Лекция № 2. Виды и классификация высококачественных, высокотехнологичных бетонов

План лекции:

1. Классификация по признакам.

2.Общие технологические требования.

3. Требования к материалам для высококачественных бетонов.

1. Классификация по признакам.

Бетоном называют искусственный строительный материал представляющий собой затвердевшую смесь вяжущих, заполнителей, и необходимых добавок. До затвердевания указанная смесь называется бетонной смесью.

Бетоны классифицируют по следующим признакам:

Основному назначению.

Виду вяжущего.

Виду заполнителей.

Структуре.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяют на:

конструкционные;

специальные.

Конструкционные – предназначены для несущих и ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений, к которым предъявляются требования, характеризующие их механические и др. свойства.

Специальные – это бетоны, к которым предъявляются специальные требования в соответствии с условиями эксплуатации конструкции и изделия.

К ним относятся:

бетоны теплоизоляционные, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений;

бетоны жаростойкие, предназначенные для восприятия воздействий температуры > ;

бетоны химически стойкие, предназначенные для восприятия химических воздействий агрессивных сред;

бетоны напрягающие, на основе напрягающего цемента НЦ – 20, 40, предназначенные для создания предварительного напряжения (самонапряжения) в конструкции при расширении бетона в процессе его твердения;

бетоны декоративные, предназначенные для отдельных конструкций зданий и сооружений (на основе белых и цветных цементов);

бетонополимеры – бетоны на минеральном вяжущем (ПЦ), пропитанный мономерами или полимерами с последующим их отверждением;

полимербетон – бетоны на основе полимерного связующего, отвердителей, химически стойких минеральных заполнителей и наполнителей;

бетоны для радиационной защиты, предназначенные для защиты от воздействий радиационного излучения.

По виду вяжущего эти бетоны делятся на:

Бетоны на цементных вяжущих. На основе клинкерных цементов (ПЦ, ШПЦ, ППЦ, напрягающих, белых и цветных);

Бетоны на шлаковых вяжущих. На основе плотных шлаков и зол с активизаторами твердения (щелочными растворами, известью);

Бетоны на известковых вяжущих. На основе извести в сочетании с гидравлически активными или кремнеземистыми компонентами (цемент, шлаки, золы, кварцевый песок, активные минеральные добавки). Бетоны на известковых вяжущих автоклавного твердения, называются силикатными;

Бетоны на гипсовых вяжущих. На основе полуводного гипса или ангидрита, включая гипсоцементно-пуццолановое вяжущее;

Бетоны на специальных вяжущих (полимеры, фосфаты, магнезиальных, жидкое стекло и др.).

По виду заполнителей эти бетоны делятся на:

Бетоны на плотных заполнителях из плотных горных пород или шлаков;

Бетоны на пористых заполнителях. Искусственные пористые заполнители или заполнители из пористых горных пород.

Бетоны на специальных заполнителях, придающие ему специальные свойства (рудосодержащие горные породы, чугунный скраб, шамот и др.).

Арболит, бетон на цементном вяжущем и органическом заполнителе (измельченная древесина из отходов производства, стебли хлопчатника, рисовой соломы, льна, конопли).

По структуре бетоны могут быть:

Плотной структуры, у которых все пространство между зернами крупного и мелкого заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим и порами вовлеченного воздуха со степенью поризации до 6%;

Бетоны поризованной структуры, у которой все пространство между зернами заполнителя, затвердевшим вяжущим и порами со степенью поризации > 6%;

Бетоны крупнопористой структуры, у которых пространство между зернами крупного заполнителя не полностью заполнено мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим;

Бетоны ячеистой структуры, состоящие из затвердевшей смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и искусственных равномерно распределенных пор в виде ячеек, образующихся газо или пенообразователями;

2.Общие технологические требования.

Основные показатели качества бетона

Для бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от их назначения и условий работы установлены показатели качества бетона: классы, марки.

Основными, из которых являются:

а) Класс по прочности на сжатие В. Класс по прочности – это показатель качества бетона, отвечающего значению гарантированной прочности бетона (в МПа) с обеспеченностью 0,95;

а’) Марка бетона – одно из нормированных показателей качества бетона, принимаемых по его среднему значению;

б) Класс по прочности на осевое растяжение . Назначается в случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве;

в) Марка по морозостойкости F должна назначаться для конструкций подверженных в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания.

