СМ 2013

151

смешанного вяжущего. По техническим свойствам ШПЦ мало отличается от портландцемента при более низких затратах на производство.

Твердение ШПЦ на ранней стадии обусловлено гидратацией клинкерной составляющей с образованием гидроксида кальция. Позднее путем сульфатной и щелочной активации начинается гидратация шлаковых стекол с образованием низкоосновных гидросиликатов кальция, а также гидрогранатов:

3CaO(1 – х)Al O  · xFe O  · zSiO  · 8H O.

При температурах менее +5 °С схватывание и твердение ШПЦ значительно замедляется, а при повышении температуры и при тепловлажностной обработке резко ускоряется.

Тепловыделение при твердении ШПЦ меньше по сравнению с аналогичным показателем портландцемента, стойкость цементного камня при воздействии мягких и сульфатных вод более высокая, морозостойкость пониженная. Марки и классы ШПЦ по прочности те же, что и портланд­ цемента (см. табл. 5.8).

Быстротвердеющий шлакопортландцемент (ШПЦ-Б) обладает более интенсивным, чем обычный ШПЦ, ростом прочности в раннем возрасте, характеризуется более тонким помолом (Sуд = 4000-5000 см²/г) и уменьшением доли шлака в смешанном вяжущем.

ШПЦ применяется в тех же областях строительства, что и портландцемент. Предпочтительным является его использование в массивном бетоне и в агрессивных средах. ШПЦ применяют при производстве сборных элементов и конструкций из бетона с тепловлажностной обработкой (пропаривание).

Не рекомендуется применять шлакопортландцемент в конструкциях, подвергающихся увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию.

Сульфатно-шлаковый цемент. Содержит 80-84 % шлака, 10-15 % гипса или ангидрита и 5 % клинкера портландцемента или до 2 % извести. Марки цемента – 300 и 400. Такой цемент применяется для массивных бетонных подземных и подводных сооружений. Цементный камень на основе суль- фатно-шлакового цемента отличается повышенной стойкостью к морской воде и в растворах сульфатов. При повышенной температуре (выше 30 °С), а также при тепловой обработке (пропарировании) прочность бетонов существенно снижается. Поэтому это вяжущее не следует применять в бетонах с гидротермальной обработкой (пропаривание).

Известково-шлаковый цемент. Содержит 10-30 % извести (гидратной или гидравлической), гипс и доменный гранулированный шлак. По ГОСТ 2544 цемент подразделяется на марки 50, 100, 150 и 200.

152 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Повышением температуры значительно ускоряется его твердение. Используется в бетонах для подземных и подводных сооружений, при изготовлении сборных элементов с тепловой обработкой, а также в строительных растворах. Не рекомендуется применение известково-шлакового цемента в конструкциях, подвергающихся увлажнению и высыханию, а также замораживанию и оттаиванию.

Цементы для строительных растворов. Такие цементы получают совместным помолом клинкера портландцемента, гипса, активных минеральных добавок и добавок-наполнителей. Содержание клинкера в смешанном вяжущем должно составлять не менее 20 % массы вяжущего. К вяжущим для строительных растворов часто не предъявляют высоких требований по активности, поэтому вводятся наполнители – измельченные кварцевый песок, мраморизованный известняк и мрамор. Предел прочности при сжатии стандартных образцов в возрасте 28 сут должен быть не менее 19,6 МПа (200 кгс/см²), время начала схватывания – не ранее 45 мин, время конца схватывания – не позднее 12 ч, тонкость помола – остаток на сите с сеткой № 008 не более 12 %, водоотделение при В/Ц = 1,0 – не более 30 %.

5.2.6.  Глиноземистые цементы (ГЦ и ВГЦ)

Глиноземистый (алюминатный) цемент – быстротвердеющее гидравлическое вяжущее вещество, состоящее преимущественно из низкооснόвных алюминатов кальция.

Глиноземистый цемент получают обжигом сырьевых смесей, состоящих из известняка CaCO и боксита, содержащего до 75 % Al O . Сырьевую смесь обжигают при температуре спекания или плавления, применяются шахтные, вращающиеся печи и вагранки. Цемент получают помолом клинкера с гипсом (до 3,5 % в пересчете на SO ). В зависимости от содержания Al O в клинкере вяжущее подразделяется на четыре типа.

