4. СВОЙСТВА ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ СУХИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ СМЕСЕЙ, БЕТОНОВ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ 

1.          

4.1.         Общие положения

Сухие строительные смеси (ССС) – это композиции, состоящие из вяжущего, наполнителей, заполнителей и химических добавок, приготовленные в заводских условиях.

Бетон – искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной и уплотненной смеси, состоящей из вяжущего вещества, крупных и мелких заполнителей, химических добавок и воды.

Строительные растворы - рационально составленные, однородно перемешанные смеси вяжущего вещества (цемент, известь, гипс и др.), воды, песка  и  добавок,  превращающиеся  с  течением  времени в прочное камневидное тело. 

4.2.         Вяжущие вещества в составе сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов

В качестве вяжущих веществ при производстве сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов используют цементы (портландцемент, глиноземистый цемент), строительную известь, гипс и др.

Портландцемент является главным исходным материалом для изготовления бетонов. Выбор цемента производят с учетом полного комплекса требований, предъявляемых к бетону: прочности, химической стойкости, тепловыделения, морозостойкости, водонепроницаемости, особенностей технологии изготовления изделий, их назначения и условий эксплуатации и т.д. Наиболее широко при изготовлении бетона и железобетонных конструкций применяют портландцемент и портландцемент с минеральными добавками ЦЕМ I и ЦЕМ II.

Сульфатостойкие портландцементы применяют для производства конструкций, подвергающихся действию минерализованных вод в условиях попеременного замораживания и оттаивания. Шлакопортландцементы применяют для производства подводных и подземных конструкций и при применении тепловлажностной обработки.

4.3.         Заполнители в составе сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов

Заполнители – природные или искусственные сыпучие зер­нистые каменные материалы, составляющие основную часть (75–85 %) массы сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов.

Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя улучшает технические свойства бетона: в несколько раз увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона – необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Применение заполнителей позволяет резко сократить расход цемента. В бетоне применяют крупный и мелкий заполнитель. Крупный заполнитель, зерна которого характеризуются размером 5–70 мм, подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем, зерна которого характеризуются размером 0,16–5 мм, является естественный или искусственный песок.

4.4.         Химические добавки в составе сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов

Химические добавки в сухих строительных смесях, бетонах и строительных растворах применяют: для снижения расхода цемента, улучшения технологических свойств бетонной смеси, регулирования потери подвижности смеси во времени, скорости процессов схватывания, твердения и тепловыделения, сокращения продолжительности тепловлажностной обработки бетона, ускорения сроков его распалубки; придания растворам и бетону способности твердеть в зимнее время, повышения прочности и морозостойкости, понижения водо- и газопроницаемости, повышения стойкости бетона и железобетона в различных агрессивных средах, усиления защитного действия бетона по отношению к стальной арматуре. Основные добавки к сухим строительным смесям и бетону делят на пластифицирующие, воздухововлекающие, газообразующие, уплотняющие, замедлители схватывания, ускорители твердения, противоморозные и ингибиторы коррозии стали.

Пластифицирующие добавки – поверхностно-активные вещества (ПАВ) повышают подвижность бетонной смеси, однородность, нерасслаи- ваемость, текучесть при перекачивании насосом, способствуют сохранению удобоукладываемости смеси во времени. К ним относятся: технические лигносульфонаты натрия. Супер- и гиперпластификаторы резко увеличивают подвижность бетонной смеси и существенно улучшают строительно-технологические свойства бетона. В качестве суперпластификаторов используют в основном три группы веществ: конденсаты сульфонатмеламиноформальдегида, конденсат сульфонатнафталиноформальдегида, некоторые модификации лигно-сульфонатов.

Воздухововлекающие добавки способствуют вовлечению в смесь воздуха и формированию мелких сферических пор. Такие поры повышают подвижность смеси, снижают водоотделение, повышают удобоукладываемость бетонной смеси, уменьшают расслаивание смеси при транспортировке,  также замкнутые поры снижают плотность, повышают морозостойкость, улучшают теплозащитные и другие свойства бетона. К таким добавкам относятся синтетические смолы или белковые продукты: клееканифольные, алюмосульфонафтеновые пенообразователи, смола нейтрализованная воздухововлекающая, синтетическая поверхностно-активная добавка и др.

Замедлители схватывания вводят в состав бетонных смесей с целью замедления схватывания и увеличения живучести смесей. К ним относятся лимонная кислота, винная кислота, тартрат натрия, цитрат кальция, полисахариды, глюконат натрия, лигносульфонаты натрия неочищенные, триполифосфат натрия Na₅P₃O₁₀, нитрилотриметиленсульфоновая кислота НТФ, Са(ОН)₂.

Ускорители твердения – комплексные добавки нитрит-нитрата кальция, нитрит-нитрата хлорида кальция, а также добавки СаС1₂, NaCl, Ca(NО₃)₂, К₂СО₃. Добавки-ускорители могут вызывать коррозию арматуры и появление высолов на поверхности, что ограничивает их применение.

