Неорганические вяжущие материалы

Вяжущими называют вещества, с помощью которых из сыпучих материалов можно получить искусственный камень, представляющий собой композиционный материал, где вяжущее выполняет роль матрицы, а сыпучие материалы – армирующего компонента.

Вяжущие вещества изготовляют как из неорганического сырья (горных пород), так и из органического (битумов, полимеров).

По условиям твердения и эксплуатации неорганические вяжущие делят на воздушные и гидравлические. Технология получения вяжущих имеет общие операции: добыча каменных пород, их дробление, термическая обработка и тонкий помол обожжённого продукта. Обязательной операцией является термообработка, в результате которой изменяется минеральный состав получаемого продукта, способного соединяться с водой, образуя искусственный каменный материал.

Минеральные вяжущие отличаются общими закономерностями:

1) обладают некоторой растворимостью;

2) образуют в воде полярные группы (анион-катион);

3) для изготовления из них твёрдого тела необходим тесный контакт частичек вяжущего в воде.

Способность гидратироваться (присоединять воду в кристаллическую решётку) объясняется сильной поляризацией ионов с большим радиусом и малым зарядом. Контакт частиц увеличивается при большой удельной поверхности частиц вяжущего, поэтому их надо тоньше измельчать.

Минеральные вяжущие вещества – это тонкодисперсные порошки, обладающие избыточной свободной энергией, приобретенной при термообработке и последующем измельчении, что определяет их способность к схватыванию и затвердеванию.

 

4.1. Воздушные вяжущие вещества

 

Так называют вяжущие, которые после взаимодействия с водой затвердевают и повышают прочность на воздухе, в сухих условиях. Во влажных условиях они теряют свою прочность, поэтому их используют только внутри помещений.

Такими вяжущими являются:

- гипсовые и магнезиальные вяжущие;

- воздушная известь, растворимое стекло.

Гипсовые вяжущие наиболее широко применяются, характеризуются быстрым твердением. Получают их из гипсового камня, имеющего химическую формулу СаSO₄ · 2Н₂О (двуводный гипс). С помощью термообработки (варки или запаривания в автоклавах) при температуре 110-170°С происходит обезвоживание (дегидратация) и получение полуводного гипса по реакции:

Са SO₄ · 2Н₂О → Са SO₄ · 0,5 Н₂О + 1,5Н₂О.

Полуводный гипс – активное вещество, стремится присоединить отнятую у него воду и поэтому активно взаимодействует с водой, превращаясь опять в двуводный гипсовый камень, затвердевая:

Са SO₄ · 0,5Н₂О+1,5Н₂О → Са SO₄ · 2Н₂О.

В зависимости от способа получения различают строительный и высокопрочный гипс. Обе разновидности относят к низкотемпературному гипсу. Они различаются условиями варки: строительный – варят в открытых котлах, где под воздействием острого пара формируются мелкие кристаллики полуводного гипса, имеющего большую удельную поверхность по сравнению с высокопрочным гипсом, который формировал свои более крупные кристаллики на мельчайших капельках воды в среде насыщенного пара в автоклаве под давлением в 1-1,2 МПа. Имея одинаковый химический состав, но разную удельную поверхность частиц, для получения пластичного теста требуется разное количество воды, а на химическую реакцию – одинаковое. Там, где остаётся большее количество воды, не вступившей в реакцию, будет меньше прочность, поэтому при использовании этих разновидностей гипса получают разные прочности изделий.

Строительный гипс (β-модификация) имеет прочность до 18-20 МПа, используется для изготовления перегородочных панелей и плит, листов сухой гипсовой штукатурки, для оштукатуривания и ремонта внутренних поверхностей в сухих помещениях.

Высокопрочный гипс (α-модификация) может обеспечить прочность 25-70 МПа, и потому его используют в смеси с заполнителями для изготовления гипсобетона, изделий, строительных растворов. В смеси с гипсом β-модификации идёт для изготовления форм в машиностроении и литейном производстве.

