Бетон в защите ядерных установок - Составы бетонов

Бетон — это искусственный материал, в котором заполнители связаны между собой затвердевшим тестом из цемента и воды. Заполнители обычно представляют собой инертный материал, а активным компонентом является цементное тесто. Практически важно получить тесто такой консистенции, чтобы состав по степени пластичности или жесткости соответствовал принятой технологии уплотнения бетонной смеси* и оставался однородным во время транспортировки и укладки.
Основной критерий высокого качества затвердевшего бетона — его коэффициент плотности **. Коэффициент плотности бетона в возрасте 28 дней 0,92—0,77. Он увеличивается при лучшем заполнении пор крупного заполнителя более мелким (рис. 1.2).· Сравним два зерновых состава А и В (рис. 1.3). По оси ординат отложены значения оптимальной плотности ϱα для состава А и ϱь для зернового состава В, а на оси абсцисс — возможные погрешности в дозировке песка ±5%, 10% и т. д.
Если имеются такие условия, что они гарантируют определенное ограничение погрешности (например, не выше 5%), то зерновой состав А, конечно, будет оптимальным. Но если в условиях строительной площадки не исключена возможность погрешностей в пределах 10—15%, уменьшение защитных свойств становится значительным. В этом случае предпочтительнее будет принять зерновой состав В, хотя максимальная величина ϱb меньше ϱα.

* Рационально составленную и однородно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов твердения принято называть бетонной смесью. ** В бетоноведении под плотностью бетона понимается отношение суммы абсолютных объемов всех твердых компонентов бетона, включая н химически связанную воду, к общему объему бетона. В дальнейшем под плотностью будем понимать объемную массу материалов и бетона, а плотность в прежнем толковании именовать коэффициентом плотности.

Из сказанного следует, что для многих строительных площадок за основу обеспечения оптимального зернового состава бетонной смеси нужно принять не достижение высокой объемной массы (плотности) бетона, а соображения иного рода. В этом случае необходим некоторый избыток раствора в бетонной смеси. Избыток раствора прежде всего улучшает ее удобоукладываемость и несколько улучшает защитные свойства бетона от определенных источников излучений, так как увеличивается в бетоне общее содержание цемента и связанной воды. Можно сказать, что кривая А на рис. 1.3 характеризует бетон с наименьшей дозировкой цемента, песка и воды, кривая В — бетон с избытком этих материалов.

Рис. 1.2. Примеры конгломератного строения бетона: а — неудовлетворительное, Кп = 0,67; б — малоудовлетворительное, Кп=0,77; б—хорошее, Кп=0,8—0,92.
Наиболее пригодная консистенция цементного теста, подобранные количества и гранулометрический состав заполнителей не являются переменными величинами независимого характера. Они, несомненно, влияют друг на друга.

Рис. 1.3. Сравнение плотности бетонов с разным зерновым составом заполнителей.
При проектировании состава бетонных смесей для обычного строительства, где решающую роль играет прочность бетона, определяемая величиной водо-цементного отношения и маркой цемента, представляется значительная свобода действий в назначении пропорций мелких и крупных заполнителей. В этом заключается большое преимущество метода проектирования состава бетона на основе водо-цементного отношения, так как он дает возможность наилучшим образом использовать соотношение цен на цемент и заполнители и в то же время гарантирует требуемое качество (прочность) бетона.

Рис. 1.4. Сравнение бетонных смесей. Заполнители:
а- обычные песок и щебень; б — гематит; в — барит; г — лимонит (мелкий влажный) +стальной скрап (крупный); 1 — несвязанная вода; 2 — связанная вода, 3 — портланд-цемент; 4- крупный заполнитель; 5 — мелкий заполнитель.

