Легкие бетоны

Общие сведения и классификация легких бетонов

Бетоны объемным весом 500—1800 кг/м3 относятся к группе легких бетонов, отличающихся высокой пористостью.

По способу создания искусственной пористости различают следующие разновидности легких бетонов:

изготовляемые из вяжущего, воды и легких пористых заполнителей;

крупнопористые (беспесчаные), изготавливаемые с применением однофракционного плотного или пористого крупного заполнителя бее песка;

ячеистые, структура которых представлена искусственно созданными ячейками, заменяющими зерна заполнителей.

По назначению легкие бетоны подразделяются на:

теплоизоляционные, основное назначение которых обеспечивать необходимое термическое сопротивление ограждающей конструкции; объемный вес их менее 500 кг/м3, коэффициент теплопроводности до 0,2 ккал/м • ч • град.

конструктивные, предназначенные воспринимать значительные нагрузки в зданиях и сооружениях; объемный вес их 14-00—1800 кг/м3, марка по прочности не менее 50, морозостойкость не ниже Мрз 15;

конструктивно-теплоизоляционные, в которых совмещаются свойства предыдущих видов легких бетонов; объемный вес их 500— 1400 кг/м3, коэффициент теплопроводности не более 0,55 ккал/м • ч • град, марка по прочности не менее 35.

Здесь мы рассмотрим легкие бетоны на пористом заполнителе, а ячеистые легкие и теплоизоляционные бетоны рассмотрим ниже.

Легкие бетоны на пористых заполнителях имеют принципиальные отличия от обычных тяжелых бетонов, что обусловлено особенностями пористых заполнителей. Последние имеют меньший объемный вес, чем плотные, значительно меньшую прочность, зачастую ниже заданной марки бетона; обладают сильно развитой и шереховатой поверхностью. Эти качества легкого заполнителя влияют как на свойства легкобетонным смесей, так и на свойства бетона. В зависимости от заполнителя (плотного или пористого) резко меняются водопотребность и водосодержание бетонной смеси, меняются и основные свойства легкого бетона. Г "Одним из решающих факторов, от которых зависит прочность легкого бетона, является расход воды: при увеличении количества воды до оптимального прочность бетона растет. Оптимальный расход воды в легких бетонах соответствует наибольшей плотности смеси, уложенной в заданных условиях, и устанавливается по наибольшей прочности бетона пли же по наибольшему объемному весу уплотненной смеси. Если же количество воды превышает оптимальное для данной смеси, то плотность цементного камня уменьшается, а с ней уменьшается и прочность бетона. Для легкого бетона оптимальный расход воды можно установить по наибольшему объемному весу уплотненной бетонной смеси или наименьшему выходу бетона. Следует иметь также в виду, что в легких бетонах, в отличие от тяжелых, некоторый избыток воды менее вреден, чем ее недостаток. Оптимальному расходу воды для бетона данного состава соответствует наилучшая удобоукладьшаемость, при которой наиболее компактно располагаются составляющие бетона.

Стремление максимально плотно уложить заполнитель объясняется тем, что наиболее легкий бетон заданной прочности получается при минимальном расходе вяжущего и наибольшем сближении зерен пористого заполнителя, т. е. при предельной степени уплотнения смеси. Хорошее уплотнение ее достигается вибрацией с применением равномерно распределенного пригруза на поверхности формуемой массы (вибропрессованием, виброштампованием).

Оптимальное количество воды для приготовления легких бетонов зависит главным образом от водопотребнссти заполнителя и вяжущего, интенсивности уплотнения смеси и состава бетона. Водопотребность же заполнителя, в свою очередь, зависит от зернового состава и пористости и обычно тем больше, чем больше суммарная поверхность и открытая пористость зерен. Отсос воды из цементного теста пористыми заполнителями в период приготовления и укладки бетонной смеси вызывает относительно быстрое ее загустевание, что делает смесь жесткой и труд* ноукладываемой. Это специфическое свойство усиливается шероховатой, развитой поверхностью пористого заполнителя. Для повышения подвижности смеси необходимо вводить в нее большее количество воды, чем в обычные (тяжелые) бетоны.

Объемный вес и прочность легкого бетона зависят главным образом от объемного веса и зернового состава заполнителя, расхода вяжущего и воды, а также от метода уплотнения легкобетонной смеси. По качеству пористого заполнителя можно ориентировочно судить, какая прочность легкого бетона может быть получена.