Таблица 5.11

	Типы глиноземистых цементов
	Тип цемента	Содержание Al O в клинкере,
		% массы, не менее
	Глиноземистый ГЦ	35
	Высокоглиноземистые:
	ВГЦ-I	60
	ВГЦ-II	70
	ВГЦ-III	80

153

Клинкер глиноземистых цементов ГЦ и ВГЦ состоит из низкооснόвных алюминатов кальция:

CaO · Al O – CA,

CaO · 2Al O – CA .

Клинкер ГЦ преимущественно состоит из CA; клинкер ВГЦ – из CA и СА . Образование C S при обжиге нежелательно, поэтому сырье должно содержать не более 15 % SiO .

Твердение глиноземистого цемента обусловлено гидратацией алюминатов кальция. При температуре не выше 20-22 °С

2(CaO · Al O ) + 11H O → 2CaO · Al O  · 8H O + 2Al(OH) ,

при температуре выше 25-30 °С образуется C AH по реакции

3(CaO · Al O ) + 12H O → 3CaO · Al O  · 6H O + 4Al(OH) .

По этой причине повышение температуры бетона на глиноземистом цементе приводит к существенному снижению прочности. В связи с этим применение глиноземистого цемента для изготовления бетонов несущих строительных конструкций, а также в массивном бетоне не рекомендуется, пропаривание бетонов на ГЦ не допускается

По ГОСТ 969 начало схватывания цемента должно наступать не ранее 30 мин, а конец – не позднее 12 ч. Активность цемента, его марка и класс определяются испытанием образцов в возрасте 3 сут, а через сутки прочность достигает 80-90 % от нормативной. Глиноземистый цемент является медленносхватывающимся и быстротвердеющим вяжущим. В ряде случаев искусственный камень высокой прочности можно получить через 4-6 ч после затворения цемента водой. Марки глиноземистого цемента – 400, 500 и 600.

Плотность глиноземистого цемента 3100-3300 кг/м³, насыпная плотность в рыхлом состоянии 1000-1300 кг/м³, в уплотненном – 1600-2000 кг/м³, водопотребность 23-28 %. Бетоны на глиноземистом цементе водостойки, воздухостойки и морозостойки.

Используют глиноземистый цемент при скоростном строительстве, аварийных работах, зимнем бетонировании.

Высокоглиноземистые цементы (ВГЦ) применяются в огнеупорных бетонах, так как цементный камень обладает высокой термостойкостью, огнеупорностью, сопротивлением воздействию расплавленных шлаков.

На основе глиноземистых цементов получают расширяющиеся при твердении и напрягающие цементы.

154 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

5.2.7.  Вяжущие вещества, расширяющиеся при твердении

При твердении, на воздухе портландцемента и вяжущих на его основе наблюдаются усадочные деформации (контракция), которые могут привести к образованию трещин и повышению водопроницаемости бетона. В тех случаях, когда усадка недопустима, применяют цементы, расширяющиеся при твердении. Увеличение объема цементного камня при твердении обусловлено образованием гидросульфоалюмината кальция высокосульфатной формы:

3CaO · Al O  · 3CaSO  · (31-32)H O.

Поэтому расширяющиеся цементы относятся к смешанным вяжущим, содержащим компонент, состоящий из алюминатов кальция (глиноземистый цемент, высокоглиноземистый шлак), и компонент, содержащий сульфат кальция (гипсовое вяжущее, гипс).

Водонепроницаемый расширяющийся цемент (ВРЦ). Состав цемента, % массы: глиноземистый цемент – 70, гипсовое вяжущее – 20, высокоосновный гидроалюминат – 10.

Высокооснóвный гидроалюминат 4CaO · Al O  · 13H O получают из смеси глиноземистого цемента и извести-пушонки в пропорции 1 : 1, затворенной водой (30 %), выдержанной в течение 48 ч в гидротермальных условиях (обработанной при t = 120-150 °С в течение 5-6 ч). Полученный продукт высушивается, измельчается в мельнице и смешивается с глиноземистым цементом и гипсом. Расширение цементного камня обусловлено образованием гидросульфоалюмината кальция высокосульфатной формы.

Продукты гидратации глиноземистого цемента стабилизируют (приостанавливают) увеличение объема цементного камня через 1-2 сут.

