ТехЛиб СПБ УВТ

Библиотека Санкт-Петербургского университета высоких технологий

Бетоны и строительные растворы

romacolosseoОпределение и общая классификация бетонов

Трудно сказать, когда впервые в строительной практике поя­вился бетон, так как начало его использования человеком ухо­дит в глубь веков. Наиболее раннее применение бетона, обнару­женное археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Этот бетон был найден в одной из хижин древнего поселения ка­менного века на берегу Дуная в Югославии. Из него был сделан пол толщиной 25 см.

В состав того бетона входили гравий и из­весть красноватого цвета. К этому же периоду относится мате­риал, из которого выполнены конструкции «египетского лаби­ринта» и который также был приготовлен строителями древно­сти на известковом вяжущем веществе. Однако бетон тех времен мало походил на современный. В тепе­решнем виде бетон начали применять лишь в начале XIX в., когда был изобретен портландцемент. И все же наибольшее применение этот материал получил лишь в XX ст., преобразив­шем мир.

Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве) датируется 1950 г. до н.э. Бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до н.э.
Римляне материал, подобный бетону, называли по-разному.

Так, литую кладку с каменным заполнителем они именовали греческим словом «эмплектон» (emplekton). Встречается также слово «рудус» (rudus). Однако чаще всего при обозначении таких слов, как раствор, используемый при возведении стен, сводов, фундаментов и тому подобных конструкций, в римском лексиконе употреблялось словосочетание «опус цементум» (opus caementitium), которым и стали называть римский бетон.

Несомненно, на широкое распространение римского бетона определенное влияние оказала политическая и экономическая структура античного общества. Однако не в меньшей степени, а может быть, даже в большей, этому способствовал и ряд крупных технических достижений. В частности, открытие римлянами свойств пуццолановых добавок, значительное улучшение состава бетона за счет использования чистых и даже в отдельных случаях фракционированных заполнителей взамен ранее применявшегося грунта, и тщательное уплотнение бетонной смеси, которому римляне уделяли большое внимание, и которое в значительной степени способствовало улучшению качества бетона. Предположительно, в период наивысшего развития бетона (2 век н.э.) римлянами были разработаны и новые виды вяжущих веществ типа романцемента, позволившие в значительной степени улучшить физико-механические и деформативные характеристики возводимых ими бетонных сооружений.

Повышению долговечности бетона способствовали и географические условия Италии с ее теплым и влажным климатом, в то время как в других странах с более суровым климатом постройки из такого же бетона сохранились плохо. Даже сегодня не потеряли своей значимости и конструктивные особенности римских бетонных дорог, полов, сводов и куполов, особенно в связи с тем, что, не умея бороться с растягивающими и изгибными напряжениями бетонных конструкций, римляне прекрасно «научили» их работать на сжатие. Большой интерес представляет и химико-минералогический состав римского цемента. Сочетание этих нововведений и явилось, видимо, основной причиной поразительной долговечности римского бетона, которую до сих пор нередко связывают с якобы утраченными секретами античных строителей.

Бетон создан специально для нужд строительства и произво­дится только для строительных целей. И состав его тоже исклю­чительно прост: цемент, вода, мелкий и крупный заполнитель типа песка, гравия или щебня. Вместо цемента может быть ис­пользовано другое вяжущее. Вода вступает в химическую реак­цию с цементом, в результате которой вязкопластичная вначале масса постепенно превращается в прочный цементный камень. Он и связывает в единую систему (конгломерат) заполнители. При необходимости в состав бетона вводят добавки различного назначения.

Бетоном называют искусственный каменный материал, по­лучаемый в результате затвердевания правильно подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего веще­ства, воды, заполнителей и в необходимых случаях — специальных добавок. Смесь из указанных выше компонентов до начала ее затвердевания называют бетонной смесью.

Классифицируют бетоны по следующим основным призна­кам: назначению, средней плотности, виду вяжущего, виду за­полнителей, структуре и условиям твердения.