Водопотребность строительного и высокопрочного гипсов разная из-за разной удельной поверхности, разных размеров кристаллов, полученных при варке. Для получения теста нормальной густоты из строительного гипса необходимо взять 50-70% воды от его массы, тогда как для высокопрочного гипса достаточно 30-40%. Так как химическая формула их одинакова, реакция гидратации идёт так же, и для перехода полуводного гипса в двуводный требуется одно и то же количество воды – 18,6% от массы гипса. Поэтому изделия из строительного гипса имеют более высокую пористость (до 40-60%), меньшую прочность и водостойкость, так как вся неиспользованная на гидратацию вода идёт на образование капилляров и пор.

Если уменьшить количество воды затворения, то ухудшаются формовочные свойства, сокращаются сроки схватывания, что снижает качество изделий. Гипсовое тесто обычно начинает схватываться (первая стадия твердения) через 3-5 мин., заканчивается схватывание – через 10-30 мин. после затворения водой. Имеет значение тонкость помола, чем тоньше зерно, тем выше скорость твердения. К ускорению твердения ведёт и повышение температуры до 40-50°С, а снижение до 10°С – замедляет твердение. Сроки схватывания зависят от условий переработки сырья, количества воды затворения, наличия добавок, тонкости помола гипса. Дисперсность гипса оценивается по остатку на сите с размером ячейки 0,2 мм (от 2 до 15, 30%); стандартная консистенция соответствует расплыву теста на приборе Суттарда до Ø 180 5 мм.

Марочную прочность гипсового камня определяют испытанием стандартных образцов (балочек 4×4×16 см) на изгиб и сжатие, изготовленных из теста нормальной густоты через 2 часа воздушного твердения. Маркируют гипс с указанием основных характеристик вяжущего: прочности, сроков схватывания, степени помола (например, Г-5-А-II). Строительный гипс после твердения имеет марки: 2-3-4-5-6-7-10-13-16-19-22-25.

Прочность образцов зависит от количества воды затворения, плотности укладки теста, условий твердения. А увеличение влажности образцов ведёт к снижению прочности. Даже сорбционное увлажнение до 1% во влажной атмосфере снижает прочность. Высушивание восстанавливает прочность. Влага нарушает контакты между кристаллами, что характеризует коэффициент размягчения (К_р) или водостойкость изделий. Гипсовые изделия после намокания теряют более 50% прочности, поэтому их используют только в сухих помещениях и называют воздушными.

С быстротвердеющим строительным гипсом работать плохо, поэтому в него вводят замедлители твердения: крахмал, СДБ, буру, клеи, известь, цемент и др. Для ускорения твердения медленно схватывающегося гипса вводят молотый двуводный гипс, NaCl, Na₂SO₄, CuSO₄ и др. Для повышения водостойкости вводят молотый шлак, известь, цемент, гидрофобизаторы; пропитывают водостойкими веществами готовое изделие.

Кроме низкотемпературного есть высокотемпературные гипсовые вяжущие – ангидритовые вяжущие, которые получают высокотемпературным обжигом в печи из безводного ангидрита СаSO₄ или гипсового камня. Если обжиг ведут при температуре 600-750°С, то получают ангидритовое вяжущее, которое медленно реагирует с водой, поэтому при затворении водой в состав вводят в качестве катализатора известь. Твердение происходит за 24 часа, получают марки 5,0-10,0-15,0-20,0 МПа. Чем выше температура обжига, тем большей активностью обладает вяжущее.

Обжиг ангидрита при 1000-1300°С позволил получить эстрих – гипс или гидравлический гипс. Он получил такое название потому, что стал более водостойким, более плотным, с меньшей водопроницаемостью. При 1000°С и более СаSO₄ разлагается, и появляется свободный СаО (добавляемый в ангидритовое вяжущее в качестве катализатора), вступающий в соединение с небольшим количеством примесей в сырье при обжиге, что проявляется в большей водостойкости изделий из высокотемпературного гипса и большей прочностью. Марки изделий могут быть 30-40 МПа, более морозостойки, имеют чистый белый цвет. Используют эстрих-гипс для изготовления искусственного мрамора, лестничных ступеней, подоконных досок, плиток.

Ангидритовый цемент получают без обжига, помолом ангидрита с добавкой катализатора (СаО). Это медленно твердеющее вяжущее, но оно достигает прочности до 20 МПа. Используют для изготовления сплошных и пустотелых камней, блоков, строительных растворов.

