Основні властивості портландцементу

Істинна густина цементу 3,05…3,15 г/см³.

Насипна густина близько 1300 кг/м³.

Міцність характеризується границею міцності при стиску і вигині, визначених при випробуванні балочок розмірами 40х40х160мм, виготовлених з цементно-піскового розчину складу 1: 3, що зберігалися протягом 28 діб у нормальних умовах для твердіння і набирання міцності (при температурі 20±2⁰С та вологості близько 100%). Границя міцності при стиску відповідає активності цементу, а середнє значення границі міцності при стиску у кгс/см² (наближене до меншого уніфікованого значення) є маркою цементу. Міцність цементу наростає нерівномірно: протягом перших трьох діб набуває 40…50%, за 7 діб – 60…70%. Міцність залежить від мінералогічного складу, тонкості помелу, вмісту води, вологості, температури, часу зберігання.

Цемент – це порошкоподібна речовина з розмірами зерен від 15…20 мкм до 40 мкм. Тонкість помелу цементного клінкеру визначається залишком на ситі №008 не більше 15% (найчастіше 8…12%). Питома поверхня цементу становить 2500…3000 см²/г, для швидкотверднучого тонкість помелу більша і становить 3500…4000 см²/г. На кожні 1000 см²/г активність цементу зростає на 20…25%.

Водопотреба – це мінімальна кількість води, що необхідна для приготування цементного тіста нормальної консистенції (густоти). Теоретична водопотреба (кількість води, необхідна для реагування з зернами цементу) становить 24…27%, проте для забезпечення достатньої легковкладальності водопотреба у 2 – 3 рази більша.

Строки тужавіння – час, протягом якого цементне тісто втрачає свою пластичність і набуває землистої консистенції без помітної міцності. Початок тужавіння визначається за приладом Віка і відповідає тому моменту, коли голка не доходить до дна на 2…4 мм. Кінець тужавіння відповідає часу, коли голка приладу занурюється у тісто лише на 1 – 2 мм. Найчастіше початок тужавіння настає не раніше як через 45 хв., а кінець тужавіння – не пізніше як через 10 год. Для регулювання термінів тужавіння вводять спеціальні добавки: сповільнювачі тужавіння (борна кислота, сульфат або нітрат натрію чи калію) або прискорювачі тужавіння (електроліти, сульфати, карбонати металів).

 

Стійкість цементного каменю

Бетон у інженерних спорудах піддається агресивному впливу оточуючого середовища: прісних та мінеральних вод, спільної дії води та морозу, навперемінному зволоженню чи висушуванню тощо. Найбільше реагує на всі ці впливи саме цементний камінь, який може піддаватись корозії. Корозія цементного каменю у водному середовищі може бути кількох видів:

І вид корозії – вилужування – руйнування цементного каменю відбувається в результаті розчинення у проточній воді і вимивання деяких його складових частин. Наприклад, Са(ОН)₂ вимивається (зовні це видно у вигляді білих плям на поверхні, потьоків), залишаючи пори і зменшуючи при цьому міцність. Дещо запобігає цьому виду корозії захисна кірка з СаСО₃, що утворюється внаслідок карбонізації Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О. СаСО₃ майже у 100 разів менш розчинний у воді, ніж Са(ОН)₂. Головна боротьба з цим видом корозії – пуцоланізація – введення в цемент гідравлічних добавок (аморфний кремнезем), що зв’язує Са(ОН)₂ у малорозчинну сполуку – гідросилікат кальцію:

Ca(OH)₂ + SiO₂ + (n – 1)H₂O = CaO × SiO₂ × nH₂O.

Всі мінерали цементного клінкеру можуть довгий час бути у воді лише при певній концентрації вапна (СаО) у воді – не нижче рівноважної концентрації. Якщо ж СаО менше від рівноважної концентрації хоча б на 0,05 г/л, то мінерали розчиняються з розкладом і виділенням у розчин, що є руйнуванням цементного каменю:

3CaO × SiO₂ × nH₂O + 3H₂O = 3Ca(OH)₂ + SiO₂ × nH₂O.

CaO × SiO₂ × nH₂O + H₂O = Ca(OH)₂ + SiO₂ × nH₂O.

Ще одним видом захисту від корозії такого виду є застосування цементу, який при твердінні виділяє якомога менше Ca(OH)₂ - це є белітовий цемент, у якому вміст 3CaO×SiO₂ не більше 50%.

ІІ вид корозії – руйнування цементного каменю водою, яка містить солі, здатні вступати в обмінні реакції зі складовими частинами цементного каменю, утворюючи при цьому легкорозчинні у воді або аморфні сполуки. При цьому зростає пористість цементного каменю і зменшується міцність його. Найхарактерніші обмінні реакції відбуваються при дії хлористих і сірчанокислих солей:

Ca(OH)₂ + MgSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ ×2H₂O + Mg(OH)₂ .

