3. Бетоны

Изучение данного раздела надо начинать с определения и класси­фикации бетонов. Следует усвоить понятия «бетонная смесь» и «бетон» и разобраться в требованиях к материалам для приготовления бетона: цементу, заполнителям, воде, а также к способам определения свойств бетонной смеси и бетона.

Важно знать, что бетоны классифицируются по виду вяжущего вещества, плотности, прочности, по виду заполнителей, назначению в строительстве и по другим признакам. Особое внимание необходимо уделить зависимости свойств бетона от свойств бетонной смеси (удобоукладываемости и связности).

Бетон – один из основных строительных материалов. Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнообразные свойства, изменяя в широких пределах прочность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения.

Бетоном называется искусственный камневидный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка, щебня или гравия). До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью. Состав бетонной смеси должен обеспечивать требуемые свойства бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.) к определённому сроку в определённых условиях твердения. Получение бетона с заданными свойствами достигается расчётом состава бетона.

Бетоны классифицируют по следующим признакам, приведённым в таблице 4.

Таблица 4

Классификация бетонов	Область применения
По основному назначению бетоны подразделяются на:
обычные конструкционные	В бетонных и железобетонных несущих конструкциях: балки, колонны, фундаменты, плиты перекрытия и т.п.
гидротехнические	Для конструкций, подвергающихся постоянному или повторно-периодическому воздействию вод
дорожные и для транспортного строительства	Для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов, пролётных строений и опор мостов, водопропускных труб, железнодорожных шпал
теплоизоляционные	Для изоляции поверхности ограждающих конструкций, трубопроводов и тепловых агрегатов
специальные:
– жаростойкие	Для конструкций, эксплуатируемых при температуре свыше 200 ºС (дымовые трубы, промышленные агрегаты)
– химически стойкие	Используются в условиях агрессивных химических сред
– радиационно-защитные	Для защиты от ионного излучения
По виду вяжущего бетоны могут быть на основе:
цементных вяжущих	Применяются во всех случаях
известковых (силикатных) вяжущих	Применяются для сборных бетонных и железобетонных элементов заводского изготовления
магнезиальных вяжущих	Применяются для изготовления фибролита и ксилолита
шлаковых вяжущих	Применяются для изготовления шлакощелочных бетонов
гипсовых вяжущих	Применяются для внутренних конструкций зданий и сооружений
полимерные или полимерцементные	Применяются для изготовления коррозионностойких конструкций
специальных вяжущих (битумные)	Применяются для изготовления асфальтобетонов
По средней плотности бетоны подразделяют на:
особо тяжёлые ρср > 2500 кг/м3	В конструкциях для защиты от излучения
тяжёлые ρср = 2200…2500 кг/м3	Для несущих конструкций зданий и сооружений, автомобильных дорого, гидротехнических сооружений и т.п.
облегчённые ρср = 1800…2200 кг/м3	Преимущественно в несущих конструкциях
лёгкие ρср = 500…1800 кг/м3	Преимущественно в ограждающих конструкциях
особо лёгкие ρср < 500 кг/м3	В качестве теплоизоляции
По зерновому составу заполнителей бетоны подразделяют на:
крупнозернистые – с крупным и мелким заполнителем	В большинстве случаев
мелкозернистые – только с мелким заполнителем	В тонкослойных бетонных и армоцементных конструкциях; в фибробетонах и ячеистых бетонах и пр.
По виду заполнителей бетоны могут быть на:
плотных заполнителях (природный гравий, щебень, кварцевый песок)	Тяжёлые бетоны
пористых заполнителях (керамзит, перлит, пемза)	Легкие и облегчённые бетоны
специальных заполнителях	Жаростойкие, химически стойкие, радиационно-защитные бетоны
По структуре бетоны могут быть:
плотной структуры (пористость менее 6 %)	В несущих и ограждающих конструкциях
поризованной структуры (пористость более 6 %)	Только для ограждающих конструкций
ячеистой структуры (общая пористость до 85 %)	Преимущественно для ограждающих конструкций, а также для теплоизоляции
крупнопористой структуры (малопесчаные и беспесчаные)	Только для бетонных конструкций, воспринимающих сжимающие усилия
По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие:
в естественных условиях	Для монолитных конструкций
в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении	Конструкции, элементы сборных конструкций и изделия заводского изготовления
в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения)	Преимущественно в конструкциях и изделиях заводского изготовления из силикатного, ячеистого и мелкозернистого бетонов

Прочность бетона характеризует класс бетона – прочность, гарантированная с обеспеченностью 0,95 (т.е. с учётом неоднородности структуры бетона, проявляющейся в изменчивости его прочности). Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.

