STROITEL_NOE_MATERIALOVEDENIE_RYB_EV

Кислотоупорный бетон — разновидность ИСК, получаемая на основе специального — кислотоупорного — цемента и с применением кислотостойких заполнителей. Его применяют для изготовления конструкций, которые контактируют с большинством известных кислот. Меньшую стойкость этот бетон проявляет к действию плавиковой кислоты, а также к слабым кислотам, воде и растворам щелочи. Эта разновидность кислотоупорного материала применяется не только в виде бетона, но и строительного раствора, мастики, т. е. без крупных заполнителей.

Кислотоупорный цемент состоит из смеси тонкоизмельченного кварцевого песка и кремнефтористого натрия (Na2SiF6), затворяемых водным раствором силиката калия или натрия, т. е. жидким стеклом. Вместо кремнефтористого натрия в качестве отвердителя могут быть применены более доступные вещества, например нефелиновый шлам, некоторые разновидности шлаков и др. К кислотостойким заполнителям относятся кварцевый песок и щебень из андезита, диабаза, базальта, кварцита и т. п.

Отдозированные материалы-компоненты по рекомендуемому составу бетона перемешивают до однородного состояния с одинаковым содержанием каждой фракции в каждом микрообъеме смеси. После перемешивания смесь переводят в прессовый цех, где изготовляют штучные изделия — резервуары, трубы, химическую аппаратуру и др. Твердению изделий благоприятствует воздушно-сухая среда с температурой не ниже 10°С и относительной влажностью воздуха не выше 70%. После затвердевания бетон характеризуется прочным сцеплением со стальной арматурой, но под влиянием кипящей воды, слабых кислот и щелочей, кремнефтористоводородной кислоты бетон, как отмечено выше, постепенно разрушается.

Гидроизоляционный бетон применяют для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов, устройства гаражей, очистных сооружений, метротоннелей и в жилых зданиях, в случаях, когда требуется надежная гидроизоляция в гражданских и промышленных сооружениях. Для изготовления такого бетона (в том числе мелкозернистого, т. е. раствора) используют гидравлическое быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера (65— 70% по массе), алюминатных, сульфоалюминатных или сульфоферритных веществ (10— 20%) и гипса (8—15%), более детально описанного выше как напрягающий цемент (см. 9.1.4), а также расширяющийся цемент. При твердении теста до образования цементного камня в бетоне оптимальной структуры происходит увеличение объема кристаллической фазы за счет образования в основном эттрингита. Дополнительная кристаллизация приводит к уплотнению структуры, которая к этому времени успевает получить некоторый объем усадочных деформаций (физических, контракционных) и поэтому

301

нуждается в ее доуплотнении. Бетон становится практически водонепроницаемым, гидроизоляционным. Не наблюдается фильтрации через толщу такого бетона при давлении воды до 2 МПа. Возрастают также моро-зо- и износостойкость, стойкость к агрессивной среде.

Изготовляют гидроизоляционный бетон в следующей последовательности: напрягающий цемент смешивают насухо с заполняющей частью бетона (песок плюс щебень), а затем общую смесь затворяют необходимым количеством воды. Свежеприготовленный бетон в опалубке уплотняют глубинным или поверхностным вибратором, поддерживая затем поверхность конструкции во влажном состоянии до полного отвердевания и распалубки. Расход исходных материалов устанавливается общим методом проектирования состава, изложенного выше, то же — состава раствора при его использовании вместо бетона. Раствор наносят вручную или торкретированием.

Особо тяжелые и гидратные бетоны применяют в специальных сооружениях — ядерных реакторах, атомных электростанциях, рентгеновских кабинетах и т. п. для биологической защиты от радиоактивных (рентгеновских, γ-, α-, и β-лучей и др.) воздействий. Для особо тяжелых бетонов характерным свойством является большая средняя плотность, равная от 2,5 до 6,0 т/м3. Гидратные бетоны отличаются повышенным количеством химически связанной воды — более 3% по массе, а следовательно, и ядер водорода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока горячих нейтронов, γ-лучей и др. Кроме того, эти бетоны обладают достаточно высокой теплостойкостью, теплопроводностью, малой усадкой, хотя полностью исключить усадку и появление трещин на границе контакта цементного камня и металлического заполнителя — задача сложная.