Видно, що в результаті реакції утворився добре розчинний у воді (до 2 г/л) гіпс і нерозчинний аморфний гідроксид магнію, який не зв’язаний і добре вимивається.

Ca(OH)₂ + MgCl₂ = CaCl₂ + Mg(OH)₂ .

В даній реакції утворюється теж добре розчинний хлорид кальцію.

Корозія цементного каменю відбувається і водами з високим вмістом вільної вуглекислоти. Під час реакції

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О

утворюється труднорозчинний карбонат кальцію і бетон (а саме цементний камінь у ньому) добре зберігається, одначе при подальшій взаємодії утворюється легкорозчинний бікарбонат кальцію:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Під дією розчинів майже всіх кислот відбувається кислотна корозія цементного каменю внаслідок утворення розчинних у воді солей, які легко вимиваються або збільшуються в об’ємі, руйнуючи цементний камінь:

Ca(OH)₂ +НCl = CaCl₂ + 2H₂ О.

Захист – покриття кислототривкими матеріалами.

Корозія може настати і внаслідок впливу розчинених мінеральних добрив, особливо аміачних (аміачна селітра, сульфат амонію, суперфосфат), з утворенням легкорозчинних солей, які вимиваються:

Ca(OH)₂ + 2NH₄NO₃ = Ca(NO₃)₂ + 2NH₃ + 2 H₂O.

ІІІ вид корозії – руйнування цементного каменю під дією сульфатів та їдких лугів, що знаходяться в морській воді, мінералізованій воді, воді з розчиненим гіпсом:

3CaO×Al₂O₃ ×6H₂O + 3СaSO₄ + 25H₂O = 3CaO×Al₂O₃×3CaSO₄×31H₂O.

Утворюється важкорозчинний гідросульфоалюмінат кальцію (етрингіт) – кристали у вигляді довгих голок, так звана “цементна бацила”, яка спочатку ущільнює цементний камінь, бо збільшується в об’ємі в 2,5 рази, а згодом руйнує цементний камінь зсередини внаслідок зростання внутрішнього кристалічного тиску.

Аналогічний наслідок отримуємо при дії розчинів лугів, які викликають карбонізацію солей у порах цементного каменю:

2NaOH + CO₂ + 9H₂O = Na₂CO₃ ×10H₂O;

2KOH + CO₂ + H₂O = K₂CO₃ ×1,5H₂O + 0,5H₂O.

Захистом від цього виду корозії може бути застосування цементів з низьким вмістом трикальцієвого алюмінату– до 5%.

Отже, щоб підвищити стійкість цементного каменю застосовують:

· конструктивні заходи (гідроізоляція, водовідведення, дренаж);

· покращення технології бетону (ущільнення бетонних сумішей, автоклавна обробка бетону, зменшення В/Ц, підбір зернового складу заповнювачів бетону);

· застосування цементів певного мінералогічного складу (з вмістом целіту (3CaO×Al₂O₃) до 5% - сульфатостійкий цемент, з низьким вмістом аліту 3CaO×SiO₂);

· пуцоланізація бетонів.

 

Спеціальні цементи

Швидкотверднучий цемент – через 3 доби набирає 50% проектної міцності (міцність при стиску 25…28МПа). Клінкер тонко мелеться до питомої поверхні 350м²/кг. Мінералогічний склад – аліту і целіту 60…65%, гіпсу 3…5%, активних мінеральних добавок 10% або доменного гранульованого шлаку 15%. Застосовують при надшвидких темпах будівництва, при низьких температурах для зменшення часу на тепловологову обробку бетону. Не застосовують при виготовленні масивних конструкцій, бо спостерігається значне тепловиділення. У такому цементі підвищений вміст аліту, тому він непридатний для конструкцій, що зазнають сульфатної корозії.

Особливо швидкотверднучий цемент марки М600 у віці 1 доби має міцність 20…25МПа, 3 діб – 40 МПа. Мінералогічний склад: аліту 65…68%, целіту до 8%. Тонкість помелу досить висока – питома поверхня 400 м²/кг. Переваги: на 15…20% можна знизити витрату, зменшити час на теплообробку виробів.

Надшвидкотверднучий цемент отримують введенням додатково фторидів кальцію, хлоридів кальцію з великим вмістом алюмінатів. Через 1…4 години можна розпалублювати. М400, М500. Недолік – невисока морозостійкість, хлор-іони викликають корозію арматури.

