9.2. Материалы, применяемые

В ГИДРОТЕХНИЧЕСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В гидротехническом строительстве широко применяют тради­ционные строительные материалы: бетон, железобетон, металл, дерево, камень, различные грунты, асфальт, битум, а также спе­циальные виды материалов (полимерные, тканевые и резиноткане­вые), хорошо работающие в агрессивной водной среде.

Выбор материала обусловливается условиями работы гидро­технического сооружения, категорией надежности сооружения, его конструкцией, наличием местных строительных материалов, спо­собом производства работ и технико-экономическими показателя­ми строительства.

Материалы, используемые в гидротехническом строительстве, должны обеспечивать при статических и динамических нагрузках прочность сооружений, их элементов и узлов в течение расчетных сроков эксплуатации, стойкость против разрушающих воздейст­вий окружающей среды с учетом климатических условий, повто­ряющихся смачиваний и высыханий поверхности, периодического замораживания и оттаивания, агрессивного воздействия вод, исти­рающего действия наносов и др.

В настоящее время бетон и железобетон являются основными материалами для возведения гидротехнических сооружений. Ши­рокое распространение конструкций из этих материалов объясня­ется тем, что их применение дает возможность широко использо­вать механизацию работ при высоких темпах строительства,

295

придавать сооружениям самые разнообразные формы при необхо­димом качестве бетона, их транспорт и укладка достаточно про­сты, а стоимость относительно невелика.

Бетоны классифицируют по различным признакам. По виду вя­жущего бетоны делят на цементные, силикатные и гипсовые. В гидротехническом строительстве применяют преимущественно цементные бетоны. Бетоны делят на применяемые в промышлен­ном и гражданском строительстве (обычные), гидротехнические, дорожные, специального назначения (кислотостойкие, биологиче­ски стойкие) и др. Из обычного бетона возводят надводные части гидротехнических сооружений. Гидротехнический бетон использу­ют для строительства сооружений или их частей, находящихся постоянно или периодически в воде.

Гидротехнический бетон должен обладать рядом специфиче­ских свойств, обеспечивающих его долговременную работу; к ним относятся повышенная прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость против агрессивного воздействия воды, сопротивление истиранию и др. Обеспечиваются эти свойства надлежащим подбором состава бетона, соблюдением соответст­вующих правил его изготовления и укладки, а также организа­цией бетонных работ согласно требованиям действующих норма­тивных документов.

Плотность бетона определяется материалом заполнителей и тех­нологией укладки. По плотности бетоны разделяют на особо тя­желые с плотностью >2700 кг/м³ при тяжелых заполнителях (стальные опилки, барит), тяжелые с плотностью от 2100 до 2600 кг/м³ с заполнителями из кварцевого песка, щебня, гравия или плотных горных пород, облегченные с плотностью от 1000 до 1800 кг/м³ с пористыми заполнителями (кирпичным щебнем) и особо легкие с плотностью <1000 кг/м³, практически изготовляе­мые без заполнителя с мелкопористой структурой.

В СНиП 2.03.01—83 предусмотрены требования к бетону желе­зобетонных конструкций в воде. Класс прочности берется по сжа­тию В (В10, В15, В20, В25, ВЗО, В35, В40, В45, В50, В60) и растя­жению— E_t (В/0,8; В/1,2; В/1,6; В/2,4; В₍2,8; В/3,2), а марка-no эксплуатационным свойствам: по морозостойкости F (F15, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500), по водонепроницае­мости W (W2, W4, W6, W10, W12). Цифры после букв обознача­ют: для классов по прочности — предел прочности на статическое сжатие (растяжение) специальных образцов, МПа; для марок по морозостойкости — число выдерживаемых водонасыщенными об­разцами циклов попеременного замораживания и оттаивания в возрасте 28 дней без снижения прочности бетона более чем на 15%; по водопроницаемости — давление воды в атмосферах, вы­держиваемое образцами бетона без ее просачивания через них.

Составляющие бетоны — цемент, инертные заполнители (песок и щебень), вода, специальные добавки — должны отвечать опре­деленным требованиям.

296

f Коррозионная стойкость бетонов и железобетона прежде всего зависит от свойств цемента. Наиболее широко в строительстве применяют портландцемент (ГОСТ 10178—76*), содержащий си­ликаты кальция (до 70. ..80%), гипс, инертные и активные добав­ки. В гидротехническом строительстве используют сульфатостой-кие портландцемента, снижающие возможность сульфатной коррозии. Эти цементы изготовляют на основе клинкера нормиро­ванного состава (табл. 9.4) и в зависимости от их вещественного состава (табл. 9.5) по ГОСТ 22266—76* делятся на сульфатостой-кий портландцемент М400, сульфатостойкий портландцемент с минеральными добавками М400 и М500, сульфатостойкий силико-портландцемент МЗОО и М400, пуццолановый портландцемент МЗОО и М400.