г) Марка по водонепроницаемости W должна назначаться для конструкций, к которым предъявляются требования ограничения водопроницаемости. (трубы) Марка определяется максимальной величиной давления воды при которой не наблюдается ее просачивание в контрольные образцы;

д) Марка по средней плотности D. Определяется фактическим значением показателя массы в единице объема ( ).

D - должна назначаться для бетонов, к которым кроме конструктивных требований предъявляются требования по теплоизоляции.

Для бетонных и железобетонных конструкций следует предусматривать бетоны следующих марок и классов:

классов (марок) по прочности на сжатие: В 3,5 (М 50); В 5 (М 75); В 7,5 (М 100); В 10 (М 150); В 12,5 (М 150); В 15 (М 200); В 20 (М 250); В 25 (М 300); В 30 (М 400); В 40 (М 500); В 45 (М 600); В 50 (М 650); В 55 (М 700); В 60 (М 800);

классы по прочности на осевое растяжение. Тяжелый бетон: ; ; ; . Напрягающий, мелкозернистый, легкий: ; ; (МПа);

марки по морозостойкости. Тяжелый, напрягающий, мелкозернистый: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500. Легкий бетон: F 25; F 35; F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500. ячеистый и поризованный бетоны: F 15; F 25; F 35; F 50; F 75; F 100;

Марки по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12; W 16; W 18; W 20;

Марки по средней плотности. Легкий бетон: D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200; D 1300; D 1400; D 1500; D 1600; D 1700; D 1800; D 1900; D 2000. Тяжелый: D 2400 и >. Ячеистый бетон: D 500; D 600; D 700; D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200. Поризованный бетон: D 800; D 900; D 1000; D 1100; D 1200; D 1300; D 1400.

3. Требования к материалам для высококачественных бетонов.

Цемент и требования к ним:

Выбор вида цемента и его марки производится в зависимости от условий работы конструкции в соответствии с проектом и требование бетона по прочности.

1. Рациональные области применения цемента:

Технические требования к цементам.

Портландцемент (ПЦ), шлакопортландцемент (ШПЦ) – должны выдерживать на равномерность изменения объема в воде (их кипятят). Начало схватывания не ранее 45 минут, конец не позднее 10 часов. Тонкость помола определяют просеиванием на сите № 008, через сито должно проходить не менее 85% цемента. Содержание MgO не более 5%. Цемент не должен иметь ложного схватывания.

Цемент для дорожных и аэродромных покрытий. Для бетонодорожных и аэродромных покрытий, железобетонных напорных и безнапорных труб, железобетонных шпал, мостовых конструкций, стоек-опор высоковольтных линий электропередач, контактной сети и освещения должен применяться портландцемент из клинкера с содержанием не более 8% по массе. Для бетонодорожных и аэродромных покрытий – портландцемент М 400, М 500 с добавкой гранулированного доменного шлака до 15%.

Специальные цементы. Белый портландцемент и белый портландцемент с минеральными добавками. Предназначены для изготовления отделочных растворов и белого бетона. Выпускаются М 400, М 500. Сроки схватывания: начало – не ранее 45 минут, конец – не позднее 12 часов от начала затворения. Тонкость помола – остаток на сите № 008 не более 12%.

Цветной портландцемент. Состав: содержание клинкера более 80%, пигмента: минерального – не более 15%, органического – не более 0,5%. Выпускается марок М 400 и М 500.

Глиноземистый цемент. Содержит не менее 35%. Добавок интенсификаторов помола не более 2%. Тонкость помола: остаток на сите № 008 не более 10%. Сроки схватывания: начало – не ранее 30 минут, конец – не позднее 12 часов от начала затворения. Выпускается марок М 400, М 500, М 600.

Напрягающий цемент (НЦ). Предназначен для изготовления самонапряженных, в том числе предварительно напряженных ЖБК в которых натяжение арматуры создается за счет энергии расширения возникающей при гидратации НЦ. Выпускается двух марок по величине энергии самонапряжения: НЦ-20, НЦ-40 соответственно с энергией 2 и 4 МПа.

Требования к заполнителям бетона.

Заполнители для тяжелого бетона.

