Свойства современных видов цементного бетона. Проектирование состава тяжелого цементного бетона. Применение метода абсолютных объемов в расчете состава бетона.

Цель работы: рассмотреть современные способы усовершенствования цементного бетона, способ проектирования состава тяжелого цементного бетона применяя при расчете метод абсолютных объемов.

Бетон – искусственный каменный материал, получаемый путем затвердевания рационально подобранной смеси минерального или органического вяжущего вещества, заполнителей, воды и добавок. В сочетании со стальной арматурой этот материал называют железобетоном. Это один из самых массовых строительных материалов, обладающий комплексом ценных свойств, способностью приобретать любые формы в зданиях и сооружениях, сравнительно низкой стоимостью. История производства бетона уходит корнями в далекое прошлое. Древние римляне использовали так называемый opus caementitium, сегодня известный как «римский бетон». Он использовался для производства прочных структурных элементов из водоустойчивого строительного раствора и мелкого щебня. Наверное, самое знаменитое здание, построенное с использованием «римского бетона», это Пантеон, купол которого достигает 43 м.

Современное строительство немыслимо без бетона. Бетон широко используется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и других видах строительства. 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 является и, без сомнения, останется в обозримом будущем одним из основных конструкционных материалов.

Последние десятилетия двадцатого века ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. В эти годы появились и получили широкое распространение новые эффективные вяжущие, модификаторы для вяжущих и бетонов, активные минеральные добавки и наполнители, армирующие волокна, новые технологические приемы и методы получения строительных композитов. На рубеже столетия существенно обогатились наши представления о структуре и свойствах бетона, процессах структурообразования, появилась возможность прогнозирования свойств и активного управления характеристиками материала, успешно развиваются компьютерное проектирование бетона и автоматизированное управление технологическими процессами.

В качестве вяжущего вещества для изготовления обычного тяжелого бетона наиболее широко применяют портландцемент и его разновидности. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате их взаимодействия образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Заполнители бетона. Заполнители часто называют инертными материалами, однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона. Введение в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом, кроме того, они улучшают технические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, снижает его ползучесть, т. е. необратимые деформации, возникающие при дли- тельном действии нагрузки. Заполнитель воспринимает усадочные напряжения, а также в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня, способствуя получению более долговечного материала.

В качестве заполнителей экономически целесообразно использовать местные сырьевые и техногенные вторичные (шлаки и др.) ресурсы. Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как на их долю обычно приходится до 80 % его объема. 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 переработки горных пород в природные каменные материалы.

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона с размером зерен 5...70 мм, иногда до 150 мм, используют щебень и реже гравий. Гравием называют несвязные крупнообломочные минеральные материалы, образовавшиеся 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 та- кой материал называют песчано-гравийной смесью или гравелистым песком. Щебнем называют крупный заполнитель для бетона, полученный в результате дробления скальных горных пород или крупного гравия. Зерна щебня имеют угловатую форму. Желательно, чтобы по форме они приближались к кубу. Более шероховатая, чем у гравия, поверхность зерен щебня способствует лучшему их сцеплению с цементным камнем, что является необходимой предпосылкой получения бетона высокой прочности.

За два последних десятилетия в строительстве вследствие стремительного процесса усовершенствования бетона, начинавшегося с относительно несложной трехкомпонентной системы, сегодня созданы и все чаще применяются пятикомпонентные системы, которые наряду с такими традиционными исходными материалами, как цемент, вода и крупный и мелкий заполнитель, включают в себя специальные добавки. Благодаря применению таких дополнительных компонентов, с одной стороны, представилась возможность разработки целого ряда новых видов бетона со специальными, превосходными свойствами и высоким инновационным потенциалом: самоуплотняющийся, высокопрочный, высокопластичный с добавлением синтетических фибриллярных материалов и т. д.; с другой стороны, применение добавок и дополнительных средств позволяет осуществить целенаправленную, эффективную и экономичную корректировку нужных сочетаний соответствующих свойств свежеприготовленного и затвердевшего бетона в «традиционных» составах в широком диапазоне различных вариаций.

Добавки вводятся с целью воздействия на технологические, физико-химические и физико-механические свойства бетонной смеси, свежесформованного и затвердевшего бетона. К подобным свойствам относятся, например, удобоукладываемость смеси, прочность, проницаемость, долговечность, декоративные свойства бетона. Как правило, для применения добавок в бетоны требуется получение от органов строительного надзора разрешения, если добавки еще не стандартизированы. Особенно высокие требования при получении допуска к применению предъявляются к таким добавкам, которые должны использоваться в бетоне при изготовлении несущих конструктивных элементов.

Добавки часто классифицируют по основному эффекту действия. При этом их можно разделить на два класса. Класс I составляют дисперсные активные и инертные минеральные добавки – наполнители и микронаполнители, вводимые в достаточно большом количестве и улучшающие структуру бетона на микроуровне, т. е. структуру связующего вещества, а также дисперсные волокнистые (фибриллярные) и некоторые другие компоненты.

