В технологии бетона и железобетона
В бетоне и железобетоне цемент – наиболее дорогой материал и составляет примерно половину его стоимости. Причем доля затрат увеличивается с повышением класса, поэтому экономия цемента – исключительно важная задача технологии изготовления бетона и железобетона. Применяя различные приемы, на которых мы остановимся ниже, можно экономить от 10 до 25 % цемента.
Расход цемента нормируется СНиП 5.01.23–83 «Типовые нормы расхода цемента для приготовления бетонов сборных и монолитных бетонных и железобетонных изделий и конструкций». Они предназначены для оценки прогрессивности и обоснованности производственных норм расхода цемента. Если производственные нормы превышают типовые, необходимо разрабатывать мероприятия по снижению расхода цемента. Изучение этих норм может также подсказать мероприятия по экономии цемента.
Марку цемента следует назначать в зависимости от проектной и отпускной прочности бетона (см. таблицу 4.1). Усредненный расход цемента зависит от применяемых марок цементов и применяется по таблице 5.1.
Таблица 5. 1– Коэффициенты расхода цемента разных марок
| Марка цемента | |||||
| Коэффициент расхода цемента | 1,12 | 1,0 | 0,87 | 0,8 | 0,72 |
Применение цемента пониженных марок увеличивает его расход. Но и применение цемента повышенных марок не всегда приводит к его экономии.
Следует иметь в виду, что минимальная норма расхода цемента зависит от вида конструкций, условий их эксплуатации и вида применяемого цемента. Она должна соответствовать значениям, приведенным в таблице 4.2.
Неритмичность поставок, а также малое количество силосов для хранения цемента приводит к смешиванию разных марок и отпуску цемента по наименьшей активности. Это также ведет к его перерасходу.
На расход цемента оказывает влияние нормальная густота цементного теста (НГЦТ) (таблица 5.2). Как видно из этой таблицы, применение цемента с НГЦТ не более 25 %, а также чистоклинкерного цемента позволяет уменьшить его расход. Пуццолановые портландцементы, и в большинстве своем портландцементы с минеральными добавками, имеют повышенную НГЦТ. Применение их ведет к увеличению расхода цемента за счет повышения водопотребности бетонной смеси.
Таблица 5.2 – Коэффициенты расхода цемента в зависимости от НГЦТ
| НГЦТ, % | Коэффициенты расхода цемента для бетона классов | ||
| до В25 включ. | В27,5; В30 | В35-В45 | |
| Чистоклинкерный с любой НГЦТ или другой с НГЦТ: менее 25 от 25 до 27 от 27 до 30 более 30 | 0,97 1,00 1,03 1,05 | 0,95 1,00 1,05 1,08 | 0,92 1,00 1,08 1,12 |
Разные цементы в условиях тепловой обработки имеют различную интенсивность твердения (таблица 5.3). Она изменяется в больших пределах. Бывают условия, когда цемент марки 500 одного завода имеет активность при пропаривании ниже, чем цемент марки 400 другого завода.
Коэффициенты расхода цемента в зависимости от активности при пропаривании следует принимать по таблице 3.3. Активность цемента понижается при хранении его на складах. Так, через три месяца она уменьшается на 20 % и через шесть месяцев – на 40 %. Быстротвердеющие цементы уже после двух недель хранения переходят в разряд обычных. Для устранения этого явления следует время перемешивания бетонной смеси увеличить в два–четыре раза и применять добавки – ускорители твердения цементов
При подборе состава бетона в расчетные формулы необходимо подставлять значение активности цемента. Она может быть выше марочного значения предела прочности. Повышение прочности цемента на 0,1 МПа приводит к снижению его расхода на 2–5 кг/м3.
Качество крупных заполнителей должно быть высоким. Одно из требований к крупному заполнителю – оптимальность его зернового состава. Она достигается составлением заполнителя из разных фракций. Применение крупного заполнителя неоптимального зернового состава приводит к перерасходу цемента.