ВРЦ содержит компонент – гипсовое вяжущее, характеризуется высокой скоростью процессов схватывания, поэтому также относится к быстросхватывающимся вяжущим.

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 4 мин, конец – не позднее 10 мин. Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных из цементной пасты, должен быть: не ниже 75 кгс/см² через 6 ч, 300 кгс/см² – через 3 сут и не менее 500 кгс/см² – через 28 сут. Через одни сутки твердения образцы должны быть водонепроницаемыми при давлении, равном 6 атм (0,6 НПа). Относительное линейное расширение твердеющих в воде образцов через одни сутки должно находиться в пределах 0,2-1,0 %. Водонепроницаемый расширяющийся цемент применяют для заделки швов между сборными элементами для гидроизоляции туннелей, ремонта ответственных бетонных и железобетонных конструкций.

155

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент (И. В. Кравченко) получают совместным тонким помолом высокоглиноземистых доменных шлаков (70 %), содержащих СА, и природного двуводного гипса (30 %). Эффект расширения в этом случае также обеспечивается образованием гидросульфоалюмината кальция путем взаимодействия низкооснóвных гидроалюминатов и сульфата кальция.

По ГОСТ 11052 начало схватывания цемента должно наступать не ранее 10 мин, а конец – не позднее 4 ч после затворения водой. Величина линейного расширения цементных образцов через 3 сут с момента изготовления должна быть не менее 0,1 и не более 0,7 %. Марки цемента по прочности – 400 и 500.

Гипсоглинозёмистый цемент характеризуется высокой сульфатостойкостью и применяется для приготовления водонепроницаемых бетонов и растворов, для заделки швов сборных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе заделки стыков железобетонных труб.

Расширяющийся портландцемент (РПЦ). Получают совместным помолом портландцементного клинкера (58-63 %), высокоглиноземистого шлака (5-7 %), двуводного гипса (7-10 %) и доменного гранулированного шлака или активной минеральной добавки. Расширение РПЦ также обусловлено гидросульфоалюминатом кальция, образование которого ускоряется при 60-80 °С, поэтому пропаривание при этих температурах значительно ускоряет твердение РПЦ. Величина линейного расширения цементного камня должна составлять не менее 0,15 % через сутки, не менее 0,20 и не более 2 % – через 28 сут. Марки 400, 500 и 600.

РПЦ получают так же совместным помолом раздельно подготовленных клинкера портландцемента, сульфоалюминатного клинкера и гипса. Сульфоалюминатный клинкер состоит из безводного сульфоалюмината кальция 3[CaO·Al O ]·CaSO и обеспечивает расширение цементного камня при твердении. Возможно также производство РПЦ помолом клинкера, содержащего повышенное количество C A (до 1013%) с увеличенным расходом гипса (свыше 5% массы или 3,5% массы в пересчете на SO ).

Напрягающий цемент (НЦ). Вследствие высокого значения свободного линейного расширения такой цемент обеспечивает напряжение арматуры при изготовлении изделий из железобетона (самонапряженные изделия и конструкции). Он отличается более высоким содержанием (до 30 % массы) расширяющегося компонента. Самонапряжение обеспечивает высокую прочность, трещиностойкость, водонепроницаемость и коррозионную стойкость железобетона.

Состав напрягающего цемента, % массы: портландцемент – 60-70, высокоглиноземистый шлак – 16-20, гипс – 14-16. Характеристика НЦ приведена в табл. 5.12.

156 Глава 5.  Неорганические (минеральные) вяжущие вещества

Технические свойства напрягающего цемента				Таблица 5.12
Показатель	Марка цемента по самонапряжению
	НЦ-10	НЦ-20	НЦ-30		НЦ-40
Линейное расширение, %:
не более	1,0	1,5	2,0		2,0
не менее	0,2	0,3	0,4		0,5
Самонапряжение,	0,7 (7,0)	2,0 (20)	3,0 (30)		4,0 (40)
МПа (кгс/см²), не менее

Предел прочности НЦ при сжатии, МПа (кгс/см²): в возрасте 1 сут 15,7-19,6 (160-200), в возрасте 28 сут 39,2-49,0 (400-500).

Время начала схватывания – не ранее 30 мин, конец схватывания – не позднее 8 ч. Продолжительность расширения: начало – не ранее 30 мин, окончание – не позднее 8 ч.

Напрягающие цементы применяются также в бетонах для полов промышленных зданий, покрытий дорог и аэродромов.

