Гидротехнический бетон

Строительство гидротехнических сооружений, особенно плотин и узлов гидроэлектростанций (а в частной и бытовой практике – крытых бассейнов), требует большого объёма бетона, что иногда сопровождается образованием трещин. Поэтому необходимы бетоны и цементы с низкой теплотой гидратации. Гидротехнический бетон как раз и относится к таким строительным материалам.

Стандарты

Основным нормативным документом, который регламентирует технические требования к гидротехническому бетону, являлся ГОСТ4795. Содержание этого документа постоянно изменялось. Это нашло своё отражение в многочисленных редакциях данного стандарта. Так, в базе данных Госстроя СССР имеются ГОСТ 4795-49, ГОСТ 4795-53, ГОСТ 4795-59 и ГОСТ 4795-68 (последний в этом ряду, который был также упразднён).

Сейчас технология приготовления и укладки данного материала выполняется соответственно нормам действующего ГОСТ 26633-2015.  Здесь гидротехнический бетон уже не выделяется, а рассматривается в ряду тяжёлых бетонов специального применения. Это, однако, не умаляет значения гидротехнических бетонов, активно используемых при возведении строительных объектов, постоянно подвергающихся воздействию агрессивных водных сред. Среди таких объектов – углеобогатительные фабрики, стены сооружений, находящихся в переувлажнённых грунтах, противофильтрационные завесы и т.п.

Состав и свойства гидротехнического бетона

Вся приводимая далее информация соответствует положениям ГОСТ 26633-2015.

Состав гидротехнического бетона и его характеристики рассчитываются на постоянное его применение в водной среде:

• Каковы температурные колебания окружающего воздуха;
• Установлен ли диапазон изменений температуры воды;
• Известны ли направление и скорость ветра (для открытых сооружений).

Дополнительной опасностью считаются хлориды, которые присутствуют и в речной, и в морской воде (см. рис. 1). Поэтому водоцементное отношение задают на максимальном уровне, а количество цемента – на минимальном.

Цемент

К гидравлическим маркам цемента, относят те, которые весьма быстро схватываются и отвердевают при добавлении воды к сухой тонкоизмельчённой смеси. Портландцемент, который применяется для приготовления гидротехнического бетона, включает в себя гидравлические силикаты и сульфаты кальция.  Все эти вещества химически нейтральны, хорошо противостоят ржавчине и характеризуются незначительной степенью осадки: именно теми качествами, которые необходимы для длительной работы сооружений в водной среде.

Составы цемента обязательно содержат, хотя и в разных пропорциях, следующие вещества:

1. Ортосиликат кальция или кальциевую соль кремниевой кислоты (2CaO·SiO₂). Представляет собой мелкодисперсный порошок белого цвета.
2. Трёхкальциевый силикат или алит 3CaO·SiO₂. Является  основным компонентом портландцемента и отвечает за его повышенную схватываемость.
3. Трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃. Обеспечивает цементу повышенные механические свойства, не зависящие от изменения внешних факторов
4. Браунмиллерит 4CaO·Al₂O₃ Fe₂O₃ (или Ca₂FeAlO₅), который способствует более качественному обжигу компонентов.

Принцип действия гидроцемента основывается на гидратации материала, которая происходит при добавлении воды к исходной смеси. При этом начинаются химические реакции, приводящие к быстрому отверждению, которое сопровождается усадкой материала. Все четыре стадии гидратации гидравлического цемента с изменением размера составляющих процесса представлены на рис. 3.

Природа указанных составляющих гидравлического цемента такова, что продукт делается  невосприимчивым к водным воздействиям, включая хлориды и сульфаты, которые обязательно присутствуют в воде.

Еще одним важным свойством гидравлического цемента является его прочность. Трёх- и двухкальциевые силикаты, реагируя с водой, образуют гидрат силиката кальция – вещество, которое имеет в своём составе сетку коротких волокон. Эти волокна повышают механическую прочность и уменьшают водопроницаемость конечного продукта.

Кварцевый песок

Особенностью мелкозернистого наполнителя, который применяется для получения гидротехнического бетона, является значительная доля (не менее 15…20%) фракций с размерами 0,3 мм и менее. Это необходимо для улучшения когезионных показателей бетона, эксплуатируемого в постоянном контакте с водой. Поэтому наилучшим материалом в качестве химически инертного заполнителя считается мелкий кварцевый

При отсутствии подходящих песков в сухую смесь приходится добавлять пылевидную топливную золу или молотый гранулированный доменный шлак. Альтернативный вариант – увеличение процентного содержания цемента в сухой смеси – для бетонирования гидротехнических сооружений не используется.

