Первым шагом к получению качественного бетона является правильный выбор исходных материалов для его приготовления.

 

Вяжущие вещества и вода для затворения бетонных смесей

 

В бетонах в качестве вяжущих наиболее широко применяются различные цементы. При этом определяющим фактором при выборе вида цемента являются условия эксплуатации конструкции.

Так, например, при производстве бетонных конструкций, работающих в условиях воздушно-сухой среды, используют портландцементы с повышенным содержанием алита (3CaO·SiO₂).

В случае, если конструкция должна обладать устойчивостью к агрессивному воздействию среды, то предпочтение отдают пуццолановому или шлакопортландцементу.

Если требуется производить быстрый монтаж фундаментов под машины, выполнять аварийные работы, скоростное строительство, зимнее бетонирование, то в таких условиях используют глиноземистый цемент.

Цементы, имеющие величину активности выше значения требуемой прочности бетона (раствора) в два и более раз, при отсутствии агрессии должны применяться с тонкомолотыми активными минеральными добавками или микронаполнителями, снижающими активность цемента, но увеличивающими общее количество вяжущего. Оптимальное содержание добавок следует устанавливать на основании лабораторных испытаний.

В соответствии с «Типовыми нормами расхода цемента для приготовления бетонов сборных и монолитных бетонных, железобетонных изделий и конструкций» (СНиП 5.01.23-83), марка цемента может быть выбрана в зависимости от средней прочности бетона при сжатии и условий его твердения по табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Рекомендуемые и допустимые марки цемента для тяжелых бетонов на крупном заполнителе

 

Проектная марка бетона	Марка цемента для тяжелого бетона при твердении в условиях
естественных	тепловой обработки при отпускной прочности бетона
7- % проектной и менее	80...100 % проектной
рекомен-дуемая	допусти-мая	рекомен-дуемая	допусти-мая	рекомен-дуемая	допусти-мая
М100		-		-	-	-
М150						300, 500
М200		300, 500		300, 500
М250		300, 500		300, 500
М300
М350
М400		550, 600		550, 600		500, 600
М450		500, 600		500, 600		500, 550
М500		550, 500		550, 500
М600					-	-

 

Для мелкозернистых бетонов марку цемента рекомендуется выбирать по табл. 5.2.

Таблица 5.2

Рекомендуемые и допустимые марки цемента для мелкозернистых бетонов

 

Проектная марка бетона	Марка цемента
рекомендуемая	допустимая
М100
М150
М200
М250
М300
М350
М400		-

 

Для неармированных конструкций (бетонных) минимальный расход цемента должен составлять не менее 170 кг на м³ бетона, а для железобетонных конструкций – не менее 220 кг. Максимальный расход цемента в бетоне не должен превышать 600 кг/м³.

Выбор марки цемента зависит также от требуемой прочности бетона в конструкциях. Обычно исходят из условия, чтобы марка цемента по прочности (R_ц) превышала на 10...40 % марку бетона (R_б):

R_ц = R_б (1,1...1,4). (5.1)

При этом при низких марках бетона (100...300) превышение марки цемента достигает 200 %, т.е. в 2 раза.

Вода для затворения бетонных смесей не должна содержать вредных примесей, препятствующих нормальному схватыванию и твердению цемента.

Без какой-либо предварительной проверки для затворения бетонных смесей применяется питьевая вода. Запрещается использовать болотные и сточные воды, а также воды, загрязненные маслами, содержащие свободные кислоты (рН не менее 4 и не более 12,5, т.е. вода может быть слабо кислой или слабощелочной). Вода считается пригодной, если приготовленные на ней образцы бетона имеют прочность не ниже, чем у контрольных образцов на чистой пресной воде.

 

Заполнители

 

Общие сведения

 

Заполнители – природные или искусственные минеральные материалы определенного зернового состава, которые в рационально составленной смеси вместе с вяжущим образуют бетон или раствор.

Доля заполнителей в объеме бетона составляет 80...90 %.

Стоимость заполнителей достигает 30...50 % стоимости бетонных и железобетонных конструкций.