Твердение гипсовых вяжущих происходит через растворение частичек в воде. Растворимость строительного гипса 7-8 г/л, двуводного гипса – 2 г/л, ангидрита – 1 г/л. Густой раствор быстро пересыщается, образуется гель, придающий пластичность гипсовому тесту. Вода входит в кристаллическую решётку, образуется двугидрат сернокислого кальция, далее следует перекристаллизация из пересыщенного раствора и, по мере высыхания, формируется кристаллическая структура, а при испарении воды контакты между кристаллами укрепляются. Чем больше кристалликов образовалось, тем больше контакт между ними, тем выше прочность. Высушивание удаляет остатки капиллярной влаги, свободная вода в структуре больше не нужна, полуводный гипс становится двуводным. После полного подсушивания изделий достигается их максимальная прочность.

Твердение гипсовых изделий сопровождается увеличением объёма до 1%, что способствует хорошему заполнению форм и отсутствию усадки.

Гипсовые изделия огнестойки, могут выдерживать высокую температуру 6-8 часов.

Для устройства жаростойких покрытий и кислотоупорных растворов используют в качестве связующего жидкое стекло, получаемое сплавлением кварцевого песка и кальцинированной соды или сульфата натрия. Полученную массу быстро охлаждают и получают силикат-глыбу, растворяемую под давлением в воде. Образуемое растворимое стекло смешивают с тонкоизмельченным кварцевым песком и кремнефтористым натрием, получают состав, называемый кислотоупорным цементом. Если вместо кварцевого песка в качестве наполнителя берут вулканические или искусственные пористые камни, то получают жаростойкий состав. Твердеет жидкое стекло на воздухе при положительной температуре, постепенно карбонизируясь (соединяясь с углекислотой воздуха).

Воздушная строительная известь широко применяется с давних времён как побелочный, штукатурный, кладочный растворы и дезинфицирующее средство. Получают воздушную известь обжигом известняков, доломитов, мела, известняковых туфов, содержащих глинистых примесей не более 6-8%. Все эти породы состоят преимущественно из СаСО₃, доломиты содержат ещё MgCO_3. При высокотемпературном обжиге, когда в печи 1000-1200°С, происходит диссоциация: СаСО₃→СаО+СО_2, углекислый газ уходит, оксид кальция остаётся – это и есть известь. В извести могут быть примеси МgО. Если их меньше 5%, известь называют маломагнезиальной, если от 5 до 20% – магнезиальной и если от 20 до 40% – доломитовой. Она хуже реагирует с водой и, если преобладает МgО, такое вяжущее называют магнезиальным, оно вообще не реагирует с водой.

По содержанию активных оксидов СаО и МgО известь разделяют на сорта:

- к первому сорту относят известь с содержанием активных оксидов более 85%;

- ко второму – 80%;

- к третьему – 70%.

Наилучшей считают известь, обожжённую при 900-950°С, более высокая температура обжига ведёт к росту крупных кристаллов и «пережогу», что ухудшает реакцию с водой. После обжига из печи выходит пористая «комовая» известь, названная так по неизменившейся форме кусочков-комков, на которые был раздроблен известняковый камень перед обжигом.

Комовую известь – «кипелку» – можно размолоть и получить молотую негашёную известь, а можно, не размалывая, погасить, т. е. соединить с водой. В результате она рассыпается в тонкий порошок (кипит, выделяя пар). При влажности от 32 до 50% называется «пушонкой» или сухой гашеной известью. Реакция идёт бурно с выделением тепла:

СаО+Н₂О→Са(ОН)₂ +65кДж.

Так как при обжиге из известняка уходит в атмосферу углекислый газ (СО₂), которого в нём 44%, на его месте образуется 44% пор в объёме каждого куска «кипелки». Вода входит сразу в свободные поры и быстро соединяется с СаО, температура реакции поднимается, образуется пар из воды, который разъединяет кристаллики Са(ОН)₂, и «кипелка» превращается в порошок с размером частичек < 0,001 мм, который называется «пушонкой». Если для гашения извести берут воды в 2-3 раза больше, получают не порошок, а известковое тесто или известковое молоко. Чем выше сорт извести, тем более пластичное тесто получают, тем выше его выход, т. е. больше раствора можно приготовить, больше песка ввести в раствор, а значит уменьшить усадку при высыхании штукатурного или кладочного раствора.

