1. Аналитический обзор информации по применению мелких песков в составах бетонных смесей
1.1 Мелкозернистые бетоны: области применения, составы, требования к качеству
Основным строительным материалом, обеспечивающим высокую несущую способность и длительный срок службы, является бетон [1]. Развитие современного бетоноведения направлено на повышение физико – механических характеристик бетона, а также на снижение затрат при производстве и эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций.
В настоящее время одним из приоритетных направлений развития промышленности строительных материалов является производство песчаных бетонов и изделий из них. Песчаный бетон – это распространенная разновидность мелкозернистого бетона, которая не содержит крупного заполнителя. Сравнительно высокая удельная поверхность заполнителя в песчаном бетоне обусловливает повышенный (на 20 – 40 %) расход цемента, необходимый для заполнения межзерновых пор и создания достаточной обмазки цементного теста. Снижение расхода цемента достигается выбором оптимального гранулометрического состава заполнителя, введением активных минеральных добавок и микронаполнителей, применением суперпластификаторов и эффективных способов уплотнения.
Наибольшая прочность изделий из мелкозернистого бетона достигается при оптимальном соотношении между цементом и песком (Ц:П). Качество заполнителя для мелкозернистых бетонов сказывается на его основных свойствах в большей мере, чем для обычных тяжелых бетонов. Поданным Ю.М. Баженова, замена в песчаном бетоне крупного песка мелким может уменьшать прочность на 25 – 30 %, а иногда в 2 – 3 раза. Как при оптимальном В/Ц, так и при одинаковой удобоукладываемости смеси при применении песка средней крупности наиболее экономичные составы, обеспечивающие минимальное отношение расхода цемента к прочности
бетона, достигаются при Ц:П = 1:2 – 1:3. При переходе на мелкозернистые пески оптимальными оказываются составы 1:1 – 1:1,5.
Особенностью мелкозернистых бетонных смесей является повышенное воздухововлечение. Введение суперпластификаторов позволяет существенно снизить В/Ц без изменения подвижности, что приводит соответственно к увеличению класса мелкозернистых бетонов по прочности. Для мелкозернистых бетонов характерно повышенное отношение прочности на растяжение и изгиб к прочности на сжатие. При равной прочности на сжатие прочность при изгибе для мелкозернистых бетонов на 10 – 15 % выше, чем у обычных. Повышенные значения прочности при растягивающих и изгибающих напряжениях мелкозернистых бетонов объясняются большой однородностью их структуры. Особенности структуры сказываются также на деформативных свойствах мелкозернистых бетонов. Они имеют модуль упругости на 20 – 30 % ниже, чем у обычного бетона, более высокие значения усадки и ползучести. Деформативность и ползучесть могут быть значительно снижены за счет повышения жесткости бетонных смесей, применения силовых методов уплотнения [3].
Преимуществами использования высокопрочных песчаных бетонов являются:
• Снижение массы конструкций в несущих железобетонных элементах зданий за счёт уменьшения объёма бетона (до 50 %), приводящее к экономии всех материалов, входящих в состав бетона, а при равных размерах и к сокращению расходов арматурной стали (до 30 %), при этом также снижается трудоёмкость изготовления, транспортные расходы и приведённые затраты [4];
• Получение высокопрочных изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками [5];
• Текучесть и пластичность раствора позволяют создавать конструкции различной формы методом литья; 11
• Структура мелкозернистого бетона позволяет длительно транспортировать его в бетономешалаках-миксерах без расслаивания;
• Мелкозернистые бетоны отличаются большей однородностью структуры за счёт отсутствия крупного заполнителя и лучшего сцепления цементного камня с песком, что приводит к увеличению прочности на растяжение;
• Значительное содержание воздушных пор увеличивает морозостойкость мелкозернистого бетона в сравнении с обычным тяжёлым бетоном до двух раз.