Положительная роль заполнителей заключается в том, что они позволяют:

- уменьшить расход вяжущего;

- снизить усадку цементных бетонов;

- увеличить прочность и модуль упругости бетона (при применении высокопрочных заполнителей);

- придать бетону требуемые специальные свойства (жаростойкость, радиационная стойкость и др.).

В соответствии с нормативными документами заполнители классифицируют по происхождению, крупности зерен, форме зерен и плотности.

Щебень (гравий). В бетоне он обеспечивает формирование макроструктуры, определяемой физико-механическими свойствами горной породы, из которой получен щебень, крупностью и формой зерен щебня, зерновым составом и количественным содержанием щебня в бетоне.

В качестве крупного заполнителя в бетоне может быть применен щебень, полученный из природного камня, отходов горнообогатительных предприятий путем их дробления, а также гравий.

При выборе крупного заполнителя требования к нему в зависимости от вида принимают в соответствии со значениями показателей, установленных существующими нормативными документами.

Качество крупного заполнителя (щебня, гравия) определяется следующими показателями:

- зерновой состав;

- форма зерен;

- прочность зерен;

- содержание зерен слабых пород;

- содержание пылевидных и глинистых частиц;

- морозостойкость;

- петрографическая характеристика;

- истинная, средняя и насыпная плотность;

- пористость;

- пустотность и водопоглощение.

Зерновой состав характеризуется процентным содержанием различных фракций, которые в зависимости от наибольшей крупности зерен могут быть следующие (мм): 5...10 (3...10); 10...20; 20...40; 40...70; 70...120.

Содержание различных фракций в крупном заполнителе (щебень, гравий) при подборе состава бетона должно соответствовать указанному в табл. 5.3 и обеспечивать получение плотной смеси.

 

Таблица 5.3

 

Рекомендуемый зерновой состав щебня для плотных смесей

 

Наибольшая крупность заполнителя, мм	Содержание фракций, мм, в крупном заполнителе, %
от 5 до 10	свыше 10 до 20	свыше 20 до 40	свыше 40 до 70	свыше 70 до 120
	25...40	60...75	-	-	-
	15...25	20...35	40...65	-	-
	10...20	15...25	20...35	35...55	-
	5...10	10...20	15...25	20...30	30...40

 

От зернового состава зависит пустотность щебня (гравия), определяющая расход цемента в бетоне. Пустотность щебня (гравия) зависит также от формы зерен. С увеличением содержания в щебне зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм пустотность повышается. Форма зерен заполнителя влияет, прежде всего, на удобоукладываемость бетонной смеси. Пластинчатые (лещадные) зерна заполнителя укладываются в строго ориентированном, горизонтальном положении. Это делает структуру бетона неоднородной, а его свойства неодинаковыми (анизотропными) в разных направлениях. Поэтому содержание зерен лещадной формы ограничивается стандартами.

В зависимости от содержания в щебне зерен пластинчатой и игловатой форм щебень подразделяют на три группы: кубовидный (до 15 %), улучшенный (15...25 %), обычный (25...35 %).

Для создания плотных смесей с хорошими технологическими свойствами применяют разнозернистый щебень (см. табл. 5.3), пустотность которого не более 45 %, содержание зерен пластинчатой и игловатой форм не более 35 %, а в щебне для дорожного бетона – 25 %. Предельная крупность щебня (гравия) должна составлять не более 1/4 минимального сечения элемента конструкции и не более наименьшего расстояния между стержнями арматуры. Для бетонирования плит, полов и покрытий допускают наибольшую крупность щебня до 1/2 толщины плиты. Для массивных элементов сооружений можно применять и очень крупный щебень. В бетонах специального назначения (например, высокопрочных, дорожных и аэродромных) наибольшая крупность щебня равна 40, 20 мм и в отдельных случаях – 10 мм. Это улучшает физические свойства бетона и увеличивает его прочность при изгибе и растяжении.

При взаимодействии цементного теста с поверхностью щебня протекают физико-химические процессы, которые обусловливают прочность сцепления (адгезию) цементного камня со щебнем, а следовательно, определяют прочность бетона, особенно при растяжении. Высокое сцепление обеспечивает свежедробленный чистый щебень из известняков и металлургических шлаков.

Повышение шероховатости, уменьшение количества смятых участков на поверхности зерен также способствует увеличению сцепления цементного камня со щебнем.

