книги из ГПНТБ / Новопашин, А. А. Материалы на основе минеральных вяжущих конспект лекций

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

КУЙБЫШЕВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. А. И. МИКОЯНА

Кафедра строительных материалов

Профессор, д. т. н. А. А. НОВОПАШИН

МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ

Конспект лекций

Утвержден на совете института

23 ноября 1973 г.

КУЙБЫШЕВ 1974

•• *

&-

Минеральные вяжущие вещества, вырабатываемые промышленностью, позволяют изготовлять большое количество материалов и изделий различно­ го назначения. Сюда относятся бетонные смеси, применяемые для изготов­ ления монолитных бетонных и железобетонных конструкций, бетонных дета­ лей и элементов конструкций для сборного строительства, штучных изде­ лий самого различного назначения. Все это многообразие материалов, из­ готовляемых с участием минеральных вяжущих, объединено одним общим признаком: в них минеральные и органические зерна различной крупности сцементированы в монолит затвердевшим тестом, представляющим собою смесь минерального вяжущего и воды.

С учетом особенностей состава, технологии изготовления и условий при­ менения все материалы на основе минеральных вяжущих можно подразде­ лить на следующие группы:

1.Бетоны и элементы изготовляемых из них конструкций.

2.Строительные растворы.

3.Строительные детали и изделия.

© Куйбышевский инженерно-строительный институт им. А. И. Микояна.

БЕ Т О Н Ы

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Бетонами называют искусственные каменные материалы, по­ лучаемые в результате затвердевания смеси вяжущего и запол­ нителей. Смесь вяжущего и заполнителей до затвердевания на­ зывают бетонной смесью.

Для изготовления бетонов могут быть использованы все ми­ неральные вяжущие, рассматривавшиеся ранее, и различные заполнители: природные и искусственные каменные материалы, отходы промышленности, а также воздух и газ. В соответствии с этим в названии бетона обычно находят отражение особенности применяемых для его изготовления компонентов. Например, су­ ществуют гипсобетон, кислотоупорный бетон, шлакобетон, керамзитобетон, газобетон и т. д. Только наиболее распространенные бетоны, изготовляемые с применением высокоактивных гидрав­ лических вяжущих и заполнителей из горных пород, называют просто бетонами.

В процессе твердения бетона вяжущее и вода химически взаимодействуют друг с другом, частично или полностью превра­ щаясь в новые вещества, из которых формируется цементный камень, определяющий основные свойства бетона; вследствие это­ го цемент и воду часто называют активными составляющими бе­ тона. В отличие от цемента и воды основная масса материала за­ полнителей в процессе твердения не изменяется, и поэтому за­ полнители называют инертной составляющей бетона. В действи­ тельности поверхностный слой заполнителей участвует в про­ цессах формирования бетонного камня, вступая в химическое взаимодействие с продуктами гидролиза клинкерных минералов, в частности с Са(ОН)2, и, отсасывая воду из цементного теста, способствует уплотнению цементного камня и изменению всех свойств бетона. Так, например, в газобетоне полевошпатовые пески вызывают снижение прочности, а добавки химически ак­ тивных топливных зол, наоборот, способствуют ее повышению.

Бетоны получили широкое распространение в строительстве. В настоящее время в СССР изготовляется и используется в стро-

3

йтельстве более 180 млн. м3 в год бетонов различного назначения, что значительно превосходит по объему применение других ка­ менных материалов. Распространенность бетонов обусловлена наличием у них следующих особенностей:

а) пластичность бетонных смесей, позволяющая сравнитель­ но просто приготовить изделие или конструкцию любой нужной формы;

б) возможность изготовления камня практически с любой прочностью в любой заданный срок;

в) экономичность — основной объем бетона занимают запол­ нители, являющиеся местными и поэтому доступными и дешевы­ ми материалами, тогда как дорогая и дефицитная составляющая

— вяжущее расходуется в сравнительно небольших количествах. На рис. 1 изображена.схема структуры обычного бетона; как видно, основную часть объема (50-р 60%) занимает крупный заполни­ тель, меньшую, но тоже значительную

вующего подбора составляющих бето­ на получать камень практически с лю­ быми специальными свойствами: теп­ лоизоляционный, звукоизоляционный,

В зависимости от объемного веса все бетоны можно разделить на три класса.