При твердении растворов происходит высыхание кристаллов Са(ОН)₂ – гидратное твердение (прочность после 28 суток достигает всего 0,4 МПа) и постепенная их карбонизация – соединение с углекислотой воздуха и превращение в карбонат кальция СаСО₃ (карбонатное твердение) с приобретением прочности. Когда большая часть раствора превратится в карбонат кальция, раствор приобретает хорошую прочность. Но этот процесс очень медленный, поэтому часто растворы делают смешанными: известково-гипсовыми, известково-цементными, известково-шлаковыми.

Известково-кремнезёмистые смеси (известь с песком, известь с молотым шлаком) формуют в блоки и подвергают запариванию в автоклавах при температуре 170-200ºС и давлении 0,8-1,2 МПа. Получают через 8-10 часов силикатные блоки или силикатный кирпич, из которых делают ограждающие конструкции из самого дешёвого сырья: всего 8-10% извести и 90% кварцевого песка.

В условиях автоклава происходит частичное растворение песка в воде, появляются ионы ≡SiОН≡, которые химически соединяются с гидроксидом кальция, образуются гидросиликаты кальция. Такое твердение называется гидросиликатным. Прочность изделий сразу максимальная – 30-40 МПа, реакция идёт по схеме:

СаО+SiO₂+nH₂О СаО · SiO₂ · nH₂О.

Силикатные изделия прочны и долговечны в сухих условиях, они могут быть использованы для конструкций, работающих под крышей. Получают тяжёлые силикатные бетоны плотностью 2-2,6 г/см³, прочностью до 50-80 МПа и лёгкие плотностью 0,3-0,6 г/см³ (пено- и газосиликаты).

 

4.2 Гидравлическая вяжущие вещества

Более водостойкое вяжущее получают при обжиге известняка, в котором содержится от 8 до 21% примесей глины, оксида железа, песка. Обжигая такую сырьевую смесь при 1000-1100ºС, известь соединяется с оксидами алюминия, железа и кремния, образуя силикаты, алюминаты и ферриты кальция, которые способны после обжига и помола соединяться с водой – гидратировать. Образующиеся гидраты окисей (гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция) способны набирать прочность и работать во влажной среде. Так получают гидравлическую известь. Она не гасится водой, её после обжига обязательно надо молоть до тонкости, когда частицы проходят через ячейки сита 0,08 мм не менее 85%. Полученный порошок, соединяясь с водой, образует искусственный камень, водостойкость которого с ростом количества примесей в известняке повышается. Когда примесей ближе к 20%, после обжига больше остаётся свободного СаО, тогда свойства гидравлической извести схожи со свойствами воздушной извести. Когда примесей около к 20%, проявляются гидравлические свойства – водостойкость, способность твердеть во влажных условиях. Время схватывания от – 0,5 до 16 часов. Прочность изделий достигает 10-15 МПа.

Гидравлическая известь была на службе у людей несколько столетий – до изобретения цемента. Её использовали в качестве вяжущего для каменных строений, береговых укреплений, бетонов низких марок, кладочных и штукатурных растворов.

Портландцемент. Когда потребовалась более высокая прочность отформованных изделий и большая водостойкость, подметили, что для этого надо увеличить количество глинистых минералов в известняке. Чтобы они полнее реагировали с известью, повышали температуру обжига. Первые цементы по своим свойствам мало отличались от свойств гидравлической извести, но работа продолжалась. В 1856 году был пущен в 1-й цементный завод в России, в 1881 году были опубликованы первые «Технические условия» на цемент российскими исследователями А. Р. Шуляченко, Н. А. Белелюбским, И. Г. Малюгой.

Для получения качественного портландцемента – гидравлического вяжущего – определён состав сырьевых материалов: известняка должно быть не менее 75-78%, глины – 22-25% или известняка к глине как соотношение 3:1.

