Лекция. Материалы для приготовления высокопрочных бетонов Расчет состава высокопрочного бетона

2.1. Материалы для приготовления высокопрочных бетонов
К материалам, используемым для приготовления высокопрочных бетонов, предъявляются повышенные требования, обеспечивающие получение бетона нужной прочности при максимально возможной экономии цемента.
Вяжущее. В качестве вяжущего следует применять цементы, которые имеют наибольшую активность и наименьшую нормальную густоту.
Рекомендуются цементы, у которых нормальная густота цементного теста не более 25…26 % и активность не ниже 500…600.
В зависимости от назначения бетона для его приготовления целесообразно использовать цемент определенного минералогического состава.
При изготовлении сборных железобетонных изделий небольших и средних размеров применяют высокопрочные тонкомолотые портландцементы с повышенным содержанием С₃S и С₃А и быстротвердеющие портландцементы. Так, для быстротвердеющих и особо быстротвердеющих цементов количество С₃S должно быть не менее 50…60 % и С₃А не менее 5…8 %, а сумма С₃S + С₃А должна быть не менее 60 %.
Для массивных изделий и конструкций, изготавливаемых на полигонах без тепловой обработки, рекомендуется применять цементы с пониженным содержанием С₃А и ограниченным содержанием С₃S (менее 50 %), лучше всего белитовые.
Такие цементы твердеют в течение длительного времени, обеспечивая высокую конечную прочность бетона.
В первые сутки твердения тепловыделение и усадка цемента небольшие и соответственно объемные деформации и вредные собственные напряжения в бетоне также невелики. Для обеспечения более равномерного твердения могут применяться пластификаторы и замедлители твердения. Максимально допустимый расход цемента в высокопрочном бетоне должен составлять не более 600 кг/м³ для снижения тепловыделения и усадки, связанных с твердением цемента, особенно для массивных конструкций. С целью снижения расхода цемента в высокопрочных бетонах используют:

1. 
   более высокопрочные цементы с повышенной активностью (домол с добавкой 2…3 % гипса или суперпластификаторов до удельной поверхности 4000…5000 см²/г, а также активация в специальных условиях);
   
2. 
   специально подобранные смеси заполнителей с минимальной пустотностью и водопотребностью;
   
3. 
   суперпластификаторы и комплексные добавки;
   
4. 
   класс бетона (если это возможно) в возрасте больше, чем 28 суток.
   

