Строительные материалы и изделия

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ БЕТОНОВ

Специальные бетоны способны работать в экстремальных условиях или обладают свойствами, не характерными для обычных бетонов. Но при этом их технология и принципиальный состав остаются «бетон­ными».

Особо тяжелые бетоны используют для устройства конструкций, защищающих людей от рентгеновского и у Для этого в состав

бетона вводят заполнители, содержащие железо, барий и другие тяже­лые элементы, хорошо поглощающие жесткое ионизирующее излуче­ние. В качестве заполнителей используют: железные руды (магнетит, лимонит), барит, металлическую дробь и т. п. Плотность таких бетонов достигает 4000...5000 кг/м3.

Гидратные бетоны предназначены для защиты от нейтронного излучения. Как известно из физики, потоки нейтронов лучше всего поглощают атомы легких элементов (водорода, лития, бора). Для этих целей чаще всего используют бетоны, содержащие боль­шое количество химически связанной воды. Этого можно добить­ся, используя вяжущие, образующие при твердении эттрингит — ЗСаО • А1203 • 3CaS04 • 32Н20, а также применяя заполнители, содер­жащие кристаллизационную воду, например, серпентин (змеевик) 3MgO • 2Si02 • 2Н20.

Жаростойкие бетоны характеризуются способностью сохранять в определенных пределах физико-механические свойства при длитель­ном воздействии высоких температур.

Для изготовления жаростойких бетонов в качестве вяжущих ис­пользуют глиноземистый цемент, шлакопортландцемент и жидкое стекло. Заполнителями и тонкомолотыми наполнителями служат ме­таллургические шлаки, бой керамических и огнеупорных изделий, базальт, андезит и т. п.

Жаростойкие бетоны приготовляют по обычной технологии, а затем в процессе работы при высоких температурах превращают в монолит­ный керамический материал. Из таких бетонов выполняют футеровку промышленных печей, фундаменты доменных и мартеновских печей и т. п. Применение жаростойких бетонов взамен штучных материалов снижает стоимость и ускоряет строительство. : .

Кислотоупорные бетоны получают на кислотоупорном цементе и кислотостойких заполнителях (подробнее см. § 8.5). Применяют кис­лотоупорные бетоны на химических предприятиях для облицовки несущих конструкций, устройства бетонных полов и т. п.

Пи-бетоны — группа бетонов, в которых полностью или частично в роли вяжущего выступают полимеры. К ним относятся полимерце - ментные бетоны, бетонополимеры и полимербетоны.

Полимерцементные бетоны — цементные бетоны, в которые на стадии приготовления смеси вводится полимерная добавка. Добавки представляют собой водные дисперсии (эмульсии, латексы) или редис - пергируемые сухие порошки (как сухое молоко) тех же полимеров. Содержание полимера в полимерцементных бетонах — 5...15 % от мас­сы цемента. Чаще других используют дисперсии полиакрилатов, по - ливинилацетата и его сополимеров и латексы синтетических каучуков. Полимерные добавки, образуя в бетоне самостоятельные структуры, тгри-д-аіо-т^бе-тоїтахь-в-ьіеекне-адте-зионцьіе-евойства, значи-те-льно-нов-ы— шают их износостойкость, ударную прочность и прочность при изгибе. Большее распространение, чем бетоны находят полимерцементные растворы.

Бетонополимеры — бетоны, поры которых заполнены полимерами. Для достижения этого эффекта затвердевшие и высушенные бетонные элементы пропитывают жидкими мономерами или полигомерами, которые затем полимеризуются в порах бетона, переходя в твердое состояние.

После такой обработки бетон приобретает высокую прочность до

100.. .200 МПа, полную водонепроницаемость и очень высокую моро­зостойкость (F500 и выше).

В настоящее время этот метод применяют для восстановления гидроизоляционных свойств у бетонных и других каменных (например, кирпичных) конструкций. Для этого пропускающие воду бетонные конструкции пропитывают мономером, отверждающимся в порах и - тре-щінкне-ма-терщшь-Р-ав-рабе-таїгьт-нрони-тьшающне-еоета&ьц-нроігика— ющие во влажный бетон и вытесняющие из него воду.

Полимербетоны — бетоны, в которых вместо минерального вяжу­щего используется полимерное. Вяжущим, как правило, служат жидко­вязкие олигомеры (например, эпоксидные и полиэфирные смолы). Смола играет роль и вяжущего, и воды, обеспечивая удобоукладывае­мость бетонной смеси. Твердение полимербетонов происходит в ре­зультате сшивки олигомера до состояния пространственного полимера. Полимерные вяжущие придают бетону специфические свойства:

• высокую и универсальную химическую стойкость (самое важное свойство полимербетонов);

• высокую прочность (50... 100 МПа) при нормальных температурах;

• водостойкость и водонепроницаемость;

• высокую износостойкость;

• низкую теплостойкость (они размягчаются при 100...200° С).

