Материаловедение и технология конструкционных материалов для строительства* Конспект лекций (стр. 19 )

Водонепроницаемость бетона зависит от его пористости и ее характера. Бетон мелкопористой структуры, тщательно уплотненный и затвердевший, обладает определенной водонепроницаемостью в слоях достаточной толщины. Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Марки тяжелого бетона по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12; W 16;  W 18; W 20. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления воды (в десятых долях МПа) бетон является для нее непроницаемым.

Морозостойкость бетона зависит от его структуры и прежде всего количества капиллярных открытых пор. Капиллярная пористость бетона уменьшается, а его морозостойкость увеличивается при меньших значениях В/Ц и достаточном сроке твердения. Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают марки по морозостойкости: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500; F 600; F 800; F 1000.

6.5. Подбор состава тяжелого бетона

От правильности проектирования состава тяжелого бетона зависят его плотность и прочность, которые, в свою очередь, во многом определяют такие важные свойства, как морозостойкость, водонепроницаемость и др. Рациональным считается тот состав тяжелого бетона, в котором расход вяжущего минимален при условии получения заданной прочности и других свойств бетона и необходимой удобоукладываемости бетонной смеси.

Состав бетона выражают двумя способами: на стройках в виде соотношения по массе (реже по объему, что менее точно) между расходами цемента, песка и щебня с обязательным указанием В/Ц; на бетонных заводах в виде расхода всех материалов в килограммах на 1 м3 уложенной и уплотненной бетонной смеси. В первом случае массу или объем цемента принимают за единицу, поэтому соотношение между составными частями бетона имеет вид 1:X:Y при определенном В/Ц (где  X  – количество частей песка; Y –  количество частей щебня или гравия).

Сначала определяют номинальный (лабораторный) состав бетона без учета влажности заполнителей, затем производственный (полевой) – с учетом влажности заполнителей.

Подбор состава включает в себя как расчетные операции (определение предварительного состава), так и его проверку на опытных замесах.

Расчет предварительного состава тяжелого бетона производят на основе зависимости прочности бетона от активности цемента, цементно-водного фактора и качества заполнителей, а также зависимости подвижности бетонной смеси от расхода воды и других факторов. 

Водопотребность бетонной смеси (расход воды на 1 м3 бетона) назначают в зависимости от ее удобоукладываемости (подвижности или жесткости). Удобоукладываемость смеси, если она не задана,  выбирается в зависимости от вида конструкции и способа формования.

Определение расходов песка и крупного заполнителя основано на формулах, которые вытекают из физических основ структурообразования бетона (принципы метода абсолютных объемов):

а) сумма абсолютных объемов всех компонентов бетонной смеси равна 1 м3 свежеуложенного уплотненного бетона, т. е.

(1000 дм3);

б) цементно-песчаный раствор занимает промежутки между зернами крупного заполнителя  с определенной их раздвижкой:

,

где Ц, В, П, Щ – расходы соответственно цемента, воды, песка и щебня в килограммах на 1 м3 бетона; Vп – пустотность щебня в долях единицы; ρщ, ρп и ρц – истинные плотности соответственно щебня, песка и цемента, кг/дм3; ρнщ – насыпная плотность щебня, кг/дм3; α – коэффициент раздвижки зерен щебня раствором (α = 1,05...1,1 для жестких смесей;  α = 1,25...1,4 для подвижных смесей).

Решая совместно эти два уравнения, получаем формулы для определения расхода заполнителей на 1 м3 бетона:

,

.

Полученный расчетом состав проверяют в лаборатории и при необходимости вносят в него соответствующие поправки.

Полевой состав бетона определяют с учетом влажности заполнителей. Для этого находят содержание воды в заполнителях по формулам

;  ,

где Вп, Вщ – содержание воды в песке и щебне, кг; Wп, Wщ – влажность песка и щебня (в долях единицы).

Расход заполнителей увеличивают соответственно с массой содержащейся в них воды. Расход воды уменьшают на величину . Расход цемента не изменяют.

Коэффициент выхода бетона, который представляет собой степень уменьшения объема бетонной смеси по сравнению с суммарным объемом исходных материалов и обычно равен 0,6 – 0,7, вычисляют по формуле

.

При определении состава бетона с химическими добавками учитывают их воздействие на свойства бетона соответствующими коэффициентами. Например, если в бетонную смесь вводят пластификатор (ЛСТ и др.) или суперпластификатор (С-3 и др.), то расход воды уменьшают соответственно на 10 или 20 %. В остальном порядок определения состава бетона не изменяют.