Для получения бетонов с заданными свойствами на цементном вяжущем в его состав при затвердении вводят различные добавки

, Таблица 9 4 Минеральный состав клинкера,

_!() % от массы (не более)

^	Виды цемента
		сульфато-
Наименование * вещества	сульфато стойкий	стойкий портланд	сульфато стойкий	пуццолановый
	портланд­цемент	цемент с минераль	шлако портланд	портланд цемент
		ными	цемент
		добавками
Трехкальциевый силикат	50	Не нормируются
Трехкальциевый алюминат	5	5	8	8
Сумма трехкальциевого	22	22	Не нормируются
йлюмината и четырехкаль
циевого алюмоферрита
Оксид магния	5	5	5	5

Таблица 9.5. Вещественный состав сульфатостоиких цементов

Содержание добавок, % от массы цемента

Наименование цемента	гранулиро ванный доменный и электро­фосфорный шлак	осадочного происхожде­ния (кроме глиежа *)	прочие (включая глиеж)
Сульфатостойкий портландцемент То же. с минеральными добавками Сульфатостойкий шлакопортландце-мент	Не до 10 ... 20 21 ...60	тускается 5 ... 10	Не допускается
. Пуццолановый портландцемент	—	20... 30	25 ... 40

Глиеж—сокращение слов «глины, естественно жженные».

297

(табл. 9.5) естественного происхождения (диатомиты, трепелы, опоки, глиежи, туфы, пемза и др.) и искусственные (доменные гранулированные шлаки, электротермофосфорные шлаки и др.). В последнее время получили распространение специальные добав­ки, пластифицирующие (сульфитно-дрожжевая бражка СДБ, су­перпластификатор С-3), пластифицирующе-воздухововлекающие (мылонафт mi, омыленная растворимая смола ВЛХК и др.), воздухововлекающие (синтетическая поверхностно-активная до­бавка СПД, смола нейтрализованная воздухововлекающая СНВ и др.), газообразующие (полигидроксилоксан ГК.Ж-94, пудра алю­миниевая ПАК и др.), уплотняющие (нитрат калия НК, нитрат железа НЖ, диэтиленгликолевая смола ДЭГ-1 и др.). Замедлите­ли схватывания (сахарная патока — меласса СП, СДБ, этилсили-конат натрия ГКЖ-Ю и др.), ускорители твердения (нитрат нат­рия НН, хлорид кальция ХК, нитрат кальция НК и др.), противо-морозные (ХК, нитрит-нитрат кальция ННК, мочевина М, нитрат натрия НН и др.), ингибиторы коррозии. Часто вводят комбиниро­ванные добавки. По массе в большинстве случаев перечисленные добавки составляют от долей до единиц процента от массы це­мента в расчете на сухое вещество. Применение соответствующих добавок позволяет получить плотный бетон при низком значении водоцементного отношения (В/Ц=0,25.. .0,32), но высокой удобо-укладынаемости с заданной морозостойкостью и водопроницае­мостью

Для различных зон сооружения при изготовлении бетона реко­мендуется использовать наиболее подходящие цементы: в надвод­ной части — все виды портландцемента, в зоне переменного уров­ня— сульфатостойкий портландцемент, в подводной зоне и ниже уровня дна — пуццолановые портландцементы и шлакопортланд-цементы, во внутренних зонах сооружения — цементы с понижен­ной экзотермией.

Одновременно рекомендуется для различных зон применять бетон определенных прочности, морозостойкости и водопроницае­мости при соответствующем расходе цемента в килограммах на 1 м³ бетона. Так, для плотин прочность бетона меняется от 15 МПа для внутренних зон гравитационных плотин до 35 МПа для всего тела арочных плотин; марка бетона по морозостойкости меняется от F100 (МрзЮО) для подводной и фундаментной частей гравита­ционных плотин до F300 (МрзЗОО) для арочных плотин; марка бетона по водопроницаемости меняется от W2 (В = 2) для внут­ренних зон гравитационных плотин до W12 (В=12) для фунда­ментных частей арочно-гравитационных плотин.

Расход цемента колеблется от 160. ..180 кг/м³ для внутренних зон гравитационных и арочно-гравитационных плотин до 290... 325 кг/м³ для арочных плотин.