Для бетонов установлены следующие классы по прочности на сжатие: В3.5; В5; В10; В12.5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80.Для бетонов конструкций, запроектированных до ввода в действие международного стандарта СТ СЭВ 1406, установлены следующие марки по прочности на сжатие: М50; М75; М100; М150; М200; М250; М300; М350; М400; М500; М600; М700; М800; М900; М1000.

Соотношение между классами и марками бетона по прочности на сжатие определяется по формуле:

В = М(1 – 1,64v),

(17)

где В – класс бетона; М – марка бетона; v – нормативный коэффициент вариации, равный 0,135.

Для бетонных конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают следующие марки бетона по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000.

Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости:W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20.

Требования к исходным материалам для тяжёлого цементного бетона.

Вода. В соответствии с требованиями ГОСТ 23732-79 для приготовления бетона разрешается использовать воду, водородный показатель (рН) которой не должен быть менее 4 и более 12.5. Вода не должна содержать органических примесей, жиров, масел, нефтепродуктов, взвешенных частиц пыли, глины и песка. Органические примеси, содержащие фенолы и сахара снижают гидратацию цемента.

Вяжущие материалы. В качестве вяжу­щих материалов применяют портландцементы и его разновидности. Вид и марку цемента следует выбирать в соответствии с назначением конструкций и условиями их эксплуатации, требуемого класса бетона по прочности, марок по морозостойкости и водонепроницаемости.

По экономическим соображениям активность цемента должна быть выше проектируемого класса (марки) бетона в 1.5...2.5 раза, то есть:

Rц = (1,5…2,5)×Rб ,

(18)

Крупный заполнитель. В качестве крупных заполнителей для тяжёлых бетонов используют щебень и гравий из плотных горных пород.

Гравий представляет собой зернистый сыпучий материал с зёрнами окатанной формы крупностью свыше 5 мм, получаемый рассевом природных гравийно-песчаных смесей.

Щебень, в отличие от гравия, получают дроблением горных пород. Форма щебня близка к кубу или тетраэдру и зависит от структуры горной породы и типа камнедробильной машины.

Крупный заполнитель в зависимости от предъявляемых к бетону требований выбирают по следующим показателям: зерновому составу и наибольшей крупности, содержанию пылевидных и глинистых частиц, прочности, содержанию зёрен слабых пород.

Щебень и гравий выпускают в виде следующих основных фракций: от 5(3) до 10 мм; св.10 до 20 мм; св. 20 до 40 мм; св. 40 до 80(70) мм и смеси фракций от 5(3) до 20 мм.

Содержание зёрен слабых пород в щебне из природного камня не должно превышать, % по массе:

5 – для бетона классов В40 и В45

10 – для бетона классов В20; В22.5; В25 и В30

15 – для бетона классов В15 и ниже.

Марка щебня из изверженных пород должна быть не ниже 800, щебня из метаморфических пород – не ниже 600, осадочных пород не ниже 300.

Марки щебня из природного камня должны быть не ниже:

300 – для бетона класса В15 и ниже;

400 – для бетона класса В20;

600 – для бетона класса В22.5;

800 – для бетона классов В25; В30;

1000 – для бетона класса В40;

1200 – дли бетона классов В45 и выше.

Морозостойкость крупных заполнителей должна быть не ниже нормированной марки бетона по морозостойкости.

Мелкий заполнитель. В качестве мелких заполнителей для бетонов используют природный песок и песок из отсевов дробления горных пород.

Природный песок – неорганический сыпучий материал с крупностью зёрен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений.

В зависимости от минералогического состава пески бывают: полевошпатные, кварцевые, известковые и др. Лучшими для приготовления бетона являются кварцевые пески.

В зависимости от модуля крупности М_кр пески бывают: повышенной крупности с модулем 3…3,5; крупные – 2,5…3; средние – 2…2,5; мелкие – 1,5…2; очень мелкие – 1…1,5; тонкие – 0,7…1,5; очень тонкие – < 0,7.

Мелкие, очень мелкие, тонкие и очень тонкие пески обычно в бетонах не применяются, т.к. они содержат много пылевидных и глинистых частиц, которые требует большего расхода вяжущего вещества. Содержание пылевидных и глинистых частиц ограниченно и не должно превышать 2…5 %.

Зерновой состав мелкого заполнителя для бетонов должен соответствовать кривой просеивания области оптимального зернового состава песка.

Особо тяжёлые бетоны приготовляют на тяжёлых заполнителях – стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон).

Тяжёлые бетоны получают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз).

Облегчённые и лёгкие бетоны получают на щебне из горных пород с плотностью 1600…1900 кг/м³ и на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза, туф).

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

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

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 гипсоцементно-пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью.

Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворённых щелочными растворами.

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.