2.10. Специальные виды бетонов

2.10.1. Гидротехнический бетон предназначен для конструкций, постоянно или периодически контактирующих с водой. Требования к гидротехническому бетону существенно различаются в зависимости от: 1) зоны расположения бетона в конструкции (надводной, подводной, переменного уровня воды, наружной, внутренней); 2) массивности конструкции; 3) действующего на конструкцию напора воды и др. Так, например, бетон зоны переменного уровня воды должен обладать особенно высокой морозостойкостью, бетон массивных конструкций должен иметь пониженное тепловыделение и отвечать требованиям термической трещиностойкости, бетон напорных сооружений должен обладать особенно высокой водостойкостью и водонепроницаемостью.

2.10.2. Бетон для защиты от радиоактивного излучения. При работе стационарных ядерных реакторов, ускорителей частиц, радиохимических и облучающих установок несущая бетонная конструкция выполняет также функцию защиты окружающей среды от радиоактивного излучения и потока нейтронов. Защита сводится к решению трех задач: 1) замедление быстрых нейтронов; 2) захват промежуточных и тепловых нейтронов; 3) Поглощение всех видов γ-излучения, включая рассеянное и γ-излучение захвата, образующиеся в бетоне при взаимодействии с ним быстрых и медленных нейтронов.

При постоянной толщине защитной конструкции поглощение γ-лучей практически пропорционально объемной массе, независимо от рода вещества. Поэтому бетоны для биологической защиты имеют объемную массу до 5000…6000 кг/м³, что достигается применением особо тяжелых заполнителей таких, как магнетит Fe₃O₄ ; гематит Fe₂O₃ (ρ=4500 кг/м³), бурый железняк (лимонит) 2Fe₂O₃·3H₂O (ρ=3200…4000 кг/м³), баритовые руды, содержащие до 80 % BaSO₄ (ρ=4100…4700 кг/м³). В случае применения в качестве заполнителя металлических отходов (ρ около 7850 кг/м³) вес бетона может быть существенно повышен. Железные заполнители типа стальной или чугунной дроби, отходов металлообработки довольно дороги. Как правило, они загрязнены масляными веществами, снижающими сцепление с цементным камнем, и должны подвергаться очистке.

Эффективность замедления нейтронов обратно пропорциональна массовому числу элемента. При не слишком больших энергиях нейтронов отличным замедлителем является водород, который содержится в бетоне в составе воды. Вместе с тем, эффективное сечение захвата нейтронов ядрами водорода мало, поэтому для замедления нейтронов высоких энергий нужна слишком большая толщина защитного слоя воды. Понизить энергию быстрых нейтронов в результате неупругого рассеяния могут элементы со средними и большими массовыми числами, например, железо, барий или свинец. Эти элементы, благодаря высокой объемной массе, одновременно являются эффективными поглотителями γ-излучения. Каждый акт захвата нейтронов ядрами элементов сопровождается испусканием γ-квантов. При захвате нейтронов ядрами водорода энергия γ-лучей составляет 2,2, а ядрами железа – 7,6 Мэв, что является недостатком железа как поглотителя нейтронов, испускающего жесткие γ-лучи захвата. Из легких элементов хорошим поглотителем нейтронов является бор, который при захвате не дает жесткого γ-излучения.

Таким образом, бетон защиты должен содержать в необходимом количестве связанную воду, легкие и тяжелые элементы, по возможности включать такие поглотители нейтронов, как бор и литий.

Связанная вода в бетоне, делится на несколько категорий.

1. Химически связанная вода, образующая молекулы вещества – гидроокисных и комплексных соединений (удаление воды из этих соединений ведет к образованию нового вещества).

2. Кристаллизационная вода, входящая в состав кристаллической решетки вещества. Удаление этой воды не меняет названия вещества, но может изменить параметры кристаллической решетки.

3. Адсосбционная вода, удерживаемая на поверхности частиц силами молекулярного притяжения.

4. Капиллярная вода, удерживаемая поверхностным натяжением.

Бетон на портландцементе содержит связанную воду в суммарном количестве менее 10 % по массе, т. е. менее 1,4·10²² атомов водорода на 1 см³. По этой причине исследовались специальные цементы, связывающие большое количество воды. Система MgO+MgCl₂+H₂O позволяет получить вяжущее, связывающее воды в 3 раза больше, чем портландцемент. Однако из-за недостаточной прочности этот цемент, как и другие, не нашли применения и основными вяжущими в бетонах радиационной защиты остаются портландцемент и шлакопортландцемент, а содержание связанной воды повышают за счет введения таких заполнителей, как лимонит, содержащий около 10 % кристаллизационной воды и серпентинит (около 13 % воды)

2.10.3. Дисперсно-армированный бетон (фибробетон) является композиционным материалом, содержащим распределенные по всему объему армирующие волокна (фибры), которые могут быть стальными, минераль­ными (стеклянными, ба­зальтовыми, шлаковыми, асбестовыми) или органическими (синтетическими, цел­люлозными, сизалевыми, бамбуковыми, тростниковыми, джутовыми). Методы дисперсного армирования позволяют получить направленную или хаотичную ориента­цию волокон в бетоне. Возможность хаотичного расположения волокон ограничена действием силы тяжести или архимедовой силы, размерами и формой бетонируемого элемента, характером заполнителей. Направленная ориентация получается при использовании непрерывающихся нитей, жгутов, тканых и нетканых сеток, а также при вибрировании или вращении изделия. Короткие стальные волокна могут быть ориентированы с помощью маг­нитного поля.

