Бетоны. Бетоноведение

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Помимо рассмотренных в предыдущих главах тяжелых бетонов «классического типа» на портландцементах с крупным и мелким заполнителем, в строительной практике находят применение и другие виды тяжелых бетонов: мелкозернистые, декоративные и полимерцементные. Кроме того, для защиты от сильноагрессивных сред изготовляются специальные солестойкие, кислотостойкие и щелочестоикие бетоны; для приготовления таких бетонов применяются специальные вяжущие и заполнители, стойкие в соответствующих х средах; бетонные изделия с поверхности часто покрывают антикоррозийными покрытиями. Характеристику бетонов высокой коррозионной стойкости можно найти в специальной литературе; в нашем изложении они «е рассматриваются.

Мелкозернистый (песчаный) бетон

Мелкозернистые бетоны характеризуются наибольшей крупностью заполнителей 10 мм и менее. Обычно заполнителем   в   мелкозернистых    бетонах    является   только   песок крупностью до 5 мм; такие бетоны носят название песчаных.

Мелкозернистые бетоны используются для изготовления немассивных конструкций, главным образом армоцементных, при заводском производстве железобетонных скорлуп и тонкостенных панелей, формуемых на вибропрокатных станах, а также тротуарных плиток и других изделий по .комплексной вибротехнологии Н. В. Михайлова.

Свойства мелкозернистых бетонов подчиняются тем же зависимостям, что и свойства обычных крупнозернистых бетонов; однако повышенная пористость и удельная поверхность мелких заполнителей оказывают влияние на количественные выражения этих зависимостей.

В мелкозернистых бетонах количество цемента и воды выше, чем в основных бетонах. Чтобы .прочность мелкозернистых бетонов из малоподвижных смесей была примерно равной марке применяемого цемента, расход его должен-составлять около 600—750 кг, а воды 270—320 л на 1 ж3 бетона.

Отсутствие скелета крупного заполнителя способствует увеличению деформативности, усадки и ползучести бетонов.

Вместе с тем мелкозернистые бетоны обладают и положительными свойствами, связанными со значительно большей однородностью структуры из-за отсутствия крупного заполнителя.

В качестве заполнителей для мелкозернистых бетонов необходимо использовать пески, удовлетворяющие по зерновому составу требованиям ГОСТ 10268-62, причем лучше более крупные. Целесообразно применять фракционированные пески и производить опытные подборы сочетания фракций для получения минимальных значений пустотности и удельной поверхности заполнителей.

Использование мелких рядовых песков приводит .к значительному повышению водопотребности бетонных смесей и еще большему расходу цемента. Особенно ухудшают технологические свойства мелкозернистых бетонов пески с большим содержанием частиц мельче 0,3—0,6 мм и пылеватых и глинистых фракций1.

Цементы для мелкозернистых бетонов желательно применять высокомарочные из чистых клинкеров с большим содержанием алита для обеспечения наибольшей плотности цементного камня в бетоне.

Удобоукладываемость мелкозернистых бетонных смесей можно определять различными способами. Для подвижных смесей пользуются конусом СтройЦНИЛа, для малоподвижных — показателем .растекаемости конуса на встряхивающем столике; удобоукладываемость жестких смесей определяют при помощи технического вискозиметра или по упрощенному способу Б. Г. Скрамтаева, используя конусы с диаметром нижних отверстий, 10 и 7 см, установленные в формы соответственно 10X10X10 и 7X7X7 см.

Удобоукладываемость мелкозеристых бетонных смесей увеличивается при повышении их водосодержания и зависит от соотношения цемента и песка. Правило постоянства водосодержания для этих смесей неприменимо. Только при определенном соотношении песка и цемента смесь будет иметь наилучшую удобоукладываемость. Оптимальное соотношение Ц/П 1:4 для крупных и 1 :1 для мелких песков.

В структуре песчано-цементной бетонной смеси Ю. М. Баженов рассматривает четыре характерные реологические зоны, зависящие от соотношения цемента, песка и воды, обеспечивающего требуемую удобоукладываемость смеси ().

