Бетон и Железобетон: технологии производства и экономии

      К крупным заполнителям относятся  и пористые заполнители - пемза, туф, вулканические шлаки. Эти заполнители благодаря своей структуре поглощают много воды. Отсасывая из бетона лишнюю воду, они способствуют его упрочнению. Недостатком пористых заполнителей является то, что для бетона с применением  таких заполнителей требуется больше цемента, чем для бетона на плотных заполнителях.

      К мелким заполнителям относятся различные  пески. Песком называются рыхлые горные породы, которые состоят из зерен различных материалов (чаще всего кварца) размером от 0,1 до 5 мм.

      Пески различаются по минералогическому  составу и в зависимости от условий образования и места залегания. По минералогическому составу пески бывают кварцевые, полевошпатные, известняковые и доломитовые.

      По  условиям образования пески подразделяются на горные, овражные, речные, морские, гравийные, валунные, дюнные и барханные.

      Они отличаются друг от друга только пол  структуре и форме. Зерна морского и речного песков округлой формы  с гладкой поверхностью, зерна же горного песка, который чаще всего образуется при разрушении гранита и диорита, имеют угловатую форму и шероховатую поверхность. Зерна овражного песка также имеют угловатую форму, но по сравнению с зернами горного песка несколько сглаженную. Все пески содержат вредные для бетона примеси: уголь, пыль, глину, гипс, слюду, серный колчедан и различные органические примеси, которые оказывают влияние на цементный клей, понижая его прочность и, в конечном счете, вызывая разрушение бетона. Вредной примесью являются сульфаты, а также частицы гипса. Они образуют с частицами цемента особые соединения в виде тонких игл. Их часто образно называли «цементной бациллой».

      Под действием воды «цементная бацилла» превращается в дальнейшем в жидкую белую слизь, вытекающую из бетона. Такой «больной» бетон не пригоден для эксплуатации.

      Морской песок иногда содержит ракушки, состоящие, в основном, из известняка. Это ослабляет сцепление песка с другими составляющими бетона. Кроме того, в морском песке содержатся соли, выделяющиеся на поверхности бетона.

      Наиболее  чистый песок - это речной. Но он не всегда удовлетворяет строителей, так как  часто бывает очень мелким. А это  при изготовлении бетона требует  большого количества цемента.

      Так же как и крупный заполнитель, песок перед употреблением должен быть обязательно промыт водой в машинах - пескомойках.

  Чтобы получить высокую прочность бетона, надо правильно подобрать зерновой состав заполнителя. А это значит, что надо так составить  из них смесь, чтобы между зернами было, как можно меньше пустот, которые приходится заполнять цементным тестом. Песок одной крупности имеет в своем объеме около 40% пустот. Песок же, составленный из зерен разной крупности гораздо плотнее.

Можно ли добиться наименьшей пустотности? Да, можно.

  Для этого вначале рассеивают крупный  и мелкий заполнитель по размерам или, как говорят строители, на несколько  фракций. Затем из них по определенному  правилу составляют так называемую оптимальную зерновую смесь (в этой смеси все частицы так тесно примыкают друг к другу, что для цементного теста остаются только незначительные промежутки). Бетон, приготовленный на такой оптимальной смеси заполнителей уже имеет высокую плотность и прочность.  Расход вяжущего в этом случае очень небольшой.

  Если  же бетон изготовлять на случайном составе заполнителей, взятых из природных карьеров или полученных путем дробления камня, то большую плотность получить нельзя. В этом случае требуется огромный перерасход цемента. Кроме того, на такой случайной смеси невозможно получить бетон высокой прочности.

Вода  необходима для создания высокопрочного бетона должна быть чистой и не кислой.  Но даже условно чистая вода содержит в себе различные примеси, вредно влияющие на процесс твердения бетона: органические кислоты, сульфаты, жиры и т.п.

      Обычно  на заводах железобетонных изделий  и на строительных площадках для  изготовления бетона используют питьевую воду. В ряде случаев приходится пользоваться грунтовой, болотной, торфяной и речной водой. Но эти воды бывают насыщены органическими примесями. Иногда приходится применять сточные и промышленные воды, которые могут содержать значительные примеси серной кислоты или ее солей гумусовой кислоты или гипса. Эти примеси вызывают разрушение бетона. Поэтому перед тем, как использовать эти воды их исследуют в химической лаборатории.

