Наука и технологии

 Материалы будущего

Издательство «Химия» 1985 г.

Цемент + вода + наполнитель = бетон

Бетон, железобетон и предварительно напряженный бетон

В общем случае бетонами называют смеси, состоящие из цемента, природного или искусственного наполнителя с различными размерами частиц и воды. Эти смеси в течение некоторого времени с момента приготовления сохраняют способность формоваться. Свежеприготовленный бетон благодаря химическим реакциям между цементом, водой и наполнителем затвердевает. Бетон классифицируют по плотности, составу, способу обработки и назначению

Бетон обладает малой прочностью при растяжении. Поэтому в случаях, когда изделия из него испытывают растягивающие нагрузки, их следует укреплять стальной арматурой. Иначе в таких балках возникают трещины, которые могут привести к разрушению.

Для воспринятая растягивающих усилий используют стали, содержащие менее 0,3% углерода. Стальные круглые штыри с ребристой поверхностью укладывают в бетон по двум противоположным сторонам конструкции и, кроме того, соединяют их между собой по всей длине диагональными отрезками ( 73 и 74).

Сталь и бетон удачно дополняют друг друга благодаря одинаковому тепловому расширению;- кроме того, бетон хорошо сцепляется со стальной арматурой и предохраняет ее от воздействия влаги, значит, и от коррозии.

Самое большое преимущество строительных деталей из бетона и железобетона состоит в их хорошей формуемости, что дает возможность легко приспосабливать форму строительных элементов и строительных сооружений к воздействию нагрузок.

Предварительно напряженная арматура оказывает сжимающее воздействие на бетон, что позволяет частично или полностью компенсировать растягивающие напряжения при нагрузке. Для создания напряжения в бетонных строительных деталях используется высокопрочная сталь ( 75). Прочность стали увеличивают легированием кремнием и марганцем, а также закалкой или термической обработкой.

Сочетание высокой прочности на сжатие (бетон) с высокой прочностью на растяжение (сталь) привело к созданию новых строительных материалов: железобетона и предварительно напряженного бетона, имеющих большие преимущества над другими силикатными строительными материалами. По сравнению с кирпичной кладкой для этих видов бетона требуются относительно узкие опоры. Они все шире применяются для изготовления балок для высоких арок и тонкостенных куполов большого диаметра.

В средние века высокие купола и своды относительно больших размеров считались выдающимся достижением строителей, а в наше время благодаря железобетону чашеобразные ребристые конструкции зданий, рамы, большие арки и пролеты больших размеров стали для нас привычными. Так, чашеобразный купол большого ярмарочного зала диаметром 76 метров, построенного в Лейпциге еще в 1913 г., имел толщину всего лишь 9 см.

Как делают бетон?

Производство бетона, так же как и железобетона, осуществляется по комплексной технологии, каждая ступень которой имеет важное значение. На первый взгляд может показаться, что рецептура очень проста: вяжущее вещество + наполнитель + вода = = бетон (при этом для увеличения прочности используются еще арматура или добавки). В дальнейшем мы увидим, однако, как можно путем правильного выбора исходных компонентов «управлять» свойствами этого материала.

Связующим для бетона является цемент, который относится к гидравлическим вяжущим веществам, то есть к таким, которые под действием воды затвердевают, а затем длительное время остаются стойкими к ее воздействию. Получают цемент из сырья, содержащего глину и известь (следовательно, из отечественных сырьевых резервов).

В приложении 46 показана последовательность   производственного   процесса.

При производстве цемента используется также побочное сырье, отходы производства,-это приносит большую пользу народному хозяйству. Например, используется зола тепловых электростанций, поскольку по химическому составу она близка некоторым цементам. Вместо глинистой составляющей можно использовать шлаки доменных печей. Правда, в последнее время количество шлаковых отходов уменьшается, поскольку в производстве чугуна применяют концентраты железных руд, которые содержат очень мало примесей. Но цементная промышленность с неменьшим успехом использует в качестве сырья медные и никелевые шлаки.