По показателю прочности щебень должен быть примерно в 2 раза больше прочности бетона марки 300 и выше, при этом водопоглощение щебня не должно быть более 3 %. Если бетон не будет подвержен замерзанию, водопоглощение щебня может быть до 5 %. Для бетонов марки 300 и ниже прочность щебня должна быть больше марки в 1,5 раза. Для специальных бетонов (дорожного, аэродромного и др.), работающих в конструкциях на изгиб и растяжение, следует определять прочность щебня при растяжении, которая должна быть в 1,5...2 раза выше, чем у бетона (меньшее значение для щебня из известняков и песчаников, большее – для щебня из изверженных пород).

В щебне ограничивается содержание пылевато-глинистых частиц (до 1 %) и вредных примесей в виде сернистых и сернокислых соединений, корродирующих цементный камень, и органических соединений, которые при повышенном их содержании разрушают бетон.

Качество гравия, как макроструктурной составляющей бетона, определяется петрографическим составом, крупностью, зерновым составом, формой и степенью окатанности зерен, количеством и качеством примесей, а также физико-механическими свойствами.

Требования к гравию по крупности и зерновому составу, водопоглощению и морозостойкости те же, что и к щебню.

Лучшими разновидностями гравия являются те, которые состоят из зерен округлой, угловатой форм со слабоокатанной (шероховатой) поверхностью. Плоские окатанные зерна следует дробить. Марка гравия и щебня из гравия должна быть не ниже: Др. 8 – для бетона класса В30 (М400) и выше; Др. 12 – для бетона классов В25 (М350) и Др. 16 – для бетона класса В22,5 (М300).

Содержание слабых зерен в гравии допускается не более 10 % по массе. Марка щебня, гравия и щебня из гравия для бетона покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов должна быть не менее указанной в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Прочность крупного заполнителя для бетона

для дорожных покрытий и оснований

 

Наименование бетона	Марка крупного заполнителя по прочности, МПа
Щебень	Гравий и щебень из гравия
из изверженных и метаморфических пород	из осадочных пород
Однослойные покрытия и верхний слой двухслойных покрытий			Др. 8
Нижний слой двухслойных покрытий			Др. 12
Основания капитальных покрытий			Др. 16

 

Прочность бетона с гравием обычно на 10...15 % ниже (при очень гладкой поверхности зерен даже на 30 %), чем бетона со щебнем (при равном водоцементном отношении). Поэтому, если по технико-экономическим соображениям целесообразно, следует дробить гравий на щебень. Примесь дробленого гравия около 35 % заметно улучшает его качество.

Сернистых и сернокислых примесей в гравии не должно быть более 1 % в пересчете на SO₃, пылевато-глинистых – до 1 % (по массе), а органических веществ – следы (не более эталона по колориметрической пробе).

Поскольку в месторождениях природный гравий, как правило, загрязнен пылевато-глинистыми примесями, его следует промывать в гравиемойках, а затем фракционировать. Гравий из разнопрочных зерен подвергают сепарации на классификаторах.

Примерные значения средней плотности бетона в зависимости от вида крупных заполнителей приведены ниже.

Заполнитель	Средняя плотность, кг/м^3
Стальные опилки, барит	2600 и выше
Щебень или гравий из плотных горных пород (гранит, сиенит, диабаз)	2200-2600
Кирпичный щебень	1800-2200
Топливные котельные шлаки	1400-1800
Пемза, туф	1000-1400
Керамзит	800-1000

 

Песок. Для бетона применяют пески крупные, средние и мелкие, природные, дробленые, а также пески, обогащенные и фракционированные, отвечающие требованиям ГОСТ 8736-85.

Выбор песка для бетона производят:

- по зерновому составу и модулю крупности;

- содержанию пылевидных и глинистых частиц;

- петрографическому составу.

При применении дробленых песков их качество характеризуют по пределу прочности исходной горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии.

Лучшими по качеству являются кварцевые пески, их чаще применяют для изготовления бетонов и растворов.

Зерновой или гранулометрический состав песка характеризуется содержанием в нем зерен различной крупности и определяется путем просеивания средней пробы сухого песка через набор стандартных сит (размер ячеек 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм). По результатам просеивания вычисляют модуль крупности М_к (см. п. 3.6).