Поверхность бетона, приготовленного на морской  воде или подверженного ее действию покрывается пятнами в виде солевых налетов – «выцветов», которые значительно портят вид бетона. Кроме того, прочность такого бетона невысокая. Поэтому при возведении из бетона жилых зданий морскую воду применять запрещается.

Цемент – это главная составная часть бетона. Бетон будет тем прочнее, чем выше клеящаяся способность цемента и чем сильнее он сцепляется с поверхностью наполнителя.

      Цемент изготавливают из цементного клинкера, а его получают обжигом до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси.

      Такие смеси должны содержать примерно три части известняка и одну часть  глины. Иногда эти смеси встречаются в природном виде - это горная порода, называемая известняковым мергелем. Но, так как месторождения этих мергелей встречаются редко, то на большинстве цементных заводов пользуются искусственными смесями известняка и глины. Вместо глины можно использовать диатомит, трепел и другие силикатные породы, близкие к глине по своему химическому составу. После обжига таких смесей образуется твердая спекшаяся масса – клинкер, состоящая из зерен темно-серого цвета размером с орех. Затем клинкер в шаровой мельнице измельчают в мелкий порошок. Чтобы улучшить качество цемента, при помоле клинкера в него вводят гидравлические добавки – до 3% гипса и до 15% диатомита, трепела. Вот теперь цемент готов!

Что же такое цемент? Это серый очень  мелкий порошок, напоминающий пудру. Чем  дольше он измельчен, тем выше его качество, тем больше склеивающей способностью он обладает. При сверхтонком помоле химические реакции ускоряются во много раз. Объясняется это тем, что цементный порошок всегда соединяется с водой по всей поверхности. Поверхность же зерен будет тем больше, чем выше тонкость помола. Так, например, удельная площадь поверхности зерен 1 грамма цемента составляет 2000 – 3000 см², а в высокопрочных цементах – около 6000 см².

      Для приготовления бетонных, железобетонных изделий и конструкций применяют  различные цементы. Выбор вида цемента зависит от типа сооружения, для которого изготовляется бетон. В России выпускается свыше 30 видов цемента. Основные из них – портландцементы, шлакопортландцементы, пуццолановые портландцементы, глиноземистые цементы и другие. Производству и изучению цементов в нашей стране уделяется большое внимание. В науку о цементе большой вклад внесли российские ученые А. А. Байков, В. А.Кинд, В. Н.Юнг, П. П.Будников. 

КАК ПРИГОТОВЛЯЮТ БЕТОННУЮ СМЕСЬ? 

      Изготовление  бетона – это долгий и трудный процесс. Сначала по рецепту лаборатории отмеривают в сухом виде требуемое количество цемента и заполнителей. Затем взвешенные составные части высыпают в бетономешалку и одновременно подают в нее воду. Бетономешалку приводят в движение в помощью электродвигателя.

      Цель  перемешивания – это получение  из зернистых материалов однородной смеси. Продолжительность перемешивания устанавливают заранее. После перемешивания исходные материалы образуют пластичную смесь, похожую на тяжелую жидкость. Поэтому свежеприготовленный бетон называют не бетоном, а бетонной смесью. Лишь через некоторое время смесь затвердевает и превращается в камень, а окончательную прочность приобретает еще позже. Этот камень и является бетоном.

Однородность  бетонной смеси – одно из важнейших к ней требований: если смесь будет неоднородной, бетон буден неодинаково прочным в различных участках конструкции и легко может разрушиться при нагрузке. Как же узнать, однородна полученная смесь или нет? Для этого из разных мест берут несколько проб объемом, превышающим размеры  самого крупного зерна заполнителя. Если все

пробы имеют один и тот же постоянный состав, т. е. одинаковое количество щебня  или гравия, песка цемента и  воды, то бетонную смесь можно признать однородной.

После перемешивания бетонную смесь часто приходиться транспортировать от бетономешалки к месту укладки, при этом очень важно, чтобы смесь сохранила свою однородность, так как при перевозке смеси угрожает расслаивание. Почему? Потому что зерна заполнителя в бетонной смеси стремятся опуститься. Установлено, что расслаивание будет тем больше, чем  слабее сцепление между раствором и заполнителем. Расслаивания бетонной смеси при перевозке можно избежать, если продолжить перемешивание смеси во время движения в автобетономешалке.