Технология получения портландцемента имеет те же операции, что при получении других вяжущих: добыча горных пород – известняка и глины, их дробление, смешивание мокрым или сухим способом (в зависимости от качества сырья), однородное перемешивание и высокотемпературный обжиг. В отличие от гидравлической извести обжиг ведут до спекания, до появления жидкого расплава с последующим быстрым охлаждением, поэтому температуру обжига повышают до 1450-1500ºС. Из печи выходит полуфабрикат в гранулах, называемый цементным клинкером (искусственная полиминеральная порода). После полного остывания клинкер поступает на размол в шаровые мельницы, где превращается в тонкий порошок. При помоле в цемент добавляют 3-3,5% гипсового камня и от 5 до 20% активной минеральной добавки, которая содержит активный кремнезём (диатомиты, трепелы, шлаки, золы). Таков состав нормального или чистого портландцемента.

Если добавляют активной минеральной добавки до 40%, то получают пуццолановый цемент; если при помоле добавляют до 60% шлаков, получают шлакопортландцемент. Эти цементы называются смешанными. Можно в любой из них при помоле добавить гидрофобную или пластифицирующую добавки (органические поверхностно-активные вещества – ПАВ), тогда цемент будет гидрофобным (водоотталкивающим) или пластифицированным, т. е. лучше перемешиваться с меньшим количеством воды.

Для получения специальных видов цемента: белого, глинозёмистого, сульфатостойкого необходим подбор других сырьевых материалов, т. к. добавками основной состав не изменить.

Тонкость помола цемента – важнейшая его характеристика. Чем тоньше помол, тем мельче каждая частичка, тем она быстрее и полнее прореагирует с водой и затвердеет. Оптимальный размер частиц определяется удельной поверхностью, которая у нормального цемента должна быть от 2500 до 3000 см²/г, или цементный порошок должен пройти через сито с ячейками 0,08 мм не менее 85%. Истинная плотность цемента – 3,1 г/см³, насыпная – 1,1-1,3 г/см³.

Полученный при обжиге клинкер содержит искусственные цементные минералы: алит (по своей важности назван по первой букве алфавита), белит (назван по второй букве алфавита), целит (алюмосиликаты) и связывающее эти минералы клинкерное стекло из силикатного расплава. Образованные при высокой температуре минералы неустойчивы при нормальной температуре и легко начинают реагировать с водой, образуя гидросиликаты и гидроалюминаты кальция. Воды в цемент берут строго по расчёту так, чтобы получить тесто нормальной густоты – пластичная густая масса, определяемая по прибору Вика. Лишняя вода сформирует крупные капилляры в структуре, что снизит прочность и морозостойкость готового изделия. Растворимость цементных частичек незначительна, реакция гидратации начинается на поверхности твёрдой частички, проходит медленно, каждый минерал имеет разную скорость гидратации. Воды на реакцию цементных минералов надо всего 15-17%, а для получения раствора рабочей консистенции надо брать больше, чтобы хорошо перемешать и сделать тесто однородным. Вода создаёт капиллярную систему в формуемой массе и, чем её будет больше, тем более проницаемым будет цементный камень.

Сроки схватывания цементов не должны быть короткими: начало схватывания – не ранее 45 мин., конец – через 10-12 часов. Пластичный раствор «схватился» – это значит он превратился из вязкого состояния в твёрдое, но прочности ещё не набрал. Полученный цементный камень долго будет набирать прочность, но для этого надо создать необходимые (нормальные) условия: нормальную температуру и высокую влажность, можно положить изделия даже в воду. В таких условиях цементные минералы прореагируют с водой к 28 суткам только немногим больше 50%. Эта прочность принимается как марочная – марка цемента. Цементная промышленность выпускает цементы марок: 400, 500, 550, 600.

Маркой считают прочность при сжатии стандартных образцов, изготовленных из раствора цементно-песчаной смеси, взятой в соотношении цемент: песок как 1: 3 стандартной консистенции, твердевших 28 суток в нормальных условиях. При гидратации с водой каждая цементная частичка увеличивается в объёме, принимая в кристаллическую решётку воду. При полной гидратации каждая частичка увеличивается более, чем в 2 раза, поэтому по мере твердения плотность камня (новообразований) повышается, и вместе с ней растёт прочность и водонепроницаемость изделий. Образующиеся гидратные минералы из силикатов, алюминатов и ферритов кальция более устойчивы во влажной и щелочной среде, которую создаёт образующийся при гидратации гидрат оксида кальция. Если изделия твердеют на воздухе с недостатком воды, цементные частички полностью не прореагируют, вода из капилляров испаряется, начинается усадка с образованием трещин, и гидратация прекращается, часть цементного зёрнышка остаётся непрореагировавшим. В этом случае цемент используется не в полной мере. Чем дольше влажный уход за цементными изделиями, тем будет выше степень гидратации, больше новообразований, плотнее структура, выше прочность и долговечность.

