Бетоны

6. БЕТОНЫ 6.1. Общие сведения Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок. Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью. Современное строительство немыслимо без бетона. Он применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с окружающей средой, имеет неограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость. К этому следует добавить высокую архитектурно-строительную выразительность, сравнительную простоту и доступность технологии, возможность широкого использования местного сырья и утилизации техногенных отходов при его изготовлении, малую энергоемкость, экологическую безопасность и эксплуатационную надежность. Именно поэтому бетон, без сомнения, останется одним из основных конструкционных материалов и в обозримом будущем. Классификация бетонов. Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению. По плотности различают особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м3; тяжелые – 1800...2500 кг/м3; легкие – 500...1800 кг/м3; особо легкие – менее 500 кг/м3. Особо тяжелые бетоны получают на основе заполнителя из железной руды, барита, чугунного скрапа, свинцовой дроби; тяжелые – на основе заполнителя из плотных горных пород: гранитов, диабаза, песчаника и др. В легких бетонах используют природный или искусственный пористые заполнители, в том числе пемзу, керамзит, аглопорит и др. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) отличаются тем, что своеобразным заполнителем в них являются воздушные или газовые порыячейки. По виду вяжущего бетоны делят на цементные (цементобетоны), гипсовые (гипсобетоны), силикатные, полимербетоны, асфальтобетоны и т.д. По назначению бетоны бывают: общего назначения (для несущих и ограждающих конструкций); специального назначения (для защиты от радиации, для дорожных и аэродромных покрытий, жароупорные, кислотостойкие, гидроизоляционные, декоративные и др.). 6.2. Материалы для изготовления бетонов Вяжущее вещество. Для изготовления обычного бетона наиболее широко применяют минеральные вяжущие вещества, прежде всего портландцемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными со- 2 ставляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит. Заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона. Заполнители создают жесткий каркас и поэтому значительно уменьшают деформации бетона при твердении и под нагрузкой. В качестве заполнителей преимущественно используют местные горные породы и вторичные ресурсы (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % объема бетона. Легкие пористые заполнители снижают плотность бетона и улучшают его теплотехнические свойства. В бетоне применяют мелкий и крупный заполнители. Мелким заполнителем (менее 5 мм) для тяжелого бетона является природный или искусственный песок. Наиболее часто используемый в качестве мелкого заполнителя природный песок представляет собой рыхлую смесь зерен, образовавшуюся в результате выветривания горных пород. При отсутствии природного песка применяют песок, получаемый путем дробления твердых горных пород. Экономически целесообразно в качестве мелкого заполнителя использовать соответствующие по крупности отходы обработки природных каменных материалов. Крупный заполнитель (обычно 5-70 мм, иногда до 150 мм) для тяжелого бетона подразделяют на гравий и щебень. Гравием называют рыхлый неорганический материал, образовавшийся в результате естественного разрушения (выветривания) горных пород. Гравий состоит из более или менее окатанных зерен. 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 песчаногравийной смесью или гравелистым песком. Щебнем называют крупный заполнитель для бетона, полученный в результате дробления горных пород. Зерна щебня имеют угловатую форму. Желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более шероховатая, чем у гравия, поверхность зерен способствует лучшему их сцеплению с цементным камнем, поэтому для бетона высокой прочности обычно применяют щебень, а не гравий. К заполнителям бетона предъявляются различные требования. Наибольшее значение имеют зерновой состав и содержание вредных примесей, а для плотных заполнителей тяжелого бетона – еще и прочность, морозостойкость, содержание естественных радионуклидов и стойкость к различным формам распада. Зерновой (гранулометрический) состав показывает соотношение в заполнителе зерен разной крупности. Оптимальный зерновой состав обеспечивает плотную упаковку зерен заполнителя, что снижает расход цемента и повышает прочность бетона. Различают заполнители с непрерывной и 3 прерывистой гранулометрией. В первом случае в заполнителе встречаются зерна всех размеров в диапазоне от наименьшего до наибольшего. Если же в заполнителе отсутствуют зерна каких-либо промежуточных фракций, то его гранулометрию называют прерывистой. Обычно прерывистая гранулометрия обеспечивает меньшую пустотность заполнителя, однако в этом случае уменьшается пластичность бетонной смеси вследствие защемления мелких зерен между крупными, и для получения пластичной бетонной смеси толщина обмазки зерен заполнителя цементным тестом должна быть больше. В результате уменьшается возможность экономии цемента за счет снижения пустотности заполнителя. Зерновой состав песка определяют просеиванием его через стандартный набор сит с отверстиями в свету 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,16 (0,14) мм. Процентное отношение массы остатка на сите к массе взятой пробы называется частным остатком  i (%) и вычисляется по формуле i  Gi  100 , G где Gi ─ остаток на i-м сите, г; G ─ масса пробы песка, г. Полный остаток на любом сите Ai (%) равен сумме частных остатков на ситах с большими размерами, включая и данное сито: Ai   2,5  ...   i . Модуль крупности песка Мк вычисляют по формуле Mк  А2,5  А1, 25  А0,63  А0,315  А0,16 (0,14) 100 , где А2,5 , А1,25 , А0,63 , А0,315 , А0,16 (0,14) – полные остатки на соответствующих ситах, %. Песок в зависимости от значений нормируемых показателей качества (зернового состава, содержания пылевидных и глинистых частиц) подразделяют на два класса: I и II. По крупности песок подразделяют на: очень крупный, повышенной крупности, крупный, средний и мелкий; во II классе выделяют еще очень мелкий, тонкий и очень тонкий. Результаты просеивания песка часто представляют графически в виде ломаной линии (кривой просеивания), наносимой на область допустимых значений на графике зернового состава (рис.6). При этом содержание в песке зерен крупностью свыше 10 и 5 мм, а также менее 0,14 мм, пылевидных и глинистых частиц, а также глины в комках ограничивается. Органические примеси (например, гумусовые) допускаются только в очень незначительном количестве, т.к. они сильно снижают прочность и даже разрушают бетон. Зерновой состав крупного заполнителя характеризуют наибольшей и наименьшей крупностью его зерен. Наибольшая крупность щебня (гравия) 4 определяется размером отверстия сита, на котором полный остаток не превышает 5 %, наименьшая – размером сита, на котором полный остаток не менее 95 %. Кривая просеивания щебня (гравия) должна располагаться в пределах заштрихованной площади графика зернового состава, т.е. в области плотных смесей (рис.7). 1 3 2 4 Полный остаток на ситах, % 20 40 60 80 100 0,315 0,14 0,63 1,25 2,5 Размер отверстий сит, мм 5,0 Рис.6. Зерновой состав песка: 1 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 1,5); 2 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 2,0) для бетонов класса В-15 и выше; 3 ─ нижняя граница крупности песка (модуль крупности 2,5) для бетонов класса В-25 и выше; 4 ─ верхняя граница крупности песков (модуль крупности 3,25) 10 Полный остаток на ситах, % 20 30 40 50 60 70 80 90 100 D наим 0,5(D наим +D наиб ) D Размер отверстий сит, мм Рис.7. Зерновой состав щебня (гравия) наиб 1,25D наиб 5 Пустотность крупного заполнителя не должна превышать 45 %. Щебень чище гравия, обычно он не содержит органических примесей. Предельное содержание глинистых и пылевидных примесей по массе в щебне из изверженных пород допускается не более 1 % (для бетонов всех классов); в щебне из карбонатных пород – 2 % (для бетонов класса В 22,5 и выше) и 3 % (для бетонов класса В 20 и ниже). С целью радиационногигиенической оценки заполнителей бетона контролируют удельную эффективную активность естественных радионуклидов. Добавки классифицируют по основному эффекту действия: 1) наполнители и микронаполнители, улучшающие структуру бетона на микроуровне, т.е. структуру связующего вещества; 2) регуляторы свойств бетонной смеси – пластификаторы и суперпластификаторы, водоудерживающие добавки; 3) регуляторы сроков схватывания и твердения бетона – ускорители, замедлители, противоморозные добавки; 4) регуляторы структуры – газообразователи, пенообразователи, уплотняющие добавки; 5) ингибиторы коррозии стальной арматуры; 6) придающие бетону специальные свойства – расширяющиеся, гидрофобизирующие, антикоррозионные, электропроводные добавки, пигменты и др. Некоторые добавки обладают полифункциональным действием, например, одновременно пластифицирующим и воздухововлекающим, пластифицирующим и замедляющим эффектами и т.п. Применение разнообразных химических добавок и дисперсных минеральных компонентов в сочетании с соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять его технологией на всех этапах и получать строительные композиты с заданными структурой и свойствами. 6.3. Бетонная смесь Бетонная смесь представляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из частичек вяжущего и новообразований, которые возникают при взаимодействии вяжущего с водой, зерен заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, а также вовлеченного воздуха. Из-за проявления сил взаимодействия между перечисленными компонентами эта система приобретает связность и может рассматриваться как единое тело с определенными физическими свойствами. Структура бетонной смеси. Взаимодействие между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды: только при добавлении к сухой смеси цемента и заполнителей воды эта смесь приобретает присущие ей свойства. Силы межчастичного взаимодействия имеют разную физическую природу, и их влияние зависит как от размера частиц, так и от объема жидкой фазы, ее состава, величины поверхностного натяжения. Зерна щебня достаточно велики, удельная поверхность мала, и поэтому их поведение подчиняется в основном гравитационным силам и силам механического зацепления, а действие поверхностных сил практиче- 6 ски ничтожно. Между частицами песка и особенно дисперсных компонентов (цемента, наполнителя) в полной мере действуют поверхностные силы: капиллярные, молекулярные, атомные. Следует отметить влияние капиллярных сил, действие которых в основном определяет пониженную удобоукладываемость жестких смесей и их повышенную пластическую прочность после уплотнения. Бетонная смесь содержит частицы различных размеров, и поэтому в ней проявляются все отмеченные выше силы. Характерными и важными процессами структурообразования являются осаждение и прилипание мельчайших частиц вяжущего и наполнителей к поверхности более крупных зерен. Возникновение сил капиллярного сцепления между тонкодисперсными и грубодисперсными частицами в жестких бетонных смесях, значительно превышающих по своей величине другие силы межчастичного взаимодействия, усиливает процесс прилипания частиц вяжущего к зернам заполнителя с образованием агрегатов-глобул, что приводит к формированию более плотных и прочных контактных зон в затвердевшем бетоне. Реологические и технологические свойства бетонной смеси. С точки зрения реологии, бетонная смесь является структурированной системой, обладающей предельным напряжением сдвига, эффективной (зависящей от приложенных напряжений) вязкостью, периодом релаксации. В зависимости от состава и прежде всего количества жидкой фазы смесь приобретает состояние жидкообразной (структурированной жидкости) или твердообразной среды. Под действием внешних напряжений, например в результате вибрации, преодолевается предельное напряжение сдвига, система начинает течь с вязкостью, зависящей от внешних напряжений. После окончания их действия восстанавливается начальная структурная прочность смеси. Это явление получило название тиксотропии. Технологические свойства. Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в конструкциях и изделиях необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям ее укладки и уплотнения, т.е. определенную удобоукладываемость. Это основное технологическое свойство бетонной смеси оценивают показателями подвижности (осадкой под действием собственного веса сформованного из бетонной смеси конуса ОК, в сантиметрах) и жесткости (временем вибрирования, в секундах, необходимым для требуемого растекания смеси при испытании на стандартном приборе). По этим показателям бетонные смеси подразделяют на группы: сверхжесткие, жесткие смеси (для которых ОК = 0), подвижные смеси (которые имеют осадку конуса), а также соответствующие марки. Помимо удобоукладываемости бетонные смеси характеризуются также средней плотностью, объемом вовлеченного воздуха, расслаиваемостью, сохраняемостью во времени свойств: удобоукладываемости, расслаиваемости, объема вовлеченного воздуха. 7 Свойства бетонной смеси зависят от ее состава, вида и свойств отдельных компонентов. Так, при увеличении содержания цементного теста и, соответственно, уменьшении содержания заполнителей смесь становится более пластичной. Аналогично влияет увеличение содержания в смеси воды, но это может вызвать расслоение смеси, а также падение прочности бетона. 6.4. Структура и свойства тяжелого бетона Структура тяжелого бетона. Структуру бетона изучают на различных уровнях. Макроструктуру наблюдают невооруженным глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь выделяют крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда удобно принимать макроструктуру, состоящую из двух элементов: крупного заполнителя и растворной части, в которой объединяются цементный камень и песок. Микроструктуру наблюдают при большом увеличении под микроскопом. Так изучают структуру цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, дисперсных частиц наполнителя, новообразований и микропор различных размеров. Большое значение для свойств бетона имеет различный характер микроструктуры цементного камня в объемном (в порах между зернами заполнителя) и пленочном (на их поверхности) состояниях. В межзерновом пространстве и крупных порах чаще появляются новообразования в кристаллическом виде. В оболочке новообразований вблизи границы с поверхностью заполнителя (контактной зоне), где возможности роста кристаллов ограничены, преобладают гелеобразные субмикрокристаллические продукты гидратации с повышенной связностью. Поэтому прочность цементного камня в пленочном состоянии выше, чем в объемном, и контактные зоны в бетоне имеют повышенную прочность, что благоприятно сказывается на прочности бетона в целом. Поскольку бетон является типичным композиционным материалом, то в зависимости от относительного содержания его структурных элементов, которые функционально играют роль упрочняющего и матричного компонентов, получают порфировый, контактный и законтактный типы структур. При порфировой макроструктуре зерна заполнителя разделены толстыми прослойками цементирующего вещества, т.е. для первых характерно «плавающее» расположение в материале. Если зерна заполнителя контактируют через тонкие прослойки цементирующего вещества при сохранении ее непрерывности и сплошности, то такую структуру называют контактной. При непосредственном контакте зерен, когда вяжущего вещества недостаточно для сохранения своей непрерывности и сплошности, говорят о законтактной структуре. С учетом изложенных выше представлений о пленочном и объемном состояниях цементного камня становится очевидным, что оптимальным типом структуры бетона является контакт- 8 ный тип, так как в таком бетоне значительная часть цементирующего вещества находится в пленочном состоянии, что определяет более эффективное использование вяжущего вещества. Законтактный тип структуры характеризуется пониженной прочностью и проницаемостью для агрессивных веществ. Аналогичные типы структур можно выделить и на уровне связующего вещества. С оптимизацией структуры бетона на всех уровнях связано одно из приоритетных направлений развития технологии этого материала. Свойства тяжелого бетона. Основными свойствами бетона являются прочность, деформативные свойства, водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к химической и другим видам коррозии. Прочность бетона характеризуют классами по прочности на сжатие, изгиб, растяжение. Основная характеристика прочности тяжелого бетона – это класс по прочности на сжатие, который определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 95 % образцов бетона базового размера (кубов с ребром 15x15x15 см) в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15-20 С, относительная влажность среды 90-100 %). Бетоны подразделяют на классы: В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55; В 60. На производстве контролируют среднюю прочность бетона на сжатие или марку бетона по прочности на сжатие. Соотношение между классом бетона по прочности на сжатие и его средней прочностью на сжатие выражается уравнением В  R  1  1,64  v  , где В – класс бетона по прочности на сжатие, МПа; R – средняя прочность на сжатие, МПа; 1,64 – значение коэффициента Стьюдента для обеспеченности (уровня доверительной вероятности) 95 %; v – коэффициент вариации прочности бетона на производстве (в долях единицы). Для перехода от класса бетона к средней прочности, контролируемой на производстве, при нормативном коэффициенте вариации (13,5 %) используют формулу R = В / 0,778. Например, для класса В 5 получим среднюю прочность 6,43 МПа, а для класса В 40 – 51,4 МПа. Средняя прочность бетона на сжатие на производстве характеризуется марками по прочности на сжатие (в десятых долях МПа) – М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600 и выше. Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются классы и марки бетона по прочности при изгибе. Прочность бетона зависит в основном от прочности (активности) цемента, качества заполнителей, водоцементного отношения В/Ц, времени и условий твердения. Прочность бетона повышается с увеличением прочно- 9 сти цемента, улучшением качества заполнителей, уменьшением водоцементного отношения. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры цементного камня и бетона и отражает по существу зависимость прочности бетона от его пористости. Указанная зависимость выполняется лишь в определенных пределах. При очень низких В/Ц не удается получить удобоукладываемые бетонные смеси и их уплотнить, поэтому с уменьшением В/Ц ниже определенного предела, зависящего от эффективности уплотнения смеси, прочность бетона резко падает. Для определения состава бетона применяют зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения Ц/В (обратной величины В/Ц), которая для уплотненных смесей в определенном диапазоне изменения Ц/В является прямолинейной. Путем обобщения опытных данных получены две эмпирические формулы, отражающие зависимости прочности бетона от указанных выше факторов: а) для обычного бетона при В/Ц  0,4 (Ц/В2,5) Rб  A  Rц Ц/В  0,5 ; б) высокопрочного бетона при В/Ц  0,4 (Ц/В>2,5) Rб  A1  Rц Ц/В  0,5 , где Rб – прочность бетона в возрасте 28 суток после твердения при нормальных условиях, МПа; А и А1 – коэффициенты, зависящие от качества заполнителей; Rц – активность цемента, МПа. Со временем при благоприятных условиях твердения прочность бетона растет. Для ее ориентировочного определения в разном возрасте бетона используют формулу lg n , lg 28 где Rn , R28 – пределы прочности бетона на сжатие в возрасте п и 28 суток. Эта формула дает удовлетворительные результаты при п > 3 суток для бетонов, приготовленных на рядовых портландцементах и твердеющих при температуре 15-20 С во влажной среде. Высыхание бетона приводит к прекращению твердения, поэтому для набора его прочности требуется достаточная влажность окружающей среды (или принятие мер по предотвращению испарения влаги из бетона). При понижении температуры окружающей среды прочность бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При замерзании бетона его твердение прекращается, при этом замерзание в раннем возрасте вызывает резкое снижение прочности после оттаивания, что недопустимо. Повышение температуры среды по сравнению с нормальной активизирует взаимодейRn  R28 10 ствие цемента с водой и рост прочности бетона. На этом основан способ ускорения твердения бетона с помощью тепловой обработки при условии сохранения влажности окружающей среды. Среди деформативных свойств бетона выделяют усадку, деформации при кратковременном и длительном (ползучесть) нагружениях, температурные деформации. Усадка бетона – это уменьшение его объема за счет действия капиллярных и молекулярных сил, проявляющееся со временем при недостаточной влажности среды, способствующей высыханию бетона. При твердении в воде или во влажных условиях усадка резко уменьшается. Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возрасте, приводит к значительной и неравномерной усадке, что вызывает появление усадочных трещин и ухудшение всех качественных показателей материала. Водонепроницаемость бетона зависит от его пористости и ее характера. Бетон мелкопористой структуры, тщательно уплотненный и затвердевший, обладает определенной водонепроницаемостью в слоях достаточной толщины. Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Марки тяжелого бетона по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12; W 16; W 18; W 20. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления воды (в десятых долях МПа) бетон является для нее непроницаемым. Морозостойкость бетона зависит от его структуры и прежде всего количества капиллярных открытых пор. Капиллярная пористость бетона уменьшается, а его морозостойкость увеличивается при меньших значениях В/Ц и достаточном сроке твердения. Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают марки по морозостойкости: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500; F 600; F 800; F 1000. 6.5. Подбор состава тяжелого бетона От правильности проектирования состава тяжелого бетона зависят его плотность и прочность, которые, в свою очередь, во многом определяют такие важные свойства, как морозостойкость, водонепроницаемость и др. Рациональным считается тот состав тяжелого бетона, в котором расход вяжущего минимален при условии получения заданной прочности и других свойств бетона и необходимой удобоукладываемости бетонной смеси. Состав бетона выражают двумя способами: на стройках в виде соотношения по массе (реже по объему, что менее точно) между расходами цемента, песка и щебня с обязательным указанием В/Ц; на бетонных заводах в виде расхода всех материалов в килограммах на 1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси. В первом случае массу или объем цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между составными частями 11 бетона имеет вид 1:X:Y при определенном В/Ц (где X – количество частей песка; Y – количество частей щебня или гравия). Сначала определяют номинальный (лабораторный) состав бетона без учета влажности заполнителей, затем производственный (полевой) – с учетом влажности заполнителей. Подбор состава включает в себя как расчетные операции (определение предварительного состава), так и его проверку на опытных замесах. Расчет предварительного состава тяжелого бетона часто производят по «методу абсолютных объемов», разработанному Б.Г. Скрамтаевым и его научной школой. На основе зависимости прочности бетона от активности цемента, цементно-водного отношения и качества заполнителей определяют водоцементное отношение по формулам: а) для обычного бетона (при В/Ц  0,4) В/Ц  A  Rц / Rб  0,5 А  Rц  ; б) для высокопрочного бетона (при В/Ц  0,4) В/Ц  A1  Rц / Rб  0,5 А1  Rц . Водопотребность бетонной смеси (расход воды на 1 м3 бетона) назначают в зависимости от ее удобоукладываемости (подвижности или жесткости), вида и крупности заполнителя и некоторых других факторов. Удобоукладываемость смеси, если она не задана, выбирается в зависимости от вида конструкции и способа формования. Находят расход цемента: Ц = В : В/Ц. Может оказаться, что полученный расход цемента на 1 м3 бетона меньше допустимого нормами минимума. Тогда величину Ц увеличивают до требуемого нормами значения с соответствующим увеличением расхода воды В с тем, чтобы расчетное водоцементное отношение оставалось неизменным. Определение расходов песка и крупного заполнителя основано на уравнениях, которые вытекают из принципов «метода абсолютных объемов»: а) сумма абсолютных объемов всех компонентов бетонной смеси равна 1 м3 свежеуложенного уплотненного бетона, т.