5. Бетон и железобетон

5.1. Бетоны и их классификация. Свойства бетонной смеси и бетона

Бетон в современном строительстве служит основным строительным материалом. Из него изготовляют конструкции для промышленных, гражданских и жилых зданий, сельскохозяйственных построек. Бетон является основным материалом для строительства плотин, шлюзов, каналов, набережных, путепроводов, дорожных покрытий. Специальные виды бетонов применяют для футеровки и облицовки аппаратов химической технологии и т.д.

Широкое применение бетона в строительстве объясняется в первую очередь его относительно низкой стоимостью и возможностью путем несложных технологических приемов получать прочные, долговечные бетонные изделия и конструкции самых разнообразных форм и размеров.

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания рационально подобранной смеси крупного и мелкого заполнителей, добавок, вяжущего вещества и воды.

Каждая из составляющих бетонной смеси выполняет определенную роль в бетоне. Так, цемент, затворенный водой, обладает клеящими свойствами. Образующееся при этом цементное тесто обволакивает тонким слоем зерна песка и щебня, а после затвердевания связывает сыпучие материалы в прочный монолитный камень. Кроме связующей роли, цементное тесто выполняет роль смазки между зернами заполнителей, обеспечивая бетонной смеси подвижность, что необходимо для хорошей, плотной укладки ее в форму при изготовлении бетонных конструкций.

Заполнители в бетоне одновременно выполняют три функции:

образуют жесткий скелет, препятствуя усадке бетона, которая происходит вследствие склонности к усадке цементного теста;

удешевляют стоимость бетона;

позволяют получать бетоны заданных физико-механических показателей (жароупорных, теплоизоляционных, легких и т.д.).

Для улучшения свойств бетонных смесей и бетонов применяют различные добавки, которые по виду и назначению делят на следующие группы:

пено- и газообразователи;

поверхностно-активные;

ускорители твердения;

специальные;

совместные.

По виду вяжущего вещества бетоны подразделяют на:

цементные (наиболее широко распространенные);

силикатные (на известково-кремнеземистом вяжущем);

гипсовом вяжущем;

смешанных вяжущих (цементно-известковых, известково-шлаковых и т.д.);

специальных вяжущих, применяемых при наличии особых требований (жаростойкости, химической стойкости).

По виду заполнителя различают бетоны:

на плотных заполнителях;

на пористых заполнителях;

на специальных заполнителях, удовлетворяющих специальным требованиям (защиты от радиации, жаростойкости, химической стойкости и т.д.).

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от их назначения и условий работы следует устанавливать показатели качества бетона, основными из которых являются:

а) класс по прочности на сжатие В;

б) класс по прочности на осевое растяжение В_t;

в) марка по морозостойкости F (должна назначаться для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания - оттаивания);

г) марка по водопроницаемости W (должна назначаться для конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости);

д) марка по средней плотности D (должна назначаться для конструкций, к которым кроме конструктивных предъявляются требования теплоизоляции).

По пределу прочности при сжатии бетоны разделяют на классы:

тяжелый – В 3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В40;

мелкозернистый групп:

А – естественного твердения или подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении на песке с модулем крупности свыше 2,0 – В3,5;В5; В7,5; В10; В12.5; В15; В20; В25; В30; В40;

Б – то же, с модулем крупности 2,0 и менее – В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30;

В – подвергнутый автоклавной обработке – В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

легкий бетон при марках по средней плотности:

Д800, Д900 – В2,5; В3,5; В5; В7,5;

Д1000, Д1100 – В2,5; В3,5; В5; В7.5; В10; В12,5;

Д1200, Д1300 – В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15;

Д1400, Д1500 – В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30;

Д1600, Д1700 – В5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35;

Д1800, Д 1900 – В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40;

Д2000, В20; В25; В30; В40;

ячеистый бетон при марках по средней плотности:

Д500 – В1; В1,5;

Д600 – В1; В1,5; В2; В2,5;

Д700 - В1,5; В2; В2,5; В3,5;

Д800 - В2,5; В3,5; В5;

Д900 – В3,54; В5; В7,5;

Д1000 – В5; В7,5; В10;

Д 1100- В7,5; В10; В12,5; В15;

Д 1200 – В10; В12,5; В15;

поризованный бетон при марках по средней плотности:

Д800; Д900; Д1000; - В2,5; В3,5; В5; В7,5.