Вкачестве вяжущих веществ в особо тяжелых бетонах используют портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопорт-ландцемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый (расширяющийся) цемент, в гидратных бетонах — глиноземистый, расширяющийся, быстротвердеющий, самонапрягаемый и др. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне и бетоне.

Вчастности, напрягающий цемент уплотняет структуру бетона, почти полностью исключает усадку. Зона контакта становится плотной и без трещин.

Заполнителями в особо тяжелых бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Песчаные фракции обычно составляют дробленый бурый железняк, кварцитовые «хвосты», «чугунная дробь» и др.

Повышают защитные свойства особо тяжелых бетонов введением дополнительных веществ, например карбида бора, хлористого лития, сернокислого кадмия и др., в которые входят соответствующие легкие элементы (бор, литий, кадмий и т. д.).

Заполнителями в гидратных бетонах служат лимонит с гидрогетитом (бурый железняк), серпентин и др., содержащие химически связанную воду, горные породы и минералы. Качество заполнителей для этих видов бетона контролируют по их плотности, минима- льной прочности при сжатии, водопоглощению. Их показатели нормируются в определенных допускаемых пределах.

Оптимальные составы особо тяжелых и гидратных бетонов как типичных разновидностей ИСК проектируют общим методом. Были предложены также специальные методы. При проектировании оптимального состава важно обеспечить необходимые технические требования к составляющим материалам и бетону, особенно способность задерживать радиоактивные излучения. Это свойство оценивается толщиной слоя материала, при котором поток излучения ослабевает в 2 раза по сравнению с первоначальным. В связи с

этим необходимо учитывать показатель средней плотности (ρ0) бетона, определять фактическое содержание химически связанной воды, что производится расчетом по

302

формуле Нρ0, где Н — необходимое содержание водорода в бетоне. Учитывают также прочность, бетона, которая должна находиться в пределах марок 100—300 (по сжатию). Особо тяжелые и гидратные бетоны изготовляют по обычной технологии с применением бетоносмесителей для перемешивания отдозированных компонентов и вибраторов для уплотнения свежеотформованных бетонных изделий.

Архитектурные, или декоративные бетоны — разновидность специальных высококачественных ИСК, которые обладают повышенными декоративно- эксплуатационными характеристиками. Их используют в виде фасадных элементов, скульптурных горельефов и барельефов, других изделий архитектурного назначения. Наиболее часто в них используются белые и цветные цементы и строго ограниченной крупности зернистые заполнители, в том числе искусственного дробления мраморов, гранита, кварцита и других горных пород, добавки — отбеливающие, модифицирующие, пластичные и др. Бетонным смесям придают необходимую технологическую подвиж- ность, оптимальные составы с получением оптимальных структур отвердевших и отработанных с поверхности конструктивных деталей1. Серные бетоны — разновидность спецбетонов, получаемых на основе элементарной (технической) серы, полимерного компонента, минеральных заполнителей и наполнителей. В них отсутствуют не- органические вяжущие вещества и вода. Матричная часть бетонов представлена тесной смесью связующего и наполнителя, подобно тому, как в асфальтовых бетонах матрицей является асфальтовое вяжущее вещество (см. 10.3.1). В качестве полимерного вещества в серу добавляется дициклопентадиен или стирол, хлорпарафин и др. Вместо элементарной серы возможно использование серосодержащих отходов, нарпимер, хвостов отстоя (до 40 % серы), золы отстоя (до 70 % серы). Наполнителем служат микрокремнезем, маршаллит, андезитовая мука и некоторые другие порошкообразные минеральные материалы с удельной поверхностью равной 2700—3000 см2/г. Заполнителями в серном бетоне служат щебень горных пород различных фракций и кварцевые пески.

