2. Материалы для бетона.

Для приготовления бетона строительных конструкций наиболее ши­роко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процес­сов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного со­стояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою проч­ность). Различают неорганические вяжущие вещества водного (цементы) и воздушного (известь, гипс и др.) твердения.

Портландцемент. Наиболее широкое применение в производстве бе­тона получил портландцемент.

Портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде (лучше всего) или на воздухе. Он представляет собой порошок серого цвета, получаемый тонким помолом клинкера с добавкой гипса. Виды цемента. Основу большинства цементов составляет портланд-цементный клинкер. Нормируя его минералогический состав и вводя мине­ральные или органические добавки, получают различные цементы, несколь­ко отличающиеся по свойствам и применяемые в разных областях строи­тельства Портландцементом (ПЦ) называют цемент, не содержащий в своем составе минеральных добавок, кроме гипса. Чисто клинкерный портландце­мент без добавок применяют для высокопрочных бетонов, в производстве сборною железобетона, особенно предварительно напряженных конструк­ций, при строительстве в особых условиях - на Севере и в районах с сухим и жарким климатом. Наиболее распространенными цементами, которые составляют более 60 % от общего объема выпускаемых цементов, являются портландцементы с добавками. Они могут применяться для большинства монолитных и сбор­ных железобетонных конструкций, если к последним не предъявляются особые требования. Быстротвердеющий цемент является разновидностью портландце­мента с добавками. Через 3 сут твердения прочность на сжатие этого цемен­та не менее 25 МПа, марки 400, 500. Для обеспечения быстрого твердения клинкер должен содержать С₃S > 50%, (С₃S + С₃ А) > 60% , а цемент иметь тонкий помол (удельная поверхность не менее 3500 см²/г).

Шлакопортландцемент получают в результате совместного помола портландцементного клинкера и гранулированного доменного шлака. Шла­копортландцемент отличается от портландцементов (при одинаковом соста­ве клинкера) более медленным схватыванием (начало через 4...6 ч, конец че­рез 10...12 ч) и твердением в первые 7 ... 10 сут. Этот цемент при содержании в клинкере менее 8 % С₃А дает бетон, стойкий в отношении действия минерализованных вод (сульфатных, морской воды). При тепловлажностной обработке твердение шлакопортландцемента уско­ряется в большей степени, чем обычного портландцемента, что обусловли­вает его высокую эффективность в производстве сборного железобетона. Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) выпускают М400. Сульфато-стойкость цемента обеспечивается нормированием его минералогического состава, в котором ограничивается содержание менее стойких к сульфатной агрессии минералов. Этот цемент содержит 50% С₃8,5% С₃А,10...22% (С₃А + С₄АР) . Сульфатостойкий портландцемент с добавкой (СПЦД) по­лучают совместным помолом портландцементного клинкера специального состава [С₃ А < 5%, (С₃ А + С₄ АР) < 22%] и тонкомолотой активной мине­ральной добавки: трепела, опоки, диатомита (5 ... 10%) или доменного гра­нулированного шлака (10 ... 20%). Сульфатостойкий цемент с до­бавками имеет М400 и 500. Пуццолановый портландцемент (ППЦ) также отнесен к группе суль фатостойких цементов. Этот цемент получают путем совместного помола портландцементного клинкера, содержащего С₃А < 8% . с активной мине­ральной добавкой, которая вводятся в большем количестве, чем в обы-портландцемент с добавкой. Содержание добавки зависит от ее вида , ставляет для трепела, опоки, диатомита 20 ... 30 % для других активных ми неральных. чаше всего кремнеземистых, добавок, например туфа, трасса, пемзы. — 25 ... 40%. Трепел, опоку, диатомит вводят в цементы в меньшем количестве, так как они обладают не только высокой гидравлической актив­ностью, но и повышенной водопотребностью. Поэтому введен: лишнего количества подобной добавки резко повышает его стоту. что нежелательно.

Пуццолановын портландцемент светлее обыкновенного и и.¹ меньшую плотность (2,8 ... 2,9), чем у обыкновенного цемента. Более водонепроницаемы. Применять пуццолановый портландцемент целесообразно в тех случаях, когда необходима повышенная физико-химическая стойкость бетона и обеспечено его твердение во влажной среде.

Специальные виды цемента и вяжущих. С каждым годом увеличи­вается номенклатура цементов, используемых для приготовления бетона. Специальные цементы придают бетону особые свойства, расширяют воз­можности его применения в строительстве.