По основному назначению различают следующие бетоны: конструкционные и специальные (жаростойкие, коррозионно-стойкие, декоративные, теплоизоляционные, радиационно-защитные, бетонополимеры, полимербетоны и др.).

 Конструкци­онные бетоны — это бетоны несущих и ограждающих конструк­ций зданий и сооружений, определяющими требованиями к ка­честву которых являются требования по физико-механическим характеристикам. Конструкционные бетоны делят на обычные, гидротехнические, дорожные и др.

Обычным называют бетон, к которому не предъявляются особые требования.

К гидротехническим относят бетоны, применяемые для воз­ведения гидротехнических сооружений (плотин, водорегули­рующих, водозаборных и других сооружений).

 

 tn

 Рис.1. Плотина на Саяно-Шушенской ГЭС до аварии 17.08.09 г. и после 


Дорожным называют бетон, применяемый в покрытиях до­рог, аэродромов и других подобных сооружений.

Жаростойкие бетоны применяют для изготовления конст­рукций, которые в условиях эксплуатации подвергаются посто­янному или периодическому воздействию температур от 200 до 1800°С.

Конструкционно-теплоизоляционные бетоны предназначены для железобетонных конструкций, к которым предъявляются требования как по несущей способности, так и по теплоизоля­ционным свойствам.

Коррозионностойкими называют бетоны, способные в усло­виях эксплуатации противостоять действию агрессивных сред.

В зависимости от средней плотности различают особо тяжелые, тяжелые, легкие и особо легкие бетоны.

Особо   тяжелые   бетоны   со средней плотностью более 2500 кг/м изготовляют на особо тяжелых заполнителях (магне­тит,лимонит, барит, чугунная дробь, обрезки стали). Эти бето­ны применяют для изготовления специальных конструкций, на­пример при сооружении зданий атомных электростанций для защиты от радиоактивного излучения.

Тяжелые бетоны со средней плотностью 2000…2500 кг/м3 изготовляют на плотном песке и крупном заполнителе из плот­ных горных пород и используют во всех несущих конструкциях.

Легкие бетоны со средней плотностью 500…2000 кг/м3 вы­пускают на пористом крупном заполнителе и пористом или плотном мелком заполнителе. Их используют в основном для производства ограждающих или несущих конструкций.

Особо легкие бетоны (ячеистые) со средней плотностью менее 500 кг/м изготовляют на основе вяжущего вещества, крем­неземистого компонента и порообразователя. Они применяются в качестве теплоизоляционного материала в виде плит, скорлуп, стеновых изделий (мелких блоков и панелей).

По виду вяжущего бетоны подразделяют следующим обра­зом: бетоны на цементных вяжущих; бетоны на известковых вяжущих; бетоны на гипсовых вяжущих; бетоны на шлаковых и бетоны на специальных вяжущих.

По виду заполнителей различают: бетоны на плотных заполнителях; бетоны на пористых заполнителях; бетоны на специальных заполнителях.

По крупности зерен заполнителей различают бетоны мел­козернистые и крупнозернистые.

Мелкозернистым считается бетон, в котором размеры зерен крупного заполнителя менее 10 мм.

В зависимости от характера структуры различают сле­дующие виды бетонов:

  • —бетоны плотной (слитной) структуры, в которых про­странство между зернами заполнителей полностью занято за­твердевшим вяжущим веществом;
  • -купнопористые бетоны (беспесчаные или малопесчаные), в которых значительная часть объема межзерновых пустот оста­ется не занятой мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим веществом;
  • —поризованные бетоны, в которых пространство между зер­нами заполнителей занято вяжущим веществом, поризованным пенообразующими или газообразующими добавками;
  • —ячеистые бетоны — бетоны с искусственно созданными ячейками-порами, состоящие из смеси вяжущего вещества, тон­кодисперсного кремнеземистого компонента и порообразующей добавки.