Первый класс — тяжелые бетоны с объемным весом более 1800 кг/см3, изготовляемые на основе заполнителей из плотных горных пород (а также иногда из отходов промышленности), объемный вес которых больше объемного веса самого бетона. Тяжелые бетоны подразделяют на 3 группы: особо тяжелые спе­ циального назначения с объемным весом более 2500 кг/см3, обыч­ ные — с объемным весом 2100-:-2500 кИм3 и облегченные — с объемным весом 1800-:-2100 кг/м3.

Второй класс — легкие бетоны с объемным весом менее 1800 кг'м3, в которых в качестве заполнителя применяются пори­ стые зерна, получаемые искусственным путем или дроблением вспученных горных пород, имеющих объемный вес меньше объем­ ного веса самого бетона. В свою очередь этот класс бетонов также подразделяется на 3 группы: конструктивные бетоны, применяе­ мые для изготовления несущих конструкций зданий и сооруже­ ний наравне с обычными тяжелыми бетонами (у0>1200 кг/м3),

конструктивно-теплоизоляционные (у = 800-^-1200 кг/м3), приме-

4

няемые для изготовления ограждающих 'конструкций (стен зда­ ний), и теплоизоляционные (у < 800 кг/м3).

Третий класс — ячеистые бетоны с объемным весом менее 1300 кг/м3, в которых в качестве заполнителя используются воз­

II. ТЯЖЕЛЫЕ БЕТОНЫ

А. Требования к материалам для бетона

Функции составных частей бетонной смеси заключаются в следующем: заполнители заполняют . основную часть бетона, а цементный камень скрепляет зерна заполнителей в монолит. От­ сюда вытекают основные требования к материалам, из которых изготовляется бетон.

1.КРУПНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

Вкачестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах исполь­ зуют щебень, получаемый дроблением плотных горных пород и

искусственных каменных материалов, м гравий — продукт ес­ тественного разрушения магматических пород с последующим пе­ реносом обломков водными потоками.

Щебень представляет собой острогранные зерна кубообраз-- ной или тетраэдрической формы с размером от 5 до 150 мм. При дроблении слоистых и сланцеватых пород получаются зерна пла­ стинчатые и игловатые, присутствие которых вызывает перерас­ ход цемента и поэтому ГОСТом ограничивается в пределах до 15% -В качестве вредных примесей щебень может содержать раз­ личные сернистые соединения, которые с С3А цемента образуют цементную бациллу. Кромке того, в щебне из мягких пород (из­ вестняки и доломиты) может присутствовать много пыли, обра­ зующейся при перевалках в процессе транспортировки. Примесь пыли также вызывает перерасход вяжущего.

Зерна гравия обычно имеют в различной степени окатанную яйцевидную форму. Поверхность его может быть шероховатой (гравий овражный, отложенный в непосредственной близости от места образования), и гладкой (гравий речной и особенно

5

морокой) - Минералы, из которых состоит гравий, в реакцию с про­ дуктами гидролиза цемента практически не вступают, вследствие чего прочность сцепления между цементным камнем и гравием определяется степенью шероховатости поверхности последнего. Например, морской гравий с отшлифованной поверхностью часто приходится дробить, для того чтобы обеспечить всУзможность по­ лучения нужной прочности бетона. Гравий, особенно овражный, может содержать примесь глины и ила, которые препятствуют сцеплению его с цементным камнем. Особую опасность представ­ ляют гравиеподобные глиняные окатыши с «загаром пустыни», которые не размокают в воде, но при тепловлажностной обра­ ботке они разбухают и разрушают бетон. Кроме того, в гравии может присутствовать примесь органических, так называемых гуминовых веществ, которые, взаимодействуя с Са(ОН)г, выде­ ляющимся при гидролизе 3G a0-Si02, образуют гуматы кальция, снижающие прочность бетона.