Первая зона — это «жирные» смеси с соотношениями це мента и песка выше 2,3; зерна песка в таких смесях находятся на значительных расстояниях друг от друга и вязкость смеси определяется главным образом ее цементоводным отношением. Уменьшение содержания цемента в смеси снижает ее водопотребность почти по прямой зависимости. Вызванное уменьшением цемента увеличение песка в смеси незначительно влияет на ее вязкость и только несколько искривляет указанную зависимость. При вибрировании такие смеси склонны к расслоению из-за оседания зерен песка.

Вторая зона характеризуется отношениями цемента и песка от 1/4 до 2,3, т.е. включает составы практически применяемых конструктивных мелкозернистых бетонов. В цементно-песчаных смесях второй зоны увеличение содержания песка уже более значительно сказывается на вязкости смесей, и хотя их водопотребность падает с уменьшением цементопесча-ного отношения, кривая водопотреблости более полога, чем в первой зоне. При использовании мелких песков их влияние на повышение вязкости больше и кривая водопотребности пойдет выше и более полого, чем в случае применения средних песков.

В третьей зоне при соотношениях цемента и песка примерно от 1/4 до 1/10 зерна песка, покрытые тонкими пленками теста, взаимодействуют друг с другом; увеличение содержания песка значительно повышает вязкость смеси. В начале зоны влияние увеличения количества песка и уменьшения количества цемента на вязкость смеси взаимно компенсируется и кривая водопотребности переходит в участок прямой, параллельный оси абсцисс. Затем влияние песка на вязкость смеси начинает превалировать и увеличение его содержания повышает водопотребность.

Третья зона характеризует область строительных растворов, где цементного теста уже недостаточно для заполнения пустот между зернами песка. Дальнейшему увеличению содержания песка в смеси соответствует четвертая зона. В этой зоне цементного теста уже не хватает для смазки зерен песка. Для сохранения удобоукладываемости приходится увеличивать содержание воды, однако удельная поверхность твердой фазы недостаточна для ее удержания, и, если не применять водоудерживающие добавки, смесь расслаивается.

Как видно из рассмотренной диаграммы, минимальную водопотребность цементно-песчаные бетонные смеси будуг иметь на границе второй и третьей зон три оптимальном цементопесчаном отношении, которое обеспечит наилучшую удобоукладываемость, наибольшую плотность и прочность бетона.

Это оптимальное соотношение Ц/Л зависит от качества песка, свойств цемента и водоцементного отношения (или подвижности бетонной смеси).

Мелкозернистая бетонная смесь очень «чувствительна» к изменению крупности песка, его гранулометрии, присутствию примесей и качеству поверхности зерен песка. Эта «чувствительность» увеличивается при переходе от жирных смесей с большим содержанием цемента к более тощим ввиду повышенного влияния песка на структурооб;разова<ние и изменение реологических параметров смесей.

Ю. М. Баженовым предложены графики, связывающие удобоукладываемость мелкозернистых бетонных смесей для разных Ц/П с водоцементным отношением, пользуясь которыми можно подбирать составы бетонных смесей требуемой удобоукладываемости (). При построении графиков качество применяемых песков определялось их водопотреб-ностью по Б. Г. Скрамтаеву.

Прочность мелкозернистого бетона при сжатии определяется испытанием кубиков 7X7X7 см или концов призм 4X4X16 см в соответствии с ГОСТ 910-41. Для получения значения марочной прочности результаты умножают на переводные коэффициенты от 0,84 до 0,91 в зависимости от марки бетона. Из-за разноречивных данных о величине переводных коэффициентов многие исследователи рекомендуют не приводить прочность мелкозернистых бетонов к прочности стандартных кубов 20X20X20 см, а использовать в расчетах данные, полученные при испытании малых образцов.

.Повышенная чувствительность удобоукладываемости мелкозернистых бетонных смесей при изменении их состава сказывается и на прочности затвердевших бетонов.

При одном и TOxM же способе уплотнения смеси для каждого цементопесчаного отношения будет свое оптимальное В/Ц, при котором достигается максимальная прочность бетона данного состава. У жирных смесей оптимальные В/Ц значительно ниже, чем у тощих, следовательно, при применении жирных можно получить большую прочность бетонов.