Пластифікований цемент отримують тонким подрібненням клінкеру з додаванням гіпсу 3…5% і 0,25% пластифікуючої добавки (лігносульфонат технічний). Це надає підвищеної рухливості, можна зменшити В/Ц, збільшити щільність, морозостійкість, водонепроникність, або при сталому В/Ц можна зменшити витрату цементу на 10…15%, зберігши проектну міцність.

Гідрофобний цемент отримують додаючи до клінкеру 3…5% гіпсу і 0,08…0,25% гідрофобних добавок (олеїнової кислоти, асидолу, милонафту). Ці добавки утворюють плівку на поверхні порошку цементу, зменшують гігроскопічність при зберіганні і транспортуванні, але і сповільнюють наростання міцності на початку твердіння.

Пуцолановий цемент отримують додаванням до клінкеру 3…5% гіпсу, 20…30% активних добавок - вулканічного попелу (пуцолана). Він зв’язує гідроксид кальцію у нерозчинний гідросилікат кальцію, таким чином підвищуючи стійкість до корозії І виду. Недолік такого цементу – значна усадка у повітряно-сухих умовах, при цьому знижується міцність, твердне повільніше, особливо при низьких температурах.

Шлакопортландцемент – до цементного клінкеру додають 3,5% гіпсу і 20…80% гранульованого доменного шлаку або близько 15% трепелу чи діатоміту. При твердінні тепловиділення менше в 2-2,5 рази від звичайного портландцементу, тому застосовують для виготовлення масивних конструкцій. Має меншу водопотребу, більшу повітростійкість, більшу морозостійкість, вартість на 15…20% менша. Недолік – повільно набирає міцність на початку твердіння, особливо при низьких температурах.

Сульфатостійкий цемент застосовують для виготовлення бетонів, що працюють у морській воді. Склад: аліт до 50%, целіт – до 5%, целіту і чотирикальцієвого алюмофериту разом до 22%. Марки М300, М400, М500, висока морозостійкість. Недолік – сповільнено твердне у початкові строки.

Білий портландцемент – декоративний цемент марок М400, М500. Сировина для виготовлення – чисті вапняки, кварцовий пісок, каолін, чистий гіпс, світлі туфи – без оксидів металів. Як паливо при виготовленні цементу застосовують природний газ. Щоб покращити білизну цементу, клінкер випалюють у відновлювальному середовищі, відбілюють, швидко охолоджують водою. За ступенем білизни є 3 ґатунки цементу: І, ІІ, ІІІ.

Кольорові цементи – отримують з додаванням до білого цементу мінеральних пігментів або забарвлюють клінкер, вводячи до складу шихти оксиди металів (заліза, хрому, нікелю, кобальту, марганцю тощо), які дають певне забарвлення. Застосовують для оздоблювальних робіт.

Тампонажний цемент застосовують для ізоляції пластів, кріплення свердловин, тампонування свердловин. Мають високу міцність, водо- і газонепроникні, стійкі до дії солей, суміші дуже рухливі. Мінеральний склад регулюється для кожного випадку окремо.

Глиноземистий цемент. Сировина – боксити, вапняки. У складі клінкеру переважають алюмінати кальцію. Тепловиділення у 1,5 раза більше, ніж у звичайних цементів, тому застосовують для зимових робіт (не застосовують влітку для масивних конструкцій). Глиноземистий цемент не піддають теплообробці, бо при високих температурах відбувається перекристалізація, зростають внутрішні напруження, міцність знижується у 2 – 3 рази. Марки М400, М500, М600. Водопотреба 23…28%. Швидкотверднучий, але повільно тужавіє, тому зручний у роботі.

Розширні цементи (містять спеціальну розширну добавку) не дають усадки при твердінні на повітрі, дещо набухають при твердінні у воді. Є кілька видів: глиноземистий розширний, водонепроникний гіпсоглиноземистий, розширний портландцемент, напружувальний цемент. Застосовують у підземному та підводному будівництві, у тунелях, шахтах, для тампонажних розчинів, для влаштування водонепроникних швів, для гідроізоляції.

 

Тема 6. БЕТОНИ

 

1. Загальні відомості.

2. Класифікація бетонів.

3. Основні вимоги до бетонних сумішей та бетонів.

4. Важкі бетони:

4.1. Матеріали для бетону.

4.2. Бетонна суміш та її властивості.

4.3. Проектування складу бетону.

4.4. Загальні властивості важкого бетону.

5. Спеціальні види бетонів.

6. Легкі бетони, їх різновиди, виробництво, властивості та використання.

 

Бетон – штучний каменеподібний матеріал, результат твердіння раціонально підібраної суміші в’яжучої речовини, заповнювачів, води, добавок.

