Физико-химические основы производства мелкозернистых бетонных изделий

Современная генерация бетонов объединяет высокоэффективные бетоны с общим наименованием «полифункциональные». Данные бетоны относятся к материалам, твердеющим не только без тепловлажностной обработки, но и способные набирать прочность при отрицательных температурах. Они быстротвердеющие и обладающие высокой нормативной прочностью, величина которой значительно больше марочной прочности используемого в бетонной смеси цемента. Бетоны характеризуются повышенной плотностью структуры и, следовательно, пониженной пористостью, особенно в части пор с размерами, характерными для пор с незамерзающей в них водой, вплоть до минус 40? С и больше, т. е. бетоны имеют весьма высокую морозостойкость, низкую водонепроницаемость. Все эти свойства способствуют резкому повышению долговечности изделий из таких бетонов.

Для получения полифункциональных бетонов при приготовлении бетонных смесей используют комплекс мер, направленных на повышение качества как бетонных изделий, так и бетонов на их основе.

Большинство бетонов нового поколения относятся к мелкозернистым бетонам. При использовании мелкозернистых заполнителей без их предварительной подготовки наблюдается большой расход вяжущего. Последнее связано с несбалансированностью зернового состава заполнителя, его повышенной межзерновой пустотностью, для заполнения которой требуется значительное количество цементного теста.

Из теории плотнейших упаковок известно, что независимо от вида плотнейшей упаковки в ней всегда содержится межзерновые пустоты разных размеров. Для их заполнения требуется более мелкая фракция заполнителя, число которых часто равняется 3. Практика показала, что узкое фракционирование мелкозернистых заполнителей с большим числом фракций экономически не выгодно и технически сложно. Из теории следует, что для мелкозернистых заполнителей с частицами от 5 мм и менее лучше пользоваться двухфракционными составами, причём размер зёрен мелкой фракции должен соответствовать отношению:

r = 0,155· R,.

где R — размер зёрен крупной фракции.

В этом случае зёрна мелких фракций максимально плотно заполняют межзерновую пустотность крупных фракций заполнителя.

Остаточная пустотность суммы крупной мелкой фракции заполнителя не превышает 0,16 доли единиц от общего объёма системы заполнителя. Данный объём соответствует минимальному объёму цементного теста для получения относительно плотной бетонной смеси.

Цементное тесто при твердении образует цементный камень с относительно высокой пористостью, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах бетона. Для уменьшения пористости цементного камня к исходному цементу добавляют высокодисперсный наполнитель. Установлено, что для максимального уплотнения, по аналогии с заполнителем, порошкообразной системе цемента необходимо вводить в бетонную смесь добавку микронаполнителя с удельной поверхностью, в 10 раз большей удельной поверхности порошка цемента. Применение такого наполнителя не только уплотняет цементный камень, но и ускоряет процесс набора прочности в ранние сроки и достижения более высокой нормативной прочности бетона. Это связано с тем, что мелкие частицы наполнителя выполняют роль активных центров кристаллизации продуктов твердения вяжущего. Они инициируют процесс структурообразования цементного камня и, одновременно, способствуют уплотнению его за счёт заполнения межзерновых пустот наполнителя продуктами твердения цемента. Образующаяся при этом структура имеет мелкопористое строение, поры закрытые, абсорбирующаяся способность цементного камня низкая, водонепроницаемость высокая, малые размеры пор способствуют структурированию свободной воды и резкому увеличению температуры её замерзания.

При изготовлении декоративных бетонных изделий используют микродисперсные пигменты. Обычно расход их достаточно велик. Для снижения расхода пигментов с одновременным повышением однородности его распределения в бетонной смеси без потери интенсивности заданной окраски наполнитель подвергают совместному измельчению с пигментом в присутствии ПАВ. Последние призваны снижать энергозатраты на измельчение наполнителя и пигмента и создавать устойчивые системы в виде своеобразных капсул из части наполнителя, покрытых частицами пигмента.

При введении модифицированного наполнителя в бетонную смесь удаётся резко снизить количество воды затворения для получения подвижной бетонной смеси. Такая смесь легко гомогенизируется и не отделяет воду при формовании, т. е. становится устойчивой к расслаиванию при формовании изделий. Всё это, вместе взятое, в 1,5 — 2 раза увеличивает класс бетона, причём его прочность значительно превышает прочность стандартного цементного раствора. Получаемый бетон способствует увеличению прочности, долговечности и морозостойкости готовых изделий.