По пределу прочности на осевое растяжение бетоны разделяют на классы:

тяжелый - В_t 0,8; В_t 1,2; В_t 1,6;В_t2;

напрягающий, мелкозернистый и легкий – В_t 2,4; В_t2,8; В_t 3,2;

По морозостойкости – бетон разделяют на марки:

тяжелый – F50; F75; F100; F150;

напрягающий, мелкозернистый – F200; F300; F400; F500;

легкий – F25; F35; F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500;

ячеистый и поризованный – F15; F 25; F 35; F 50; F 75; F100

По водопроницаемости бетоны разделяют на марки:

тяжелый, мелкозернистый и легкий - W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W12;

По средней плотности бетоны разделяют на марки:

легкий – Д800; Д900; Д1000; Д1100; Д1200; Д1300; Д1400; Д1500; Д1600;Д1700; Д1800; Д1900; Д2000;

ячеистый - Д500; Д600; Д700; Д800; Д900; Д1000; Д1100; Д1200;

поризованный – Д800; Д900; Д1000; Д1100; Д1200; Д1300; Д1400.

В зависимости от средней плотности бетоны подразделяют на следующие виды:

особо тяжелые со средней плотностью более 2500 кг/м³, изготовляемые на особо тяжелых заполнителях (магнетит, барит, чугунный скрап, чугунная дробь, обрезки стали и т.д.); эти бетоны применяют для специальных защитных сооружений;

тяжелые бетоны со средней плотностью 2200-2500 кг/м³ на песке, гравии, щебне тяжелых пород, применяемые во всех несущих конструкциях;

облегченные бетоны со средней плотностью 1800- 2200 кг/м³; эти бетоны применяют в основном в несущих конструкциях;

легкие бетоны со средней плотностью 500-1800 кг/м³, включающие: легкие бетоны на пористых заполнителях природных и искусственных; ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из смеси вяжущего вещества, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя; крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом заполнителе без мелкого заполнителя.

Легкие бетоны менее теплопроводны по сравнению с тяжелыми, поэтому их применяют преимущественно в ограждающих конструкциях (при средней плотности до 1600 кг/м³); в несущих конструкциях используют более прочные конструкционные бетоны;

особо легкие (ячеистые и на простых заполнителях) бетоны со средней плотностью менее 500 кг/м³ используют в теплоизоляционных изделиях.

По целевому назначению различают следующие бетоны:

обыкновенный – для бетонных и железобетонных конструкций промышленных, жилых и общественных зданий (фундаменты, колонны, балки, настилы перекрытий, фермы и т.д.);

гидротехнический бетон (для наружных зон плотин, шлюзов, облицовки каналов, отстойников) обладает высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, определенной прочностью, стойкостью против коррозионного воздействия минерализованных вод и малой усадкой;

для дорожных покрытий и полов; этот бетон не только морозостойкий, но и хорошо сопротивляется истиранию, износу и обладает повышенным сопротивлением изгибающим усилиям;

бетон, служащий для биологической защиты, отличается большой средней плотностью, увеличение которой повышает его защитные свойства против ионизирующих излучений;

жароупорный бетон, применяемый для футеровки тепловых агрегатов (сталеплавильных печей, промышленных топок, печей обжига строительных материалов);

кислотоупорный и щелочестойкий – для облицовки аппаратов химической промышленности, для устройства полов и облицовки стен и потолков цехов химических предприятий.

По подвижности (удобоукладываемости) бетонные смеси подразделяют на: литые (П4), сильноподвижные (П3), подвижные (П2), малоподвижные (П1), маложесткие (Ж1), жесткие (Ж2), сильножесткие (Ж3), особожесткие (Ж4).

Свойства бетонной смеси. К бетонной смеси предъявляют требования легкой и плотной укладки ее в форму при изготовлении конструкций, т.е. бетонная смесь должна быть удобоукладываемой.