е. Ц П Щ В   1 м 3 (1000 дм3); ц п щ б) цементно-песчаный раствор занимает промежутки между зернами крупного заполнителя с определенной их раздвижкой, т.е. Ц П Щ В  Vп  , ц п  нщ 12 где Ц, В, П, Щ – расходы соответственно цемента, воды, песка и щебня в килограммах на 1 м3 бетона; Vп – пустотность щебня в долях единицы; щ, п и ц – истинные плотности соответственно щебня, песка и цемента, кг/дм3; нщ – насыпная плотность щебня, кг/дм3;  – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором ( = 1,05...1,1 для жестких смесей;  = 1,25...1,4 для подвижных смесей). Решая совместно эти два уравнения, получаем формулы для определения расхода заполнителей на 1 м3 бетона: Щ  1000 /   Vn /  нщ  1 /  щ  , П   п  1000  Ц /  ц  В  Щ /  щ  . Полученный расчетом состав проверяют в лаборатории и при необходимости вносят в него соответствующие поправки. Полевой состав бетона определяют с учетом влажности заполнителей. Для этого находят содержание воды в заполнителях по формулам В п  Wп  П ; В щ  Wщ  Щ , где Вп, Вщ – содержание воды в песке и щебне, кг; Wп, Wщ – влажность песка и щебня (в долях единицы). Расход заполнителей увеличивают соответственно с массой содержащейся в них воды. Расход воды уменьшают на величину В  В п  В щ . Расход цемента не изменяют. Коэффициент выхода бетона, который представляет собой степень уменьшения объема бетонной смеси по сравнению с суммарным объемом исходных материалов и обычно равен 0,6-0,7, вычисляют по формуле  1000 . Пп Щп Ц    нц  нп  нщ При определении состава бетона с химическими добавками учитывают их воздействие на свойства бетона соответствующими коэффициентами. Например, если в бетонную смесь вводят пластификатор (ЛСТ и др.) или суперпластификатор (С-3 и др.), то расход воды уменьшают соответственно на 10 или 20 %. В остальном порядок определения состава бетона не изменяют. Многокомпонентность современных высококачественных бетонов повышает требования к определению рецептуры сырьевых смесей, так как требуется вводить модификатор (часто не один, а несколько) в очень небольших количествах, а также соблюдать условия тщательного подбора гранулометрического (зернового) состава заполнителей, использования цементов нормированного зернового состава, включающих преимущест- 13 венно фракцию 5-30 мкм. Метод подбора состава высококачественного бетона может быть разработан только на основе математизации знаний о сырьевых материалах, закономерностей упаковки частиц сырьевых смесей, в том числе с учетом межчастичных взаимодействий, установления количественных взаимосвязей между основными характеристиками сырьевых материалов, составом смеси, макроструктурой полученного материала и показателями его физико-механических свойств. 6.6. Специальные виды тяжелых бетонов Высокопрочный модифицированный бетон. Отличается высокой прочностью на сжатие (60-80 МПа и выше), высокой плотностью, практически нулевым водопоглощением. Этот бетон получают на основе чистых заполнителей с хорошим зерновым составом (на фракционированном щебне из плотных и прочных горных пород, песке с пустотностью не выше 40 %), с добавками суперпластификатора и дисперсного наполнителя (например, микрокремнезема – SiO2 в аморфной форме, имеющего ультратонкие частицы). Высокопрочный бетон применяют для ответственных сооружений (для высотных зданий, защитных сооружений и т.п.). Наиболее полно современные возможности технологии бетона получили в создании и производстве высококачественных, высокотехнологичных бетонов (High Performance Concrete, НРС). Под этим термином объединены многокомпонентные бетоны с высокими эксплуатационными свойствами: прочностью, долговечностью, адсорбционной способностью, низкими показателями коэффициента диффузии и истираемости, надежными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре, высокой химической стойкостью, бактерицидностью и стабильностью объема. Высококачественные бетоны, приготавливаемые из высокоподвижных и литых бетонных смесей с ограниченным водосодержанием, имеют прочность на сжатие в возрасте двух суток 30-50 МПа, в возрасте 28 суток – 60-150 МПа, морозостойкость F 600 и выше, водонепроницаемость W 12 и выше, водопоглощение менее 1-2 % по массе, истираемость не более 0,3-0,4 г/см2, регулируемые показатели деформативности, в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14-28 суток естественного твердения, высокую газонепроницаемость. В реальных условиях прогнозируемый срок службы такого бетона превышает 200 лет. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий. К этому бетону предъявляют требования высокой прочности на изгиб, коррозионной стойкости, малого водопоглощения. Получают на основе специальных цементов нормированного минерального состава (ПЦ-500-Н) с содержанием С3А до 5 %, применением химических добавок (пластификаторов, воздухововлекающих и др.). При изготовлении бетона ограничивают водоцементное отношение (В/Ц должно быть не более 0,5-0,55). 14 Гидротехнический бетон. Должен иметь высокую прочность, долговечность и в то же время сравнительно низкую стоимость. С этой целью гидротехнические сооружения разделяют на разные (обычно три) зоны, для которых применяют свой бетон. Для подводной зоны используют бетон на пуццолановом портландцементе, который отличается водонепроницаемостью и сульфатостойкостью. Наиболее ответственную зону – зону переменного уровня воды – выполняют из высококачественного бетона на сульфатостойком портландцементе. Для надводной зоны применяют более дешевый вид бетона на шлакопортландцементе, белитовом портландцементе с меньшим тепловыделением. С целью улучшения свойств в гидротехнический бетон вводят различные добавки, в том числе микронаполнители (микрокремнезем и др.). Важным является правильное назначение В/Ц, от значений которого во многом зависят плотность, прочность и долговечность бетона. Бетон для защиты от радиации. Для защиты от -излучения используют особо тяжелый бетон на чугунном, свинцовом и другом сверхтяжелом заполнителе. Такие бетоны требуют тщательного подбора состава, соблюдения технологических режимов изготовления и твердения. Нейтронное излучение наиболее эффективно поглощается гидратными бетонами, имеющими повышенное содержание химически связанной воды. Для их приготовления чаще всего используют глиноземистый цемент, а в качестве заполнителей – лимонит и серпентин. В бетон вводят добавки, содержащие легкие элементы: литий, фтор и др. Особые требования, прежде всего по долговечности и прочности, предъявляются к бетонам для подземных хранилищ радиоактивных отходов и других захоронений. При их изготовлении обязательно вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором. Декоративный (архитектурный) бетон предназначен для отделки зданий и сооружений. Применяются светлые, цветные и офактуренные (имитирующие природный камень и т.п.) бетоны. В качестве вяжущего используют белый портландцемент, цветные цементы, иногда используют обычный портландцемент с отбеливающей добавкой и (или) с добавкой пигмента. Мелким заполнителем обычно служит природный песок. Для получения бетонов светлых тонов применяют белые кварцевые пески (для стекольной промышленности). В качестве крупного заполнителя используют щебень из мрамора, гранита, известняка, доломита. Для получения цветного бетона на белом цементе в бетонную смесь добавляют различные минеральные и органические пигменты. Для достижения высокой прочности и долговечности архитектурного бетона в него вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором и другие добавки. Жаростойкий бетон предназначен для изделий и конструкций, работающих в условиях длительного воздействия высоких температур (свыше 15 200 С). Этот бетон изготовляют на портландцементе с активными минеральными (жаростойкими) добавками, глиноземистом цементе, жидком стекле с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия, а также жаростойких заполнителях (шамоте, магнезите, хромомагнезите и др.). Бетоны химически стойкие предназначены для изделий и конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред: минеральных и органических кислот, солей и оснований, растворителей и нефтепродуктов. Их изготовляют на основе фурановых, фураноэпоксидных, карбамидных, акриловых синтетических смол (полимербетоны), жидкого стекла с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия (жидкостекольные бетоны), жидкого стекла с полимерной добавкой (полимерсиликатные бетоны), серы (серные композиты). Используют химически стойкие заполнители: базальт, андезит, диабаз и др. Бетоны с компенсированной усадкой и напрягающие бетоны. Это бетоны на основе расширяющихся и напрягающих цементов, предназначенные для получения водонепроницаемых и самонапряженных (из напрягающего бетона) конструкций. Использование специальных цементов, а также соответствующих добавок обусловливает компенсацию усадки бетона и даже определенное остаточное расширение, что позволяет получить плотную структуру и, соответственно, высокую степень водо- и газонепроницаемости (марка по водонепроницаемости не ниже W 12). Кроме того, эти бетоны отличаются высокой морозостойкостью (марка от F 300 до F 1000 и более). Мелкозернистый бетон характеризуется максимальной крупностью заполнителей до 10 мм. К таким бетонам относятся песчаные бетоны (пескобетоны). Ранее производство мелкозернистых бетонов сдерживалось необходимостью увеличения расхода воды и цемента вследствие большой удельной поверхности заполнителей. В настоящее время развитие технологии бетона позволяет за счет специальных мер ликвидировать этот недостаток и в полной мере ощутить достоинства таких бетонов, а именно: возможность создания однородной структуры, отказ от дорогостоящего крупного заполнителя, возможность получения качественной поверхности изделий при формовании изделий методами прессования, вибропрессования, вибролитья, легкая транспортируемость, в том числе по трубопроводам, эффективность армирования дисперсной арматурой (фибробетоны) и др. Для снижения расхода воды и цемента следует применять крупные чистые пески с хорошим зерновым составом, химические добавки (суперпластификаторы), интенсивное уплотнение бетонной смеси. 6.7. Легкие и особо легкие бетоны В современном строительстве наибольшее значение приобрело комплексное решение двух взаимосвязанных проблем: повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций и уменьшение материалоем- 16 кости строительства. Одним из путей решения этих проблем может быть применение легких и особо легких бетонов, для которых наряду с прочностью очень важна плотность, которая характеризуется соответствующими марками. К легким конструкционно-теплоизоляционным бетонам с плотностью 500...1800 кг/м3 и особо легким теплоизоляционным бетонам с плотностью менее 500 кг/м3 относятся бетоны на пористых заполнителях, бетоны на легких органических заполнителях и ячеистые бетоны. Бетоны на пористых заполнителях. Для их изготовления в качестве крупного заполнителя применяют легкие заполнители с пористой структурой – природные (пемза, вулканические туфы) и искусственные (керамзит, аглопорит, вспученные перлит и вермикулит). Керамзит (керамзитовый гравий) получают путем обжига гранул, приготовленных из вспучивающихся глин. Это легкий и прочный заполнитель насыпной плотностью 250-800 кг/м3. В процессе обжига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходит в пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов. В изломе гранула керамзита имеет структуру застывшей пены. Спекшаяся оболочка, покрывающая гранулу, придает ей высокую прочность. Керамзитовый песок (зерна до 5 мм) получают при производстве керамзитового гравия (в небольших количествах), а также по методу кипящего слоя обжигом глиняных гранул во взвешенном состоянии. Кроме того, его можно получать дроблением зерен гравия размером более 50 мм и сваров. Шлаковую пемзу изготовляют путем быстрого охлаждения расплава металлургических (обычно доменных) шлаков, приводящего к вспучиванию. Куски шлаковой пемзы дробят и рассеивают, получая пористый щебень. Производство шлаковой пемзы налажено в районах развитой металлургии. Здесь себестоимость шлаковой пемзы ниже, чем керамзита. Вспученный перлит изготовляют путем обжига водосодержащих вулканических стеклообразных пород (перлитов, обсидианов). При 9501200 °С вода выделяется и перлит увеличивается в объеме в 10-20 раз. Вспученный вермикулит – пористый сыпучий материал, полученный путем термической обработки водосодержащих слюд. Этот заполнитель, как и вспученный перлит, используют для изготовления теплоизоляционных легких бетонов. Аглопорит получают при обжиге глиносодержащего сырья с добавкой 8-10 % твердого топлива (на решетках агломерационных машин). Каменный уголь выгорает, а частицы сырья спекаются. По насыпной плотности в сухом состоянии (кг/м3) пористые заполнители разделяют на марки: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 и 1200. Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности, прочности и расхода цемента для легких бетонов достигается при 17 наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует сближенного размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае в бетоне будет содержаться меньше цементного камня, являющегося самой тяжелой частью легкого бетона. Наибольшее насыщение бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе его зернового состава с одновременным использованием технологических факторов (интенсивного уплотнения, пластификаторов). Рекомендации по рациональному зерновому составу содержатся в стандартах на каждый вид пористого заполнителя. Прочность легких пористых заполнителей невелика, обычно ниже прочности цементного раствора. Однако хорошее сцепление между ним и зернами пористого заполнителя (эффект «цементной обоймы») обеспечивает высокую прочность бетона в целом. Пористые заполнители обладают значительным водопоглощением и при затворении бетонной смеси отсасывают часть воды. Поэтому по сравнению с тяжелым бетоном равноподвижные легкобетонные смеси требуют увеличения расхода воды. При этом в легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды. Благодаря тому, что часть воды затворения аккумулируется пористым заполнителем, а затем отдается цементу по мере твердения бетона, твердение легкого бетона меньше зависит от влажностных условий, а усадочные деформации в цементном камне имеют меньшую величину. В результате легкий бетон на пористых заполнителях обладает высокой однородностью структуры и малой проницаемостью, что обеспечивает высокую прочность (10-40 МПа и выше) и долговечность конструкций и сооружений. В качестве мелкого заполнителя используют обычно природный песок. Искусственные пористые пески, несмотря на значительно лучшие результаты, вследствие дефицитности и дороговизны применяют редко. Основным показателем прочности легкого бетона является класс бетона по прочности при сжатии; установлены следующие классы, МПа: В 2; В 2,5; В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 17,5; В 20; В 22,5; В 25; В 30; В 40; для теплоизоляционных бетонов предусмотрены, кроме того, классы: В 0,35; В 0,75; В 1. Прочность легкого бетона R, по Н. А. Попову, зависит от марки цемента, цементно-водного отношения, прочности пористого заполнителя и может быть приближенно определена по формуле, имеющей в определенных границах Ц/В такой же вид, как и для тяжелых бетонов: R  A2 Rц Ц/В - в2  , где А2 и в2 – безразмерные параметры. Чем ниже прочность пористого заполнителя, тем меньше значения А2 и в2 . При оптимальном количестве воды затворения, подобранном для применяемых цемента и заполнителей, прочность легкого бетона зависит 18 главным образом от активности Rц и расхода цемента Ц (формула Н. А. Попова): R  kRц Ц - Ц 0  , где k и Ц0 – параметры, определяемые путем испытания образцов бетона, изготовленных с оптимальным количеством воды, но с разными расходами цемента и твердевших в тех же условиях, что и легкобетонные изделия. Наряду с прочностью важной характеристикой легкого бетона является плотность. В зависимости от плотности в сухом состоянии (кг/м3) легкие бетоны подразделяют на марки: D 200; D 300; D 400; D 500; D 600; D 700; D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200; D 1300; D 1400; D 1500; D 1600; D 1700; D 1800; D 1900; D 2000. Теплопроводность легких бетонов зависит в основном от плотности и влажности и для марок D 600-D 1800 изменяется от 0,15 до 0,75 Вт/( м С). Увеличение объемной влажности легкого бетона на 1 % повышает его теплопроводность на 0,016-0,035 Вт/(м  °С). По морозостойкости легкие бетоны делят на марки: F 25; F 35; F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500. Для наружных стен обычно применяют бетоны морозостойкостью не менее 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания, Установлены следующие марки бетона на пористом заполнителе по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается. Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях успешно используют в мостостроении, гидротехническом строительстве. Для обычных легких бетонов слитной структуры с природным песком в качестве мелкого заполнителя, в которых цементно-песчаный раствор полностью заполняет пустоты между зернами крупного пористого заполнителя, характерна достаточно большая плотность (1400-1800 кг/м3), что снижает эффективность их применения, прежде всего в ограждающих конструкциях. Более эффективными по сравнению с легкими бетонами слитной структуры как с точки зрения снижения плотности, так и возможности отказа от дефицитного мелкого пористого заполнителя являются поризованные легкие бетоны, в которых роль мелкого заполнителя выполняют мелкие замкнутые поры, получающиеся за счет поризации растворной части с помощью пено- или газообразующих добавок, а также крупнопористые легкие бетоны контактного омоноличивания, в которых не содержится песок и сохраняются крупные межзерновые пустоты. Эти бетоны могут выполнять как конструкционно-теплоизоляционные функции (при плотности 500-1400 кг/м3), так и теплоизоляционные функции (при плотности менее 500 кг/м3). Необходимо учитывать, что крупнопористые бетоны характеризуются высокой проницаемостью и требуют защиты от воздействий 19 внешней среды. Поэтому их целесообразно применять, например, в качестве внутреннего теплоизоляционного слоя слоистых ограждающих конструкций и в других аналогичных случаях. Легкие бетоны на органических заполнителях являются альтернативой бетонам на пористых минеральных заполнителях. Органическими заполнителями являются, например, вещества растительного происхождения: специально измельченная древесина (дробленка), а также отходы деревообработки и сельскохозяйственного производства – стружка, опилки, солома, льняная костра и т.п. В последнее время в качестве легкого заполнителя бетона все шире используют вспученные гранулы полистирола. Основная проблема при получении легких бетонов на органических заполнителях – плохое сцепление этих заполнителей с цементным камнем, а при применении растительных заполнителей – способность к выделению веществ, препятствующих твердению цемента (так называемых «цементных ядов»). Кроме того, органические заполнители при определенных условиях могут загнивать или подвергаться биоповреждениям. В зависимости от вида органического заполнителя различают виды бетонов: арболит, опилкобетон, костробетон, полистиролбетон и т.п. Чаще всего эти бетоны получают на цементном вяжущем. В то же время известны материалы, аналогичные по принципам построения структуры рассматриваемым бетонам, на других видах вяжущих как минеральных – гипсовых, магнезиальных и др., так и органических – битумных, полимерных и др. Применение этих вяжущих часто решает указанные выше проблемы и позволяет относительно легко получать достаточно прочные материалы. Однако при этом возникают свои недостатки и особенности применения, связанные со свойствами данных вяжущих (например, малая водостойкость – для гипсовых и магнезиальных вяжущих, дороговизна – полимерных и т.д.). Арболит – это бетон на цементном вяжущем и специально измельченной древесине – дробленке. Для получения заданных свойств в него вводят различные химические добавки: хлористый кальций, жидкое стекло и другие, способствующие минерализации древесного заполнителя и ускорению твердения цемента, а также добавки-антисептики, антипирены и т.д. Арболит в зависимости от средней плотности в сухом состоянии подразделяют на теплоизоляционный (о < 500 кг/м3) и конструкционнотеплоизоляционный (о = 500...850 кг/м3). По прочности на сжатие первая разновидность арболита имеет классы от В 0,35 до В 1,0, вторая – от В 1,5 до В 3,5. Наружная поверхность изделий из арболита, соприкасающаяся с атмосферной влагой, должна иметь отделочный фактурный слой, обеспечивающий защиту материала от увлажнения. В настоящее время возрождается интерес к опилкобетону, получаемому на основе широко распространенных отходов деревообработки. Традиционный опилкобетон, в состав сырьевой смеси которого входят цемент, 20 опилки, песок и вода, характеризуется сравнительно высокой плотностью (1000-1600 кг/м3) и низкой прочностью и не отвечает современным требованиям. Последние достижения в технологии производства этого материала, направленные на улучшение адгезии цементного камня к древесному заполнителю и блокированию «цементных ядов», позволяют снизить содержание песка в составе опилкобетона, увеличивающего его плотность, и получать легкие и достаточно прочные изделия (стеновые камни, блоки и др.) для малоэтажного строительства. Ячеистые бетоны. Идея получения ячеистых (поризованных) бетонов принадлежит пражскому инженеру Гофману, получившему в 1889 г. патент на изготовление бетонов, пористая структура которых образовывалась за счет выделения углекислого газа при реакции соляной кислоты и гидрокарбоната натрия (NaНСО3). Ячеистые бетоны по плотности и назначению делят на конструкционно-теплоизоляционные с плотностью 600-1400 кг/м3 и прочностью 2,5-15 МПа (иногда называемые поризованными бетонами) и теплоизоляционные с плотностью 300...600 кг/м3 и прочностью 0,4-1,2 МПа (иногда называемые поробетонами). Кроме того, в последнее время появились ультралегковесные поробетоны с пониженной средней плотностью (150-300 кг/м3). Пористая структура ячеистым бетонам может придаваться двумя основными путями: а) воздухововлечением, когда сырьевую смесь вяжущего, мелкого заполнителя и воды смешивают с отдельно приготовленной пеной или вводят добавку-пенообразователь непосредственно в специальный смеситель; после отвердевания получают так называемый пенобетон; б) газообразованием, когда в сырьевую смесь вводят добавкугазообразователь; в результате газовыделения смесь вспучивается, и после ее отвердевания получают так называемый газобетон. Ячеистые бетоны – это особо легкие бетоны с большим количеством (до 85 % и более от общего объема бетона) мелких и средних пор (ячеек) размером до 1-1,5 мм. По условиям твердения ячеистые бетоны могут быть автоклавные (твердеющие в автоклавах в среде насыщенного водяного пара под давлением 0,8-1 МПа и температуре 170-190 С) и неавтоклавные (твердеющие в результате тепловлажностной обработки или в естественных условиях). Автоклавные ячеистые бетоны обычно изготовляют на известково-песчаном или другом смешанном известковом вяжущем (газосиликат и пеносиликат). Для ячеистых бетонов неавтоклавного твердения применяют цементное вяжущее (портландцемент марки не ниже М400). Кремнеземистый компонент ячеистых бетонов, в качестве которого могут выступать песок, зола и др., с целью повышения однородности структуры межпоровых перегородок, как правило, дополнительно измельчают. В качестве добавки-газообразователя при получении газобетонов обычно используют алюминиевую пудру, при взаимодействии которой со щелочью (известью) выделяется водород. В качестве добавокпенообразователей используют синтетические или белковые ПАВ, спо- 21 собствующие получению устойчивых пен. В последние годы в связи с созданием эффективных пенообразователей все большее распространение получают неавтоклавные