Класс II представлен химическими добавками, к которым можно отнести: 1) регуляторы свойств бетонной смеси – пластификаторы и суперпластификаторы, водоудерживающие добавки; 2) регуляторы сроков схватывания и твердения бетона – ускорители, замедлители, противоморозные добавки; 3) регуляторы пористости – газообразователи, пенообразователи, уплотняющие добавки; 4) ингибиторы коррозии стальной арматуры; 5) расширяющиеся, гидрофобизирующие, антикоррозионные, электро-проводные добавки, пигменты и др., придающие бетону специальные свойства. Дисперсные порошкообразные наполнители различной минеральной природы получают из природного или техногенного сырья (золы, молотые шлаки и горные породы, микрокремнезем и др.). В зависимости от дисперсности минеральные добавки можно подразделить на добавки-разбавители цемента, близкие по своему гранулометрическому составу к цементу, и на добавки-уплотнители, на- пример, микрокремнезем, которые имеют размер частиц примерно в 100 раз меньше зерен цемента (удельная поверхность 20...30 м ² /г).

Дисперсные минеральные добавки делятся на инертные (собственно наполнители) и химически активные. Не растворяясь в воде, неактивные (инертные) мелкодисперсные добавки, такие как кварцевая и известняковая мука, пигменты, не вступают в реакции с цементом и водой, т. е. не участвуют в гидратации, таким образом, инертные добавки по существу являются тонкодисперсной составляющей твердой фазы бетона. В соответствии с размером и формой частиц они предназначены для улучшения грансостава минеральной части бетона в соответствующем диапазоне размеров. Это приводит к повышенной степени уплотнения бетонной смеси с положительным влиянием на свойства затвердевшего бетона.

Тонкие порошки наполнителей требуют для смачивания большого количества воды, т. е. обладают высокой водопотребностью, что требует значительного увеличения расхода воды в бетонной смеси. Поэтому тонкодисперсные наполнители применяют, как правило, совместно с супер-пластификаторами, позволяющими значительно уменьшить расход воды. Одновременно тонкодисперсные минеральные добавки интенсифицируют действие суперпластификаторов, оказывая своеобразный «шарикоподшипниковый» эффект.

Пуццолановые тонкодисперсные компоненты можно подразделить на природные пуццоланы, например, трассы или диатомиты, а также искусственные пуццоланы, например, зола уноса, метакаолин или динасовая пыль. Они вступают в реакцию с гидроксидом кальция, образующимся при гидратации цемента, составляя соединения, обладающие вяжущими свойствами. Некоторые из них, например, молотые доменные шлаки и другие гидравлические компоненты латентного действия, способны к самостоятельному твердению, которое активизируется в присутствии гидроксида кальция. Кроме того, пуццолановые тонкодисперсные компоненты улучшают первоначальную структуру смеси в диапазоне малых частиц.

Одной из наиболее эффективных активных минеральных добавок-уплотнителей является микрокремнезем – отход производства кремнийсодержащих сплавов: ферросилиция, кристаллического кремния и др. В последнее время предлагаются более дешевые, хотя и несколько менее эффективные, чем микрокремнезем тонкодисперсные добавки: специально переработанные отходы газобетона и производства силикатного кирпича, метакаолин и др.

К фибриллярным дисперсным компонентам относится, в частности, стальная фибра, но могут применяться также стекловолокно и синтетические волокна. Они улучшают вязкость разрушения или сопротивление распространению трещин, прочность на разрыв при изгибе.

Тонкодисперсные компоненты не должны ухудшать твердение бетона, а также его конечную прочность и долговечность и защиту арматуры от коррозии. Эффективность добавок, а также их безопасность с точки зрения коррозии бетона и/или арматуры должны быть подтверждены в ходе первичных испытаний, которые учитывают условия работы на стройплощадке. Например, содержание добавки микрокремнезема, как правило, не должно превышать 10 % (а иногда и меньше) от массы цемента, во избежание снижения щелочности жидкой фазы в бетоне ниже предельного уровня, необходимого для предотвращения коррозии стальной арматуры в железобетоне.

Химические добавки для бетонов представляют собой жидкие, порошкообразные и гранулированные продукты, которые вводят в бетонную смесь, чтобы изменить в нужную сторону свойства бетонной смеси или бетона. Добавки добавляются в малых количествах, которые представляют собой очень малую объемную долю бетона. Если количество водного раствора добавки больше, чем 3 л/м³ бетона, как это, например, бывает в высокопрочных или самоуплотняющихся бетонах, то при расчете водоцементного отношения бетонной смеси следует учитывать содержащееся в растворе добавки количество воды.

Классификация важнейших химических добавок для бетона по их основному эффекту действия в бетонной смеси в соответствии с международной классификацией, обозначение этих добавок, их активные составляющие и принцип действия приведены в табл. 5.

Таблица 5