По условиям твердения бетоны подразделяются на:

  • -бетоны естественного твердения, твердеющие при темпе­ратуре 15…20°С и атмосферном давлении;
  • -бетоны, подвергнутые с целью ускорения твердения тепло­вой обработке (70…90°С) при атмосферном давлении;
  • -бетоны, твердеющие  в автоклавах при температуре 175…200°С и давлении пара 0,9…1,6 МПа.

Нормативные документы классифицируют бетоны:

  •  по средней плотности  
  • по виду вяжущего вещества
  • по назначению 

 На плотность бетонов влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов. 

 По плотности бетоны делят на:

  •  особо тяжелые с плотностью (более 2500 кг/куб. м).;
  •  тяжёлые (1800-2500кг/куб. м);
  • лёгкие (500-1800 кг/куб. м); 
  •  особо лёгкие (менее 500 кг/куб. м)

 Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях-стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон). Тяжёлые бетоны с плотностью 2100-2500 кг/ куб. м. получают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз). Облегченный бетон с плотностью 1800…2000 кг/ куб.м. получают на щебне из горных пород с плотностью 1600-1900 кг/куб. м. Легкие бетоны изготовляют на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза,туф).

 К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на легких заполнителях.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны: 

  •  цементные
  •  силикатные
  •  гипсовые
  •  шлакощелочные
  •  полимерцементные
  •  специальные

 Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на цементе (портландцемент) и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), успешно используют бетоны на шлакопортландцементе (20-25%) и пуццолановом цементе.

 К разновидностям цементных бетонов относятся:

  •  декоративные бетоны, (на белом и цветных цементах),
  •  бетоны для самонапряженных конструкций (на напрягающем цементе),
  •  бетоны для специальных целей (на глиноземистом и безусадочном цементах).

 Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.

 Гипсовые бетоны готовят на основе гипса. Гипсовые бетоны применяют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементные-пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью. Применение -объемные блоки санузлов, конструкции малоэтажных домов.

 Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворенных щелочными растворами. Эти бетоны еще только начинают применяться в строительстве.

 Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные) или мономеры (фурфуролацетоновый), отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация).

 Полимерцементные бетоны получают на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и латексы).

 Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые и стеклощелочные, полученные из отходов промышленности.

 Бетоны применяют для различных видов конструкций, как изготовляемых на заводах сборного железобетона, так возводимых непосредственно на месте эксплуатации (в гидротехническом, дорожном строительстве).

 В зависимости от области применения различают:

  •  обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колон, балок перекрытий и мостовых конструкций);
  •  гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений;
  •  бетон для ограждающих конструкций (легкий);
  •  бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий;
  •  бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты).

 Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие: до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемостью), не расслаиваться; бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции в эксплуатацию; расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными.

 КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНА

  •  Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего: 
  •  Бетон на неорганических вяжущих (цементные бетоны, гипсобетоны, силикатные бетоны, кислотоупорные бетоны, жаростойкие бетоны и другие специальные бетоны) 
  •  Бетон на органических вяжущих (асфальтобетоны, пластбетоны).

 Цементные бетоны в зависимости от объёмной массы (в кг/м3) подразделяются на:

  •  особо тяжёлые (более 2500);
  •  тяжёлые (от 1800 до 2500);
  •  лёгкие (от 500 до 1800);
  •  особо лёгкие (менее 500).

 Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий). Они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны. обычно вводят добавку карбида бора или др. добавки, содержащие лёгкие элементы-водород, литий, кадмий. Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетон, подвергающихся воздействию морских, пресных вод, а также атмосферы.

 К заполнителям для тяжёлых бетонов предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия приводили к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетона, что достигается применением быстро-твердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и др. способами.

К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими бетоном занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

 Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого бетон: они названы в зависимости от вида примененного заполнителя-вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобетон, перлитобетон, туфобетон и другие.