пенобетоны, что обусловлено стремлением упростить изготовление этого материала, сократить энергозатраты на производство и иметь возможность применять его в условиях строительной площадки. При этом пенобетоны отличаются от газобетонов характером своей структуры – замкнутой пористостью с мелкими сферическими порами. Газобетон имеет крупные поры, поэтому он в большей степени, чем пенобетон, нуждается в защите от воздействий окружающей среды. Плотность неавтоклавного газобетона обычно находится в пределах 400-900 кг/м3, а прочность на сжатие – 0,5-3,5 МПа. Газосиликат отличается более высокими строительно-техническими свойствами (при плотности 300...600 кг/м3 прочность на сжатие составляет 0,75-3,5 МПа). Плотность пенобетона (с использованием в качестве заполнителя мелкого песка естественной дисперсности) обычно находится в пределах 600-1000 кг/м3, а прочность на сжатие 0,5-3,5 МПа. Для получения пенобетонов с меньшей средней плотностью используют молотые пески. Иногда с целью снижения плотности и исключения операции помола пенобетон получают на цементном вяжущем без песка. Такой материал называют пеноцементом. Однако этот бетон обладает большой усадкой при высыхании, что снижает его качественные показатели. Получение ячеистых бетонов с пониженной средней плотностью и ультралегковесных поробетонов плотностью 150-300 кг/м3 возможно за счет использования пеногазовой технологии, при которой используется комбинированный порообразователь (газообразователь совместно с пенообразователем), а также ускорители твердения, редуцирующие, водопонижающие и другие добавки. Пористая структура ячеистых бетонов позволяет легко пилить, сверлить, обрабатывать строительные изделия, появляется возможность модифицировать элементы на строительной площадке. Ячеистый бетон отличается хорошей гвоздимостью. За счет малой массы ячеистобетонных изделий исчезает потребность в автомобильном транспорте и кранах с большой грузоподъѐмностью. Поризованные бетоны отличаются высокой универсальностью, относительной простотой технологии, невысоким уровнем производственных затрат при изготовлении изделий. Это предопределено тем, что получение бетонов в широком диапазоне значений плотности возможно на одном и том же оборудовании с использованием в качестве заполнителя песка естественной дисперсности. Возможность исключения из технологии поризованных бетонов тепловой обработки обеспечивает реальность их эффективного применения в монолитном строительстве. Наиболее распространѐнная продукция из ячеистого бетона – это стеновые блоки и камни различных размеров. Как минимум такое изделие по объѐму заменяет двенадцать штук силикатного кирпича (при весе в три- 22 четыре раза меньшем), а по теплозащитным свойствам для получения одинакового эффекта толщину стены можно уменьшить в пять-шесть раз. Ячеистобетонные блоки можно применять в несущих наружных стенах домов малой и средней (до 4-5) этажности, а также в ненесущих наружных стенах многоэтажных зданий при соблюдении приемлемой по конструктивным и экономическим соображениям толщины стен. Ячеистый бетон в конструкции наружных стен может удачно сочетаться с кирпичной облицовкой. Сочетание поризованного бетона прочностью 5-15 МПа как материала для несущих облегченных элементов малоэтажных зданий, ячеистых бетонов пониженной средней плотности и ультралегковесных поробетонов как материала для ограждающих конструкций позволяет обеспечивать современные требования к теплоэффективности жилых домов. 6.8. Железобетон Железобетон – это композиционный материал, в котором бетон (матрица) и стальная арматура образуют единую систему. Бетон имеет высокую прочность на сжатие, но низкую прочность на растяжение и изгиб. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Это обеспечивает хорошую работу композиционного материала в изгибаемой конструкции. Совместной работе бетона и арматуры способствует то, что бетон хорошо сцепляется со стальной арматурой; сталь и бетон имеют близкие температурные коэффициенты линейного расширения; стальная арматура в цементном бетоне не подвергается коррозии. По виду армирования различают изделия с обычным армированием и предварительно напряженные. При обычном армировании в растянутой зоне изгибаемой конструкции возникают трещины, так как предельная растяжимость бетона в 5-6 раз меньше, чем стали. Это не признак того, что конструкция исчерпала свою несущую способность, но при этом возникает опасность коррозии арматуры вследствие нарушения защитного слоя бетона, и долговечность конструкции резко снижается. В предварительно напряженном железобетоне арматуру предварительно напрягают (растягивают), а после твердения бетона освобождают от натяжения. Стремлению арматуры сократиться препятствует бетон, при этом в нем возникают сжимающие напряжения (предварительное обжатие), а в арматуре сохраняются предварительные растягивающие напряжения. Эти напряжения в дальнейшем будут суммироваться с соответствующими напряжениями от эксплуатационных нагрузок. Хотя предварительное напряжение железобетона требует применения высокопрочных стали и бетона, в целом эффективность этого композиционного материала существенно повышается вследствие возможности раскрытия потенциальных ресурсов бетона и стали и резкого увеличения трещиностойкости и долговечности железобетонных конструкций. 23 Дисперсноармированный (волокнистый) бетон. Для армирования этого бетона применяют различные металлические и неметаллические (стеклянные, базальтовые, асбестовые, углеродные, полимерные и др.) волокна. Стальными и неметаллическими волокнами армируют, как правило, мелкозернистые бетоны, иногда цементный камень. При использовании металлических фибр получают фибробетон. Материалы, армированные асбестовыми волокнами, называют асбестоцементом. Дисперсное армирование бетона повышает его трещиностойкость, прочность на растяжение, ударную вязкость, сопротивление истиранию. Эффективность применения волокон в бетоне зависит от их содержания. Дисперсное армирование приостанавливает развитие волосяных трещин лишь при расстоянии между отдельными волокнами не более 10 мм, поэтому применение в бетоне крупного заполнителя снижает эффективность подобного армирования. Стальные фибры вводят в бетонную смесь в количестве 1-2,5 % объема бетона (3-9 % по массе), что обычно составляет 70-200 кг на 1 м3 бетона. При этом повышаются прочность бетона на растяжение (на 10-30 %), ударная прочность, износостойкость. 24 16. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 16.1. Общие принципы получения строительных материалов При изготовлении строительных материалов и изделий сырье подвергают комплексу механических, химических, физико-химических, тепловых и других воздействий. В результате реализации и определенной последовательности этих технологических воздействий сырье либо изменяет только форму и размеры частиц вещества, получает большую однородность и очищается от загрязнений, либо претерпевает существенные изменения состава, внутреннего строения и качественных характеристик. Каждая разновидность строительных материалов и изделий нуждается в специальной технологии. Последняя выражается своим регламентом, параметрами режимов, минимальным размером затрачиваемой энергии и сырьевых ресурсов, достижением экономически эффективных результатов и высоких показателей качества готовой продукции. При большом разнообразии специфических технологий материалов и изделий они содержат и ряд типичных операций (переделов). Это связано с тем, что в их основе лежат общие физические или физико-химические зависимости, сходные кинематические схемы действия оборудования и машинного парка, близкие методы использования тепловой или иного вида энергии и т.п. К типичным переделам (операциям), обеспечивающим получение строительных материалов и изделий, относятся: основные – подготовка сырья; перемешивание отдозированных сырьевых компонентов; формование получаемой смеси (массы) и уплотнение отформованных изделий; специальная обработка уплотненных изделий до полного их отвердевания; технический контроль качества готовой продукции; вспомогательные – контроль за кондицией технологического регламента; транспортирование сырья и перемешанной смеси (массы); перемещение готовых изделий; складирование сырья и изготовленной продукции. В некоторых технологиях могут отсутствовать отдельные операции, или по технологической схеме их продолжительность равна нулю. Ниже излагаются главные принципы и закономерности, лежащие в основе переделов (операций) в технологии и необходимые для придания материалу оптимальной структуры и заданных свойств. Подготовка сырья. К подготовительным работам относится комплекс операций, сопутствующих практически всем технологиям. Их ос- 25 новное назначение — придать сырью технологическое состояние, удобное и эффективное при прохождении сырья по последовательному циклу переделов с образованием готовой продукции. В зависимости от разновидности сырья и конкретной технологии подготовительные операции заключаются в дроблении, помоле и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние; фракционировании, просеве, промывке и других методах очищения поверхности частиц и разделения их на отдельные группы (фракции); увлажнении или обезвоживании (сушке) сырья; обогащении, т.е. повышении однородности сырья по средней плотности, прочности и другим качественным показателям. Измельчение и помол – наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить технологические операции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и однородность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества после помола исходного материала. После некоторой тонкости помола потенциальная энергия поверхности может возрасти в такой мере, что нередко происходит самопроизвольное (спонтанное) агрегирование (слипание) частиц с уменьшением удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности исходного продукта. Рациональный предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле добавочных так называемых поверхностно-активных веществ, способных создавать на поверхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола существует опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение. Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы его просушить, нагреть до необходимой температуры и даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины). Процесс сушки проводят в сушилках различных конструкций и назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего сырьевой материал, влаги, воздуха и паров воды. При необходимости нагревание материала (сырья) может быть доведено до обжига в печных агрегатах по заранее рассчитанному режиму. Однако обжиг в подготовительный период требуется иногда 26 лишь для снижения излишней пластичности сырья, например глин, при отсутствии поблизости песчаных карьеров. Подготовленные сырьевые материалы транспортируют к местам временного накопления для последующих операций (дозирование, перемешивание). В емкостях (бункерах, силосах и др.) временного накопления и хранения подготовленных сыпучих материалов возможны заторы при их перемещении с образованием устойчивых сводов. Самопроизвольное прекращение истечения этих материалов приводит к нарушению общего ритма работы завода, дефектности дозирования, снижению однородности и качества смеси. Для борьбы с образованием сводов в толще сыпучего материала используют специальные устройства (сводообрушители). Дозирование и перемешивание компонентов смеси (приготовление сырьевой смеси). На качество смеси изготавливаемого строительного материала может сильно влиять точность дозирования. Если под влиянием внешних или внутренних причин нарушается точность дозирования (автоматического отвешивания или объемного отмеривания) или ритмичность перемещения отдозированных компонентов к смесительному аппарату, то в процессе перемешивания возможно снижение качества получаемой смеси (массы) и готового материала (изделия). Для большинства технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качество смеси (массы) и готовой отформованной продукции. Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей для приготовления сложных многокомпонентных смесей наиболее эффективны смесители принудительного действия. С целью улучшения однородности смеси механическое перемешивание, как правило, осуществляется в две стадии: 1) предварительное смешение сухих компонентов; 2) смешение с жидкостью, принятой как обязательный компонент (технологическая связка) многих сырьевых смесей. Это объясняется тем, что при перемешивании смеси сразу с жидкостью образуются агрегаты из частиц смеси под действием сил капиллярного сцепления, а это не дает возможности распределения частиц отдельных компонентов, особенно тонкодисперсных, по всему объему смеси. Перемешивание смеси в один этап становится эффективным при высоком содержании жидкой среды (в состоянии суспензии) и исчезновении сил капиллярного сцепления. При этом исчезают и электрические силы, действующие между частицами в сухих порошках, что обеспечивает высокую однородность получаемых смесей. Однако положительный эффект от такого перемешивания часто сводится на нет последующими высокими энергозатратами на высушивание сырьевой смеси перед обжигом (в технологиях керамики, цемента по мокрому способу и пр.). 27 Под влиянием сложного комплекса физико-химических процессов и химических реакций, протекающих при перемешивании в смесительных аппаратах, сырьевые компоненты теряют (обратимо или необратимо) свои индивидуальные свойства, особенно в поверхностных слоях, т. е. по границам контактирования компонентов и новообразований. К моменту выхода из смесительного аппарата процессы микроструктурообразования в одних системах в основном завершаются, в других – эти процессы в смесителях только начинаются, но не доходят до лавинного развития, а поэтому с большей или меньшей интенсивностью продолжаются на последующих стадиях технологического цикла. При этом увеличение прочности полученного материала нередко связано с эффектом механохимической активации под влиянием дополнительного измельчения частиц при их взаимном столкновении или ударах о лопасти и стенки смесительного аппарата. Свежеприготовленная смесь (масса) обладает определенной технологичностью или удобообрабатываемостью, что выражается в ее реальной способности воспринимать дальнейшие технологические операции по формованию и уплотнению изделий. Смеси с весьма малой вязкостью (часто называемые литыми) практически не требуют уплотнения при формовании изделий или покрытий, что технологически удобно. Для воспроизведения литьевой технологии в сырьевую смесь вводят соответствующие добавки – пластификаторы или суперпластификаторы. Введенные в относительно малых количествах, они способствуют резкому понижению вязкости смеси, облегчая формование изделий. Той же цели можно достичь дополнительным увеличением количества жидкой среды в смеси (технологической связки), однако это обычно приводит к резкому снижению качественных показателей готовых изделий и даже браку (растрескиванию, короблению и др.). При использовании смесей с повышенной вязкостью важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность изделия, т.е. определяющим в поведении таких систем становится соотношение между потенциальной энергией взаимодействия и кинетической энергией внешних механических воздействий на смеси, которые реализуются в результате перемещения и сталкивания частиц при перемешивании, уплотнении и т.д. Уплотнение смеси и формование изделий. Формование изделий сопряжено, как правило, с уплотнением смеси, т.е. с достижением плотной упаковки ее частиц. Уплотнение смеси уменьшает разобщенность частиц, переводя связи из точечных в межфазные по границам контакта. На последующих стадиях технологии (например, при обжиге) сокращается расход тепловой энергии за счет снижения температуры и уменьшения продолжительности выдержки. 28 Уплотнение формуемых или отформованных изделий является важным этапом образования макроструктуры, поскольку в этот период в среде вяжущего вещества сравнительно устойчиво фиксируются зернистые и другие компоненты заполняющей части композита. Фиксация может происходить как непосредственным примыканием компонентов, в том числе с возможным срастанием (например, кристаллов), так и через прослойки полностью отвердевшего или постепенно отвердевающего вяжущего вещества. Контакт через прослойки на стадии уплотнения более типичен в технологиях, в которых отвердевание материала происходит в результате химических реакций (гидратаций, спекания и т.д.). Непосредственное контактирование или срастание частиц под влиянием поверхностной энергии, химических связей и других, в том числе комплексных, факторов (например, при прессовании под большим давлением) характерно для контактно-конденсационного механизма твердения. При малых давлениях полезно в системе присутствие малых количеств жидкой среды как своеобразной смазки. При уплотнении высокопластичных и подвижных смесей макроструктура устанавливается весьма быстро и практически без приложения уплотняющих усилий, под влиянием гравитации (при наливных или литьевых способах производства). При уплотнении малоподвижных и жестких смесей, содержащих, как правило, пониженное количество вяжущего вещества или уменьшенное количество жидкой среды в нем, затрачивается значительно бóльшая работа, чем при уплотнении пластичных, подвижных или литых смесей. Разными приемами приходится принудительно сближать полидисперсные зерна, вытесняя часть вяжущего вещества в межзерновые поры и пустоты или в поры зерен заполнителя. При оптимальной структуре зерна заполнителя в объеме монолита контактируют через тонкие или тончайшие прослойки вяжущего вещества. Выбор оптимального способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки. В технологии обжиговых материалов распространенными являются способы полусухого и пластического, а также горячего прессования с использованием прессов, экструдеров, каландров и других машин. При способе пластического формования (керамического кирпича) уплотнение осуществляется в ленточных прессах. Для достижения необходимой плотности применяют различные способы снижения реологического сопротивления формуемой смеси: введение поверхностно-активных веществ, пластификаторов и суперпластификаторов; предварительный нагрев; вибрационное воздействие; вакуумирование и др. Во многих технологиях фор- 29 мование и уплотнение смеси совмещаются в одну операцию, в результате чего химические и физико-химические процессы, обеспечивающие структурообразование на микро- и макроуровнях, протекают также одновременно. Кроме обычных прессов (механических, гидравлических) в некоторых технологиях используют прессование методом взрыва с образованием сверхвысоких давлений мгновенного действия с изменением кристаллохимического строения вещества. В технологии бетона самым характерным является вибрационное формование с приданием скоростей и ускорений частицам массы и, как следствие, ослаблением сил внутреннего трения, капиллярных и молекулярных связей, а также тиксотропным разрушением первичных структур. При вибрационном прессовании (вибропрессовании) достигается заданное уплотнение изделий при значительно меньших затратах энергии, чем при статическом прессовании. Кроме того, возрастает качество изделий, отсутствует анизотропия свойств, формуется более равномерная структура. Эффективность виброформования в ряде технологий повышается путем совмещения с вакуумированием. Обработка отформованных изделий. Большинство строительных композитов гидратационного твердения (бетоны, растворы, мастики и другие материалы), а также обжиговых материалов (в отличие от композитов контактно-конденсационного твердения, для которых структурообразование происходит в основном сразу – в процессе уплотнения и формования изделий) имеют две стадии формирования структуры: первоначальное образование структуры из пластичных многокомпонентных (и многофазных) сырьевых смесей и последующее «укрепление» структуры твердеющего материала в результате сложных физико-химических процессов. К весьма значительному технологическому переделу, влияющему на структурообразование искусственных каменных материалов, относится специальная обработка отформованных и уплотненных изделий с помощью одного, двух или большего количества внешних воздействий на материал в некотором последовательном или комбинированном порядке. Обработка может быть тепловой, тепловлажностной, химической, электрофизической, автоклавной, вакуумпропиточной, радиационной (нередко совмещаемой с вакуумпропиточной) и др. Основная цель обработки – обеспечить наиболее полное развитие процессов структурообразования, хотя соответствующие процессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в том числе в эксплуатационный период работы конструкции. Эффективность обработки характеризуется постепенным или быстрым упрочнением структуры свежеизготовленных изделий с переходом ее в твердое или твердообразное состояние. Новая фаза в виде химических соединений, возникающих под влиянием хемосорбционных реакций на поверхности твердых частиц или в растворе (расплаве), вначале появляется как скопление микрозародышей; в последующий период проходит кине- 30 тическое развитие центров реакции. Продукты химических реакций выделяются в самостоятельную фазу, концентрация которой со временем нарастает. В обжиговых материалах вяжущей частью служат расплавы как своеобразные разновидности химических растворов, обусловленных определенными внешними факторами. Переход из жидкого в твердое состояние при охлаждении происходит также под влиянием кристаллизации компонентов. При резком охлаждении происходит переход из жидкого состояния в твердое аморфное, стеклообразное, т. е. жидкость становится переохлажденной. Внесение твердой частицы того же вещества или, тем более, кристаллика приводит к незамедлительному процессу кристаллизации переохлажденного расплава с превращением его полностью в кристаллическое состояние. При этом молекулы перестраиваются из хаотического беспорядка в упорядоченное, обуславливаемое кристаллической решеткой, что значительно повышает прочность и стойкость материала. К сопутствующим процессам структурообразования явлениям относятся усадка, экзотермические и эндотермические эффекты, явления релаксации и ретардации. Усадка – уменьшение в объеме, которое происходит под влиянием сжимающих капиллярных сил, перехода твердых компонентов в жидкое состояние с последующим заполнением пор и пустот жидкой средой, испарения части жидкой среды или ее синерезиса (выпотевания), снижения температуры (охлаждения), в том числе вследствие эндотермического эффекта. Различают усадку воздушную (при сушке) и огневую (при обжиге – в результате спекания). В результате усадки нередко возникают самопроизвольные напряжения в материале и, как следствие, микротрещинообразование с возможным ухудшением физико-механических свойств строительных изделий. Различными приемами – регулированием режима отвердевания, введением дополнительных компонентов в смесь и др. – удается уменьшить или полностью исключить влияние усадочных напряжений или деформаций, связанных с разуплотнением структуры. Тепловые эффекты обусловлены химическими реакциями и физическими модификациями. Эндотермические эффекты возникают при разрушениях кристаллической решетки или испарении жидкости, полиморфных превращениях (инверсии) вещества. Экзотермические эффекты и реакции обусловливаются образованием новых фаз, сопровождаются поглощением газовой среды, переходом неустойчивого аморфного состояния в кристаллическое. Релаксация и ретардация – соответственно процессы самопроизвольного снижения напряжения при фиксированной деформации и изменения деформации при фиксированном внутреннем напряжении. То и другое происходит под влиянием перемещений атомов, ионов, молекул, отдельных звеньев молекулярных цепей. В структурообразовании эти спонтан- 31 ные процессы имеют как положительное (снятие избыточных напряжений с предотвращением трещинообразования), так и отрицательное значение (ослабление прочности некоторых соединений в конструкциях, спад ранее приложенных напряжений в армирующих элементах, например в предварительно напряженных железобетонных конструкциях). Во всех случаях эти процессы и характеризующие их параметры (время релаксации, коэффициент релаксации и др.) учитывают в расчетах ползучести и прочности элементов строительных конструкций. Таким образом, комплекс сложных процессов и явлений, возникающих и развивающихся в период технологических переделов до определенного уровня, а затем постепенно угасающих (в обжиговых материалах быстрее, чем в безобжиговых), позволяет получать изделие. Чтобы технологические переделы были эффективными, а качество продукции – более высоким, обосновывают их оптимальные режимы и параметры на всех основных стадиях производства. 