Описание основных свойств бетонной смеси

Бетонная смесь – это целесообразно подобранная и тщательно перемешанная с вяжущим веществом вода, заполнитель, иногда некоторые добавки, до начала ее формования и начала твердения. Свойства бетонной смеси, так же как и свойства будущего бетона, определяются соотношением и качеством заложенных компонентов. Со стороны реологии это – пластично-вяжущие системы, с меняющимися свойствами при внешних воздействиях (встряхивании, вибрации и так далее).

Свойства определяются структурой и свойствами составляющих компонентов.

Технологические свойства

Рассмотрим основные и самые важные технологические свойства:

Бетонная смесь – это смесь цемента, воды, наполнителей и иногда спецдобавок.

• удобоукладываемость – способность заполнять любую форму будущего бетонного изделия и уплотняться под воздействием внешнего механического усилия. Удобоукладываемость определяется по показателям подвижности и жесткости. Удобоукладываемость должна иметь интенсивность уплотнения и формования согласно принятым нормам. Нужная удобоукладываемость достигается в первую очередь содержанием определенного количества воды;
• однородность и вязкость зависит от соответствующего содержания мелких фракций заполнителя и содержания вяжущего, оптимального соотношения заполнителя из крупных фракций в составе смеси и должного ее перемешивания. Достигнутые при перемешивании вязкость и однородность должны сохраняться при перегрузках, транспортировке и уплотнении укладки в бетонируемом изделии;
• водоудерживающая способность – это способность удерживать воду, содержащуюся в смеси, без водоотделения на поверхности самого изделия и при разделе между крупным заполнителем и цементным тестом. Достигается меньшим количеством воды, а для смесей с большой подвижностью – повышенным содержанием тонкодисперсных составляющих (мелкие фракции заполнителя, вяжущее) и добавлением водоудерживающих веществ (поверхностно активные вещества, тонкомолотые добавки);
• деформативность и прочность в состоянии свежеотформованности, то есть способность удерживать форму после снятия формообразующей конструкции. Необходимая прочность смеси в состоянии свежеотформованности достигается выбором нужной жесткости и ее предельным уплотнением.

Подвижность и жесткость

Жесткость и подвижность бетонной смеси определяется водосодержанием – это основной фактор для этих характеристик. Чем водосодержание выше, тем больше подвижность и меньше жесткость. Водопотребность – это необходимое количество воды при определенных требованиях подвижности и жесткости.

Изменение количества цемента в определенных пределах, при данном водосодержании, почти не влияет на подвижность и жесткость.

При постоянном водосодержании и стабилизации цементного расхода изменение количества песка в определенных пределах не влияет на жесткость. Чем больше содержание цемента и уменьшение жесткости, тем больше пределы, в которых количество песка не влияет на изменение жесткости. При повышенном содержании песка жесткость смеси возрастает. Для поддержания жесткости на одном уровне нужно повышать количество воды.

При пониженном содержании песка объем раствора становится недостаточным для получения связной смеси и за счет расслоения начинает повышаться жесткость. В этом случае вводится дополнительное количество цемента и воды.

Технический вискозиметр для определения жесткости бетонной смеси: а – общий вид; б – разрез; 1 – сосуд; 2 – внутреннее кольцо; 3 – бетонный образец в виде конуса; 4 – диск со штангой; 5 – штатив.

Так как с повышением содержания растворной составляющей и песка прочность бетона снижается, то берут оптимальное содержание песка, при котором смесь не расслаивается. И содержание песка тем меньше в заполнительной смеси, чем больше расход цемента, выше жесткость бетонной смеси, выше крупность заполнителя, мельче песок, более круглая форма у заполнителя, меньше его пустотность и удельная поверхность.

Жесткость и водопотребность уменьшает увеличенный размер заполнителя. Если принять потребность в воде, при предельной крупности заполнителя в 20 мм, за 100%, то при крупности в 10 мм водопотребность увеличивается на 10%.

При предельной крупности заполнителя в 40 и 70 мм потребность в воде уменьшается, соответственно, на 5-10 и 10-20%. Для мелкозернистых смесей потребность в воде возрастает на 20-30%.

Если заменить гравий на щебень той же фракции, то водопотребность увеличится на 5-15%. При уменьшении крупности песка увеличивается водопотребность смеси, а при постоянной величине водосодержания повышает жесткость, то есть уменьшает ее подвижность.

Если принять водопотребность за 100% у бетонной смеси с добавлением песка модулем крупности 2,0-2,5, то на песке с модулем 1,5-2,0 она возрастает на 5-15%, а при еще более мелком песке этот показатель равен 10-20%. Водопотребность снижается на 2-5% при использовании крупного песка.