Для высококачественных бетона и железобетона необходимо использовать только стандартизованный цемент

Все цементы должны иметь определенный срок схватывания. Быстротвердеющие цементы, хотя и затвердевают за несколько минут, но зато бетон из них обладает малой прочностью. Кроме того, цемент не должен содержать добавок, которые в процессе отверждения образуют растворимые соединения, что наблюдается при использовании недоброкачественного исходного сырья.

Существенное влияние на отвержденный бетон оказывает также наполнитель. Выбирая его, можно получить легкий или тяжелый бетоны -для разных областей применения. Разделение бетонов на легкие и тяжелые очень важно для строительной техники. Для первых плотность составляет примерно 1600 кг/м3, а для вторых-2200 кг/м3 и ниже.

Важнейшим показателем качества тяжелого бетона, так же как и. для цемента, является прочность на сжатие, которую измеряют через 28 дней с момента изготовления изделия.

Для наиболее распространенных бетонов этот показатель находится в интервале между 5 и 60 МПа, а для цемента между 27,5 и 47,5 МПа. Табл. 13 дает представление об областях применения бетона различных марок.

Высокая твердость после первоначального отверждения; высокая конечная твердость; сильное тепловыделение; чувствительность к агрессивным средам Высокая стойкость к агрессивным сульфатным средам; малое тепловыделение

Умеренное тепловыделение; хорошее затвердевание

Меньшее, чем у портландцемента, тепловыделение; лучшая стойкость к агрессивным средам; медленное набирание прочности, но хорошая окончательная прочность

Медленное затвердевание; низкое тепловыделение; черно-серая окраска

Очень быстрое накопление прочности; сильное тепловыделение; хорошая стойкость к сульфатам; высокая температуростойкость

При выборе наполнителя тяжелого бетона, используемого, например, для радиационной защиты и строительства атомных электростанций, решающее значение имеет вид радиационного излучения. Так, для защиты от у-излучения следует применять бетон самой высокой плотности. Поэтому в качестве наполнителей используют прежде всего барит, магнетит и фосфористое железо. Для защиты от нейтронного излучения, наоборот, больше подходит бетон, содержащий легкие элементы, лучше всего в виде водородсодержащих соединений. В этом случае наиболее приемлемым наполнителем является лимонит Fe2O3nH2O.

Собственная прочность наполнителей, используемых для тяжелого бетона, должна быть выше прочности на сжатие требуемой от бетона. Они не должны содержать вредных примесей, например органических загрязнений, угля, серы и т.д. Из твердых пород наиболее пригодны песок, гравий, а также галька и щебень. Доменные шлаки и кирпичный лом также отвечают требованиям, предъявляемым для наполнителей тяжелого бетона.

Для легких бетонов пригодны пористые материалы, природные или искусственные. К природным относятся вулканические породы, такие как природная пемза, вулканические шлаки или пенистые известковые агломераты, например известковый туф. Ко второй группе относятся продукты, получаемые из природных минералов путем вспенивания, например вспененная глина, а также наполнители, полученные из сырья горнорудной промышленности путем обогащения или агломерации, в частности топливные шлаки и металлургическая пемза. Наряду с собственной прочностью и насыпной плотностью, важную роль играют размер частиц и качество поверхности наполнителя.

Хотя качество бетона определяется, главным образом, тремя компонентами (наполнителем, цементом и водой), широкие возможности для изменения его свойств в нужном направлении открывают добавки-различные вещества, оказывающие на бетон физическое или химическое воздействие (табл. 14). Добавляют их в малых количествах в виде растворов, порошков или паст. Например, с помощью ускорителей затвердевания можно получать бетон для заделывания брешей, пробитых водой,- он затвердевает в течение нескольких минут.