Традиционное применение мелкозернистого бетона – регионы, где отсутствует крупный заполнитель. Отказ от привозного заполнителя в таких случаях даёт существенную экономию. Расширение применения тонкостенных и густоармированных конструкций требует снижения крупности заполнителей, что также увеличивает возможности использования мелкозернистого бетона. Эффективность применения мелкозернистого бетона возрастает в тех случаях, когда его состав определяется не прочностью на сжатие, а свойствами, которые имеют у него повышенные значения. Это в первую очередь прочность при растяжении и морозостойкость. В таких случаях разница в расходах цемента по сравнению с обычным бетоном уменьшается. Сочетание повышенной прочности при растяжении и значительной морозостойкости привело к широкому применению мелкозернистого бетона при строительстве дорог, производстве тротуарной плитки и бордюров. Помимо этого, мелкозернистый бетон применяется при производстве тонкостенных, в том числе армоцементных конструкций, стеновых блоков, черепицы, фасадной плитки, бортового камня для магистралей и газонов, водосточных желобов и других изделий.
Требования к материалам для бетона:
Цементы, крупный и мелкий заполнители, вода и добавки должны соответствовать требованиям стандартов и технических условий с учетом требований ГОСТ 31384.
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов ГОСТ 26633-2015 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия в материалах, применяемых для приготовления бетонных смесей, не должна превышать предельных значений, установленных ГОСТ 30108.
Возможность применения материалов для бетона, показатели качества которых не соответствуют требованиям настоящего стандарта, должна быть подтверждена обосновывающими исследованиями.[29]
Требования к бетонным смесям:
Бетонные смеси должны соответствовать требованиям ГОСТ 7473.
Состав бетонной смеси следует подбирать по ГОСТ 27006 с учетом требований ГОСТ 31384. Подбор состава бетонной смеси для бетона сооружений классов КС-2 и КС-3 по ГОСТ 27751 проводят в лабораториях, соответствующих требованиям ГОСТ ИСО/МЭК 17025.
Бетонные смеси для бетонов марки по морозостойкости ГОСТ 26633-2015 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия (ГОСТ 26633-2015 Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия) и выше следует изготовлять с применением воздухововлекающих (газообразующих) добавок. Содержание вовлеченного воздуха в бетонной смеси должно быть не менее 4%.
При назначении к бетону нескольких проектных требований состав бетонной смеси должен обеспечивать получение бетона с нормируемыми показателями в соответствии с требованиями настоящего стандарта. [29]
1.2. Маркетинговое исследование по производству мелкозернистых бетонов в регионе.
Для маркетингового исследования по производству мелкозернистых бетонов в Саратовской области, было принято составить таблицу № самых востребованных смесей пескобетона с их характеристикаи и стоимостью.
Табл.№1. Перечень востребованных смесей пескобетона.
Название Характеристики Изображение цена
Пескобетон Русеан
М-300, 40 кг
марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
время твердения 2 дн
морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 20 - 22 кг/м?
195 руб
Пескобетон
Каменный Цветок
М300, 40 кг марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
время твердения 1 дн
морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 15 - 17 кг/м?
207 руб
Пескобетон Титан М300, 40 кг марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
• время твердения 1 дн
• морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 22 кг/м?
100 руб
Пескобетон ФИНСТРОЙ М-300, 40 кг марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
• время твердения 1 дн
• морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 15 - 17 кг/м?
85 руб
Пескобетон Holcim М300, 40 кг марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
• время твердения 1 дн
• морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 18 - 20 кг/м?
165 руб
Пескобетон Luix М-300, 40 кг марка: М300 жизнеспособность раствора 120 мин.
• время твердения 1 дн
• расход смеси (слой 10 мм): 18 кг/м?
• расход воды (на 1 кг) 0.2 л
135 руб
Пескобетон Сибирский цемент М-300, 40 кг марка: М300
жизнеспособность раствора 120 мин.
• время твердения 3 дн
• морозостойкая смесь
• расход смеси (слой 10 мм): 16 - 19 кг/м?
120 руб
Средняя цена за мешок пескобетона 40кг, марки М300, в Саратовской области равна 144 рубля. Рассмотрим самый востребованный в регионе пескобетон "Русеан" подробнее. Производитель пескобетона "Русеан" утверждает, что материал обладает высокой прочностью, устойчивостью к температурным воздействиям и коррозии, при этом быстро схватывается и твердеет, поэтому его применяют в следующих случаях:
• Создание бетонных стяжек и монолитных полов с высокой устойчивостью к износу.
• Заделка швов, выравнивание оснований из цементно-песчаных или бетонных составов.
