ВСЕ О ПЕНОБЕТОНЕ

Роль заполнителей в тяжелых бетонах

Бурный интерес вызывает модификация бетонов всяческими активирую­щими способами. Оно и понятно - народ жаждет чуда. В душе всегда остается место вере в него. И как только появляется малейшая возможность, мы строй­ными рядами выстраиваемся за очередным мессией.

В бетоноведении подобным чудом можно смело назвать механохимию. Но если провести аллегорические сравнения, то любые способы активации - всего лишь красивая крыша для здания, именуемого «традиционным бетоноведени - ем». Но если фундамент гнилой, а стены кривые, то как его ни украшай, все равно рухнет.

Даже элементарное соблюдение некоторых бетоноведческих постулатов способно само по себе сотворить чудо. Безо всякой химии, механохимии и про­чей алхимии. Просто знать и соблюдать. Одним из таких фундаментальных по­стулатов является подбор заполнителей.

Для пенобетонов проблема заполнителей, на первый взгляд, кажется до­статочно простой: песок - он и в Африке песок, зачем его подбирать, а тем более модифицировать? Попробуем все же подойти к проблеме с научной точки зре­ния. Но для начала следует рассмотреть роль и место заполнителей в тяжелых бетонах.

В цементном бетоне большая часть объема, обычно свыше 70 %, заполнена естественными каменными материалами: песком, щебнем или гравием. Эти ма­териалы называют заполнителями для бетона.

Естественные каменные материалы гораздо дешевле искусственного це­ментного камня, поэтому понятно стремление строителей ввести в состав бето­на как можно больше заполнителей и использовать цементный камень только для склеивания естественных материалов и придания бетонной смеси подвиж­ности.

Какие же размеры зерен каменных материалов будут наилучшими для при­готовления экономичной бетонной смеси?

Когда испытываются естественные каменные материалы для их последу­ющего использования в бетоне, основное внимание уделяется возможности со­ставления из них смеси с наименьшим объемом пустот.

Если не вникать в суть вопроса, может показатся очевидным, что объем пустот в смеси из зерен различных размеров определяется размером зерен: чем крупнее зерна, тем меньше промежутков между ними. Но это далеко не так. Представим себе, что мы хотим заполнить кубический ящик размерами іхіхі метр шарами одинакового размера; в одном случае поместим в него один шар диаметром і метр, в другом - восемь шаров диаметром 0,5 метра. Простой подсчет показывает, что в обоих случаях объем, заполненный материалом, и объем пустот будут одинако-

B

Рис.3.2.2-1 Объемпустотпризаполнениипространствачастицамиодинаковыхразмеровнезависит от их величины и определяется только способом укладки: а) в ящике со стороной 1 метр поместится один шар диаметром 1 метр. Его объем будет равен 0,524 м. Пустоты между шарами займут объем 47,6 %; б) в том же ящике поместится восемь шаров диаметром 0,5 метра. Объем каждого шара бу­дет в 8 раз меньше. Объем пустот не изменится - 47,6 %; в) Если же укладку произвести в шахматном порядке, то шаров поместится больше, а объем пустот составит 26 %.

Вым. Он равен разнице в объемах куба и вписанного в него шара (рисунок 3.2.2-1). Эта разница составляет примерно 47,6 % при расположении шарообразных частиц ряд над рядом и 26 % при расположении их в шахматном порядке.

Подобрать такое соотношение между зернами разного размера, при котором процент пустот в смеси был бы наименьшим, - не такая простая задача, как ка­жется вначале. Бетоноведы пользуются несколькими практическими и теорети­ческими способами для этой цели. С ними можно ознакомиться в специальной литературе по технологии бетона.

Между тем, существуют два основных направления в подборе зернового состава смеси. В одном случае смесь подбирается из частиц, имеющих раз­личные размеры, от наименьшего до наибольшего - это так называемые смеси с непрерывной гранулометрией; в другом случае смесь составляется из набора частиц, в котором отсутствуют частицы в пределах определенных размеров, - смеси с прерывистой гранулометрией.

