Бетоны и строительные растворы

Определение 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).


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/м³изготовляют 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

Умеренно жёсткая

30-60

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

ТехЛиб СПБ УВТ