Легкие и ячеистые бетоны

Легкие бетоны. Легкие бетоны классифицируют в зависимости от основного назначения, вида заполнителей, структуры. По основному назначению легкие бетоны (ГОСТ 25820-2000) подразделяют на конструкционные, в том числе конструкционнотеплоизоляционные, и специальные (теплоизоляционные, жаростойкие, химически стойкие, декоративные и др.). По виду крупного пористого заполнителя различают керамзитобетоны, аглопоритобетоны, шунгизитобетоны, шлакопемзобетоны и другие виды легких бетонов. В зависимости от структуры легкие бетоны могут быть плотными, поризованными и крупнопористыми.

Качество легких бетонов характеризуется прочностью при сжатии и средней плотностью, а также, с учетом особенностей их работы, морозостойкостью, водонепроницаемостью, теплопроводностью и др.

ГОСТом 25820-2000 установлены классы по прочности:

для теплоизоляционных бетонов - ВО,35; ВО,5; ВО,75; В1; Bl,5; В2;

для конструкционно-теплоизоляционных бетонов - В2,5; ВЗ,5;В5; В7,5;В10;

для конструкционных бетонов - В 12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40.

По средней плотности для легких бетонов нормируются марки - от D200 до D500 - для теплоизоляционных, от D600 до D1600 - для конструкционно-теплоизоляционных, от D1100 до D2000 - для конструкционных бетонов.

При назначении нормативных показателей легких бетонов по средней плотности, прочности, морозостойкости и др. учитывается вид пористого заполнителя. В табл.4.51 приведены возможные нормируемые показатели для легких бетонов на некоторых распространенных видах крупных пористых заполнителях.

Эффективность легкого бетона и оптимальность его состава в значительной степени зависит от соотношения достигаемых значений средней плотности и прочности на сжатие.

Таблица 4.51

Классы и марки легких бетонов на различных видах крупных пористых заполнителей

продолжение табл.4.5

Средняя томность легких бетонов в сухом состоянии зависит от плотности зерен заполнителей (рис. 4.25), расхода цемента, объемной концентрации крупного заполнителя, объемов межзерновых пустот и вовлеченного воздуха. Эффективным способом снижения средней плотности является поризация бетонной смеси воздухововлекающими или порообразующими добавками.

Эффективность легкого бетона и оптимальность его состава в значительной степени зависит от соотношения достигаемых значений средней плотности и прочности на сжатие.

Средняя томность легких бетонов в сухом состоянии зависит от плотности зерен заполнителей (рис. 4.25), расхода цемента, объемной концентрации крупного заполнителя, объемов межзерновых пустот и вовлеченного воздуха. Эффективным способом снижения средней плотности является поризация бетонной смеси воздухововлекающими или порообразующими добавками.

Рис. 4.25. Влияние насыпной плотности заполнителя на плотность и прочность при сжатии керамзитобетона на пористом и кварцевом песке: на керамзитовом песке при насыпной плотности керамзитового гравия в кг/м³:1 - 300; 2 - 400; 3 - 500; 4 - 600; 5 - 700; 6 - 800; на кварцевом песке при насыпной плотности керамзитового гравия в кг/м³:

7-300; 8-400; 9-500; 10-600; 11 -700; 12-800

Плотность легкого бетона может быть выражена формулой:

где р_к и Pp- соответственно плотность зерен пористого заполнителя и цементно-песчаного раствора; V_n- объем межзерновых пустот; ср - объемная концентрация пористого заполнителя.

Для ориентировочного расчета плотности легких бетонов может быть использована формула М.З.Симонова:

где Ц- расход цемента, кг/м³; р_ц - плотность цемента (р_ц «3,1 кг/л); р₃. _к— плотность зерен заполнителя.

При выводе этой формулы абсолютный объем, занимаемый пористым заполнителем, принят в среднем 800 л/м³.

Теоретичекие представления о прочности легких бетонов базируются на двух основных подходах к механизму их разрушения, наиболее четко сформулированных Ю.Е.Корниловичем и

А.И.Вагановым применительно к керамзитобетону. По

Ю.Е.Корниловичу предельные деформативные характеристики керамзита и раствора в бетоне являются достаточно близкими и в момент разрушения напряжения в керамзите и растворе практически одновременно достигают предела прочности. Экспериментальные исследования однако, не подтверждают в достаточной степени данный подход. А.И.Вагановым показано, что для легких бетонов зависимость их прочности от прочности растворной части можно разделить на два участка (рис. 4.24). На относительно прямолинейном участке по мере увеличения прочности раствора имеет место пропорциональный рост прочности бетона. В этом интервале прочность бетона не зависит от прочности заполнителя. На втором криволинейном участке прочность легкого бетона определяется предельной деформативностью пористого заполнителя. Предельная прочность бетона уменьшается с уменьшением прочности пористого заполнителя. Для керамзитобетона предельную прочность (R _б ) можно найти по эмпирической формуле В.Г.Довжика и Л.А.Кайсера:

где R_K- прочность керамзита в цилиндре.

Большое влияние на прочность бетона оказывает объем межзерновых пустот заполнителя, не заполненный цементным тестом. При 5%-ном объеме незаполненных межзерновых пустот прочность легкого бетона снижается примерно на 20% по сравнению с бетоном плотной структуры.

Предложено множество формул для определения прочности легких бетонов, которые можно разделить на три группы:

К первой группе можно отнести формулы, в которых прочность легкого бетона зависит от прочностных свойств компонентов и их относительного содержания. Типичной для этой группы является формула Ю.Е.Корниловича:

где R_p- прочность растворной составляющей; R_K- прочность крупного пористого заполнителя; ф- объемная концентрация крупного заполнителя.

