бетона и не тормозящие процесса твердения. Суперпластификаторы, вводимые в бетонную смесь в количестве 0,15 –1,2% от массы цемента, разжижают бетонную смесь в большей мере, чем обычные пластификаторы. Пластифицирующий эффект сохраняется, как правило, 1 – 2 ч после введения добавки, а через 2 – 3 ч он уже невелик. Суперпластификаторы используются в бетонах как единолично, так и в комплексе с другими добавками, например с сульфитно-дрожжевой бражкой (СДБ) и нитрит-нитрат-хлоридом кальция (ННХК). При использовании комплексной добавки содержание каждой добавки составляет «10–03» – 0,3 – 1,2%; ННХК – 1,5 – 2,5% и СДБ – 0,1 – 1,15% от массы цемента. Суперпластификаторы позволяют существенно снизить В/Ц, повысить подвижность смеси, изготовить изделия высокой прочности, насыщенных арматурой из изопластичкых смесей.