В строительной практике ограждающие и несущие конструкции получают из относительно плотных легких бетонов значительной прочности 50—150 кГ/см2. Снижение объемного веса их достигается тщательным подбором зернового состава заполнителя, а также минимальным расходом вяжущего для бетона заданной прочности, т. е- максимальным заполнением объема бетона пористым заполнителем. Наиболее насыщенный заполнителем объем бетона можно получить при правильном соотношении крупных и мелких фракций заполнителя. Для разных видов его имеется оптимальный зерновой состав, подбираемый опытным путем. Оптимальное содержание мелких фракций соответствует наименьшему объемному весу бетона и наименьшему расходу цемента. Однако следует учитывать, что с увеличением количества мелких фракций заполнителя сверх оптимального растет объемный вес бетона и ухудшается удобоукладываемость смеси. Для снижения объемного веса бетона без уменьшения его прочности выгодно применять высокоактивные вяжущие вещества. По данным исследований Н. А. Попова и других ученых, наиболее целесообразно вяжущее, активность которого в заданных условиях твердения в 4—6 раз выше проектируемой марки бетона.

Особенностью легких бетонов является то, что их прочность зависит не только от качества цемента, но н от его количества. С увеличением расхода цемента растет не только прочность, но и объемный вес бетона. Это связано с тем, что с повышением количества цементного теста легкобетонные смеси лучше уплотняются, а также возрастает содержание в бетоне наиболее прочного и тяжелого компонента — цементного камня.

Теплоизоляционные свойства легких бетонов зависят от степени их пористости и характера пор. В легком бетоне тепло передается через твердый остов и воздушные пространства, заполняющие поры, а также в результате конвекционного движения воздуха в замкнутом объеме. Поэтому чем меньше объем пор, тем меньше подвижность воздуха в бетоне и лучшими теплоизолирующими свойствами он обладает.

Легкие бетоны вследствие высокой пористости менее морозостойки, чем тяжелые. Тем не менее их морозостойкость является достаточной для применения в стеновых и других конструкциях зданий и сооружений. Высокую морозостойкость легких бетонов обеспечивает применение искусственных пористых заполнителей, обладающих низким водопогло-щением, например керамзита, а также путем поризации цементного камня. Повышают морозостойкость также путем введения гидрофобизую-щих добавок.

Легкие бетоны на пористых заполнителях ввиду универсальности своих свойств применимы в различных строительных элементах зданий и сооружений. Так, из них изготовляют панели для стен и перекрытий отапливаемых зданий, выполняют конструкции как с обычным армированием, так и с предварительным напряжением (балки, прогоны, лестничные марши и площадки), а из напряженно-армированного бетона— пролетные строения мостов, ферм, плит для проезжей части мостов; из легких бетонов строят плавучие средства.

Материалы для приготовления легких бетонов

Вяжущие вещества. Для приготовления легких бетонов применяют все виды неорганических вяжущих веществ, рассмотренных в предыдущей главе. Выбор вида вяжущего зависит от многих причин: требуемой прочности бетона, необходимой стойкости в данных условиях среды, режима твердения и других факторов.

Вяжущие, имеющие марки выше приведенных, должны применяться с тонкомолотыми гидравлическими добавками.

Для легких бетонов неавтоклавного твердения обычно используют портландцемент, быстротвердеющий портландцемент, пуцдолановый портландцемент, шлакопортландцемент, портландцемент с поверхностно-активными добавками и местные вяжущие вещества с активностью не менее 200 кГ/см2. Лучшим считается вяжущее, которое дает бетон необходимой прочности при наименьшем расходе цемента. Применение быстротвердеющих цементов способствует сокращению расхода вяжущего и сокращению срока выдерживания бетона. Пуццолановый портландцемент обеспечивает высокую стойкость бетона в морской, пресных и грунтовых водах. Он обладает большей по сравнению с обычным портландцементом водопотребностью и водоудерживающей способностью, однако имеет и недостатки: медленнее набирает прочность как при пониженной, так и при нормальной температуре и обладает повышенными усадочными деформациями. Шлакопортландцемент твердеет медленнее, чем портландцемент, имеет пониженное тепловыделение и повышенную стойкость в агрессивной среде; при пропариванни дает лучшие результаты, чем обычный портландцемент. Пластифицированный и гидрофобный цементы повышают подвижность бетонной смеси, уменьшают рас-слаиваемость и повышают морозостойкость бетона. Местные вяжущие вещества (известково-шлаковые, известково-пуццолановые, известково-зольные) используют в основном для изготовления изделий автоклавного твердения, и вяжущее выбирают с учетом условий твердения изделий из легкого бетона (естественное, пропаривание, автоклавная обработка и др.). Однако общим критерием — снижение объемного веса — является применение вяжущих высоких марок.

Заполнители. В качестве заполнителей для легких бетонов применяют сыпучие пористые материалы объемным насыпным весом не более 1200 кг/.и3 при крупности зерен до 5 мм (песок) и не более 1000 кг/мг при крупности зерен от 5 до 40 мм (щебень, гравий).