Для получения полимербетонов главным образом применяют эпок­сидные и полиэфирные олигомеры (смолы). Для снижения расхода дорогого полимерного вяжущего в него вводят тонкомолотый мине­ральный порошок (кварц, мрамор, полевые шпаты и т. п.).

Отверждаются полимербетоны с помощью специальных веществ — отвердителей: для эпоксидной смолы обычно используют амины, а для полиэфирных смол — перекиси совместно с ускорителями. Более пол­ного и быстрого отверждения можно добиться нагревом до 60...90° С. После отверждения полимербетоны становятся биологически инерт­ными материалами.

Используют полимербетоны главным образом в химической про­мышленности, в конструкциях, где необходима высокая химическая стойкость, и при ремонте облицовок и изделий из декоративных горных пород (например, восстановление изношенных гранитных ступеней в метро). Используя отходы различной крупности, образующиеся при обработке декоративных горных пород, на полимерных вяжущих де­лают плиты и блоки (см. § 4.6). Эти блоки и камни можно распиливать и обрабатывать как цельный природный камень. Полимерные вяжущие при этом наполняют порошком из горной породы, чтобы слои вяжу­щего не были заметны.

Кроме того, из таких бетонов делают подоконные плиты, прилавки в магазинах и даже санитарно-технические приборы (раковины, ванны, джакузи и т. п.). Цвет полимербетонов может быть любой: они хорошо окрашиваются различными пигментами (в том числе и органическими) и защищают их от агрессивных воздействий внешней среды.

Асфальтовые бетоны — бетоны, широко применяемые в дорожном строительстве и часто, но не совсем верно называемые асфальтом. Термин «асфальт» (от греч. asphaltos—- горная смола) имеет два значе­ния:

• горная порода пористая (известняк и т. п.) или рыхлая (песок и т. п.), пропитанная природным битумом (содержание битума 2...20 %);

• искусственная смесь тонкоизмельченного минерального напол­нителя (обычно порошка известняка) с битумом (12...60 %).

Природные асфальты применялись еще в глубокой древности для гидроизоляционных и дорожных работ (см. § 9.2). Искусственный асфальт используется как вяжущее для приготовления асфальтовых бетонов. Роль минерального порошка в таком вяжущем заключается не только в снижении расхода битума, но и в повышении температуры его размягчения. Это важно, например, для сохранения прочности асфальтобетона в летнее время.

Асфальтовые растворы — смесь асфальтового вяжущего с песком. Расход вяжущего — асфальта — должен быть таким, чтобы заполнить 252 пустоты в песке с некоторым избытком (10...15 %), необходимым для обволакивания песчинок.

Асфальтовые бетоны можно представить как смесь асфальтового раствора и крупного заполнителя; в этом случае количество асфальто­вого раствора берут таким, чтобы заполнить пустоты в щебне с некоторым избытком (10...15 %) для получения плотного бетона.

Плотность асфальтобетона — важная характеристика. Обычно по­ристость асфальтобетона — 5...7 %. Чем выше пористость, тем меньше долговечность асфальтобетона, так как при этом возрастает водопог­лощение, снижается коррозионная стойкость и морозостойкость (по­следнее — главный фактор разрушения дорожных покрытий). Плотные асфальтобетоны (пористость < 5 %) практически водонепроницаемы и могут применяться как гидроизоляционный материал.

В отличие от бетонов на минеральных вяжущих прочность асфаль­товых бетонов и растворов заметно изменяется при колебаниях тем­пературы. Так, если при 20° С прочность асфальтобетона составляет

2,2.. .2,4 МПа, то при 50° С — только 0,8... 1,2 МПа. При этом снижается модуль упругости и возрастает ползучесть асфальтобетона.

Асфальтовые бетоны значительно более стойки к коррозионным воздействиям, чем цементные, но боятся воздействий жидких топлив и масел. Износостойкость асфальтовых бетонов выше, чем цементных.

Асфальтовые бетоны и растворы применяют для устройства верхних покрытий дорог, аэродромов, полов промышленных зданий, плоских кровель, стяжек, а также в гидротехнике для создания гидроизоляци­онных слоев и экранов и заполнении компенсационных швов.