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяется гравий или щебень из изверженных метаморфических и осадочных пород. А также щебень из гравия, щебень из доменного шлака, щебень из попутно добываемых пород и отходов горно-обогатительных предприятий.

Щебень, гравий должны применяться в виде фракций: (3)5-10; 10-20; 20-40; 40-70.

Содержание пластинчатых, лещадных и игловатых зерен в щебне и щебне из гравия не должно превышать 35%, в щебне из доменного шлака не более 25%.

Марка по прочности должна быть не ниже:

для изверженных пород ;

для метаморфических пород ;

для осадочных пород ;

для бетонов дорожных и аэродромных плит марка щебня должна быть не ниже 300, а по дробимости Др 8.

Содержание в щебне слабых пород не должно превышать 10%.

Для бетонов транспортных и гидротехнических сооружений содержание зерен слабых пород не более 5%.

Наличие примесей 1-3%.

Требование по морозостойкости не менее морозостойкости бетона.

Мелкий заполнитель: пески, применяемые для бетона, могут быть природного и искусственного происхождения. Содержание примесей в песке не должно превышать:

для природного 3%;

для обогащенного 2%;

из отсевов дробления 5%;

для обогащенного из отсевов дробления 3%.

Заполнитель для легкого бетона на пористых заполнителях

Пористые неорганические заполнители применяются для изготовления легких бетонов плотностью . Насыпная плотность пористых неорганических заполнителей (ПНЗ) должна быть не более , для гравия и щебня крупностью > 5 мм – не более , для песка (до 5 мм) пористые крупные заполнители подразделяются на крупные фракции 5-10; 10-20; 20-40 мм, пористые пески с размером зерен 1,25-5 мм (крупные) и мелкие с размером зерен < 1,25 мм. По насыпной плотности ПНЗ делится на марки: 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200.

По прочности ПНЗ делится на марки в зависимости от прочности при сдавливании в цилиндре: от П 15 до П 400.

Требования к качеству пористых заполнителей: содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений не более 1%, потеря массы после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания должна быть менее 10%, коэффициент размягчения должен быть > 0,6 в конструкционных теплоизоляционных бетонах, и 0,7 в конструкционных, морозостойкость не менее F 15.

Вода для растворов и бетонов.

Для приготовления бетонной смеси используют водопроводную питьевую, а также любую другую воду отвечающую требованиям ГОСТ 23732-79.

Содержание в воде поверхностно-активных веществ, сахаров или фенолов каждого не должно быть больше 10 мг/литр, вода не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров, масел. Водородный показатель воды рН должен быть не менее 4 и не более 12,5. Вода не должна содержать сульфатов более 2700 мг/литр, и всех солей не более 5000 мг/литр.

Добавки в бетоны.

Разнообразие конструкций из бетона и железобетона и условия их эксплуатации повышают требования к качеству и долговечности ЖБК, а также снижению трудоемкости их изготовления заставляют изыскивать методы совершенствования бетонов. Основной путь решения этой проблемы – химизация бетона, путем применения добавок в бетон.

К добавкам для бетонов относятся органические или неорганические вещества или их смеси за счет введения, которых в состав бетонов регулируются свойства бетонной смеси и бетонов.

Добавки для бетонов подразделяются по основному эффекту действия:

Регулирующие реологические свойства бетонной смеси. Пластифицирующие (увеличивающие подвижность или жесткость бетонной смеси в 2 и более раза), стабилизирующие (предупреждающие расслаивание бетонной смеси);

Регулирующие схватывание бетонной смеси и твердение бетонов. Замедляющие и ускоряющие схватывание в 2 раза и более. Ускоряющие твердение (сокращают на 20% и более время достижения бетоном требуемой прочности или увеличивают на 30% прочность в возрасте 28 суток), обеспечивающие твердение при отрицательных температурах. Противоморозные – обеспечивающие набор не менее 30% прочности от марочной при температуре – в возрасте 28 суток;

Регулирующие пористость бетонной смеси и бетонов. Воздухововлекающие, увеличивающие содержание увлеченного воздуха на 6% и более, потеря вовлеченного воздуха не более 25%. Газообразующие, увеличивающие содержание газообразной фазы на 1% и более. Пенообразующие, обеспечивающие 15-ти кратный и более выход пены. Уплотняющие (воздухоудаляющие) удаление воздуха до 2% и более или повышающие водонепроницаемость на 2 марки и более;