Технология получения этого бетона начинается с производства связующего компаунда путем сплавления серы с полимерным веществом в определенных соотношениях частей по массе при температуре 145—150°С. Бетонная смесь получается после тщательного пе- ремешивания отдозированных минеральных компонентов (заполнителя и наполнителя) со связующим компаундом в барабанном смесителе в горячем состоянии (подобно асфальтобетону). Изготовленная бетонная смесь отправляется на формование и уплотнение, обычно вибрационное. Отвердевание происходит при остывании конструкции до эксплуатационной температуры, и бетон быстро набирает прочность. Возможно его армирование стальной или стекло-пластиковой арматурой.

По средней плотности эта разновидность специального бетона разделяется на тяжелые (2300—2500 кг/м3), легкие (800—1600 кг/м3) и особо легкие — теплоизоляционные (300— 400 кг/м3). Предел прочности при сжатии двух первых соответственно равен 60—80 и 50—60 МПа, а растяжение при изгибе 12—14 и 11—12 МПа. Водопоглощаемость за 24 ч составляет 0,05—0,07 %. Бетон обладает высокой химической стойкостью. Используется в виде плит для полов на складах минеральных удобрений, в силосных башнях, дорожных и тротуарных плит, бортовых камней, в сборных конструкциях на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях.

Электроизоляционные бетоны являются специальной разновидностью бетонов, обладающей повышенными и стабильными диэлектрическими свойствами в течение длительных периодов эксплуатации высоковольтных воздушных линий электропередачи и подстанций в различных климатических зонах с сохранением необходимой механи- ческой прочности и долговечности соответствующих строительных конструкций.

1 Архитектурный бетон: комплексное управление эксплуатационными и декоративными характеристиками / Н.Ф. Башлыков, В.Р. Фаликман, Ю.В. Сорокин, В.В. Денискин: Сб. трудов I Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона, Т. 2, М., 2001.

303

Основные свойства таких бетонов характеризуются следующими показателями: электрической прочностью в слое толщиной 1 см: импульсной (1·10-6 с) — 60—140 кВ/см и при переменном токе (50 Гц) — 20—60 кВ/см; средней разрядной напряженностью на длине 1 м — около 3,0 кВ/см; удельным электрическим сопротивлением при 20°С — объемное 109—1011 Ом·м; тангенсом угла диэлектрических потерь (50 Гц, 20°С) — 0,05— 0,20; диэлектрической проницаемостью (50 Гц, 20°С) — 6—10; механической прочностью: при сжатии -40—150 МПа, при растяжении — 3—11 МПа; средней прочностью 2000—2400 кг/м3; водопоглощаемостью (по массе) менее 1%; морозо- стойкостью — не менее 100. Лучшими показателями обладают бетоны на основе портландцемента с добавлением микрокремнезема1.

Электроизоляционные бетоны подвергают армированию неметаллической арматурой в виде стеклопластиковых стержней с использованием способа предварительного напряжения. Возможно применение дисперсного армирования стеклянными и базальтовыми волокнами изделий из электроизоляционного бетона. Требования в отношении оптимизации структуры цементного камня, как матрицы, и бетона в полной мере сохраняются, как для других ИСК. Объемная пропитка мономерами и их полимеризация, а также вторичная просушка, активизация поверхности зернистого заполнителя являются эффективными мерами повышения диэлектрических свойств бетона.

1 Бернацкий А.Ф. Электроизоляционный бетон для электроэнергетического строительства. Автореферат докт. диссерт. Новосибирский ГАСУ, 2001.

