Расширение области применения песчаных бетонов связано с разработкой новых технологий, использующих эффективные методы подготовки вяжущего, перемешивания и уплотнения, в том числе особо и сверхжестких цементно-песчаных смесей. Свойства песчаных бетонов, изготавливаемых по разным технологиям, в том числе их прочностные и деформативные характеристики в значительной степени разнятся. Указанное положение существует и в тяжелом бетоне, но для песчаного оно усугубляется широким диапазоном удобоукладываемости используемых смесей - от подвижных до смесей, жесткость которых превышает 120 сек по ГОСТ 10181 и не может быть оценена стандартными методами ее измерения.

Отличия в свойствах песчаных бетонов, изготовленных по разным технологиям, необходимо учитывать при разработке способа проектирования их составов. Другой особенностью, существенно усложняющей проектирование составов, является достаточно широкая возможность использовать для несущих конструкций тощие цементно-песчаные смеси, что позволяет расширить область применения материала, уменьшить расход цемента и тем самым снять наиболее серьезное препятствие на пути внедрения песчаного бетона.

По материалам собственных экспериментов и данным обработки материалов исследований отечественных и зарубежных авторов песчаные бетоны были разделены на 3 группы существенно отличающиеся как набором технологических приемов, используемых при их изготовлении, так и свойствами полученного материала [74]:

Предлагаемая классификация, на базе которой разработан приведенный ниже способ проектирования состава песчаного бетона, позволяет учесть особенности свойств материала и технологии его изготовления.

Определяется предварительная величина Ц/В (рис. 5.1) и ориентировочный расход вяжущего Ц в кг/м3 (рис. 5.2).

Изготавливается бетонная смесь принятого состава и по формуле (5.3) определяется коэффициент уплотнения Ку, достигнутый в контрольных образцах

По результатам испытаний трех серий контрольных образцов строится зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения и выбирается окончательный состав бетона.

Расход материалов в окончательно выбранном составе бетона определяется умножением полученных величин Ц, П и В на фактический коэффициент уплотнения.

Если Ку не регламентирован, то проектирование состава бетона заданной марки по прочности рекомендуется выполнять следующим образом:

Этот график с достаточной для практических целей точностью может быть представлен в виде двух прямых, имеющих разные наклоны к оси абсцисс. Верхняя прямая показывает, что при добавлении в бетонную смесь воды в количестве 5 л/м3 коэффициент уплотнения увеличивается на 0,5 %. Это означает, что точка пересечения прямых соответствует количеству воды, позволяющему обеспечить минимальную удобоукладываемость смеси, уплотняемую конкретным формующим агрегатом.

Проводится изготовление новых серий образцов из смесей с найденным количеством воды и разными расходами цемента. Для каждого состава определяется Ку. После твердения образцов проводятся их испытания на прочность, по результатам которых строится график зависимости прочности бетона от расхода цемента.

По указанному графику выбирается значение прочности меньше требуемой на 15 и 30 %.

Для указанных трех составов строятся зависимости Ку от количества воздухововлекающей добавки, имеющие вид, приведенный на рис. 5.5.

По данным испытаний образцов, составы которых соответствуют точке перегиба верхней кривой на рис. 5.5, определяется состав, содержащий оптимальное количество воздухововлекающей добавки.

Предлагаемый способ проектирования состава песчаного бетона [50, 51], учитывающий влияние технологии производства на прочностные характеристики материала, позволяет получать песчаные бетоны с заданной прочностью, отвечающие требованию минимальной стоимости. Простота способа, имеющего характер алгоритма (набора формализованных операций однозначно приводящих к требуемому результату), а также его особенности, предусматривающие изготовление контрольных образцов из материалов и методами, применяемыми для изготовления конструкций, для которых ведется проектирование состава, позволили успешно использовать способ в практике лабораторий заводов сборного железобетона.

