Виды бетонных смесей, их свойства и основные требования к их качеству. Добавки в бетонные смеси и область их рационального применения

 

Бетонная смесь состоит из вяжущего, заполнителей и воды, отдозированных в необходимом количестве и тщательно перемешанных. В некоторых случаях в состав бетонной смеси вводят специальные добавки (пластифицирующие, воздухововлекающие, ускоряющие твердение и другие) В результате формования с уплотнением и последующего твердения бетонной смеси получается искусственный каменный материал, называемый бетоном.

К основным свойствам бетонной смеси, которые определяют ее качество в технологии изготовления изделий, относятся удобоукладываемость, однородность, связность и водоудерживающая способность.

Удобоукладываемость характеризует способность смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под действием силы тяжести или в результате внешних механических воздействий. Для различных методов формования и интенсивности уплотнения смеси это ее свойство должно соответствовать определенной величине.

Удобоукладываемость смеси оценивается показателями подвижности или жесткости. В зависимости от их величины бетонные смеси можно условно разделить на подвижные и жесткие, которые по своему составу, внешнему виду и строению отличаются друг от друга.

Подвижная бетонная смесь представляет собой пластичную массу, характеризуемую сплошностью строения, то есть наличием в смеси непрерывной сетки водных пленок, окружающих частицы цемента, зерна мелкого и крупного заполнителей. В такой смеси зерна заполнителя как бы взвешены в сплошной среде, образованной смесью вяжущего, тонкомолотых добавок и воды, что обеспечивает связность и нерасслаиваемость смеси. Подвижные смеси легко распределяются в форме под воздействием собственного веса с приложением небольших механических усилий.

Жесткая бетонная смесь представляет собой рыхлую, а иногда и сыпучую массу, которая состоит из отдельных гранул крупного заполнителя, склеенных между собой густым цементным раствором. В такой смеси недостаточно воды для создания непрерывной сетки водных пленок. На жесткие смеси для надлежащего уплотнения при изготовлении изделий требуется длительное и эффективное механическое воздействие.

Удобоукладываемость бетонных смесей в соответствии с действующими нормативными документами определяется различными способами.

Для подвижных смесей это свойство оценивается по величине осадки (под действием сил тяжести) стандартного конуса из данной смеси. Осадка конуса измеряется в сантиметрах сразу после окончания формования и последующего освобождения бетонного конуса от формы.

Удобоукладываемость жестких бетонных смесей характеризуется временем вибрирования в секундах, необходимым для того, чтобы отформованная в виде конуса стандартных размеров бетонная смесь равномерно распределилась по высоте во внутреннем кольце и внешнем цилиндре специального прибора – технического вискозиметра. При измерении жесткости смеси вискозиметр устанавливают на стандартную лабораторную виброплощадку и жестко закрепляют на ней. Вибрация, создаваемая виброплощадкой, должна иметь частоту 2800…3000 кол/мин и амплитуду 0,35 мм.

Бетонные смеси в зависимости от консистенции характеризуются марками по удобоукладываемости, приведенными в табл. 1.

Смеси марок СЖ-1, СЖ-2, СЖ-3 относятся к группе сверхжестких; смеси марок Ж-1, Ж-2, Ж-3, Ж-4 – к группе жестких; смеси марок П-1, П-2 – к группе низкопластичных; П-3, П-4 – к группе пластичных; смеси марок П5, РК-1, РК-2, РК-3, РК-4, РК-5, РК-6 – к группе литых бетонных смесей.

По удобоукладываемости бетонные смеси условно разделяют на пять групп: особо жесткие, показатель жесткости которых более 200 с; жесткие, имеющие показатель жесткости 30…200 с; малоподвижные – с жесткостью 15…25 с и осадкой конуса 1…3 см; подвижные – с осадкой конуса 4…15 см и литые, когда осадка конуса превышает 15 см.

