2.1.3. Искусственные каменные материалы

2.1.3.1. Бетоны

Бетоны – искусственные камневидные материалы, получаемые в результате формования и твердения рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, воды, мелкого (песка) и крупного (щебень или гравий) заполнителей. До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью.

Вяжущее вещество и вода являются активными составляющи­ми бетона; в результате реакции между ними получается цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей. Зерна песка и щебня со­ставляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто, образующееся после смешивания бетонной смеси с водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки за­полнителей, придающей бетонной смеси подвижность (текучесть). Цементное тесто, твердея, связывает зерна заполнителей, и получает­ся искусственный каменный материал — бетон.

Для приготовления бетонной смеси используют водопровод­ную питьевую, а также любую воду, имеющую водородный показа­тель рН не менее 4, то есть не кислую. Природные воды для приго­товления бетона должны браться из мест, достаточно удаленных от места выпуска сточных вод, так как сточные воды, содержащие жи­ры, растительные масла, сахар, кислоты и др., нельзя использовать для приготовления бетонной смеси. Вода не должна содержать сульфа­тов более 2700 мг/л (в пересчете на SO₄) и всех солей более 5000 мг/л.

Морская вода и другие соленые воды, удовлетворяющие приведенным выше условиям, применяются для изготовления бетонной смеси, за исключением бетонирования внутренних конструкций жи­лых и общественных зданий, а также надводных железобетонных сооружений в жарких и сухих местах. Морские соли могут выступить на поверхность бетона и вызвать коррозию стальной арматуры.

При выборе вяжущего вещества учитывают требования, предъявляемые к бетону (прочность, морозостойкость, химическая стойкость и др.). На практике наиболее широко применяют порт­ландцемент марок 400...500. В последнее время все шире начинают применяться в строительстве бетоны с полимерами. Полимеры (поливинилацетат, латексы, водорастворимые смолы и др.) могут вводиться в бетон в различном количестве, что определяет классифика­цию подобных бетонов на четыре группы: цементно-полимерные бетоны, полимербетоны, бетонополимеры и бетоны, содержащие полимерные материалы (заполнители, дисперсную арматуру или микронаполнители).

Заполнители (песок, гравий, щебень) в большинстве случаев не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Эти материа­лы образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку, вызы­ваемую усадкой цементного камня при твердении. Пористые заполнители уменьшают плотность и теплопроводность бетона.

В бетон могут вводиться специальные добавки, которые подразделяют на две группы.

К первой группе относятся химические вещества, добавляемые в бетон в небольшом (0,1—2 % массы цемента) количестве для изменения в необходимом направлении свойств бетонной смеси и бетона. Ко второй группе относятся тонкомолотые материалы, добавляемые в бетон в количестве 5...20 % и более для экономии цемента.

Химические вещества, добавляемые в бетон, классифицируют по основному эффекту действия:

1. Добавки, регулирующие свойства бетонных смесей:

пластифицирующие добавки (пластификаторы), т.е. увели­чивающие подвижность бетонной смеси;

стабилизирующие добавки, т.е. предупреждающие расслоение бетонной смеси;

водоудерживающие добавки, т.е. уменьшающие водоотделение;

2. Добавки, регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетона:

добавки, ускоряющие или замедляющие схватывание;

добавки, ускоряющие и обеспечивающие твердение, в том числе при отрицательных температурах;

3. Добавки, регулирующие плотность и пористость бетонной смеси и бетона -воздухововлекающие, газо- и пенообразующие добавки, уплотняющие добавки для удаления воздуха и расширяющие добавки для снятия деформаций бетона;

4. Добавки, придающие бетону специальные свойства: гидрофобизующие добавки, то есть уменьшающие смачивание бетона;

антикоррозийные добавки и ингибиторы коррозии стали;

антистарители, придающие бактерицидные и инсектицидные свойства;

красители.

К химическим веществам, добавляемым в бетон в качестве пластификаторов, относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ). В последнее время разработаны и внедряются в строительство новые химические добавки – суперпластификаторы (синтетические полимерные вещества), резко увеличивающие подвижность и текучесть бетонной смеси и существенно улучшающие строительно-технологические свойства бетона.

Тонкомолотые материалы (золы, молотые шлаки, отходы камнедробления и др.) используются как заменитель цемента, а также для придания бетону таких свойств, как жаростойкость, электропроводность, цвет и т.п.

Прочность бетона - одно из главных его строительных свойств. Она определяет способность бетона противостоять внешним механическим усилиям. Разрушение бетона под нагрузкой происходит в том случае, когда по всему сечению преодолевается предел прочности материала, т.е. сопротивление отрыву одних частиц от других. Разрушению предшествует появление микротрещин в местах концентрации напряжений, что ведет к постепенному ослаблению структуры бетона. При сжатии бетон разрушается от разрыва в на­правлении, перпендикулярном действующему усилию.

Общую классификацию бетонов производят по плотности, по структуре, по виду вяжущего и виду заполнителя, по условиям твердения и по назначению.