Белый портландцемент получают помолом маложелезистого отбе­ленного клинкера, приготовленного по специальной технологии, предотвра­щающей его загрязнение, с необходимым количеством гипса и небольшой добавкой диатомита. Белый цемент выпускают МЗОО, 400 и 500, он должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к обычным цементам. По сте­пени белизны белый цемент подразделяют на три сорта: высший, Бц -I и Бц- П. Белизна цемента характеризуется коэффициентом яркости, представ­ляющим отношение белизны цемента к белизне сернокислого бария, приня­той за 100%. В зависимости от сорта коэффициент яркости должен быть не менее 80, 76 и 72 %.

Цветные портландцементы получают совместным помолом белого цемента, гипса и пигмента. Содержание минерального синтетического или природного пигмента не должно превышать 15 %, а органического пигмен­та - 0,3 % от массы цемента. Возможно получение цветного портландце­мента путем помола специально приготовленного цветного клинкера.

Белый и цветной цементы предназначены для получения цветных бе­тонов, архитектурных деталей, облицовочных плит, проведения отделочных работ.

Напрягающий цемент получают совместным помолом портландце-ментного клинкера и напрягающего компонента, который включает глино­земистый шлак или другие алюмосодержащие вещества, гипс и известь. напрягающий цемент обладает способнос­тью значительно расширяться в объеме (до 4%) после достижения цемент­ным камнем сравнительно большой прочности 15...20 МПа, что позволяет применять этот цемент для изготовления самонапряженного железобетона, в котором арматура получает предварительное напряжение вследствие рас­ширения бетона. Этот напрягающий цемент отличается от других расширя­ющихся цементов, которые увеличиваются в объеме лишь в ранние сроки твердения. Напрягающий цемент и бетоны на его основе обладают высокой прочностью, водо- и газонепроницаемостью. Напрягающий цемент целесо­образно применять для изготовления самонапряженных железобетонных труб, покрытий дорог и аэродромов, тоннелей и водопроводов большого ди­аметра и других подобных конструкций. При этом следует учитывать быст­рое схватывание напрягающего цемента (начало схватывания 2 мин, конец схватывания 6 мин), а также необходимость применения специальных ре­жимов твердения, обеспечивающих расширение цемента лишь после дости­жения бетоном прочности, необходимой для заанкеривания арматуры. Расширяющиеся или безусадочные, цементы применяют для приго­товления водонепроницаемых бетонов. Особенностью этих цементов явля­ется наличие составляющих, увеличивающихся в объеме в результате физи­ко-химических процессов, происходящих при твердении цемента. Фосфатные цементы применяют для изготовления жаростойких и других специальных бетонов. Твердение этих цементов происходит за счет взаимодействия некоторых тонкоизмельченных оксидов (двуоксида титана, оксида меди, оксида магния, оксида цинка и др.) и специальных составов с фосфорной кислотой. Цементы обладают высокой прочностью и стойкос­тью при воздействии высоких температур, но в зависимости от состава тре­буют особых режимов твердения, так как при неправильной технологии в бетонах могут значительно развиваться деструктивные явления, например, вспучивание массы, понижающие конечную прочность материала.

Кислотоупорный цемент применяют для изготовления кислотостой­ких или жаростойких бетонов. Этот цемент состоит из тщательно переме­шанного молотого кварцевого песка и кремнефтористого натрия, его затво­ряют на жидком стекле - коллоидном растворе натриевого или калиевого силиката Ма₂О-п8Ю₂,К₂О-п8Ю₂ с плотностью 1,32 ... 1,50, обладаю­щем вяжущими свойствами. Входящий в его состав кремнефтористый натрий является катализатором твердения, по­вышающим водостойкость и кислотоупорность затвердевшего материала. Обычноно добавка кремнефтористого натрия должна составлять 12 .. 15 % от массы растворимого стекла.

Цементы с добавкой крентов - кристаллизационных компонентов,

которые способствуют кристаллизации гидросиликатов и трехсульфатной

формы гидросульфоалюминатов, отличаются повышенной на 5 ... 15%

прочностью (в среднем на 10 МПа), более высокой морозо- и сульфатостой-костью.

Цементы на основе сульфоалюминатных клинкеров обладают быст­рым твердением и высокой прочностью (через 24 ч - 20 ... 30 МПа, через 1 сут-40 ... 50 МПа).