304

9.5. ЖЕЛЕЗОБЕТОН — ИЗДЕЛИЯ, КОНСТРУКЦИИ

9.5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Железобетон — комплексный строительный материал с конгломератным типом структуры, в котором бетон и стальная арматура замоноличены взаимным сцеплением и работают под нагрузкой как единая система. Бетон в ней воспринимает сжимающие усилия, а стальная арматура — растягивающие, поскольку аналогично другим каменным искусственным и природным материалам бетон сопротивляется разрыву в 10—15 раз слабее, чем сжатию. Строительные конструкции зданий и сооружений, выполненные из железобетона, называются железобетонными. В обычных случаях стальная арматура в них свободно размещается в зонах повышенных растягивающих усилий, но в современном строительстве она, кроме того, подвергается предварительному натяжению путем приложения сил по ее растяжению. Такие железобетонные конструкции становятся предварительно напряженными. В них стальная арматура, оставаясь в пределах упругих деформаций (85—90% предела текучести стали), стремится вернуться в свое недеформированное состояние после отпуска натяжных приспособлений. Это стремление выражается в обжатии зон бетона, в которых под воздействием внешних сил возникли растягивающие усилия. Обжатие упрочняет бетон на растяжение и изгиб (рис. 9.18), что благоприятствует упрочнению всей конструкции.

Предварительное натяжение арматуры осуществляют либо до бетонирования конструкции или изделия, либо после этого. В первом случае арматуру сначала натягивают, концы ее прочно закрепляют в бортах формы изделия, после чего бетонируют форму. После отвердевания уплотненной бетонной смеси арматуру освобождают от натяжного устройства. Во втором случае арматуру располагают в каналах бетонной конструкции, созданных ранее с помощью специальных пустотообразователей, и натягивают ее после того, как бетон приобретет необходимую (расчетную) прочность. Затем натянутую арматуру заанкеривают на концах конструкции, а каналы замоноличивают цементным раствором или бетонной смесью.

Натяжение арматуры производят механическим путем (домкратами) или методом электротермического воздействия.

Железобетонные изделия и конструкции выполняют из монолитного, сборного и сборно- монолитного железобетона. Монолитные бетонируют в опалубке на месте строительных работ; сборные изготовляют на заводах сборного железобетона и в готовом виде доставляют на строительную площадку для их монтажа при возведении зданий или сооружений. С каждым годом возрастает количество сборно-монолитного железобетона, под которым понимается рациональное сочетание этих двух разновидностей, работающих под нагрузкой как единая железобетонная система. Сборный железобетон одновременно выполняет и функции своеобразной опалубки для монолитного железобетона, который в свою очередь обеспечивает необходимую пространственную жесткость. Такие конструкции особенно целесообразны для зданий и сооружений тяжелыми и динамическими нагрузками, в районах высокой сейсмичности, в тепло- и гидростанциях и

305

т. п. Для изготовления железобетона используют не только тяжелый, но также легкие, в том числе ячеистые бетоны. Их основой могут быть портландцемент, известково- кремнеземистое вяжущее вещество (силикатные бетоны) и др. Соответствующие же- лезобетонные изделия могут быть сплошными и пустотелыми, иметь различные типоразмеры. По назначению железобетонные изделия и конструкции разделяют для жилых и общественных зданий; промышленных зданий; инженерных сооружений; изделия общего назначения. В строительных объектах широко используют железобетонные перекрытия, ограждающие (стеновые) и несущие перегородочные панели, ленточные марши и площадки, фундаментные плиты, блоки.

В каркасно-панельных зданиях основной несущей конструкцией служит железобетонный каркас. Он состоит из колонн и горизонтальных связей - ригелей. Плиты перекрытий опираются на ригели, при безригельной схеме — на колонны, в бескаркасных зданиях — на крупные плитные элементы: панели стен, перегородок и перекрытий. Продолжает развиваться строительство домов и из сборных элементов с монтажом их на строительных площадках. Здесь могут быть особо уместными так называемые трехслойные панели системы «Пластбау» для стен и перекрытий (рис. 9.19). Пено-полистирольный элемент является одновременно и опалубкой, и утеплителем. Слой конструктивного железобетона расположен между двумя слоями теплоизолятора. Элементы «Пластбау» имеют массу 2,5 кг/м3, плотность 25—30 г/л, звукопоглощение 40 дБ, коэффициент теплопередачи 0,25 ккал/м2ч·К. Расход энергозатрат на обо грев таких домов снижается в 3—5 раз по сравнению с традиционными домами с железобетонными каркасами.