157

Глава 6.  БЕТОНЫ

6.1.  Классификация бетонов

Бетоном называют искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси мелкого и крупного заполнителей, вяжущего вещества и воды. До укладки в форму и начала схватывания эта смесь называется бетонной смесью.

С глубокой древности в качестве воздушного вяжущего и одного из основных строительных материалов используется глина – природное вяжущее вещество, не требующее термической обработки и помола. Для предотвращения усадки и образования трещин глину отощали песком, получая строительный раствор и сырцовый кирпич, которые широко применялись для строительства глинобитных сооружений, начиная с эпохи неолита. Позднее для приготовления бетонов и строительных растворов используются гипс, известь, портландцемент и другие вяжущие.

Применение бетона как строительного материала также относится к глубокой древности. Остатки бетонных сооружений обнаружены в Китае, Мексике, на территории Великой Римской империи.

Быстрое развитие производства и широкое применение бетона в строительстве приходится на начало XIX века. Во второй половине столетия начинается производство железобетона, сочетающего два различных по механическим свойствам материала – сталь и бетон, для совместной работы в конструкции.

В России изучение вопросов технологии изготовления бетона, бетонных и железобетонных работ, формирование технологии бетона как науки связано с именами Е. Г. Челиева, Н. А. Белюбского, И. Г. Малюги, С. И. Дружинина, позднее И. П. Александрина, Б. Г. Скрамтаева и А. В. Саталкина.

Бетон является основным материалом современного строительства, его широкое применение обусловлено следующими положительными особенностями:

а) бетонные смеси сравнительно легко формуются, что позволяет изготавливать изделия и конструкции практически любой формы и профиля; б) состав бетонной смеси и бетона можно изменить в широком диапазоне, что позволяет придать последнему разнообразные свойства, например изготовить высокопрочный бетон для несущих конструкций, водонепроницаемый бетон для плотин, декоративный бетон для наружной

и внутренней отделки и др.;

158	Глава 6. Бетоны
в)	бетон изготавливается из широко распространенных и сравнитель-

но недорогих материалов, более 80 % его объема составляют песок, гравий или щебень, которые встречаются или производятся повсеместно.

Производство изделий и конструкций из бетона начинается с подготовки материалов и приготовления бетонной смеси. Физико-механичес- кие свойства бетонной смеси и бетона существенно различаются.

Бетонная смесь – это свежеприготовленная однородная масса, состоящая из заполнителей, вяжущего и воды, которую предстоит уложить в форму и уплотнить.

Бетон – это искусственный камень, обладающий требуемой (заданной) прочностью.

Каждый компонент бетона имеет определенное назначение. Вяжущее и вода образуют цементную пасту (тесто), которая заполняет пустоты между зернами заполнителя, покрывает эти зерна оболочкой, что позволяет получить бетонную смесь с требуемыми свойствами, пригодную для формования. В результате взаимодействия вяжущего и воды происходит твердение уплотненной цементной пасты и бетонной смеси; образуется цементный камень, который связывает зерна заполнителя.

Крупный заполнитель образует каркас, пустоты которого заполнены мелким заполнителем – песком, а пустоты в песке – цементным камнем. Увеличение доли заполнителя в бетоне повышает его долговечность и снижает стоимость, так как по сравнению с заполнителями цементный камень более порист, менее морозостоек, быстрее разрушается в агрессивных средах (приложение, рис. А.53).

Заполнители не являются инертными материалами, они участвуют в процессах формирования бетона, их физико-химические свойства оказывают влияние на эксплуатационные характеристики бетона.

По некоторым характерным признакам различают следующие разновидности бетонов:

1.В зависимости от средней плотности  γ в сухом состоянии: особо тяжелые. . . . . . γ > 2500 кг/м³; тяжелые (обычные). . . . γ = 2200-2500 кг/м³; облегченные. . . . . . . γ = 1800-2200 кг/м³; легкие. . . . . . . . . . γ = 500-1800 кг/м³; особо легкие. . . . . . . γ < 500 кг/м³.

2.По структуре: плотные – пустоты между зернами заполнителя

заняты цементным камнем; крупнопористые – пустоты между зернами крупного заполнителя не полностью заняты растворной частью и цемент­ ным камнем; ячеистые – с искусственно созданными порами путем введения пены или газообразователей; поризованные – пустоты между зернами заполнителей заняты цементным камнем, поризованным путем введения пены или газообразователей.

