Вяжущее вещество (цемент) и вода служат активными составными частями бетона. В результате химического воздействия между ними происходит затвердевание цемента и сцепление его с заполнителями. В большинстве заполнители не участвуют в реакции, происходящей между цементом и водой, и потому иногда именуются инертными материалами. Это название не вполне точно, т. к. занимают 60—80% всего объема в некоторых видах (шлакобетон) между вяжущим веществом, водой и заполнителем происходит не только механическое сцепление, но и поверхностная химическая реакция.
В некоторых новых видах бетона заполнителями являются искусственно созданные воздушные ячейки (пенобетон и газобетон). Заполнители делятся на мелкие, имеющие зерна от мельчайших пылевидных до 5 мм (напр. песок, мелкий шлак), и крупные с зернами крупнее 5 мм (гравий, щебень, шлак, пемза и др.). Для последовательного заполнения пустот применяют одновременно мелкие и крупные заполнители, но в некоторых видах применяется или только мелкий заполнитель или только крупный.
Заполнители в бетоне играют техническую и экономическую роль. Техническая роль заключается иногда в повышении прочности, иногда в придании особой твердости, повышающей сопротивляемость истиранию, и нередко — в уменьшении теплопроводности.
Кроме того заполнители уменьшают усадку. Экономическая роль заполнителей заключается в снижении стоимости, так как заполнители представляют собой местные, относительно дешевые материалы. Кроме перечисленных составных частей в бетоны иногда вводят пылевидные (тонко размолотые) добавки, например трепел, доменный шлак, пемзу, кварцевый песок, каменную муку и другие. Часть этих веществ играет в бетонах активную роль, другая часть — только уплотняющую.
Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания смеси из вяжущего вещества, воды, мелких и крупных заполнителей, взятых в определенных рассчитанных соотношениях. До затвердевания эта смесь называется «бетонной смесью»
Чаще всего для изготовления бетонов применяют цементы и неорганические заполнители.
Кроме того, преимущественно в дорожном строительстве, используют бетоны основанные на битумных и дегтевых вяжущих (асфальтобетон и др.); в состав этих бетонов вода не входит.
Вяжущее вещество и вода являются активными составляющими бетона; благодаря реакции между ними образуется цементный камень и происходит сцепление его с заполнителями.
Последние в большинстве случаев являются инертными т. е. не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Они образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку, возникающую вследствие усадки цементного камня при твердении. В легких бетона их пористые заполнители уменьшают объемный вес и теплопроводность.
В качестве заполнителей используют преимущественно местные дешевые материалы (песок, гравий, щебень).
Это снижает стоимость бетона и делает его в основном местным материалом так как привозной цемент составляет всего около 10—15 % его веса, а заполнители и вода — до 90 — 85 %
Однако в ряде случаев при отсутствии местных доброкачественных заполнителей для бетона их приходится привозить из специальных карьеров.
Кроме заполнителей в бетоне могут содержаться еще специальные добавки, улучшающие свойства бетона, в особенности повышающие пластичность бетонной смеси или морозостойкость бетона
Состав бетона обозначает числовое выражение составных частей его. Состав обозначается в виде соотношения преимущественно весового, реже объемного между количеством цемента, песка и щебня (или гравия) указанием водоцементного фактора, причем количество цемента принимают за единицу.
Наиболее совершенным способом обозначения состава является (весовая дозировка на 1 м3 бетона); соотношение по объему дает весьма неточную и сильно колеблющуюся дозировку. На менее ответственных по стройках состав бетон обозначают по объему, но цемент обязательно дозируют по весу.
На крупных постройках следует дозировать все материалы по весу и соответственно обозначать состав по весу. Правильный расчет состава — одна из наиболее важных операций в его технологии.
Расчет состава сначала делается в центральной или полевой лаборатории, а затем с некоторыми поправками переносится на производство. Различают два определения состава : номинальный (лабораторный), устанавливаемый для сухих материалов, и производственный (полевой) состав для материалов (песка, гравия, щебня) в их естественном влажном состоянии.
При обозначении номинального состава по объему материалы принимают в сухом и стандартно рыхлом состоянии, а портландцемент берут всегда из расчета условного объемного веса — 1 300 кг/м3 (1,3 кг л). Расчет составов должен обеспечить следующие требования, предъявляемые к обычному бетону:
1) Прочность, равная полной проектной прочности, называемой маркой бетона, или части ее, необходимой для распалубки и частичной загрузки сооружения (от 50 до 75% проектной прочности) с учетом дальнейшего нарастания прочности; требование прочности обеспечивается надлежащим выбором и марки цемента.
