Исходные материалы.При выборе разновидности цемента учитывают характер конструкции и рекомендации нормативных документов (ГОСТа, СНиПа). Так, например, при производстве железобетонных конструкций промышленных зданий и многих инженерных сооружений, работающих в условиях воздушно-сухой среды, применяют портландцемента с повышенным содержанием алита. Если эти конструкции относятся к массивным, то более предпочтительны цементы с меньшим содержанием алита, которые меньше выделяют теплоты при реакциях твердения и, следовательно, в меньшей мере конструкции подвержены тепловым неравномерным напряжениям. Если конструкция работает в условиях воздействия морской или другой минерализованной воды, тогда выбирают ма-лоалюминатные сульфатостойкие портландцементы и шлакопорт-ландцементы. Гидротехнические сооружения проектируют и строят с применением сульфатостойких портландцементов с пластифицирующими и гидрофобными добавочными веществами. Аналогичным образом учитывают условия при выборе цемента для других видов бетона.
Кроме выбора разновидности вяжущего обосновывают также выбор его марки, исходя из требуемой прочности бетона в конструкциях и минимального расхода вяжущего как наиболее дорогостоящего компонента бетона, избыток которого увеличивает величину усадочных деформаций, а потому и снижает трещиностойкость бетона. Обычно исходят из соотношения, чтобы марка по прочности цемента превышала на 10—40% марку бетона, а при низких марках бетона (110—300) превышение марки цемента составляет 100—200%. Но такие соотношения являются приблизительными, так как определение марок цемента и бетона по стандартам производится при различных условиях подготовки соответствующих смесей и при несходных структурах испытываемых материалов. Именно поэтому часто фактически прочность бетона получается на одну-две марки выше марки принятого цемента. Чтобы избежать случайности, следует при выборе цемента и расчетах исходить не из марки, а реальной активности (R*) при оптимальной структуре, в теории ИСК именуемой расчетной активностью. Она соответствует прочности цементного камня оптимальной структуры, полученной при испытании образцов, изготовленных при технологических параметрах и режимах, характерных для принятого или предполагаемого производства бетона и изготовления бетонных изделий. При проектировании состава бетона общим методом (см. 3.4) можно достаточно точно обусловить выбор расчетной активности цемента с учетом реальной технологии, реальных заполнителей и возможных добавок, в частности, пользуясь формулой (9.3). Строгие требования предъявляются к качеству воды, используемой при затворении бетонной смеси, а также для промывки заполнителей и увлажнения бетона при его твердении в сухих условиях. Рекомендуется применять питьевую воду; не допускаются болотные и сточные воды. Ограничивается содержание растворенных в воде солей, органических веществ, вовсе не допускаются примеси нефтепродуктов, проверяется водородный показатель рН, который не должен быть ниже 4,0 и выше 12,5.
Для тяжелых бетонов предусмотрены требования к качеству заполнителей. Пески используют природные или получаемые дроблением плотных морозостойких горных пород с размером зерен не крупнее 5 мм. Важно обеспечить повышенную плотность зернового состава (по кривым плотных смесей) при модуле крупности не ниже 2,0. Ограничивается содержание пылевато-глинистых и других вредных примесей, о чем указывалось выше при описании заполнителей. На стадии проектирования состава бетона устанавливают целесообразный зерновой состав крупного заполнителя с наименьшим объемом пустот и наибольшей крупностью зерен при общих требованиях, указанных выше в отношении качества заполнителей[35].
Широко используют в технологии бетона пластифицирующие, воздухововлекающие и противоморозные добавки.
Определение состава бетона.Одной из основных технологических задач является проектирование состава бетонной смеси. Разработан ряд методов проектирования состава, имеются официальные руководства, облегчающие решение этой задачи. Каждый раз необходимо выбирать тот метод проектирования (или подбора), который при принятой технологии способен обеспечить получение наиболее достоверного состава и оптимальной структуры бетона. Тогда формируется качество бетона, при котором имеется не только комплекс заданных, но и экстремальных показателей свойств, что соответствует закону створа. При всех методах на начальной стадии производится обоснованный выбор исходных материалов, чему способствуют табличные данные и вспомогательные графики, помещаемые в соответствующие руководства по подбору составов. В них выбор исходных материалов обусловлен проектной маркой (классом) бетона, разновидностью конструкций и эксплуатационными условиями с учетом не только прочности, но и морозостойкости, водонепроницаемости и других свойств. На втором этапе всех методов проектирования с помощью расчетов и опытов в лаборатории определяют количественные соотношения применяемых исходных материалов. Важно найти наиболее достоверные и закономерные способы определения таких соотношений с гарантией получения бетона не только необходимого качества по показателям свойств, но и оптимальной структуры. На третьем этапе в методах обычно предусмотрен выпуск пробного замеса бетонной смеси и более полная техническая характеристика качества этой смеси с возможным корректированием (уточнением) проектного состава.
