Подбор состава тяжелого бетона

Требования к материалам для приготовления бетона

В качестве заполнителей для бетона следует применять песок, щебень из природного камня, гравий и щебень из гравия, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10268-80. Стандарт допускает для приготовления бетона в зависимости от его класса (марки) по прочности на сжатие применение природных песков с модулем крупности от 1,0 до 3,5 (ГОСТ 8736-85), удовлетворяющих требованиям стандартов по другим показателям (содержание пылевидных и глинистых частиц и др.).

Мелкий заполнитель

Песок представляет собой рыхлую смесь мелких зерен, образовавшихся в результате выветривания изверженных горных пород. Чаще всего это кварцевые пески с небольшой примесью зерен других минералов, реже полевошпатные и известняковые пески.

Иногда песок получают дроблением горных пород, но такие пески за исключением отходов дробления (фракции меньше 5 мм), как правило, не используются в практике массового производства бетона из-за их дороговизны.

Основы подбора составов бетонных смесей

Дробленый песок изготавливается из невыветрившихся изверженных метаморфических пород или плотных осадочных пород с пределом прочности на сжатие не ниже 40 МПа.

Для приготовления бетонных смесей в качестве мелкого заполнителя применяют, как правило, природные кварцевые пески, которые пригодны для любых марок бетона.

В нормативной документации всегда указывается не один рекомендуемый зерновой состав песка, а допускается определенный интервал в соотношениях отдельных фракций, при котором не наблюдается значительное ухудшение свойств. Например, в песках для бетона зерновой состав должен находиться в следующих границах (Таблица 1).

Таблица 1

Рекомендуемый стандартом зерновой состав песка для бетона

Размеры
отверстий
сит, мм
5 2,51,25 0,630,315 0,14 >0,14
Полные
остатки
на ситах, %
по массе
min 0 0 14 35 70 90100
max 0 20 45 70 90 100 100

Для оценки зернового состава песка пользуются характеристикой «модуль крупности» Мк, обозначающих сумму полных остатков в % на ситах стандартного набора деленную на 100.

 В зависимости от модуля крупности пески подразделяются на крупные (Мк=2,5÷3,5), средние (Мк=2÷2,5) и мелкие (Мк =1,5÷2).

Для линий непрерывного формования целесообразно использование крупных и средних песков. При применении мелких песков рекомендуется использовать укрупнительные добавки, либо добавки крупного песка. 

Модуль крупности позволяет лишь приблизительно оценивать влияние гранулометрии песка на свойства бетона, т.к. пески с различным зерновым составом могут иметь одинаковый модуль крупности [7].

Использование в бетонах местных мелкозернистых песков с повышенной удельной поверхностью и пустотностью, как правило, приводит к повышенным расходам цемента. Наличие в песках органических примесей – слюды, гипса снижает качество бетона. Поэтому их содержание ограничено: слюды не более 0,5%, гипса – 1%, пылевато-глинистых частиц – 3%, органических примесей по колориметрической пробе – не темнее цвета эталона.

Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя для тяжелых бетонов используют щебень  – материал, получаемый дроблением горных пород, гравия или искусственных камней на куски размером от 5 до 70 мм. Дробление производят на камнедробилках. В результате – кроме щебня получаются более мелкие фракции, относящиеся по крупности зерен к песку и пыли. По существу, этот ценный материал, могущий эффективно использоваться в составе бетонной смеси, называют «отходами дробления» и, как правило, вывозят на свалки. В процессе дробления камня зерна щебня получаются неправильной формы. Лучшей считается форма, приближающаяся к кубу или тетраэдру.

В щебне не должно содержаться более 15% зерен пластинчатой и игловатой формы.

Основы подбора составов бетонных смесей

По прочности исходной горной породы марка щебня при сжатии в насыщенном водой состоянии (ГОСТ 8267) должна быть выше марки бетона не менее чем в 1,5 раза для бетона марок ниже М 300, и больше чем в 2,0 для бетона М 300 и выше.

Количество глинистых и пылевидных частиц в составе щебня из изверженных и метаморфических пород, определяемых отмучиванием, для бетонов М 300 и выше должно быть менее 1% по весу и не более 2% в щебне из карбонатных пород. Гранулометрический состав крупного заполнителя регламентируется ГОСТ 10268-70 и приведен в таблице 2.

Таблица 2

Рекомендуемый стандартом гранулометрический состав крупного заполнителя

Наибольшая крупность заполнителя, мм   Содержание фракций, %
от 5 до 10 Свыше 10 до 20 свыше 20 до 40 свыше 40 до 70
20 25-40 60-75
40 15-25 20-35 40-65
70 10-20 15-25 20-3535-55

Примечание. Для линий непрерывного формования используется щебень фракций 5-20. Рекомендуемый гранулометрический состав выделен в таблице 2.

Заполнители в бетоне могут составлять до 80% объема и, как правило, чем больший объем они занимают, тем ниже себестоимость бетона.

Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой состав, прочность и чистота заполнителя. Зерновой состав показывает содержание в заполнителе зерен разной крупности и определяется просеиванием пробы заполнителей через стандартные сита с отверстиями 0,14-70 мм. Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, если зерна заполнителя разделены на отдельные фракции [7]. Так, если указано что используется щебень фракций 5-20, это означает, что объем фракций менее 5 мм и более 20 мм не превышает 5%.

Портландцемент

Портландцемент – гидравлическое вяжущее вещество, получаемое совместным измельчением цементного клинкера и гипса.