Добавки-ингибиторы коррозии – это вещества, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость арматуры в агрессивных по отношению к ней средах. К ним относятся: нитрит натрия, нитрит-нитрат кальция, тетраборат натрия, бихромат натрия.

Действие противоморозных добавок сводится к созданию условий, обеспечивающих сохранение воды затворения в жидком состоянии при отрицательных температурах, что является совершенно необходимым для протекания процессов гидратационного твердения цемента. В качестве противоморозных добавок используют формиат кальция, формиат натрия, тиосульфат натрия, карбонат калия, карбамид (мочевина).

4.5.         Вода в составе строительных растворов и бетонов

Для приготовления строительных растворов и бетонов можно использовать любую природную воду, не содержащую солей, кислот, органических и окрашивающих примесей; водородный показатель воды должен находиться в пределах 4–12,5. Жесткие требования предъявляют к воде при изготовлении напряженных железобетонных конструкций. Содержание в ней растворимых солей не должно превышать 2000 мг/л, а ионов SO₄^2- – 600 мг/л, в воде для ненапряженных конструкций эти показатели могут быть повышены соответственно до 5000 и 2700 мг/л. Питьевую воду можно применять для приготовления бетонов без дополнительных исследований и анализов.

4.6.         Мелкий заполнитель (песок) в составе сухих строительных смесей, бетонов и строительных растворов

Пески, используемые в составе бетонов и сухих строительных смесей, должны удовлетворять следующим нормативным документам:

-       ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»;

-       ГОСТ 31424-2010 «Материалы строительные нерудные из отсевов дробления плотных горных пород при производстве щебня. Технические условия»;

-       ГОСТ 8735-88 «Песок для строительных работ. Методы испытаний»;

-       ГОСТ 29234.13-91 «Пески формовочные. Метод определения потери массы при прокаливании»;

-       ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия»;

-       ГОСТ 5578-94 «Щебень и песок из шлаков черной и цветной металлургии для бетонов. Технические условия»;

-       ГОСТ 22856-89 «Щебень и песок декоративные из природного камня. Технические условия»;

-       ГОСТ 2138-91 «Пески формовочные. Общие технические условия»;

-       ГОСТ 10832-2009 «Щебень и песок перлитовые вспученные. Технические условия».

Пески делят на природные и дробленые. Природный песок представляет собой материал с крупностью зерен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения горных пород или получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений. Природные пески подразделяют на речные, морские и горные (овражные).

Для получения дробленых песков используют изверженные, метаморфические или плотные осадочные горные породы, а также гравий. В зависимости от прочности исходной горной породы и гравия дробленые пески делят на четыре марки: 1000, 800, 600 и 400. Прочность заполнителя определяется как прочностью горной породы, из которой он получен, так и крупностью зерен. При выветривании или дроблении породы разрушение происходит по более слабым местам структуры, и с уменьше­нием размера зерен прочность их как бы повышается. Естественные породы (пес­ки) обладают прочностью при сжатии и растяжении, как правило, более высокой, чем прочность раствора или цементного камня. Превосходят по прочности раствор и крупные заполнители из прочных горных пород (гранита, диабаза и др.).

Основные свойства бетона зависят от сцепления цементного камня с заполнителями, на величину которого в значительной степени влияют форма и характер поверхности заполнителей, наличие глины, пылевидных частиц и органических примесей. Речные пески, обладающие округлой формой, не обеспечивают сцепления с вяжущим; морские пески могут содержать обломки раковин, снижающие прочность бетонов; горные пески за счет неровной поверхности обеспечивают лучшее сцепление с вяжущим, однако перед применением горных песков необходимо оценивать содержание в них глинистых, пылевидных частиц и органических примесей.

Заполнители, занимая основной объем бетона, позволяют резко сократить расход цемента и улучшить свойства бетона. Если изготавливать бетон без заполнителей, то при твердении цементного теста и превращении его в камень будут происходить значительные усадочные деформации, что приведет к его растрескиванию. В правильно подобранной бетонной смеси (форма укладки зерен песка в которой обеспечивает плотнейшую упаковку частиц) цементное тесто схватывается и твердеет в тонких пленках, обволакивающих поверхность зерен заполнителя, и в микрообъемах между этими зернами. Поэтому условий для перехода усадочных микродеформаций в макродеформации нет, а возникающие в микрообъемах усадочные напряжения воспринимаются зернами заполнителя. В результате этого усадка бетона приблизительно в 10 раз меньше усадки цементного камня.

Роль мелкого заполнителя в структурообразовании обычного бетона более значительна, чем крупного. Без крупных заполнителей можно получать бетоны, которые называют мелкозернистыми. Без мелкого заполнителя получить обычный плотный бетон невозможно.