2) Сроки достижения полной или частичной прочности заранее заданным планом работ, также обеспечиваемые правильным выбором — и марки цемента.
3) Плотность, определяемая отсутствием пустот внутри свежеизготовленного и уложенного бетона за исключением небольшого объема воздушных пузырьков, неизбежно вносимых в процессе его перемешивания; плотность требуется от бетона потому, что с ней связаны прочность, пластичность, стойкость против атмосферных и химических влияний и ржавления арматуры, сцепление с арматурой в железобетоне и водонепроницаемость; плотность обеспечивается правильным выбором соотношения между количествами цемента, воды, мелкого и крупного заполнителя; несмотря на полную плотность свежеизготовленного и уложенного бетона, после твердения он приобретает некоторую пористость вследствие испарения из него свободной воды; поэтому степень плотности затвердевшего будет всегда меньше 1.
4) Пластичность разной степени в зависимости от рода бетонируемой конструкции и способа транспортировки и укладки бетона, которая достигается выбором правильного соотношения между количеством цемента и заполнителей при данном
5) Экономичность, которая в большинстве случаев сводится к достижению возможно меньшего расхода цемента на единицу объема Б., однако удовлетворяющего условиям прочности, плотности, пластичности и сцепления с железом. Из этих условий нормами установлен следующий наименьший допускаемый расход цемента на 1 м3 Б.: для сооружений, находящихся на открытом воздухе или в воде, — 250 кг; для конструкций, находящихся внутри зданий, — 220 кг. Кроме того практика установила наименьший расход цемента для вибрированного бетона при любых конструкциях—220 кг н 1 м3 бетона.
Расчет составов состоит из четырех последовательно выполняемых операций, а именно:
Проектирование, подбор состава долговечного бетона неразрывно связано с выбором цемента, соответствующего условиям службы бетона.
Проведенные исследования долговечности бетона позволили поставить вопрос об уточнении существующего взгляда о необходимости выпуска специализированных цементов. Так, например, в гидротехническом и промышленном строительстве можно найти части сооружений, требующие применения бетонов одних и тех же составов.
Поэтому название цемента по виду сооружения недостаточно. Необходимо классифицировать бетоны, а следовательно, и цементы для них не по виду сооружения (гидротехническое, промышленное, мостовое и любое иное), а по условиям его работы в определенной внешней среде. Новая классификация цементов и бетонов должна иметь в своей основе то же разделение на зоны, что и при подборе — проектировании — составов бетона для одного сооружения, в котором различные его части подвергаются разнообразным агрессивным воздействиям внешней среды.
При проектировании бетонов надо учитывать особенности его твердения в различных условиях: воздушном, влажном и водном, для чего предлагается применять различные поправочные коэффициенты.
Существует, неправильная точка зрения, что цемент не должен размалываться слишком тонко, что его зерна — частицы — должны иметь определенный минимальный размер, чтобы при гидратации несвязанная вода могла постепенно отсасываться внутрь зерен цемента через пленки новообразований к еще репрогидратированной части зерна, что должно способствовать уплотнению гелей, образующихся при гидратации.
Цемент такого помола будет обладать способностью увеличивать свою прочность в течение длительного времени, что и имеет место для обычных цементов, выпускаемых промышленностью. Этот факт обусловил существование и другого неправильного представления — о необходимости иметь в любом бетоне сверх запаса прочности, назначаемого при расчете конструкции с учетом проектной марки бетона, еще какой-то, численно не определяемый резерв, зависящий от дальнейшего роста прочности бетона в результате гидролиза и гидратации более крупных частиц цемента.
Такие представления по сути дела не способствуют увеличению запаса прочности в бетоне, так как в расчете строительных конструкций увеличение прочности не учитывается, а коэффидиент использования вяжущих свойств цемента этим уменьшается, что в конечном счете снижает выход бетона из одной тонны вяжущих материалов.
Такие представления противоречат природе твердения цемента, являющегося по существу, быстротвердеющим материалом, и влекут за собой ошибки в области исследования и выпуска вяжущих материалов и технологии производства растворных и бетонных работ, а также вносят неправильные предпосылки в расчеты технико-экономической эффективности вяжущих. Тонкость измельчения цементов определяют иные требования.
Вопрос о необходимой степени измельчения цемента является одним из основных в технологии бетонов и тесно связан с теорией твердения и старения цементного камня, с проблемой долговечности. Для его решения необходимы широкая дискуссия и анализ существующей практики строительства.