Известно, что цементный камень имеет более высокую прочность, нежели песчаный бетон, при низких значениях водоцементного отношения. Наибольшей прочностью обладает цементный камень, полученный при В/Ц, соответствующем. нормальной густоте цементного теста. С увеличением водоцементного отношения их прочности сближаются, и затем прочность песчаного бетона начинает превосходить прочность цементного камня. Это объясняется тем, что при высоких водопементных отношениях пористость цементного камня более высокая, чем пористость песчаного бетона, а также тем, что силы адгезии цементного камня с заполнителями становятся больше, чем силы когезии.

Аналогичная картина наблюдается и при сравнении мелкозернистых бетонов с обычными на крупных заполнителях; мелкозернистые бетоны могут -иметь -повышенные прочности при малых значениях В/Ц, что возможно при увеличенных расходах цемента и обеспечении хорошего уплотнения. При практически наиболее широко применяемых водоцементных отношениях от 0,4 до 0,7 прочности обычных бетонов на крупных заполнителях хорошего качества выше прочности мелкозернистых бетонов.

Как уже упоминалось, отсутствие скелета крупного заполнителя и повышенное количество цементного камня у мелкозернистых бетонов повышает их деформативные свойства. Модуль упругости мелкозернистых бетонов на 25—35% ниже модуля упругости равнопрочных бетонов с крупными заполнителями. Предельные деформации мелкозернистых бетонов, по данным Ю. М. Баженова, находятся в следующих пределах: при сжатии 1,2—4,1 мм/м9 при изгибе 0,3—0,45 мм/м, при растяжении 0,17—0,3 мм/м, т. е. превосходят подобные деформации обычного тяжелого бетона. Предельная дефор-мативность бетонов может быть увеличена при замене кварцевых песков известковыми и шлаковыми, а также при введении в состав бетонов поверхностноактивлых добавок.

Мелкозернистые бетоны обладают гораздо большей усадкой и ползучестью, чем бетоны с крупным заполнителем. По данным И. И. Улицкого, предельные относительные деформации усадки мелкозернистых бетонов в 2—4 раза, а значения характеристики ползучести на 20—100% выше, чем > обычных бетонов. Изменения же величин усадки и ползучести от различных факторов подчиняются тем же закономерностям, что и у обычных бетонов.

При больших объемах бетонных работ и необходимости использования бетонов различных марок с разными значениями удобоукладываемости смесей целесообразно построение графиков по данным, полученным в результате экспериментального подбора состава, как это делается и для обычных бетонов.

Мелкозернистые бетоны вследствие особенности своей: структуры, как правило, являются менее долговечным материалом, чем равнопрочные и равноподвижные с ними обычные бетоны. Однако, применяя некоторые технологические мероприятия по увеличению плотности и уменьшению макро-агор истости цементного камня, можно получить бетоны высокой долговечности. Многие исследователи считают, что высокая однородность мелкозернистых бетонов, пониженные величины «собственных» напряжений, хемосорбционное взаимодействие зерен кварца с цементом и другие факторы при условии обеспечения повышенной плотности цементного камня позволяют получить даже большую долговечность мелкозернистых бетонов, чем обычных.

Рациональная область применения мелкозернистых бетонов для тонких ажурных железобетонных конструкций не подлежит сомнению. В то же время технология мелкозернистых бетонов требует большей культуры производства, нежели-обычных крупнозернистых. Применяя материалы хорошего качества и прогрессивные технологические мероприятия при приготовлении бетонных смесей, их укладке и последующем твердении, можно значительно уменьшить влияние отрицательных и увеличить значение положительных свойств мелкозернистых бетонов.

Декоративный бетон

Декоративные бетоны предназначаются для облицовка крупных блоков и панелей наружных стен зданий, внутренней их отделки, а также для изготовления различных архитектурных деталей. При изготовлении изделий из декоративных бетонов применяются цветные цементы, прочные заполнители с красивой расцветкой и производится соответствующая обработка поверхности (насечка, шлифовка и т. д.).