Технология асфальтобетона. Для получения пластичной удобоук- ладываемой асфальтобетонной смеси используют два метода:

• нагрев смеси до 140... 170° С для полного разжижения битума;

• приготовление смеси на жидких битумах, гудронах (с последую­щим их отвердеванием за счет испарения летучих компонентов) или на битумных эмульсиях (отвердевание происходит после испарения воды).

Лучшее качество имеют «горячие» асфальтобетоны.

Укладывают и уплотняют асфальтобетонные смеси при помощи специальных асфальтоукладчиков и тяжелых катков. При малых объ­емах работ возможно ручное уплотнение.

I Долговечность асфальтобетона во многом зависит от качества

укладки и обеспечения его сцепления с нижележащими слоями; на

долговечность существенно влияет также качество основания.

Бетоны, аналогичные асфальтовым, могут быть получены на дег­тевых вяжущих, но их использование, разрешено лишь для дорожных покрытий вне населенных пунктов (см. § 9.2).

Для повышения качества асфальтобетонов битумы модифицируют полимерами (полиэтиленом, полипропиленом, синтетическими каучу­ками); для этой цели рационально использовать вторичное полимер­ное сырье и промышленные отходы.

Лабораторная работа №9 Подбор состава и приготовление тяжелого бетона

Цель: научиться рассчитывать соотношения цемента, воды, песка и крупного заполнителя для получения бетонной смеси с заданной удобоукладываемостью и бетона с заданной маркой и проверить про­веденный расчет.

Материалы: цемент — 2 кг, песок кварцевый — 4 кг, щебень (гра­вий) — 8 кг, вода.

Приборы и приспособления: боек для приготовления бетонной смеси, две лопаты, стандартный конус, штыковка, форма на три образца-куба 10 х 10 х 10 см (или 15 х 15 х 15), виброплощадка, весы.

Ход работы

Работа состоит из двух частей: I — расчетной — «Подбор состава тяжелого бетона» и II — практической — «Приготовление бетонной смеси и проверка свойств смеси и бетона».

Ч а с т ь I

Подбор состава тяжелого бетона

Меняя расход воды и цемента, марку используемого цемента, вид и количество крупного и мелкого заполнителя, можно получить бето­ны, значительно различающиеся между собой по строительным свой­ствам — прочности, морозостойкости, водопоглощению, усадке и стоимости. Оптимальным для конкретных условий строительства и последующей эксплуатации будет такой состав бетона, который, удов­летворяя техническим требованиям строительства, имеет наименьшую стоимость. Наиболее дефицитной и дорогостоящей частью бетона является цемент. Поэтому обычно стремятся подобрать состав с ми­нимальным расходом цемента.

254 .

Оптимальный состав бетона определяют расчетно-эксперименталь­ным методом в три этапа:

1. Проектирование состава бетона на основе исходных данных с помощью формул, графиков и таблиц.

2. Уточнение состава бетона на пробных замесах.

3. Определение фактического расхода составляющих материалов на 1 м3 бетона, исходя из расхода материалов на оптимальный пробный замес и объема этого замеса, вычисленного по экспериментально определенной средней плотности бетонной смеси.

Окончательно состав бетона может быть выражен в виде расхода материалов на 1 м3 бетона или в частях по массе или по объему по отношению к цементу (В/Ц при этом всегда выражается по массе).

Для проектирования состава бетона необходимо иметь следующие исходные данные: назначение бетона; требуемую марочную прочность бетона на сжатие (в возрасте 28 дн); требуемую удобоукладываемость бетонной смеси; вид и марку (активность) цемента; плотность истин­ную, среднюю и насыпную всех компонентов; зерновой состав запол­нителей и пустотность крупного заполнителя[6].

Рассчитывают состав тяжелого бетона в следующем порядке.

1. Обеспечение требуемой прочности бетона. Зависимость прочности бетона через 28 сут твердения от его состава имеет вид:

".; / ъ = ARn(ц/в ±5), г///.:;|Г '

•г. . . . • '! . ІЇ М ; і

і ' ' ■■ *■

где Ru — активность (марка) цемента, кгс/см2; Ц/В — соотношение цемента и воды; А — коэффициент, зависящий от вида бетона и качества заполнителей.

При возможности выбора марки (активности) цемента рекоменду­ется, чтобы его марка (активность) была в 2...2,5 раза выше требуемой прочности бетона. Меньшая разница в этих показателях ведет к увеличению расхода цемента, при большей разнице необходимо в цемент вводить тонкомолотые минеральные добавки (молотые грану­лированные шлаки, золы ТЭС, молотый известняк и т. п.).