При разработке нового сорта бетона задача состоит в том, чтобы исходя из возможностей выбора наполнителей, добавок, цемента и количества воды, установить его оптимальный состав. А какой состав свежеприготовленного бетона можно назвать оптимальным? В значительной степени он определяется требованиями, которые предъявляются к отвержденному бетону и зависят от его назначения. Например, для тонких ажурных железобетонных конструкций требуется высокая прочность на сжатие, а для резервуара-высокая водостойкость.

Немаловажное значение имеют также условия изготовления, обеспечивающие придание особых свойств свежеприготовленному бетону. Например, при строительстве плотин необходимо изготовить и уложить много тысяч кубометров бетона, причем однородность его свойств может быть достигнута только в том случае, когда свежеприготовленный бетон обладает хорошей формуемостью.

Чтобы полностью гарантировать высокое качество бетона, необходимо обеспечить точную дозировку всех компонентов. Особое внимание следует уделять количеству воды, так как при ее избытке качество отвержденного бетона существенно ухудшается ( 76). Следует добиваться как можно более равномерного распределения всех составных частей бетона, тем самым гарантируя обволакивание частиц наполнителя слоем цементного раствора. Это достигается только при машинном перемешивании, причем лучше всего использовать бетономешалки.

Бетон следует использовать сразу же после приготовления. Во время затвердевания и схватывания перемешивания не должно происходить. Особенно важно хорошее уплотнение бетона, так как почти все существенные его свойства улучшаются при увеличении плотности. Наиболее надежное уплотнение вибрацией. Погружные, опалубочные, поверхностные вибраторы и вибростолы ( 77) передают колебания на бетон, оказывая разжижающее действие.

При изготовлении дднотчпных бетонных деталей для интенсифтсации производства необходимо сократить время достижения бетоном начальной прочности.

С этой целью наряду с применением ускорителей затвердевания и быстро твердеющих цементов используют тепловую обработку. Бетон нагревают, например паром низкого давления.

Другие способы тепловой обработки основаны на применении горячего воздуха, горячей воды, а также инфракрасного излучения, электроэнергии, подогреваемых форм, предварительного подогрева исходных материалов и перемешивания паром. Очень редко используют для отверждения цементосодержащих бетонов обогрев паром высокого давления с температурой выше 110 °С, однако для силикатобетонов этот температурный режим имеет большое значение.

Для придания бетонному сооружению однородной структуры кроме хорошей формуемости бетона и его уплотнения при укладке, немаловажное значение имеет также последующая обработка. Чтобы избежать образования трещин и дефектов вследствие усадки, поверхность бетона после изготовления детали необходимо увлажнять в течение продолжительного времени. Кроме того, поначалу бетон следует предохранять от мороза, сотрясений и больших механических напряжений.

Тяжелый и легкий бетон конкурируют. В целом для всех видов бетона прочность при сжатии возрастает почти прямо пропорционально прочности цемента. Высококачественные цементы превосходят обычные прежде всего по времени начала затвердевания. С увеличением «возраста» бетона его ранняя прочность уже не имеет большого значения. Повышение содержания цемента в бетоне также увеличивает прочность при сжатии, но этот путь улучшения его качества может быть рекомендован только условно, так как он приводит к повышению стоимости и, кроме того, увеличиваются усадка и тепловыделение, а это нежелательно.

Как уже говорилось, на прочность бетона влияет наполнитель, поскольку от него зависит водопоглощение. Для уплотнения наполнителя с небольшим содержанием пор и неразвитой поверхностью требуется меньше воды, чем для тонкодисперсного наполнителя с большим количеством пор, а уменьшение содержания воды позволяет достичь более высокой прочности бетона.

Прочность бетона при растяжении и изгибе меньше прочности при сжатии (табл. 15).

Износостойкость бетона также зависит, прежде всего, от содержания цемента и от твердости и износостойкости наполнителей. Износ бетона тем меньше, чем он «старее» и суше.