Санитарно-технические элементы для сети водопровода, канализации, отопления и вентиляции, мусоропроводов также при необходимости выполняют на основе

306

железобетона. Металлические трубы водопроводной и канализационной сети, трубы горячего водоснабжения замоноличивают (в процессе изготовления на заводе) в тело железобетонных блоков и панелей. Такие изделия и детали к ним, доставленные на строительную площадку, позволяют собрать канализационную или водопроводную сеть путем стыкования замоноли-ченных в них металлических труб.

Вкачестве элементов вытяжной вентиляции применяют блоки в виде прямоугольных железобетонных изделий с круглыми или прямоугольными отверстиями. Ширина таких блоков зависит от числа вытяжных отверстий, а длина — от высоты помещения.

К достижениям сборного железобетона в санитарной технике, значительно ускоряющим процесс монтажа зданий, относится применение готовых кабин санитарных узлов. Санитарно-технические кабины доставляют на строительную площадку в законченном виде и после установки включают в общую сеть канализации, горячего и холодного водоснабжения.

Впромышленных большепролетных зданиях используют разнообразные своды-оболочки, в том числе двойной кривизны, винтовые (висячие) конструкции тонкостенных покрытий, цилиндрические и щедовые оболочки и другие пространственные покрытия. Перекрытия многоэтажных производственных и общественных зданий устраивают по балочной или безбалочной схемам. В них присутствуют разрезные и неразрезные прогоны различного сечения (прямоугольного, таврового, двутаврового и др.), а также колонны, ригели и др.

Из сборного железобетона возводят и специальные сооружения: резервуары, водонапорные башни, бункера, силосы, дымовые трубы, напорные и безнапорные трубы, градирни и т. п. На атомных электростанциях устанавливают железобетонные ограждения против радиации. Ассортимент сборных и монолитных железобетонных конструкций и изделий поистине неисчерпаем. В частности, в тонкостенных элементах несущих и ограждающих конструкций находят возрастающее применение армоцементные материалы. Армо-цемент — конгломератный материал, в котором мелкозернистый (песчаный) бетон и тонкая равномерно распределенная по его сечению сетчатая стальная арматура работают под нагрузкой как одна монолитная система. Такой материал используют при изготовлении тонких плит (скорлуп) в пространственных покрытиях зданий и сооружений. Этому благоприятствует надежное сочетание прочного и плотного песчано-цементного бетона с пакетом тонких плетеных или сварных проволочных сеток. Армоцемент обладает более высокой трещиностойкостью, огнестойкостью, водонепроницаемостью и морозостойкостью, чем обычный железобетон. Его использование в строительстве позволяет снизить массу конструкций и затраты ма- териально-энергетических ресурсов.

Широкое применение железобетона обеспечивает экономию металла и древесины в строительстве, способствует повышению эффективности труда и темпов строительных работ. Этот материал продолжает оставаться основным для современного капитального строительства, а теория железобетона развивается и совершенствуется как в нашей стране, так и за рубежом. Исходным положением теории остается совместная работа бетона и стальной арматуры в конструкции. Оно основано на следующем: сталь и бетон при изме- нении температуры в интервале от 0°С до 80°С имеют практически одинаковые коэффициенты линейного расширения, равные 0,000011; между бетоном и арматурой возникают в процессе отвердевания железобетона значительные силы сцепления, препятствующие скольжению арматуры в бетоне (для бетонов средних марок напряжение сцепления равно 2,5·1,0 МПа); стальная арматура достаточно надежно защищена бетоном от коррозии даже при возникновении трещин до 0,3 мм в растянутых зонах, так как вокруг арматуры щелочная среда создает защитную пленку.