16.2. Основы технологии бетона и железобетона Технология бетона предполагает следующие основные операции: подготовка исходных компонентов, их дозирование и приготовление бетонной смеси, укладка смеси и ее уплотнение (формование изделий), твердение. Технология железобетонных конструкций включает дополнительно операции изготовления арматурных изделий, установки и фиксации арматуры в форме или опалубке (армирование), предварительное напряжение арматуры (в предварительно напряженных конструкциях). Подготовка исходных сырьевых компонентов. Важной операцией при получении высококачественного бетона является промывка заполнителей – песка, дробленого камня (щебня), гравия – с целью уменьшения количества пыли и глины в смеси, а также их фракционирование для получения оптимального зернового состава и смеси заполнителей с минимальной пустотностью. Приготовление бетонной смеси. Бетонные смеси приготовляют в бетоносмесительных цехах предприятий сборного железобетона или на автоматизированных бетонных заводах. Приготовление бетонной смеси состоит из точного дозирования и смешивания исходных материалов и должно обеспечить получение однородной системы. Составляющие материалы дозируют по массе (исключение допускается для воды и легких пористых заполнителей, которые дозируют по объему). Применяют дозаторы с автоматическим и ручным управлением – последние для малых бетоносмесительных установок. В автоматизированных бетоносмесительных цехах с центрального пульта управления с помощью компьютерных программ в автоматическом режиме осуществляется установка дозирующей аппаратуры на требуемую рецептуру смеси. Допускаются отклонения при дозировании цемента и воды ±1 %, для заполнителей – ±2 % (по массе). 32 Бетоносмесительные машины циклического действия подразделяют на гравитационные и с принудительным смешиванием. Для получения подвижных бетонных смесей применяют гравитационные бетоносмесители, работающие по принципу свободного падения перемешиваемого материала. При вращении барабана смесителя внутренние лопасти захватывают бетонную смесь, поднимают ее, затем бетонная смесь свободно падает с некоторой высоты и при этом перемешивается. Время перемешивания, необходимое для получения однородной бетонной смеси, зависит от емкости барабана и подвижности смеси и составляет: для смесителей емкостью до 500 дм3 – 1-1,5 мин; емкостью 1200 дм3 – около 3 мин и емкостью 2400 дм3 – около 5 мин. Жесткие бетонные смеси необходимо перемешивать в смесителях принудительного действия. В этих смесителях бетонная смесь принудительно перемешивается в смесительной чаше или барабане при помощи смешивающих устройств: лопастей, лопаток, гребков и т.п. Широко применяют два типа бетоносмесителей с принудительным перемешиванием: противоточные с горизонтальной чашей, вращающейся в направлении, противоположном вращению смешивающих устройств, которые размещены в горизонтальной плоскости; роторные турбинного типа с горизонтальной неподвижной чашей и вращающимся в центре ротором, на котором насажены смешивающие устройства, расположенные в горизонтальной плоскости. В этих смесителях перемешанная смесь выгружается через люк в днище чаши. Для приготовления растворных и мелкозернистых бетонных смесей используют лопастные и шнековые смесители с приводным горизонтальным валом (одновальные и двухвальные). Для жестких мелкозернистых смесей с низкими В/Ц эффективно виброперемешивание, при котором частицы совершают колебательные движения. Бетоносмесители непрерывного действия требуют меньших удельных затрат электроэнергии и имеют значительно большую производительность (30, 60, 120 м3/ч бетонной смеси) по сравнению со смесителями циклического действия. Продолжительность перемешивания сильно влияет на однородность и прочность бетона и должна быть оптимальной. С увеличением времени перемешивания до 2-3 мин (иногда больше – в зависимости от вида смеси и типа смесителя) смесь становится однороднее, и прочность бетона повышается. Бетонный завод должен выдать на каждую партию бетонной смеси паспорт, в котором указывается марка бетона, удобоукладываемость бетонной смеси и др. Формование изделий. В результате уплотнения бетонная смесь заполняет форму или опалубку, причем уплотненная бетонная смесь должна иметь однородное строение и минимальный объем воздушных пустот – не 33 более 2-3 % воздуха (т.е. 20-30 дм3 на 1 м3 бетона). Для получения качественного бетона необходимо, чтобы удобоукладываемость бетонной смеси соответствовала принятому способу и интенсивности уплотнения. При интенсивном механическом воздействии достигается уплотнение жестких бетонных смесей, в результате повышается прочность бетона (при сохранении одинакового расхода цемента). Основным способом уплотнения бетонных смесей является вибрирование. При вибрировании колебания, создаваемые вибратором, вызывают вынужденные колебательные движения частиц бетонной смеси. В силу движения полидисперсных частиц смеси с разными амплитудами и частотой преодолеваются силы внутреннего трения и сцепления между ними, зерна заполнителей укладываются компактно, промежутки между ними заполняются цементным тестом, а пузырьки воздуха вытесняются наружу. Степень уплотнения бетонной смеси контролируют по величине коэффициента уплотнения, который равен отношению фактической плотности свежеуплотненного бетона к его расчетной плотности. Уплотнение считается полным при коэффициенте уплотнения 0,98-1. Для каждой бетонной смеси имеется своя оптимальная интенсивность вибрирования, которая достигается правильным сочетанием амплитуды и частоты колебаний. При принятых параметрах вынужденных колебаний для каждой бетонной смеси имеется своя оптимальная продолжительность виброуплотнения. В зависимости от рода привода и движущей энергии различают электромеханические, электромагнитные и пневматические вибраторы. Чаще всего применяют вибраторы, приводимые в действие электродвигателем; колебания создаются механическим путем в результате вращения неуравновешенных грузов (эксцентриков или дебалансов), которые могут быть расположены непосредственно на оси ротора двигателя либо соединены с ним при помощи гибкого вала. Рабочая часть вибратора выполняется в виде площадки (виброплощадки, переносные поверхностные вибраторы) или наконечника (штыка, булавы и т.п.). Для формования сборных железобетонных изделий широко используют стационарные виброплощадки различной грузоподъемности. Переносные поверхностные и глубинные вибраторы применяют при изготовлении изделий (в особенности крупноразмерных) на стендах, а также для уплотнения монолитного бетона на строительной площадке. На практике часто используют комбинированные способы уплотнения бетонной смеси. Так, при формовании железобетонных изделий из жестких бетонных смесей применяют вибрирование с пригрузом (до 100 Па). Приложением прессующего давления к поверхности изделия 0,05-0,15 МПа с одновременным вибрированием способом вибропрессования уплотняют особо жесткие бетонные смеси (при получении тротуарных плит, брусчатки, бордюрного камня и т.п.). 34 При виброштамповании бетонная смесь формуется и уплотняется при помощи погружаемого в нее виброштампа. Этот способ часто применяют для формования коробчатых и ребристых плит, лестничных маршей со ступеньками и других профилированных изделий. Вибропрокат осуществляется на специальных вибропрокатных станах. Этим способом изготовляют изделия из тяжелого и легкого бетонов (например, вибропрокатные керамзитобетонные панели). При центробежном способе формования (центрифугирование) для уплотнения бетонной смеси используют центробежную силу, возникающую при вращении формы с уложенной в нее бетонной смесью. Скорость вращения формы 400-900 об./мин. При этом бетонная смесь равномерно распределяется по стенкам формы и хорошо уплотняется. Часть воды затворения (20-30 %) отжимается к внутренней поверхности изделия, и тем самым понижается величина В/Ц. Это способствует уменьшению пористости и водопроницаемости бетона. Центробежное формование применяют для изготовления полых изделий: труб, железобетонных полых колонн, опор и др. Вибровакуумирование позволяет извлечь из свежеуложенной бетонной смеси 10-20 % общего количества воды затворения и получить более плотный бетон. Вакуумирование осуществляют специальным оборудованием (вакуум-щитами, вакуум-вкладышами и т. п.). Вакуум-щиты укладывают рабочей поверхностью, снабженной фильтровальной тканью, на бетон. Фильтр предотвращает отсос частиц цемента в процессе вакуумирования. Твердение бетона. Гидратация цемента начинается сразу же после контакта с водой затворения. Она приводит к схватыванию и затвердеванию бетона. Параметрами, влияющими на гидратацию цемента и твердение бетона, являются: температура свежеприготовленной бетонной смеси; температура и влажность окружающей среды; тип цемента; содержание добавок; водоцементное отношение; дозировка цемента. Параметр, существенно влияющий на процесс схватывания и твердения, – это температура свежеприготовленной бетонной смеси, которая, в свою очередь, определяется температурой исходных материалов (цемента, воды, заполнителей). В зависимости от температуры смеси можно ускорить или замедлить процесс гидратации. С другой стороны, на температуру бетонной смеси влияет температура окружающей среды. Тип и содержание в смеси цемента так же, как и водоцементное отношение, воздействуют на степень гидратации и твердение бетона. Твердение можно ускорить, применяя быстротвердеющие цементы, жесткие бетонные смеси, добавки-ускорители твердения. Добавки золыуноса или гранулированного доменного шлака снижают теплоту гидратации. Таким способом можно уменьшить риск образования трещин. При недостаточной влажности окружающей среды, если необходимая для гид- 35 ратации вода испаряется из бетона, гидратация прерывается и твердение завершается. Это может привести также к эмиссии песка на поверхность бетона или к возникновению усадочных деформаций. Различают естественное и искусственное твердение бетона. Естественное твердение наименее энергоемко, но требует времени и должно сопровождаться необходимым уходом за твердеющим бетоном, т.е. используя образующуюся теплоту гидратации после формования, поддерживая влажные условия окружающей среды и защищая от таких вредных воздействий, как жара, ветер, холод, проточная вода. После укладки и уплотнения бетонной смеси в летнее время поверхность бетона должна быть защищена от высыхания, а в первые часы – и от дождя. Для этой цели горизонтальные поверхности покрывают пленками, посыпают опилками и другими увлажняемыми материалами, поливают. Вертикальные поверхности в первое время защищает от высыхания опалубка, а после ее снятия поверхности поливают водой. Искусственное твердение – это температурно-влажностная обработка, применяемая в заводских условиях; электропрогрев, чаще применяемый на стройплощадке и т.д. Методы тепловой обработки бетона дают возможность увеличить скорость химических реакций взаимодействия цемента с водой и значительно ускорить набор прочности бетона (около 70 % прочности – через 6-10 часов обработки). На заводах сборного железобетона чаще всего применяют прогрев изделий при атмосферном давлении в паровоздушной среде с температурой до 80-85 °С. Пропаривание при нормальном давлении осуществляют в пропарочных камерах периодического или непрерывного действия. При электропрогреве в качестве источника тепла используют электрическую энергию. Для прогрева бетона применяют трехфазный переменный ток нормальной частоты (50 Гц). Пропускание тока через уложенный бетон осуществляется через металлические электроды, располагаемые или на поверхности бетона (пластинчатые, полосовые), или внутри него (внутренние стержневые и струнные). Способ предварительного электроразогрева смеси успешно применяют при зимних бетонных работах. При изготовлении бетонных изделий на заводах значительный эффект дает применение кратковременного (в течение 5-10 мин) электроразогрева бетонной смеси до температуры 8090 °С электрическим током в специальных бункерах. Предварительно разогретую смесь укладывают в формы и уплотняют. Выделение тепла при гидратации цемента способствует поддержанию повышенной температуры твердеющего бетона и ускорению его твердения. 