Таблица 5.3 – Коэффициенты расхода цемента в зависимости от крупности
Щебня (гравия)
| Наибольшая крупность зерен Dнаиб, мм | Коэффициент расхода цемента для бетона классов | |
| до В27,5 включ. | В30 и выше | |
| 1,10 1,00 0,93 0,90 | 1,07 1,00 0,95 0,92 |
Расход цемента зависит от крупности зерен щебня (гравия). Из таблицы 5.3 видно, что чем крупнее зерна заполнителя, тем меньше коэффициент расхода цемента. Это объясняется тем, что с повышением крупности уменьшается удельная поверхность зерен заполнителя, и для обволакивания их потребуется меньше цементного теста, что в итоге приводит к уменьшению расхода цемента. Следовательно, щебень или гравий следует применять максимальной крупности, допустимой из условия бетонирования конструкций.
На расход цемента оказывает влияние форма зерен щебня – содержание пластинчатых (лещадных) и игловатых зерен. В обычном заполнителе количество их не должно превышать 35 %. При содержании менее 25 % расход цемента уменьшается на 2 %.
Прочность крупного заполнителя должна превышать прочность бетона не менее чем на 20 %, тогда она мало влияет на его прочность и расход цемента. Если же прочность заполнителя близка к прочности бетона или же ниже его, то она оказывает существенное влияние на прочность бетона, и расход цемента может повыситься на 10–20 %. Из-за того, что в заполнителе могут встречаться зерна с пониженной прочностью, рекомендуют, чтобы марка его в 1,5 раза превышала прочность бетона классов В20 и не менее чем в два раза прочность бетона класса В25 и выше В25.
Для бетона классов В7,5–В25 лучшим заполнителем является гравий. Экономия цемента может составить от 2 до 9 %. Причем чем ниже класс бетона, тем более эффективным является применение гравия. Это объясняется тем, что гравий имеет гладкую поверхность и водопотребность бетонной смеси на нем меньше.
Для бетона классов выше В27,5 целесообразнее применять щебень. Влияние формы зерен здесь сглаживается. Преобладающим фактором становится величина сцепления заполнителя с цементным камнем. Применение гравия в таком бетоне может снизить его прочность на 10–20 %, что приведет к перерасходу цемента. Однако следует иметь в виду, что гравий бывает часто загрязнен глинистыми и другими примесями, и это может значительно понизить прочность бетона.
На прочность и экономичность бетона большое влияние оказывает и чистота щебня или гравия. Глинистые и пылевидные фракции обволакивают зерна заполнителя и препятствуют сцеплению его с цементным камнем. Кроме того, они повышают водопотребность бетонной смеси. Повышение содержания глинистых и пылевидных фракций на 1–3 % против требования ГОСТа приводит к увеличению расхода цемента на 1–7 %, а увеличение их содержания на 3–5 % – на 1–15 %. Иногда прочность бетона на загрязненных крупных заполнителях понижается на 30–40 %.
Для бетона рекомендуется применять пески средней крупности. Мелкие и очень мелкие пески имеют повышенную удельную поверхность. Применение их ведет к повышению расхода цемента на 10–15 %. Их следует применять с пластифицирующими добавками.
Не всегда экономичным является применение крупных и повышенной крупности песков. Эти пески могут иметь пустотность более 40 %, которая заполняется цементным тестом, что вызывает повышение расхода цемента на 2–5 %. Такой песок следует применять в бетонах классов В25 и выше. Качественный песок должен иметь пустотность не выше 38 %.
Повышение содержания в песке глинистых и пылевидных фракций на 1–3 % против допустимых значений приводит к повышению расхода цемента в бетоне классов В15 и менее на 1–3 %, в бетоне более высоких классов – до 5–7 %.
Важнейшим резервом экономии цемента является повышение однородности бетона. Отпускная прочность бетона назначается в зависимости от коэффициента вариации. Так, при коэффициенте вариации V = 6 % отношение требуемой прочности бетона к нормируемой в возрасте 28 суток (Rт/Rн) принимается равным 83 %, при V = 10 % Rт/Rн = 91 %, при V = 15 % Rт/Rн = =105 %, при V = 20 % Rт/Rн = 122 %. Таким образом, при высокой однородности отпускная прочность бетона может быть снижена, что позволит уменьшить расход цемента до 7 %, и, напротив, при разлаженной технологии, плохой однородности бетона перерасход цемента может составить до 10 %.