По происхождению пористые неорганические заполнители подразделяются на природные и искусственные. Природные заполнители получают путем дробления и сортировки горных пород — пемзы, вулканических шлаков и туфов, пористых известняков, известняков-ракушечников, известковых туфов, опоки, трепела, диатомита и др. Искусственные заполнители — это пористые сыпучие материалы, полученные путем механической или термической обработки силикатного сырья, подвергнутые рассеву или дроблению и рассеву. Они делятся на отходы промышленности и специально изготовляемые.

Из отходов промышленности песок и щебень получают преимущественно из гранулированного или вспученного металлургического шлака; гранулированный шлак — мелкозернистый пористый материал, образующийся при быстром охлаждении расплавов металлургических шлаков. Шлаковая пемза (термозит) — пористый материал, получаемый из расплавленного металлургического шлака при особом режиме охлаждения расплавленного шлака. К специально изготовленным заполнителям относятся гравий и песок керамзитовый — материал округлой формы, который получают при обжиге глин, вспучивающихся от выделения газов. Керамзитовый песок получают дроблением и рассевом керамзитового гравия или щебня или как самостоятельную фракцию при обжиге. Гравий полый керамический — материал округлой формы, получаемый обжигом специально изготовленных пустотелых глиняных гранул; щебень и песок из перлита и других водосодержащих вулканических стекол получают вспучиванием при обжиге.

По форме и характеру поверхности пористые заполнители могут быть округлые относительно гладкие и угловатые шероховатые (ноздреватые). По крупности зерен заполнители делят на следующие фракции: песок — до 1,2 и от 1,2 до 5 мм; щебень (или гравий) —5—10, 10—20 и 20—40 мм. По показателям насыпного объемного веса в сухом состоянии (кг/ж3) различают марки заполнителей от 100 до 1000 для щебня (гравия) и до 1200 для песка. Прочность заполнителей, устанавливаемая испытанием в цилиндре, может быть от 4 до 200 кГ/см2. Прочность исходной горной породы должна быть не менее 50% требуемой прочности бетона, а коэффициент размягчения — не менее 0,7. Необходима устойчивость щебня из шлаков или шлаковой пемзы от распада (железистого, силикатного и др.). Содержание сернистых соединений в пересчете на SO3 не должно превышать 2%.

Пористые заполнители должны обеспечить получение легкого бетона проектной марки по морозостойкости.

Добавки. В качестве добавок для легких бетонов применяют тонкомолотые доменные гранулированные шлаки (диатомит, трепел, опоку, туф, пемзу, трасс). Кроме того, вводятся добавки, являющиеся замедлителями или ускорителями твердения — хлористый кальций в количестве 1—2% веса цемента (для железобетонных изделий до 1%). В качестве порообразователей для снижения объемного веса добавляют алюминиевый порошок, пергидроль, смоло-сапониновый порообразователь и др.

Вода. Для приготовления и увлажнения легкого бетона применяется чистая питьевая вода, отвечающая тем же требованиям, что и для тяжелых бетонов.

Защита стальной арматуры в легких бетонах. При армировании изделий и конструкций из легкого бетона важную роль играет защита арматуры от коррозии. Повышенная пористость легких бетонов способствует возникновению и развитию коррозии арматуры железобетонных изделий. В целях защиты арматуры от коррозии, особенно в агрессивной среде, легкий бетон должен быть плотным, как показывает практика, в таком бетоне содержание цемента должно быть не менее 250 кг/м3. Иногда арматуру для защиты от коррозии покрывают различными составами: цементно-казеиновой суспензией с нитритом натрия; битумной мастикой, состоящей из битума, молотого песка и золы и растворителя — толуола; битумоцементной мастикой.

Арматурная сталь, поступившая на завод, должна быть без ржаз-чины или окалины и покрыта маслом или краской.

Подбор состава легкого бетона, приготовление бетонной смеси и формование изделий

При подборе состава легкого бетона исходят из условия получения экономичного бетона на данных материалах, обеспечивающего не только удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона, но и заданный объемный вес при наименьшем расходе цемента.

Задача подбора состава легкого бетона усложняется по сравнению с подбором состава тяжелого бетона. Подбирая состав тяжелого бетона, обычно находят отношение между щебнем и песком, требуемое ВЩ и расход цемента. В легком бетоне трудно установить расчетом В/Ц и определить требуемую удобоукладываемость, так как она сильно изменяется. Это связано с тем, что пористые заполнители обладают значительным водопоглощением, интенсивно отсасывая воду из цементного теста; шероховатая же поверхность их затрудняет получение точных показателей удобоукладываемости смеси. Эти обстоятельства приводят к тому, что состав легкобетонной смеси подбирают опытным путем, определяя оптимальный расход воды для каждого состава бетона и устанавливая зависимость прочности бетона от расхода цемента при оптималь-" ных расходах воды.