Бетон є одним з основних видів будівельних матеріалів. Вартість його становить близько 25% всього будівництва. Цей матеріал є досить економічним, оскільки близько 80% його складників (пісок, щебінь, гравій, шлак, зола, вода) є місцевими. Бетон – штучний матеріал, тому можна змінювати склад суміші і досягти цим різних властивостей.

 

Класифікація бетонів:

1. за основним призначенням:

- конструкційні;

- спеціальні (жаро-, хімічно стійкі, декоративні, радіаційно захисні, теплоізоляційні тощо);

2. за видом в’яжучої речовини:

- на основі цементних в’яжучих;

- на основі вапняних в’яжучих;

- на основі гіпсових в’яжучих;

- на основі шлакових в’яжучих;

- на основі спеціальних в’яжучих;

3. за міцністю (див. СНиП 2.03-84) поділяється на класи (наприклад, В7,5, В15, В30);

4. за видом заповнювача:

- на щільних заповнювачах;

- на пористих заповнювачах;

- на спеціальних;

5. за структурою:

- щільні;

- поризовані;

- ніздрюваті;

- крупнопористі;

6. за морозостійкістю поділяється на марки (наприклад, F20; F50);

7. за водонепроникністю поділяється на марки (наприклад, W2, W2,5);

8. за середньою густиною поділяється на марки (наприклад, D2500, D2000);

- особливо важкий із середньою густиною r_т > 2500 кг/м³; заповнювачами є барит, залізна руда, сталева стружка, чавунний скрап, ошурки тощо;

- важкий (звичайний) з r_т = 2200…2500 кг/м³; заповнювачами є щебінь або гравій з важких та міцних гірських порід, кварцовий, вапняковий або польовошпатний пісок;

- полегшений r_т = 2000…2200 кг/м³; заповнювачі – вапняк-черепашник, цегельний бій;

- легкий r_т = 500…2000 кг/м³ – на пористих штучних і природних заповнювачах (вулканічний та вапняковий туф, пемза, керамзит, шлакова пемза, аглопорит);

- особливо легкий r_т £ 500 кг/м³; – ніздрюваті бетони і бетони на особливо легких заповнювачах (спучений перліт, спучений вермикуліт);

9. за розмірами крупного заповнювача:

- крупнозернистий бетон із заповнювачем розмірами зерен 10…150 мм;

- дрібнозернистий – із заповнювачами розмірами зерен до 10 мм, як різновид є цементно-пісковий бетон з крупністю піску до 5 мм.

 

Основні вимоги до бетонних сумішей та бетонів

 

При перемішуванні, транспортуванні, вкладанні витрачати якомога менше енергії.

При транспортуванні бетонна суміш не повинна розшаровуватись.

Швидкість твердіння суміші повинна відповідати термінам розпалублення.

Витрата цементу має бути мінімальна.

Для конструкційних бетонів повинна бути достатня задана міцність, морозостійкість, водонепроникність (особливо для гідротехнічних бетонів), низька теплопровідність (особливо для стінових), низька зносостійкість (особливо для покриття підлог), для дорожніх бетонів має бути висока морозостійкість та міцність.

 

 

ВАЖКИЙ БЕТОН

Один із основних видів бетону. Застосовується для виготовлення будівельних виробів та конструкцій масового виробництва, для монолітного бетонування в різних спорудах.

 

Матеріали для важкого бетону

Матеріалами для важкого бетону є в’яжуча речовина (найчастіше то цементи), заповнювачі (дрібний та крупний) і вода.

Цемент – в основному застосовують портландцемент та його різновиди, рідше глиноземистий та інші види в'яжучих. Залежно від проектної міцності бетону застосовують такі марки цементу:

 

Бетон	В7,5	В17,5	В20	В25	В35	В45	В50
цемент		300, 400		400, 500	500, 600

 

На практиці найчастіше застосовують цемент марок 400, 500. Слід пам’ятати, що чим вища марка цементу, тим менше його витрачають для приготування бетонної суміші певних властивостей.

 

Заповнювачі:

– дрібні (природні чи штучні піски), крупністю 0,14…5,00 мм;

– крупні (щебінь, гравій), крупністю 5…70 мм; при бетонуванні масивних споруд застосовують щебінь фракцій до 150 мм.

Природні піски – сипка уламкова порода. За мінералогічним складом – кварцові, польовошпатні, карбонатні. За походженням – гірські, річкові, морські.

Штучні піски отримують подрібненням гірських порід, спеціально виготовлених матеріалів, відходів промисловості.