Во вторую группу входят формулы, связывающие прочность бетона с деформативными свойствами компонентов. Наибольшее признание из формул этой группы получила формула А.И.Ваганова:

где Еб - модуль деформации бетона в момент разрушения; s_c- предельная сжимаемость заполнителя; ?_р- предельная растяжимость заполнителя; р- коэффициент Пуассона.

Третья группа объединяет формулы, учитывающие прочность компонентов, их объемное содержание и деформативные свойства. При начале разрушения бетона с растворной части может быть использована формула Б.Г.Скрамтаева:

где Е₃ и Е_р- соответственно модули упругости заполнителя и раствора.

При начале разрушения бетона с заполнителя применяют формулу С.Е.Фрейфельда:

где R₃- прочность заполнителя.

Рис. 4.26. Зависимость прочности при сжатии керамзитобетона от плотности заполнителей и прочности растворной части бетона: 1 - бетон на гранитном щебне (для сравнения); 2 - керамзитобетон на керамзитовом гравии с плотностью в куске р_к=1,4 т/м³; 3 - р_к=1,05 т/м³; 4 - р_к=0,86 т/м³; 5 - р_к=0,66 т/м³; 6 - р_к=0,52 т/м³

Существенное влияние прочности пористого заполнителя приводит к меньшему относительному влиянию на прочность легкого бетона таких факторов как В/Ц и активность цемента. При неизменном качестве пористых заполнителей для увеличения прочности легких бетонов необходимо повышать прочность растворной составляющей (рис. 4.26), что достигается увеличением расхода цемента или уменьшением объемной концентрации крупного заполнителя. При этом увеличивается средняя плотность бетона.

В зависимости от вида мелкого заполнителя, прочности бетона на сжатие и его марки по средней плотности устанавливается максимальная марка крупного заполнителя по насыпной плотности и прочности (табл.4.51...4.54). Марка крупного пористого заполнителя по насыпной плотности для теплоизоляционного бетона не должна превышать 400, для конструкционного бетона - 1200.

Таблица 4.52

Максимальные марки гравийных пористых заполнителей по насыпной плотности для конструкционно-теплоизоляционных

бетонов

Примечание. Данная таблица относится к бетонам, кроме поризован- ного, приготовленных с воздухововлекающими добавками. При приготовлении бетонных смесей без воздухововлекающих добавок значения насыпной плотности крупного пористого заполнителя уменьшают: для бетонов на песке того же вида и золе ТЭС - на 100.. .50 кг/м³; для бетонов на вспученном перлитовом песке - на 50... 100 кг/м³.

Насыпная плотность пористых песков для конструкционнотеплоизоляционных бетонов находится в пределах 200 ... 1000 кг/м³. Для конструкционных бетонов она должна быть не менее 600 кг/м³ для бетона классов 12,5 ... 20 и не менее 800 кг/м³ для бетонов классов 25 и выше. В зависимости от классов бетонов по прочности рекомендуется выбирать песок с прочностью при раздавливании в цилиндре не менее указанной в табл. 4.53.

Таблица 4.53

Максимальные марки щебневых пористых заполнителей по насыпной плотности для конструкционно-теплоизоляционных

бетонов

Примечание. Приведенные данные соответствуют бетонам, изготовленным с воздухововлекающими добавками. При приготовлении бетонных смесей без воздухововлекающих добавок значения насыпной плотности крупного заполнителя уменьшается для бетонов на песке того же вида и золы ТЭС на 100 кг / м³, для бетонов на вспученном перлитовом песке - 50 кг / м³.

Таблица 4.54

Максимальные марки крупных заполнителей по насыпной плотности для конструкционных бетонов

Таблица 4.55

Марки крупных пористых заполнителей по прочности

Примечание. Крупный заполнитель относят к той или иной марке по результатам испытаний в цилиндре.

Таблиця 4.56

Прочность песка при раздавливании в цилиндре

Большинство расчетных формул прочности легких бетонов основано на гипотезе распределения напряжений между компонентами легких бетонов при их разрушении. Эти формулы с большей или меньшей погрешностью позволяют прогнозировать прочность при известных физико-механических характеристиках компонентов и составе бетона. Использование их для проектирования состава невозможно или затруднительно, поскольку они не связаны однозначно с тем или иным определяющим смесевым параметром.

Прочность при растяжении легких бетонов несколько выше этого показателя для тяжелых бетонов. Для конструкционнотеплоизоляционных легких бетонов прочность при осевом при заданном виде и плотности крупного пористого заполнителя с возможным выбором вида песка;с выбором, как крупного, так и мелкого заполнителей, растяжении составляет 12... 17% от прочности при сжатии, для конструкционных - 7... 10%.

Прочность легких бетонов при растяжении можно приблизительно рассчитать по формуле:

Повышенная прочность легких бетонов при растяжении объясняется более прочным сцеплением пористого заполнителя с цементным камнем.

Расчет составов легких бетонов направлен на определение расходов, входящих в них компонентов, обеспечивающих при заданных условиях твердения достижение нормируемых показателей. Во всех случаях проектирование составов легких бетонов наряду с прочностью при сжатии должно обеспечивать их заданную плотность.

Проектирование составов легких бетонов может производиться:

• 1) при заданных видах крупного и мелкого заполнителей с известными значениями их плотности;
• 2) при заданном виде и плотности крупного пористого заполнителя с возможным выбором вида песка;
• 3) с выбором, как крупного, так и мелкого заполнителей.