Под действием нагрузок бетон претерпевает эластические, а при очень высоких напряжениях также и пластические изменения формы. Величина остаточных деформаций тем меньше, чем плотнее и тверже бетон. Однако при продолжительном воздействии   больших   растягивающих   или сжимающих напряжений остаточные деформации значительно возрастают бетон «ползет». Наблюдаемое в процессе отверждения и высыхания уменьшение объема называют «усыханием». Процесс сушки приводит к возникновению внутренних напряжений, которые часто вызывают разрушение. Поэтому бетонные изделия большой длины необходимо снабжать пазами для расширения (температурными швами).

При хорошем уплотнении поры в свежем бетоне занимают от 0,5 до 3% его объема. В отвержденном бетоне, кроме того, возникают мелкие поры в результате испарения в процессе сушки химически не связанной с цементом воды. Для обычного тяжелого бетона объем пор колеблется между 10 и 25%. При снижении количества пор улучшаются все важные свойства материала (см., например,  78). Наряду с прочностью к ним относятся водопроницаемость, морозостойкость, а также стойкость к химическому воздействию.

К недостаткам тяжелого бетона следует отнести, прежде всего, высокую плотность, то есть как раз его тяжесть. Поэтому, например, в высотном строительстве используют легкий бетон. Снижение плотности бетона можно осуществить различными методами

Прочность бетона при сжатии и изгибе

Комбинация этих трех методов используется в производстве пористого бетона, содержащего легкий наполнитель демонстрирует различия в структуре легкого бетона разного происхождения.

В зависимости от назначения легкие бетоны можно разделить на теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные  и  конструкционные  

Прочность на сжатие бетонов с легкими наполнителями зависит от очень многих факторов. Особенно сильное влияние оказывают вид и количество вяжущего вещества, доля воды, прочность и форма частиц наполнителя, качество их поверхности

и состав. Концентрация наполнителя и дополнительная обработка также имеют важное значение.

Поскольку легкий наполнитель обладает малой собственной прочностью по сравнению с цементом, то для достижения прочности, требуемой от легкого бетона, достаточно использовать цемент низких марок. Дорогие высокосортные цементы применяются для изготовления легких конструкционных бетонов высокой прочности или когда необходимо короткое время затвердевания после его закладки, то есть когда хранение бетонных изделий в штабелях экономически нецелесообразно. Хотя прочность легкого бетона с увеличением содержания цемента повышается, но одновременно возрастает и его плотность. На плотность бетона оказывает также влияние размер частиц всех его компонентов. Если смесь содержит посторонние примеси, следует особенно тщательно подбирать концентрацию воды. Наполнители, имеющие высокое влагопоглощение, необходимо перед введением в бетон основательно пропитать водой.

Силикатный бетон помогает снизить расходы на материал. Пенобетон по сравнению с бетоном, содержащим легкий наполнитель, имеет лучшее соотношение плотности и прочности: при плотности от 300 до 1000 кг/м3, предел прочности при сжатии находится между 1,5 и 16 МПа. Производство ячеистых бетонов основано в настоящее время исключительно на применении в качестве порообразующей добавки алюминиевой пудры, которая вспенивает бетонный раствор с тонкоизмельченным наполнителем. Отверждение осуществляют в автоклавах при высоких давлениях и температуре, что позволяет бетону быстро набирать прочность и значительно ускоряет процесс усадки. Эти преимущества достигаются прежде всего благодаря тому, что в ходе гидратации (реакции с водой) известь, взаимодействуя с входящей в состав цемента кремниевой кислотой наполнителя (ее содержат песок и другие компоненты смеси), образует гидросиликат кальция. Поэтому нередко для получения пористого бетона используют не цемент, а негашеную известь, то есть сознательно способствуют образованию гидросиликата кальция. Вследствие того что отверждение этих бетонов основано на образовании силиката кальция, их называют силикатными.