У лабораторіях визначають такі показники піску:

- істинна густина;

- насипна густина;

- міжзернова пустотність;

- вологість;

- вміст мінеральних та органічних домішок;

- зерновий склад піску;

- модуль крупності.

Модуль крупності піску визначають після проведення ситового аналізу на стандартному наборі сит з вічками 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14 мм. Залишки піску на кожному ситі зважують і обчислюють частковий залишок в г та в % за формулою:

а_і = (т_і / т) 100%,

де т_і - маса залишку (частковий залишок) на і -тому ситі, г;

т - маса наважки піску, який просіюють, г.

Часткові залишки характеризують розподіл зерен за ступенем крупності у пробі піску.

Визначають повні залишки на кожному ситі, що дорівнюють сумі часткового залишку на даному ситі та часткових залишків на всіх попередніх ситах з більшими вічками, %:

А_і = а_2,5 + а_1,25 + … + а_і.

Загальну оцінку крупності піску даної проби виражають модулем крупності:

М_к = (А_2,5 + А_1,25 + А_0,63 + А_0,315 + А_0,14) / 100.

Результати просіювання добре подати наочно на графіку, відклавши по горизонталі розміри отворів сит, а по вертикалі повні залишки у %. Оптимальне поєднання фракцій забезпечує сипкому матеріалу найменшу міжзернову пустотність, тобто мінімальний об’єм, який буде зайнятий цементним тістом. В залежності від модуля крупності піски поділяють на

- крупні з М_к > 2,5;

- середні з М_к = 2,5…2,0;

- дрібні з М_к < 2;

- дуже дрібні з М_к < 1,5.

 

Гравій – це сипкий матеріал, утворений внаслідок природного руйнування (вивітрювання) вивержених чи осадових порід. Форма зерен гравію обкатана, округла, поверхня гладенька. Міцні зерна утворюються з граніту, діориту, а слабкі з пористих вапняків. Часто гравій містить домішки пилу, глини, піску. Якщо піску 25…40%, то такий матеріал називають піщано-гравійною сумішшю.

За походженням буває

- гірський,

- морський,

- річковий.

За розмірами зерен гравій поділяють на

- рядовий – 30…70 мм;

- фракціонований:

- дрібний – 5…20 мм;

- середній – 20…40 мм;

- крупний – 40…70 мм.

 

Щебінь – сипкий матеріал, отриманий механічним подрібненням гірських вивержених (граніт, діабаз, діорит), щільних осадових (вапняк, доломіт, кальцит) чи інших порід. Форма їх кутаста, поверхня шорстка, тому міцність зчеплення з цементним каменем у щебеню більша, ніж у гравію.

Фракції щебеню:

- особливо дрібний – 5…10 мм;

- дрібний – 10…20 мм;

- середній – 20…40 мм;

- крупний – 40…70 мм;

- особливо крупний – 70…150 мм.

Часом крупний гравій подрібнюють на щебінь.

Вміст глинистих, мулистих, пилуватих домішок обмежують.

Зерновий склад крупного заповнювача, аналогічно як і піску, впливає на властивості бетонної суміші та самого бетону. Оптимізація зернового складу має ґрунтуватись на такій умові: отримати найменший об’єм міжзернових пустот, тобто забезпечити мінімальну витрату розчинової суміші, а отже і цементу.

 

Вода необхідна

· для приготування бетонної суміші певної консистенції,

· для поливання відкритих поверхонь тверднучого бетону,

· часом для промивання заповнювачів.

Застосовують, як правило, воду питної якості, незабруднену воду річок, озер без масел, нафтопродуктів, агресивних стоків, органічних домішок – цукру (гранично допустима концентрація – ГДК– становить 10 г/л). За хімічним складом у воді не повинно бути розчинних солей (ГДК= = 5 г/л), а саме сульфат іонів, які викликають корозію цементного каменю і приводять до руйнування, - ГДК = 2,7 г/л, хлор-іонів, які спричиняють корозію арматури, - ГДК = 3,5 г/л. Витрата води зумовлена такими потребами:

· для гідратації цементу у кількості 15 – 20% за масою,

· для нормальної густоти цементного тіста – 24 – 30%,

· для легковкладальності бетонної суміші – 40 – 70%.

Отже, надлишок води необхідний для зручності перемішування та ущільнення суміші.

 

Бетонна суміш та її властивості

Бетонна суміш – це складна багатокомпонентна система, яку утворюють зерна цементу, які реагують з водою замішування, заповнювачі, які утворюють скелет майбутнього бетону, вільна вода і повітря, втягнуте під час перемішування і укладання бетонної суміші. Отже, у суміші присутні 3 фази – тверда, рідка, газоподібна. З часом і під впливом зовнішніх факторів суміш змінює свій стан від рідкого до твердого за схемою “пластичне ® в’язке ® пружне”. Головна роль у зміні стану належить цементу як в’яжучій речовині. Структурна в’язкість цементного тіста залежить від концентрації твердої фази у водній суспензії і характеризується показником нормальної густоти тіста, тобто умовним ступенем пластичності для цементу. Нормальна густота (НГ) цементного тіста пропорційна до водоцементного співвідношення (В/Ц).