Плотность является главным классификационным признаком бетонов, так как с ней связаны его основные свойства - прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, теплопроводность и др. Плотность бетона зависит, главным образом, от плотности цементного камня, вида заполнителей и его структуры.

По плотности бетоны разделяются на пять видов:

1) особо тяжелый, содержащий такие тяжелые заполнители, как стальные опилки или зерна (стальбетон), железные руды или ба­рит (баритовый бетон); плотность этих бетонов выше 2600 кг/м³;

2) тяжелый (обычный), содержащий плотные заполнители (кварцевый песок, щебень или гравий из плотных каменных пород); плотность этого бетона 2100...2600 кг/м³;

3. облегченный, например, с кирпичным щебнем или крупнопо­ристый (беспесчаный); плотность 1800...2000 кг/м³;

4. легкий, содержащий пористые заполнители (шлак, пемзу, туф и т.п.), обычной плотной структуры или крупнопористый; его плот­ность 1200... 1800 кг/м³ (чаще 1300... 1500 кг/м³);

5) особо легкий, очень пористый, ячеистый (пенобетон, газобетон) или крупнопористый с легкими заполнителями; плотность меньше 1200 кг/м³ (чаще 500...800 кг/м³).

По структуре бетоны классифицируют на плотные, поризованные. ячеистые и крупнопористые бетоны.

По виду вяжущих веществ бетоны подразделяются на следую­щие виды:

цементные бетоны — на гидравлических вяжущих веществах (портландцементе и его разновидностях);

цементно-полимерные бетоны;

силикатные бетоны — на известковых вяжущих веществах в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами;

гипсовые бетоны — с применением гипсоангидритовых вяжущих веществ;

бетоны на шлаковых и специальных вяжущих материалах.

По виду заполнителя различают бетоны на плотных, пористых и специалъных заполнителях, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от излучений, жаро- и химически стойких и др.).

По условиям твердения бетоны подразделяют:

на твердеющие в естественных условиях;

на твердеющие в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении;

на бетоны автоклавного твердения в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного давления.

По условиям твердения (способу производства) различают бетоны с уплотнением вибрацией, трамбованные, литые, центрифугированные, подводного твердения, а также вибробетоны.

По назначению различают конструкционные и специальные бетоны.

К конструкционным бетонам относятся:

фундаментный (обычный) бетон, используемый для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, сво­ротов и др.);

гидротехнический бетон — для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и др.;

облицовочный бетон — для стен зданий и легких перекрытий (главным образом, легкий бетон);

теплоизоляционный особо легкий бетон (пено- и газобетоны);

дорожный бетон — для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий.

Специальные виды бетонов различают как жаро- и химически стойкие бетоны, декоративные бетоны, радиационно-защитные бетоны и др.

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять следующим требованиям:

бетоны для обычных железобетонных конструкций должны иметь заданную прочность (главным образом, при сжатии); для сооружений, находящихся на открытом воздухе, должна обеспечиваться морозостойкость;

бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, достаточной прочностью, малой усадкой, малым выделением теплоты при твердении, стойкостью против вьщелачивающего действия фильтрующих вод и в ряде случаев стойкостью по отношению к действию минерализованных вод;

бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны иметь небольшие плотность и теплопроводность, а также прочность в соответствии с проектным расчетом;

бетоны для полов должны характеризоваться малой изнашиваемостью и достаточной прочностью на изгиб, а бетоны для дорожных аэродромных покрытий — морозостойкостью.

Кроме того, ко всем бетонам и бетонным смесям предъявляются следующие общие требования:

до твердения бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться и укладываться (т. е. обладать подвижностью и удобоукладываемостью); не расслаиваться;

бетоны должны иметь определенную скорость твердения в со­ответствии с заданными сроками снятия опалубки с изделий или конструкций;

расход цемента должен быть минимальным.

При эксплуатации бетонных изделий и конструкций коррозия бетона вызывается, главным образом, разрушением цементного кам­ня и возникает в результате проникновения агрессивного вещества в толщу бетона. Коррозия бетона особенно интенсивна при постоянной фильтрации такого вещества.

Антикоррозионная защита изделий и конструкций из бетона обеспечивается увеличением его плотности, тщательным подбором состава, рациональной укладкой и уплотнением бетонной смеси, введением в эту смесь компонентов, повышающих коррозионную стойкость, и в удалении из нее веществ, способствующих коррозии. Широко используются защитные покрытия, изолирующие сооружение из бетона от внешней среды. Кроме того, изменяют состав среды, вводя в нее вещества, замедляющие коррозию, или удаляют компоненты, особоопасные в коррозионном отношении.