На современных предприятиях эти бетоны производят в виде блоков. Сущность процесса заключается во вспенивании заливаемой в формы массы бетонного раствора в течение 20-50 мин. При этом получают блоки высотой до 750 мм. Извлеченные из формы блоки разрезают в свежем состоянии на элементы нужного размера, которые затем обычно отвер-ждают в автоклаве под давлением 1-1,2 МПа в течение 10-18 часов.

Экономически выгодно также и производство монолитного силикатобетона, применение которого постоянно растет. Уже в течение десятилетий он используется в качестве облицовочного материала. Производство крупных элементов из монолитного силикатобетона требует увеличения добычи известняка исходного сырья для получения извести. Разработка его месторождений налажена в Советском Союзе после второй мировой войны. Экономический эффект от применения силикатного бетона возникает за счет существенного уменьшения стоимости исходного сырья по сравнению с цементосодержащими бетонами. Вместо грубо дисперсных наполнителей используется дешевый песок и значительно сокращается количество вяжущего вещества. Не следует забывать о существенном снижении энергозатрат. Дешевый тонкодисперсный песок имеется на севере ГДР и перерабатывается непосредственно на месте. Транспортировка в другие районы также вполне может быть обеспечена. Опоры, плиты и блоки для монолитных и сборных конструкций. Хорошая формуемость бетона открывает широчайшие возможности для изготовления из него любых деталей строительных конструкций. По форме и назначению строительные элементы подразделяют на опоры, плиты и блоки.

Плоские несущие конструкции отличаются значительно меньшим размером по вертикали по сравнению с другими размерами. Наряду с ровными плоскими элементами, в качестве несущих применяются также изогнутые и двояко изогнутые ( 80). Для строительных блоков характерен одинаковый порядок размеров во всех трех измерениях.

Обзор свойств строительных элементов и областей их применения дан в табл. 17.

Из этих элементов можно создавать монолитные железобетонные сооружения. Недостаток этого способа заключается в высоких затратах на опалубку и вспомогательную оснастку; кроме того, производственные условия на строительной площадке неблагоприятны. При монтажном методе строительства сооружение собирают из элементов заводского изготовления ( 81-85). При комбинированном методе осуществляют монтаж железобетонных деталей, которые затем усиливают дополнительной заливкой бетона.

Главные строительные материалы нашего времени

В настоящее время в ГДР ежегодно производится и перерабатывается 26 млн. м3 бетона, который стал основным строительным материалом нашего времени. Что же из этого вытекает?

Исходного сырья для производства бетона хватит и на нынешние нужды, и на обозримое будущее. Его хорошая формуемость в пластичном состоянии открывает почти неограниченные возможности для зодчества. Оба метода строительства - заливка монолитных сооружений и монтаж из сборных железобетонных конструкций дают возможность поставить строительство больших сложных объектов на поток. Поэтому широкое применение бетона, железобетона и напряженного железобетона представляет собой основу индустриализации строительства.

Заливка бетона непосредственно на строительной площадке нерентабельна, если затраты на сооружение опалубки и вспомогательной оснастки составляют большую долю всех затрат на изготовление бетонной конструкции или если нужно изготовить большое количество однотипных деталей или строений. Напротив, монтажный метод экономически и технически выгоден, когда на строительную площадку доставляются изготовленные массовыми сериями детали из железобетона. Главные преимущества этого метода заключаются в улучшении качества, высокой производительности труда, сокращении времени строительства, экономии деревянной опалубки и оснастки.