По ГОСТ 8736 предусмотрено деление песка на группы по модулю крупности и полному остатку на сите № 0,63 (табл. 5.5).

Таблица 5.5 - Классификация песков по крупности

 

Группа песка	Модуль крупности Мк	Полный остаток на сите № 063, % по массе
Очень крупный	Свыше 3,5	Свыше 75
Повышенной крупности	3,0-3,5	65-75
Крупный	2,5-3,0	45-65
Средний	2,0-2,5	30-45
Мелкий	1,5-2,0	10-30
Очень мелкий	1,0-1,5	До 10
Тонкий	0,7-1,0	Не нормируется
Очень тонкий	До 0,7	Не нормируется

 

Чем больше в песке мелких зерен, тем больше его удельная поверхность. Для соединения зерен песка в бетоне необходимо, чтобы цементное тесто покрывало всю поверхность каждой песчинки. Таким образом, расход цемента будет возрастать с увеличением удельной поверхности песка, т.е. с увеличением содержания в нем количества мелких фракций. Именно поэтому не рекомендуется использовать песок с М_к ниже 2 для бетонов во избежание перерасхода вяжущего.

По результатам определения зернового состава строится кривая, которая сравнивается с установленным требованиями ГОСТ 10268 графиком зернового состава песка (рис. 5.2). Если кривая просеивания не выходит за допустимые границы, то песок признается пригодным для использования в бетоне.

При несоответствии зернового состава природных песков установленным требованиям, в мелкий песок вводят добавки крупных фракций природного песка или дробленого песка, а в крупный песок для понижения модуля крупности – мелкие пески.

При оптимальном зерновом составе пустотность песка не превышает 38 %. Косвенной характеристикой пустотности песка служит его насыпная плотность, которая у сухого кварцевого песка в рыхлом состоянии колеблется в пределах 1500-1550 кг/м³, а в уплотненном встряхиванием состоянии – в пределах 1600-1700 кг/м³.

Содержание воды в песке существенно влияет на его свойства. Если для других строительных материалов увлажнение, как правило, приводит к увеличению их плотности, то для песка ситуация обстоит иначе. Самый большой объем песок занимает при 4-7 % влажности (по массе). Это связано с тем, что влажный песок не столь сыпуч, как сухой, так как каждая песчинка покрывается тонким слоем воды. Насыпная плотность песка уменьшается, и общий объем песка возрастает (рис. 5.3).

Закономерность изменения насыпной плотности песка от влажности объясняется следующим. Пленочная вода обладает свойствами клея: песчинки слипаются и агрегируются, занимая при укладке их в какую-либо емкость значительно больший объем, чем занимал бы сухой песок. При дальнейшем увеличении влажности (порядка 20 %) вода входит в межзерновые пустоты песка, вытесняя воздух, насыпная плотность песка снова увеличивается.

Изменение объема свободно засыпанного песка в зависимости от его влажности необходимо учитывать при дозировке песка для бетонной смеси и в других случаях, когда применяется влажный песок, в частности при его добыче или обогащении гидроспособом.

Присутствие в песке пылеватых и особенно глинистых примесей снижает прочность и морозостойкость бетонов. Количество таких примесей определяют отмучиванием (многократной промывкой водой). Загрязняющие примеси ухудшают качество сцепления зерен заполнителя с вяжущим, уменьшают прочность и однородность изготавливаемых изделий. Для улучшения качества заполнителей применяется их промывка водой или обработка сухими способами – с помощью плоских вибрационных или барабанных грохотов, а также пульсирующих обеспыливателей.

Присутствие в песке органических примесей замедляет схватывание и твердение цемента и снижает прочность бетона. Такие примеси в песке могут присутствовать в виде остатков растений, органических кислот и т.д. Для оценки количества органических примесей пробу песка по ГОСТ 8735 обрабатывают раствором едкого натра и сравнивают цвет раствора с эталоном. Если цвет темнее эталона, песок нельзя использовать в качестве заполнителя без дополнительных исследований.

Для технологии бетонов важным является такая характеристика песка, как его водопотребность.