Указанная формула позволяет определить соотношение воды и цемента В/Ц, которое при данном качестве заполнителей А и данной активности цемента Д, обеспечивает получение требуемой прочности бетона: для пластичных смесей (при В/Ц > 0,4) В/Ц = +

+ 0,5Ліі? иХ Для особо жестких смесей (при В/Ц < 0,4) В/Ц = ARRR-, —

-ЪМгК).

Заполнитель:

высококачественный

рядовой

пониженного качества

2. Расход воды определяют, исходя из заданной удобоукладываемо­сти (подвижности или жесткости) бетонной смеси по графикам или справочным таблицам (табл. 12.5). Расход воды выражают в л (кг) на 1 м3 бетонной смеси.

3. Расход цемента (Ц (кг).Зная расход воды, определяют Ц = В : (В/Ц).

Если рассчитанный расход цемента окажется ниже допустимого

(табл. 12.5), его увеличивают; при этом добавляют соответствующее количество воды с таким расчетом, чтобы сохранилось принятое значение В/Ц.

4. Расход заполнителей (песка и крупного заполнителя) рассчиты­вают, решая совместно два уравнения, характеризующие строение бетонной смеси.

3

Таблица 12.5. Расход воды, л, на 1 м бетонной смеси

2. При применений пуццолановых цементов расход воды. увеличивается на 15.1. л. 3. При расходе цемента свыше 400 кг на 1 м3 бетона расход воды увеличивают на 1 л ца каждые ЙЙсг цемента сверх 400 кг. ••

Объем 1 м3 (1000 дм3) плотно уложенной бетонной смеси слагается из абсолютных (без воздушных пустот) объемов цемента, воды, мелкого и крупного заполнителя:

Ц/рц + В + П/рп + К/рк = 1, , , •/•••Л,- :'

где Ц, В, П, К — расходы соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг; рц, рп, рк — соответственно истинные плот­ности цемента, песка, крупного заполнителя, кг/м3.

Пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть за­полнены растворной смесью с учетом некоторой раздвижки зерен, значение которой определяется коэффициентом раздвижки

аКраД/рнаск = Ц/рц + П/р„ + В,

где рнаск — насыпная плотность крупного заполнителя; а — межзерно­вая пустотность крупного заполнителя; Краз — коэффициент раздвижки зерен заполнителя.

Коэффициент раздвижки зерен для жестких бетонных смесей принимают равным 1,05...1,15, в среднем — 1,1; для пластичных смесей Кри принимают по табл. 12.7.

;' Y

Решая совместно приведенные выше уравнения, получаем формулы для определения расхода (в кг на 1 м3 бетона):

песка

П = [1 — (Ц/рц + В + К/рк)]рп

Таким образом, получают расчетный состав бетона в виде расхода материалов Ц, В, П, К в кг для получения 1 м3 бетона. Расчетная плотность бетонной смеси (кг/м3)

Рр6.с = ц + в + п + к.

Приготовление смеси. Исходя из рассчитанного состава бетона, определяют расход материалов на пробный замес объемом = = 7...12 дм3 =0,007...0,012 м3. Точное значение объема пробного замеса рассчитывается из необходимости заполнить стандартный конус (К» 7 дм3), а затем из той же смеси отформовать три образца-куба размером 10 х 10 х х 10 см (V— 3 дм3) или размером 15 х 15 х 15 см (V - 11 дм3).

Расход материалов на замес объемом (м3) рассчитывают, умно­жая расход материалов на 1 мэ бетона на объем замеса; например, Цзам = ЦИзам (кг) ит. д.

Рассчитанные на замес количества сухих материалов отвешивают на торговых весах с погрешностью для цемента не более 10 г, для заполнителей — не более 50 г. Воду отмеряют мерным цилиндром с погрешностью не более 10 г.

Сухие компоненты высыпают в боек (мелкое плоскодонное коры­то), предварительно смочив его поверхность, и перемешивают. Затем в несколько приемов при постоянном перемешивании добавляют воду и продолжают перемешивание. Общая продолжительность перемеши - , вания не менее 5 мин.

Оценка подвижности смеси. Готовую бетонную смесь для опреде­ления ее подвижности загружают в стандартный конус, установленный на металлический поддон. Перед испытанием конус и все приспособ­ления очищают и протирают влажной тканью. Загрузку бетонной смесью производят в три слоя, штыкуя каждый слой 25 раз. Конус во время наполнения должен быть плотно прижат к поддону. После уплотнения бетонной смеси ее избыток срезают вровень с верхним краем конуса.

