Вяжущие. Для изготовления тяжелого бетона чаще всего применяют портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент и другие вяжущие, отвечающие требованиям соответствующих ГОСТов.

Вид цемента определяют с учетом условий работы бетона и необходимой скорости твердения. Марку цемента выбирают исходя из требуемого класса бетона (таблица 4.1).

Таблица 4.1

Несоблюдение указанных рекомендаций приводит к перерасходу цемента. Если марка цемента выше той, которая рекомендуется для данного класса бетона, необходима замена части цемента тонкомолотой активной добавкой, что позволяет избежать перерасхода высокопрочного цемента. Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значительному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повышенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая капиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций.

Вода. Для затворения бетонной смеси используют воду, не содержащую вредных примесей, которые препятствуют нормальному твердению бетона (кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара и т.п.). Нельзя использовать болотную воду, а также сточные бытовые и промышленные воды без их очистки. Для затворения бетонной смеси применяют водопроводную питьевую, а также природную воду (рек, естественных водоемов), имеющую водородный показатель рН не менее 4, содержащую не более 5000 мг/л минеральных солей, в том числе сульфатов не более 2700 мг/л (в перерасчете на SO₃).

Наличие в воде солей и других вредных примесей снижает прочность бетона, способствует коррозии арматуры, образованию высолов на бетонной поверхности.

Заполнители. Заполнители составляют основную часть бетона. Они образуют жесткий скелет бетона и этим уменьшают его усадку и предотвращают образование усадочных трещин. Качество заполнителей в значительной мере влияет на технические свойства тяжелого бетона. В зависимости от размера зерен заполнитель делят на мелкий и крупный.

В качестве мелкого заполнителя в тяжелом бетоне применяют природные пески, образовавшиеся в результате естественного разрушения горных пород, а также искусственные, полученные путем дробления твердых горных пород и из отсевов.

Качество песка, применяемого для изготовления бетона, определяется его минеральным и зерновым составом, содержанием вредных примесей.

В качестве крупного заполнителя для бетона применяют щебень или гравий с размером зерен 5...70 мм. При бетонировании массивных конструкций можно применять щебень крупности до 150 мм.

Качество крупного заполнителя зависит от минерального состава и свойств исходной породы (ее прочности, морозостойкости), зернового состава, формы зерен и содержания вредных примесей. Прочность исходной горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии должна не менее чем в 1,5...2 раза превышать марку бетона.

Согласно современным требованиям, постоянно должна проводиться радиационно-гигиеническая оценка мелкого и крупного заполнителя на содержание естественных радионуклидов (ГОСТ 30108). Так, например, по степени убывания концентрации естественных радионуклидов изверженные горные породы располагаются следующим образом: граниты (кислые)  диориты (средние)  базальты (основные)  дуниты (ультраосновные).

На заводах по производству бетонной смеси и бетонных конструкций необходим постоянный контроль влажности заполнителей, т.к. излишнее, по отношению к расчетному, количество воды может вызвать не только расслоение бетонной смеси, но и формирование пористой структуры, снижение прочности, водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально подобранную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Свойства бетонной смеси можно условно разделить на технологические и реологические.

Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. По мере развития процесса гидратации цемента возрастает дисперсность частиц твердой фазы и увеличиваемся связующая способность цементного теста.

Бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения, и сохранять при транспортировке и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

При действии возникающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена ее структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упругопластичновязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.

Свойства бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропностью.

Бетонная смесь должна обладать такими свойствами, которые обеспечивали бы ее хорошую укладку в опалубку или форму и уплотнение без расслоения и излишнего водоотделения. Самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость, т. е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения при сохранении своей однородности. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя: подвижность бетонной смеси, являющуюся характеристикой структурной прочности смеси; жесткость, являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси; связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси.

Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственной массы и связности. Подвижность характеризуется осадкой стандартного конуса ОК (рисунок 2.2а). Этот прибор представляет собой усеченный, открытый с обеих сторон конус из листовой стали толщиной 1 мм с гладкой внутренней поверхностью. Размеры конуса определяются наибольшей крупностью используемого крупного заполнителя: при крупности до 40 мм применяют конус № 1, от 40 до 100 мм – конус № 2 (таблица 4.2)

Таблица 4.2

Для определения ОК форму-конус устанавливают на горизонтальную площадку, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют разность по высоте металлического конуса и верха осевшей бетонной смеси (в сантиметрах) (рисунок 4.2а).

Жесткая бетонная смесь при снятии конуса осадки не дает. Жесткость бетонной смеси характеризуется временем вибрирования (в секундах), необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе. Для определения жесткости (рисунок 4.2б) цилиндрическое кольцо прибора (внутренний диаметр 240 мм, высота 200 мм) устанавливают и жестко закрепляют на лабораторной виброплощадке. В кольцо вставляют и закрепляют стандартный конус, который заполняют бетонной смесью и после этого снимают. Диск прибора с помощью штатива опускают на поверхность отформованного конуса бетонной смеси.

Затем одновременно включают виброплощадку и секундомер; вибрирование производят до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из отверстий диска диаметром 5 мм. Параметры вибрирования должны быть следующими: частота колебаний 3000 в мин, амплитуда – 0,5 мм. Время вибрирования, с, характеризует жесткость бетонной смеси. Ее вычисляют как среднее двух определений выполненных из одной пробы смеси.

а) прибор (конус) для определения подвижности бетонной смеси: 1 – жесткая смесь,

2 – подвижная смесь, 3 – осадка конуса; б) прибор для определения жесткости бетонной смеси:

4 – схема испытания

Рисунок 4.2 – Определение удобоукладываемости бетонной смеси

Классификация бетонных смесей представлена в таблице 4.3.

Таблица 4.3

В настоящее время для определения жесткости иногда еще используют технический вискозиметр, показания жесткости в котором для приведения к показателям жесткости в указанном выше стандартном подборе следует умножать на коэффициент 0,47.

Нередко (особенно в условиях строительства) при определении свойств жестких смесей используют упрощенный прием. В этом случае в металлическую форму для изготовления кубов размером 20×20×20 см вставляют стандартный конус, нижнее основание которого уменьшено и имеет наружный диаметр 196 мм. Конус заполняют бетонной смесью, снимают и подвергают форму вибрированию. Вибрация прекращается при заполнении смесью всех углов куба и тогда, когда поверхность бетонной смеси станет горизонтальной. Продолжительность вибрирования, с, для приведения к показателю жесткости в стандартном приборе необходимо умножить на коэффициент 0,7.

В таблице 4.4 приведены примеры рекомендуемых показателей подвижности или жесткости бетонной смеси для различных видов конструкций и способов уплотнения.

Таблица 4.4

Связность бетонной смеси обусловливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При большом содержании воды вязкость цементного теста становится недостаточной для удержания заполнителя во взвешенном состоянии, равномерно распределенным по всему объему. Плотный тяжелый заполнитель оседает под действием собственной массы, происходит расслоение бетонной смеси. Избыточная вода, обтекая зерна заполнителя, отжимается вверх. Образуются капиллярные ходы, которые повышают водопроницаемость и снижают морозостойкость бетона. Вода скапливается также под зернами крупного заполнителя, образуя полости, ухудшающие строение и свойства бетона.

Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей, применение специальных добавок, повышающих вязкость цементного теста, являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Косвенным методом определения связности бетонной смеси может служить оценка ее водоотделяющей способности. Различают внутреннее и внешнее водоотделение. Отношение толщины слоя воды Δh к высоте столба бетонной смеси H служит косвенной количественной характеристикой связности бетонной смеси:

Более точным методом оценки связности бетонной смеси может служить определение распределения крупного заполнителя и параметров системы условно замкнутых пор в разрезах и кернах бетона.