Одним из важнейших этапов технологии песчаных бетонов является приготовление смесей с высокой однородностью и надежным сцеплением цементного теста с поверхностью песка-заполнителя.

Перемешивание высоковязких цементно-песчаных смесей, в которых силы сцепления цементного теста с заполнителем больше сил прилипания, не приводит к равномерному распределению цементного теста по поверхности песчинок, что снижает прочность бетона.

Как правило, необходимы дополнительные мероприятия по повышению однородности перемешивания. Отсутствие щебня в составе цементно-песчаной смеси также ухудшает качество перемешивания.

При перемешивании бетонных смесей, содержащих тяжелый крупный заполнитель, последний вовлекает в движение прилегающие слои раствора. В мелкозернистых смесях этого не происходит, перемешивание проходит в макрообъемах, а с увеличением жесткости смеси этот недостаток усугубляется.

Установлено, что при перемешивании жестких мелкозернистых смесей в традиционно выпускаемых отечественной промышленностью бетономешалках принудительного действия (вертикальный вал с жестко прикрепленными лопастями) даже при близких показателях прочности кубов, изготовленных из проб, взятых из разных мест бетономешалки, однородность низкая, перемешивание внутри микрообъемов недостаточное. В бетоне - конгломератном материале - это всегда приводит к снижению прочности.

В зарубежной практике при производстве смесительного оборудования для приготовления жестких мелкозернистых смесей применяются активаторы-агрегаты, перемешивающие бетонную смесь в микрообъемах. Высокооборотные смесители-активаторы размещаются на лопастях либо на корпусе бетономешалки таким образом, что их воздействию последовательно подвергается весь объем замеса.

Повышение гомогенности цементно-песчаной смеси может до 10 % увеличить прочность бетона.

Отсутствие в отечественной практике серийного изготовления подобных агрегатов, несмотря на имеющиеся разработки и большое количество опытных образцов, делает целесообразным при комплектации бетоносмесительных узлов реализовывать иную схему перемешивания, дающую возможность получить результат, близкий к перемешиванию в смесителях-активаторах.

Такими смесителями являются агрегаты, осуществляющие перемешивание во встречных потоках: струйные [62, 63, 66], противоточные, планетарные, турбулентные, двухвальные.

Из указанных смесителей в России серийно выпускаются двухвальные бетономешалки с горизонтально расположенными валами, вращающимися в противоположных направлениях. Ими и целесообразно комплектовать бетоносмесительные узлы для производства песчаных бетонов.

Исследовательскими работами, оценивающими качество перемешивания на двухвальном смесителе СБ-163 (1500/1000), показано, что при традиционных одномоментных схемах введения заполнителей цемента и воды для умеренно жестких (ОК 2–3 см), особо и сверхжестких (до 120 сек) смесей, несмотря на улучшение их качества по сравнению со смесителями с вертикальным валом, перемешивание в микрообъемах также либо недостаточно, либо требует большего времени, чем указано в паспорте бетономешалки.

Дополнительно качество перемешивания в двухвальных смесителях можно улучшить небольшими конструктивными изменениями и технологическими приемами. Так, применяемая в отечественной практике разовая либо струйная подача воды в смеситель - одна из основных причин снижения однородности бетонной смеси.

Подача воды под давлением в процессе перемешивания смеси из многих точек по периметру смесителя и увеличение времени ее подачи позволяют равномерно ввести в воду бетонную смесь.

Широко известный технологический прием, используемый при приготовлении жестких бетонных смесей, - перемешивание насухо заполнителей и цемента - хотя и несколько удлиняет общий цикл, но зато способствует увеличению однородности бетона. Это происходит, в том числе, из-за особенностей перемешивания сухих смесей, позволяющих очистить поверхность заполнителя от пленок и прослоек пылеватых и глинистых примесей, препятствующих надежному сцеплению цементного камня с заполнителем.