Заполнители составляют до 80% объема бетона и в значитель­ной степени влияют на свойства бетона. Согласно СНиП П-28—73 в качестве мелкого заполнителя рекомендуется применять чистый

298

естественный или искусственный песок, полученный из прочных цаменных пород дроблением с крупностью частиц d_oar<5 мм, с содержанием глинистых частиц меньше 1% по массе, с модулем Чрупности 2.. .2,5.

В качестве крупного заполнителя следует применять фракцио­нированный щебень изверженных пород с содержанием глинистых частиц не более 0,5% по массе. Обычно щебень делят на четыре фракции с наибольшими диаметрами 5. ..10; 10. ..20; 20.. .40 и 40 . .80 мм. Щебень для тяжелого бегона должен удовлетворять требованиям ГОСТ 10268—80 и 8267—82 и иметь плотность в куске 2300.. .2500 кг/м³.

Воду при изготовлении конструкций из бетона и железобетона применяют для промывки щебня, затворения бетонной смеси и поливки твердеющего бетона. Для затворения бетона применяют питьевую воду, удовлетворяющую требованиям СНиП П-28—73 без предварительного опробования. После опробования допускает­ся добавка природной воды с показателем содержания ионов водо­рода в воде рН от 4 до 12,5. Ограничивается содержание в воде взвешенных частиц, растворимых солей, а также ионов SO4²~ и С1~ в соответствии с требованиями ГОСТ 23732—79. Морскую воду из-за агрессивности хлор-ионов по отношению к арматуре применять не следует.

В гидротехническом строительстве широко используют метал­лы, главным образом различные стали и чугун. Сталь применяют в виде проката (для затворов, кранов, трубопроводов, резервуаров и др.) и в качестве арматуры железобетонных конструкций (для армоферм, армопакетов, каркасов и сеток), при этом прутковую арматуру используют редко. Мягкую тонкую проволоку диаметром 2 и 3 мм применяют для перевязки фашин, а оцинкованную прово­локу тех же диаметров — для изготовления габионов (см. гл. 14). Металлы обладают высокой прочностью, обеспечивают водонепро­ницаемость, хорошо работают в подвижных конструкциях, выдер­живают знакопеременные усилия и напряжения. Цветные металлы применяют для арматуры насосных станций морских водозабор­ных сооружений.

Различные виды арматуры, используемые в железобетонных конструкциях, делят на классы по контролируемым характеристи­кам: прочности на растяжение, виду поверхности, свариваемости, хладноломкости, коррозионной стойкости. Стержневая горячека­таная арматура делится на классы A-I...A-V1. К каждому классу относится одна или несколько марок стали, обладающих близки­ми контролируемыми характеристиками.

СНиП П-56—77 рекомендует в качестве ненапрягаемой арма­туры использовать классы А-П и A-III и допускает применение стали класса A-I в качестве поперечной и конструктивной арма­туры. В качестве продольной арматуры вязаных каркасов и сеток допускаются стали классов A-V и A-VI, которые получают при термической обработке (закалке и низком температурном отпу-

299

ске) горячекатаной стержневой арматуры, производимой на метал)-лургических заводах. Для напрягаемой арматуры предварительнс напряженных конструкций рекомендуется использовать арматуру классов A-IV, Ат-IV, A-V, Ат-V, арматурные пучки из проволоки В-И, Вр-П и арматурные канаты К-7 и К-19. Нормативные и рас­четные сопротивления для некоторых классов и видов арматуры приведены в табл. 9.6.

Основным недостатком металлов, в частности стали, является коррозия в водной среде.

Ранее при строительстве различных гидротехнических сооруже­ний— трубопроводов, шлюзов, набережных, молов, волноломов и других конструкций — широко применяли древесину. Достоинства­ми древесины являются малая теплопроводность, легкость обра­ботки, распространенность материала, относительно невысокая стоимость, долговечность при благоприятных условиях эксплуата­ции, например в подводных конструкциях. Недостатками древеси­ны являются многодельность, трудность индустриализации работ, деформации при изменении влажности, уменьшение прочности с увеличением влажности, сгораемость, подверженность поражению растительными и животными организмами. В настоящее время при строительстве гидротехнических сооружений древесину исполь­зуют в основном для временных сооружений и вспомогательных

