19. Классификация химических добавок для бетона.

Использование химических добавок – это один из наиболее удобных и доступных способов регулирования технических характеристик бетона и управления технологией производства в целом. Ранее в производстве бетона использовались в качестве добавок различные химические продукты, а также отходы промышленных предприятий. Сейчас всё чаще применяются добавки, которые выпущены специально для использования в бетонном производстве. Строительная индустрия развивается такими темпами, что избежать расширения производства бетонных смесей с применением существующих и новых видов добавок просто невозможно.

Химические добавки классифицируют в зависимости от эффекта действия:

1. Добавки, которые регулируют свойства бетонов:

• водоудерживающие – те, которые снижают водоотделение;

• пластифицирующие – те, что повышают подвижность бетонной смеси;

• стабилизирующие – это добавки, которые не допускают расслоение бетонной смеси.

• Добавки, которые регулируют твердение бетона и «схватывание» бетонной смеси:

  • добавки ускоряющие (замедляющие) схватывание бетонной смеси;

  • добавки, ускоряющие твердение бетона;

  • добавки, которые обеспечивают твердение бетона при низких температурах окружающей среды.

• Добавки, регулирующие пористость и плотность бетонной смеси и бетона:

  • газообразующие;

  • воздухововлекающие;

  • уплотняющие (кольматирующие поры бетона);

  • пенообразующие.

• Добавки, которые регулируют деформацию бетона.

• Добавки, которые повышают защитные свойства бетона и замедлители коррозии металла.

• Добавки-стабилизаторы, которые повышают устойчивость бетонных смесей к расслоению, а также снижают водоотделение.

• Добавки, применяемые для придания бетону определённых свойств:

  • антикоррозийные добавки, увеличивающие стойкость бетона при его использовании в условиях агрессивного воздействия внешних факторов;

  • красящие;

  • добавки, улучшающие инсектицидные и бактерицидные качества бетонных смесей;

  • электроизоляционные;

  • электропроводящие;

  • гидрофобизирующие добавки, которые уменьшают смачивание бетона;

  • противорадиационные и др.

Многие добавки объединяют в себе несколько свойств, т.е. имеют полифункциональное действие. В данном случае химическую добавку классифицируют по тому признаку, который наиболее выражен.

Огромное значение имеет эффективность воздействия той или иной добавки на бетон. Её принято оценивать зависимо от наивысшего технического эффекта, который достигается при включении добавки в бетонную смесь. Химические добавки, относящиеся к одному классу, могут иметь абсолютно разную эффективность. Из-за этого делят на несколько групп или типов.

20. Свойства бетонов.

21. Определение плотности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

22. Определение прочности при сжатии. Методы испытания.

Основными показателями качества бетона являют­ся прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость и водо­непроницаемость. Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют классами прочности на сжатие и осевое растяжение. Отличи­тельная особенность бетонных работ — значительная неоднород­ность получаемого бетона. Чем выше культура строительства, лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкции, тем меньше колебания прочности. Следовательно, важно не только получить бетон заданной средней прочности, но и обес­печить ее во всем объеме изготовляемых конструкций.

Показателем, который учитывает возможные колебания ка­чества, является класс бетона. 

Класс бетона- численная харак­теристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантиро­ванной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что уста­новленное классом свойство, например прочность бетона, до­стигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность с учетом ее фактической или возможной вариации.

ГОСТ 26633-91 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗ0; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75 и В80. Класс бетона по прочности на сжатие обозначают ла­тинской буквой В, справа от которой приписывают его предел прочности в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочно­сти при сжатии — не ниже 15 МПа с гарантированной обеспе­ченностью 0,95.

В необходимых случаях устанавливают также классы бетона по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом В_t, и на растяжение при изгибе — В_tb.

На растяжение бетон работает намного хуже, чем на сжатие: предел прочности при растяжении в 10…20 раз меньше предела прочности при сжатии. Для повышения несущей способности, в особенности при изгибе и растяжении, бетон сочетают со сталь­ной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции.

Марка бетона - это чис­ленная характеристика какого-либо его свойства, рассчитывае­мая как среднее значение результатов испытания образцов. При определении марок по прочности, морозостойкости, водонепро­ницаемости принимают нижнее предельное значение свойств, а марку по средней плотности определяют по верхнему предель­ному значению. В отличие от класса марка бетона не учитыва­ет колебаний прочности во всем объеме бетонируемой конст­рукции.