В качестве вяжущего для декоративных бетонов используют белый цемент марки 400 или полученные на его основе цветные цементы. Обычный портландцемент с добавлением цветных пигментов применяют лишь для бетонов темных тонов. В качестве пигментов используют щелоче- и светостойкие природные вещества минерального происхождения (охра, умбра, железный сурик, окислы марганца и хрома). Минеральные пигменты не должны заметно снижать прочность Жетона или существенно изменять сроки схватывания цемента. Так как большинство пигментов «представляет собой глинистый минерал, их следует добавлять не более 8—10% от веса цемента. Для получения равномерной и более интенсивной окраски пигменты тщательно перемешивают с цементом в шаровых и вибрационных мельницах.

Применение красителей органического происхождения (анилиновых), повышающих интенсивность окраски, не разрешается вследствие их недостаточной щелочестойкости.

Заполнителями для декоративных бетонов служат мраморная крошка, белые и цветные пески, дробленый щебень из мрамора, гранита, порфиров и других горных пород различной окраски.

Имитацию природных пород камня с грубооколотой, бугристой или шероховатой поверхностью получают при использовании мелкозернистых песчаных составов бетона с добавкой каменной крошки с дальнейшей обработкой поверхности обкалыванием. Террацевую, или мелкомозаичную, фактуру получают очисткой, шлифовкой и лощением поверхности бетона, приготовленного на крупной каменной крошке из твердых и плотных горных пород.

Из-за интенсивного воздействия атмосферных факторов декоративный бетон должен удовлетворять определенным требованиям в отношении прочности, плотности и долговечности (марка не ниже 160 и морозостойкость не менее 25— 50 циклов).

Составы декоративных бетонов подбирают по методам, принятым для обычных бетонов.

Полимерцементные бетоны

К полимерцементным относят бетоны, в которых вяжущими являются цементы с добавками полимерных материалов. Они могут приготовляться на плотных и пористых заполнителях. Наиболее распространены в настоящее время полимерцементные мелкозернистые песчаные бетоны на плотных заполнителях.

Состав полимерцементных бетонов характеризуется полимерцементным отношением П/Ц1, которое обычно принимается равным 0,1—0,25.

Механизм взаимодействия полимера с цементным камнем изучен недостаточно. Согласно современным воззрениям жесткий пространственный скелет цементного камня укрепляется в ослабленных местах (трещинах и порах) полимером, что приводит к упрочнению материала и повышению его эластичности.

Полимерцементные бетоны удачно сочетают в себе положительные свойства цементных бетонов и пластмасс, характеризуются повышенной деформативностью, стойкостью к ударам, имеют повышенную предельную растяжимость, тре-щиностойкость и прочность на растяжение. Полимерные добавки повышают плотность структуры бетонов и их сопротивляемость к воздействию различных агрессивных сред. Полимеры должны обладать хорошей адгезией к цементу и заполнителям, а также хорошей аутогезией—способностью отдельных частиц полимера .к прочному слипанию, должны быть достаточно щелочестойкими и водостойкими.

Применяемые в настоящее время полимеры еще не в полной мере обладают всеми перечисленными свойствами, поэтому в области полимерцементных бетонов предстоят дальнейшие исследования.

Большая заслуга в исследовании и внедрении в производство полимерцементных бетонов принадлежит нашим ученым А. В. Саталкину, В. Э. Лейриху, Ю. С. Черкинскому.

Полимерцементные бетоны получают тремя основными способами: 1) введением в состав бетона водных дисперсий полимеров, которые распадаются в бетонной смеси; 2) введением в воду затворения растворимых полимеров с последующим их отверждением в теле бетона с помощью добавок или путем нагрева; 3) пропиткой бетонных изделий на требуемую глубину маловяакими синтетическими веществами с отверждением их тем или иным способом в капиллярах бетона.

В практике производства полимерцементных бетонов наиболее широко распространен первый способ с введением в бетонную смесь эмульсий высокомолекулярных винильных соединений и латексов синтетических каучуков.

