|
Бетон — древнейший строительный
материал. Он использовался при строительстве галерей египетского лабиринта
(3600 лет до н. э.), части Великой Китайской стены (3 в. до н. э.), древнейших
сооружений на территории Индии, Италии и других стран. Однако массовое
применение бетона в строительстве началось со второй половины XIX в. после
организации промышленного выпуска портландцемента.
В настоящее время бетон — основной строительный материал,
широко применяемый для несущих и ограждающих конструкций жилых, гражданских и
промышленных зданий, а также для возведения сооружений: плотин
гидроэлектростанций, атомных реакторов, взлетно-посадочных полос, дорог,
портовых сооружений, опор линий электропередач, мостов и др.
К достоинствам бетона следует отнести его надежность и
долговечность, стойкость к неблагоприятным атмосферным и другим воздействиям,
относительную простоту изготовления изделий и конструкций, возможность
придания им различных форм и конфигураций. Однако неправильно было бы думать,
что свойства бетона полностью удовлетворяют строителей. Бетон и технология
его производства требуют дальнейшего совершенствования, над чем продолжают
работать научно-исследовательские институты и лаборатории.
3.1.1. Общие понятия о бетонах. Виды бетонов и их
классификация
Бетонами называют искусственные каменные материалы,
образующиеся путем затвердевания рационально подобранной по составу,
тщательно перемешенной и уплотненной смеси, состоящей из мелкого и крупного
заполнителей, вяжущего вещества и воды. Для протекания процесса твердения в
бетонах на минеральных вяжущих (цементе, гипсе, извести и т. п.) обязательным
компонентом бетонных смесей является вода, а для затвердевания органических
вяжущих веществ (различных смол) используют специальные отвердителн.
Под бетонной смесью понимают однородную смесь компонентов
бетона до периода затвердевания и потерей сю способности укладываться в форму
или конструкцию и уплотняться под воздействием гравитационных или внешних
механических сил. С целью улучшения реологических характеристик бетонной
смеси, снижения стоимости бетона, изменения некоторых свойств и повышения его
качества в бетонную смесь на стадии приготовления иногда вводят добавки.
Бетоны — разновидности искусственных композиционных
материалов, в которых различные по размерам и форме частицы связываются
цементирующими веществами в единый монолит, в результате чего образуется
новый однородный по своим свойствам каменный материал.
Так как бетоны плохо работают на растяжение, конструкции
из них в растянутых зонах армируют стальной проволокой, стержнями, прутьями,
канатами и т. п. Такие изделия в отличие от бетонных называют
железобетонными. В отдельных случаях бетонные конструкции армируют короткими
кусочками стальной проволоки или прочными минеральными волокнами, равномерно
распределенными по всему объему бетона. Такой бетон носит название
фибробетона.
Бетон используют как для производства сборных
железобетонных изделий на заводах, так и для строительства зданий и
сооружений с непосредственной укладкой больших объемов бетона в конструкцию.
В последнем случае бетон называют монолитным, и к нему предъявляют особые
требования, связанные со спецификой работ.
В качестве вяжущего чаще всего используют портландцемент и
его разновидности. В обычном цементном бетоне затвердевшее вяжущее вещество
(цементный камень) составляет около 10—20 %, а заполнители — 80— 90 % от
массы бетона. Учитывая большое содержание заполнителей в бетоне, стремятся
для их производства использовать местные горные породы и отходы
промышленности для снижения стоимости бетона при условии, что эти заполнители
удовлетворяют требованиям ГОСТ и технических условий.
Используя различные заполнители, минеральные и
органические вяжущие, добавки, а также способы изготовления и уплотнения
бетонов, можно получить бетоны с разнообразными свойствами. В связи с этим
бетоны классифицируют по следующим основным признакам: плотности, структуре и
строению, видам вяжущего и заполнителей, способам изготовления и уплотнения, назначению
в строительных конструкциях и сооружениях. Важнейшее свойство бетонов — их
плотность, которая зависит от содержания твердой фазы в единице объема и от
структуры бетонов. По плотности бетоны делят на особо тяжелые (более 2500
кг/м3), тяжелые (1800— 2500 кг/м3), легкие (500—1800 кг/м3), особо легкие
(менее 500 кг/м3).
Особо тяжелые бетоны применяют для защиты от радиоактивных
излучений, при этом в качестве заполнителя вводят металлический скрап,
чугунную дробь, стальную стружку, железные руды (магнетит, гематит, лимонит),
содержащие до 70 % и более оксидов железа.
Тяжелые бетоны широко используют в качестве
конструкционного материала. Заполнителями в тяжелых бетонах являются горные
породы (кварцевый песок, известняк, гранит, диабаз и др.).
Легкие бетоны выполняют функции конструкционных и
конструкционно-теплоизоляционных материалов. Их изготовляют на искусственных
(керамзите, аглопо- рите) или естественных (пемзе, туфе и др.) пористых
заполнителях, а также на промышленных отходах (шлаковой пемзе, золе и шлаке).