Различные условия эксплуатации изделий из цементного бетона могут вызывать нежелательные реакции, разрушающие цементный камень – коррозию. Это могут быть проточные воды, постоянно омывающие изделие, или воздействие кислой среды (газы, проливы кислот, органических жидкостей), или проникновение растворов сернокислых солей в структуру по капиллярам и разрушение цементного камня изнутри так же, как и воздействие мороза на влажное изделие. Чтобы противостоять этим воздействиям выпускают разновидности цемента, о которых писалось выше. Сульфатостойкий цемент делают с таким составом, чтобы сульфаты, растворённые в воде, не могли вступать в химическое взаимодействие с компонентами цементного камня. Для этого снижают содержание алюминатов в цементе, с которыми реагируют сульфаты, при этом повышается плотность цементного камня и морозостойкость.

Пуццолановый и шлакопортландцемент хорошо противостоят вымыванию компонентов из структуры при воздействии проточной воды. Активный кремнезём в их составе связывает гидроокись кальция, образующиеся соединения не так быстро вымываются водой.

При опасности воздействия кислой среды часто силикатные цементы вообще не используют или, если это слабое воздействие, добавляют к цементу активную минеральную добавку, гидрофобизируют смесь при изготовлении, делают полимерные композиции.

Применяя специальные цементы, получают специальные бетоны, предназначенные для работы в разных условиях.

 

4.3 Цементные растворы

Если сделать смесь цемента с водой и дать ей затвердеть, то через короткое время этот камень будет весь покрыт трещинами, которые образовались от той воды, которая не успела вступить в химическое взаимодействие с цементными частичками и испарилась. Это – усадка цементного камня, которая достаточно велика – до 1,8-2 мм/м. Чем тоньше порошок, тем большее количество воды требуется для его смачивания, тем больше воды испарится и тем большая усадка произойдёт после его высыхания. Поэтому ничего не делают из чистого цемента с водой, всегда добавляют в раствор более крупные частички песка или другого молотого компонента (как отощитель в глиняном тесте). Более крупные частички песка армируют матрицу из тонких частиц цемента и занимают объём, распределяя воду вокруг каждой частички тончайшими плёнками, удерживая её от быстрого испарения, способствуя более полной гидратации вяжущего. Как правило песка в растворы берут в 2-3 раза больше цемента, а в штукатурные растворы, которыми покрывают большие поверхности стен, песка, вводят до 5 раз больше цемента, чтобы не было усадки, т. е. трещин. И не последняя роль принадлежит экономии дорогого вяжущего.

Растворная смесь должна быть удобообрабатываемой, хорошо распределяться тонким слоем на поверхности кирпичной кладки или бетона и после отвердевания соответствовать требуемой марке по прочности и водонепроницаемости.

В зависимости от назначения различают растворы: кладочные – используются при кладке фундаментов и стен из кирпича или природного камня; монтажные – длязаполнения и расшивки горизонтальных и вертикальных швов при возведении крупнопанельных зданий; штукатурные или отделочные – используют для выравнивания поверхностей стен и декоративной отделки строений; специальные – это гидроизоляционные, которые изолируют строение от намокания, акустические, способные гасить громкость звука или шума, кислотоупорные, жаростойкие и др.

Растворы в больших объёмах изготавливают на бетонорастворных заводах или растворосмесительных узлах и в готовом виде доставляют к месту строительных работ.

В наше время всё большее распространение находят сухие строительные смеси, которые имеют определённый состав, необходимые добавки и в небольших объёмах расфасованы. К ним добавляют расчётное количество воды, тщательно перемешивают и укладывают.

Главным свойством любого раствора является удобоукладываемость. Это способность растворной смеси хорошо распределяться по поверхности, заполнять трещины и неровности, хорошо сцепляться с поверхностью, на которую укладывается, и не давать большой усадки после отвердевания. Эти свойства зависят от количества воды, взятой для затворения смеси, от используемых добавок. Растворная смесь может быть подвижной, т. е. растекаться под собственной тяжестью или под действием вибрации, может быть литой и жёсткой, не растекаться при снятии конуса. Количество воды зависит от водоудерживающей способности смеси, от тонкости помола компонентов. Чем больше вяжущего, тем больше тонких частичек, тем скорее можно достичь пластичности, и усадки. Поэтому расход вяжущего всегда ограничен.