Легкоукладальність бетонної суміші – це міра її консистенції, здатність суміші заповнювати форму чи опалубку з найменшими затратами зовнішньої енергії. Характеристиками легкоукладальності є рухливість та жорсткість.

Рухливість бетонної суміші визначають за допомогою стандартного конуса (металева форма без дна у вигляді зрізаного конуса висотою 300 мм, діаметром 100 мм зверху та 200 мм знизу). Форму змочують водою, встановлюють на горизонтальну поверхню. Заповнюють бетонною сумішшю за 3 рази, ущільнюючи її штикуванням (25 разів). Надлишок зрізають кельмою. Знімають форму різко вверх. Бетонна суміш починає осідати під дією власної ваги. Різниця між краєм форми та верхньою точкою бетонної суміші дасть осадку конуса ОК. ОК визначають 3 рази, підраховуючи середнє значення. Суміші з ОК = 1 – 3 см вважаються малорухливими, при ОК = 4 – 15 см – рухливими, при ОК понад 15 см – литі. Марки (від російського “подвижные” - П) П1 при ОК до 4 см, П2 – при ОК = 5 – 9 см, П3 при ОК = 9 – 15 см, П4 при ОК більше 15 см.

Жорсткість бетонних сумішей визначають технічним віскозиметром або спрощено за допомогою форми у вигляді куба зі стороною 200 мм, у який встановлюють стандартний конус. Конус заповнюють сумішшю і встановлюють все це вібростіл. Конус знімають, вмикають вібростіл і одночасно секундомір. Коли бетонна суміш заповнить всі кути форми і поверхня її стане горизонтальною, вібрацію і секундомір зупиняють. Час вібрації дає показник жорсткості. Марки Ж-4 при часі понад 31 с, Ж-3 при 21 – 30 с, Ж-2 при 11 – 20 с, Ж-1 – 5 – 10 с. У жорстких сумішах відносно невеликий вміст води. В основному застосовуються на заводах, що виготовляють збірний залізобетон. Позитивним є те, що для таких сумішей знижується витрата цементу, а недоліком – значні затрати енергії для формування виробів.

Рухливі бетонні суміші містять більше води і тому ущільнюються легше. Вони частіше застосовуються при монолітному бетонуванні.

Зв’язність бетонних сумішей перешкоджає розшаровуваності, коли важчі частки осідають у нижні шари, витісняючи воду. Щоб знизити розшарованість, вводять пластифікуючі добавки. Зв’язність та легковкладальність суміші залежить від

· витрати води,

· виду цементу,

· об’єму цементного тіста,

· об’єму розчинової частини,

· характеру заповнювача (щебінь чи гравій),

· наявності пластифікуючої добавки.

Добавки вводяться на стадії перемішування для регулювання властивостей бетонної суміші та бетону, а також для економії цементу. Застосовують добавки

тонкомелені (золи ТЕС, мелені шлаки тощо) у кількості 5 – 20% до маси цементу для його економії;

хімічні у кількості 0,1 – 2,0% маси цементу для зміни властивостей бетонної суміші і бетону у потрібному напрямку, а саме для пластифікації суміші, прискорення процесів твердіння, зниження температури замерзання та ін.

 

Пластифікуючі добавки застосовують для покращення легковкладальності суміші. До них належать:

· ПАР – поверхнево активні речовини, лігносульфонат технічний,

· СДБ – сульфатно-дріжджова бражка (застосовують у кількості 0,1 – 0,5% до маси цементу, або 1 кг на 1 м³ бетону),

· суперпластифікатори – С-3, 10-03, 40-03, ДОФЕН, ОП-7 – це синтетичні полімерні речовини, які застосовуються у кількості 0,2 – 1,2% до маси цементу і дають сильний розріджувальний ефект, не сповільнюючи процеси твердіння;

· гідрофобні пластифікуючі добавки (милонафт, гідрофобізуючі сполуки) застосовують для бетонів з малим вмістом цементу. Після затвердіння бетону ці добавки, адсорбуючись у порах, забезпечують йому водовідштовхувальні властивості. Тому зменшується водопоглинання, а морозостійкість та корозійна стійкість зростає.