• Ремонт горизонтальных и вертикальных бетонных поверхностей, реконструкция фундаментов, монтажные работы различной сложности.
• Укладка выравнивающей стяжки в помещениях с нормальным уровнем атмосферной влажности (жилые комнаты, бытовые, административные здания, хозяйственные постройки).
• Фасадные работы, монтаж цокольных отделочных материалов.
Характеристики пескобетона «Русеан» М300 подходят для строительных работ при возведении бытовых помещений, промышленных объектов разного масштаба и сложности, обустройства подвалов, этажей в цоколе. Свойства материала позволяют применять его как для внутренних задач, так и для работ с фасадом и фундаментами. Пескобетон "Русеан" отличается стоимостью выше средней в регионе, однако удерживать лидерство на рынке ему помогают следующие качества и характеристики заявленные производителем:
• Универсальность применения, возможность использования как для решения бытовых задач, так и для удовлетворения крупных строительных нужд.
• Материал нечувствителен к низким температурам.
• Пескобетон не боится высокой влажности.
• Затвердевание происходит спустя 2 дня с момента укладки, сами работы можно проводить даже при нулевой температуре воздуха.
• Устойчивость к расслоению и коррозийным эффектам.
• Легкость в приготовлении смеси и ее укладке, раствор можно использовать на протяжении 2,5-3 часов с момента добавления воды.
• Готовая поверхность обладает стойкостью к усадке и серьезным механическим воздействиям: конструкция из состава марки М300 выдерживает постоянное давление в 300 кг на квадратный сантиметр.
• Доступная стоимость.
Рис№.Характеристики пескобетона «Русеан»
В выпускной квалификационной работе принято решение подобрать состав сырьевой смеси так, чтобы по показателям она не уступала . Пескобетон "Русеан".
1.3. Сырьевые материалы для изготовления мелкозернистых бетонов
Мелкозернистый бетон получают из смеси мелкого заполнителя, цемента и воды в определённых пропорциях. Для повышения экономической эффективности и снижения расхода вяжущего в состав бетонной смеси вводят химические и минеральные добавки. Технические требования к материалам для мелкозернистого бетона приведены в ГОСТ 26633–2015 [6].
В качестве мелкого заполнителя применяется песок, состоящий из зёрен размером 0,16–5 мм и имеющий плотность более 1,8 г/см3 . Для приготовления мелкозернистого бетона применяют природные пески, образовавшиеся в результате естественного разрушения горных пород, а также искусственные, полученные путём дробления твёрдых горных пород и из отсевов.
Качество песка, применяемого для изготовления бетона, определяется минеральным составом, зерновым составом и содержанием вредных примесей. Заполнитель должен состоять из зёрен разных фракций, при этом зерновой состав заполнителя устанавливается на основе проверенных рекомендаций таким образом, чтобы зёрна меньшего размера располагались в пустотах между крупными.
Мелкие частицы (пыль, ил, глина) увеличивают водопотребность бетонных смесей и расход цемента в бетоне. Потому содержание в песке зёрен, проходящих через сито 0,16 мм, должно быть не более 10 % по массе, при этом количество пылевидных, илистых и глинистых частиц, определяемых отмачиванием, не должно превышать 3 %. Глина набухает при увлажнении и увеличивается в объёме при замерзании, снижая морозостойкость. Поэтому содержание глины в песке строго ограничивается, тем более не должно быть комков глины и суглинка [7]
Наиболее универсальным и эффективным способом модифицирования структуры и регулирования свойств бетона является введение в бетонную смесь дополнительных компонентов – добавок. В настоящее время в экономически развитых странах практически весь выпускаемый бетон изготавливается с применением добавок, номенклатура которых чрезвычайно многообразна. Они, как правило, оказывают комплексное воздействие на бетонные смеси и затвердевший бетон [3].
Табл 2. Классы добавок, в зависимости от основного эффекта
В соответствии с ГОСТ 24211–2008 [8] добавки, применяемые для модифицирования свойств смесей, бетонов и растворов, в зависимости от основного эффекта действия подразделяют на классы, приведённые в таблице 1.
