Высокопрочный бетон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сегодняшние тенденции в разработке новых строительных материалов показывают, что наибольшее количество научных трудов посвящено бетону. Ни один сложный строительный объект не может обойтись без использования бетона. Благодаря таким наукам как физика и химия прогресс не стоит на месте: технологии развиваются, качество улучшается, востребованность и спрос повышаются. Актуальность бетонной тематике придает постоянно растущий спрос на бетон, как следствие все острее ставится вопрос об улучшении прочностных характеристик и свойств.

Всё чаще строятся здания, для обеспечения долговечности и прочности которых актуальны высокопрочные бетоны.

Прочность, долговечность и другие свойства бетона в значительной мере зависят от качества исходных материалов. В зависимости от назначения и условий эксплуатации бетона к составляющим его компонентам предъявляют соответствующие требования.

Сегодня строительство ведется с применением новых технологий, но без цемента невозможно построить ни одно здание. Цемент - это основной строительный материал при возведении монолитных домов из бетона. Темпы жилищного строительства не снижаются, соответственно, потребность в цементе тоже остаётся на прежнем уровне.

Помимо железобетонных изделий на строительном рынке появились и новые материалы для строительства, такие, например, как стеновые блоки. Для их изготовления используют различные наполнители и обязательно цементный раствор.

Конечно, появились некоторые эффективные новые и усовершенствованные пластифицирующие добавки, которые позволяют расширить сырьевую базу для приготовления высокопрочных бетонов. Изучены свойства бетонов с такими добавками, уточнена и расширена номенклатура изделий и конструкций из высокопрочных бетонов, накоплен опыт их изготовления. Но основные качества бетона в первую очередь зависят от качества цемента и техники производства.

1. Высокопрочные цементы

1.1 Цемент

Цемент - искусственное неорганическое вяжущее вещество. Один из основных строительных материалов. При затворении водой, водными растворами солей и другими жидкостями образует пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается в камневидное тело. В основном используется для изготовления бетона и строительных растворов. Цемент является гидравлическим вяжущим и обладает способностью набирать прочность во влажных условиях.

На сегодняшний день цемент является одним из важнейших материалов современного строительства, без применения которого нельзя представить ни одного крупного здания и строительного объекта наших дней. Производство всех видов бетона, бетонных и железобетонных изделий, асбестоцементных изделий, строительных растворов и остального основано на использовании цемента. Таким образом, с уверенностью можно говорить о том, что именно от качества этого материала во многом зависит крепость, надежность и устойчивость объектов строительства.

Цемент и вода - ключевые компоненты бетона. На них возложена основная функция - связать все компоненты в единую монолитную структуру. Соблюдение правильной пропорции этих двух компонентов (водоцементное отношение) - главнейшая задача в производстве бетона.

1.2 История цемента

Первым природным вяжущим была глина. Глина и жирная земля после смешивания с водой и высыхания приобретали прочность. А первый ранний предшественник бетона был обнаружен на территории Югославии, ориентировочный возраст находки - более 5000 лет до н.э.

В плане массового использования при строительстве, более чем за 3 тыс. лет до н. э., в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие - такие как гипс.

В Киевской Руси основным связующим материалом была известь. Получали ее путем обжига известняка в специальных печах, которая позже гасилась в специальных ямах. В 1584 г. в Москве был учрежден "Каменный приказ", который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также изготовлением извести. В частности в Москве появились первые производители - cухих строительных смесей - назывались они "сементом".

В 1829 г. профессор Фукс показал, что всякий кремнеземистый минерал может быть годен для гидравлического цемента, если его подвергнуть обжигу.

Джеймс Паркер открыл, что глинистые почвы с 30-35% глины после обжигания и измельчения дают цемент, на производство которого он и взял патент, назвав свой цемент - романским.

В 1825 году в Петербурге Е.Г.Челиев в книге "Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений" обобщил опыт улучшения свойств вяжущих материалов: при обжиге в горне на сухих дровах смеси извести и глины до "белого жару" получался спекшийся продукт, способный твердеть в воде. Егор Герасимович Челиев является изобретателем современного цемента.

В 1824 году Д. Aспдин получил разновидность романцемента, который он назвал его в честь острова Портланд, где брал материал - портландцементом.

Описанное Е.Г. Челиевым, ближе по свойствам к современному портландцементу, а по качеству превосходило портландцемент Аспдина.

Дело Челиева продолжили русские ученые Р. Л. Шуляченко, А. А. Байков, В. А. Кинд, С. И. Дружинин, В. Н. Юнг, П. П. Будников, В. Ф. Журавлев и Д.И. Менделеев.

