Содержание
Бетоны могут изготавливаться и на полимерных вяжущих, но такие смеси используют в основном для заливки полов и террас, формирования отдельных архитектурных элементов. Для конструктивного строительства используют бетоны на минеральных вяжущих, а для получения наиболее прочного камня в их состав вводят мелкие и крупные наполнители. Рассмотрим, какова роль компонентов бетона, и как они взаимодействуют между собой.
Вяжущая основа бетона
Образование твёрдого монолита осуществляется за счёт реакции гидратации, и начинается она с момента затворения вяжущего водой. В некоторых бетонах в качестве вяжущего применяют известь или гипс (газосиликаты, гипсобетоны), но веществом, образующим наиболее прочный камень, является цемент. Однако при испарении влаги цементный камень даёт большую усадку, сопровождаемую трещинообразованием, поэтому в составы смесей вводятся инертные наполнители.
На заметку: Инертными фракционные ингредиенты называют потому, что оказывая большое влияние на конечные свойства получаемого монолита, в реакции гидратации они не участвуют. От их вида и фракции зависят не только сроки схватывания и процесс твердения, но и физические характеристики бетона. Чтобы получить материал с заданным классом прочности, пропорция компонентов всегда привязывается к количеству вяжущего. Причём, марка цемента всегда должна быть выше, чем марка бетона.
Неорганические вяжущие вещества водного твердения
К категории вяжущих водного твердения относится цемент, изготавливаемый на основе портландцементного клинкера, и способный из тестообразного состояния переходить в камневидное. Существует несколько видов цементов, различающихся по вещественному составу:
- бездобавочный портландцемент — ЦЕМ I;
- с минеральной добавкой (только шлак не более 35%) — ЦЕМ II;
- шлакопортландцемент (и клинкер, и шлак до 60%) — ЦЕМ III;
- пуццолановый цемент (с добавкой из вулканической пыли) — ЦЕМ IV;
- композиционный цемент (с двумя и более минеральными добавками) — ЦЕМ V.
Наибольшее распространение получил бездобавочный портландцемент, получаемый путём тонкого помола клинкера с двуводным гипсом. Клинкер — это сырьевая смесь из 4-х, богатых кальцием, кремнием, алюминием и железом ингредиентов, обожжённая до спекания при температуре 1200 градусов. В процессе помола к нему ещё добавляют активные кремнезёмистые вещества — либо гранулированный доменный шлак.
На заметку: Чтобы получить сульфатостойкий цемент, помол клинкера осуществляют совместно с рыхлыми осадочными породами (трепел, диатомит). Бетоны на таких цементах применяют для изготовления конструкций гидротехнического назначения, подвергающихся воздействию агрессивных вод.
Обычный клинкерный цемент, предназначенный для общего применения, имеет серый цвет, но существуют и другие варианты. Белый цемент изготавливают из отбеленного клинкера с минимальным количеством железа, и он может иметь различные степени белизны, по которым делится на сорта. Цветные цементы изготавливают путём совместного помола белого клинкера с гипсом и пигментом, содержание которого зависит от органического или природного происхождения.
Производятся также и цементы со свойствами напряжения и саморасширения. В напрягающем цементе вместе с клинкером мелется состав из глинозёмистого шлака, извести и гипса, благодаря которому цемент может до 4% расширяться в объёме, быстрее схватывается и твердеет. Из него делают самонапряжённые железобетоны, обладающие не только высокой прочностью, но и газонепроницаемостью.
Есть ещё безусадочные цементы, расширяющее свойство которых обеспечивается за счёт использования высокоглинозёмистых добавок и гидроалюмосиликата (бентонита или трепела), способного при гидратации разбухать. Цементное тесто расширяется до схватывания, твердеет нормально и даёт высокий класс прочности. Существует так же несколько видов специальных цементов — но это отдельная тема, и затрагивать сейчас мы её не будем.
Воздушные вяжущие вещества, входящие в состав бетона
К категории воздушных (способных превращаться в камень на воздухе) относят такие вяжущие вещества, как известь и гипс. Известь применяется в производстве силикатных бетонов. В её составе известняк, ракушечник или мел с минимальным содержанием глинистых примесей, подвергнутый умеренному обжигу.
В зависимости от процентного содержания оксидов кальция и магния, известь разделяют на сорта. При времени гашения менее 20 минут она считается быстрогасящейся, но может гаситься и дольше (медленногасящаяся). При естественном твердении известковые бетоны за 20 дней достигают прочности максимум 3 МПа, тогда как автоклавная обработка позволяет получить до 50 МПа.
Получить бетон с высокой прочностью на извести становится возможным благодаря высокому давлению горячего пара, при котором происходит активное образование гидросиликатов кальция. Именно по такой технологии и производят используемые для строительства домов газосиликатные изделия, так как она даёт возможность при нормальной прочности получить сниженную плотность бетона. Значит, и коэффициент теплопроводности у него будет ниже, что очень важно для отапливаемых помещений.
Ещё одним воздушным вяжущим, входящим в состав бетона, является строительный гипс, получаемый за счёт термической обработки (при 140…170 градусов) двуводного гипсового камня. Его особенность заключается в высокой водопотребности и быстром схватывании, которое при изготовлении отделочных растворов регулируется добавками. В бетонах гипс сам по себе является регулятором схватывания, и применяется совместно с цементом — например, для изготовления межкомнатных перегородок.