УКЛАДКА БЕТОННОЙ СМЕСИ 

      Итак, бетонная смесь готова. Теперь ее надо уложить в формы. Идеальным условием укладки бетонной смеси в формы является заполнение бетонной смесью всего пространства формы. Если в форме находятся  арматурные стержни, то бетонная смесь должна обволакивать всю арматуру и равномерно без зазоров заполнять все свободное пространство между стенками формы и арматурой. При этом не должны образовываться каверны, или раковины. В ряде случаев причиной образования каверн в бетоне может оказаться присутствие в бетонной смеси очень крупного заполнителя, который заклинивается между стенкой формы и арматурой. Поэтому очень важен постоянный контроль размера заполнителя. Арматура должна быть покрыта равномерным слоем бетона, который защищает ее от атмосферного влияния иначе она будет окисляться, и ржаветь, а иногда и разрушаться. Процесс ржавления называют коррозией арматуры.

      При укладке бетонной смеси часто  приходится сталкиваться с трудностями, которые связаны с пластичностью бетонной смеси. Если бы бетонная смесь обладала свойствами жидкости, то она в точности  заполняла бы формы, в которые ее укладывают. Значит, нужно сделать бетон жидким, для чего в него нужно добавить большое количество воды. Но излишек воды губительно влияет на прочность бетона: ведь вся вода, которая не вступила в химическое соединение с цементом, остается в свободном состоянии внутри бетона. Она вытекает или высыхает, постепенно образуя в бетоне пустоты. Поэтому бетон получается пористым и непрочным. Значит, воды надо вводить мало! Но и при недостатке воды бетон будет непрочным!

      Как же быть? Возникает противоречивая задача: чтобы легко уложить бетонную смесь в формы, необходимо ввести в нее очень много воды. С  другой стороны, излишек воды скажется на прочности бетона. Значит, воды нужно ввести настолько мало, чтобы получить наибольшую прочность бетона! Получается, как в старой русской поговорке: «нос вытащил, хвост увяз»; «хвост вытащил – нос увяз».

      Вот так перед строителями и возник вопрос о правильном подборе количества воды при изготовлении бетонной смеси.

      Этот  вопрос остается и сейчас очень важным. Количество воды, вводимой в бетонную смесь, должно быть строго определенным. Современная строительная наука  дала в руки строителей обоснованные расчеты. Они позволяют получать бетонную смесь высокого качества при минимальном количестве воды.

      Расход  воды с учетом подвижности или  жесткости бетонной смеси можно  определять по графику проф. С. А  Миронова, в котором отражается зависимость  водопотребности бетонной смеси от подвижности или жесткости.

      Но  что это за два новых термина  « подвижность» и « жесткость» бетонной смеси? «Подвижность» – это способность бетонной смеси растекаться под собственной тяжестью или под действием вибрации, а «жесткость» – это сопротивление бетонной смеси своей подвижности. По степени подвижности бетонная смесь может быть жесткой, пластичной и литой. Для оценки качества бетонной смеси был предложен термин «удобоукладываемость». Он характеризует способность бетонной смеси  легко укладываться в форму при обеспечении получения бетона  максимально возможной плотности. А максимальная плотность обеспечивает максимальную прочность и долговечность сооружения.

      Но  этот термин оказался очень условным, так как он не объясняет физического смысла этого свойства.

      Для экспериментального определения «удобоукладываемость» бетонной смеси было предложено множество способов. Наиболее распространены способ осадки конуса и способ вибростола. Первый способ заключается в следующем. Из бетонной смеси формуют образец в виде усеченного конуса определенных размеров. Строители используют для этого металлическую форму, которую заполняют бетонной смесью. За тем форму снимают, и остается т. н. «кулич». Освобожденная от формы бетонная смесь достаточно пластична, поэтому она оседает и несколько расплывается. Осадка «кулича» после снятия с него формы и служит оценкой подвижности (или удобоукладываемости) бетонной смеси. Например, конус из жесткой смеси практически не оседает, подвижные пластические смеси дают осадку в 8 – 12 см, литые – больше 12 см. Осадка конуса зависит от сцепления материалов в смеси и внутреннего ее трения. Опять новые физические понятия? Что же они означают? Каков их смысл? Вспомним механику.