Под удобоукладываемостью понимают ряд показателей бетонной смеси, важнейшими из которых являются подвижность и пластичность. Подвижность – способность бетонной смеси растекаться под собственным весом или приложенных к ней внешних сил. Пластичность – способность сохранять свою сплошность в процессе укладки и транспортирования (не разрываться и не расслаиваться на отдельные компоненты). Подвижность оценивают способом осадки конуса, которым устанавливают степень растекаемости конуса. Испытание смеси производят в металлической форме без дна в виде усеченного конуса (высотой 30 см, диаметрами основания верхнего 10, нижнего – 20 см). Конус заполняют в три слоя бетонной смесью, штыкуя каждый слой 25 раз, затем конус снимают и смотрят, на сколько сантиметров осела смесь. Величина осадки в сантиметрах характеризует подвижность бетонной смеси. Смеси по величине осадки подразделяют на: жесткие (0 см), малоподвижные (1 – 4 см), подвижные (5 – 9 см), сильноподвижные (10 – 15 см) и литые (более 15 см). Жесткие бетонные смеси могут иметь различную жесткость, тогда как при испытании их с помощью формы конуса они покажут одинаковую осадку конуса, равную 0.

Для установления степени жесткости смеси прибегают к вибрации указанного выше конуса бетонной смеси. Оценивается жесткость временем вибрации в секундах, в течение которого указанный выше конус бетонной смеси растекается в цилиндрическом сосуде диаметром 30 см до горизонтального положения. По степени жесткости бетонные смеси подразделяют на: особожесткие (более 300 с), сильножесткие (150 – 200 с), жесткие (60 – 100 с) и умеренножесткие (30 - 45 с).

На подвижность и жесткость бетонной смеси влияют следующие факторы: количество воды в ней, водопотребность цемента, содержание в бетонной смеси цементного теста и крупность заполнителя.

Под количеством воды в бетонной смеси понимают начальное водосодержание. Чем больше водосодержание, тем выше подвижность смеси. Поскольку для заданной прочности бетона отношение веса цемента к весу воды (Ц/В) должно быть постоянным, для увеличения подвижности смеси требуется увеличить расход цемента, с тем чтобы сохранить постоянным цементноводное отношение. Поэтому на приготовление жестких бетонных смесей, отличающихся низким начальным водосодержанием, цемента расходуется меньше.

Под водопотребностью цемента понимают количество воды, необходимое для получения теста стандартной консистенции. Увеличение содержания цементного теста повышает подвижность бетонной смеси, так как образует более обильную смазку зерен заполнителя, что уменьшает трение между ними. С повышением крупности заполнителя при постоянном расходе цемента подвижность увеличивается, что связано с уменьшением суммарной поверхности их зерен.

В связи с тем, что прочность бетона зависит от водосодержания бетонной смеси и что жесткие бетонные смеси более экономичны, подвижность необходимо выбирать более низкую, но обеспечивающую удобную и качественную укладку смеси при данном способе уплотнения.

При выборе подвижности учитывают размеры и характер конструкции, густоту армирования, способы укладки, уплотнения и транспортирования бетонной смеси. Повышать подвижность бетонной смеси можно применением пластифицирующих поверхностно-активных добавок.

Свойства бетона. К бетону предъявляют требования по прочности, долговечности, водостойкости и другие, в зависимости от его назначения в конструкции.

Прочность бетона принято характеризовать пределом прочности при сжатии в возрасте 28 суток образцов в виде куба с размером ребра 20х20х20 см, выдержанных во влажных условиях при температуре 20°С. Такие условия твердения бетона называют нормальными.

На прочность бетона оказывают влияние следующие факторы: активность цемента, водоцементное отношение, состав бетона, качество заполнителей, способ приготовления бетонной смеси, ее укладки и уплотнения, возраст бетона, а также условия его твердения.