Однако это преимущество теряется при подборе состава бетона для защиты от излучений, поскольку в каждом случае изменение соотношения заполнителей и цемента приводит к изменению плотности и водосодержания (а иногда и количества других элементов, например бора).
На рис. 1.4 изображены четыре группы смесей, в которых гранулометрический состав колеблется в пределах, обычно встречающихся в практике бетонных работ. В этих смесях мелкий и крупный заполнители в отдельности имели гранулометрический состав, лежащий в пределах кривых просеивания, рекомендуемых «Строительными нормами и правилами», а комбинации их с цементным тестом были подобраны таким образом, что давали при всех водо-цементных отношениях приблизительно одинаковую консистенцию и приемлемую удобоукладываемость бетонных смесей. Если исключить смеси из одного песка и смеси со стальным крупным заполнителем, то довольно большие колебания в пропорциях мелких и крупных заполнителей дают в результате только незначительное изменение плотности бетона и небольшую разницу в стоимости этих смесей при всех обычно применяемых водо-цементных отношениях. Разумеется, стоимость бетона в каждом случае будет колебаться, так как зависит от цен заполнителей и цемента.
Для того чтобы продолжить сравнение бетонных смесей с учетом сорта и качества различных заполнителей, обобщим результаты предыдущего анализа на широкий диапазон плотности бетона от 2300 до 6500 кг/м3. Плотность бетонной смеси можно в общем виде представить следующим соотношением:
(1.1)
где ϱбс — плотность бетонной смеси сразу после укладки, кг/м3; ϱцт, ϱa — соответственно плотность цементного теста и средняя плотность (в куске) смеси заполнителей, кг/м3; Vцт — относительный объем цементного теста.
Цементное тесто — наиболее легкая составная часть бетона. Для обычных водо-цементных отношений (0,45—0,75 по весу) плотность теста изменяется в пределах от 1600 до 1900 кг/м3, в то время как плотность в куске применяемых заполнителей (известняка, гематита, барита, стали) 2400—7600 кг/м3.
На основании соотношения (1.1) построен график (рис. 1.5). Из графика видно, что одну и ту же плотность бетона можно получить двояко: либо с максимальным расходом цемента и при большой плотности смеси заполнителей, либо при минимальном расходе цемента и несколько меньшей плотности заполнителей. В табл. 1.3 последние два состава бетона приготовлены таким образом, что минимальный расход цемента (200 кг/м3) поддерживался постоянным, а одна и та же плотность сохранялась при использовании различных видов и комбинаций заполнителей.

Сравнение стоимости бетонов

Примечания:

1. Цемент 4-гематит (мелкий и крупный).
2. То же.
3. Цемент + гематит (мелкий).
4. Цемент + лимонит (мелкий и крупный) + гематит — 10% (мелкий).
5. Цемент + песок (обычный) + гематит (крупный).

При этом водо-цементное отношение, естественно, несколько менялось вследствие различной водопоглощаемости и формы поверхности заполнителей. Бетон № 4 приготовлен на лимонитовых заполнителях с добавкой 10% гематитового песка. Стоимость 1 м3 этого бетона ниже самого дешевого бетона № 3 с гематитовым песком. Еще дешевле бетон № 5, приготовленный на обычном песке и гематитовом щебне.
Таким образом, из одних и тех же материалов особо тяжелый бетон тем дешевле, чем больше для него расход цемента. Однако увеличение количества связанной воды из-за повышенного расхода цемента не всегда может компенсировать уменьшение плотности, т. е. не гарантирует одинаковые защитные качества бетона. Выбирая заполнители различного сорта и стоимости, можно получить более дешевый бетон постоянной плотности с одинаковыми защитными свойствами или даже с лучшей защитной способностью вследствие повышенного количества связанной воды. Об этом убедительно свидетельствуют составы № 4 и 5 бетонной смеси (см. табл. 1.3). Аналогично можно показать, что состав № 1, который в табл. 1.3 кажется неэкономичным, в действительности самый дешевый в группе составов плотности 3890 кг/м3, так как увеличение расхода цемента, например с 200 до 500 кг/м3, неизбежно приведет к использованию более тяжелых и дорогих заполнителей (см. рис. 1.5).
Отсюда следует общая закономерность: при постоянной плотности бетона стоимость бетонной смеси с максимальным расходом цемента на более тяжелых заполнителях всегда выше стоимости бетонной смеси с минимальным расходом цемента на более легких заполнителях. Это объясняется тем, что рост стоимости тяжелых заполнителей значительно опережает рост плотности бетона, приготовленного на этих заполнителях [24, 25]. Критерий наиболее экономичного бетона — минимальный расход воды, цемента и песка. Пределом экономичности, естественно, является приемлемая удобоукладываемость бетонной смеси. При этом следует иметь в виду, что бетонные смеси (см. табл. 1.3) приготовлены на заполнителях, занимающих некоторое среднее положение на графике (см. рис. 1.5). Совершенно очевидно, что смеси на заполнителях большей плотности при этом же изменении для них расхода цемента дают большую разницу в плотности бетона и его стоимости. Соответственно более легкие заполнители при том же условии дают меньшую разницу в плотности и стоимости. Вот почему даже значительные колебания в расходе цемента весьма мало отражаются на плотности обычного бетона.

Рис. 1.5. Зависимость плотности бетона от плотности цементного теста и заполнителей и их соотношения в бетонах.
На основе изложенных выше общих положений подбора состава бетона в приложении II приведены ориентировочные составы некоторых видов бетона. Зная весовое содержание компонентов в бетоне и химический состав каждого компонента (приложение I), можно вычислить химический состав бетона в целом.
В приложении III даны элементарные химические составы бетонов сразу после приготовления, поэтому все бетоны имеют значительное количество воды. Для того чтобы пользоваться приложением III, необходимо знать количество связанной воды в зависимости от возраста бетона и его температуры.