Смешанные цементы с повышенным содержанием минеральных по­рошков из местного каменного сырья или вторичных техногенных продук­тов, например, золы и др., которые могут изготавливаться на региональных установках, имеют сравнительно невысокую прочность и используются в производстве бетонных блоков и бетонов низкой и средней прочности. В смешанные цементы может вводиться также второй минеральный вяжущий компонент.

В строительстве также используют ряд специальных вяжущих ве­ществ: шлакощелочные, магнезиальные, полимерные дисперсии и другие.

Известь. Для производства силикатных бетонов в качестве вяжуще­го используют воздушную известь.

Гипсовые вяжущие получают термической обработкой природного гипсового камня или гипсосодержащих отходов. При обработке сырья при температуре 140-170°С получают обычные гипсовые вяжущие (строитель­ный гипс, иногда на рынке называемый алебастром), состоящие в основном из полугидрата сульфата кальция -модификации ((-СаSО₄ • 0,5Н₂О). При обработке в автоклаве при температуре 105-110°С и давлении 0,15... 0.3 МПа получают высокопрочный гипс (-модификации).

Строительный гипс характеризуется высокой водопотребностью (55...65%) и сравнительно низкой прочностью 2...7МПа. Высокопрочный гипс имеет меньшую водопотребность (35...40%) и большую прочность 10..25 МПа. Все гипсовые вяжущие являются быстросхватывающимися (как правило 2... 20 мин) и быстротвердеющими. По прочности гипс делят на двенадцать марок от Г-2 до Г-25, в стро-шсльстве в основном используют гипс марок Г-4...Г-7. Гипс при твердении несколько увеличивает свой объем (на 0,2 %), что полезно при изготовлении архитектурных и декоративных деталей и позволяет применять его без за­полнителей, тем более что гипс плохо сцепляется с заполнителем и сталью, которая в нем корродирует и требует специальной защиты. Вместе с тем гипс хорошо сцепляется с древесиной и его целесообразно армировать дере­вянными рейками, картоном и другими подобными материалами. Плотность 1200..1500 кг/м3. Композиционные вяжущие вещества. Для получения высококаче­ственных бетонов и повышения эффективности использования цемента в бетоне применяют композиционные вяжущие вещества. В этих материалах к основному вяжущему компоненту добавляют специальные добавки и ак­тивные минеральные компоненты, в том числе обладающие вяжущими свойствами. При этом добиваются как существенного улучшения реологи­ческих свойств цементного теста, так и прочности и других свойств вяжу­щего и бетонов на его основе. Отечественными учеными были разработаны вяжущие низкой водопотребности (ВНВ), положившие начало развитию технологии композици­онных вяжущих веществ. Совместный помол портландцемента с повышен­ной дозировкой суперпластификатора и в ряде случаев с активной мине­ральной добавкой позволил получить ВНВ с самыми различными свойства­ми. Прочность ВНВ оказалась приблизительно в два раза выше прочнос­ти исходного цемента, а разбавленные ВНВ с 50 - 70% молотого шлака или кварцевого песка в их составе обеспечивали ту же прочность, что и исход­ный портландцемент. Приблизительно 70 - 80% общего вклада в повыше­ние прочности достигалось за счет снижения водопотребности смеси и из­готовления цементного камня и раствора при низких значениях водоцемент-ного отношения и соответственно повышения их плотности, а 20 - 30% за счет увеличения тонкости помола и удельной поверхности цемента и созда­ния более прочной и монолитной тонкозернистой структуры материала.

ВНВ-100 используют для высокопрочных бетонных и железобетон­ных конструкций, ВНВ-50 - для конструкций средней прочности, ВНВ-30 -для бетонных и пенобетонных блоков, так как при значительном снижении доли клинкера в вяжущем уменьшается выделение диоксида кальция при его твердении и возможно более быстрое уменьшение щелочности среды и снижение ее защитных свойств по отношению к стальной арматуре. ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ БЕТОНА

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают влияние на свойства бетона, его долговечность и стоимость. Введение в бетон запол­нителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполни­теля несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, умень­шает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона -необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагруз- ки. Заполнитель уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении до­стигает 1 ... 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возни­кают внутренние напряжения и даже микротрещины. Заполнитель воспри­нимает усадочные напряжения и в несколько раз уменьшает усадку бетона по сравнению с усадкой цементного камня.