Водопотребность песка – это способность удерживать определенное количество воды на поверхности зерен в межзерновых пустотах.

Водопотребеность песка колеблется в пределах 4...6 % для крупнозернистых песков, 3...6 % для песков средней крупности, 8...10 % для мелкозернистых песков и более 10 % для очень мелких песков.

Использование местных мелкозернистых песков с повышенной удельной площадью поверхности и пустотностью обычно вызывает большой расход цемента.

Прогрессивная технология производства бетонных смесей (введение пластифицирующих добавок, принудительное перемешивание и виброуплотнение) эффективно повышает использование местных мелкозернистых песков.

Добавки

Для придания бетонным смесям и бетонам специальных свойств, а также для экономии цемента применяют различные добавки. Их классификация в зависимости от основного эффекта действия приведена на рис. 5.4.

По виду материала все добавки подразделяют на два вида:

- химические;

- тонкодисперсные минеральные добавки.

Химические добавки вводятся в состав бетона в малом количестве (0,1...2 % от массы цемента). Такие добавки влияют на:

- регулирование структуры бетона;

- удобоукладываемость смеси;

- скорость и сроки твердения бетона;

- морозостойкость;

- коррозиостойкость;

- пористость.

Применение химических добавок по ГОСТ 24211-80 является одним из наиболее универсальных, широко доступных и оперативных способов управления технологией бетона и регулирования его свойств.

К химическим добавкам относят: поверхностно-активные вещества (гидрофильные, гидрофобные, воздухововлекающие), электролиты (одни из них ускоряют растворение минералов цемента, другие взаимодействуют с минералами цемента, образуя водонерастворимые вещества, третьи – понижают температуру замерзания воды затворения).

Наиболее типичным сильно пластифицирующими смесь являются лигносульфонаты (ЛСТ) – отход целлюлозно-бумажных комбинатов. Это поверхностно-активное вещество вводится в смесь в количестве 0,15...0,3 % от массы цемента, что пластифицирует ее, снижает водопотребность и позволяет сократить расход цемента на 5...7 % или снизить водоцементное отношение и увеличить прочность бетона на 10...12 %.

В последнее время получили распространение химические добавки в виде суперпластификаторов, которые резко увеличивают подвижность и текучесть бетонной смеси и существенно улучшают строительно-технические свойства бетона.

Суперпластификаторы – синтетические полимерные вещества, которые вводят в бетонную смесь в количестве 0,1...1,2 % от массы цемента. Суперпластификаторы разжижают бетонную смесь в большей степени, чем обычные пластификаторы, например, увеличивают подвижность смеси с 2 до 20 см по осадке конуса или на 20...25 % снижают водопотребность бетонной смеси. Применение суперпластификаторов позволяет:

- применять бетоны с низким водоцементным отношением (В/Ц), что дает возможность получать высокую прочность бетона более просто, чем при использовании других технологических приемов;

- шире использовать литьевой способ приготовления сборного железобетона;

- бетонировать конструкции сложного профиля;

- сокращать время формования изделий;

- повышать качество лицевых поверхностей;

- уменьшать расход цемента.

Среди суперпластификаторов широко применяют добавку С-3 на основе нафталинсульфокислоты.

Химические добавки для регулирования структуры делятся на воздухововлекающие, гидрообразующие, уплотняющие и расширяющиеся вещества.

Из воздухововлекающих наибольшее распространение получила «смола нейтрализованная воздухововлекающая» (СНВ) – абиетиновая смола, омыленная каустической содой. Вводят ее в количестве 0,01...0,03 % от массы цемента, что способствует вовлечению в смесь до 4...5 % воздуха в виде мелких пузырьков, что заметно увеличивает морозостойкость бетона.

С этой же целью широко применяют химические добавки в виде кремнийорганических жидкостей (ГКЖ-10, ГКЖ-11), представляющие собой водно-спиртовые растворы этил-метилсиликоната натрия. При введении их в смесь (0,01...0,02 % от массы цемента) образуются мелкие пузырьки газа, что способствует повышению морозостойкости бетона.

В ряде случаев вводят добавки, чтобы уменьшить коррозию арматуры в железобетоне. К ним относят нитрит натрия, бихроматы натрия и калия.