В строительстве так же используют комбинированные вяжущие, состоящие из цемента, полуводного гипса и пуццолана с активными минеральными добавками. Они обладают высокими гидравлическими свойствами, и соответственно, применяются для изготовления контактирующих с водой конструкций.
Цементы с низкой водопотребностью
Цементы, потребность которых в воде составляет не более 21%, называются вяжущими низкой водопотребности (ВНВ). Их получают путём совместного помола клинкера с сухим пластификатором и минеральной добавкой, что не только снижает водоцементное соотношение, но и почти в два раза повышает плотность и прочность бетона. Да и твердеет он в более ранние сроки.
Важно: Введение пластификатора в виде сухой добавки к цементу даёт больший эффект, чем модификация уже готовой бетонной смеси.
Роль заполнителя в бетоне
С целью улучшения технических свойств бетона и снижения расхода недешёвой вяжущей основы, в смеси вводятся наполнители. За счёт них образующийся камень получает жёсткий и прочный скелет, благодаря которому вероятность необратимой деформации конструкций под нагрузкой сводится к нулю.
Одной из основных задач наполнителя является уменьшение усадки, которая в среднем составляет 2 мм/м. Возникает она при утрате цементным камнем влаги, за счёт чего образуются поры — а так как происходит это неравномерно, внутри затвердевающего монолита возникают напряжения. Заполнитель принимает их на себя, поэтому бетон в несколько раз меньше подвержен усадке, чем цементный камень.
С помощью заполнителя улучшаются и теплотехнические свойства бетона, для чего тяжёлые и плотные щебни заменяют пористыми материалами: перлитом, шлаковым гравием, керамзитом, вспененным полистиролом. Чем легче заполнитель, тем легче и бетон, меньше его плотность и ниже коэффициент теплопроводности.
Учитывая, что на долю заполнителя в бетоне приходится наибольший процент, его стоимость в основном и влияет на конечную цену продукта. Применяя местные материалы, которые из-за отсутствия транспортных расходов обходятся дешевле, можно существенно снизить себестоимость бетона и строительства в целом
Зерновой состав заполнителя бетона
В лёгких и мелкозернистых бетонах может применяться только мелкий заполнитель, но в тяжёлых смесях присутствует и мелкий, и крупный. Мелким считаются естественные и искусственные пески, а так же отсевы дробления пород фракцией менее 5 мм. Крупный заполнитель имеет фракцию зерна более 5 мм, и подразделяется на гравий и щебень.
- Зерновой состав бетона показывает, сколько наполнителя разной крупности в нём содержится. Производители определяют его отсеиванием проб через сита с различной величиной ячейки: от 0,16 мм до 70 мм.
- Рядовой заполнитель содержит зёрна разного размера (и мелкие, и крупные). В этом случае стандарт регламентирует содержание наполнителя наименьшей и наибольшей крупности не более чем 5% от общей массы. Если наполнитель фракционированный — значит, в бетоне присутствуют только зёрна какой-то одной фракции.
- Когда заполнитель имеет зёрна разных размеров (от минимального к максимальному), зерновой состав именуется непрерывным. Соответственно, если зёрен промежуточного размера нет, состав будет прерывистым. Непрерывный состав более эффективен — требует меньше цемента и не склонен к расслоению.
- Зерновой состав бетона подбирается так, чтобы соотношение между фракциями было оптимальным, но с учётом содержания вяжущего и воды. Если на кубометр бетона идёт 200…300 кг цемента, для обеспечения подвижности обеспечивает именно рядовой состав наполнителя, где в равных частях присутствуют разные фракции.
Примечание: Когда нужно получить жёсткую бетонную смесь, долю мелких фракций уменьшают.
Плотность и прочность заполнителя
Для получения плотного бетона необходимо чтобы и наполнитель в нём был плотным, и укладка осуществлялась без пустот. Наиболее важна пустотность заполнителя при разнофракционном составе, и практически не имеет значения, когда размер зёрен наполнителя в бетоне одинаков. Однако с применением заполнителя разных фракций легче снизить плотность самого бетона, так как мелкие частицы заполняют пространство, образующееся между крупными.
Сколько этого самого пространства будет, зависит ещё и от формы крупного заполнителя: кубовидная, шарообразная, игольчатая. Чем выше лещадность щебня (наличие зёрен игольчатой формы), тем больше пустот образуется между зёрнами. При подборе зернового состава наполнителя (определяется по формуле) нужно добиться такого соотношения, чтобы песок качественно заполнил пустоты, и даже немного раздвинул крупные частицы.
Прочность крупного и мелкого заполнителей определяется прочностью горной породы или шлака, из которого они получены. У естественных песков предел прочности на сжатие гораздо выше, чем у цементного камня. Даже выше даже чем у щебня, так как при выветривании породы или дроблении она разрушается по более слабым местам, а более прочные остаются целыми. И чем мельче размер зерна, тем выше его прочность.
Чистота заполнителей — заключение
Для заполнителей, особенно мелких, очень важно содержание глинистых частиц, которые обволакивают зёрна при набухании, и создают плёнку, мешающую качественному сцеплению заполнителя с цементным камнем. По этой причине прочность бетона может снижаться до 40%, поэтому ГОСТы регламентируют максимальное содержание в заполнителях пылевидных илистых и глинистых примесей.
Для песка это 10% по массе, для гравия 1%. Щебень, используемый в приготовлении низкомарочного бетона, может содержать до 3% глинистых примесей, но для высокомарочных бетонов можно применять только щебень, содержащий ила и глины не более 2%.