Для предохранения водных дисперсий полимеров от преждевременного коагулирования в щелочной среде цементного теста вводятся добавки стабилизаторов; особенно нуждаются в стабилизаторах латексные полимеры.

В зависимости от характера действия стабилизаторы делятся на две группы: поверхностноактивные вещества и коллоиды, образующие на поверхности частиц полимера защитные плевки, и электролиты, подавляющие действие ионов кальция. К первой группе относятся белки, производные целлюлозы, неионогенные поверхностноактивные вещества и др., ко второй — соли щелочных металлов, силикат натрия и фосфат натрия.

В Советском Союзе распространены в основном добавки в полимерцементные бетоны поливинилацетатной эмульсии и дивинилстирольного латекса, причем предпочтение необходимо отдать латексу, так как он обеспечивает более высокую водостойкость и морозостойкость бетонов.

Дивинилстирольный латекс — сополимер дивинила и стирола с различным -соотношением полимеров. В бетонах рекомендуется применять латексы GKC-50 и ORC-65 с содержанием стирола соответственно 50 и 65%.

Стабилизация латексцементных смесей чаще всего производится казеинатом аммония или щелочами. Казеинат аммония хорошо стабилизирует смеси, но вызывает их загустева-ние и для обеспечения заданной удобоукладываемости требует увеличения водосодержания смесей. Хорошая удобоукла-дываемость смесей обеспечивается при применении в качестве стабилизатора добавки поташа с содой.

В последние годы под руководством М. И. Хигеровича проведены исследования по введению в бетонные смеси битумных эмульсий с водой затворения; содержание битума принимается в 2—5% от веса цемента. В период отвердевания бетона эмульсия распадается и битум хорошо гидрофобизуег пары и капилляры бетона. Битумоцементные бетоны характеризуются повышенной водонепроницаемостью и большой морозостойкостью.

При втором способе получения полимерцементных бетонов применяются водные растворы карбамидных и эпоксидных смол, фуриловых и поливиниловых спиртов.

Отличительной особенностью бетонов на водорастворимых карбамидных и эпоксидных смолах является способность к быстрому твердению во влажных условиях и повышенная    их    водостойкость.  Оптимум механических свойств наблюдается при введении смол в количестве 2% от веса цемента.

Для пропитки бетонных изделий применяются лак этиноль, растворы в органических жидкостях перхлорвиниловой смолы, поливинилового спирта, поливинилацетата, .кремнийорга-нических и других соединений. По имеющимся в литературе данным, бетонные образцы после пропитки лаком этиноль и пер хлор виниловой смолой приобретали повышенную прочность и долговечность.

Для облегчения проникания жидкостей в бетон применяют различные методы, используя контракционный вакуум, тер-модиффузионные явления, а также пропитку под давлением. Глубину пропитки можно регулировать изменением пористости бетона.

Рассмотрим свойства полимерцементных бетонов с наиболее распространенными полимерами. Как показал опыт изготовления поливинилацетатноцементньгх бетонов, максимальные прочностные показатели обеспечиваются при П/Ц, равном 0,2. На прочность бетонов влияют влажностные условия среды. Если при твердении поливинилацетатных бетонов в среде с относительной влажностью 50% все прочностные показатели их выше, чем у обычных бетонов, то при твердении в среде с относительной влажностью 100% прочности уменьшаются в 3—б раз, что связано с понижением прочности поливи-нилацетата в водной среде. Поэтому для поливинил-ацетатноцементных, а также и латексцементных бетонов оптимальными условиями твердения являются условия воздушной среды.

Зависимости механической прочности мелкозернистых полимерцементных бетонов воздушносухого твердения от по-лимерцементного отношения и количества цемента представлены на диаграммах ().

По данным Ю. С. Черкинского, при сжатии полимерце-ментного бетона (при оптимальном П/Ц), прочность тощих составов (1:4 и 1:5) выше, чем обычных бетонов. У жирных составов (1:2) прочность ниже, чем у бетона без добавки полимера. Эти явления связаны с соотношением прочностей полимера и бетона. Для тощих малопрочных составов прочность поливинилацетата достаточно высока, для упрочнения же жирных смесей необходимо применять другой, более прочный полимер.