Таблица 1

Марка по жесткости	Марка по подвижности (осадке конуса)	Марка по расплыву конуса
марка	жесткость (Ж), с	марка	осадка конуса (ОК), см	марка	расплыв конуса (РК), см
СЖЗ СЖ2 СЖ1 Ж4 ЖЗ Ж2 Ж1	более 100 51-100 41-50 31-40 21-30 11-20 5-10	П1 П2 ПЗ П4 П5	1-4 5-9 10-15 16-20 21-25	РК-1 РРК-2 РК-3 РК-4 РК-5 РК-6	Менее или равно 34 35-41 42-48 49-55 56-62 более 62
Примечания: 1. Марка по расплаву конуса бетонной смеси устанавливается для смесей марки по подвижности П4 и выше. 2. Марки бетонной смеси, приведенные в табл. 1, между собой не связаны.

 

Смеси бетонные по сохранению удобоукладываемости делят на группы, приведенные в табл. 2.

 

Таблица 2

 

 

Условное обозначение групп смеси	Время сохранения заданной удобоукладываемости смеси, мин (при температуре воздуха до 25 °С)
До 30	От 30 до 60	От 60 до 90	Свыше 90
S-1	S-2	S-3	S-4

 

Выбор величины удобоукладываемости (подвижности и жесткости) бетонной смеси производится в зависимости от формы, вида и назначения изготовляемого изделия, а также от принятого способа уплотнения смеси при его формовании.

Жесткие бетонные смеси по сравнению с подвижными имеют значительные преимущества. Например, первые в результате более компактного размещения зерен заполнителя для получения бетона заданной прочности требуют меньшего количества цементного теста, а, следовательно, и цемента. При одинаковом расходе цемента бетоны, приготовленные из жестких смесей, характеризуются быстрым набором прочности в начальные сроки твердения и несколько повышенной конечной прочностью. Из жестких смесей (при надлежащем уплотнении) получаются более плотные, долговечные и водонепроницаемые бетоны.

Жесткие бетонные смеси, отличающиеся повышенной структурной прочностью, позволяют производить распалубку изделий сразу после окончания их формования. Однако применение жестких смесей вызывает технологические трудности, так как необходимо более точное дозирование воды и цемента, более тщательное перемешивание, а также обеспечение эффективных методов уплотнения бетонной смеси при формовании изделий.

Однородность бетонной смеси достигается путем выбора рационального соотношения ее компонентов и обеспечения оптимального режима перемешивания. Смесь признается однородной, если любая ее проба, взятая в достаточно большом объеме (не менее чем в 5 раз превосходящем максимальный размер крупного заполнителя), имеет один и тот же постоянный состав.

Связность бетонной смеси характеризует способность ее формоваться, приобретая заданную форму без разрывов и расслоения. Связность смеси обеспечивается правильным выбором содержания вяжущего и мелкого заполнителя, оптимальным соотношением фракций крупного заполнителя, а также надлежащим перемешиванием смеси.

Однородность и связность бетонной смеси должны сохраняться при ее транспортировании, перегрузках, укладке и уплотнении в бетонируемом изделии.

Водоудерживающая способность указывает на свойство бетонной смеси удерживать содержащуюся в ней воду без ее выделения на поверхность изделия и на границе между цементным тестом и крупным заполнителем. Необходимая водоудерживающая способность достигается ограничением количества воды в смеси, а для очень подвижных смесей – введением тонкодисперсных составляющих (мелких фракций заполнителя и тонкомолотых добавок) и поверхностно-активных веществ.

Основными факторами, влияющими на свойства бетонной смеси, являются водосодержание, вид и содержание цемента, содержание и качество заполнителей, наличие поверхностно-активных веществ, а также предварительное выдерживание и виброактивация смеси.

Водосодержание оказывает существенное влияние на свойства бетонной смеси, а затем и на формирование структуры бетона. Смесь с малым водосодержанием обладает способностью при весьма интенсивном уплотнении создавать бетоны с наиболее плотной структурой.