Требования к зернистости заполнителя очень схожи с требованиями, предъявляемыми к смесям для бетононасосов, поскольку бетон для строительства гидротехнических сооружений нуждается в хорошей текучести и самоуплотняющихся свойствах, а также в достаточной степени — когезии, чтобы противостоять сегрегации и просачиванию.

Общепринятой практикой является наличие относительно высокого содержания цемента для улучшения сцепления, компенсации эффектов сегрегации и учета неизбежных потерь цемента из-за «вымывания». Результаты экспертиз показывают, что максимальный размер заполнителя  (кварцевого песка) 0,3…0,4 мм является наиболее удовлетворительным в случае, если содержание песка составляет не менее 40% от общего объёма заполнителя.

Добавки и наполнители

Основными из них являются добавки, которые препятствуют постепенному вымыванию материала. Они используются для:

• Исключения вымывания и сегрегации при использовании промышленных методов укладки;
• Улучшения показателей самоуплотнения/растекаемости;
• Уменьшения трудоёмкости укладки;
• Снижения чувствительности гидротехнического бетона к изменению условий эксплуатации.

Для улучшения сцепления можно использовать такие материалы, как натуральные и синтетические полимеры (см. рис. 5), но предварительно необходимо проверить совместимость выбранных материалов с гидратами цемента. Некоторые из них могут вызывать сильное замедление процесса гидратации и ограничивать использование суперпластификаторов.

Типичные производственные добавки для улучшения свойств гидротехнического бетона одновременно снижают вымывание материала с 20…25% до примерно 10% и менее. Рецепты и составы добавок должны соответствовать заявленной прочности и долговечности, способствовать самоуплотнению, увеличивать сопротивление сегрегации и повышать стойкость к вымыванию. Эти требования от способа укладки материала не зависят.

Характеристики гидротехнического бетона

ГОСТ 26633-2015 на гидротехнический бетон определяет следующие нормируемые показатели – водостойкость/водонепроницаемость, морозостойкость, прочность, тепловыделение и удобоукладываемость.

Водостойкость и водопроницаемость

Данные термины фактически являются обратными друг другу и поэтому часто рассматриваются совместно. Бетон не является водонепроницаемым материалом. Несмотря на то, что не сразу видно, как вода просачивается через бетонное сооружение и через грунт (см. рис. 6), вода проникает в промежутки между частицами и поры в почве. В конечном итоге это приводит к разрушению бетона, которое проявляется в потере изделием своей целостности или к переувлажнённостью площади, находящейся за таким изделием.  Грунт под сооружением размывается и разрушается.

В ГОСТ 26633-2015 определены технические требования, касающиеся водонепроницаемости. Установлено 10  марок – от W2 до W20 (числовые обозначения – только чётные, т.е., марок W7 или  W15 не существует), которые различаются между собой показателями интенсивностью фильтрации  воды f и относительным водопоглощением w_отн (см. табл.1):

Таблица 1

Маркировка от W14 и выше относится к бетонам специального применения, цена на которые регулируется индивидуально.

Морозостойкость

Открытые водоёмы в холодное время года замерзают, поэтому разность объёмов воды становится заметной. Поэтому определение морозостойкости гидротехнических бетонов является обязательным этапом экспертизы их качества.  Показатель определяется, как способность материала противостоять периодически сменяющимся циклам замерзания-оттаивания, не теряя при этом своей целостности (см. рис. 7).

Низкая морозостойкость является следствием:

• Неуравновешенного гидростатического давления воды, возникающего при замерзании воды и увеличении её объема;
• Образования кристаллов льда;
• Увеличения капиллярных пор;
• Разницы в осмотических давлениях, возникающей из-за различий в концентрации щелочей и солей в жидкой фазе.

Способность специальных бетонов выдерживать подобные испытания оценивается следующими двумя методами:

1. Применяется для сооружений, которые будут эксплуатироваться в воде с большим количеством анионов и катионов. В качестве испытательной среды используют воду, общая минерализация которой не превышает 20 г/л.
2. Применяется для оценки стойкости гидротехнического бетона к водорастворимым хлоридным соединениям с концентрацией не более 5 г/л.

ГОСТ 26633-2015 установлено 17  марок морозостойкости гидротехнического бетона: одиннадцать – по первому методу (от F50 до F1000) и шесть – по второму (от F100 до F500). Выбор метода обозначается нижним регистром, например, марка F₁400 указывает на оценку морозостойкости по первому базовому методу, а марка F₂400 – по второму. Независимо от использованного метода все виды гидротехнического бетона должны иметь марку не ниже F300.