В силу указанных  причин   полимерцементные   бетоны с применением дивинилстирольного латекса имеют пониженные значения прочности при сжатии.

Прочности при растяжении и изгибе у обоих рассматриваемых видов полимерцементных бетонов выше, чем у обычных бетонов такого же состава.

Прочностные показатели латексцементных бетонов зависят и от вида стабилизатора. Применение высокомолекулярных веществ снижает степень гидратации цемента и, следовательно, понижает прочность 'бетонов; применение электролитов более благоприятно оказывается на нарастании прочности бетонов во времени и на ее абсолютном значении.

При длительном увлажнении механическая прочность бетонов с добавками поливинилацетата снижается из-за недостаточной его водостойкости вследствие гидролиза с образованием поливинилового спирта. Повышения водостойкости поливинилацетата можно достичь нагреванием с целью дегидратации поливинилового спирта с добавками соединений хрома, галоиднопроизводных соединений или формальдегида для «пространственного сшивания» молекул поливинилового спирта.

Полимерцементные бетоны характеризуются значительными деформациями усадки и ползучести, которые выше, чем у бетонов без добавок полимеров, в два раза и более.

Если изделия из полимерцементного бетона находятся в водной среде, деформации ползучести резко увеличиваются и могут привести к разрушению изделия. Модуль упругости полимерцементных бетонов ниже, чем обычных бетонов, и уменьшается при понижении модуля упругости полимера, а также при увеличении количества полимера в бетоне. Так, мелкозернистые поливинилацетатноцементные бетоны оптимального состава по прочности характеризуются модулем упругости менее 100000 кГ/смг (значение модуля упругости этих же бетонов без добавки полимера в среднем 200000 кГ/см*).

Поливинилацетатноцементные и латексцементные материалы обладают высокой адгезионной способностью. Свежеуло-женные полимерцементные бетоны и растворы хорошо склеиваются с разными 'поверхностями, в том числе и со старым бетоном. Различные полимерцементные мастики применяются для склеивания строительных материалов и в качестве обмазок для защиты арматуры от «коррозии.

Полимерцементные бетоны обладают высокой стойкостью к восприятию динамических нагрузок и большой .износостойкостью. По имеющимся данным, ударная прочность латекс-цементных бетонов в 15 раз выше, а истираемость в 15—20 раз ниже, чем у обычных мелкозернистых бетонов.

Введение в бетоны полимерных добавок повышает их водонепроницаемость и морозостойкость. Особенно это заметно у латексцементных 'бетонов, но при снижении гидрофильности поливинилацетата можно получить и поливинилацетатноцементные бетоны высокой водонепроницаемости и морозостойкости.

Особенно целесообразно применение полимерцементных композиций для повышения химической коррозионной стойкости бетонов. Соответствующим подбором химически стойких полимеров можно добиться и высокой стойкости бетона в определенной среде. Так, поливинилацетатноцементные бетоны при Л/Ц=0,2 стойки к воздействиям масел, бензола. дибутилфталата, морской воды, щелочей, но нестойки к воздействию кислот. Полимерцементный материал на основе латекса «рубекс» хорошо противостоит действию большинства кислот и .кислых газов; в то же время латексцементные бетоны не маслостойки.

Высокие технические качества полимерцементных бетонов и большие возможности регулирования их свойств путем выбора полимеров и соответствующей технологии приготовления свидетельствуют о перспективности этих материалов.

Поскольку наряду с хорошими механическими свойствами, высокой адгезией и коррозиолной стойкостью полимерцемент-ные бетоны обладают повышенной усадкой и ползучестью, их целесообразно применять в виде тонких защитных слоев на рабочих поверхностях конструкций из обычных бетонов. В настоящее время полимерцементные бетоны успешно применяются для устройства бесшовных полов в промышленных и общественных зданиях, для изготовления плит, оболочек в гидротехническом строительстве и плит для аэродромных покрытий, а также для ремонта повреждений и закрытия трещин в железобетонных конструкциях. Дальнейшее увеличение производства полимеров и снижение стоимости позволит значительно расширить и область их применения в строительстве.