Придающие бетону специальные свойства (например: уменьшающие смачивание). Гидрофобизирующие уменьшают водопоглощение в 8 раз и более. Изменяющие электропроводность, повышающие противорадиационную защиту, красящие, повышающие защиту бетона и стали (ингибиторы коррозии стали), повышающие жаростойкость (обеспечивающие прочность после нагрева не менее 30%);

Минеральные порошки (заменители цементов), снижающие расход цемента на 5% и более;

Регулирующие одновременно различные свойства бетонных смесей и бетонов (полифункционального действия) пластифицирующие – воздухововлекающие – пластифицирующие - повышающие прочность;

Пластифицирующие добавки можно классифицировать по эффективности действия.

Суперпластификаторы

(СП) представляют собой относительно новый вид химических добавок. Оказывают разжижающее действие на бетонную смесь. (СП) позволяют увеличить удобоуладываемость до достижения литой самоуплотняющейся консистенции при нормальных расходах исходных материалов. Сократить расход воды более чем на 20% и получать бетоны повышенной прочности до класса В 45 или высокопрочный бетон класса 45 МПа и выше (60-80 МПа).

Из удобоукладываемых смесей на основе рядовых портландцементов:

получать высокоподвижные литые смеси или уменьшать расход воды, но получать высокопрочные бетоны;

снизить расход цемента в пределах до 25% при обеспечении заданной удобоукладываемости и прочности бетона.

При использовании СП существенно снижаются энерго и трудозатраты на формование, сокращаются энергозатраты на тепловую обработку, что сопровождается повышением производительности труда. Снижается материалоемкость при изготовлении высокопрочных бетонов.

СП представляет собой алигомерные композиции с различными молекулярными массами:

сульфированные мелонин-формальдегидные смолы;

продукты конденсации нафталин-сульфокислоты и формальдегида;

модифицированные (очищенные) практически не содержащие сахарол лигносульфонаты СДБ;

Большое распространение получили СП II группы.

Разработаны СП:

СП 30-03, 10-03 АПСМФАС-Р100, НИЛ-10.

Из модифицированных ЛСТ применяют добавки: ЛСТ-М-2, НИЛ-20, НИЛ-21, и др.

Эффект от применения СП зависит от множества факторов:

вида применяемого цемента;

тонкости его помола;

наличие гипса;

вещественного состава цемента;

расхода цемента, и др.

Поэтому это все учитывается в различных условиях и устанавливается допустимая дозировка добавки, как правило, рекомендуется дозировка добавки в пересчете на сухое вещество, находящейся в количестве 0,2-1% от массы цемента.

Все СП неограниченно растворимы в воде и не вызывают побочных явлений при образовании цементных гидратов. Они сильно повышают текучесть цементного теста и в отличие от обычных пластификаторов практически не изменяют сроков схватывания и не вызывают расслоение бетонной смеси.

Пластификаторы

В практике отечественного строительства накоплен значительный опыт применения пластификаторов, в частности, ССБ и СДБ обе эти добавки оказывают одинаковое действие на бетонную смесь. Оптимальное количество добавок в зависимости от вида применяемого цемента находится в пределах 0,15 – 0,3% от массы цемента. Пластификаторы сокращают расход воды до 10%. Помимо основного пластифицирующего эффекта использование этих пластификаторов влечет за собой появление нежелательных побочных явлений, таких как замедление структурообразования и твердение цементного камня и бетона, т.е. они изменяют сроки схватывания не в лучшую сторону.

В последнее время получили распространение пластификаторы:

Упаренная последрожжевая барда (УПБ), пластификатор адипиновый щелочной (ПАЩ), а также водорастворимый полимер ВРП-1. Добавка ВРП-1 не изменяет сроки схватывания цементного камня. В отличие от СДБ ВРП-1 не снижает прочностные характеристики бетона и сроки твердения.