Влияние на прочность бетона указанных выше факторов обобщены в виде следующих эмпирических формул, позволяющих с достаточной точностью заранее рассчитать прочность бетона в возрасте 28 суток и определить его марку:

а) для бетонов с цементноводным отношением (Ц/В) меньшим или равным 2,5 (водоцементное отношение равно или больше 0,4):

,

б) для бетонов с Ц/В больше 2,5 (В/Ц0,4)

,

где R_б – предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 дней, МПа;

R_ц ‑ активность (прочность) или марка цемента, МПа;

Ц/В – отношение веса цемента к весу воды в бетонной смеси;

А₁ и А – коэффициенты, учитывающие качество материалов.

Прочность бетона при нормальных условиях твердения нарастает довольно быстро – бетон к 7 – 10 дням набирает 60 – 70% своей 28-дневной прочности. Затем рост прочности замедляется. Существует логарифмическая зависимость прочности бетона от срока твердения

,

где R_п – прочность бетона через п сут;

R₂₈ – прочность бетона в возрасте 28 сут;

п – время твердения бетона, сут.

Для ускорения твердения бетона в обычных условиях добавляют в небольших количествах хлористый кальций или хлористый натрий (1,5 – 2% от массы цемента).

С понижением температуры твердение бетона замедляется, а с повышением – ускоряется. Поэтому при бетонировании в зимних условиях бетон приходится искусственно обогревать или вводить хлористый кальций в количестве 5 – 10% от массы цемента, который понижает температуру замерзания воды. Свойства бетона быстрее твердеть при повышении температуры широко используют в производственных условиях. После формовки изделия на заводе пропаривают при нормальном или повышенном давлении в течение 10 – 15 ч, после чего достигается прочность от 70 до 100% от 28-дневной прочности бетона.

Бетон является пористым материалом. Повысить его плотность можно путем интенсивного уплотнения (вибрирования), тщательным подбором зернового состава минеральных заполнителей, путем применения поверхностно-активных веществ, уменьшающих водопотребность смеси при равной ее подвижности.

При твердении бетона на воздухе после некоторого разбухания в первые дни начинается процесс усадки, который заканчивается к 2 – 3 годам. Величина усадки не превышает 0,15 мм на 1 м. При твердении в воде бетон не изменяется в объеме. Для уменьшения усадки бетона следует применять крупные заполнители, использовать низкоэкзотермичные цементы, строго соблюдать оптимальный режим твердения бетона и не допускать применения бетонов с большим расходом цемента. Образование трещин в конструкциях предупреждают устройством температурных швов.

Коррозия бетона происходит под влиянием внешних условий, в результате чего он разрушается. Коррозия возникает при проникновении в него агрессивного вещества, а еще в большей степени – при фильтрации его через толщу бетона. Поэтому одной из главнейших мер защиты бетона от коррозии является придание ему возможно большей плотности. В зависимости от местных условий рекомендуется применять для изготовления бетона сульфатостойкие или пуццолановые цементы. Для защиты бетона от агрессивных вод поверхность бетона облицовывают керамическими плитками или камнями из плотных горных пород, обрабатывают поверхность специальными веществами, образующими водонепроницаемый слой (флюатирование). Коррозия бетона может происходить под действием вредных веществ, имеющихся в заполнителях (органических веществ, сернистых примесей). Поэтому заполнители должны быть свободными от этих примесей или содержать их незначительное количество.

Морозостойкость бетона характеризует способность выдерживать многократное попеременное замораживание – оттаивание в насыщенном водой состоянии. Особенно морозостойким должен быть бетон, предназначенный для конструкций, работающих в условиях систематического увлажнения и замораживания (набережные, плотины, фундаменты, автомобильные дороги и т.д.). В этих случаях бетон должен выдерживать заданное количество циклов замораживания без видимых признаков разрушения и без потери прочности более чем на 25% в насыщенном водой состоянии.

Бетон - огнестойкий материал. Однако под длительным воздействием температур порядка 150 – 200 °С прочность бетона снижается до 25%. При нагревании свыше 500 °С и последующем увлажнении бетон разрушается вследствие гашения образовавшейся негашеной извести. Поэтому бетоны, подвергающиеся воздействию высоких температур, необходимо защищать кирпичной кладкой.