Пористые естественные и искусственные заполнители, обладая ма­лой плотностью, уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его теп­лотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов. Большое влияние на прочность бетона оказывает чистота заполните­ля. Пылевидные и особенно глинистые примеси создают на поверхности зе­рен заполнителя пленку, препятствующую сцеплению их с цементным кам­нем. В результате прочность бетона значительно понижается (иногда на 30... 40%). ДОБАВКИ К БЕТОНАМ Для регулирования свойств бетона, бетонной смеси и экономии це­мента применяют различные добавки. Их подразделяют на два вида: хими­ческие добавки, вводимые в бетон в небольшом количестве (0,1 ... 2% от массы цемента) и изменяющие в нужном направлении свойства бетонной смеси и бетона, и тонкомолотые добавки (5 ... 20% и более), использующи­еся для экономии цемента, получения плотного бетона при малых расходах цемента и повышения стойкости бетона. Применение химических добавок является одним из наиболее универсальных, доступных и гибких способов управления технологией бетона и регулирования его свойств. Если ранее наиболее широко в строительстве использовались в виде добавок отдельные химические продукты и модифицированные отходы промышленности, то в настоящее время преобладают добавки, специально приготовленные для бе­тона (суперпластификаторы, органо-минеральные и другие). Планы разви­тия строительной индустрии предусматривают значительное расширение производства бетонных смесей с использованием эффективных добавок, применение новых видов добавок.

Химические добавки классифицируют по основному эффекту дей­ствия: 1) регулирующие свойства бетонных смесей: пластифицирующие, т.е. увеличивающие подвижность бетонной смеси; стабилизирующие, т.е. предупреждающие расслоение бетонной смеси; водоудерживающпе, умень­шающие водоотделение; 2) регулирующие схватывание бегонных смесей и твердение бетона: ускоряющие или замедляющие схватывание, ускоряющие твердение, обеспечивающие твердение при отрицательных температурах (противоморозные); 3) регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона: воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие (воздухоудаляющие и кольматирующие поры бетона); 4) до­бавки - регуляторы деформаций бетона, расширяющие добавки; 5) повыша­ющие защитные свойства бетона к стали, ингибиторы коррозии стали; 6) добавки -- стабилизаторы, повышающие стойкость бетонных смесей против расслоения, снижающие растворо- и водоотделение; 7) придающие бетону специальные свойства: гидрофобизирующие, т. е. уменьшающие сма­чивание бетона; антикоррозионные, т. е. повышающие стойкость в агрессив­ных средах, красящие, повышающие бактерицидные и инсектицидные свой­ства, электроизоляционные, электропроводящие, противорадиационные. Минеральные добавки. Для активного управления структурой и свойствами бетонной смеси и бетона, наряду с химическими добавками применяют минеральные (МД). Эти материалы представляют собой порош­ки различной минеральной природы, получаемые из природного или техно­генного сырья (золы, молотые шлаки и горные породы, микрокремнезем и др.). Минеральные добавки отличаются от заполнителя мелкими размерами зёрен (менее 0,16 мм, а чаще еще меньше), а от химических модификаторов тем, что они не растворяются в воде, являясь по существу тонкой составля­ющей твердой фазы бетона. Располагаясь вместе с цементом в пустотах за­полнителя, они уплотняют структуру бетона, в ряде случаев позволяют уменьшить расход цемента. Поэтому МД часто называют минеральными на­полнителями. Органо-мннеральные добавки получают, объединяя в единую сис­тему органический и минеральный компоненты, обладающие конкретным модифицирующим эффектом. ВОДА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ Для приготовления бетонной смеси используют водопроводную пи­тьевую, а также любую воду, имеющую водородный показатель рН не менее 4, т. е. не кислую, не окрашивающую лакмусовую бумагу в красный цвет. Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/л (в пересчете на 5О₄) и всех солей более 5000 мг/л. В сомнительных случаях пригодность воды для приготовления бетонной смеси необходимо проверять путем сравни­тельных испытаний образцов, изготовленных на данной воде и на обычной водопроводной.

Для приготовления бетонной смеси можно применять морскую и другие соленые воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям. Ис­ключением является бетонирование внутренних конструкций жилых и об­щественных зданий и надводных железобетонных сооружений в жарком и сухом климате, так как морские соли могут выступить на поверхности бето­на, а также вызвать коррозию стальной арматуры.

Для поливки бетона следует применять воду такого же качества, как и для приготовления бетонной смеси.