Легкие бетоны с плотностью 500—1400 кг/м3 применяют как конструкционно-
теплоизоляционные, а с плотностью 1400—1800 кг/м3 как конструкционные
материалы.
Особо легкие бетоны применяют в стеновых конструкциях для
снижения теплопотерь. К ним относятся ячеистые бетоны, которые получают путем
вспучивания (газобетон) или перемешивания с пенами (пенобетон) смеси цемента,
тонкомолотых добавок и воды. Особо легкие бетоны также можно получать
использованием пористых заполнителей с пониженной плотностью (легкого
керамзита, перлита, вермикулита, шунгизита) или созданием крупнопористой
структуры.
Бетоны по структуре и строению являются сложными
композиционными капиллярно-пористыми материалами, при этом структура бетонов
влияет на другие их свойства.
По структуре бетоны разделяют на плотные, где зерна
плотного заполнителя сцементированы плотным цементным камнем; с пористым
заполнителем, в которых межзерновое пространство между пористым заполнителем
заполнено плотным или поризованным цементным камнем; ячеистые, отличающиеся
тем, что в сплошной среде плотного цементного камня равномерно распределены
условно замкнутые воздушные поры различных размеров; зернистые, в которых
зерна плотного или легкого заполнителя сцементированы в местах их
соприкосновения (в контактах), а межзерновое пространство заполнено воздухом.
Кроме того, плотная структура бетона может отличаться по своему строению. В
одних бетонах зерна заполнителя могут соприкасаться между собой через тонкую
прослойку цементного камня, в других— с «плавающим» заполнителем — зерна
заполнителя разделяются слоем цементного камня значительной толщины.
В настоящее время выпускается большое количество
минеральных и органических вяжущих веществ, различающихся по стоимости, видам
и свойствам. В зависимости от применяемого вяжущего вещества в значительной
степени предопределяются свойства бетонов. По виду вяжущего различают бетоны:
цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, бетоны на
смешанных вяжущих.
Цементные бетоны являются основными материалами, широко
используемыми в строительстве (около 90 % общего объема производства). В
качестве вяжущего в них применяют портландцемент и его разновидности
(пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, быстротвердеющий,
особобыстротвердеющий и др.). Строительные изделия, конструкции и сооружения,
выполненные из цементных бетонов, отличаются повышенной долговечностью и
способны работать в сложных климатических условиях. К цементным бетонам также
относятся специальные виды бетона, такие как декоративный, самонапрягающий и
др., изготовленные на специальных цементах: белом или цветных, расширяющемся,
глиноземистом, безусадочном и т. п.
Силикатные бетоны — широко распространенный строительный
материал. Из силикатных бетонов делают кирпич, несущие конструкции, стеновые
и вентиляционные блоки и т. п. В качестве вяжущего в таких бетонах используют
молотую негашеную известь — «кипелку» или гашеную известь «пушенку».
Гипсовые бетоны изготовляют на основе гипсовых вяжущих
веществ. Для получения таких бетонов используют не только природное сырье —
гипсовый камень, но и отходы производства химической промышленности. Гипсовые
бетоны не водостойки и в связи с этим применяются для внутренних элементов
зданий (перегородок, подвесных потолков, санитарно-технических кабин и т. п.).
Шлакощелочные бетоны относятся к новому и перспективному
виду бетонов. В настоящее время они еще не нашли достаточно широкого
применения в строительстве. В качестве вяжущего в этих бетонах используют
молотые шлаки, затворенные щелочными растворами.
Полимербетоны приготовляют с использованием в качестве
вяжущего смол или мономеров. Так как эти бетоны значительно дороже бетонов на
минеральных вяжущих, их применяют в особо ответственных конструкциях, где
требуется высокая коррозионная стойкость, ка- витационная стойкость,
износостойкость, водостойкость и т. д.
Бетоны на смешанных вяжущих применяют в отдельных случаях
для снижения стоимости или направленного улучшения определенных свойств,
связанных с их эксплуатацией. Так, например, к таким вяжущим относится известково-кремнеземистое,
в котором тонкомолотая кремнеземистая добавка (молотый кварцевый песок) при
автоклавной обработке дает возможность получать силикатные бетоны высоких
марок.
Бетоны на гипсоцементнопуццолановом вяжущем отличаются
быстрым нарастанием прочности и повышенной водостойкостью. В
цементно-полимерных бетонах используется смешанное вяжущее, состоящее нз
цемента и полимерного вещества — водорастворимых смол и латексов, что
позволяет изменять структуру и свойства бетонов в нужном направлении и
улучшать их технико-экономические показатели. ""
Бетоны на специальных вяжущих предназначены для
эксплуатации в условиях воздействия высоких температур, кислот и т. п. Так,
например, для жаростойких и кислотоупорных бетонов используют жидкое стекло с
кремнефтористым натрием, фосфатное связующее и другие вяжущие. В качестве
специальных вяжущих используют стеклощелочные, нефелиновые, шлаковые и др.