Определение удобоукладываемости бетонной смеси упрощенным способом: а – общий вид прибора; б – бетонная смесь до вибрирования; в – после вибрирования; 1 – конус; 2 – форма куба; 3 – бетонная смесь; 4 – виброплощадка.

Применение песка, искусственно дробленного, повышает потребность в воде на 5-15% по сравнению с фракционным или природным песком той же крупности.

Способность удерживать воду зависит от соотношения воды и цемента (В/Ц), общего водосодержания, удельной поверхности заполнителя. При снижении водосодержания и повышения жесткости уменьшается водоотделение. Жесткие смеси водоотделения не дают. При определенной жесткости (водосодержании) водоотделение уменьшается при:

• увеличении цементного расхода;
• повышении его способности удерживать воду с помощью добавок опоки, трепела, молотого песка, известняка, доломита;
• повышении удельной поверхности заполнителя и увеличении содержания песка.

Последствия водоотделения на границе раздела (заполнитель (арматура) – цементное тесто) могут быть ликвидированы повторным вибрированием. Присыпкой цемента и мелкого песка можно устранить последствия поверхностного водоотделения, при этом нужно сделать вторичную затирку через 1-2 часа после уплотнения.

Фракции заполнителя

Фракции щебня: 1- щебень 5-20 мм, 2 – щебень 20-40 мм, 3 – щебень 25-60 мм, 4 – щебень 40-70 мм.

Размер зерна или камня называется фракцией. Есть соответствующие и основные фракции щебня. К основным относятся следующие размеры: 5-10 мм, 10-20 мм, 20-40 мм, 20-65 мм, 25-60 мм, 40-70 мм. К фракциям сопутствующим относятся: 0-2 мм, 0-5 мм, 0-15 мм, 0-20 мм, 0-40 мм, 0-60 мм, 2-5 мм. Иногда применяют фракции размерами: 70-120 мм и 120-150 мм. Гранитный щебень фракций 5-20 мм имеет наибольший спрос на нашем рынке. В производстве бетона, асфальта и железобетонных конструкциях иногда применяют щебень фракции 5-15 мм.

Гранитный щебень фракций 20-40 мм, 20-65 мм, 25-60 мм и 40-70 мм применяют при ремонте и строительстве железнодорожных насыпей, насыпей автомобильных дорог, трамвайных линий, при закладке фундамента и строительстве зданий. Щебень из всех природных материалов из камня, используемых в строительстве, является основным.

Необходимые добавки в бетон

Невозможно оспорить тот факт, что бетон является самым применяемым материалом при строительстве. Требования к бетону проектировщиков и исполнителей работ зачастую приводят к использованию модификаторов (химических добавок). Многие добавки также с успехом применяются в цементно-песчаных растворах, для изменения и улучшения их характеристик.

Пластификаторы для бетонных смесей в зависимости от их влияния на смесь делят на: суперпластификаторы, сильнопластифицирующие, среднепластифицирующие и слабопластифицирующие добавки.

Идеальными бетонными смесями для строителей были бы те, имеющие высокую подвижность, замедленное и постепенное схватывание, быстрый набор прочности, имеющие возможность длительной транспортировки, с дальнейшей легкой заливкой в формовочные конструкции, и получение результата заливки, который не требует гидроизоляционных работ.

Но не нужно забывать, что основная задача – придание долговечности и прочности бетонной конструкции, то есть обеспечение на длительное время возможности противостоять и механическим нагрузкам, и физическим и химическим воздействиям окружающей среды. Поэтому жизненно необходимо применение добавок в современном строительстве.

Пластификаторы, позволяющие разжижать смесь для дальнейшего удобного использования, являются самыми распространенными модификаторами, применяемыми в строительстве. Конечно, этот же результат можно получить при добавлении дополнительного объема воды, но в этом случае теряется прочность бетона, его плотность, возможны усадочные трещины и более длительное высыхание будущей конструкции.

Пластификаторы в применении достаточно универсальны: с их помощью можно увеличить прочность бетона, повысить плотность, то есть водонепроницаемость, до 30% уменьшив количество воды, при этом сохранить подвижность смеси, снизить количество цемента и воды, получив при этом бетон с низкой усадкой.

Виды модификаторов

Модификаторы, в зависимости от назначения бетона, подразделяются на виды:

Комплексный модификатор – это экологически безопасная добавка для бетонных смесей.