Застосування пластифікаторів дає змогу

· формувати вироби складної форми,

· зменшити затрати енергії на формування,

· зменшити водоцементне співвідношення,

· підвищити міцність бетону,

· покращити якість лицьових поверхонь,

· знизити витрату цементу,

· підвищити легковкладальність суміші, не змінюючи витрати цементу і міцності бетону,

· знизити витрату води, залишаючи сталою витрату цементу і збільшити при цьому міцність бетону,

· знизити витрату води і цементу, зберігши ту ж легковкладальність і міцність бетону.

Для регулювання термінів тужавлення бетону слугують прискорювачі та сповільнювачі твердіння.

Прискорювачі твердіння застосовують для монолітного бетону з метою наближення термінів розпалублення, а для збірного залізобетону – для прискорення режиму теплообробки, підвищення оборотності бортоснащення, їх використовують для термінових робіт і відновлення конструкцій після аварій. До цієї групи належать такі речовини: хлорид кальцію CaCl₂, сульфат натрію Na₂SO₄, поташ K₂CO₃, нітрати кальцію Ca(NO₃)₂ та натрію NaNO₃. Слід пам’ятати, що хлорид кальцію сприяє корозії арматури, тому його застосовують у кількості, що не перевищує 2%, а для конструкцій з тонкою (дротовою) попередньо напружуваною арматурою його не застосовують.

Сповільнювачі тужавлення (органічні сполуки – лігносульфонат технічний, кремнійорганічні речовини – ГКЖ-10, ГКЖ-11) одночасно знижують водопотребу, витрату цементу.

Протиморозні добавки (хлорид кальцію CaCl₂, поташ K₂CO₃, хлорид натрію NaCl) застосовують в умовах зимового бетонування, вони знижують температуру замерзання води. Чим нижча температура повітря, тим вища концентрація добавок.

Повітровтягувальні добавки (СНП – смола нейтралізована повітровтягувальна, СДО – смола деревна омилена) покращують легковкладальність суміші, підвищують морозостійкість бетону, проте знижують його міцність (при об’ємі повітря до 4 – 5% міцність не змінюється).

Часто застосовують добавки поліфункціональної дії (комплексні), які регулюють декілька властивостей бетонної суміші.

 

Проектування складу бетону

Проектування складу бетону виконується в такому порядку:

1. Визначення вимог до бетону (його проектних властивостей), виходячи з характеристик споруди чи виробу, особливостей їх виготовлення або експлуатації.

2. Вибір матеріалів для бетону, визначення їх властивостей.

3. Попередній розрахунок складу бетону.

4. Перевірка складу у пробних замісах.

5. Корегування складу суміші у випадках, коли у пробному замісі виявлено відхилення від вимог.

Отже, перед приготуванням бетонної суміші слід провести підготовчу роботу, яка включає 2 основних етапи:

І – визначення проектних даних (з проектної документації або (рідше) візуального обстеження) бетону:

- класу за міцністю;

- рухливості за осадкою конуса (ОК) чи жорсткості бетонної суміші;

ІІ – визначення властивостей наявних матеріалів, які застосовуватимуться для приготування бетонної суміші:

- вид цементу, його активність, МПа;

- істинні густини цементу, піску, щебеню чи гравію;

- міжзернову пустотність крупного заповнювача;

- найбільшу і найменшу крупність зерен заповнювача;

- насипні густини цементу, піску, щебеню чи гравію;

- вологість заповнювачів;

- якісні характеристики заповнювачів (вміст різних домішок).

Наступним є попередній розрахунок складу бетону. В основу його покладено принцип “абсолютних об’ємів”. Тобто сума абсолютних об’ємів компонентів суміші повинна становити 1 - 1 м³, або іншу одиницю об’єму.

,

 

де Ц, П, Щ, Г, В – витрати компонентів, відповідно цементу, піску,

щебеню, гравію, води в кг на 1 м³ суміші;

r – істинна густина кожного компонента.

Завдання розрахунку полягає у тому, щоб визначити кожне з чотирьох невідомих цього рівняння.

1. Витрату води В визначають з таблиці водопотреб залежно від ОК, виду заповнювача (щебінь чи гравій) та його максимальної крупності.

2. Витрату цементу Ц обчислюють з цементно-водного відношення (при відомій уже витраті води В), застосовуючи формулу Скрамтаєва: , звідки ,

тут R_b – міцність бетону на стиск, МПа (за проектними даними);

А – коефіцієнт якості заповнювачів, який становить 0,65 – для високоякісних заповнювачів, 0,60 – для рядових, 0,55 – для заповнювачів зниженої якості.