Таблица 9 б. Нормативные и расчетные сопротивления арматуры

Показатели	Класс и вид арматуры
	А-1	А II	А- III	A-IV	A-V	A-VI
Диаметр, мм	6.. .40	10. .80	6. .40	10.. .22	10.. 22	10...22
Нормативные сопротив­ления растяжению R4i „	235	295	390	590	785	980
и расчетные сопротивле-
ния растяжению для пре-
дельных состояний
II группы Rs,ser, МПа Расчетные сопротивле-
ния арматуры для пре-
дельных состояний
I группы, МПа: растяжению при рас-	225	280	365	510	680	815
чете наклонных сече-
ний
продольной, попереч­ной на действие из-	175	225	290	405	545	650
гибающего момента
Rs, поперечной на
действие поперечной силы Rs „,
сжатию /?8, с	225	280	365	390	390	390

300

Продолжение табл. 9 6

Показатели	Класс и вид арматуры
	A-IIIB	Вр I	В II	Вр-ш	К-7
Диаметр, мм	6. .40	3...5	3..8	3..8	4,5 ..15
Нормативные сопротив-	540	410.. .395	1500...1400	1500.. .1400	1500...1300
ления растяжению Rs n
и расчетные сопротивле-
ния растяжению для пре-
дельных состояний
II ГруППЫ RSl ser, МПа
Расчетные сопротивле-
ния арматуры для пре-
дельных состояний
I группы, МПа:
растяжению при рас-	590	375...360	1250.. .915	1250.. .915	1200.. .1100
чете наклонных сече-
' НИИ
продольной, попереч-	390	300. .290	1000.. 730	1000...730	960...880
ной на действие из-
гибающего момента
R,, поперечной на
действие поперечной
силы /?, „
сжатию Rs. с	390	390	390	390	390

Примечание Расчетные сопротивления арматуры класса A-IIIB назначают по числителю при контроле удлинений и напряжений в арматуре вытяжки и по знаменателю — только при контроле удлинений

изделий (перемычек, временных эстакад, опалубок и др.), а также при строительстве регуляционных сооружений. В условиях Севера древесину можно применять для свайных оснований, изготовления ряжей, подпорных стенок и т. п.

Камень применяют при изготовлении бетона, строительстве ка-менно-земляных и каменных плотин, защитных дамб и волноло­мов, в качестве защитных покрытий берегов и дна каналов и ковшей, водотоков и водоемов, обратной засыпки при строитель­стве набережных стенок, водозаборных сооружений и насосных станций, для облицовки ответственных частей, загрузки ряжей и габионов.

В гидротехническом строительстве применяют камень из гор­ных магматических (гранитов, сиенитов, порфиритов, базальтов, диоритов, диабазов), метаморфических (гнейсов, кварцитов) и некоторых осадочных (кристаллических известняков, доломитов, песчаников) пород. Достоинствами каменных материалов являют­ся долговечность, высокое сопротивление сжатию, широкая рас­пространенность и простота добычи; недостатками — неоднород­ность вещественного состава, изменчивость физико-механических свойств, относительно невысокая морозостойкость.

301

В гидротехническом строительстве при гидроизоляционных, термозащитных и выправительных работах широко применяют] битумные материалы, в частности асфальты. Битумы могут быть природными и искусственными. Природный битум (каустобили-} ряда нефти) представляет собой обогащенную органическим ве( ществом горную породу, являющуюся продуктом переработки opf ганических остатков под воздействием геологических факторов. Природный битум из горной породы извлекают с помощью либо горячей воды, либо различных органических растворителей.

Асфальтом (природным) называют ископаемый битум высо­ковязкий, полутвердый и твердый, содержащий в среднем 80... 85% С, 9. ..10% Н и значительное количество кислорода, серы и азота. Температура размягчения природного асфальта колеблется от 20. ..30 до 80...100°С.

Искусственные битумы получают в виде остатка после отгонки из смолистых нефтей фракций, кипящих при 500°С. В гидротехни­ческом строительстве применяют нефтебитумы марок БН-П (пла­стичный), BH-II-V, БН-1П, БН-III-V (твердые), отличающиеся по твердости, растяжимости и температуре размягчения.

Искусственный асфальт (технический) представляет собой смесь битума с минеральными материалами в тонкоизмельченном состоянии (известняковым порошком или цементами любых ма­рок), придающими асфальту повышенную устойчивость при изме­нении температуры.

На основе битумов (асфальта) готовят асфальтобетон, пред­ставляющий собой смесь битума (10. ..15%), песка различных фракций и щебня или гравия. Песок не должен содержать более 3% глинистых частиц. Щебень или гравий применяют из твердых горных пород, количество щебня из слабых пород не должно пре­вышать 10%.

Для асфальтобетонных защитных покрытий используют плот­ный гидротехнический асфальтобетон с песчаным или мелкозерни­стым заполнителем с пределом прочности на сжатие Л?₂о = 2,5 МПа при t = 2Q°C и /?₅₀= 1,2 МПа при t = 5Q°C.