Бетон

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О БЕТОНЕ

Бетоном называют искусственный камень, получаемый в результа­те твердения рационально подобранной смеси, которая состоит из вяжу­щего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердевания называют бетонной смесью.

Зерна песка и щебня составляют каменную основу бетона. Цемент­ное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обво­лакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет вначале роль смазки заполнителей, придающей подвижность (текучесть) бетонной смеси, а впоследствии, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень — бетон. Бетон в сочетании со стальной арматурой называют железобетоном.

Бетон как строительный материал применяли еще в глубокой древ­ности. С течением времени использование его в строительстве почти прекратилось, и только с XIX столетия после изобретения новых гидрав­лических вяжущих, в первую очередь портландцемента, бетон снова стали широко применять для строительства различных инженерных со­оружений. Начиная с 60-х годов XIX в., после усовершенствования тех­нологии и повышения марочной прочности цемента, он становится ос­новным вяжущим для бетона и железобетона.

Русские ученые уже с конца XIX в. уделяли большое внимание соз­данию плотного бетона и правильному расчету его состава. Крупный вклад в науку о бетоне внесли военные инженеры, были изло­жены результаты исследований зависимости прочности бетона от содер­жания воды, уплотнения бетонной смеси, крупности песка и щебня или гравия. Заслугой советских ученых является соз­дание способов производства зимних бетонных работ и широкое внедре­ние их в практику.

Крупные успехи имеются также в создании легкого, кислотоупор­ного и жароупорного бетонов. Технология легких бетонов, разработан­ная Н. А. Поповым, в настоящее время получила широкое развитие. Все более широко применяют пенобетон и газобетон, обладающие малыми объемной массой и теплопроводностью.

Получать бетонную смесь и бетон высокого качества можно только при глубоком знании технологии, умении выбирать материалы необхо­димого качества и устанавливать их оптимальное соотношение, изыски­вать режимы приготовления бетонной смеси, методы ее укладки, уплот­нения и условий твердения, обеспечивающие получение бетонных кон­струкций высоких прочности и долговечности.

Бетон — один из важнейших строительных материалов, применя­емый во всех областях современного строительства. Разнообразием свойств бетона, получаемых путем использования соответствующего ка­чества вяжущих и каменных материалов и применения специальных ме­тодов механической и физико-химической обработки; легкостью механи­ческой обработки бетонной смеси, обладающей пластичностью и позво­ляющей без значительных затрат труда изготовлять самые разнообразные по форме и размерам долговечные строительные кон­струкции; возможностью полной механизации бетонных работ; эконо­мичностью бетона (80—90% его объема составляют заполнители из местных каменных материалов).

Классификация бетонов.

Классифицируют бетоны по следующим главнейшим признакам: объемной массе, виду вяжущего вещества, крупности заполнителя, проч­ности, морозостойкости и назначению.

Основной считается классификация по объемной массе. Бетон делят на особотяжелый объемной массой более 2500 кг/м³, тяжелый-—1800— 2500 кг/м³, легкий — 500—1800 кг/м³, особолегкий — менее 500 кг/м³.

По виду вяжущего вещества различают бетоны цементные, изготов­ленные на гидравлических вяжущих веществах — портландцементах и его разновидностях; силикатные — на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатпыми компонентами; гипсовые — с приме­нением гипсоангидритовых вяжущих; бетоны на органических вяжущих материалах.

Тяжелый бетон изготовляют на цементе и обычных плотных запол­нителях, а легкий — на цементе и естественных или искусственных по­ристых заполнителях. Разновидностью легкого бетона является ячеис­тый бетон, представляющий собой затвердевшую смесь вяжущего ве­щества, воды, тонкоднсперспого кремнеземистого компонента и порообразователя. Этот бетон отличается высокой пористостью (до 80— 90%} при равномерном распределении мелких пор. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим тверде- нием сформованных изделий в автоклаве при давлении 0,9—1,6 МПа и температуре 174,5—200° С.

В зависимости от наибольшей крупности применяемых заполните­лей различают бетоны мелкозернистые с заполнителем размером до 10 мм и крупнозернистые с заполнителем размером 10—150 мм.

Важнейшие показатели качества бетона — его прочность и долго­вечность. По показателям прочности при сжатии бетоны разделяют на марки. Тяжелые бетоны на цементах и обычных плотных заполнителях имеют марки 100—600, особотяжелые бетоны— 100—200, легкие бетоны на пористых заполнителях — 25—300, ячеистые бетоны — 25—200, плот­ные силикатные бетоны — 100—400 и жаростойкие бетоны—100—400.