Для увеличения сцепления на концах гладких стержней устраивают крюки, придают

арматуре периодический профиль, применяют сварные сетки, используют некоторые

1 Более точные интервалы этих коэффициентов: для бетона (0,7—1,48)·10-5 град-1, для стали 1,1·10-5 град-1.

307

разновидности стальных анкеров (коротыши, шайбы, кольцевые петли и др.). При температурах свыше 100°С прочность железобетона снижается: при 200—250°С — на 25%, при 500—600°С бетон теряет прочность и разрушается. Чтобы защита арматуры от коррозии (и высоких температур) была более эффективной, защитный слой бетона устраивают в растянутых зонах конструкций от 10 до 30 мм, что также благоприятствует и повышению сцепления арматуры с бетоном.

308

9.5.2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

Для сборного железобетона используют цементные бетоны классов В15 и В20 (марок М200 и М3ОО); для напряженно-армированных конструкций наиболее целесообразны бетоны классов В45 и В50 (марок М400 и М500) и выше. В качестве вяжущих веществ для предварительно напряженных бетонов применяют быстротвердеющие и особо быстротвердеющие цементы, позволяющие значительно сократить продолжительность тепловлажностной обработки.

Армируют железобетонные конструкции стальной арматурой в виде стержней и проволоки (рис. 9.20). Стержневая арматура может быть горячекатаной, термически упрочненной и упрочненной в холодном состоянии. Арматурные стержни используют гладкого или периодического профилей. Периодический профиль арматуры получают при горячей прокатке или сплющиванием стержней в холодном состоянии на специальных станках. В зависимости от механических свойств горячекатаную арматуру разделяют на классы: A-I (гладкая), А-II, A-III, A-IV и A-V (периодического профиля). Арматура может иметь специальное назначение классов AT-IVc и AT-Vc и диаметр до 32 мм.

Для армирования железобетонных конструкций применяют свариваемые стержни диаметром от 6 до 80 мм. Арматурную холоднотянутую проволоку изготовляют гладкой (классов В-1 и В-2) или периодического профиля (классов Вр-I и Вр-II). При использовании напрягаемой арматуры отдается предпочтение классам A-V, A-VI, Ат-V и Ат-VI, а также высокопрочной проволоке и получаемым из нее канатам. Широкое применение получили плоские и пространственные арматурные сетки.

Кроме рабочей арматуры (обычной и предварительно напряженной) при изготовлении железобетонных изделий и конструкций используют арматуру монтажную и распределительную. Количество рабочей арматуры устанавливают расчетом; монтажной и распределительной — по конструктивным соображениям. Продольные рабочие стержни, укладываемые в зоны растягивающих напряжений, объединяют поперечной арматурой в

309

каркасы, опирающиеся на специальные фиксаторы. При стыковании сборных конструкций и изделий используют стальные закладные детали, выполняемые из фасонного проката или в виде фасонных сварных профилей. Их изготовляют из стали класса A-I или других хорошо сваривающихся сталей. Листы должны быть толщиной не менее 4 мм; при уменьшении толщины во время сварки получаются «прожоги». В табл. 9.8 приведены характеристики наиболее широко употребляемой стальной арматуры.

Таблица 9.8. Характеристики стальной арматуры

Кроме стальной арматуры в последнее десятилетие получила распространение во многих странах (США, Японии, Германии, Англии, Франции, Финляндии) неметаллическая арматура, в которой применяют углеродные, борные и другие виды волокон. В нашей стране в основном используется стеклопластиковая арматура, изготовляемая из алюмоборосиликатных волокон и применяемая в предварительно напряженных конструкциях взаимен высокопрочной проволоки Вр-П и канатов. Представляет интерес изготовление базальто-пластиковой арматуры для армирования ненапрягаемых конструкций. Конструкции из такой арматуры долговечнее, чем со стальной. Связующее вещество склеивает волокна в монолитный стержень, работающий как единый элемент, защищенный от механических повреждений, влаги, агрессии.

310