Изложенный в теории ИСК общий метод проектирования состава и оптимальной структуры в полной мере, естественно, относится к тяжелому и другим видам цементных бетонов. Принятое в общем методе отношение с/ф становится водоцементным (В/Ц) или водо-твердым при более сложном вяжущем веществе.
Ниже изложен общий метод применительно к тяжелому плотному цементному бетону, но вначале следует уточнить общие закономерности из теории ИСК, на которые опирается этот метод. Среди законов видное место занимает закон створа (см. рис. 3.13), а в отношении механических свойств действует закон прочности оптимальных структур: произведение прочности бетона на степенную функцию фазового отношения (В/Ц) есть величина постоянная. Такой постоянной величиной служит аналогичное произведение прочности цементного камня на его водоцементное отношение при оптимальной структуре, возведенное в ту же степень, т. е. R*•(В/Ц*)n. Прочность R* цементного камня оптимальной структуры находится опытным путем при испытании образцов, хотя возможен и расчетный метод по формуле Фере: R=K[c/(c+e+a)]2, где K — константа; с, е, а — абсолютные объемы соответственно цемента, воды и воздуха в смеси. Как отмечал А.В. Волженский [8], было бы более целесообразно в формуле принять абсолютный объем новообразований цемента с учетом объема гелевых пор (Т. Пауэре. М., 1955).
Показатель степени n в обоих случаях отражает влияние заполняющих компонентов и общую степень дефектности структуры бетона.
Из закона прочности оптимальных структур и общей формулы (3.1) следует и общая формула прочности бетонов:
(9.3)
где Rб — прочность цементного бетона оптимальной структуры, выраженная любой ее характеристикой (предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении центральном или изгибе и т. п.); Rц* —прочность цементного камня оптимальной структуры, выраженная той же характеристикой, которая была принята для оценки прочности цементного бетона (и в том же возрасте); x — отношение фактической величины В/Ц бетона к В*/Ц цементного камня оптимальной структуры; оно равно отношению усредненных толщин (?; ?*) пленок водной среды в свежеизготовленных материалах, т. е. x = В/Ц / В*/Ц = ?/?*; n — показатель степени, отражающий влияние качества заполняющих материалов, дефектов структуры на прочность бетона; R* — экстремум в зависимости R = f(В/Ц), определяется опытным путем.
Для исходных материалов, применяемых в цементном бетоне, и принятой технологии изготовления бетона с ее конкретными параметрами и режимами все члены формулы (9.3) имеют вполне определенный физический смысл. Из формулы следует, что повышения прочности бетона можно достигнуть, во-первых, путем всемерного увеличения RЦ* — введением химических добавок типа катализаторов или поверхностно-активных веществ, увеличения содержания кристаллической фазы на стадии твердения, дополнительным помолом, переходом на более высокие марки вяжущего и др. Из формулы (9.3) следует также, что для той же цели требуется уменьшать значение реального В/Ц и показателя степени п. Первое достигается с помощью пластифицирующих и суперпластифицирующих добавок, интенсификацией перемешивания смеси или другими мерами, снижающими толщину пленок водной среды на твердых частицах цемента или другого вяжущего; второе достигается фракционированием и промывкой заполнителя, составлением плотных смесей, применением кубовидного крупного заполнителя, активированием поверхности зерен и т. п. Большой резерв повышения прочности заключается в оптимизации технологических переделов, особенно режимов уплотнения при формовании и тепловых режимов при обработке отформованных изделий и конструкций.
Формула (9.3) графически выражается гиперболической кривой в прямоугольной системе координат (R, В/Ц). Понятно, что этот график (рис. 9.7) аналогичен графической зависимости для любых ИСК (см. рис. 3.15, б). Однако на рис. 3.15, б отсутствует третья плоскость и соответственно ось аппликата (В+Ц) или (П+Щ), показанная на рис. 3.8 в виде (с+ф) и на рис. 3.15, а.
Заменитель бетона: что это за материал и в чем он превосходит обычный бетон?