Марка по прочности на сжатие — наиболее распространенная характеристика бетона. Марку определяют испытанием на осе­вое сжатие бетонных образцов-кубов размерами 15x15x15 см в установленном проектном возрасте (обычно 28 сут.). Полученный при испытании предел прочности при сжатии как среднее арифметическое значение по двум наибольшим (в серии из трех образцов), выраженный в кгс/см², является численной характеристикой марки.

Установлены следующие марки тяжелого бетона по прочно­сти на сжатие: М50; М75; М100; М150; М200; М250, МЗОО; М350; М400; М450; М500; М550; М600; М700; М800; М900 и М1000. В обозначении используют индекс «М». Например, марка бетона М200 означает, что его предел прочности при cжатии не менее 200 кгс/см² .

Соотношение между классами и марками бетона неодно­значно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помо­щью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариа­ции, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки существенно увеличивается, если снижают коэффициент вариа­ции. Например, при марке по прочности на сжатие МЗ00 и ко­эффициенте вариации 18 % получают бетон класса В 15, а при коэффициенте вариации 5 % — класса В20, т. е. на целую ступень выше. Это подчеркивает необходимость тщательного выполне­ния всех технологических рекомендаций, повышения техниче­ского уровня и культуры производства бетонных работ.

Прочность — основная характеристика бетона как конструк­ционного материала. Числовое значение прочности определяется действием многих факторов. К важнейшим из них относятся качество применяемых материалов и пористость бетона.

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажно­сти рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость набора прочности со временем затухает.

Таблица 1. Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности

Прочность Б. характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых Б. определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм,изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки.

Для образцов монолитного Б. промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20 град С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 сут. Прочность Б. в возрасте 28 сут R₂₈ нормального твердения можно определять по формуле: R₂₈ = aR_ц (Ц/В — б), где Р_ц - активность (прочность) цемента; Ц/В - цементно-водное отношение; а — 0,4-0,5 и б - 0,45-0,50 — коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей.

Для установления марки Б. гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 сут. Срок выдержки и условия твердения образцов Б. сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых Б. принимают временное сопротивление в кгс/см² на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см² «0,1 Мн/м²). Особо тяжёлые Б. имеют марки от 100 до 300 (~10-30 Мн/м²⁾, тяжёлые Б. — от 100 до 600 (~10-60 Мн/м²).

Марки высокопрочных Б. — 800-1000 (~80-100 Мн/м²). Применение высокопрочных Б. наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие Б. на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5-20 Мн/м²),высокопрочные Б. — до 400 (~40 Мн/м²),крупнопористые Б. — от 15 до 100 (~1,5-10 Мн/м²), ячеистые Б. — от 25 до 200(~2,5-20 Мн/м²), особо лёгкие Б. — от 5 до 50 (~0,5-5 Мн/м²). Прочность Б. на осевое растяжение ниже прочности Б. на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к Б. дорожных и аэродромных покрытий. К Б. гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов.

К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов, — требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного Б. учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых Б. — также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции.

Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см)стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего — 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б. Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек,необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов. Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки Б. Наряду с ценными конструктивными свойствами Б. обладает также и декоративными качествами. Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру Б.; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности Б. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из Б. усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств Б. используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

Марка бетона по морозостойкости F определяется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания испыты­ваемых в возрасте 28 сут. в насыщенном водой состоянии об­разцов, при котором допускается снижение прочности бетона на сжатие не более чем на 15 %.

Марку по морозостойкости назначают и контролируют для бетона гидротехнических сооружений, мостовых и дорожных покрытий и др. Установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости в циклах: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800,F1000.

Для приготовления морозостойких бетонов рекомендуется применять портландцемент и его разновидности: пластифициро­ванный, гидрофобный, быстротвердеющий и сульфатостойкий. Допустимое количество трехкальциевого алюмината С₃А в клинкере для портландцемента в зависимости от марки бетона по морозостойкости должно составлять, %: для бетона марки F300 и выше — не более 5 %, для F200 — не более 7 %, для F100 -не более 10 %.

В цемент не рекомендуется вводить активные минеральные добавки, которые повышают водопотребность вяжущего в бето­не. Для сокращения водопотребности бетонной смеси и умень­шения доли микропор в бетоне следует использовать добавки поверхностно-активных веществ, оказывающих воздухововлекающее, микрогазообразующее, гидрофобизирующее или пла­стифицирующее действие на бетонную смесь. Для гидротехни­ческих сооружений с нормируемой морозостойкостью F200 и выше объем вовлеченного воздуха при максимальной крупности заполнителя 20 мм и В/Ц = 0,41…0,5 должен быть 2…4 %.