В качестве тонкодисперсных добавок вводят тонкомолотые горные породы с малой водоудерживающей способностью (плотные каменные породы) или используют поверхностно-активные вещества (ПАВ). Если раствор укладывают на пористое основание (кирпич), наоборот, надо ввести водоудерживающие добавки, сохраняющие пластичность раствора, для чего вводят глину или известь. При использовании растворов со слабой водоудерживающей способностью или с недостатком воды прочность может не достичь заданной величины. Раствор с хорошей водоудерживающей способностью отдаёт основанию излишнюю воду постепенно, становясь при этом плотнее и прочнее.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – органические вещества, специально предназначенные для пластификации растворных и бетонных смесей. Эти вещества, обладая огромной удельной поверхностью и полярностью, в малых дозах способны снижать поверхностное натяжение воды, проникать в тончайшие водные плёнки, способствуя скольжению твёрдых частичек, их однородному перемешиванию и снижению расхода вяжущего. С их использованием отпала необходимость добавлять известь в раствор, снизилась усадка, возросла морозостойкость. Их коротко обозначают ЛСТ, СДБ, С-3, СП и др.

Добавки гидрофобно-пластифицирующего действия из синтетических жирных кислот не только пластифицируют, но и делают водоотталкивающими затвердевшие смеси. К ним относят: мылонафт, ГКЖ, ОП-7 и др.

Воздухововлекающие добавки вызывают в процессе перемешивания растворной смеси образование мельчайших воздушных пузырьков – микропену. Воздушные поры в цементном камне делают структуру пористой, более пластичной, теплозащитной и даже увеличивают морозостойкость, так как они не сообщающиеся, а обособленные. Воздухововлекающие добавки вводят даже в состав тяжёлых бетонов для повышения морозостойкости. К ним относят: ЦНИПС-1, СНВ, ГКЖ и др.

 

4.4 Цементные бетоны

Если в растворную смесь вводят крупный заполнитель – щебень или гравий, такой состав называют бетоном. Это искусственный камень конгломератного строения, полученный в результате формования правильно подобранной смеси цемента, песка, воды и крупного заполнителя. Подобные композиции встречаются в природе, только там заполнитель склеен не цементом, а когда-то растворённым в воде кремнезёмом или кальцитом. Это: песчаник, брекчия или природные конгломераты.

В зависимости от вида заполнителей бетоны бывают:

- на плотных заполнителях;

- на пористых заполнителях;

- на специальных заполнителях.

Классификация бетона по плотности:

- особо тяжёлый бетон (ρ_m > 2500 кг/м³);

- тяжёлый (ρ_m = 1800 – 2500 кг/м³);

- лёгкий (ρ_m = 500 – 1800 кг/м³);

- особо лёгкий (ρ_m < 500 кг/м³).

По области применения различают бетоны: обычные – для строительных конструкций; гидротехнические – для плотин, шлюзов, водопроводно-канализационных сооружений; для ограждающих конструкций – стены, перегородки и прочее; бетоны специального назначения – аэродромные, дорожные и другие.

По способу изготовления бетон разделяют на:

- сборный (изготавливают конструкции на заводе);

- монолитный (бетонируют непосредственно на месте строительства).

Это разделение соответствует требованиям, которые предъявляют каждому виду бетона:

- для обычных конструкций – главное качество – прочность;

- для гидротехнических бетонов – прочность, высокая плотность, водонепроницаемость, низкое тепловыделение при твердении, морозостойкость;

- для ограждающих конструкций – воздухопроницаемость, низкая теплопроводность;

- для дорожных бетонов – высокая прочность и морозостойкость, низкая истираемость.

В каждом составе должны быть качественными компоненты: цемент требуемой марки, мелкий заполнитель определённой крупности и чистоты, крупный заполнитель требуемой прочности и водопоглощения, для чего их испытывают в заводских лабораториях по действующим стандартам, вода без вредных примесей, добавки.