3. Для визначення витрати щебеню Щ (чи гравію Г) варто провести логічне міркування, що бетонна суміш складається зі “щебеню” – скелету бетону і “не щебеню” – ущільненої розчинової частини бетонної суміші. Це означає, що міжзерновий простір у щебені (чи гравії) повинен заповнитися цементно-піщаним розчином.

Міжзерновий простір (виходячи з насипної густини щебеню) становитиме Проте оптимальна структура бетону буде, коли зерна щебеню по всьому об’єму будуть контактувати між собою не “насухо”, а через зв’язувальний шар розчину, тобто зерна щебеню мають бути розсунутими. Вводять коефіцієнт розсунення зерен a. Отже, об’єм розчинової суміші у бетоні (бетон без щебеню) становитиме . Підставимо це значення у рівняння абсолютних об’ємів: , звідки отримаємо витрату щебеню (гравію) в кг на 1 м³ суміші:

.

4. Витрата піску визначається з цього ж рівняння, оскільки відомі вже всі компоненти:

.

5. Пізніше зводять всі витрати до витрат цементу: , підставивши конкретні числові значення отримують склад бетону, наприклад: 1: 2,5: 4 при В/Ц = 0,56.

6. Готують пробний заміс. Знаючи витрату матеріалів на 1 м³ бетону, перераховують його на об’єм пробного замісу (10л, 50л) і готують суміш. Перевіряють її легковкладальність ОК, фактичну середню густину, порівнюють її з проектними та розрахунковими даними. Якщо дані відповідають проектним, то виготовляють зразки – куби розмірами 10 (15, 20) см і випробовують їх на міцність у віці 28 діб витриманих у нормальних умовах твердіння.

7. Якщо суміш має властивості відмінні від проектних, то її корегують, тобто збільшують чи зменшують витрату води, неодмінно зберігаючи водоцементне співвідношення, щоб не змінити проектної міцності бетону.

8. Наступним є етап переходу до виробничого складу бетону. В лабораторії компоненти знаходяться у сухому стані, а на виробництві вони мають певну вологість, тому слід перерахувати витрату води. Визначають вологість заповнювачів, обчислюють вміст води в них на 1 м³ суміші. Зменшують розрахункову витрату води, а витрату заповнювачів відповідно збільшують.

9. При перемішуванні бетонної суміші дрібніші зерна її компонентів розміщуються у пустотах між крупними зернами; пісок розміститься між зернами щебеню, а пустоти у піску заповняться цементним тістом, отже об’єм суміші завжди буде меншим від суми об’ємів усіх сухих насипних компонентів. Тому вводять коефіцієнт виходу бетонної суміші b, що є важливою характеристикою якості бетону і заповнювачів, він враховує зменшення об’єму суміші після перемішування порівняно з сумою об’ємів окремо взятих складових у насипному стані (без врахування води). Чим вищий коефіцієнт b, тим економічніший бетон. Для крупнозернистих бетонів b = 0,67 – 0,7, для дрібнозернистих b = 0,7 – 0,8. Цей коефіцієнт виходу бетонної суміші необхідно визначити для розрахунку витрат матеріалів на заміс.

.

Користуючись значенням b, розраховують витрату матеріалів на один заміс бетонозмішувача певного об’єму.

 

Загальні властивості важкого бетону

 

Найважливіший показник будівельних якостей бетону – міцність. Саме міцність забезпечує здатність чинити опір зовнішнім механічним впливам. Міцність бетону на стиск значно більша від інших характеристик міцності (границі міцності при розтягу чи вигині), тому бетон, в основному, працює на стиск. Міцність бетону залежить від активності цементу, водоцементного співвідношення, умов і часу твердіння, властивостей компонентів бетонної суміші та умов формування виробу та багатьох інших факторів. Для визначення міцності бетону користуються емпіричною формулою Боломея-Скрамтаєва:

,

де R_b – проектна міцність бетону, [МПа];

A – коефіцієнт, що залежить від якості заповнювачів, і становить

для рядових заповнювачів – 0,6,

для високоякісних заповнювачів – 0,65,

для заповнювачів зниженої якості – 0,55;

R_ц – активність (марка) цементу, [МПа];

Ц – витрата цементу, [кг; т];

В – витрата води, [т; л].

 

 

Спеціальні види бетонів

 

Бетони для дорожніх та аеродромних покриттів сприймають рухомі навантаження, стиральний вплив, навперемінне зволоження і висихання, заморожування і відтавання. Тому до такого бетону ставлять вимоги – підвищена міцність на стиск, вигин, висока морозостійкість. Сировиною для цього бетону є чистий кварцовий пісок, чистий високоміцний щебінь оптимального зернового складу (крупністю до 40 мм), пластифікатор. Нижній шар дорожнього покриття виконують з бетону класів В15, В