1.3 Состав цемента

Цемент получается при нагревании гашёной извести и глины или других материалов сходного валового состава и достаточной активности до температуры 1450 °С. Происходит частичное плавление, и образуются гранулы клинкера. Для получения цемента клинкер перемешивают с несколькими процентами гипса и тонко перемалывают. Гипс управляет скоростью схватывания; его можно частично заменить другими формами сульфата кальция. Некоторые технические условия разрешают добавлять другие материалы при помоле. Типичный клинкер имеет примерный состав 67% СаО, 22% SiO, 5% AlО, 3% FeO и 3% других компонентов и обычно содержит четыре главные фазы, называемые алит, белит, алюминатная фаза и алюмоферритная фаза.

Алит является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров; содержание его составляет 50-70%. Это трехкальциевый силикат, СаSiO, состав и структура которого модифицированы за счет размещения в решетке инородных ионов, особенно Mg+, Al+ и Fe+. Алит относительно быстро реагирует с водой и в нормальных цементах из всех фаз играет наиболее важную роль в развитии прочности; для 28-суточной прочности вклад этой фазы особенно важен.

Содержание белита для нормальных цементных клинкеров составляет 15-30%. Это двукальциевый силикат CaSiO, модифицированный введением в структуру инородных ионов и обычно полностью или большей частью присутствующий в виде в-модификации. Белит увеличивает прочность в поздние сроки.

Содержание алюминатной фазы составляет 5-10% для большинства нормальных цементных клинкеров. Это трехкальциевый алюминат 3СaAS(3CaO*AlO*SiO), существенно измененный по составу, а иногда и по структуре, за счет инородных ионов. Алюминатная фаза быстро реагирует с водой и может вызвать нежелательно быстрое схватывание, если не добавлен контролирующий схватывание агент- гипс.

Ферритная фаза составляет 5-15% обычного цементного клинкера. Это -- четырехкальциевый алюмоферрит 4СaAFS(4CaO* AlO* FeO * SiO), состав которого значительно меняется при изменении отношения Al/Fe и размещении в структуре инородных ионов.

1.4 Активность цемента

При производстве высокопрочного бетона основную роль играет активность цемента, либо активность другого применяемого вяжущего компонента смеси. Активность цемента зависит от множества факторов. Сроки изготовления цемента, условия хранения цемента оказывают заметное влияние на его активность. Однако основным фактором, влияющим на активность цемента, являются показатели его удельной поверхности. Чем выше показатели удельной поверхности, тем выше активность цемента. Способ активации цемента методом дополнительного помола основан именно на этом принципе.

Увеличение удельной поверхности цемента всего на 2.8 % (с 283м2 /кг до 291м2 /кг) увеличивает его активность на 5 %.

Увеличение активности цемента на 5% позволяет получать строительные растворы и бетоны, прочность которых в первые сутки нормального твердения увеличивается на 45% от прочности контрольных образцов.

Таким образом, относительно небольшое увеличение активности цемента дает ощутимый прирост прочности готового материала.

В производстве пенобетона либо полистиролбетона рекомендуется применять именно легкое доизмельчение цемента, как наиболее экономически выгодное. Для активации цемента на 3-5% возможно применение доступных агрегатов-измельчителей-дезинтеграторов, для которых характерны низкая энергонагруженность, высокая производительность и, что немаловажно, небольшая себестоимость активации цемента.

Так, расход электроэнергии, затрачиваемой на 5% активацию одной тонны цемента измельчителем-дезинтегратором, не превышает 4.3 кВт, при установленной мощности агрегата около 15кВт. Применение измельчителя- дезинтегратора для помола цемента в производстве пенобетона и полистиролбетона позволяет получать строительные материалы повышенной прочности при сокращении сроков выдержки материала в формах.

Активация цемента на 5% в измельчителе-дезинтеграторе происходит за один прогон, при повторном прогоне активность цемента возрастает.

Особая ценность методики активации цемента в производстве теплоэффективных материалов - это возможность применения лежалого цемента и цемента невысокого качества без ухудшения технических характеристик выпускаемого материала. Применение активированных компонентов смеси в производстве пенобетона и полистиролбетона позволяет получать материал стабильно высокого качества.