В многообразном применении бетона в качестве строительного материала не последнюю роль играет возможность изменять его свойства в относительно широких пределах. Не усиленный арматурой обычный бетон служит прежде всего материалом для сооружений, имеющих большие поперечные размеры (фундаменты плотин и дамбы) и испытывающих действие давления. В то же время из железобетона можно изготавливать длинномерные конструкции, способные выдерживать изгибающие напряжения, например потолки, крыши, мосты и башни. Без легких бетонов, которые кроме хороших механических характеристик обладают также отличными теплоизоляционными свойствами, был бы немыслим достигнутый сегодня высокий уровень жилищного строительства. Из многих видов специальных бетонов мы назовем в качестве примеров радиационно-стойкие и теплостойкие, а также облицовочные и стойкие к агрессивным средам бетоны.

Превосходные технические свойства в сочетании с экономическими преимуществами обеспечили бетону доминирующую роль во всех областях строительства, будь то жилые и административные здания, сельскохозяйственные, промышленные сооружения, дороги или гидротехнические сооружения.

Плановые задания предусматривают дальнейшее развитие жилищного строительства, что повышает требования к производству бетона. Эта отрасль промышленности должна внести решающий вклад в реализацию планов строительства и модернизации 750000 квартир, так же как и повышения мощности индустриального строительства по меньшей мере на 135%. Задача промышленности строительных материалов состоит в том, чтобы на 140% увеличить объем выпуска продукции при повышении ее качества и дальнейшем увеличении ассортимента. Одновременно нужно уменьшить затраты на производство цемента и стали примерно половина прироста продукции должна быть достигнута за счет экономии материалов.

В других отраслях народного хозяйства также пытаются использовать достоинства этого материала. В качестве примера можно сослаться на то, что в настоящее время в машиностроении внедряют в практику результаты опытных разработок, целью которых является замена конструкций из чугуна и стали на железобетонные.

 Большая программа жилищного строительства в ГДР предполагает непрерывное производство необходимых строительных материалов. Для этого в нашей республике возникли новые современные заводы строительных конструкций (вверху: завод строительных панелей в Вальдорфе). В предстоящие годы получит также сильное развитие производство строительного стекла (внизу: печи для варки стекла-отбор стеклянных труб).

Можно ли избежать потерь сырья?

Для расширения сырьевой базы промышленности строительных материалов необходимо в первую очередь экономно использовать первичное сырье. В ГДР ежегодно накапливается около 75 млн. т побочных продуктов промышленности, из которых используется всего 8% (прежде всего плавильные шлаки, побочные продукты сжигания бурых и каменных углей, отходы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности). Именно на этой сырьевой основе должно быть расширено производство тяжелых и легких наполнителей для бетона. Вторичное сырье может быть использовано и в производстве тонкодисперсных наполнителей и некоторых специальных добавок для цемента.

Среди важных задач в этой области можно указать на освоение отвальной породы горнорудной промышленности в качестве материала для строительства дорог и сырья для производства наполнителей бетона, использование для производства легких бетонов увлажненной золы и каолинового песка, применение каменноугольной золы и золы бурых углей, оседающей на пылеулавливающих фильтрах в качестве мелкодисперсного наполнителя для бетона.

Для промышленности силикатов резервы экономии материалов состоят прежде всего в сокращении потерь сырья и уменьшении выбросов летучей золы. В частности, при изготовлении тонкодисперсных порошков вяжущих веществ, их транспортировке и хранении имеется множество обусловленных технологией источников пылеобразования. В то время как в ремесленном производстве основным источником пыли было исходное сырье, современная промышленность строительных материалов загрязняет воздух пылью, возникающей при размоле цементного клинкера.

Капиталовложения, затрачиваемые на современных предприятиях на устройство и эксплуатацию пылеуловителей, составляют 12—15% всех затрат.

В последние годы в ГДР, благодаря использованию мощных пылеуловителей, удалось существенно сократить запыленность. К сожалению, еще не везде достигнута удовлетворительная величина запыленности, составляющая не более 0,15 г/м3. Так, в Гарце печи для обжига известняка трех производств пока не имеют пылеуловителей и поэтому здесь каждый час в атмосферу выбрасывается 1,5 т пыли.