Вид и назначение фибробетона определяет характер дисперс­ного армирования. Напри­мер, легкий бетон нецелесообразно армировать стальными волокнами, так как его теплоизоляционные свойства будут снижены, из-за высокой теплопроводности стали. Стеклянные волокна обычного состава подвергаются коррозии в бетоне на портландцементе и практически не реагируют со средой гип­совых вяжущих. Стальные волокна, наоборот, заметно корродируют в материалах на основе гипса, но достаточно стойки в среде портландцемента.

Дисперсное армирование, осуществляемое путем введения фибры непосредственно в бетоносмеситель, часто приводит к снижению затрат в результате исключения арматурных работ и отказа от применения относительно дорогих арматурных сеток и каркасов.

Дисперсное армирование обеспечивает существенное повышение прочности сжатых, растянутых и изгибаемых элемен­тов конструкций, увеличивает их трещиностойкость, ударную вязкость.

Прочность фибробетона зависит от прочности самих волокон, их количества и ориентации. Размеры волокон выбирают так, чтобы отношение длины к диаметру равнялось отношению предела прочности волокна при растяжении к сопротивлению выдергивания волокна из матрицы. В этом случае равновероятен разрыв волокна и нарушение его сцепления с цементирующим камнем.

2.10.4. Жаростойкий бетон. Обычный бетон на портландцементе может служить при повышенной температуре до 200 °С. Однако при длительном воздействии такой температуры прочность его снижается на 25…45 %. Это можно допустить, обеспечив необходимый запас прочности. При более высокой температуре применяют специальные бетоны, которые делятся на жаростойкие, выдерживающие температуру до 1580 °С, и огнеупорные, с огнеупорностью выше 1580 °С. Их применяют в конструкциях агрегатов и оборудования предприятий черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, химической промышленности, керамического производства.

Жаростойкость бетона зависит от вида вяжущего, и от природы заполнителей. При нагреве бетона до температуры 500 °С снижение прочности происходит в основном в результате несовместимости температурных деформаций заполнителей и цементирующего камня и выделения кристаллизационной воды. При более высокой температуре наблюдаются полиморфные превращения и разложение химических соединений. Так, кристаллическая структура кварца при 573 °С из тригональной переходит в гексагональную, а при 870 °С кварц превращается в тридимит с ромбической сингонией решетки.

При температуре выше 500 °С Ca(OH)₂ в цементном камне дегидратируется с образованием CaO. Если после этого бетон будет увлажнен, то произойдет его разрушение вследствие увеличения объема извести при взаимодействии CaO с водой. Поэтому в жаростойких бетонах применяют портландцемент с активной минеральной добавкой, кремнезем которой при 700…900 °С связывает CaO в устойчивый силикат.

В качестве вяжущих для жаростойких бетонов применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, жидкое стекло, фосфатные вяжущие; в качестве заполнителей – огнеупорные материалы: бой шамотного, магнезитового, динасового или керамического кирпича, хромитовую руду, базальт, диабаз, андезит, доменный гранулированный шлак и др. При использовании пористых заполнителей: керамзита, вспученного перлита, вермикулита получают легкий жаропрочный бетон с γ_б<1200 кг/ м³.

Портландцемент с активной минеральной добавкой и шлакопортландцемент могут применяться до температуры 700…900 °С. Высокой огнеупорностью обладает глиноземистый цемент (1580 °С). Особовысокоглиноземистый цемент характеризуется еще более высокой огнеупорностью – 1740…1770 °С.

Несмотря на низкую собственную огнеупорность жидкостекольной связки (~800 °С), бетоны на ее основе могут выдерживать температуры до 1600 °С, что является результатом высокотемпературного взаимодействия жидкого стекла с наполнителем. На основе жидкого стекла изготовляют бетоны трех видов – кремнеземистые (заполнителями и тонкомолотыми компонентами являются кварцит и динас), алюмосиликатные (с шамотными и муллитовыми заполнителями, обеспечивающими огнеупорность до 1600 °С) и магнезиальные (на основе периклазовых, периклаз-шпинелидных и магнезиально-силикатных заполнителей).

Широко распространенной основой для получения жаростойких бетонов являются фосфатные вяжущие системы. Фосфатное вяжущее состоит из двух компонентов: водного раствора, чаще всего, ортофосфорной кислоты или кислых фосфатов аммония, алюминия, магния и порошкообразного минерального компонента, проявляющего по отношению к раствору свойства основания. Таким компонентом в жаростойких бетонах являются различные огнеупорные материалы, которые одновременно применяются и в качестве крупного заполнителя. На основе молотого динаса и концентрированной ортофосфорной кислоты готовят динасовый бетон с огнеупорностью 1750 °С и прочностью при сжатии до 40 МПа. На основе кварцитов, кварцевого песка и фосфатного затворителя получают кварцевый бетон, который уступает динасовому в прочности (до 25 МПа) из-за полиморфных превращений кварца. Из молотого шамота на фосфатных затворителях, часто с добавкой глинозема, готовят связующее для шамотного бетона, характеризующегося огнеупорностью 1660 °С и прочностью при сжатии 40 МПа и выше. Корундмуллитовый фосфатный бетон, состоящий из корундмуллитового шамота (95 %), глины (5 %) и фосфорной кислоты, обладает огнеупорностью до 1850 °С и прочностью при сжатии до 80 МПа. Для отвердевания фосфатных бетонов требуется повышение температуры до 100…600 °С.

При обычной температуре отвердевает магнезиальный фосфатный бетон. В основе его твердения лежит реакция между оксидом магния и ортофосфорной кислотой, которая протекает весьма интенсивно с выделением значительного количества теплоты (105 Дж/моль): MgO+H₃PO₄+2H₂O→MgHPO₄·3H₂O. Отличительной особенностью этого бетона является исключительно высокая прочность 80…120 МПа. Огнеупорность его составляет 1650 °С.