• регулирующие свойства: стабилизирующие, пластифицирующие, водоудерживающие, регулирующие сохранность бетонных смесей, улучшающие перекачиваемость, ускоряющие схватывание, замедляющие схватывание, для легких бетонов – поризующие: пенообразующие, воздухововлекающие, газообразующие;
• регулирующие бетонное твердение: ускоряющие твердение, замедляющие твердение;
• повышающие коррозийную стойкость и/или прочность, снижающие бетонную проницаемость: кольматирующие, водоредуцирующие, повышающие защиту бетона по отношению к арматуре из стали (ингибиторы коррозии), повышающие морозостойкость железобетона и бетона;
• придающие специальные свойства: гидрофобизирующие, противоморозные (дающие твердеть бетону при отрицательных температурах).

Свойства бетонной смеси дают повышение качества бетона и уменьшение применения цемента, а это уже значительная экономия.

Выделяют следующие химические добавки для бетонных смесей: модифицирующие, водонепроницаемые, коррозионные, морозостойкие, регулирующие, водоудерживающие, пластифицирующие, стабилизирующие, противоморозные, газообразующие, воздухововлекающие и другие.

Смеси отлично сочетаются с добавками других типов, придающих бетону самые разные полезные свойства. Одним из важнейших свойств является самоуплотняемость, позволяющая обойтись без вибрирования смеси, которая обеспечивает заливку без пустот самым сложным конструкциям. Добавки позволяют улучшить перекачку бетонной смеси при помощи насосов, уменьшить усадку, ускорить твердение, получить легкий бетон при помощи пенообразователей и многое другое.

Применение добавок требует строительство не только сложных сооружений из бетона: фундаментов, взлетно-посадочных полос аэродромов, бассейнов, но и изготовление цементных растворов. Добавки позволяют снизить расход цемента, уменьшить энергозатраты, сохранить высокую подвижность бетонной смеси, добиться наилучших показателей как ранней, так и конечной прочности готового изделия из бетона.

Единственный недостаток почти всех пластификаторов – необходимость вибрирования бетонной смеси, залитой в опалубку.

Причины недостаточного применения

Несмотря на все преимущества использования модификаторов, они еще не достаточно популярны в современной технологии строительства. В этом повинна и банальная неинформированность потребителей обо всех возможностях этих добавок, и ошибочное мнение о том, что практически все добавки изготавливаются кустарным методом, то есть закупается качественный модификатор известной торговой марки, разбавляется дешевым низкокачественным сырьем и представляется как новая «разработка».

Основными покупателями различных добавок для бетонных смесей являются бетонорастворные заводы, строительные организации, заводы конструкций из железобетона.

Помимо этого, давно существующая база по применению и разработке добавок устарела, не дотягивает до уровня развития современной науки. Добавки для бетона являются наукоемкими материалами, и их разработка требует очень серьезных научных инвестиций.

Основные потребители модификаторов – бетонорастворные заводы, строительные организации, заводы конструкций из железобетона. Наибольшим спросом у потребителя пользуются модификаторы отечественного производства, которые намного дешевле импортных. При выборе основную роль играет и цена, и отсутствие надлежащей проверки добавок импортного производства из-за отсутствия лабораторной базы.

Импортные модификаторы создаются с учетом того, что цемент, в который и будет добавляться этот продукт, имеет фиксированные характеристики. Но отечественные цементы не отличаются стабильностью цементных характеристик и поэтому добавка может повести себя совсем не так, как задумано. Именно поэтому импортные модификаторы применять без лабораторных исследований крайне не желательно.

Оснащенная лаборатория есть далеко не на каждом предприятии, а порой у потребителей просто нет желания возиться с подобными исследованиями. Отечественные производители модификаторов ориентируются на отечественный рынок цемента, и именно такая добавка, при правильном соблюдении всех технологий изготовления бетона, обеспечит заявленные характеристики.

Определение бетонного состава

Бетонный состав, его подбор производится для получения требуемых качественных показателей, установленных в проектных документациях на конструкции или изделиях, при оптимальном количестве цемента или же другого вяжущего.

Обычно бетонный состав подбирается для среднего уровня прочности бетона, который устанавливается в соответствии с его фактической однородностью на растяжение, сжатие и растяжение при изгибе. Номинальный состав определяется в такой последовательности:

• устанавливаются характеристики исходных материалов, производится расчет и дополнительных составов, и начального, делаются пробные замесы составов с удобоукладываемой корректировкой бетонной смеси;
• по всем необходимым показателям изготавливаются и испытываются образцы бетона;
• полученные результаты обрабатываются, и выбирается номинальный бетонный состав, который обеспечит получение бетона и бетонной смеси со всеми требуемыми показателями при минимальном потреблении вяжущего.

Но проведение подборки правильного состава бетона выполняется большим объемом вычислений, поэтому все расчеты и анализ данных выполняется по специальной компьютерной программе.