Значительная экономия цемента может быть достигнута за счет обоснованного назначения отпускной и передаточной прочности бетона. Необоснованное завышение отпускной прочности может привести к перерасходу цемента в бетоне и, напротив, понижение отпускной прочности – к экономии цемента. Так, для бетона В15 расход цемента составляет: при нормальном твердении – 265 кг, при отпускной прочности 60 % – 272, 70 % – 285, 85 % – 315, 100 % – 345 кг. С повышением класса бетона эта разница еще выше.
Изделия должны отпускаться потребителю с отпускной прочностью в зависимости от вида изделий от 70 до 100 % от проектной. Контроль прочности бетона осуществляется через 4 ч после окончания тепловой обработки. Если же контроль выполнять через 12 ч, то за счет повышения прочности можно уменьшить на 3–5 % удельный расход цемента на единицу прочности. Для этого изделие надо выдерживать до отгрузки на складе, а зимой – в цеху. То же можно получить и за счет выдерживания изделий в камерах в выходные и праздничные дни.
Следует иметь в виду, что бетон, тепловая обработка которого прекращена при достижении им 50–60%-ной марочной прочности, в дальнейшем твердеет более интенсивно.
В производстве сборного железобетона применяются шлакопортландцементы. Бетон на шлакопортландцементе с 30%-ной добавкой шлака после пропаривания имеет прочность через 1 и 28 суток более высокую, чем бетон на портландцементе.
Целесообразно использовать рост прочности бетона во времени с учетом реальных сроков строительства и загрузки конструкций. Так, в бетоне естественного твердения на пуццолановом портландцементе с содержанием C4AF 14 %, шлакопортландцементе с содержанием шлака 30–40 % предел прочности через 90 суток повышается в 1,2–1,5 раза, через 180 суток – в 1,85 раза. В бетоне на белитовом портландцементе и шлакопортландцементе при содержании шлака 50 % предел прочности через 90 суток повышается в 1,6–1,7 раза, через 180 суток – в 1,85 раза.
Следует обоснованно назначать класс бетона. Завышение класса приведет к перерасходу цемента. Так, если за эталон взять расход цемента марки 400 в бетоне В15, то его расход в бетоне В25 возрастет на 31, в бетоне В30 – на 64, В40 – на 102 %.
Применение бетонной смеси с минимально допустимой удобоукладываемостью является наиболее распространенным способом экономии цемента (таблица 5.4).
За эталон принят бетон класса В25 с подвижностью бетонной смеси 1–3 см на щебне фракции 5–20 мм с расходом цемента марки 400–315 кг/м3.
Из таблицы видно, что для жесткой бетонной смеси коэффициент расхода составляет от 0,77 до 0,59. Причем при более высоких марках цемента он ниже. При применении литой смеси он повышается.
Таблица 5.4 –Коэффициенты расхода цемента в зависимости от удобоуклады-
Ваемости бетонной смеси
| Бетонная смесь | Относительный показатель расхода цемента | |||||
| в бетонной смеси без добавки | в бетонной смеси с супер- пластификатором | |||||
| при марке цемента | ||||||
| Жесткая Подвижная Литая | 0,77 1,00 1,27 | 0,66 0,85 1,09 | 0,59 0,76 0,97 | 0,60 0,77 1,00 | 0,52 0,66 0,85 | 0,46 0,59 0,85 |
Существенная экономия цемента может быть получена за счет применения химических добавок – пластифицирующих, ускорителей твердения, комплексных. Пластифицирующие добавки – ЛСТ, УПБ, ЩСПК, ВРП и другие повышают реологические свойства бетонной смеси, морозостойкость бетона. Наиболее эффективно применение их с ускорителями твердения Na2SO4, СаСl2 и другими, что позволяет сократить время тепловой обработки, получить бетон с большей отпускной прочностью и уменьшить расход цемента до 10 %. Еще больший эффект дает применение суперпластификаторов, из которых чаще всего используется С-3 на основе нафталиноформальдегидных смол (см. таблицу 5.5). Применение суперпластификаторов за счет снижения расхода воды позволяет экономить до 20 % цемента. Причем суперпластификаторы не замедляют твердение бетона.