Далее конус плавно снимают с бетонной смеси и ставят рядом с ней. Осадку конуса бетонной смеси (ОК) определяют, укладывая

металлическую линейку ребром на верх конуса и измеряя расстояние от нижней грани линейки до верха бетонной смеси с погрешностью не более 0,5 см.

Если ОК отличается более чем на 1 см от запроектированной, то необходимо ввести добавки, корректирующие подвижность смеси, но не изменяющие прочность бетона.

Если ОК менее заданного значения (смесь жесткая), необходимо добавить воду и одновременно цемент, чтобы рассчитанное В/Ц смеси не изменилось. Обычно добавляют по 10 % от расчетного количества воды и цемента. Массу добавок фиксируют в тетради. Затем смесь повторно перемешивают и вновь определяют ОК. Если смесь не достигнет требуемой подвижности, то вводят добавки, пока не получат желаемого результата.

Если ОК более заданной величины, можно снизить подвижность, добавив песок и крупный заполнитель (в соотношении, принятом при расчете смеси). Количество добавок и порядок действий с ними такой же, как и при добавке воды и цемента.

Изготовление образцов. Из смеси, имеющей требуемую подвиж­ность, формуют образцы для определения прочности бетона. Для этого используют разборные металлические формы размером 10 х 10 х Шили 15x15x15 см (последние являются стандартными), позволяющие получить образцы правильной геометрической формы.

Форму перед заполнением смазывают и взвешивают с погрешно­стью не более 50 г (/Яф, кг). Бетонную смесь укладывают в форму в два-три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием 10...20 раз от краев к центру. Затем формы с некоторым избытком смеси устанавливают на виброплощадку и вибрируют 1...2 мин (до появления жидкости на поверхности). По окончании уплотнения поверхность бетона вырав­нивают кельмой, срезая избыток смеси, и очищают от смеси, налипшей на боковые поверхности формы. Форму с бетоном взвешивают с погрешностью не более 50 г (тЯф + б, кг).

TOC o "1-5" h z Зная объем бетонной смеси в форме К6с (дм3), можно определить фактическую плотность бетонной смеси рф6.с (кг/м3): ,

рф6.с = 1000(/иф+6 — Отф)/Ц. с й ;'.

и сравнить ее с рассчитанной рр6.с. v-‘- ■ '

Отформованные образцы хранятся в формах 24...30 ч, затем распа - лубливаются и хранятся до испытаний на воздухе, но так, чтобы исключить высыхание бетона (обычно их покрывают влагоемкой тка­нью, которую периодически увлажняют).

Определение прочности бетона. Марочная прочность бетона в соот­ветствии со стандартами определяется после 28 сут нормального твер­дения. Однако при необходимости можно испытать бетонные образцы

в другом возрасте (не ранее чем через три дня после изготоатсния) и с достаточной точностью рассчитать 28-дневную прочность по формуле

R1% = i^(lg28/lg. yV'

где Rn — прочность бетона, МПа, в возрасте п дней. ' ' s 1 "Л

Испытания бетона проводят на прессах с максимальным усилением для образцов 10 х 10 х 10 см — 500 кН, а 15 х 15 х 15 см — 1000 кН.

Образцы очищают от пыли и устанавливают строго в центре нижней плиты пресса так, чтобы верхняя (при формовании) грань образца оказалась в вертикальной плоскости. Верхнюю плиту пресса опускают до соприкосновения с образцом для выравнивания плоскостности, а затем немного приподнимают так, чтобы образовался зазор 2...5 мм. После этого включают пресс и нагружают образец со скоростью 0,4...0,8 МПа/с до его разрушения. Разрушающая нагрузка Fp (кН) фиксируется на силоизмерительной шкале по показанию пассивной стрелки, отмечающей максимальное усилие пресса в ходе испытания.

Предел прочности при сжатии Д. ж (МПа) испытуемого образца рассчитывают по формуле, .. .

Д Л = iOfp/,4. ’■ ' '--'У" V ' '•

где А — площадь поперечного сечения образца, см2. Если шкала пресса градуирована в кгс, то вместо коэффициента 10 в формуле следует использовать коэффициент 0,1.

При испытании образцов, твердевших не 28 дн, делают перерасчет их прочности на 28-дневную по указанной ранее формуле.

Прочность бетона данного замеса устанавливают, рассчитывая среднее арифметическое результатов испытания (при испытании трех образцов для расчета берут два наибольших значения). При размере образцов 15x15x15 см рассчитанная прочность является марочной прочностью бетона, если размер образцов был 10 х 10 х 10 см, то полученное значение умножают на коэффициент 0,91.