Наиболее впечатляющие результаты увеличения прочности межпоровых стенок в пенобетоне и полистиролбетоне низких плотностей (менее 700 кг/м3 ) достигаются при организации совместного помола цемента и песка. При этом измельчитель-дезинтегратор играет роль не только агрегата измельчителя, но и выполняет функцию смесителя сыпучих материалов. Применение метода совместного помола сухих составляющих пенобетона и полистиролбетона позволяет получить совершенно однородную цементно-песчаную смесь на основе активированного цемента и песка заданного гранулометрического состава. Как результат, увеличение прочности материала, как в первые сутки твердения, так и на 28 сутки, сокращение времени выдержки материала в формах, снижение расхода цемента и возможность применения цемента невысокого качества.

1.5 Марки цемента

Цемент различается по марке и по количеству добавок.

Марка цемента отображается аббревиатурой ПЦ или М, например М500 обозначает, что цемент пятисотой марки и выдерживает давление в 500 кг на кубический сантиметр.

Количество добавок отображается буквой Д и процентом содержания добавок. Соответственно Д20 - это цемент содержащий 20% добавок. Добавки влияют на пластичность цемента и прочностные характеристики.

Цемент марки ПЦ 500-Д0 применяется при производстве ответственных бетонных и железобетонных конструкций в промышленном строительстве, где предъявляются высокие требования к водостойкости, морозостойкости, долговечности. Цемент этой марки эффективен при проведении аварийных ремонтных и восстановительных работ ввиду высокой начальной прочности бетона.

Цемент марки ПЦ 500-Д20 применяется в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительстве для производства сборного железобетона, фундаментови плит перекрытий. Цемент этой марки обладает водостойкостью, морозостойкостью, пониженной сопротивляемостью коррозионным воздействиям по сравнению с обычным портландцементом.

Цемент марки ПЦ 400-Д0 используется для производства сборных бетонных и железобетонных конструкций с применением термовлажностной обработки, а также для бетонных, железобетонных подземных, надземных и подводных сооружений, подвергающихся действию пресных и минерализированных вод. Цемент этой марки успешно зарекомендовал себя для изготовления бетонных и строительных растворов.

Цемент марки ПЦ 400-Д20 применяется в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительстве для производства сборного железобетона, фундаментов, балок, плит перекрытий, стеновых панелей. Цемент этой марки обладает хорошей водостойкостью и морозостойкостью.

Также существую марки М600, М700, М800, М900 и М1000. Но они реже встречаются в строительстве, так как зачастую их неэкономично использовать. М600 или М700 можно получить из марки М500 путем повышения марки или использования активных добавок.

1.6 Технология получения высокопрочных бетонов

Под высокопрочным бетоном мы понимаем плотные бетоны класса прочности выше C55 (данная цифра обозначает характерную прочность на сжатие выдержанного в воде бетонного цилиндра высотой 300 мм и диаметром 150 мм в возрасте 28 дней).

Исходные материалы. Состав

Готовая бетонная смесь, она же товарный бетон - подвижный состав из четырёх основных компонентов, замешиваемых в определенной пропорции: цемент, щебень, песок, вода.

При выборе цемента следует обратить внимание на следующие позиции: - совместимость цемента и пластификатора; - водопотребление или тонкость помола; - характер нарастания прочности и желаемое значение конечной прочности; - характер выделения тепла в процессе гидратации с учетом размеров строительной конструкции.

Чтобы получить высокую начальную прочность, необходимо использовать портландцемент (CEM I). Как показывает опыт, в случае производства крупногабаритных элементов или при повышенной температуре окружающей среды целесообразно скомбинировать портландцемент и шлакоцемент, заменив также одну часть портландцемента на золу-унос каменного угля. Чтобы уверенно выйти на прочность выше100 Н/куб. мм, рекомендуется применять мелкий базальтовый, габбровый или гранитный щебень. Марка щебня должна быть примерно в 2 раза больше, нежели расчётная марка бетона. Делается это из-за того, что проектная (28 суточная) марка бетона - всегда значительно ниже, чем его реальная прочность, которую он наберёт через полгода или год. В качестве минеральных добавок при производстве высокопрочных бетонов используются: микрокремнезем, зола-унос каменного угля, метакаолин, нанокремнезем (кремневая кислота) и каменная мука (кварцевая и известняковая мука).

1.7 Водоцементное отношение

Для производства высокопрочного бетона водоцементное отношение (отношение В/Ц) должно быть значительно ниже 0,4 , за счет чего уменьшается пористость и повышается прочность матрицы цементного камня. При минимальном отношении В/Ц и, следовательно, низком содержании воды в смеси удобоукладываемость бетона в реальных условиях достигается лишь за счет увеличения содержания вяжущего и особенно за счет добавления пластификатора.