Некоторые химические добавки обладают полифункциональным действием, например, одновременно пластифицирующие и воздухововлекающие, противоморозные и ингибирующие коррозию арматуры и др.

Номенклатура рекомендуемых к применению в бетонах химических добавок приведена в табл. 5.6.

 

Таблица 5.6 - Рекомендуемые химические добавки в бетоны

 

Класс добавок по ГОСТ 24211	Наименование	Условное обозначе-ние	Рекомен-дуемая дозировка*	Эффект применения
Суперпласти-фикаторы	Разжижитель С-3 Разжижитель СМФ Дофен	С-3 СМФ ДФ	0,5-1,0   0,5-1,5	Снижение водопотребности бетонной смеси более 20 %, увеличение подвижности от П1 до П5 без снижения прочности
Сильноплас-тифицирую-щие	Лигносульфонат технический модифицированный. Модифицированный лигносульфонат	ЛСТМ-2     МТС-1	0,15-0,25	Снижение водопотребности бетонной смеси до 20 %, увеличение подвижности от П1 до П4 без снижения прочности
Слабопласти-фицирующие	Нейтрализованный черный контакт Этилсиликонат натрия Метилсиликонат натрия	НЧК   ГКЖ-10 ГКЖ-11	0,05-0,2	Снижение водопотребности бетонной смеси до 10 %, увеличение подвижности от П1 до П2 без снижения прочности

 

Окончание табл. 5.6

Газо-образующие	Полигидросилоксаны	136-4 136-157М	До 0,1	Повышение морозостойкости бетона на 200-300 циклов
Воздухо-вовлекающие	Смола нейтрали-зованная воздухо-вовлекающая Клей талловый пековый Омыленный талловый пек	СНВ     КТП   ОТП	0,005-0,03	Обеспечивает воздузововлечение в бетонную смесь 2-5 %, повышение морозо-стойкости в 2 и более раз
Противо-морозные	Поташ (карбонат калия) Нитрит натрия Хлорид кальция Нитрит-нитрат кальция	П   НН ХК ННК	До 10	Твердение бетона при отрицательных температурах
Ингибиторы коррозии	Нитрит натрия Тетраборат натрия Бихромат натрия Бихромат калия	НН ТБН БХН БХК	2-3 0,2-3 0,5	Предотвращает коррозию арматуры в железобетоне
Регуляторы схватывания
Ускорители схватывания и твердения	Нитрат кальция Хлорид кальция Нитрит-нитрат кальция	НК ХК ННК	1-3 0,5-2 2-3	Ускоряют схватывание и твердение, повыша-ют прочность на 20 % и более в возрасте 1 сут. нормального твердения
Замедлители	Нитрилотриметилен-фосфорная кислота Кормовая сахарная патока	НТФ   КП	0,02-0,15   0,05-0,3	Замедляют схватывание до нескольких часов

 

Примечание. * – дозировка добавки указана в % от массы цемента, в пересчете на сухое вещество

 

Таким образом, применяя химические добавки, можно эффективно в широких пределах управлять свойствами бетонной смеси и бетонов, поэтому современная технология производства бетонных изделий немыслима без использования химических добавок.

Многие из применяемых химических добавок могут оказывать вредное влияние на работающих. Например, добавки нитрата кальция (НК), нитрит-нитрата кальция (ННК) поражают участки кожи. Для избежания этого необходимо применять резиновые перчатки или мази. Рабочие, занятые приготовлением растворов добавок, должны пользоваться индивидуальными средствами защиты. Лицам, не достигшим 18-летнего возраста, работать с химическими веществами не разрешается.

Тонкодисперсные минеральные добавки применяются в основном для:

- экономии цемента;

- получения плотного бетона при малых расходах цемента;

- повышения водостойкости бетона.

Такие добавки вводят в бетонную смесь в количестве 5...20 % от массы цемента.

Неорганические пластификаторы (известь, известьсодержащие отходы, тонкомолотые добавки – золу и цементную пыль) чаще всего используют для приготовления низкомарочных растворов, не требующих много цементного вяжущего. В этом случае тонкомолотые минеральные добавки играют роль «разбавителя» высокомарочных цементов (М400 и более) при приготовлении растворов М75 и ниже.