Общими требованиями к крупному заполнителю в тяжелых бетонах, независимо от его происхождения, являются:

а) прочность, которая должна быть выше прочности проек­ тируемого бетона не менее чем на 25% (в гидротехнических бе­ тонах — вдвое);

б) максимальная крупность зерен, не превышающая 1/4 ми­ нимального размера конструкции и просвета между стрежнями арматуры;

в) гранулометрический (зерновой) состав, обеспечивающий наибольшую плотность упаковки зерен и, следовательно, мини­ мальный расход цемента. Ориентировочно можно считать хоро­ шим по гранулометрии заполнитель, в котором содержится 50% по весу зерен максимально допустимого размера ( dmax ), 25%

— зерен с диаметром ■d”ax-, 12,5% — с и т. д. Пределы

допустимых колебаний зернового состава устанавливаются с по­ мощью соответствующего графика, с которыми слушатели будут ознакомлены в процессе лабораторных работ. Для получения за­ полнителя с хорошим гранулометрическим составом поступаю­ щий на бетонные заводы щебень или гравий рассевают на фрак­ ции по крупности и затем смешивают их в нужном соотношении. Но чаще всего используют так называемый рядовой, естествен­ но сформировавшийся щебень или гравий, более или менее значи­ тельно отличающийся по зерновому составу от идеального. Рядо­ вой щебень может иметь крупность 5-:-40, 5-:-70 и 5-М 50 мм.

2.МЕЛКИЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ

Вкачестве мелкого заполнителя в тяжелых бетонах исполь­ зуются минеральные зерна размером от 0,14 до 5 мм. К ним от­ носятся природные пески, специально дробленые горные породы, высевки после дробления горных пород .на щебень и гранулиро-

6

ванные шлаки. Общими для всех являются требования к прочно­ сти, гранулометрическому составу, а также к наличию вредных примесей, тех же самых,, что и в крупном заполнителе.

Прочность мелкого заполнителя непосредственными испыта­ ниями не определяется: о ней судят, сравнивая прочности бето­ нов, изготовленных в одинаковых условиях с применением хо­ рошего заполнителя и заполнителя, свойства которого изучены.

Гранулометрический состав определяется просевом навески мелкого заполнителя через сита с отверстиями 5,0; 2,5; 1,2; 0,6; 0,3 и 0,14 мм.

Для оценки качества заполнителя подсчитываются так на­ зываемые полные остатки, каждый из которых представляет со­ бою сумму остатков на данном сите и на всех остальных ситах с более крупными отверстиями.

Результаты рассева наносятся на график в координатах «пол­ ные остатки» — «размер отверстия сита». По полученным точкам строится кривая гранулометрического состава, которая у хороших песков должна укладываться в заштрихованной области графика.

Очень часто о качестве мелкого заполнителя судят по величи­ не модуля крупности (Мкр), представляющего собою частное от деления суммы полных остатков на 100:

^полных остатков

■Мкр— 100

Очевидно, чем больше остатки на крупных ситах, т. е. чем крупнее заполнитель , тем больше модуль крупности, и наоборот. У хорошего заполнителя модуль крупности должен быть равен

2,54-3,5.

Содержание загрязняющих' примесей определяется в лабора­ тории специальными методами химического и механического ана­ лизов: сульфаты — растворением в НС1 и последующем осажде­ нием иона S042хлористым барием; органические примеси — действием раствора NaOH, который приобретает коричневатый оттенок, по интенсивности которого судят о содержании вредных органических веществ; глину отделяют отмучиванием.