Особенно эффективно снижает расходы цемента введение суперпластификаторов, так как они обладают повышенной подвижностью и уплотняемостью и при этом сохраняют постоянную водопотребность, т. е. не требуется дополнительный расход цемента для компенсации повышенной вязкости бетонной смеси. В результате повышается эффективность использования цемента.
Одним из современных видов вяжущих для изготовления высокопрочных бетонов являются ВНВ, которые получают по специальной технологии совместным помолом ингредиентов: клинкера или готового портландцемента и сухого модификатора, при необходимости активной минеральной добавки (золы-уноса, пуццоланы, шлаки и т. п.), наполнителя, а также гипсового камня (гипса).
Механохимическая обработка позволяет синергетически усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: прочность цемента возрастает на 2…3 марки, а пластифицирующий эффект органического компонентамодификатора увеличивается примерно в 2 раза. На практике это приводит к снижению водосодержания изопластичных бетонных смесей до 120…135 л/м³ и В/Ц до 0,25…0,30 для подвижных смесей и до 0,20…0,25 для жестких.
Особенностью ВНВ является многовариантность составов и соответственно свойств вяжущих, дающая возможность наиболее полно реализовать потенциал портландцементного клинкера в зависимости от конкретных требований, предъявляемых технологией производства и условиями эксплуатации бетонных и железобетонных изделий и конструкций. При этом следует подчеркнуть, что бетоны на ВНВ отличаются значительно меньшей энергоемкостью. Кроме того, новая технология позволяет почти вдвое сократить выбросы промышленных газов в цементной промышленности и вовлечь в производство огромное количество разнообразных техногенных отходов. Известен состав ВНВ, содержащий 50…70 % минеральных добавок, полученный методом механохимической активации, который не уступает по качеству цементам марок 500…600. Такие ВНВ являются новым поколением вяжущих.
Уже изготавливались опытные образцы изделий и конструкций широкой номенклатуры (панели, ребристые плиты, трубы, сваи, шпалы, элементы мощения и пр.) с применением смесей различной подвижности с ВНВ и бетонами на их основе. Во всех случаях подтверждаются высокие технологические свойства бетонных смесей: однородность и повышенная стойкость к расслоению, обеспечивающие сохранение формовочных свойств в течение не менее 30 мин с момента приготовления смеси, повышенная тиксотропия, облегчающая и ускоряющая процесс укладки бетонных смесей и способствующая улучшению качества поверхности изделий. Эти свойства наиболее ярко проявляются, в частности, при изготовлении из тяжелых и мелкозернистых бетонов объемных блоков ԟ тонкостенных конструкций с высокой степенью армирования.
Бетоны на ВНВ имеют такие преимущества, как снижение температуры изотермического прогрева или полный отказ от тепловой обработки. Например, при температуре прогрева объемных блоков из мелкозернистого бетона 35…50°С выявлена возможность сокращения тепловлажностной обработки (ТВО) в два раза при достижении проектной прочности в возрасте 1 сутки, а в возрасте 28 суток фактическая прочность превышала проектную на 50…70 % и более.
Преимущества ВНВ особенно проявляются в архитектурном (декоративном) бетоне. Такой бетон в последние годы все шире используется для повышения эстетической выразительности зданий и сооружений, создания произведений современного монументального искусства, украшения природного ландшафта и интерьеров, а также в малых архитектурных формах и элементах фасада.
Особенности свойств бетонов на ВНВ позволяют повысить эффективность использования пигментов и других средств создания архитектурно-декоративной выразительности, улучшить формуемость изделий, получить высокоплотные изделия с улучшенным качеством поверхности, повысить долговечность изделий и сохранность их внешнего вида в течение длительного периода эксплуатации.
Наряду с этим эффективность использования ВНВ обусловлена снижением расхода вяжущего при изготовлении 1 м³ равнопрочных бетонов, коэффициент использования вяжущего составляет 1,7…2,4 для тяжелого бетона и 1,3…1,4 – для мелкозернистого (коэффициент использования портландцемента 0,6…0,9, т. е. каждому килограмму расхода вяжущего соответствует 0,06…0,09 МПа прочности бетона.
Для получения особо высокопрочных бетонов в настоящее время отечественными и зарубежными учеными предложены составы композиционных вяжущих, например, DSP-композиты (уплотненные системы, содержащие гомогенно распределенные ультрамалые частицы). Эти материалы, включающие специально подготовленные цементы, микрокремнезем, специальные заполнители и микроволокна, за счет специальных технологических приемов при В/Ц = 0,12…0,22 позволяют достичь прочности 270 МПа при высокой стойкости к коррозионным воздействиям и истиранию. Известково-кварцевые материалы с прочностью на сжатие до 250 МПа были получены путем формования под давлением 138 МПа перед автоклавированием. Аналогичная обработка цементного теста позволила снизить В/Ц до 0,06 и обеспечить прочность камня до 330 МПа в возрасте 28 суток нормального твердения, а использование алюминатных цементов и горячего прессования при давлении 345 МПа повысить ее до 650 МПа.
Известны так называемые MDF-цементы (цементы, свободные от макродефектов), представляющие собой композиты, имеющие особо плотную микроструктуру без капиллярных пор. Характеризуются прочностью при сжатии 100…300 МПа, при изгибе 40…150 МПа.
Композиты аналогичного состава, полученные из высокоглиноземистого цемента струйного помола, суперпластификатора и частично ацетилированного поливинилового спирта, известны под названием «пластцемент».
Близкую структуру имеют цементные материалы с пониженным содержанием пор (PRC). Цементные пасты подвергаются специальной обработке под давлением выше 200 МПа, неадсорбированная вода полностью отжимается, снижая реальное водоцементное отношение. Полученный в результате высоконаполненный композит с прочностью на сжатие выше 250 МПа и прочностью на растяжение при изгибе свыше 35 МПа представляет собой негидратированные цементные частицы, равномерно распределенные в плотной матрице гидратированного продукта.
Результаты исследований на макроуровне способствовали развитию концепции реактивных порошковых композитов (RPC), которые представляют собой специальные высокопрочные фибронаполненные растворы с высоким содержанием микрокремнезема и химических добавок, прежде всего, суперпластификаторов. По литературным данным, прочность на сжатие таких систем может достигать 200…800 МПа, а прочность на растяжение при изгибе – 100 МПа. При этом для получения композитов с прочностью около 200 МПа достаточно простого выдерживания приготовленных растворов при температуре около 90^оС, а для синтеза особо высокопрочных материалов необходима специальная техника и температура около 400^оС.
Важным требованием при производстве бетонов с высокой прочностью является использование высококачественных заполнителей. Обычно в качестве крупного заполнителя используется тщательно фракционированный прочный щебень (базальт, боксит, диабаз, кварц), который по сравнению с гравием обладает лучшим сцеплением с растворной составляющей бетона. По опыту таких стран, как США, Норвегия, Финляндия, максимальная крупность заполнителя должна быть не более 8…25 мм (чаще всего до 12 мм). Заполнители должны быть тщательно промыты, не должны содержать пыли, глины, гумуса и других загрязнений. Прочность крупного заполнителя для разных марок высокопрочного бетона должна находиться в пределах 140…400 МПа, а наибольшая крупность его зерен не должна превышать 10…15 мм.
Песок. В качестве мелкого заполнителя для высокопрочных бетонов следует применять природные, искусственные крупно- и среднезернистые пески (или их смеси), содержащие минимальное количество глинистых и отмучиваемых примесей.
Исходя из условия получения бетонной смеси с наилучшей удобоукладываемостью, соотношение крупной и мелкой фракций песка выбирают в следующих пределах: крупной фракции 20…50 % и мелкой – 80…50 % по масс
Для приготовления высокопрочных бетонов, до марки 800 включительно, можно применять чистые крупно- или среднезернистые пески природной гранулометрии (без фракционирования) при условии, если кривая просеивания находится в пределах области, рекомендуемой ГОСТом. В случаях когда вязкость применяемого цементного теста велика, т. е. нормальная густота цементного теста превышает 26 %, а В/Ц < 0,33, кривая просеивания должна находиться у верхней границы области, рекомендуемой ГОСТом. Такой песок следует фракционировать, отделяя частицы мельче 0,3 мм.
Доля песка в смеси заполнителей должна составлять от 0,32 до 0,25 и понижаться с увеличением расхода цемента и марки бетона
(табл. 2.1).