На рис. 5.6 приведена схема двухвального смесителя, траектория движения частиц и зона интенсивного перемешивания. Перемешивание во встречных потоках приводит к повышению количества контактов между частицами заполнителя, а диспергирующее действие поверхностно-активных веществ, введенных в цементно-песчаную смесь с водой затворения, к механическому удалению глинистых пленок с поверхности зерен песка. Агрегаты глинистых частиц (комовая глина) при соударениях с зернами песка разрушаются, осколки этих агрегатов в процессе перемешивания диспергируются в воде до коллоидных размеров и уже не ухудшают свойств бетона, а при определенных условиях являются слабым пластификатором.

Для окрашивания цементно-песчаной смеси, предназначенной для формования с использованием интенсивных способов уплотнения, обычно применяются минеральные, реже органические (фталоцианиновые) пигменты.

Количество пигмента существенно различается в зависимости от вида и порядка его введения в бетонную смесь.

Нормативные документы, определяющие количество пигмента, необходимое для окрашивания бетонной смеси [83], выпущены более 30 лет назад и практически не менялись, несмотря на появление иных технологий перемешивания, уплотнения цементно-песчаных смесей и введения в них пигментов.

По существу, производители изделий из цветных бетонов при отсутствии рекомендаций вынуждены самостоятельно искать пути получения качественного окрашивания.

Небольшое количество пигмента в общем объеме смеси (обычно менее 4 %), высокая дисперсность материала, а также обычно принимаемый порядок его введения в бетонную смесь как отдельного, дозируемого в смеситель компонента приводит к низкому качеству окрашивания: неравномерности тона, отдельных включений неперемешанного пигмента, значительных отличий в цвете изделий одной партии и др.

Минеральные пигменты, представляющие собой тонкодисперсные порошки, очень гигроскопичны, и в результате соприкосновения с атмосферным воздухом, как правило, агрегируются, образуя флокулы, которые при традиционных способах перемешивания цементно-песчаных смесей не разрушаются в бетономешалке, попадая в тело бетона. С одной стороны, это снижает прочность бетона, с другой, при попадании флокул на поверхность изделия пигмент растворяется от атмосферных осадков, образуя раковины и каверны.

Таким образом, очевидна необходимость реализации мероприятий для повышения равномерности распределения пигмента в бетонной смеси. Это не только повышает качество окрашивания и улучшает прочностные и структурные характеристики бетона, но и сокращает расход пигмента для достижения заданной интенсивности цветного тона.

С целью повышения равномерности введения пигмента в цементно-песчаную смесь возможна реализация следующих приемов:

Для повышения эффективности окрашивания целесообразно:

В таблицах 5.2–5.4 приведены результаты экспериментальных работ на красном пигменте, оценивающих влияние различных способов его введения в жесткие цементно-песчаные смеси на качество окрашивания.

Таблица 5.2.

Анализ данных табл. 5.2 показывает, что введение пигментов совместно с водой затворения позволяет лишь ограничено улучшить окрашивание цементно-песчаной смеси.

Таблица 5.3.

Таблица 5.4.

Результаты экспериментов, приведенные в табл. 5.3. и 5.4. показывают, что просев пигмента через сито с отверстиями 0,315 мм (остаток 5 % по массе) позволяет улучшить окрашивание бетона и исключить вкрапления комков пигмента на поверхности изделий. Просеянный пигмент предпочтительно перемешивать вначале с песком, затем с цементом.

Проверка результатов экспериментальных работ производилась на вибропрессующем оборудовании, предназначенном для изготовления тротуарных плит из песчаного бетона (табл. 5.5).

Таблица 5.5.

Таким образом, предварительный просев пигмента через сито 0,315 мм исключает попадание в бетонную смесь агрегированных зерен, которые затем видны на поверхности изделий.

Применение просеянного минерального пигмента, использование турбулентного смесителя и введение пигмента с использованием маточной смеси позволяет достичь удовлетворительного качества окрашиваемого бетона при использовании отечественных пигментов.