6.6. Специальные виды тяжелых бетонов

Высокопрочный модифицированный бетон. Отличается высокой прочностью на сжатие (60-80 МПа и выше), высокой плотностью, практически нулевым водопоглощением. Этот бетон получают на основе чистых заполнителей с хорошим зерновым составом (на фракционированном щебне из плотных и прочных горных пород, песке с пустотностью не выше
40 %) с добавками суперпластификатора и дисперсного наполнителя (например, микрокремнезема – SiO2 в аморфной форме, имеющего ультратонкие частицы). Высокопрочный бетон применяют для ответственных сооружений (для высотных зданий, защитных сооружений и т. п.).

Бетон для дорожных и аэродромных покрытий. К этому бетону предъявляют требования высокой прочности на изгиб, коррозионной стойкости, малого водопоглощения. Получают на основе специальных цементов нормированного минерального состава (ПЦ-500-Н) с содержанием С3А до 5 %, применением химических добавок (пластификаторов, воздухововлекающих и др.). При изготовлении бетона ограничивают водоцементное отношение (В/Ц должно быть не более 0,5 – 0,55).

Гидротехнический бетон. Должен иметь высокую прочность, долговечность и в то же время сравнительно низкую стоимость. С этой целью гидротехнические сооружения разделяют на разные (обычно три) зоны, для которых применяют свой бетон. Для подводной зоны используют бетон на пуццолановом портландцементе, который отличается водонепроницаемостью и сульфатостойкостью. Наиболее ответственную зону – зону переменного уровня воды – выполняют из высококачественного бетона на сульфатостойком портландцементе. Для надводной зоны применяют более дешевый вид бетона на шлакопортландцементе, белитовом портландцементе с меньшим тепловыделением. С целью улучшения свойств в гидротехнический бетон вводят различные добавки, в том числе микронаполнители (микрокремнезем и др.). Важным является правильное назначение В/Ц, от значений которого во многом зависят плотность, прочность и долговечность бетона.

Бетон для защиты от радиации. Для защиты от γ-излучения используют особо тяжелый бетон на чугунном, свинцовом и другом сверхтяжелом заполнителе. Такие бетоны требуют тщательного подбора состава, соблюдения технологических режимов изготовления и твердения. Нейтронное излучение наиболее эффективно поглощается гидратными бетонами, имеющими повышенное содержание химически связанной воды. Для их приготовления чаще всего используют глиноземистый цемент, а в качестве заполнителей – лимонит и серпентин. В бетон вводят добавки, содержащие легкие элементы: литий, фтор и др. Особые требования, прежде всего по долговечности и прочности, предъявляются к бетонам для подземных хранилищ радиоактивных отходов и других захоронений. При их изготовлении обязательно вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором.

Декоративный (архитектурный) бетон предназначен для отделки зданий и сооружений. Применяются светлые, цветные и офактуренные (имитирующие природный камень и т. п.) бетоны. В качестве вяжущего используют белый портландцемент, цветные цементы, иногда используют обычный портландцемент с отбеливающей добавкой и (или) с добавкой пигмента. Мелким заполнителем обычно служит природный песок. Для получения бетонов светлых тонов применяют белые кварцевые пески (для стекольной промышленности). В качестве крупного заполнителя используют щебень из мрамора, гранита, известняка, доломита. Для получения цветного бетона на белом цементе в бетонную смесь добавляют различные минеральные и органические пигменты. Для достижения высокой прочности и долговечности архитектурного бетона в него вводят дисперсные наполнители (микрокремнезем и др.) в композиции с суперпластификатором и другие добавки. 

Жаростойкий бетон предназначен для изделий и конструкций, работающих в условиях длительного воздействия высоких температур (свыше 200 °С). Этот бетон изготовляют на портландцементе с активными минеральными (жаростойкими) добавками, глиноземистом цементе, жидком стекле с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия, а также жаростойких заполнителях (шамоте, магнезите, хромомагнезите и др.).

Бетоны химически стойкие предназначены для изделий и конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред: минеральных и органических кислот, солей и оснований, растворителей и нефтепродуктов. Их изготовляют на основе фурановых, фураноэпоксидных, карбамидных, акриловых синтетических смол (полимербетоны), жидкого стекла с добавкой отвердителя – кремнефтористого натрия (жидкостекольные бетоны), жидкого стекла с полимерной добавкой (полимерсиликатные бетоны), серы (серные композиты). Используют химически стойкие заполнители: базальт, андезит, диабаз и др.