Специальные бетоны

Высокопрочные бетоны — это бетоны с пределом прочности при сжатии 50 МПа и более. Однако пределы прочностных характеристик таких бетонов чисто условны, поскольку больше связаны с уровнем развития науки и техники в области производства цемента, бетона и химических добавок. Уже сегодня возможно получение бетонов прочностью более 150 МПа.

Достигается высокая прочность бетонов различными приемами. Основными условиями получения высокопрочных бетонов являются применение высокоактивных цементов, низких водоцементных отношений (0,20…0,30), использование плотных высокопрочных заполнителей, химических добавок пластификаторов и, в частности, суперпластификаторов и комплексных добавок, тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси, создание наиболее благоприятных условий твердения и др. Способствует повышению прочности бетона также высокий предельно допустимый расход цемента, максимально возможное насыщение его крупным заполнителем за счет подбора оптимального зернового состава и уменьшения доли песка. Высокая прочность таких бетонов часто достигается за счет применения специальных технологических приемов, например сухого бетонирования, сущность которого заключается в укладке в опалубку или форму сухой смеси вяжущего и заполнителей с последующим ее увлажнением.

Таким способом на рядовых материалах возможно получить бетон прочностью до 100 МПа. Основу подобного уровня характеристик бетона составляют повышенная плотность его структуры и низкое (0,15…0,25) водоцементное отношение, которое соотносится с теоретически необходимым для реакций гидратации цемента количеством воды.

Поскольку высокопрочные бетоны получают на цементе высокой активности и при низких значениях В/Ц, они одновременно являются и быстротвердеющими. Это позволяет значительно сократить длительность тепловой обработки или вовсе отказаться от нее. Такие бетоны отличаются высокой плотностью и являются более долговечными и стойкими к агрессивным средам, что увеличивает срок их службы и позволяет применять в тяжелых условиях эксплуатации. В настоящее время возможно получение супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет. Применение высокопрочных бетонов способствует также уменьшению массы конструкций.

Особо тяжелые бетоны называют еще гидратными (из-за большого содержания в них химически связанной воды) и бетонами для защиты от радиоактивного воздействия. Применяют их в качестве защитных экранов ядерных реакторов. Из всех радиоактивных излучений наибольшей проникающей способностью обладают протоны и нейтроны. Способность материала поглощать излучение — пропорциональна его плотности.

Для ослабления потока нейтронов в материале наоборот должны присутствовать элементы с малой атомной плотностью, как, например, водород. Бетон является как раз эффективным материалом для биологической защиты ядерных реакторов, поскольку в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости высокая плотность и содержание достаточно большого количества водорода в химически связанной воде.

Характерным свойством таких бетонов является большая средняя плотность, которая составляет 2500…6000 кг/м³. Они отличаются также повышенным количеством химически связанной воды — более 30 % по массе, а следовательно, и ядер водорода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока горячих нейтронов.

В качестве вяжущего в особо тяжелых бетонах используют портландцемент, глиноземистый и гипсоглиноземистый цемент, расширяющийся, напрягающий и др. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне и бетоне. Заполнителями в таких бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) породы: ильменит, магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Мелкий заполнитель обычно составляют дробленный бурый железняк, кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Например, насыпная плотность ильменитового песка составляет 4620 кг/м³ , щебня — 4760 кг/м³ , а средняя плотность бетона на таких заполнителях превышает 4000 кг/м³. Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов от нейтронного потока в них вводят также добавки, содержащие легкие элементы, например карбид бора, хлористый литий, сернокислый кадмий и др.

Мелкозернистый цемент и армоцемент. Для производства крупноразмерных пространственных конструкций (таких, как своды, оболочки, купольные и складчатые конструкции) с толщиной стенок 20…30 мм и других тонкостенных изделий необходимо применять мелкозернистый бетон с наибольшей крупностью заполнителя, не превышающей 10 мм (в среднем 5…7 мм). Для армоцементных конструкций крупность заполнителя не превышает даже 3 мм.