Соответствие марок (М) и классов (В) показано в табл. 2:

Таблица 2

Прочность

Характеристики приведены в табл. 1.

 Тепловыделение

В процессе отверждения гидротехнических бетонов происходят реакции выделения тепла, которые зависят от теплопроводности материала. Тепловыделение и отверждение – взаимосвязанные между собой процессы. Тепловая кривая гидратации в зависимости от продолжительности отверждения показана на рис.8.

Описание фаз рис. 8:

І — Вскоре после контакта воды с цементом происходит резкое и резкое повышение температуры. В этот период основными реактивными фазами бетона являются алюминатные фазы. Они  реагируют с ионами кальция и сульфата с образованием эттрингита, который осаждается на поверхности частиц цемента. Силикатные фазы реагируют гораздо менее активно, поэтому образующиеся в итоге слои гидрата силиката кальция – очень тонкие;

ІІ — Скорость гидратации значительно замедляется. Считается, что это связано с осаждением вышеупомянутых соединений на поверхности частиц цемента, что приводит к возникновению диффузионного барьера между этими частицами и водой. Продолжительность фазы зависит от типа цемента, свойств примесей, плотности и т.п. В конце фазы начинается набор прочности;

ІІІ — На этом этапе бетон начинает отверждаться. Генерируемое тепло сохраняется ещё в течение нескольких часов и вызвано в основном реакцией силикатов (и в меньшей степени – сульфатов) кальция. Образуется основная часть гидрата силиката кальция.

План теплового контроля позволяет контролировать температуру свежеуложенного гидротехнического бетона (обычно это диапазон от 10⁰С до 32⁰С). В ходе термоконтроля (см. рис. 9) устанавливается максимальная разница температур бетона по глубине уложенного слоя, чтобы предотвратить растрескивание и прочие проблемы с качеством.

Удобоукладываемость

Является не физико-механическим, а эксплуатационным показателем, который определяет производительность бетонирования и возможность/невозможность применения специального оборудования (см. рис.10).  Согласно ГОСТ 7473-2010 (статус – действующий) под удобоукладываемостью бетонной смеси понимают её способность не расслаиваться во время транспортировки и сохранять текучесть при заполнении формы.

В ГОСТ 7473-2010 приводятся комплексные нормативы, полученные как по данным экспертизы, так и по сертификату поставщика (см. табл. 3).

Таблица 3

Разновидности водостойкого бетона

Работоспособность бетона, эксплуатируемого в средах с высокой влажностью, устанавливается по результатам испытаний, предусмотренных ГОСТ 12730.5-84. Они проводятся по двум методикам. Первая – основная — заключается в том, что свежеотверждённый образец помещается в герметизированную камеру, в которую под давлением нагнетается вода. Давление воды повышают в течение 4…16 час, что зависит от размеров образца. После извлечения образца из камеры фиксируют наличие мокрого пятна, расположенного на верхнем торце. Критерием водостойкости считают то предельное давление воды, при котором мокрого пятна не было (см. табл. 4).

Таблица 4

Относительно гидротехнического бетона полученные значения сопоставляют с наибольшим давлением воды, которое развивается в процсссе эксплуатации сооружения. Поэтому для возведения бассейна подойдут все марки от В6 и далее, а для сложных объектов – только марка В12 и выше.

Тесты на водопроницаемость, описанные в ГОСТ 12730.5-84, можно проводить только при наличии специализированных лабораторий. Существуют и экспресс-метод, одним из которых является оценка волостойкости материала по его склонности к фильтрации воздуха, нагнетаемого поступлению сквозь бетонную толщу. Принципиальная схема процесса и необходимая оснастка приведена на рис. 11. Поскольку количество пропущенного воздуха и воды пропорционально их плотностям, то метод даёт результаты, близкие к лабораторным.

Области применения

Как уже отмечалось, гидравлический цемент отлично подходит для проектов, требующих быстрого схватывания и меньшего времени отверждения. Ввиду быстрого схватывания (не дольше, чем 10…15 минут) рекомендуется за один раз использовать умеренные объёмы цементной смеси.

Вследствие высокой стойкости от внешних сил, материал эффективен при строительстве высокопрочных гидротехнических сооружений и мостов (см. рис. 12). Гидробетон непластичен, поэтому его используют только для механической поддержки конструкций.