Крупный заполнитель занимает в смеси до 80-85% объёма и составляет костяк в конструкции, воспринимающий основное напряжение от нагрузки. В тяжёлых бетонах крупный заполнитель выбирают из прочных плотных горных пород, имеющих прочность в 1,5-3 раза более высокую, чем изготовляемый бетон.

Количество цемента в тяжёлых бетонах принимают от 8 до 15%, только в современных высокопрочных бетонах берут больше, но в них и других компонентов больше. В пористых (лёгких) бетонах расход цемента также всегда больше и для них используют пористый заполнитель.

Количество воды в составе играет важную роль: она должна смочить все составляющие, обеспечить их контакт, удобоукладываемость бетонной массы и гидратацию цемента во время твердения. Если воды будет больше, сформируется развитая капиллярная система, которая сделает структуру водопроницаемой, неморозостойкой, слабой, с большой усадкой. Если воды берут мало, бетонная смесь становится рыхлой, плохо формуется, такой смеси необходимо уплотнение и воды может не хватить на период гидратации. В таком случае цементные частички полностью не прореагируют с водой, останутся неплотности в структуре, будет недобор прочности.

При расчёте состава бетона важной составляющей является водоцементное отношение – В/Ц, которое определяют по расчёту, как и количество заполнителей. Изготавливают опытные образцы-кубики, испытывают их после определённого срока твердения (через 3-7-28 суток). Если они не соответствуют заданной прочности, состав корректируют, изменяют соотношение В/Ц, добавляют или снижают количество заполнителей и снова изготавливают кубики для испытания. Такое ответственное отношение оправдано тем, что строительные конструкции должны работать много лет и выполнять свои функции.

График изменения прочности от количества воды затворения (рис. 2).

 

Рис. 2 – Общая зависимость прочности от количества воды затворения (при определённом расходе цемента и способа уплотнения):

1 – слишком жёсткие недоуплотненные бетонные смеси; 2 – смеси с оптимальным количеством воды затворения (В_опт); 3 – подвижные; 4 – литые бетонные смеси

 

Самым важным свойством бетона является его прочность, т. е. способность сопротивляться внешним силам, не разрушаясь. Все каменные материалы лучше сопротивляются сжатию, потому что микроструктура их сложена из зернистых материалов. Критерием прочности каменных материалов, в том числе и бетона, приняли предел прочности при сжатии (осевом растяжении). Чтобы определить его, изготавливают опытные образцы-кубики с ребром 10, 15 или 20 см и после их твердения в нормальных условиях испытывают под прессом, доводя до разрушения.

По прочности бетоны делят на марки (М), обозначаемые в кг/см²: М100-150-200-250-300-400-450-500-600-700-800 или классы (В) в МПа. Изготавливают и особо высокопрочные бетоны для специальных сооружений, у которых М1000 и более. Лёгкие бетоны имеют марки по прочности ниже, так как выполнены из пористых компонентов, но зато лучше сохраняют тепло в помещении. Они имеют марки (М): 15, 20, 25, 30, 40, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500.

В соответствии с международными стандартами в настоящее время необходимо знать прочность выпускаемого бетона с учётом возможных её колебаний из-за некачественного сырья, нарушений режима. Для нормирования прочности приняли классы (В): В10-15-20…60-70-80-100 МПа.

Класс – это числовая характеристика прочности с обеспеченностью качества на 95%. Обозначают классы в МПа, они определяются при статистической обработке результатов испытания по коэффициенту вариации:

 

 

где S – среднее квадратичное отклонение частных результатов испытания от средней прочности Ř, определяемой по формуле:

 

 

Средняя прочность равна:

 

 

где предел прочности отдельного образца;

число испытанных образцов.

Когда среднее квадратичное отклонение будет равно 0, тогда и коэффициент вариации будет равен 0, тогда марка будет соответствовать классу. А пока нет гарантии 100% качества, коэффициент вариации в среднем принимают 13,5%, класс рассчитывают по формуле:

 

 

Таблица 1. Значения марок и классов для лёгких и тяжёлых бетонов

М (марки), кг/см^2	В (классы), МПа	М	В
	0,35
	0,5
	0,75		27,5
	1,0
	2,0
	3,5
	7,5

 

Другим важным свойством бетона является плотность. У бетона она всегда меньше 100%.