Бетоны мелкозернистого строения характеризуются более высокой удельной поверхностью заполнителя, а иногда повышенным объемом межзерновой пустотности, и поэтому нуждаются в увеличенном содержании цементного теста (на 20…40 %) по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном. Вместе с тем мелкозернистые бетоны отличаются более однородным строением.

Для сокращения расхода цемента необходимо применять высококачественные пески, пластифицирующие добавки, суперпластификаторы, производить хорошее уплотнение смеси.

Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на изгиб, хорошими водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Армоцемент как разновидность мелкозернистого бетона представляет собой особо мелкозернистый бетон, армированный по всему сечению расположенными в несколько рядов по толщине ткаными металлическими сетками. Он обладает высокой прочностью не только на сжатие, но и на растяжение. Армоцемент используется в весьма тонкостенных пространственных конструкциях сложного очертания и благодаря жесткости сечения элементов обладает высокой несущей способностью.

Гидротехнический бетон должен обеспечить длительную эксплуатацию конструкций, постоянно или периодически омываемых водой. По условиям эксплуатации делится на следующие разновидности: подводный постоянно находящийся в воде; надводный подвергаемый лишь периодическому воздействию воды и расположенный в зоне переменного горизонта воды. Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон напорных и безнапорных конструкций, поэтому в зависимости от условий эксплуатации к гидротехническому бетону помимо требований прочности предъявляются также требования по водонепроницаемости, морозостойкости и др.

Прочность на сжатие и водонепроницаемость гидротехнического бетона определяется в возрасте 180 сут. По прочности на сжатие он подразделяется на классы В10…В40; по водонепроницаемости — на марки W2…W8. Требования по морозостойкости предъявляются к тем гидротехническим бетонам, конструкции из которых подвергаются совместному действию воды и мороза. По морозостойкости такие бетоны делят на пять марок: F50, F100, F150, F200 и F300.

В зависимости от условий эксплуатации для приготовления гидротехнического бетона допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях и сульфатостойкого цемента. Так, для зоны сооружений на уровне переменного горизонта воды в суровых климатических условиях используется пластифицированный или обычный портландцемент. Они позволяют получить водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить расход цемента и тем самым тепловыделение бетона при твердении в случае массивных конструкций. Для особо тяжелых условий при наличии агрессивной среды применяют сульфатостойкие цементы.

Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости такого бетона применяют химические добавки и в первую очередь СДБ и СНВ. Для уменьшения расхода цемента, а следовательно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плотности бетона в него вводят различные микронаполнители, например золу-унос и др.

Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспечивать его водостойкость и морозостойкость. Допускается применение только крупных и средних песков, а зерновой состав заполнителей подбирается таким образом, чтобы получался минимальный объем пустот при возможно большей крупности максимальных по размеру зерен. Применение таких заполнителей снижает расход цемента и уменьшает выделение теплоты при твердении бетона. Расход цемента должен быть больше минимальных значений, обеспечивающих получение плотного бетона, и в то же время по условиям тепловыделения его не должно быть для массивных конструкций более 350 кг/м³, а немассивных — 400 кг/м³. Для получения требуемой водонепроницаемости такого бетона содержание песка в смеси заполнителей должно быть несколько увеличено по сравнению с обычными значениями.

Бетонную смесь необходимо укладывать с максимальным уплотнением, а за твердеющим бетоном наладить тщательный уход, обеспечивающий необходимый влажностный и температурный режимы, при которых предотвращаются объемные деформации.

Бетонные конструкции в современных гидротехнических сооружениях имеют своими основными характеристиками значения прочности на сжатие-растяжение, а сам предел прочности бетона будет определяться в следующие периоды: 28, 60, 180 суток – в зависимости от времени строительства.