Гидротехнический бетон практически безальтернативен при возведении подводных сооружений. Материал не подвергается коррозии и ржавчине, поэтому сохраняет свою прочность даже при длительном пребывании в водной среде, что может оказаться полезным при выполнении гидроизоляционных работ.

Материал не применяется для изготовления сооружений, которые могут находиться в суровом климате или на промёрзшей поверхности.

Доказана польза гидротехнического бетона при проведении ремонтных работ, обусловленных утечками воды или химически нейтральных водных растворов. Материал практически не даёт усадки, а некоторые составы при затвердевании даже расширяются. Заделка средних и крупных трещин, выполненная смесями на основе водостойкого цемента, характеризуется высокой долговечностью.

Технологии производства

Промышленные

В индустриальных условиях используется более 30 видов материалов, которые разделяют на следующие категории:

• Известняки;
• Кремнезёмы;
• Глинистые;
• Содержащие железо.

Эти материалы химически соединяются посредством обжига и подвергаются операциям механической обработки вплоть до образования конечного продукта.

Различают природный, кладочный и пуццолановый гидроцемент. Процесс его получения включает следующие переходы:

• Подготовку сырья к обжигу;
• Собственно обжиг;
• Окончательный помол до нужной степени дисперсности.

Источниками сырья являются специализированные карьеры, а также предприятия горнодобывающей промышленности, отходы которых пригодны для получения гидротехнического бетона.

В современных технологиях большая часть сырья получается из вторичных отходов производства. Это снижает давление на окружающую среду. Преимущество получают небольшие предприятия (см. рис.13), способные быстро перестраиваться на выпуск новой продукции.

В домашних условиях

Основными ингредиентами цемента являются негашеная известь (которая производится из известняка), песок и заполнитель (щебень или гравий). Однако для водостойкости материала вместо песка понадобится терракота (см. рис. 14).

Для получения негашеной извести своими руками подойдёт известняк, ракушки, мел – любые минералы, содержащие карбонат кальция. Чем белее камень, тем он лучше для дела, поэтому стоит купить мел.

При обжиге нужен огонь: можно использовать домашнюю печь или даже костёр. Если вы остановились на порошкообразном меле, его нужно равномерно разместить на чаше (см., напр., рис. 15) или стальной пластине и только потом нагревать. При нагреве  карбонат кальция вступает в химическую реакцию, в ходе которой диоксид углерода испаряется, оставляя оксид кальция, что и является негашёной известью.

Когда полуфабрикат остынет, его следует очистить от загрязнений щёткой. Важно помнить, что негашеная известь очень едкое и химически нестабильное вещество.

Когда к негашеной извести добавляют воду, она превращается гашёную. Добавляя заполнитель, вы сможете создать раствор для бетонных стен вашего бассейна, запруды или иного сооружения, которое хочется возвести на приусадебном участке.

Чем больше воды будет в смеси, тем легче будет работать, но тем более слабым, с точки зрения прочности, будет бетон. Рекомендуемый состав:

• 1 часть негашеной извести;
• 3 части терракотовой крошки.

Терракоту добавляют в сухую смесь только после гашения извести. При дефиците терракоты применяют обожжённую глину (см. рис. 16), которую перед смешиванием тщательно измельчают.

Воды принимается столько, чтобы смесь была влажной, и не более. Ещё одно обстоятельство — водостойкий бетон весьма быстро твердеет, поэтому за раз стоит заготовить такой объём, который вы сможете уложить.

Как укладывать

Учитывая все описанные ранее особенности водостойкого бетона, для его укладки чаще используют механизированные процессы (см. рис. 17).  Материал кладут на очищенные поверхности, свободные от масла, грязи, жира или любых других загрязнений, которые могут повлиять на сцепление с основой конструкции.

Процесс ведут в следующей последовательности:

1. Сухую смесь перемешивают лопастным миксером до однородной консистенции. Предварительно смочите миксер и удалите из него лишнюю воду.
2. Добавляют в миксер минимально необходимое количество воды (в соответствии с рекомендациями производителя).
3. Смешивание ведут на относительно низкой скорости. Количество цемента не должно превышать то, которое можно сразу уложить.
4. Укладку начинают с верхней части будущего сооружения, постепенно пускаясь вниз.
5. После укладки состав необходимо плотно утрамбовать. Давление должно быть таким, чтобы бетон начал выдавливаться; в таком положении он начнёт отверждение.

Не рекомендуется использовать никакие другие примеси или добавки.  Важно поддерживать температуру области укладки в пределах от 7⁰С до 32⁰С.