Долговечность бетонов оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю их разделяют на марки морозостойкости: для тяже­лых бетонов Мрз 50 — Мрз 300 и для легких, бетонов Мрз. 10 — Мрз.200.

По назначению бетон бывает следующих видов: обычный — для бе­тонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты); гидротехнический — для плотин, шлюзов, об­лицовки каналов и др.; для зданий и легких перекрытий; для полов, дорожных покрытий и оснований; специального назначения: кислото­упорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты, ко­торый изготовляют на цементе со специальными видами заполнителей высокой плотности.

Основные требования.

Бетон дол­жен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обла­дать другими качествами, соответствующими назначению изготовляе­мой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бе­тонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам ее укладки.

Прочность бетона. В конструкциях зданий и сооружений бетон может работать в различных условиях, испытывая сжатие, растяже­ние, изгиб и др. Тяжелый бетон, применяемый в промышленном, жи­лищном и гражданском строительстве, оценивают пределом прочности при сжатии и пределом прочности на растяжение при изгибе, являю­щимися основной характеристикой механических свойств бетона.

Предел прочности бетона при сжатии и растяжении при изгибе вычисляют с точностью до 0,1 МПа как среднее арифметическое пре­делов прочности трех образцов одной серии. Если наименьший резуль­тат испытания одного из трех образцов отличается более чем на 20% от следующего большего показателя, то значение предела прочности устанавливают по двум наибольшим результатам. Отклонения от за­данной проектной прочности допускаются только в сторону увеличе­ния, но не более чем на 15%. Излишнее увеличение прочности бетона влечет за собой перерасход цемента и, следовательно, удорожание бетона.

Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основные факторы, влияющие на прочность бетона, — активность цемента и водоцементное отноше­ние. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, одна­ко при одной и той же активности цемента можно получить бетон раз­личной прочности в зависимости от изменения количества воды в сме­си.

Наряду с приведенными выше факторами (активность и качество цемента, водоцементное отношение и качество заполнителей) на проч­ность бетона в значительной степени влияют степень уплотнения бе­тонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона. Проч­ность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона до тех пор, пока прочность их больше проектируемой марки бетона. Применение заполнителей с прочностью ниже требуемой мар­ка бетона может значительно снизить прочность бетона. Для повыше­ния прочности бетона в этом случае потребуется увеличение расхода цемента. Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона: бетон, приготовленный на щебне, при прочих равных условиях имеет прочность большую, чем бетон на гравии.

На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси. Жесткие бетонные сме­си с низким содержанием воды обеспечивают более быстрое твердение бетона, чем подвижные.

Прочность тяжелого бетона при благоприятных температуре и влажности непрерывно повышается. В первые 7—14 суток прочность бе­тона растет быстро, затем рост прочности к 28 суток замедляется и по­степенно затухает. Во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет.

Морозостойкость бетона характери­зуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдерживать образцы 28-суточного воз­раста без снижения предела прочности при сжатии более чем на 25% и без потери массы более чем на 5%,

В ГОСТе на тяжелый бетон, в том числе и на гидротехнический, по морозостойкости установлены пять марок—Мрз 50, Мрз 100,, Мрз 150, Мрз 200 и Мрз 300. Марку бетона по морозостойкости выбирают в за­висимости от климатических условий, числа перемен уровня воды на омываемой поверхности бетона или числа смен замораживания и от­таивания за зимний период. Морозостойкими оказываются, как пра­вило, бетоны высокой плотности. Не менее важную роль в морозостой­кости бетона играет морозостойкость заполнителей; марка их по моро­зостойкости должна быть не ниже этого показателя для бетона. Морозостойкие бетоны получают путем применения морозостойких за­полнителей, уменьшения водоцементного отношения, применения гид­рофобных и гидрофильных пластифицирующих добавок, а также порт­ландцемента высоких марок или глиноземистого цемента, которые при твердении связывают значительное количество воды затворения, обра­зуя более плотный цементный камень.

В процессе твердения происходят объемные изменения - усадка и расширение бетона. Размер усадки бетона на портландцементе зависит от минералоги­ческого состава и тонкости помола цемента: усадка возрастает с уве­личением топкости помола. Для понижения усадки бетона, особенно при возведении массивных сооружений, следует применять белитовые цементы или цементы более низких марок, избегать жирных бетонных смесей, уменьшать количество воды затворения, применять крупные заполнители из плотных пород рационального зернового состава, а так­же строго соблюдать влажностной режим твердения бетона.

