3.3 Бетоны

Бетонами называют искусственно сцементированные (склеенные) заполнители размером от 0,16 мм до 40 мм в единое тело заданной формы. Клеющим (цементирующим) веществом обычно являются различные минеральные или органические вяжущие. В качестве минеральных вяжущих применяют цемент, известь, гипс и даже глину и др. Бетон на основе цемента называют цементным бетоном, на основе известково-кремнезёмистой смеси называют силикатным, на гипсовом вяжущем – гипсобетоном, на основе глины – глинобетоном.

Бетон на основе битума чаще называют асфальтобетоном или просто асфальтом, бетоны на смолах и латексах называют пластмассами, пластбетонами, полимербетонами. В качестве заполнителей используют наиболее доступные и дешевые природные материалы – щебень или гравий плотных горных пород и песок. Заполнителями их называют потому, что они почти полностью – на 80 и более чем 90% заполняют объём бетона. При изготовлении бетона с использованием в качестве заполнителя одних только мелких фракций каменных горных пород его называют мелкозернистым бетоном, а чаще – строительным раствором.

Каким образом цемент – порошковый материал склеивает разный заполнитель в одно целое, превращая смесь в камень? После смешивания цемента с водой, между его зёрнами и водой начинается химическое взаимодействие. Вокруг каждого зёрнышка образуется гель – масса, поглощающая часть воды и способная склеивать все сыпучие материалы в замесе. Чем меньше она разжижена, тем лучше связывает все компоненты, превращая массу в бетон после отвердевания.

В технологии бетонных работ различают подвижные и жёсткие смеси. Подвижность определяется осадкой изготовленного из смеси конуса (ОК). Чем больше осадка, тем подвижнее бетонная смесь. Жёсткой называют смесь, которая не имеет осадки (ОК = 0 см), малоподвижная – имеет ОК = 1-4 см, подвижная – 5-9 см, весьма подвижная – 10-15 см, текучая 16-20 см, более 21 см – литая смесь.

Жёсткую и малоподвижную бетонную смесь укладывают в неармированные или малоармированные конструкции: фундаменты, полы, дорожные покрытия, а также при изготовлении железобетонных изделий. Подвижную смесь укладывают в конструкции с редким расположением арматуры: колонны, массивные балки и плиты. Более подвижные смеси применяют в железобетонных конструкциях, обильно насыщенных арматурой: ажурных конструкциях, тонких стержнях, бункерах и т. п. Количество воды затворения, влияющее на подвижность бетонной смеси, определяют, исходя из требуемых показателей удобоукладываемости, пользуясь таблицами и графиками, составленными на основании практических данных с учётом вида и крупности заполнителя. Удобоукладываемость бетонной смеси зависит от вязкости цементного раствора и объёма вяжущего вещества.

Для получения прочного бетона следует брать меньше воды, но смесь должна быть однородной и при укладке в форму обладать такой подвижностью, чтобы частички как можно ближе и плотнее прилегали одна к другой. Если будет мало воды, не все зёрна цемента будут достаточно смочены, не появится в достаточной мере цементного клея (геля), смазывающего и склеивающего все заполнители. Кроме того, цементный гель уменьшает трение между зёрнами заполнителя и они легче перемешиваются до однородного состояния, плотнее укладываются, легче формуются, снижается пустотность, что ведёт к снижению расхода вяжущего и повышению плотности бетона.

Для упрочнения свежеуложенный бетон должен твердеть при температуре 15-20°С и высокой влажности 95-100%. Это объясняется тем, что процесс твердения происходит лишь в том случае, если вода находится в жидком состоянии. Если высокая температура – вода испаряется и её не хватает на гидратацию, если вода замерзает, реакции гидратации нет, строение молекулы воды видоизменяется, активность воды понижается. Цементный гель в отсутствии воды обезвоживается, происходит усадка.

Цементный гель лучше всего скрепляется с заполнителями, имеющими шероховатую остроугольную поверхность. Поэтому горные и овражные пески, а также дроблёный угловатый крупный заполнитель предпочтительнее речных и морских песков, а также гладко-окатанного гравия. Кроме того в овражных песках бывают вредные примеси в виде слюды, гипса, глины, гумуса и др., препятствующих лучшему сцеплению с цементным гелем. Частички глины способны разбухать от воды, органические примеси (гумусовые кислоты) вступают в химическое соединение с частицами цемента, что не способствует качеству бетона, снижает его химическую стойкость и долговечность. Поэтому все сырьевые материалы подлежат стандартным испытаниям, фракционированию (разделению по размерам) и очищению (обогащению).