При увеличении водосодержания бетонной смеси сверх оптимального вода сначала заполняет крупные капилляры и межзерновые пространства, а затем приобретает способность перемещаться под действием сил тяжести. Смесь с избытком свободной воды характеризуется наличием некоторой раздвижки твердых частиц и утолщенными водными оболочками на их поверхности; при этом она приобретает достаточную подвижность и сохраняет необходимую связность, а также нерасслаиваемость.

Максимальное количество воды, при котором отсутствует водоотделение смеси, называют ее водоудерживающей способностью. Оно зависит в значительной степени от водоудерживающей способности вяжущего и тонкомолотых добавок.

Если содержание воды в бетонной смеси превысит указанное количество, то она начинает отделяться из смеси, и последняя расслаивается. Водоотделение прежде всего возникает в результате различия в размерах и плотности отдельных составляющих бетонной смеси. При малой вязкости цементно-песчаного раствора в первую очередь оседают крупные зерна заполнителя, что можно обнаружить глазом, а затем более мелкие зерна крупного заполнителя и песка.

Избыточная (несвязанная) вода, как наиболее легкий компонент смеси, оттесняется вверх и насыщает при этом верхние слои бетона изделий, приводя к снижению их плотности, а следовательно, прочности и долговечности.

Водопотребностью бетонной смеси называют то количество воды, которое необходимо для получения смеси заданной подвижности или жесткости. Водопотребность смеси выражается в процентах от веса ее сухих компонентов или в литрах на 1 м³ бетонной смеси. Водопотребность, зависящая от качества исходных составляющих смеси и их соотношения, имеет большое значение для технологии бетона, так как завышенное количество воды в смеси наряду с перерасходом цемента неизбежно приводит к снижению прочности и долговечности бетона.

Вид и содержание цемента оказывают определенное влияние на свойства бетонной смеси. Так, подвижность смеси при одном и том же водосодержании зависит от вида цемента и содержания в нем минеральных добавок. Например, пуццолановый или шлакопортландцемент по сравнению с портландцементом создает более вязкое тесто, и для получения смеси с заданной подвижностью воды требуется несколько больше.

О степени влияния вида вяжущего на свойства смеси можно с достаточным основанием судить по его минералогическому составу, количеству тонкомолотых добавок, тонкости помола и др. Нормальная густота цементного теста как бы суммирует все параметры, которые устанавливают степень влияния цемента на водопотребность смеси.

При одном и том же водосодержании величина расхода цемента в пределах 250…400 кг/м³ существенно не влияет на удобоукладываемость бетонной смеси. При увеличении расхода цемента свыше 400 кг/м³ заметно возрастает вязкость цементного теста, снижающая удобоукладываемость смеси, для сохранения постоянства которой необходимо снова повышать ее водосодержание.

Дальнейшее повышение расхода цемента сверх 500…550 кг/м³ вызывает настолько большое увеличение водопотребности смеси, что увеличение расхода цемента фактически не позволяет снизить В/Ц и повысить тем самым прочность бетона.

При выборе вида цемента следует учитывать вид применяемого бетона, его назначение, характер воздействия окружающей среды на бетон в строительном сооружении, размеры строительной конструкции. Рекомендации по выбору вида цемента для различных условий работы конструкций приведены в [19, табл. А.1].

Содержание и качество заполнителя. Ввиду того, что основным компонентом бетонной смеси является заполнитель (крупный и мелкий), его крупность, зерновой состав, строение поверхности зерен и другие качественные характеристики оказывают существенное влияние на свойства смеси.

Следует учитывать, что увеличение крупности заполнителя снижает на 10…15 % водопотребность смеси. Кроме того, на величину последней значительно влияет форма и характер поверхности зерен крупного заполнителя. Например, окатанная форма и гладкая поверхность зерен (гравия) способствуют уменьшению трения между ними, в результате чего водопотребность такой бетонной смеси на 5…15 % меньше, чем у смеси на угловатом щебне, при той же подвижности. Следует также принимать во внимание водопоглощение крупного заполнителя, так как оно значительно увеличивает водопотребность смеси.