Показатели величины предела растяжимости, набухания и усадки бетона должны быть:

— предельная растяжимость для бетона в возрасте 180 суток: не ниже 5-10-5 – для бетона внутренних зон, не ниже 7-10~5 – для бетона наружных зон сооружений. Этот показатель будет тем лучше, чем выше прочность бетона при использовании цемента без минеральных добавок и введением полимеров в бетонные смеси.

— линейная усадка для бетона в условиях относительной влажности 60% и температуре воздуха 18 С: для бетона с возрастом в 28 суток – не выше 0,3 мм/м, в возрасте 180 суток – до 0,7 мм/м относительно первоначальной длины.

— набухание бетона относительно размеров высушенных конструкций не должно превышать 0,1 мм/м для бетона в возрасте 28 суток, и 0,3 мм/м – для бетона в возрасте 180 суток.

Негативное проявление имеет усадка бетонной смеси при строительстве резервуаров и водоемов из напряженного железобетонного материала, во время ремонта конструкций и работ по гидроизоляции конструкций.

Такой показатель прочности бетона, как трещинностойкость, в массивных конструкциях имеет прямую зависимость от температурных напряжений, что обусловлено количеством тепловыделений в результате гидратации цемента в процессе застывания бетонной смеси.

Для бетонов специального назначения к числу наиболее важных показателей свойств, характеризующих долговечность, относятся морозостойкость, водонепроницаемость, стойкость к химической коррозии в водной среде. Кроме этого, на гидротехнические бетонные сооружения агрессивное влияние оказывают абразивное действие наносов, взвешенных в воде, и кавитация.

Негативное воздействие от абразивных наносов может повлечь за собой разрушение конструкции, а чтобы увеличить устойчивость бетона к данному воздействию, можно снизить содержание таких составляющих, как вода и цемент, и использовать в виде добавок алитовые цементы, имеющие высокую удельную поверхность, а также увеличить расход цемента, количество заполнителя крупных размеров.

Помимо абразивного разрушения, при наличии высокоскоростного потока воды может наступить кавитационное разрушение бетонной конструкции. При этом нарушается сплошность внутри текущей жидкости, образуются пузыри, которые разрываясь, образуют гидравлические удары.

Кавитационная стойкость бетонов, так же как и износостойкость, достаточно хорошо характеризуется прочностью на сжатие. Для бетонных обделок водопроводящих сооружений следует применять бетоны с прочностью при сжатии 45— 50 МПа. Дальнейшее повышение прочности уже незначительно увеличивает кавитационную стойкость.

Для защиты от наносов и кавитации применяют защитные облицовки; в зависимости от условий могут быть использованы чугуно- и сталебетон, камень, металл, резина, полимерные бетоны. Особенно эффективными являются полимербетонные облицовки, стойкость к износу и кавитации которых в несколько раз выше, чем высокопрочных цементных бетонов.

Чтобы избежать (или снизить) воздействие кавитации, в работе с бетоном используют создание таких форм, которые обеспечили бы обтекание потоком конструкции – например, плавных линий параболы.

Декоративные бетоны. В зависимости от состава и назначения декоративные бетоны можно подразделить на цветные и бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обладающие выразительной структурой. При необходимости поверхность бетона подвергают специальной обработке или формуют изделия с рельефной поверхностью.

Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные цементы, различные минеральные и органические пигменты. Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосфере- и щелочестойкостью. В качестве пигментов используют: мел природный молотый, известь гашеную (белый цвет), охру сухую (желтый цвет), сурик железный (красно-коричневый цвет), марганцевый черный, белила титановые, ультрамарин (синий цвет), оксид хрома (зеленый цвет) и др. В качестве дробленого декоративного материала применяют щебень и гравий из плотных горных пород, цветные шлаки, цветное кусковое стекло (эрклез).

Наиболее часто применяют минеральные пигменты и вводят их в количестве 1…5 % от массы цемента в зависимости от их укрывистости, плотности и других свойств.

Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с обычными следует принимать несколько выше. При крупности заполнителя до 10 мм он составляет 450…500 кг/м³. Это позволяет повысить плотность и улучшить цветовую выразительность поверхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения получения хороших декоративных качеств являются составы 1:2… 1:3. Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило, предварительным испытанием и затем постоянно контролируется, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования изделий используются достаточно пластичные, жирные бетонные смеси, которые хорошо формуются и мало подвержены расслоению.

В цветных бетонах следует использовать чистые кварцевые пески светлых оттенков без примесей, окрашивающих их в серый цвет. В качестве крупных и мелких заполнителей могут применяться светлый известняк и доломит, отходы камнедробления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки гранита, туфа и др. Крупный заполнитель, как правило, не придает определенный цвет бетону. Больше всего на цвет бетона влияют мелкие частицы заполнителя — до 0_?3 мм.

Марка декоративного бетона должна быть не менее М150 (В 10), морозостойкость — F50. Для повышения художественной выразительности декоративных бетонов применяют специальные приемы, позволяющие обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для выявления структуры бетона его поверхность подвергают шлифовке и полировке, обрабатывают бучардой или пневматическим молотком, с помощью пескоструйного аппарата и т. п. Для обнажения заполнителя используют различные замедлители твердения. Декоративные бетоны применяются в ограждающих конструкциях общественных и жилых зданий, для изготовления элементов фасада, декоративных плит для наружных и внутренних стен зданий, для лестничных маршей и деталей малых архитектурных форм, для барельефов, скульптур и других изделий специального назначения.

Жаростойкий бетон. Жаростойкий бетон изготовляют из вяжущего, тонкомолотой минеральной добавки, жаростойких заполнителей и воды (или другого затворителя, например ортофосфорной кислоты).

В качестве вяжущих в жаростойком бетоне применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент или жидкое стекло. Жидкое стекло должно иметь модуль от 2,4 до 3,0 и плотность от 1,36 до 1,38 г/см³ и применяется вместе с отвердителем — кремнефтористым натрием. Для улучшения структуры цементного камня и сохранения прочности при нагреве в вяжущее вводят минеральные добавки (хромитовую руду, бой шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит, пемзу, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак, топливный шлак и золу-унос). Тонкость помола добавок должна быть такой, чтобы через сито N 008 проходило не менее 70 % добавок для бетонов на портландцементе и не менее 50 % — для бетонов на жидком стекле.

В качестве мелкого и крупного заполнителей в жаростойком бетоне применяют следующие дробленые материалы: бой магнезитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича, кусковый шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз, лом и бой жаростойких бетонов или огнеупорных изделий. Максимальная крупность щебня составляет обычно 20 мм, а мелких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях должно быть не более 15 % по массе.

Материалы и состав жаростойкого бетона выбирают в зависимости от требуемой марки по прочности, температуры и условий службы в конструкции. Смеси готовят в бетоносмесителях принудительного действия; укладку ведут при температуре не ниже +15 °С. Время твердения жаростойкого бетона зависит от вида вяжущего и составляет 0,5…1 сут. для бетона на ортофосфорной кислоте и 3…7сут. — для бетонов на глиноземистом и портландцементе.

Жаростойкий бетон на портландцементе и цементном клинкере в качестве заполнителя может использоваться при температуре до 250°С. Он применяется, например, для футеровки холодного конца вращающихся печей по производству цемента и извести по мокрому способу. Бетон на глиноземистом цементе используется в условиях более высоких температур — порядка 1200°С (например, для изготовления стеновых панелей туннельных печей для обжига керамического кирпича). Еще более высокой огнеупорностью (до 1350 °С) при одновременно высокой термостойкости обладает бетон на фосфатных связующих — фосфорной кислоте, алюмофосфатной и алюмохромфосфатной связках. Указанные значения огнеупорности соответствуют температуре деформации под нагрузкой, которая всегда на 200…300°С ниже так называемой конусной или просто огнеупорности.

Читать по теме:

К разделу

Строительные материалы

Posted in Бетоны и растворы,Строительные материалы