Глава 3. Бетоны

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси, состоящей из заполнителей, минерального вяжущего, воды и в необходимых случаях специальных добавок. Смесь указанных компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.

Вяжущее вещество и вода – активные составляющие бетона. В результате химического взаимодействия между ними образуется новое соединение в виде клейкого теста, которое обволакивает тонким слоем зерна мелкого и крупного заполнителя, а затем со временем затвердевает и связывает их, превращая бетонную смесь в прочный монолитный камень –бетон.

Заполнители (щебень или гравий, песок) занимают от 80 до 85 % объема бетона и образуют его жесткий скелет, препятствующий усадке. Применяя заполнители с различными свойствами, можно получить бетоны с разнообразными показателями.

Классификация бетонов и общие технические требования, предъявляемые к ним, изложены в ГОСТ 25192. Бетоны классифицируются по средней плотности, виду заполнителей, виду вяжущего, основному назначению.

По средней плотности различают бетоны:

– особо тяжелые – более 2500 кг/м³;

– тяжелые – 2100-2500 кг/м³;

– облегченные – 1800-2100 кг/м³;

– легкие – 500-1800 кг/м³;

– особо легкие – менее 500 кг/м³.

В дорожном строительстве применяют тяжелый бетон на плотных заполнителях из горных пород или металлургических шлаков. Легкие бетоны получают с использованием природных или искусственных пористых заполнителей. Особо легкие бетоны – ячеистые, получаемые путем вспучивания смеси вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью газо- или пенообразователей. Особо легкие бетоны изготавливают без заполнителей.

По виду применяемого вяжущего бетоны разделяют на цементные (портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент), силикатные автоклавного твердения (известково-песчаном), гипсовые.

В зависимости от основного назначения бетоны подразделяют на конструкционные и специальные. Конструкционные бетоны применяют в промышленном, гражданском, дорожном, гидротехническом и другом строительстве. К специальным относят теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно-защитные бетоны.

3.1. Требования к материалам

Прочность, долговечность и другие свойства бетона зависят от качества исходных материалов.

3.1.1. Цемент. Выбор вида и марки цемента определяется заданной прочностью бетона, условиями его твердения и эксплуатации бетонных конструкций. Для тяжелых бетонов рекомендуются следующие марки цементов (табл.3.1.):

Таблица 3.1

Марка бетона	М 100	М 150	М 200	М 300	М 400	М 500	М 600
Марка цемента	300	300	400	400	500	600	600

Марку цемента для приготовления бетона заданного класса (прочности) следует выбирать таким образом, чтобы его расход был минимальным. Для экономного расходования цемента рекомендуется, чтобы его марка превышала заданную прочность бетона в 1,5-2,0 раза.

3.1.2. Мелкий заполнитель. В соответствии с требованиями ГОСТ 10268 в качестве мелкого заполнителя для бетона используют природные и дробленые пески. Песок – это неорганический сыпучий материал с крупностью зерен до 5 мм; должен отвечать требованиям ГОСТ 8736-93 и 8735-88.

Песок для бетона оценивают по следующим свойствам: зерновому составу, модулю крупности, плотности, виду и количеству различных примесей (глинистых, пылевидных, илистых частиц и органических соединений), наличию в нем потенциально реакционноспособных пород и минералов, прежде всего аморфных разновидностей кремнезема, слюды, гипса, серы и других вредных примесей. Определение физико-механических характеристик песка приведены в 1.

Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе сит с размером ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315; 0,16 мм.

Крупность и зерновой состав песка оказывают большое влияние на расход цемента в бетоне для получения заданной прочности. Чем выше модуль крупности песка и ниже его пустотность, тем меньше потребуется цементного теста для заполнения пустот между зернами песка и их обволакивания. Следовательно, меньшим будет расход цемента. Удовлетворительная пустотность песка не превышает 40 %. Для дорожных бетонов используют песок с модулем крупности от 2,1 до 3,25. Песок должен состоять из зерен различных размеров и соответствовать предельным кривым, представленным на рис. 3.1.

Рис. 3.1. График зернового состава песка

Повышенное содержание в песках пылевидных, глинистых и илистых соединений существенно ухудшают качество бетона. Возрастает водопотребность бетонной смеси, снижается прочность, морозостойкость, повышается водопроницаемость. Количество указанных примесей не должно превышать 3 % в природном песке, в дробленом – 4 %, в отсевах дробления – 5 % по массе. При этом содержание глины в комках не должно превышать 0,25-0,50 % по массе. Глина, обволакивая отдельные частицы песка,препятствует их сцеплению с вяжущим.

В песках содержание органических примесей может снизить прочность бетона до 25 %. Эти примеси в песке определяют колориметрическим методом, обрабатывая пробу песка 3%-ным раствором едкого натрия, Если окраска этого раствора при растворении в нем органических веществ остается светлее цвета эталона, то песок пригоден для приготовления бетона.

3.1.3. Крупный заполнитель. В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяют щебень из различных горных пород, доменного шлака, а также щебень из гравия и гравий (ГОСТ 8267, ГОСТ 23254, ГОСТ 8268, ГОСТ 10260, ГОСТ 10268).