Содержание песка в смеси заполнителей нужно назначать с учетом вида, наибольшей крупности зерен и пустотности крупного заполнителя и проверять экспериментальным путем. Следует иметь в виду, что для каждой бетонной смеси имеется оптимальное, с точки зрения расхода цемента и воды, содержание песка в смеси заполнителей.

При малом содержании песка количество цементного раствора оказывается недостаточным для получения связной бетонной смеси; кроме того, за счет расслоения смеси удобоукладываемость значительно снижается. В данном случае приходится увеличивать водосодержание смеси, вводя дополнительное количество воды и цемента. В том случае, когда содержание песка начинает превышать его оптимальное количество, жесткость бетонной смеси возрастает, увеличивая ее водопотребность.

За оптимальное следует принимать такое содержание песка, которое не вызывает расслоения бетонной смеси. Оно тем меньше, чем выше расход цемента и ниже удобоукладываемость смеси, выше предельная крупность заполнителя, меньше его пустотность и удельная поверхность.

При наличии нескольких разновидностей песков предпочтение следует отдавать крупным и средним, так как водопотребность бетонной смеси, приготовляемой на мелком песке, повышенная. Наличие в песке пылевидных или глинистых частиц тоже влечет за собой увеличение водопотребности смеси.

Песок для бетона должен отвечать требованиям действующей нормативной документации.

Допускается после соответствующих испытаний и технико-экономических обоснований применять более мелкие пески, песок из отсевов дробления породы на щебень, золошлаковую смесь из отвалов тепловых электростанций, дробленый шлак, удаляемый из топок котлов после гидравлической обработки, и другие пески при наличии на них нормативных документов.

Крупный заполнитель для бетона должен отвечать требованиям действующей нормативной документации.

Пластифицирующие и воздухововлекающие добавки. Для регулирования свойств бетонной смеси и бетона, снижения расхода цемента и энергетических затрат при выдерживании конструкций следует применять химические добавки в соответствии с требованиями нормативных документов на добавки.

Учеными установлено, что поверхностно-активные добавки, обычно вводимые в небольших количествах (0,05…0,3 % от веса цемента), оказывают существенное влияние на свойства растворов и бетонных смесей. Эти добавки могут быть разделены на две основные группы: пластифицирующие и воздухововлекающие (микропенообразующие).

К пластифицирующим добавкам прежде всего следует отнести сульфитно-спиртовую барду (ССБ). Под действием добавки ССБ увеличивается удобоукладываемость бетонной смеси; при постоянной удобоукладываемости уменьшается на 10…12 % водопотребность бетонной смеси, что, в свою очередь, дает возможность сократить расход цемента. Сохранение заданной удобоукладываемости бетонной смеси при сниженном расходе воды придает пластифицированным этой добавкой бетонам повышенную плотность и как следствие улучшает их морозостойкость и водонепроницаемость.

К воздухововлекающим (микропенообразующим) добавкам относятся омыленный древесный пек (ЦНИИПС-1), омыленная абиетиновая смола (абиетат натрия – СНВ), микропенообразователь БС, мылонафт, гидролизованная кровь.

Добавки этой группы снижают поверхностное натяжение водных пленок на поверхности зерен цемента и мелкого заполнителя, что при интенсивном перемешивании способствует вовлечению в бетонную смесь мельчайших пузырьков воздуха. При этом уменьшается водопотребность бетонной смеси и увеличивается ее подвижность.

Особенно целесообразно применять такие добавки при приготовлении жестких бетонных смесей на пористых заполнителях, которые, кроме улучшения удобоукладываемости бетонной смеси за счет вовлечения воздуха, уменьшают объемный вес затвердевшего бетона и улучшают его теплотехнические свойства. Кроме того, создание в затвердевшем бетоне с помощью воздухововлекающих добавок некоторого количества равномерно распределенных воздушных пор повышает морозостойкость затвердевшего бетона.