Воздухововлекающие добавки

К воздухововлекающим добавкам относят:

Смолу нейтрализованную воздухововлекающую (СНВ), смолу древесную омыленную (СДО), синтетическую поверхностно активную добавку (СПД). Воздухововлекающие добавки используют главным образом для повышения морозостойкости тяжелых бетонов и растворов, а также для снижения плотности конструкций теплоизоляционных бетонов. СПД вводят в бетон при изготовлении железобетонных конструкций с целью повышения показателей по морозостойкости, водонепроницаемости и трещинностойкости (в основном для дорожных бетонов). В частности введение СПД в количестве 0,005-0,2% по массе цемента обеспечивает повышение морозостойкости в 3-5 раз, водонепроницаемости в 2-2,5 раза, трещинностойкости в 2-2,2 раза. В легких бетонах нашла свое применение добавка СДО, которая понижает плотность на .

Ускорители твердения

Ускорители твердения интенсифицируют процессы гидратации цемента и оказывают положительное влияние на формирование структуры цементного камня, приводят к ускорению твердения бетона в естественных условиях, а также к увеличению прочности бетона после тепловой обработки.

В качестве ускорителей твердения применяют следующие добавки:

хлорид кальция (ХК);

сульфат натрия (СН);

нитрит натрия (НН);

нитрит-нитрат кальция (ННК);

нитрит-нитрат-хлорид кальция (ННХК).

При этом необходимо учитывать побочное действие этих добавок. Например, хлорид кальция способствует коррозии арматуры, поэтому количество его в железобетоне ограничивается 2%, не допускается его применение с тонкой (менее 5 мм) и предварительно напряженной арматурой.

В последнее время появились бесхлоридные ускорители твердения, повышающие прочность бетона в возрасте 7 суток на 20-40%.

Противоморозные добавки

В качестве противоморозных добавок применяют потаж (П), хлорид натрия (ХН), хлорид кальция (ХК) и др. эти добавки понижают точку замерзания воды и способствуют твердения бетона при отрицательных температурах. Чем ниже температура, тем выше дозировка добавки (до 10% от массы цемента и больше).

Газообразующие добавки

В качестве газообразующей добавки широко используют алюминиевую пудру (ПАК) и ГКЖ-94. для уплотнения структуры бетона добавляют нитрит кальция, хлорид и сульфат железа. Для замедления твердения применяют сахарную патоку и добавки СДБ, ГКЖ-10 и ГКЖ-94 в повышенных дозировках.

Для гидрофобизации бетона, повышения его стойкости в агрессивной среде и долговечности применяют гидрофобно-пластифицирующие добавки (ГКЖ-11, ГКЖ-10 и др.). В качестве ингибиторов коррозии арматуры применяют бихромат калия (БК). Для улучшения противорадиационных свойств применяют соли тяжелых металлов. Для повышения электропроводности применяют кокс.

Комплексные добавки (добавки полифункционального действия)

С целью интенсификации процессов твердения и ликвидации нежелательных эффектов от применения индивидуальных добавок предложено их сочетание в оптимальных дозировках, т.е. сочетание 2-х и более добавок. Такие добавки можно разделить на группы:

Смесь пластифицирующих и ускорителей твердения. Наиболее эффективными являются суперпластификаторы (СП) и ускорители твердения. Применение комплексных добавок позволяет снизить расход цемента в пределах до 20% и более или уменьшить водопотребность до 25-30% при сохранении данной удобоукладываемости. В случае изготовления высокопрочных бетонов с комплексными добавками на основе суперпластификаторов создают возможность частичного и полного отказа от тепловой обработки. Совместное применение пластификаторов и ускорителей твердения позволяет устранить тормозящее воздействие пластификаторов на гидратацию цемента. . В результате совместного действия пластификаторов и ускорителей твердения удается на 10-15% снизить расход воды, экономить 8-15% цемента, сократить продолжительность тепловой обработки на 15-50%.

Пластифицирующие воздухововлекающие. Это сочетание пластифицирующих и воздухововлекающих добавок: С-3 + СНВ; СДБ + СНВ; ПАЩ + СПД.

Газообразующие пластифицирующие добавки: СДБ + ГКЖ-94.

Добавки – минеральные порошки – заменители цементов.

Тонкомолотые добавки вводят в бетон в количестве 5-20% от массы цемента. Эти добавки предназначены для экономии цемента и для получения плотного бетона при малых расходах цемента. К ним относят: золы, шлаки (молотые), пески