Экономия цемента до 10 % может быть получена также за счет применения зол ТЭС, тонкомолотых шлаков и других добавок. Так, применение золы-уноса в бетоне может сократить расход цемента на 50-70 кг/м3.
Для интенсификации выпуска железобетонных изделий прибегают к сокращению времени их тепловой обработки. Такой метод применяют чаще всего при кассетной технологии для получения двух оборотов кассетных установок в сутки. Это достигается за счет повышения расхода цемента на 5-15 % и даже более. В этом случае экономия цемента может быть получена за счет применения двухстадийной технологии, когда изделие до распалубочной прочности прогревается в кассетах, а затем выдерживается в камере дозревания. Сократить время тепловой обработки позволяет пропаривание изделий в малонапорных пропарочных камерах. Прочность бетона свыше 20 МПа может быть получена за 5,5 ч тепловой обработки при температуре 105 °С. Причем расход пара сокращается до 120–130 кг против 450 кг в обычных условиях.
Простейшим способом, который дает возможность повысить прочность бетона до 20 % и за счет этого сэкономить цемент, является повторное вибрирование изделий. Этот способ проще применять при стендовой и кассетной технологии изготовления изделий.
Применение неразрушающих методов контроля прочности бетона сокращает расход цемента до 5 % за счет сверхнормативного запаса прочности.
Автоматическое дозирование цемента позволяет экономить его до 5 %.
Применение низкочастотных резонансных виброплощадок за счет получения более плотного бетона сокращает расход цемента на 30 кг/м3, уменьшает время тепловой обработки на 2–3 ч, снижает расход пара на 13 % и потребность в электроэнергии в 3–3,5 раза.
Освоение изготовления и применения гипсоцементно-пуццолановых, шлакощелочных и других безклинкерных вяжущих может также уменьшить дефицит портландцемента.
Для Республики Беларусь, не имеющей собственных энергоносителей, экономия тепловой энергии на заводах сборного железобетона имеет большое значение. Экономию тепловой энергии при твердении изделий дают следующие мероприятия:
– Уточнение заводских норм для камер тепловой обработки.
– Организация с помощью приборов учета расхода тепловой энергии по цехам и технологическим линиям, для объективной оценки их использования, нормирования и распределения.
– Проведение регулярных профилактических ремонтов камер тепловой обработки для исключения потерь через неплотности в ограждениях и гидрозатворах, так как на отдельных заводах потери тепла в 2–3 раза превышают полезный расход.
– Повышение термического сопротивления ограждающих конструкций камер за счет их утепления, что повышает КПД в два раза.
– Увеличение коэффициента заполнения камер, за счет чего можно получить 10–20 % экономии.
– Тепловая обработка изделий продуктами сгорания природного газа сокращает затраты на тепловую обработку на 20–60 %.
– Тепловая обработка изделий с использованием солнечной энергии позволяет в летнее время полностью отказаться от традиционной тепловой обработки.
– При применении быстротвердеющих цементов можно сократить время тепловой обработки до 4 часов.
– Применение химических добавок ускорителей твердения позволяет сократить продолжительность и температуру твердения.
– Применение суперпластификаторов позволяет сократить время тепловой обработки на 8 часов, снизить температуру тепловой обработки до 60–70 °С.
– Прекращение тепловой обработки изделий при достижении прочности 50–60 % от проектной.
Кроме перечисленных можно применять все мероприятия по экономии цемента, изложенные выше. Расход цемента оставить без изменения и за счет этого ускорить интенсивность твердения бетона уменьшить расход тепловой энергии.