Однако надо учитывать и то, что введение поверхностно-активных добавок при приготовлении бетонных смесей не всегда дает положительные результаты. В связи с тем, что такие добавки имеют органическое происхождение, они замедляют развитие гидратационных процессов в цементе; а это приводит к некоторому торможению набора прочности бетона в раннем возрасте, а вследствие значительного вовлечения воздуха – к некоторому снижению прочности бетона.

Путем правильного выбора вида добавки, ее количества, а также различной длительности перемешивания бетонной смеси можно регулировать и вовлечение воздуха и создавать бетоны с требуемыми свойствами.

Выбор добавок необходимо производить в соответствии с требованиями СТБ 1112, П1-99 к СНиП 3.09.01-85 «Применение добавок в бетоне» и Рекомендаций по применению соответствующих химических добавок.

Предварительное выдерживание бетонной смеси. По условиям технологии производства изделий бетонная смесь может некоторое время после приготовления выдерживаться в специальных емкостях, а затем уже укладываться в формы и уплотняться.

С увеличением продолжительности выдерживания смеси до укладки подвижность ее уменьшается, а прочность бетона несколько увеличивается. Величина снижения подвижности смеси и увеличение прочности бетона зависят от состава бетонной смеси, вида применяемого цемента, температуры и влажности окружающей среды и других факторов. Потеря подвижности смеси при ее выдерживании вызывается прежде всего адсорбцией воды цементными зернами, поглощением заполнителями части воды, а также частичным ее испарением.

В период предварительного выдерживания бетонной смеси вода проникает в глубь цементных зерен и вступает во взаимодействие с ними. Это, в свою очередь, благоприятно отражается на процессах структурообразования цементного камня и повышает прочность бетона.

Следует учитывать, что удобоукладываемость применяемых в заводских условиях малоподвижных смесей в результате продолжительного их выдерживания снижается, что может быть возмещено увеличением длительности вибрирования; однако для жестких смесей такой прием не всегда дает возможность после длительного выдерживания получить требуемое уплотнение бетона. Поэтому жесткие бетонные смеси не следует перед укладкой выдерживать.

Виброобработка бетонных смесей. Малоподвижные и жесткие смеси, как указывалось выше, под воздействием периодически повторяющихся импульсов разжижаются, приобретая свойства вязких жидкостей. Однако вибрационное воздействие не только может привести к тиксотропному разжижению смеси, но и оказать существенное влияние на ряд технологических свойств ее и бетона.

Все большее применение находит сухая строительная смесь (ССС) – смесь вяжущего, заполнителя, добавок, пигментов, отдозированных и перемешанных на заводе, и затворяемая водой перед употреблением. Точное дозирование компонентов позволяет получать более высокие технические характеристики готовой продукции по сравнению со смесями, приготовляемыми на строительной площадке. Важным достоинством сухих смесей является возможность целенаправленного добавления в них химических добавок и микронаполнителей, как улучшающих их структуру, так и подготовленных для применения в холодное время года.

Сухие смеси для производства бетонных работ подразделяют на несколько групп. Сухие бетонные смеси представляют собой смесь крупного заполнителя с фракциями до 20 мм, песка, вяжущего и добавок. На упаковке таких смесей, в частности в зависимости от максимальной крупности заполнителя, даны показания по оптимальной области применения – каркас здания, заделка стыков, устройство полов и т.д.

Мелкозернистый бетон наиболее удобен для монтажных, ремонтных работ, устройства стяжек, работ при отрицательных температурах.

Морозостойкие бетонные смеси разработаны специально для производства работ в зимнее время. Такие смеси имеют в составе специальные добавки, позволяющие свежеуложенному бетону продолжать набирать прочность при понижении температуры до минус 15 °С.

Смеси для замоноличивания применимы для заделки фундаментов, стыков элементов, в том числе колонн в фундаментах, в основном тогда, когда необходимы высокая прочность, хорошие реологические характеристики смесей и быстрый набор прочности.