В смесях песка и гравия или щебня, пригодных для приготовления бетона, объем пустот составляет 25-35%. У плотного бетона этот объем должен быть за­полнен цементным камнем. Если к бетону не предъявляется требование высокой плотности (например, для стен зданий в настоящее время применяется крупно­пористый бетон), необходимое количество цементного камня определяется тре­бованиями, предъявляемыми к прочности бетона. В случае армирования бетон должен иметь определенную плотность для предохранения стали от воздействия воздуха, чтобы она не ржавела внутри железобетонной конструкции.

В качестве заполнителя для бетона могут применяться различные каменные материалы из горных пород. Для этих целей пригодны только прочные, устойчи­вые породы.

В естественных каменных материалах содержатся примеси, вредные для бетона. Это глина, пыль, органические вещества. Если содержание примесей выше пределов, допускаемых стандартами, то песок, гравий или щебень должны быть просеяны и промы­ты перед употреблением.

Для бетона дорожных покрытий до­пускается применение щебня, полученного только из прочных пород. Изверженные по­роды должны иметь прочность не ниже і000 кг/см2, а известняки - не ниже 800 кг/см2.

Применение в бетоне естественных ка­менных материалов, кроме чисто экономиче­ских, имеет еще и технические преимущества. Дело в том, что при твердении цемента происходит выделение значительного количества тепла, как, например, при гашении извести. Это тепло очень мед­ленно отдается в окружающую атмосферу вследствие малой теплопроводности бетона. Если приготовить из цементного теста сплошной куб на хорошем актив­ном цементе, то при стороне куба в 2 метра через двое суток температура внутри куба поднимется до 100 °С (рис. 3.2.2-2). Поскольку горячие участки куба рас­ширяются, между внутренними нагретыми и наружными остывающими частя­ми куба возникнут большие температурные напряжения, и в конце концов он будет разрушен образовавшимися трещинами.

Кроме этого, цементный камень на обычных цементах дает усадку, т. е. уменьшается в объеме при затвердевании, что также служит причиной появле­ния трещин. Поэтому количество цементного камня в бетоне должно быть по возможности наименьшим, и создание жесткого каркаса («каменного скелета») из стойких, не изменяющих свой объем материалов, заполнителей бетона, име­ет целью уменьшить влияние этих вредных явлений.

Чем ближе свойства каменного материала к свойствам цементного камня, тем лучше их взаимное сцепление и тем выше качество бетона.

Каменные материалы неправильно называют «заполнителями». Они не просто заполняют объем конструкции, но и испытывают напряжения, при­нимая на себя значительную долю нагрузки, которой подвергается бетон. По существу, именно цементный камень заполняет пустоты «каменного скелета», а не наоборот. Поэтому на вопрос, что же является заполнителем в бетоне, не так-то просто ответить, и название «заполнитель», хотя оно и применяется в на­стоящее время во многих официальных технических документах, по меньшей
мере неточно по отношению к камен­ным материалам, а еще более старое название «инертные материалы» и во­все ошибочно.

В природе есть и совсем не «инерт­ные» заполнители для бетона. Уста­новлено, что на поверхности контакта цементного камня с каменными ма­териалами могут образоваться соеди­нения, создающие прочное сцепление между ними.

Некоторые горные породы, всту­пая в химические реакции с составны­ми частями цементного камня, могут образовать соединения, способствую­щие разрушению бетона; так, например, происходит, когда в породе содержится опаловидный кремнезем.

От вида заполнителей зависит важная характеристика бетона - его объем­ный вес. Задача уменьшения веса бетона имеет большое значение в жилищном и промышленном строительстве, a в гидротехнике и устройствах для защиты от радиоактивных излучений, наоборот, требуется наиболее тяжелый бетон. Из­менить объемный вес бетона можно, применяя заполнители с различным объ­емным весом: для легкого бетона - пемзу, туф, керамзит, пористые шлаки; для тяжелого - магнетит, тяжелый шпат и др.