На практике правильно запроектировать состав бетона можно только экспериментальным подбором параметров под заданные свойства, т.е. из выбранных материалов готовят бетонную смесь и бетон произвольного состава и определяют их свойства путем испытаний. Если эти свойства не соответствуют заданным, то изготавливают образцы другого состава, снова испытывают и т. д. Важно, чтобы эта работа была выполнена при минимальных затратах труда и не содержала бы лишних опытов.

Ориентировочно оценить величину водоцементного отношения, обеспечивающую заданную прочность бетона , можно из уравнения:

, где

А - коэффициент, зависящий от вида и качества заполнителей; плотность бетона в течении 28 суток; - плотность цемента; ? размер заполнителя.

Таким образом получается, что водоцементное отношение равно:

Зачастую на практике содержание воды в растворе многократно превышает теоретическую норму, в таком случае прочность бетона уменьшается, за счет того, что вода в этом случае не впитывается, а остается между частицами смеси, образовывая поры. Прочность цементной матрицы уменьшается.

Для уменьшения начального водосодержания и водопотребности бетонной смеси высокопрочных бетонов следует:

применять жесткие и умеренно жесткие бетонные смеси;

применять хорошо фракционированный предварительно промытый крупный заполнитель;

одновременно с этим уменьшать содержание песка в смеси заполнителей, применяя предварительно промытый крупнозернистый фракционированный песок;

в тех случаях, когда это допустимо, следует применять пластифицирующие поверхностно-активные добавки.

1.8 Процесс затвердевания бетона, аутогенная усадка

Благодаря относительно высокому содержанию цемента, использованию микрокремнезема и низкому водоцементному отношению высокопрочные бетоны при затвердевании развивают следующие качества (в сравнении с традиционными бетонами): - более быстрое нарастание температуры в строительной конструкции; - повышенная скорость потребления и связывания воды в процессе гидратации; - ускоренное нарастание прочности в первые дни.

Недостатком подобных бетонов по сравнению с традиционными бетонами является их более интенсивная аутогенная усадка, то есть изменение объема, которое под влиянием изотермических условий происходит в бетонном образце, помещенном в герметичное пространство. Она является результатом химической усадки и, в общих чертах, ассоциируется с «внутренним высыханием» цементного камня (при отношении В/Ц ниже 0,4 содержание воды недостаточно для обеспечения полноценной гидратации цемента). Аутогенная усадка уже впервые дни после бетонирования может привести к возникновению сильного напряжения на растяжение и, следовательно, к трещинообразованию. В отличие от сухой усадки аутогенную усадку невозможно уменьшить путем внешнего ухода за бетоном.

Наиболее эффективным средством борьбы с трещинообразованием в высокопрочных бетонах, вызванным аутогенной усадкой, является внутренний уход путем введения равномерно распределенных по всему объему бетона микровключений, содержащих свободную воду. Перспективным представляется использование полимеров, обладающих высокой абсорбирующей способностью и играющих роль накопителей. Полимеры SAP добавляются в бетон в виде порошка и в процессе перемешивания поглощают воду, образуя, таким образом, микроскопические водяные поры.

Внутренний уход позволил значительно сократить аутогенную усадку, не оказав при этом негативного воздействия на удобоукладываемость бетона (осадка конуса -- 780 мм), а также его прочность на сжатие и на изгиб.

1.9 Механические свойства

Высокопрочные бетоны значительно быстрее набирают прочность, чем традиционные бетоны. Причиной этому служит низкое водоцементное отношение, а также более активное выделение тепла вследствие быстрой гидратации и высокого содержания цемента. Нарастание прочности на растяжение и модуля упругости по времени происходит еще быстрее, чем рост прочности на сжатие. Соответственно повышению класса прочности бетона на сжатие уменьшается прирост прочности бетона на растяжение.

Высокопрочные бетоны отличаются большей хрупкостью по сравнению с традиционными бетонами, что обусловлено их более гомогенной структурой в отличие от бетонов обычной прочности. Трещины быстро распространяются по всей структуре, что приводит к образованию плоскостных изломов и к растрескиванию зерен заполнителя.

Процессы, которые с течением времени вызывают деформации бетонов обычной прочности, как правило, также характерны для высокопрочных бетонов, однако с некоторыми отличиями: - уменьшение деформации ползучести; - уменьшение влияния толщины строительной конструкции и относительной влажности воздуха окружающей среды; - сокращение сухой усадки (за счет выделения влаги в окружающую среду); - увеличение аутогенной усадки вследствие внутреннего высыхания.

