6. Применение бетонов

Бетон – искусственный камневидный строительный материал, представляющий собой затвердевшую смесь вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок. До затвердения эта смесь называется бетонной смесью.

Бетон справедливо относится к числу важнейших материалов современного строительства. Широкое использование бетона обусловлено наличием многих достоинств у данного типа материалов. Эти достоинства таковы:

• широкая сырьевая база;

• простота превращения сырья в бетон;

• широкий диапазон строительно-технических свойств изделий из бетона;

• возможность изготовления крупноразмерных промышленных изделий;

• архитектурная выразительность материала и изделий.

В строительстве применяются бетоны разнообразного назначения. Существует закреплённая стандартом классификация бетонов по следующим признакам: по основному назначению; по виду вяжущего и заполнителей; по структуре материала.

• По назначению (областям применения) бетоны подразделяют на конструкционные и специальные.

• По виду вяжущего бетоны подразделяют следующим образом:

  • бетоны на цементных вяжущих;

  • бетоны на известковых вяжущих;

  • бетоны на гипсовых вяжущих;

  • бетоны на шлаковых вяжущих;

  • бетоны на специальных вяжущих (полимерных, фосфатных, магнезиальных, на жидком стекле).

    • По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых и специальных заполнителях.

    • По характеру структуры материала выделяют:

• бетоны плотной (слитной) структуры;

• поризованные;

• крупнопористые (беспесчаные или малопесчаные);

• ячеистые.

Бетоны плотной структуры применяют для изготовления несущих конструкций, к которым предъявляются повышенные требования по морозостойкости и водонепроницаемости (помимо прочности).

Поризованные, крупнопористые и ячеистые бетоны, в порах которых заключено много воздуха, рекомендуется использовать преимущественно для ограждающих конструкций и теплоизоляции.

Качество бетона характеризуют комплексом показателей его механических, теплофизических, защитных, декоративных и других свойств, и это качество зависит от свойств составных частей бетона, соотношения между ними и технологических параметров изготовления изделий из бетона.

Конструкционные бетоны по плотности делят на тяжёлый (=2200 – 2500 кг/м³) и легкие (2000 кг/м³) бетоны.

Тяжёлым называют бетон плотной (слитной) структуры, приготовляемый на цементном вяжущем и плотных (мелком и крупном) заполнителях.

В структуре бетона отчётливо выделяются три элемента: заполнитель, цементирующее вещество (цементный камень) и зона контакта между ними. Основной характеристикой бетона как конструкционного материала является прочность. Чаще всего контролируют прочность на сжатие (R_сж), в необходимых случаях определяют также прочность на растяжение (R_р) и изгиб (R_изг).

Единичные результаты испытаний образцов недостаточно характеризуют прочность бетона, уложенного в конструкцию. Часть значений может оказаться выше требуемой по расчёту прочности, другая часть – ниже. Вследствие неоднородности получаемого бетона важнейшей становится проблема повышения надёжности бетонных и железобетонных конструкций. При повышении культуры строительства и качества приготовления и укладки бетона в конструкцию уменьшаются возможные колебания показателей качества, в частности прочности бетона. Статистической характеристикой однородности свойств бетона является коэффициент вариации ν, который равен отношению среднего квадратичного отклонения отдельных результатов испытания прочности бетона к его средней прочности. Понятно, что чем меньше величина ν, тем более однороден по свойствам бетон. В идеальном случае ν=0, на практике для контроля прочности тяжёлого бетона принимают следующие оценки: при ν6% однородность хорошая, при ν= 13% – удовлетворительна; значения ν16% недопустимы.

Таким образом, для нормирования прочности необходимо использовать стандартную характеристику, которая гарантировала бы получение бетона заданной прочности с учетом возможных её колебаний. В качестве такой характеристики принят класс бетона.

Класс бетона – это количественная характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100. Например, класс бетона В20 следует понимать так: с вероятностью 0,95 при определении прочности при сжатии бетона на любом участке конструкции будет получен результат R_сж20 МПа, и лишь в 5% случаев может получиться R_сж20 МПа.

Понятие „класс бетона” позволяет назначать необходимую прочность с учётом её фактической или возможной вариации в данной партии бетона. Для этого пользуются соотношением:

В= R_сж · (1-tν),

где В – класс бетона по прочности на сжатие, МПа;

R_сж – средняя прочность в контролируемой партии бетона, МПа;

t – безразмерный коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона (для обеспеченности 0,95 t=1,64);

ν – коэффициент вариации прочности, доли единицы.

Установлены следующие классы тяжёлого бетона по прочности на сжатие, МПа: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60.

Отметим, что в ряде случаев показатели прочности бетона характеризуют марками.

Марка бетона – количественная характеристика какого-либо свойства бетона, принимаемая по средней величине, т.е. без учета коэффициента вариации.

Понятно, что соотношение между классами и марками по прочности зависит от величины коэффициента вариации. Так, при нормативном коэффициенте вариации 13,5% классу тяжёлого бетона В60, МПа соответствует марка М800, кгс/см².

Теплопроводность тяжёлого бетона изменяется в пределах 1,2–1,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность лёгких бетонов, обусловленная их пористым строением, заметно меньше: λ=0,2 – 0,7 Вт/(м·град). Средняя плотность лёгких бетонов зависит в основном от плотности и расхода заполнителей, занимающих бóльшую часть в объёме бетона.