159

3.По типу заполнителя: на плотных заполнителях; на пористых заполнителях; на специальных заполнителях (жаростойких, кислотостойких и др.).

4.По крупности заполнителя: крупнозернистые – содержащие за-

полнитель с размером зерен более 5 мм; мелкозернистые – заполнитель с размером зерен до 5 мм, преимущественно в виде крупного песка.

1.По типу вяжущего: цементные, силикатные, гипсовые, полимерные, на жидком стекле и др.

2.По способу уплотнения бетонной смеси: вибрированный, виброп-

рокатный, вакуумированный и др.

3.В зависимости от условий твердения: нормального твердения, пропаренные и автоклавные.

4.По назначению в строительстве: обычные и специальные.

Обычный бетон предназначен для строительных конструкций, к которым не предъявляют специальных требований.

К специальным бетонам относятся:

––гидротехнический – для гидротехнических сооружений, постоянно находящихся в воде или периодически с ней контактирующих;

––дорожный – для покрытия дорог и аэродромов;

––жаростойкий – для конструкций, эксплуатируемых при температуре выше 200 °С;

––коррозионностойкий (кислотостойкий, щелочестойкий, солестойкий) – для конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред;

––радиационно-защитный – для защиты от радиационных излучений;

––декоративный – для отделки зданий и сооружений и некоторые другие специальные бетоны.

6.2.  Тяжелые (обычные) цементные бетоны на плотных заполнителях

Среди различных бетонов тяжелый (обычный) бетон является наиболее распространенной разновидностью; он широко применяется в промышленном и гражданском строительстве в виде панелей, плит перекрытий и покрытий, колонн, фундаментов и других конструкционных элементов и конструкций.

Технические свойства тяжелого бетона зависят от его структуры, состава и свойств компонентов. При его изготовлении применяются следующие материалы.

Вяжущие вещества.  Применяют портландцемент и его разновидности, смешанные цементы и другие минеральные и органические вяжущие.

160 Глава 6. Бетоны

Кроме стандартных требований, при выборе цемента следует учитывать интенсивность роста прочности в ранний период, тепловыделение, стойкость цементного камня в агрессивных средах, стоимость и другие характеристики.

Вода.  По ГОСТ 23732 вода, используемая в бетонных смесях, должна содержать не более 10 мг/л органических поверхностно-активных веществ, сахаров и фенолов, не должна иметь включения нефтепродуктов, жиров и масел, водородный показатель ее должен находиться в пределах 4 < рН < 12,5. Максимально допустимое содержание примесей (мг/л) в воде, применяемой для изготовления бетонных и железобетонных конструкций с ненапрягаемой арматурой, составляет:

растворимые соли. . . .		. 5000;
ионы	SO²- . . . . . . .	2700;
ионы	Cl ¹-. . . . . . .	. 1200;
взвешенных частиц. . .		200.

Для приготовления бетона, его поливки и промывки заполнителей можно использовать питьевую воду без предварительной подготовки.

Заполнители.  Применяют наиболее доступные в данном районе природные и искусственные плотные каменные материалы.

По размерам зерен различают два вида заполнителей – мелкий (песок) и крупный (щебень, гравий).

Технические свойства заполнителей оказывают влияние на качество бетона. Наиболее важные свойства заполнителей, определяющие их качество, можно разделить на две группы:

1.Физико-механические и физико-химические свойства и структура зерен заполнителя как горной породы – химико-минеральный состав, плотность и пористость, твердость, прочность, физико-химическая стойкость.

2.Свойства, характерные для заполнителей, – зерновой состав (гранулометрия) и связанные с ним объем межзерновых пустот и удельная поверхность; форма зерен, макро- и микрорельеф­ их поверхности.

Методики испытаний заполнителей подробно изложены в лабораторных практикумах по строительным материалам и поэтому не приводятся или излагаются кратко.

Мелкие заполнители

В тяжелых бетонах применяют плотные пески, природные и искусственные, с насыпной плотностью не менее 1200 кг/м³. Природный песок – осадочная горная порода, относящаяся к группе механических отложений, рыхлая смесь зерен размером преимущественно от 0,14 до 5 мм (не менее 90 % массы заполнителя).