Чтобы обеспечить минимальный расход цемента и получить требуемый объемный вес бетона, необходимо подобрать наилучший состав заполнителей — оптимальное соотношение между песком и щебнем. Существует несколько методов подбора состава легкого бетона, но чаще всего применяют метод подбора состава по оптимальному расходу воды. Это делают способом опытных затворений, который включает следующие операции:

выбор наибольшей крупности заполнителя и определение содержания крупного и мелкого заполнителей;

определение расхода вяжущих и добавок для пробного замеса;

предварительный расчет расхода заполнителей на 1 MZ смеси для приготовления пробных замесов;

уточнение расхода воды по заданной подвижности или установление оптимального содержания воды по наибольшему объемному весу уплотненной легкобетонной смеси;

установление зависимости между расходом вяжущего и прочностью бетона при заданной подвижности смеси. Одновременно определяется зависимость между расходом цемента и объемным весом бетона при принятых условиях уплотнения смеси.

Обычно для приготовления легкого бетона принимают наибольшую крупность гравия до 40, а щебня до 20 мм. При использовании пористого заполнителя с предельной крупностью до 20 мм бетон при прочих равных условиях получают более однородным, чем при заполнителях большей крупности. Зерновой состав заполнителей определяют по идеальным кривым просеивания и экспериментально.

В первом случае пользуются данными табл. 28 и зерновой состав заполнителя уточняется при изготовлении образцов. Наименьший расход вяжущего соответствует случаю, когда кривая просеивания заполнителя окажется в пределах заштрихованных площадей (61). Затем установленный по табл. 28 и графику зерновой состав заполнителя уточняют, приготовляя несколько серий образцов бетона с разными зерновыми составами заполнителя, расходами цемента н воды; последние определяют опытными затворениями.

Наименьший объемный вес имеют бетоны, не содержащие мелких фракций заполнителя, т. е. беспесчаные бетоны. Наименьший расход цемента получается при определенном соотношении мелких и крупных фракций заполнителя, а кроме того, при исключении средних фракций, т. е. при прерывистом зерновом составе заполнителя.

В связи с тем, что свойства материалов и условия изготовления бетона могут колебаться в значительных пределах, вначале изготовляют образцы с тремя значениями расхода цемента.

Если для изготовления легкого бетона применяют поверхностно-активные добавки или домалывают цемент, то полученные величины расхода цемента, с учетом соответствующих поправочных коэффициентов, нужно дополнительно умножить на поправочные коэффициенты, взятые по табл. 30.

Расход цемента в каждом случае должен быть не менее величин, приведенных в табл. 31.

Очень важным при подборе состава легкого бетона является установление оптимального расхода воды. Для каждого зернового состава и вида заполнителя, расхода вяжущего и добавок и способа уплотнения имеется единственное значение расхода воды, при котором бетон имеет наибольшую прочность. Этот оптимальный расход воды находят по наибольшей прочности бетона или пользуясь косвенным показателем по объемному весу уплотненной бетонной смеси. Для этого приготовляют и испытывают несколько (3—5) серий образцов бетона с разным содержанием воды. За оптимальный расход воды признается тот, при котором получается наибольшая прочность бетона при заданном зерновом составе заполнителя, расходе цемента и условиях уплотнения.

Бетонные смеси с легкими заполнителями готовят аналогично обыкновенным бетонным смесям, однако легкобетонную смесь следует более тщательно перемешивать. Уплотняют легкий бетон теми же методами, что и тяжелый, и формуют изделия теми же способами. Однако следует учитывать, что плотность легкого бетона можно повысить не только подбором соответствующего гранулометрического состава бетонной смеси, расходом воды и применением пластифицирующих добавок, но и интенсивным и длительным уплотнением.

Воздействие вибрирования на легкобетонные смеси отличается рядом особенностей. Большая разница в объемных весах заполнителя и цементного теста приводит при вибрировании к слабому уплотнению в нижней зоне изделия и разуплотнению смеси в верхней зоне. Поэтому легкобетонные смеси требуют вибрирования с пригрузкой, компенсирующей недостаток собственного веса заполнителей и препятствующей разуплотнению смеси. Чем меньше объемный вес заполнителя, тем большая требуется пригрузка. Свежеотформованные предельно уплотненные легкие бетоны обладают высокой структурной прочностью, позволяющей немедленную распалубку. Способы формования и ускоренного твердения изделий из легкого бетона аналогичны способам, применяемым при изготовлении изделий из тяжелого бетона.

Для сокращения технологического цикла изготовления легкобетонных изделий их подвергают тепловой обработке, которую чаще всего осуществляют в камерах пропаривания непрерывного или периодического действия, на теплых обогреваемых стендах, под колпаками, термообработкой в пакетах форм с паровыми рубашками или в вертикально-кассетных установках; используют также электропрогрев и электрообогрев и автоклавную обработку изделий.

Билет