 По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие бетоны подразделяются:

  • на обычные лёгкие бетоны (с полным заполнением межзернового пространства);
  •  малопесчаные лёгкие бетоны (с частичным заполнением межзернового пространства);
  •  крупнопористые лёгкие бетоны, изготовляемые без мелкого заполнителя;
  •  лёгкие бетоны с цементным камнем, поризованные при помощи газо- или пенообразователей;

 По виду вяжущего лёгкие бетоны на пористых заполнителях разделяются как:

  •  цементные
  •  цементно-известковые
  •  известково-шлаковые
  •  силикатные

 Рациональная область применения лёгких бетонов-наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный лёгкий бетон используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К лёгким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м3.

 По способу образования пористой структуры ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобетоны, по виду вяжущего: на газо- и пенобетоны, получаемые с применением портландцемента или смешанных вяжущих; на газо- и пеносиликаты, изготовляемые на основе извести; газо- и пеношлакобетоны с применением молотых доменных шлаков. При использовании золы вместо кварцевого песка ячеистые бетоны называются газо- и пенозолобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношлакозолобетонами. Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.

 Области применения бетона в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных бетонов (тяжёлых и лёгких), а также бетонов с заданными физико-техническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетона с учётом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и другие.

 ФИЗИКОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

 Основные свойства бетона: 

  •  плотность
  •  содержание связанной воды (для особо тяжёлых бетонов)
  •  прочность при сжатии и растяжении
  •  морозостойкость
  •  теплопроводность
  •  техническая вязкость (жёсткость смеси)

 Прочность бетона характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых бетонов определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 100 или 200 мм, изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки. Для образцов монолитного бетона промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20°С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 суткам.

 Прочность бетона в возрасте 28 суток (R28) нормального твердения можно определять по формуле: 

R28 = aRц (Ц/В — б)

 

где: Рц-активность (прочность) цемента; Ц/В — цементно-водное отношение; а) 0,4-0,5 и б) 0,45-0,50-коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей.

 Для установления марки бетонов гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 суткам. Срок выдержки и условия твердения образцов бетонов сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых бетонов принимают временное сопротивление в кгс/см2 на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см2 0,1 Мн/м2). Особо тяжёлые бетоны имеют марки от 100 до 300 (~10-30 Мн/м2), тяжёлые бетоны от 100 до 600 (~10-60 Мн/м2). Марки высокопрочных бетонов от 800-1000 (~80-100 Мн/м2).

Применение высокопрочных бетонов наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5-20 Мн/м2), высокопрочные бетоны до 400 (~40 Мн/м2), крупнопористые бетоны от 15 до 100 (~1,5-10 Мн/м2), ячеистые бетоны от 25 до 200(~2,5-20 Мн/м2), особо лёгкие бетоны от 5 до 50 (~0,5-5 Мн/м2). Прочность бетонов на осевое растяжение ниже прочности бетонов на сжатие примерно в 10 раз.

 Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к бетонам дорожных и аэродромных покрытий. К бетонам гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и другие), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов,-требования стойкости против коррозии.

При проектировании состава тяжёлого цементного бетона учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых бетонов-также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см)стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего-10 см).

Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б.Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов. Градации подвижности бетонной смеси приводятся в таблице: 

Градации подвижности бетонной смеси: 

 

Бетонная смесь

 

 Жёсткость по техническому вискозиметру (сек)

 

 Осадка конуса (см)

 
Жёсткая

 

 более 60

 

 0

 
Умеренно жёсткая

 

 30-60

 

 0

 
Малоподвижная

 

 15-30

 

 1-5

 
Подвижная

 

 5-15

 

 5-10

 
Сильноподвижная

 

  —

 

 10-15

 
Литая

 

  —

 

 15-25

 

Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки бетона. Наряду с ценными конструктивными свойствами бетон обладает также и декоративными качествами.

Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру бетона; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности бетона. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из бетона усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств бетона используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

Posted in Бетоны и растворы,Строительные материалы

«
»