Композиционные материалы на основе бетонов

Полимербетоны – композиционные материалы, получаемые на основе полимерного связующего вещества (фурановые, эпоксидные, фенолформальдегидные смолы), минеральных заполнителей (песок с размером зерен до 5 мм и щебень с размером зерен до 50 мм) и наполнителей (порошки с размером частиц менее 0,15 мм). Наиболее высокие свойства имеют полимербетоны, в которых в качестве связующего используются эпоксидные смолы. Механические свойства полимербетона повышаются при армировании его стальной или стеклопластковой арматурой. Полимерные бетоны хорошо склеиваются с цементными веществами. К отрицательным свойствам относятся их горючесть, большая ползучесть, а также старение. Кроме того, соблюдение специальных правил охраны труда при работе с полимерами и кислыми отвердителями, которые могут вызвать ожоги; необходима хорошая вентиляция, а также обеспечение рабочих защитными очками, спецодеждой. необходимо

Железобетон – это композиционный материал, в котором монолитно соединены и совместно работают в конструкции стальная арматура и бетон. Для армирования железобетонных конструкций применяют стержневую и проволочную арматурную сталь. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие усилия, а сжимающие усилия передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

Сборные железобетонные изделия классифицируют по виду армирования, по плотности и виду бетона, по внутреннему строению, по назначению и по области применения. По назначению сборные железобетонные изделия делят на из­делия: для жилых, общественных, промышленных зданий, для сооруже­ний сельскохозяйственного и гидротехнического строительства, а также общего назначения. Они должны быть типовыми и унифицированными.

По форме сборные железобетонные изделия выполняются ли­нейными (колонны, балки, прогоны и др.), плоскостными (плиты по­крытий и перекрытий, панели стен и перегородок и др.), блочными (массивные изделия фундаментов, стены подвалов, ограждающих конструкций и др.) и пространственными (объемные элементы сани­тарных кабин, кольца колодцев и др.) конструкциями.

Марки бетонных и железобетонных сборных конструкций и изделий содержат обозначения основных характеристик конструкций и изделий и состоят из буквенно-цифровых групп, которые разделя­ются дефисами. Число групп должно быть не более трех. Марка запи­сывается в одну строку.

Первая группа включается в марку всех бетонных и железобетонных сборных конструкций и изделий и содержит:

обозначение типа и конструкции изделия по его наименованию (С — свая, К — колонны, Ф — фундаменты и др.);

определяющие габаритные размеры (или обозначение типо-размера конструкции и изделия).

Во второй группе приводятся:

несущая способность конструкции и изделия, указываемая цифрами, соответствующими расчетной нагрузке;

класс напрягаемой арматуры в соответствии со стандартами и техническими условиями на арматурную сталь и с нормативными документами на проектирование железобетонных конструкций;

вид бетона (Л — легкий, Я — ячеистый, С — плотный сили­катный, М — мелкозернистый, Ж — жаростойкий).

В третью группу включены дополнительные характеристики, отражающие особые условия применения конструкций и изделий:

стойкость бетона к воздействию агрессивной среды: Н — нор­мальная проницаемость; П — пониженная проницаемость; О — осо­бо низкая проницаемость. Показатели бетона должны приниматься согласно СНиП 2.03.11—85;

сейсмостойкость — для зданий и сооружений с расчетной сейсмичностью 7 баллов и выше обозначается буквой С;

стойкость к воздействию повышенных и высоких температур — указывается классом жаростойкого бетона согласно ГОСТ 20910—90;

конструктивные особенности — арабскими цифрами или строчными буквами указывается наличие дополнительных закладных изделий, отверстий, проемов, вырезов и т.п.

Фибробетон — композиционный материал, в котором монолитно соединены и совместно работают в конструкции фибры раз­личных волокон и бетон.

Для армирования фибробетона могут применяться металличе­ские и неметаллические (стеклянные, базальтовые, асбестовые и др.) волокна. В качестве фибр используют тонкую проволоку диаметром 0.1...0,5 мм, нарубленную на отрезки длиной 10...50 мм. Лучшие результаты обеспечивают фибры диаметром порядка 0,3 мм и длиной 25 мм.

Армирование фибрами применяется, как правило, для мелко­зернистых бетонов; иногда армируют цементный камень. Эффектив­ность применения волокон зависит от их содержания и расстояния между отдельными волокнами.

Стальные фибры вводят в бетонную смесь обычно в количест­ве 1...2,5 % объема бетона. В этом случае прочность бетона на растя­жение увеличивается на 10...30 % и резко повышаются его сопротив­ляемость ударам, предел усталости и износостойкость. При эксплуа­тации фибробетонов со стальными фибрами в условиях агрессивных сред фибры необходимо защищать специальными антикоррозийны­ми покрытиями.

Стеклянные волокна вводят в бетонную смесь в количестве 1…4 % объема бетона. Как и стальные, стеклянные волокна, обладая высоким модулем упругости, обеспечивают повышение прочности бетона на растяжение и его трещиностойкость. При использовании стеклянных волокон необходимо предусматривать применение вяжущих веществ или специальные мероприятия, предохраняющие разрушение стеклянных волокон в бетоне от коррозии, например, использовать глиноземистые цементы, пропитку бетона полимером и др.