В технологии бетона наибольшее распространение получили пластифицирующие добавки (пластификаторы), улучшающие подвижность бетонной смеси без увеличения водосодержания и снижения прочности. Они позволяют также уменьшать водосодержание без ухудшения удобоукладываемости бетонных смесей и достигать улучшения основных свойств бетона или при заданных свойствах бетона уменьшать необходимый расход цемента
В соответствии с эффективным пластифицирующим действием, то есть увеличением подвижности бетонной смеси без снижения прочности бетона, пластификаторы делят на 4 категории, представленные в таблице 3.
Табл 3. Классификация пластификаторов бетонных смесей.
Суперпластификаторы (СП) начали применять в производстве бетона в начале 1970-х годов. Благодаря им оказалось возможным существенно улучшить свойства бетона без увеличения расхода цемента, получать бетоны из самоуплотняющихся смесей при умеренном водосодержании, высокопрочные бетоны на обычных портландцементах и заполнителях, обладающие низкой проницаемостью, высокой коррозионной стойкостью и т.д. Введение СП является в настоящее время обязательным условием производства высококачественных, высокотехнологичных бетонов [3]. В группу минеральных добавок относят неорганические порошкообразные вещества, вводимые в бетонную смесь для экономии цемента и регулирования свойств бетона. В качестве минеральных добавок возможно использование отходов металлургии, горной, химической и других видов промышленности, природные и искусственные материалы различной гидравлической активности [9].
Условно все добавки можно разделить на 3 группы:
– неактивные минеральные добавки (глинистые грунты, молотый кварцевый песок, пылевидная фракция отходов дробильно-сортировочных заводов и другие);
– активные минеральные добавки (способные связывать CaO или известь при гидратации минералов цемента: микрокремнезём, молотые шлаки, зола уноса ТЭС и другие);
– добавки, способные химически взаимодействовать с водой затворения и твердеть при нормальных условиях (глинозёмистый цемент) [10].
Такие добавки как доменные гранулированные шлаки содержат вещества, обладающие при определенных условиях (тепловлажностная обработка, введение активизаторов) вяжущими свойствами. Другие добавки преимущественно пуццоланового типа (низкокальцивая зола-унос, ряд других техногенных продуктов, а также природных материалов вулканического или осадочного происхождения) приобретают вяжущие свойства лишь в смеси с известью.
К высокоактивным минеральным добавкам в бетон, все шире применяемым в последние десятилетия, относятся ультрадисперсные отходы производства ферросплавов – микрокремнезем (МК). Микрокремнезем представляет собой конденсированный аэрозоль, улавливаемый фильтрами систем газоочистки плавильных металлургических печей. Он содержит частицы сферической формы со средним диаметром 0,1 мкм и удельной поверхностью 15 – 25 м2 /г и выше. Его насыпная плотность – 150 – 250 кг/м3 . Микрокремнезем как добавка в бетоны был впервые предложен в начале 50–х, а начал массово использоваться с начала 70–х годов прошлого столетия 16 в Норвегии, а затем и других станах. Наряду с МК в качестве эффективных модификаторов бетона при определенных условиях (высокая дисперсность, сочетание с суперпластификаторами и другое) могут служить и другие минеральные материалы, такие как цеолиты, опоки, мергели, метакаолины и другие.
Особый интерес проявляется к природным цеолитам, которые представляют собой каркасные алюмосиликаты с равномерно распределёнными порами. В производстве строительных материалов цеолит применяется в качестве активной минеральной добавки с 60–х годов. Это связано с тем, что цеолит – уникальный материал, обладающий селективными, адсорбционными и ионообменными свойствами. Он представляет собой пористое тело с характерной определенной структурой скелета и регулярной геометрией внутрикристаллических пор, способное химически модифицироваться [11]. За счет минерального состава цеолит является эффективным средством сокращения расхода цемента (15 – 30 %) при производстве легких и тяжелых бетонов, а при изготовлении растворов цеолит может полностью заменить известь. При этом повышается водоудерживающая способность растворных смесей и их трещиностойкость.
Добавка цеолита в портландцемент в количестве более 15 % обеспечивает высокую коррозионную стойкость цементных композиций по отношению к хлоридным и сульфатным рассолам. Главными породообразующими минералами природных цеолитов являются клиноптилолит, морденит, анальцимом и шабазит [12]. Во всём мире добыча природного цеолита оценивается в диапозоне 2,7 – 3,2 млн. тонн/год [13].