В зависимости от применяемого вида заполнителей бетоны
приобретают специфические свойства и в их названия включается название
заполнителя. Легкие бетоны на керамзитовом заполнителе называют керамзито-
бетоном, на аглопорите — аглопоритобетоном и т. п. В отдельных случаях, чтобы
подчеркнуть отличительный признак заполнителя, в название бетона включают
определяющие слова, характеризующие форму и размер зерен.
В отличие от обычных бетонов на крупных заполнителях
существуют мелкозернистые бетоны на мелком заполнителе— песке.
Бетоны могут значительно изменять свои свойства в
зависимости от принятых на производстве способов изготовления и уплотнения
изделий и конструкций. Так, в отличие от обычного, широко распространенного
способа уплотнения бетона вибрированием может применяться прессование,
вибропрессование, гидровибропрес- сование, укатка, вакуумирование. Свойства бетона
могут также изменяться в зависимости от условий твердения (пропаривания,
автоклавирования) или их дополнительной последующей обработки (пропитки
полимерами и др.). В зависимости от способов изготовления бетонов их называют
прессованными, вибропрессованными, ваку- умбетонами, пропаренными или
автоклавированными бетонами, бетонополимерами и т. д. Бетонополимеры получают
путем пропитки обычных или специально подготовленных бетонов мономерами
(например, метилме- такрилатом) с последующим их отверждением в порах бетона.
Таким технологическим приемом можно получать высокопрочные бетоны, хорошо
работающие как на сжатие, так и на растяжение, полностью водонепроницаемые, с
высокой морозостойкостью и коррозионной стойкостью.
По назначению бетоны можно подразделять, исходя из
специфики их работы в зданиях и сооружениях и основных функций, которые они
выполняют при эксплуатации, с учетом технологических приемов их изготовления,
транспортировки, укладки, уплотнения и условий твердения, на следующие:
обычные бетоны, используемые для производства бетонных и
железобетонных конструкций (фундаментные блоки, основания специальных зданий
и сооружений, па- пели и плиты покрытий и перекрытий, балки, колонны, фермы и
другие несущие элементы зданий, монолитные сооружения небольших размеров).
Основными показателями обычных бетонов является прочность на сжатие и, в
случае их применения в наружных элементах строительных конструкций,
морозостойкость;
легкие бетоны для ограждающих конструкций (блоки и панели
наружных стен и цоколей, а также монолитный легкий бетон для промышленных и
гражданских зданий). Такие бетоны должны иметь низкую теплопроводность и в то
же время быть достаточно прочными и морозостойкими;
гидротехнические бетоны для строительных конструкций,
работающих в пресной или морской воде (плотины, портовые сооружения,
облицовка каналов, элементы шлюзов, водопроводноканализационные системы и т.
п.). Указанные бетоны должны иметь высокую плотность, т. е. такую, которая
гарантирует водонепроницаемость, морозостойкость (в зоне переменного уровня
вод), прочность, коррозионную и кавитационную стойкости. При бетонировании
больших массивных сооружений к гидротехническому бетону предъявляется еще и
требование пониженного тепловыделения при твердении;
дорожные бетоны, к которым также можно отнести бетоны для
полов и аэродромных покрытий. Они должны иметь высокую износостойкость и
морозостойкость, обеспечивать хорошее сцепление шин с поверхностью бетона;
жаростойкие бетоны, используемые для футеровки агрегатов,
работающих при высоких температурах. Эти бетоны не должны разрушаться при
длительном воздействии высоких температур, должны иметь небольшие усадочные
деформации (не образовывать трещин при нагревании) и хорошо сопротивляться
воздействию агрессивной газовой среды и расплавов;
кислотостойкие бетоны, предназначенные для строительных
сооружений химической промышленности и предприятий специального назначения с
повышенным содержанием паров кислот. Кислотостойкие бетоны должны выдерживать
длительное воздействие кислот без видимых признаков коррозии их поверхности;
бетоны для биологической защиты от радиоактивных излучений
делятся на особо тяжелые и гидратные. Первые предназначены для защиты от
гамма-излучении, гидратные — от нейтронов, причем последние должны в большом
количестве содержать в химически связанном состоянии легкие ядра водорода,
эффективно поглощающие при соударении энергию нейтронов;
бетоны электропроводные (бетэл), достаточно хорошо
пропускающие электрический ток и использующиеся для нагревания внутренних
помещений (в виде стеновых панелей) и других целей;
бетоны для зимнего бетонирования, применяемые при
возведении строительных конструкций в условиях пониженных температур. Эти
бетоны отличаются повышенной экзотермией (выделением теплоты), в результате
использования активных вяжущих веществ и специальных добавок, препятствующих
замерзанию бетонов до минус 25 °С;
товарные бетоны и растворы, изготовляемые в настоящее
время на высокопроизводительных автоматизированных заводах, откуда они
перевозятся потребителю иа расстояние до 20 км и более. В связи с этим бетонные смеси и растворы должны иметь повышенную жизнеспособность,
чтобы их можно было полностью использовать на строительной площадке;
сухие бетонные и растворные смеси для приготовления
растворов и бетонов на строительных площадках, выпускаемые в расфасованном
виде (в мешках) на специальных заводах.
|