Состав бетонной смеси
При проектировании состава бетонной смеси, как правило, исходят из необходимости получения бетона заданной прочности и консистенции при минимальном расходе цемента. Для бетонов плотной структуры требование минимального расхода цемента обеспечивается максимальным насыщением объема бетона заполнителями.
Пустотность смеси заполнителей определяет расход цементного теста. Чем меньше крупного заполнителя в смеси, тем больше пустотность и расход цементного теста. Если вообще отказаться от применения крупного заполнителя, то получают мелкозернистый бетон, пустотность заполнителя для которого в вышеприведенном примере составит 27 %, почти в 2,5 раза больше, чем при расходе на 1 м3 смеси 0,9 м3 крупного заполнителя. Соответственно возрастает и расход цемента. Поэтому, как правило, стремятся насытить бетонную смесь крупным заполнителем (не менее 0,7 м3 на 1 м3 смеси).
Н. Я. Спивак предложил оценивать зерновой состав заполнителей для легкого бетона «структурным фактором» — отношением объема мелкого заполнителя в насыпном виде к сумме пофракционных объемов мелкого (М) и крупного (К) заполнителей. Оптимальное значение этого показателя, обеспечивающее лучшие свойства легкого бетона при наименьшем расходе цемента, определяют максимумом суммы пофракционных объемов мелкого и крупного заполнителей в единичном объеме смеси, т. е. наименьшей пустотностью смеси заполнителей.
С целью снижения расхода цемента следует применять также крупный заполнитель с возможно меньшей пустотностью. Для этого составляют наиболее рациональные смеси различных по крупности фракций заполнителя.
Чем больше диапазон крупности зерен в смеси заполнителя, тем меньше может быть расход цемента, поскольку каждое более крупное зерно заполнителя замещает равновеликий объем бетонной смеси. Поэтому при бетонировании массивных сооружений помимо обычного заполнителя добавляют так называемый «изюм» — крупный булыжник, рваный камень и т. п.
Согласно СНиП, предельная крупность заполнителя должна быть не больше 3/4 расстояния между прутьями арматуры в железобетоне, или V4 наименьшего размера сечения балочных элементов, или 7г толщины плитных элементов. Следует иметь в виду, что уменьшение предельной крупности заполнителя ведет к относительному перерасходу цемента.
Цементное тесто расходуется не только на заполнение межзерновых пустот в заполнителе, но и на обволакивание всех его зерен. При этом в зависимости от вязкости цементного теста имеет место большая или меньшая раздвижка зерен заполнителя. Таким образом 1 м3 заполнителя за счет обмазки его зерен цементным тестом как бы разбухает.
Расход цементного теста на 1 м3 бетона тем больше, чем больше удельная поверхность заполнителя. При этом наибольшее значение имеет удельная поверхность песка: чем мельче зерна, тем больше удельная поверхность. Поэтому в скобках приведенных формул основной вес имеет первое слагаемое. Удельная поверхность гравия составляет 1 ... 5 см2/г, обычного песка средней крупности — 40... 70, а мелкого песка — до 200 см2/г, т. е. 20 м2/кг, или 2 га/т. Естественно, что применение слишком мелких песков ведет к перерасходу цемента.
Как указано выше, пустотность и удельная поверхность заполнителей зависят не только от крупности, но и от формы зерен. При одинаковой крупности гравий, состоящий из зерен округлой, окатанной формы, способных укладываться более компактно, отличается от щебня несколько меньшей пустотностью и меньшей удельной поверхностью зерен. Некоторые виды пористых заполнителей имеют сильно развитую поверхность, открытую пористость и повышенную пустотность (природная и шлаковая пемза, аглопоритовый щебень, топливные шлаки). Для таких заполнителей особенно важно иметь объективные оценки характеристик, получаемые при испытании в бетоне (цементном тесте).
Таким образом, от содержания и качества заполнителей зависит расход цементного теста, необходимого для получения бетона плотной структуры. Однако заполнители влияют не только на расход цементного теста, но и на его качество, поскольку связывают в бетонной смеси часть воды затворения и тем самым изменяют истинное водоцементное отношение.
Расчет водопотребности обычных заполнителей для тяжелого бетона сравнительно прост, поскольку в основном учитывает воду, добавляемую на смачивание поверхности зерен заполнителей. Если же заполнители пористые, то они способны поглотить из бетонной смеси гораздо больше воды, причем этот процесс растянут во времени.
В оценке значимости этого явления пока нет единого мнения, что связано со сложностью как самого процесса, так и его последствий.
По М. 3. Симонову, в легком бетоне на пористых заполнителях происходит процесс самовакуумирования: заполнители, как микронасосы, отсасывают воду, уплотняя тем самым цементное тесто. В результате повышается прочность цементного камня, улучшается его сцепление с поверхностью заполнителя, растет прочность бетона. Многие исследователи подтверждают эту точку зрения экспериментальными данными, согласно которым цементный камень в контактных зонах легкого бетона более прочен и имеет более плотную структуру. Н. К. Хохрин связывает с самовакуумированием повышенную химическую стойкость бетонов и в связи с этим рекомендует применять заполнители с большим капиллярным водопоглощением.
Согласно другим данным (Т. Ю. Любимовой), микротвердость цементного камня в зоне контакта с пористыми заполнителями снижается. Нередко отмечается, что если в зоне контакта с пористыми заполнителями цементный камень плотнее, то это сопровождается его разрыхлением в межзерновых зонах.
В зарубежной практике пористые заполнители, как правило, рекомендуют предварительно увлажнять. Опыты показывают, что на водонасыщенных пористых заполнителях (когда самовакуумирование исключено) получается бетон не меньшей прочности, чем на сухих.
В Одесском инженерно-строительном институте (А. А. Кучеренко и др.) изучена и предложена предварительная обработка поверхности пористого заполнителя (керамзитового гравия) эмульсией ГКЖ-94 с целью гидрофобизации. В результате водопоглощение заполнителя резко уменьшается, и это, согласно опытным данным, положительно сказывается на прочности и стойкости бетона.
Во всех случаях водопоглощение заполнителей следует определять и учитывать при проектировании состава бетонной смеси. Водопоглощение зависит от пористости заполнителей, а также и от вида пор, которые могут быть открытыми или замкнутыми, крупными или мелкими, в форме ячеек или капилляров. Наиболее интенсивный отсос влаги, который может привести к значительному обезвоживанию цементного теста и потере удобоукладываемости бетонной смеси, наблюдается при применении заполнителей с открытой мелкой пористостью, особенно капиллярной.