Качество лёгкого бетона оценивается двумя важнейшими показателями: классом по прочности и маркой по средней плотности.

Марка по средней плотности (Д) – максимальное значение данного показателя, в кг/м³. Установлены марки по средней плотности конструкционных лёгких бетонов: от Д800 до Д2000 с шагом 100 кг/м³.

Наименьшую среднюю плотность и хорошие теплоизолирующие свойства имеют ячеистые бетоны. По назначению ячеистые бетоны делят на теплоизоляционные (марки Д300 – Д500), конструкционно-теплоизоляционные (марки Д600 – Д900) и конструкционные (марки Д1000 – Д1200). Классы по прочности на сжатие находятся в пределах В 0,25 – В 12,5.

Из числа специальных бетонов наиболее известны жаростойкие и химически стойкие бетоны.

Химически стойкие бетоны изготовляют с применением специальных вяжущих – синтетических смол (олигомеров) или жидкого стекла с полимерной добавкой. Бетоны на органических связующих с добавкой полимеров называются полимерсиликатами.

Обычно используют следующие связующие: фурфуролацетоновый олигомер, фураноэпоксидный олигомер, ненасыщенные полиэфиры, жидкое стекло. Заполнители также должны быть кислотостойкими: кварцевый песок, гранитный щебень и др. Для повышения плотности бетона, уменьшения усадки и сокращения расхода дорогостоящих органических связующих в состав бетона вводят высокодисперсные кислотостойкие наполнители – кварцевую и андезитовую муку.

Прочность на сжатие химически стойких бетонов составляет 30-110 МПа.

Химически стойкие бетоны применяют для изготовления конструкций на предприятиях химической промышленности (в производствах кислот, минеральных удобрений, искусственных волокон, целлюлозы и др.) и в цветной металлургии, т.е. там, где существуют факторы, вызывающие быстрое разрушение обычных бетонов на цементных вяжущих.

6. Краткая характеристика композиционных материалов

И металлические, и неметаллические материалы обладают несомненными техническими достоинствами. Однако существует еще один ценный и перспективный тип конструкционных материалов, превосходящих «однородные» металлические и неметаллические материалы по целому комплексу свойств: по удельной прочности и жесткости, жаропрочности, усталостной выносливости и по другим свойствам. Мы имеем в виду композиционные материалы (композиты).

Композиционные материалы – это сложные материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. Уровень заданного комплекса свойств композита проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала.

Заметим, что принцип создания композиционных материалов заимствован у природы. Примерами естественных композиционных материалов являются стволы и стебли растений, кости человека и животных.

В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином; в костях прочные нитевидные кристаллы фосфатных солей – пластичным белком коллагеном.

Пластичные компоненты смеси, делающие композицию единым материалом, играют роль матрицы. Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологический режим получения композита и ряд его важных эксплутационных характеристик: рабочая температура; сопротивление усталостному разрушению и воздействию окружающей среды; удельная прочность и плотность материала. Материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев различного химического состава, называют полиматричными.

В матрице (однородной или комбинированной) равномерно распределяются остальные компоненты – наполнители. Наполнители играют главную роль в механическом упрочнении композиционного материала, поэтому их часто называют армирующими наполнителями (упрочнителями). Армирующие наполнители должны иметь высокие прочность и модуль упругости, большую поверхностную твердость. По этим свойствам наполнители значительно превосходят матрицу.

Свойства композиционного материала в сильной степени зависят от формы (геометрии), размеров и количества наполнителя и характера его распределения в матрице (от схемы армирования).

Существует подразделение наполнителей на три основные группы:

• наполнители с дисперсными частицами, имеющими в трех измерениях малые размеры одного порядка;

• волокнистые наполнители;

• слоистые наполнители.

В научно-технической литературе наполнители трех перечисленных групп также называют соответственно нуль-мерными, одномерными и двумерными наполнителями.

По форме «частиц» наполнителя различают три вида композиционных материалов: дисперсно-упрочненные, волокнистые и слоистые композиционные материалы.

Дисперсно-упрочненными называют композиты, упрочненные порошкообразными (нуль-мерными) наполнителями.

К волокнистым относятся композиты, упрочненные одномерными наполнителями (волокнами) или смесью одномерных и нуль-мерных наполнителей.

Соответственно слоистыми являются композиты, упрочненные двумерными наполнителями (тонкими слоями ткани, бумаги, древесного шпона, металлической сетки).

Композиционные материалы, содержащие несколько видов наполнителей, называют полиармированными. Полиматричные и полиармированные композиционные материалы объединяют под названием гибридных композиционных материалов.

По схеме армирования композиционные материалы подразделяются на три группы: с одноосным, двуосным и трехосным армированием.

В целом свойства любого композиционного материала зависят от физико-механических свойств его составных частей (компонентов), их относительных количеств в материале и прочности связи между компонентами.

Широкое распространение композиционные материалы получили потому, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем, им присущи свойства, которых не имеют отдельно взятые компоненты, входящие в состав композитов. По химической природе (атомному составу) матриц композиционные материалы подразделяются на следующие основные виды:

• материалы на металлической основе (дисперсно-упрочненные и волокнистые);

• материалы на полимерной органической основе (волокнистые и слоистые);

• материалы на углеродной основе (волокнистые и слоистые);

• материалы на керамической основе (волокнистые);

• гибридные композиционные материалы.

Ниже приведена краткая характеристика композиционных материалов на различной основе (с матрицами разной природы).

1. Композиты на металлической основе