Наиболее существенное влияние на свойства бетона оказывают зерновой состав (определяют просеиванием пробы песка через стандартные сита с ячейками размером в свету 0,16–50 мм), прочность и чистота заполнителя.

Песок содержит зерна разной крупности – от мелких пылинок до зерен размером 5 мм. Согласно ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» в зависимости от зернового состава пески подразделяют на группы по крупности (табл. 20), характеризующиеся модулем крупности М_к и полным остатком на сите с сеткой № 063. Если песок соответствует по модулю крупности одной группе, а по полному остатку на сите № 063 – другой, то группу песка определяют только по модулю крупности.

Для производства бетона и сборного железобетона зерновой со­став заполнителя подбирают, используя реальные песок и щебень, при этом устанавливают такое соотношение между фракциями песка и щебня, при котором обеспечивается формирование плотнейшей упаковки, характеризующейся минимальным количеством пустот (крупные зерна формируют каркас, в межзерновых пустотах которых располагаются мелкие частицы; в пустотах между мелкими частицами располагаются более мелкие частицы и т.д). Бетоны, в которых зерновой состав заполнителя формирует плотнейшую упаковку, требуют минимального расхода вяжущего вещества и обеспечивают высокую прочность бетона.

Таблица 20

Классификация песка по зерновому составу

С зерновым составом непосредственно связана пустотность заполнителя, зависящая от плотности укладки зерен и формы зерен песка. Пустотность является важной характеристикой, так как определяет расход цемента (чем больше пустот, тем больше требуется цемента для их заполнения) и другие свойства бетона. Пустотность за­полнителей колеблется в пределах 20–50 %. При производстве плотных бетонов целесообразно использовать такое соотношение фракций крупного и мелкого заполнителя, при котором обеспечивается формирование плотнейшей упаковки частиц и наименьшая пустотность.

Важной технологической характеристикой, позволяющей оценить влияние заполнителя на свойства бетонной смеси, является водопотребность. Она оценивается по специальной методике сравнением водопотребности цементного теста, растворных и бетонных смесей при одинаковой подвижности. Чем выше водопо­требность заполнителя, тем больше расход воды и цемента для получения бетона с определёнными заданными свойствами. В результате испытаний различных заполнителей было установлено, что водопотребность В_п песка составляет 4–14 %, а крупного заполнителя – 1–10 %. Крупнозернистые пески имеют В_п 4–6 %, пески средней крупности – 6–8 %, мелкозернистые пески – 8–10 % и очень мелкие пески – более 10 %. Стандартный Вольский песок имеет В_п 4 %. Водопотребность гравия 1–4 %, щебня из плотных изверженных пород – 2–6 %, щебня из карбонатных по­род (с учётом водопоглощения) – 5–10 %.

Глинистые и пылевидные частицы имеют размеры не более 0,05 мм. Ввиду высокой удельной поверхности они существенно увеличивают водопотребность бетонных смесей, кроме того, обволакивая зерна песка, уменьшают его сцепление с цементным камнем, что приводит к снижению конечной прочности бетонов (иногда на 30–40 %). Мел­кие пылевидные частицы песка (< 0,08 мм) снижают морозостойкость бетона. Частицы глины, содержащиеся в песке в виде комков, также снижают морозостойкость бетонов и растворов.

В соответствии с Требованиями ГОСТ 8736-2014 со­держание в песке зерен размером менее 0,16 мм не должно превышать 10 мас. %. Согласно ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» содержание пылевидных и глинистых частиц в мелком заполнителе для бетона мостовых конструкций и железобетонных шпал не должно превышать 2 мас. %. Глина в комках в крупном и мелком заполнителях для бетона транспортных сооружений не допускается.

Содержание при­месей снижают промывкой песка в специальных машинах-пескомойках. Вредны­ми примесями в песке являются слюда и соединения, вызывающие химическую коррозию бетона – сульфиты и сульфаты, гумусовые и другие органические вклю­чения, а также аморфные разновидности кремнезема.

Органические примеси (например, гумусовые кислоты, продукты распада растительных веществ, уголь, лигнит, горючие сланцы) допускаются только в очень незначительном количестве, так как они способствуют увеличению сроков схватывания и твердения цемента и (особенно органические кислоты) снижению прочности, в некоторых случаях способствуют разрушению цемента. Определение содержания органических примесей в песке проводят  колориметрическим методом.

Природные пески могут поставляться потребителю в естественном состоянии, с разделением на фракции или в виде смесей различных фракций, с улучшенным зерновым составом (обогащенный песок).

Важнейшими характеристиками заполнителей, определяющими технологические свойства бетонов, сухих строительных смесей и свойства затвердевшего строительного раствора, являются:

-       зерновой состав и модуль крупности;

-       содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц;

-       содержание органических примесей;

-       плотность;

-       объемная насыпная масса и пустотность;

-       влажность.