Крупный заполнитель для бетона оценивают по следующим показателям: истинной, средней и насыпной плотностям; крупности и зерновому составу; форме зерен; прочности; содержанию зерен слабых пород; морозостойкости; содержанию пылевидных и глинистых частиц и других вредных примесей.

Определение физико-механических свойств крупного заполнителя приведено в работе 1.

Крупный заполнитель по крупности зерен разделяют на следующие фракции: 5-10, 10-20, 20-40, 40-80 мм.

Наибольшая крупность щебня должна быть не более 1/3-1/4 минимального сечения конструкции и наименьшего расстояния между арматурой. Это позволяет равномерно распределять и тщательно уплотнять бетонную смесь, повышать однородность бетона в конструкции.

Крупный заполнитель должен быть разделен на отдельные фракции. Для получения плотных смесей, снижения расхода цемента и повышения однородности бетона рекомендуются определенные соотношения между отдельными фракциями (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Наибольшая крупность заполнителя, мм	Содержание фракций в заполнителе, %
	5-10 мм	10-20 мм	20-40 мм	40-80 мм
20	25-40	60-75	–	–
40	15-25	20-35	40-65	–
80	10-20	15-25	20-35	35-55

Прочность крупного заполнителя для тяжелых бетонов должна быть в 1,5-2 раза выше прочности бетона. Прочность оценивают сдавливанием пробы в стальном цилиндре и дальнейшем просеиванием через контрольное сито с установлением потери в массе, а также износом в полочном барабане.

В крупном заполнителе содержание слабых зерен для бетонов, подвергаемых попеременному замораживанию и оттаиванию, не должно превышать 5 %. Желательно, чтобы щебень состоял из зерен кубовидной формы, так как они лучше воспринимают нагрузки. Содержание зерен игловатой и пластинчатой (лещадной) форм не должно превышать 25 %. Морозостойкость заполнителя для дорожного бетона в зависимости от его назначения и условий эксплуатации колеблется от 15 до 150 циклов и должна быть не ниже проектной морозостойкости бетона.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических горных пород, а также в щебне из гравия и гравии не должно превышать 1 % по массе; в щебне из осадочных пород не более 3 %.

Для дорожного бетона содержание сернокислых и сернистых соединений в заполнителе в пересчете на SО₃ не должно превышать 0,5 % по массе, а содержание органических примесей не допускается.

Прочность бетона с гравием ниже на 10-15 %, чем бетона с щебнем (при равном водоцементном отношении), так как ниже сцепление цементного камня с зернами гравия вследствие их окатанной гладкой поверхности.

3.1.4. Вода. Для приготовления бетонных смесей применяют питьевую или природную воду, не содержащую вредных примесей (сульфаты, минеральные и органические кислоты, жиры и др.), удовлетворяющую требованиям ГОСТ 23732. Водородный показатель воды (рН) не должен быть менее 4 и более 12,5. Вода затворения не должна содержать пленки нефтепродуктов, жиров и масел, а органических поверхностно-активных веществ и сахаров не должно быть более 10 мг/л. Допустимое содержание в воде растворимых солей, ионов SO₄^–2, Cl ^–1 и взвешенных частиц приведено в табл.3.3.

Таблица 3.3

Назначение воды	Максимально допустимое содержание, мг/л
	растворимых солей	ионов SO4^–2	ионов Cl ^–1	взвешенных частиц
Вода для затворения бетонной смеси при изготовлении напряженных железобетонных конструкций	2000	600	350	200
То же при изготовлении бетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой	5000	2700	1200	200
То же для изготовления неармированных конструкций	10000	2700	3500	300

3.1.5. Добавки. Для улучшения свойств бетонных смесей и бетонов в их состав вводят добавки, которые способствуют снижению расхода цемента, ускорению твердения, твердения при отрицательных температурах, усилению защиты арматуры в железобетоне от коррозии, повышению стойкости бетона в различных агрессивных средах. Добавки к бетону делят на пластифицирующие, воздухововлекающие, газообразующие, уплотняющие, регулирующие сроки схватывания, ускоряющие твердение, противоморозные и ингибиторы коррозии арматуры. Все большее применение находят высокоэффективные разжижители бетонной смеси-суперплас-тификаторы. С их введением в смесь осадка конуса возрастает с 1-2 до 20-22 см, что позволяет снизить водопотребность смеси и уменьшить расход цемента. При неизменном расходе цемента можно получать бетоны высокой прочности (60-80 МПа).

Для регулирования свойств бетонных смесей и бетонов в смесь вводят комплексные добавки: хлористый кальций – ускоритель твердения в сочетании с нитритом натрия–ингибитором коррозии арматуры (ННХК –нитрит-нитрат-хлорид кальция); ЛСТ–пластифицирующая добавка и хлористый кальций-ускоритель твердения (ЛСТ+СаСl₂); ЛСТ и воздухововлекающая добавка – СНВ (ЛСТ+СНВ) и другие сочетания.