Подобными мелкозернистому бетону являются силикатные материалы, в том числе силикатный кирпич. Его изготавливают из смеси кварцевого песка (на 92-95%) и извести 8-5% в расчёте на оксид кальция с помощью прессования под большим давлением. Воды вводят всего 8-10%. Благодаря запариванию острым паром под давлением 0,8-1,2 МПа при температуре 175°С в автоклаве частично растворённый в воде кварцевый песок начинает реагировать с известью с образованием прочных гидросиликатов кальция:

Са(ОН)₂ + SiO₂ = CaO∙ SiO₂ ∙H₂O.

Чтобы увеличить прочность, водостойкость и морозостойкость силикатных изделий, их после изготовления выдерживают на складе не менее двух недель. За это время происходит упрочнение с поверхности за счёт реакции углекислого газа с оставшейся свободной известью. При выгрузке из автоклава эта известь карбонизируется, постепенно переходит в карбонат кальция, что приводит к повышению прочности и твёрдости силикатных изделий. Если хотят уменьшить плотность и коэффициент теплопроводности, например, силикатного кирпича, часть песка в его составе заменяют шлаком или золой.

Силикатный кирпич применяют для кладки внешних и внутренних стен, но нельзя его использовать для кладки печей и труб. При воздействии высокой температуры (выше 500°С) в нём происходит дегидратация свободной извести – Са(ОН)₂ с растрескиванием, при более высокой температуре – полиморфные превращения кварца, содержащегося в песке, а при температуре 900°С – разлагается карбонат кальция.

Лёгкие бетоны получают из тех же вяжущих и той же известково-кремнезёмистой смеси, что и тяжёлые, но с добавлением в растворную смесь до её отвердевания порообразователей: пенообразователей или газообразователей. Если смешать пену с цементным тестом, получится подвижная пенистая масса, состоящая из пены и цементного геля. По мере затвердевания этой массы образуется ячеистый материал, где ячейки (пузырьки) занимают до 90% всего объёма. Поэтому такой материал называют ячеистым бетоном. Плотность его может иметь показатели в зависимости от количества введённой пены от 250 до 700 кг/м³. В наименовании полученного бетона звучит способ образования ячеек и взятое вяжущее: пенобетон, пеносиликат, пеногипс или пеномагнезит. Ячеистый бетон, полученный другим способом, с помощью газообразователя (химическим способом), также звучит в названии разновидностей ячеистого бетона: газобетон, газосиликат, газогипс и другие.

Газообразование, обеспечивающее получение ячеистой массы, происходит вследствие химической реакции между газообразователем и гидратом окиси кальция. В качестве газообразователя используют порошки алюминия, цинка, кальция, карбида кальция, перекись водорода и др. Чаще используют алюминиевую пудру, вступающую во взаимодействие с гидроксидом кальция. При этом выделяется на 1 г порошка 1,4 л водорода, вспучивающего растворную смесь по реакции:

3Al + 3Ca(OH)₂ + 6H₂O = 3CaO Al₂O₃ 6H₂O + 3H₂↑.

Впоследствии водород из ячеек газобетона улетучивается и его ячейки заполняются воздухом. Теплопроводность такого бетона намного ниже теплопроводности плотного бетона. Прочность тоненьких перегородок между ячейками незначительна, поэтому стремятся её увеличить и ускорить набор прочности с помощью добавок растворимого стекла, большего количества цемента на 1 м³ бетона и тепловой обработкой отформованных изделий. При монолитном бетонировании, когда нет возможности организовать теплопрогрев забетонированной конструкции, прибегают к помощи ускорителей твердения и изготавливают безгипсовый цемент. Введение наполнителей с пуццоланической активностью также способствует повышению прочности ячеистой структуры. К ним относятся тонкоизмельчённые шлаки, золы, диатомиты и микрокремнезём. Тонкое измельчение их (≤ 0,16 мм) способствует образованию стойкой ячеистой массы, ускорению химической реакции с гидроксидом кальция, повышению прочности тонких перегородок между ячейками.

Соли – ускорители твердения цемента вступают в реакцию взаимодействия с минералами, входящими в состав цемента, образуя при этом комплексные соединения: гидрохлоралюминаты и гидрохлорсиликаты кальция:

3CaO ∙Al₂O₃ ∙ nCaCl₂ mH₂O; 3CaO∙ SiO₂ ∙CaCl₂∙ nH₂O;

3CaO ∙3Ca(OH)₂ 12H₂O; CaCl₂∙ Ca(OH)₂ ∙H₂O и др.