Морозостойкий бетон может быть получен при обеспечении точной дозировки составляющих материалов, тщательного пе­ремешивания, уплотнения и надлежащего ухода за твердеющим бетоном. При этом необходимо следить, чтобы не возникали деструктивные процессы при тепловой обработке бетона, кото­рые связаны с тепловым расширением составляющих, а также воды и воздуха в свежеуложенном бетоне.

При изготовлении бетонных и железобетонных конструкций повышенной морозостойкости (F200) для твердения бетона предпочтительны естественные условия при положительной температуре и сохранение одновременно его влажностного со­стояния в течение 10 дней.

Марку по водонепроницаемости назначают для бетона конструкций, которые должны обладать ограниченной прони­цаемостью при одностороннем давлении воды. За марку по во­донепроницаемости принимают наибольшее давление воды    (кгс/см), которое выдерживают бетонные образцы диаметром и высотой 150 мм при испытании по установленной методике. Ут­верждены следующие марки бетона по водонепроницаемости (кгс/см²): W2,W4, W6,W8, W10, W12, W14, W16,W18, W20.

Необходимо разделять факторы, определяющие водонепро­ницаемость бетона на стадии приготовления смеси, укладки и твердения бетона, и способы повышения водонепроницаемости затвердевшего материала.

Активность цемента. Замена цемента, имеющего активность 400 кгс/см₂, цементом с активностью 500 кгс/см² позволя­ет получить бетон с высокой степенью водонепроницаемости даже при увеличении на 15…20 % значения В/Ц и снижении на 7… 10 % расхода цемента.

Водоцементное отношение. С увеличением значения В/Ц качество цементного теста снижается, в твердеющем бетоне создается развитая система пор и капиллярных каналов. Так, при повышении В/Ц от 0,4 до 0,8 коэффициент фильтрации цемент­ного камня увеличивается в 10…20 раз.

На величину В/Ц при данной подвижности влияет расход цемента. Согласно СНиП 5.01.23-83, для бетона водонепрони­цаемостью W8 при формовании из бетонной смеси ОК = 5…9 см расход цемента должен составлять 475 кг/м³; В/Ц такого бетона не должно превышать 0,45.

Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя. Зна­чения коэффициента а раздвижки зерен для водонепроницаемо­го бетона значительно выше соответствующих значений а, оп­ределенных из условия получения бетонов наибольшей прочно­сти. Это означает, что оптимальный по условию наибольшей водонепроницаемости состав бетона должен содержать меньше крупного заполнителя и больше растворной части, чем обычный бетон. 

 Условия твердения. Для водонепроницаемого бетона на обычных цементах наилучшие условия создаются при водном твердении, наихудшие — при воздушно-сухом. При этом способ­ность бетона пропускать воду может изменяться в сотни раз.

Возраст бетона. С увеличением возраста бетона изменяется характер его пористости: постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации це­мента. Например, в возрасте 90 сут. водонепроницаемость бето­на возрастает в два раза по сравнению с маркой в 28 сут. Для гидротехнических сооружений в зависимости от условий работы марку бетона по водонепроницаемости определяют в возрасте 60, 90 или 180 сут.

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях (не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется как упругий материал. При этом его начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2…3,5)*10⁴ МПа (у высокопористых ячеистых бето­нов модуль упругости — около 1*10⁴ МПа).

При больших напряжениях начинает проявляться пластиче­ская (остаточная) деформация, развивающаяся в результате рос­та микротрещин и пластических деформаций гелевой состав­ляющей цементного камня.

Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит усад­ка бетона — сокращение линейных размеров до 0,3…0,5 мм на 1 м длины. Большие усадочные деформации — одна из причин образования трещин в бетоне. Особенно значительна усадка в начальный период твердения: в первые сутки она достигает 70 % от месячного значения.

Усадка бетона вызвана усадкой цементного камня, которая в свою очередь является следствием меньшего объема веществ, образовавшихся в результате гидратации цемента, чем началь­ный суммарный объем цемента и воды; сжатия цементного кам­ня капиллярным давлением, возникающим при испарении воды из бетона; уменьшения объема геля при его обезвоживании.

Усадка бетона увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей.

Огнестойкость. Под огнестойкостью бетона понимают его способность сохранять прочность при кратковременном воздей­ствии высоких температур, например при пожаре. При кратко­временном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в нем вода (в том числе и кристаллизационная) испаряется, пони­жая температуру бетона. При длительном воздействии высоких температур в бетоне происходят необратимые химические изме­нения, сопровождающиеся потерей им прочности.

Для устройства конструкций топок, печей и промышленных труб применяют специальный жароупорный бетон на глинозе­мистом цементе и жаростойких заполнителях.