Природные пески образовались в результате разрушения маг­ матических горных породе последующим переносом обломков водными потоками. При этом зерна наименее химически стойких минералов: силикатов и алюмосиликатов щелочных и щелочнозе­ мельных металлов (слюды, полевые штаты, пироксены, амфиболы и т. п.) подвергались гидролизу и превращались в глинистые ми­ нералы. Поэтому природные пески состоят преимущественно из кварцевых зерен и прочность их не вызывает сомнений. Все ос­ тальные минералы могут присутствовать в виде примесей. В за­ висимости от дальности переноса форма зерен песка меняетЬя от острогранной (горные и овражные пески, залегающие вблизи места образования) до шарообразной окатанной (речные и мор­ ские пески). По мере удаления отложений песков от места обра-

7

зованця они становятся все мельче и мельче. Особенно мелки дюнные и барханные пески, в образовании которых принимали участие морской прибой и ветер.

Оптимальным модулем крупности (Мкр.), равным 2,5-1-3,5, обладают обычно горные иовражные пески; речные пески имеют Мкр. — 1,0 -1-2 ,0; модуль крупности дюнных и барханных песков колеблется в пределах от 0,1 до 1,0. Применение мелких песков в бетонах вызывает перерасход цемента. На рис. 2 изображена кривая зависимости расхода цемента для получения кубометра растворной составляющей в бетоне одинаковой прочности и пла­ стичности от величины модуля крупности песка. Как видно, с уменьшением крупности песка расход цемента возрастает весьма значительно. Поэтому мелкие пески можно использовать в бето­ не только при условии экономической целесообразности, т. е. когда стоимость завоза хорошего песка будет превышать сумму потерь, связанных с перерасходом цемента.

Вредные примеси в песке, если их содержание превышает допустимое ГОСТом, удаляются промывкой в специальных меха­ низмах, называемых пескомойками.

Необходимо отметить еще одну важную особенность песков, связанную с их адсорбционной способностью (рис. 3). С увели-

8

чением влажности объем песка увеличивается. При 6% влажно­ сти это увеличение достигает 32%, затем оно уменьшается, и при 10% влажности объем мокрого песка выравнивается с объемом сухого. Эту особенность песка нужно учитывать при приемо­ сдаточных операциях.

Искусственные пески получают дроблением горных пород с помощью молотковых дробилок. Дробят, главным образом, маг­ матические горные породы. Поэтому их прочность и чистота не вызывают сомнений. Что касается гранулометрического состава, то его регулируют изменением режима дробления. По качеству искусственные пески могут быть идеальными, но стоимость их велика.

Высевки при дроблении горных пород на щебень по своему качеству могут быть равноценны искусственному песку. Но по­ скольку при дро'блении первыми разрушаются наименее проч­ ные участки породы, высевки перед применением следует прове­ рить, изготовив пробные образцы бетона. Как высевки, так и ис­ кусственные пески целесообразно использовать в качестве до­ бавки к мелким природным пескам для улучшения их грануло­ метрического состава.

Гранулированные (а также дробленые) шлаки обладают до­ статочно высокой прочностью. Кроме того, они химически актив­ ны и особенно при пропарке взаимодействуют с Са(ОН)2 це­ ментного камня, что способствует дополнительному упрочнению бетонного камня.

3. ЦЕМЕНТЫ

Цемент для бетона выбирается в соответствии с условиями службы бетонной конструкции.

Рекомендуются:

а) для бетонов, находящихся в воздушно-сухой среде,—али- тово-алюминатный портландцемент;

б) для бетонов, работающих в пресных водах, — белитовобраунмиллеритовый цемент, пуццолановый и шлакопортландские цементы;

в) для сооружений, находящихся в морских водах и грунтовых сульфатных водах, — сульфатостойкий, при наличии углекислот­ ной агрессии — пуццолановый портландцемент;

г) для бетонов, твердеющих при температуре выше 50° С,— белитовые, пуццолаНовые и шлаковые портландцементы;

д) для бетонов, подвергающихся автоклавной обработке,— портландцементы с кислыми добавками, даже с добавкой моло­ того песка, т. к. в этих условиях имеет место реакция