16.3. Изготовление сборных и монолитных железобетонных конструкций 36 Железобетонные конструкции подразделяют на сборные и монолитные. Первые изготовляют на заводах или полигонах и монтируют на строительной площадке. Монолитные железобетонные конструкции бетонируют на месте строительства. В сборном железобетоне изготовляют все основные части здания: фундаменты, стены подвалов, наружные и внутренние стены, элементы каркаса и покрытий, междуэтажные перекрытия, лестницы и др. Производство железобетонных и бетонных сборных конструкций может быть организовано двумя принципиально отличными способами: поточным в перемещаемых формах или на перемещаемых поддонах; стендовым в стационарных (неперемещаемых) формах. При поточном способе все технологические операции (очистка и смазка форм, армирование, формование, твердение, распалубка) выполняются на специализированных постах, оборудование которых образует поточную технологическую линию. Формы с изделиями последовательно перемещаются по технологической линии от поста к посту. Поточный способ изготовления сборных железобетонных конструкций может быть поточноагрегатным и конвейерным. При поточно-агрегатном способе формы и формуемые изделия перемещаются от поста к посту краном с интервалом времени, зависящим от длительности операции на данном посту. Поточно-агрегатный способ используют на заводах средней мощности, в особенности при выпуске изделий широкой номенклатуры. Конвейерный способ применяют на заводах большой мощности и при выпуске однотипных изделий. При этом способе технологическая линия работает по принципу пульсирующего конвейера, т.е. формы с изделиями перемещаются от поста к посту через строго определенное время, необходимое для выполнения самой длительной операции. При стендовом способе производства сборные конструкции изготовляют в стационарных формах. Изделия в процессе их изготовления и до затвердевания бетона остаются на месте, в то время как технологическое оборудование для выполнения отдельных операций последовательно перемещается от одной формы к другой. Стендовый способ применяют при изготовлении изделий большого размера (ферм, балок и т.п.) для промышленного, мостового и гидротехнического строительства. При кассетном способе, являющемся разновидностью стендового, изделия изготовляют в вертикальных формах-кассетах, представляющих ряд отсеков, образованных стальными стенками. В кассетной установке происходит формование и твердение изделий. Кассетная установка имеет специальные устройства для обогрева изделий паром или электрическим током, что значительно ускоряет твердение бетона. Кассетный способ применяют для массового производства плоских и ребристых тонкостен- 37 ных изделий (панели внутренних и наружных стен, лестничные марши и т.п.). Монолитный железобетон позволяет создавать разнообразные архитектурные формы и конструктивные решения зданий и сооружений, не ограниченные типоразмерами сборных изделий. Монолитные конструкции сооружают в основном из тяжелого бетона или легкого бетона на пористых заполнителях. Стены жилых домов возводят и из монолитного ячеистого бетона (пенобетона). Арматуру, как правило, изготовляют в арматурносварочных цехах и на заводе в виде укрупненных элементов – сварных сеток и блоков-каркасов. Предусматривается автоматизация и комплексная механизация приготовления бетонной смеси, в том числе с помощью мобильных бетоносмесительных установок. При централизованном приготовлении бетонную смесь транспортируют так, чтобы она не расслаивалась (для чего ее постоянно перемешивают в автобетоносмесителях – миксерах), и не допускают изменения состава смеси, прежде всего добавления воды. Транспортирование бетонных смесей на строительной площадке осуществляют бадьями с помощью кранов, транспортерами и по трубам с помощью бетононасосов или пневмонагнетателей. Бетононасосы позволяют подавать бетонные смеси по трубам на расстояние до 150 м и более. Бетонирование монолитных конструкций производят непрерывно или с перерывами, т.е. участками или блоками. Непрерывную укладку бетона осуществляют в том случае, когда требуется повышенная монолитность и однородность бетона, и поэтому нежелательно наличие рабочих швов. Это относится к предварительно напряженным железобетонным конструкциям, фундаментам, воспринимающим динамические усилия от оборудования. Массивные сооружения (плотины, шлюзы, массивные фундаменты и т.п.) разрезают рабочими швами на блоки. Объем блока устанавливают с учетом возникающих в бетоне температурных и усадочных напряжений. Бетонную смесь подают так к месту укладки, чтобы не было расслоения, – по вертикальным рукавам – «хоботам», виброжелобам и наклонным лоткам, при этом высота свободного падения смеси не должна превышать 2 м. Бетонную смесь укладывают слоями, толщину которых устанавливают с учетом ее пластичности и хорошего уплотнения глубинными вибраторами. Уход за бетоном начинают сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси и продолжают в течение всего периода выдерживания бетона до достижения им проектной прочности. Качество бетона зависит от ухода за ним, целью которого является создание и поддержание температурновлажностных условий, благоприятных для гидратации цемента. В летнее время поверхность свежеуложенного бетона должна быть защищена от высыхания, а в первые часы твердения и от дождя. Для этого открытые горизонтальные поверхности по окончании бетонирования засыпают слоем влагоемкого материала – песка, опилок, шлака или покрывают мешкови- 38 ной, пленками. В сухую погоду покрытие поддерживают во влажном состоянии до достижения бетоном не менее 70 % проектной прочности. Для бетонирования в зимних условиях в нашей стране разработаны специальные способы, направленные на то, чтобы обеспечить нормальный режим твердения бетона: закрывают его поверхность утеплителем («метод термоса»), подогревают заполнитель и воду, применяют прогрев бетонной смеси, вводят добавки ускорителей и др. Сборно-монолитные конструкции включают в себя заранее изготовленные сборные элементы и дополнительно уложенные на месте строительства монолитный бетон (бетон омоноличивания) и арматуру. После приобретения монолитным бетоном прочности такая конструкция работает как единое целое при обеспечении надежного сцепления нового и старого бетона. Конструктивное сочетание сборных элементов и монолитного бетона во многих случаях экономически выгодно, так как сборно-монолитные конструкции, объединяя достоинства тех и других, лишены при этом некоторых их недостатков. Для возведения сборно-монолитных конструкций, в отличие от монолитных, не требуется специальной опалубки, подмостей и лесов, а в отличие от сборных – дорогостоящей транспортировки и специального грузоподъемного оборудования. В сборных элементах сборно-монолитных конструкций весьма эффективно применение предварительно напряженной высокопрочной арматуры. Установкой дополнительной арматуры в опорных участках монолитного бетона сборно-монолитных конструкций обеспечивается надежность соединения элементов. 39 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Баженов Ю.М. Технология бетона: Учебник. – М.: Изд-во АСВ, 2003. – 500 с. 2. Белов В.В., Петропавловская В.Б. Лабораторные определения свойств строительных материалов: Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2004. – 176 с. 3. Горчаков Г.И., Баженов Ю.М. Строительные материалы: Учебник. – М.: Стройиздат, 1986. – 688 с. 4. Козлов В.В. Сухие строительные смеси: Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2000. – 96 с. 5. Максимов С.В., Комохов П.Г., Зверев В.Б. Материалы для конструирования защитных покрытий: Учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2000. – 180 с. 6. Попов К.Н., Каддо М.Б., Кульков О.В. Оценка качества строительных материалов: Учебное пособие. – М.: Высшая шк., 2004. – 285 с. 7. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: Учебное пособие. – М.: Высшая шк., 2002. – 701 с. 8. Строительные материалы: Учебник / Под общей ред. В.Г. Микульского. – М.: Изд-во АСВ, 2000. – 536 с. 40 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ К разделу 6 «Бетоны» 1. Что такое цементный бетон, из чего он состоит и по каким признакам классифицируется? 2. Какова роль вяжущего, заполнителей, воды и добавок в бетоне? 3. Какие требования предъявляются к заполнителям тяжѐлого бетона? 4. Классификация химических добавок в бетон. 5. Охарактеризуйте основные свойства бетонной смеси. 6. Каким образом оценивают консистенцию бетонной смеси? От чего зависят подвижность и жѐсткость бетонной смеси? 7. Связь реологических и технических свойств бетонной смеси; классификация смесей по показателям удобоукладываемости. 8. Применение пластификаторов для регулирования удобоукладываемости бетонной смеси и экономии цемента. 9. Как влияет структура цементного бетона на его свойства? 10. Охарактеризуйте основные свойства тяжѐлого бетона. 11. Что такое класс бетона и его марка по прочности на сжатие? 12. Какие факторы и как влияют на прочность цементного бетона? 13. Основной закон прочности бетона, его физический смысл и математическое выражение. 14. Как влияют температура и влажность среды на твердение тяжѐлого бетона? 15. От чего зависит и каким образом можно повысить морозостойкость цементного бетона? 16. Чем характеризуется и от чего зависит водонепроницаемость бетона? 17. Перечислите виды пор тяжѐлого бетона. Какие виды пор влияют на морозостойкость и проницаемость тяжѐлого бетона. 18. Какие деформации испытывает цементный бетон под действием атмосферных факторов? 19. Охарактеризуйте отношение цементного бетона к действию повышенных температур. Как повысить его жаростойкость? 20. Что такое коррозия бетона, и какие существуют меры защиты бетона от коррозии? 21. Чем отличается производственный состав бетона от номинального состава? Какие существуют способы выражения состава бетона? 22. Что такое бетон с химическими добавками и в чѐм его отличие от обычного тяжѐлого бетона? 41 23. Что такое гидротехнический бетон и каковы его основные свойства? 24. Опишите исходные материалы для дорожного цементного бетона и отличия технологии приготовления этого бетона. 25. Эффективность легких бетонов (на пористом заполнителе и ячеистого) по сравнению с тяжелым бетоном. 26. Что такое керамзит, каковы его свойства и для каких целей он применяется в строительстве? 27. Что такое поризованный лѐгкий бетон и в чѐм его отличие от лѐгких бетонов? 28. Что такое пенобетон и газосиликат? Сходство и различие структуры и свойств этих материалов? 29. Из каких сырьевых материалов изготавливают арболит? 30. Железобетон как композиционный материал, назначение (функция) и взаимодействие бетона (матрицы) и арматуры; защитная роль бетона по отношению к стальной арматуре. Что такое железобетон и каковы предпосылки успешной совместной работы бетона и стальной арматуры? 31.Что такое предварительно напряжѐнный железобетон и каковы его преимущества по сравнению с обычным железобетоном? 32. Что такое фибробетон и в чѐм особенности мелкозернистого бетона? К разделу 16 «Основные процессы в технологии конструкционных материалов» 1. Перечислите основные операции в технологии бетонных и железобетонных изделий и конструкций. 2. Охарактеризуйте основные способы приготовления бетонной смеси. 3. Изложите существующие способы формования бетонной смеси. 4. Как влияет виброуплотнение на структуру бетонной смеси? 5. Укажите способы ускорения твердения тяжѐлого бетона. 6. Опишите процессы, происходящие при тепловой обработке тяжѐлого бетона. Что влияет на характер нарастания прочности при тепловой обработке? 7. Охарактеризуйте основные схемы производства сборного железобетона. 8. Как изготовляют монолитный железобетон? 9. Назовите преимущества сборно-монолитных конструкций.