Эти соединения вызывают увеличение активной поверхности цементных зёрен, скорость взаимодействия цемента с водой, укрепляют цементный камень.

Ячеистые бетоны могут быть армированы стальной, стеклянной и синтетической арматурой (волокном). Прочность сцепления со стальной арматурой круглого сечения доходит до 12-16 кг/см².

Для получения газогипса в качестве газообразователя используют измельченные карбонатные породы в смеси с растворами минеральных кислот – серной, соляной и другими. В результате реакции выделяются газообразные продукты, вспучивающие гипсовое тесто:

CaCO₃ + H₂SO₄ + nH₂O = CaSO₄ ∙2H₂O + CO₂↑ + (n-1)H₂O, или

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.

Смешивая гипс повышенным количеством воды затворения (150-250%), легко можно получить ещё вид ячеистого гипсового материала – микропористый гипс, хорошо фильтрующий воду.

Применяют ячеистые структуры в основном как тепло- и звукоизоляционные материалы (в междуэтажных и чердачных конструкциях), а также в качестве стенового материала в жилищном и промышленном строительстве, при устройстве холодильных камер, изоляции паровых камер, сушилок и пр.

4. Асбестоцементные материалы

Смесь асбеста с цементом и водой после затвердевания образует твёрдый камень, называемый асбестоцементом. Асбест – минерал, залегающий в виде жил среди горных пород – серпентина или амфибола. С химической точки зрения асбестовые минералы являются водными силикатами магния, железа, кальция и натрия. Наиболее распространёнными из них являются хризотил-асбест 3MgO ∙2SiO₂ ∙2H₂O. Вода в этом соединении находится в двух состояниях: в виде (ОН) – гидроксильного радикала, и в виде Н₂О – кристаллизационной воды, что часто отражают в написании формулы: (OH)₆Mg₆Si₄O₁₁∙ H₂O. Встречается и ряд других соединений.

Этот минерал способен расщепляться на очень тонкие волокна диаметром 0,5-40 мкм. Длина их бывает разной от долей миллиметра до 40 мм. Тонко распушенные волокна очень гибки, их можно скручивать, делая нити и ткать, превращая в ткани. Прочность асбестовых волокон на растяжение составляет 60-90 кг/мм², что больше прочности стали обыкновенной 40-50 кг/мм². В распушенном состоянии асбестовые волокна легки, поэтому их использовали для изготовления различных теплоизоляционных изделий – асбокартона, асбовойлока, асбестита и других. При перемешивании и уплотнении массы под давлением до 400 кг/см² волокна асбеста переплетаются между собой, образуя армирующую сетку, повышающую прочность асбестоцементных изделий не только при их сжатии, но и при растяжении. Твердение изделий происходит в результате гидратации цемента, асбестовые волокна армируют цементную матрицу, возрастает прочность всего композита. Соотношение асбеста и цемента в асбестоцементных изделиях зависит от сорта асбеста. Чем длиннее волокна, тем меньше требуется асбеста, его количество составляет от 9 до 12, в некоторых составах до 16% в смеси с цементом, которого берут до 91%, причём высоких марок, не ниже М500, класс В42,5 и выше. Асбестоцементные изделия значительно лучше обычных изделий из цементного раствора и бетона, не теряют своих свойств при нагревании до 300°С, при 500°С асбест теряет конструкционную влагу и становится менее прочным, при температуре 700-800°С – становится хрупким. Температура плавления асбеста 1500°С. Негорючесть асбеста позволяет применять его для изготовления несгораемых тканей, обладающих и электроизоляционными свойствами.

Асбестоцементные изделия отличаются и большей устойчивостью к действию слабых кислот, оседающих на кровле в промышленных зонах, на внутренних обшивках перекрытий в цехах с выделением газов. Водопоглощение асбестоцементных прессованных изделий составляет 18-20%. Негигроскопичные изделия получают при сплавлении и прессовании асбестоцементных изделий с битумным пеком.

На основе асбеста изготовляют кровельные листы (асбестошифер), кровельные плитки, трубы для водо- и газопроводов, канализации и других сетей, подоконные доски, отливы и откосы, вентиляционные короба, стеновые панели, асбестоцементные плитки для облицовки стен, асбестобакелитовые и другие изделия.

Для экономии асбеста его частично заменяют стекловолокном, минеральным волокном, отходами текстильной промышленности, но теплостойкость изделий при этом снижается.