Бетон в агрессивной среде. Практи­ка эксплуатации водопроводно-канализационных бетонных сооружений показала, что в ряде случаев под влиянием физико-химического действия жидкостей и газов бетон может разрушиться. Коррозия бетона вызывается главным образом разрушением цементного камня. Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивно­го вещества в его толщу через трещины или поры бетона. Поэто­му основные меры предохранения бетона от коррозии — придание ему возможно большей плотности и правильное конструирование элемен­тов сооружений, обеспечивающие равномерную (без образования тре­щин) деформацию бетона в процессе твердения.

Для предохранения бетона от коррозии следует применять цемен­ты с минимальным выделением гидроокиси кальция и малым содер­жанием трехкальциевого алюмината. К таким цементам относятся портландцемента с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, сульфатостойкие цементы. Для устране­ния пор в поверхностных слоях бетона применяют импрегнирование в бетон цементного раствора, силикатирование, флюатирование

Отношение бетона к действию высоких температур. Огнестойкость бетона зависит не только от вида цемента, но и от природы заполнителей. Если в качестве заполнителей применяют гор­ную породу, в состав которой входит кристаллический кварц, то при температуре около 600° С в бетоне могут появиться трещины вслед­ствие значительного увеличения объема кварца.

При проектировании бетонных конструкций, подвергаемых дли­тельному воздействию высоких температур, необходимо учитывать, что при температуре 150—250°С прочность бетона на портландцемен­те снижается па 25%. При нагревании бетона выше 500° С и последу­ющем увлажнении он разрушается.

Для строительства конструкций, подвергаемых длительному воз­действию высоких температур (свыше 250°С), применяют специальный жароупорный бетон.

Прочный и долговечный бетон из материалов даже высокого ка­чества может быть получен только при тщательном уплотнении бетон­ной смеси при формировании из нее конструкций. Формовочная спо­собность бетонной смеси определяется двумя показателями — пластич­ностью и подвижностью. Пластичность характеризует внутреннюю связность смеси, способ­ность ее формоваться, приобретая заданную форму без разрывов и рас­слаивания на отдельные составляющие.

Подвижность бетонной смеси с максимальной крупностью зерен заполнителя до 70 мм оценивают по осадке под действием собственной массы или при вибрации конуса, отформованного из бетонной смеси

Жесткость бетонных смесей устанавливают при помощи технического вискозиметра.

На подвижность бетонной смеси влияет ряд факторов: вид цемента, содержание во­ды, содержание цементного теста, крупность заполнителей и форма их зерен, содержа­ние песка.

Бетонные смеси одного и того же соста­ва, но на разных цементах обладают не­одинаковой подвижностью. Это объясняет­ся различной водопотребностью цемента: чем она выше, тем меньше подвижность или больше жесткость смеси. Подвижность бетонных смесей на портландцементах с гидравлическими добавками меньше, чем смесей на портландцементе при одном и том же количестве воды, взятой для приго­товления смеси. Форма зерен также влияет на подвижность смеси. При округлой форме и гладкой поверхности суммарная поверхность зерен и трение между ними меньше, чем при острогранной форме и шероховатой по­верхности, поэтому бетонная смесь с гравием и окатанным песком по­движнее, чем смесь со щебнем и горным песком. Увеличение количе­ства песка сверх оптимального, установленного опытом, уменьшает подвижность бетонной смеси вследствие возрастания суммарной по­верхности заполнителей. Наиболее экономичны жесткие бетонные смеси, так как для них требуется меньше цемента, чем для подвижных. Следует выбирать более низкую подвижность смеси, но такую, которая обеспечивает удобную и качественную укладку. При выборе подвижности бетонной смеси учитывают размеры и характер конструкции, густоту армирова­ния и способы укладки смеси.

Правильно организованный контроль качества бетонных работ на всех стадиях технологического процесса изготовления бетонных конст­рукций — одно из важнейших условий получения прочного и долговеч­ного бетона и снижения стоимости конструкций. Контроль необходим на всех переделах технологического процесса: контролируют качество материалов для бетона, правильность их дозирования, качество пере­мешивания, укладки, уплотнения, ухода за бетоном, а также определя­ют прочность затвердевшего бетона испытанием пробных образцов. Прочность и качество бетона в конструкции можно ориентировоч­но определить и без их разрушения при помощи акустических приборов. Сущность их действия основана на скорости распространения ультра­звукового импульса или волны удара в материале и зависит от его плотности и прочности. Прочность бетона в конструкциях без их разру­шения можно также установить и механическим способом, например прибором, действие которого основано на зависимости прочности от глубины лунки в бетоне, образованной шариком при его вдавливании, или расстояния отскока маятника от бетона.