Основы подбора составов бетонных смесей

Клинкер – результат обжига до спекания природного сырья, включающего минералы с преобладающими содержанием силикатов кальция (75-78% CaСO3 и 22-25% CaСO2 + Аl2O3 + Fe2O3). Для регулирования сроков схватывания цемента в его состав добавляют до 5% гипса. Для снижения стоимости портландцемента и придания ему специальных свойств при помоле клинкера возможно введение до 20% активной минеральной добавки.

Цемент выбирают с учетом требований, предъявляемых к бетону (прочность, морозостойкость, химическая стойкость, водонепроницаемость), а также технологии изготовления конструкций, их назначения и условий эксплуатации.

Цементная промышленность России выпускает, в основном, цементы активностью М 400-500. В строительстве применяют цементы  М 300, 400, 500, 550, 600.

Базовыми характеристиками цемента являются также нормальная густота цементного теста, скорость схватывания, равномерность изменения объема.

Нормальная густота. В отличие от других строительных материалов цемент испытывают в гидратированном состоянии в виде теста либо песчаного раствора. Поэтому на результаты испытаний влияют не только физико-химическая характеристика вяжущего, но также содержание и особенности всех применяемых при испытании материалов: воды, песка, специальных добавок. Кроме того, большое значение имеют способы приготовления цементного теста либо раствора и условия, в которых протекают процессы твердения.

При испытании по ГОСТ 3103 определяют нормальную густоту цементного теста, измеряя глубину погружения стандартного пестика. Нормальную густоту цементного теста характеризует количество воды затворения в % от массы цемента и составляет для портландцемента 22-28%. Она зависит от химико-минералогического состава клинкера, удельной поверхности цемента, содержания в нем допускаемой минеральной добавки, некоторых других факторов и является индивидуальной характеристикой цемента. Сроки схватывания и равномерность изменения объема определяют в цементном тесте нормальной густоты.

Основы подбора составов бетонных смесей

Скорость схватывания. Портландцемент, затворенный количеством воды, установленным при определении его нормальной густоты, образует подвижное тесто, которое в зависимости от химико-минералогической характеристики клинкера, удельной поверхности и состава цемента постепенно в течение нескольких часов теряет подвижность, превращаясь в плотное тело.

После затворения в начале гидратации цемента образуется рыхлая коагуляционная структура, обладающая тиксотропностью. Во время перемешивания теста контакты, возникшие между гидратными новообразованиями коллоидных фракций цемента, нарушаются, и тесто сохраняет подвижность, несмотря на постепенное нарастание связности. Чем дольше длится гидратация, тем больше становится гидратных новообразований и выше плотность структуры.      

Время, в течение которого образуется непрерывно уплотняющаяся коагуляционная структура, является периодом схватывания – формирования структуры [8]. Таким образом, схватывание цемента следует рассматривать как первоначальную стадию общего процесса твердения.

По стандарту начало схватывания должно наступить не ранее 45 минут и заканчиваться не позднее 12 часов с момента затворения. Нормальные сроки схватывания портландцемента достигаются при совместном помоле клинкера с добавкой подобранного количества гипса, при котором содержание SO3 в цементе должно быть не меньше 1,5% и не выше 3,5%. При большей добавке гипса возможно излишнее ускорение сроков схватывания.

Вода

Для приготовления бетонных смесей применяют питьевую либо иную природную воду, не содержащую вредных примесей, препятствующих схватыванию и твердению бетона. К вредным примесям относятся сульфаты, минеральные и органические кислоты, жиры, сахара и др.

Вода считается пригодной для затворения бетонной смеси, если общее содержание в ней солей не превышает 500 мг/л, содержание сульфатов (сернокислого кальция, натрия или магния) менее 2700 мг/л и показатель рН более 4.

Основы подбора составов бетонных смесей

Морскую воду, если она удовлетворяет указанным выше требованиям, разрешается применять для затворения и поливки бетона. Промышленные, сточные и болотные воды, содержащие вредные примеси, не пригодны для изготовления бетона.

Пригодность воды устанавливается химическим анализом, а также сравнительными испытаниями бетонных образцов на прочность. Вода считается пригодной для изготовления бетона, если приготовленные на ней образцы в возрасте 28 суток нормального хранения имеют не меньшую прочность, чем образцы бетона на питьевой воде.

Химдобавки

Применение добавок для тяжелых бетонов помимо экономического эффекта позволяет повысить его качественные и функциональные  характеристики, а также улучшить свойства бетонной смеси при транспортировке, укладке и твердении (Приложение №4).

Химические добавки можно разделить на регуляторы реологических свойств бетонной смеси, регуляторы пористости, сроков схватывания и твердения, а также добавки, придающие специальные свойства бетону.

Основы подбора составов бетонных смесей

Наиболее широкое применение нашли водоредуцирующие добавки – пластификаторы и суперпластификаторы, увеличивающие подвижность бетонной смеси, прочность бетона в результате снижения расхода воды, а также ускоритель твердения.

Основы подбора составов бетонных смесей

Авторским коллективом AО «Строительные Технологии и Машины» в составе Копша С.П. и Заикин В.А, под редакцией эксперта РАН, д.т.н., профессора Львовича К.И. подготовлено Методическое пособие “Подбор состава бетонной смеси для российской технологии изготовления преднапряженных железобетонных изделий методом непрерывного виброформования на длинных стендах“.

По вопросам приобретения Методического пособия и за консультациями просим обращаться:

+7 903 722 02 98

stm-moscow@mail.ru