Долговечность

Благодаря малому объему капиллярных пор скорость проникновения жидких и газообразных веществ в высокопрочный бетон значительно ниже аналогичных показателей бетонов обычной прочности. Следовательно, от подобных бетонов мы можем ожидать как значительно более низких темпов проникновения агрессивных сред (что является преимуществом с точки зрения коррозионной защиты арматуры), так и более высокой устойчивости к химическому воздействию, среди прочего, антигололедных реагентов (технической соли), а также при износе.

При оценке долговечности высокопрочных бетонов прогнозирование образования трещин, возникающих на поверхности бетона или в матрице вследствие, например, аутогенной усадки, до сих пор представляется проблематичным.

Судить о подобных трещинах мы можем, например, по измерениям проницаемости кромочных зон бетона. При определении глубины карбонизации высокопрочных бетонов максимальный уровень карбонизации также зафиксирован в зонах трещинообразования.

При пожаре высокопрочные бетоны в отличие от бетонов обычной прочности значительно теряют в прочности уже при температуре ниже 3000C. Если конструкции из высокопрочного бетона усилены стальной арматурой, период огнестойкости определяется, в основном, началом откалывания бетонного слоя поверх арматуры.

С увеличением плотности цементной матрицы затрудняется процесс выхода водяного пара, возникшего в результате нагревания. Из-за высокого внутреннего давления увеличивается опасность взрывоподобного скалывания бетонного слоя. Данную проблему можно решить путем добавления полипропиленовой фибры, которая при температурах около 150-1700C начинает плавиться, образуя каналы, благодаря которым давление пара понижается.

Сверхпрочные бетоны.

Интересной разработкой является так называемый сверхэффективный бетон (UHPC = Ultra High Performance Concrete), прочность которого колеблется в пределах 150 МПа и 250 МПа.

Данный бетон позволяет создавать конструкции и сооружения, отличающиеся одновременно как высокой несущей способностью, так и тонкостью контуров и долговечностью. Помимо правил производства высокопрочных бетонов для изготовления UHPC были разработаны следующие технологические требования: - дальнейшее сокращение водоцементного отношения до В/Ц = 0,2; - непременное использование микрокремнезема и пластификатора; - оптимизация плотности упаковки зерен заполнителя вплоть до нановеличин; - ограничение максимального размера крупнейших зерен до 8 мм, как правило, до 2 мм; - использование заполнителей из горных пород повышенной прочности; - в некоторых случаях затвердевание в условиях повышенного давления (примерно до 500 бар) и повышенной температуры (до 2500C).

С целью сокращения взрывоопасного скалывания материала и повышения его прочности на растяжение или на изгиб добавляют, как правило, от 1,5 до 2,5% от объема мелкой стальной фибры.

Выводы

Для получения высокопрочного бетона важно соблюдать требования к качеству составляющих, тщательно подбирать гранулометрический состав заполнителей, устанавливать правильное соотношение между песком и щебнем, пользоваться пластификаторами. Также при выборе цемента необходимо уделить внимание тонкости помола и совместимости с пластификатором. Однако основные качества бетона в первую очередь зависят от качества цемента и техники производства. Необходимо правильно задавать водоцементное отношение. Высокая прочность и низкая проницаемость делают такие бетоны незаменимыми при изготовлении долговечных конструкций. Наиболее радикальный способ повышения прочности высокопрочном бетоне -- это использование возможно более жестких смесей с пониженными расходами воды. А также добавление полимеров SAP способствует увеличению прочности бетона в первые дни.

Список литературы

1. Ивашкин А.Д. Цемент: вопросы качества // Вестник строительного комплекса. -СПб.: Ведомости строительного комплекса, 2007. № 4. - с. 28-30.

2. Мельников А.В. Бетоны и ЖБИ: технологии, оборудование. Высокопрочные и сверхпрочные бетоны // СтройПРОФИль. - СПб.: СтройПром, 2008. №8 - с. 5-7.

3. Брег О.Я., Щербаков Е.Н., Писанко Г.Н. Высокопрочные бетоны. - М.: Стройиздат, 1971. -- 96с.

4. ШейкинА. Е. К вопросу прочности, упругости и пластичности бетона. Труды МИИТ, вып. 69. - М.: Трансжелдориздат, 1946. - 216 с.

5. Михайлов В.В. Гидравлические вяжущие // Цемент и его применение. - СПб.: Журнал цемент, 2005. №8. - с. 13-14.

6. Касторных Л.И. Технология строительного производства.Учебно-справочное пособие. - Ростов на Дону: Феникс, 2005. - 84с.

Размещено на Allbest.ru