Строительство. Стройматериалы

Строительные материалы и изделия

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Высокопрочные бетоны - это бетоны с пределом прочности при сжатии 50 МПа и более. Однако пределы прочностных характеристик таких бетонов чисто условны, поскольку больше связаны с уровнем развития науки и техники в области производства цемента, бетона и химических добавок.

Уже сегодня возможно получение бетонов прочностью более 150 МПа.

Достигается высокая прочность бетонов различными приемами.

Основными условиями получения высокопрочных бетонов являются применение высокоактивных цементов, низких водоцементных отношений (0,20...0,30), использование плотных высокопрочных заполнителей, химических добавок пластификаторов и, в частности, суперпластификаторов и комплексных добавок, тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси, создание наиболее благоприятных условий твердения и др.

Способствует повышению прочности бетона также высокий предельно допустимый расход цемента, максимально возможное насыщение его крупным заполнителем за счет подбора оптимального зернового состава и уменьшения доли песка.

Высокая прочность таких бетонов часто достигается за счет применения специальных технологических приемов, например сухого бетонирования, сущность которого заключается в укладке в опалубку или форму сухой смеси вяжущего и заполнителей с последующим ее увлажнением.

Таким способом на рядовых материалах возможно получить бетон прочностью до 100 МПа.

Основу подобного уровня характеристик бетона составляют повышенная плотность его структуры и низкое (0,15...0,25) водоцементное отношение, которое соотносится с теоретически необходимым для реакций гидратации цемента количеством воды.

Поскольку высокопрочные бетоны получают на цементе высокой активности и при низких значениях В/Ц, они одновременно являются и быстротвердеющими. Это позволяет значительно сократить длительность тепловой обработки или вовсе отказаться от нее. Такие бетоны отличаются высокой плотностью и являются более долговечными и стойкими к агрессивным средам, что увеличивает срок их службы и позволяет применять в тяжелых условиях эксплуатации. В настоящее время возможно получение супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет. Применение высокопрочных бетонов способствует также уменьшению массы конструкций.

Особо тяжелые бетоны называют еще гидратными (из-за большого содержания в них химически связанной воды) и бетонами для защиты от радиоактивного воздействия. Применяют их в качестве защитных экранов ядерных реакторов.

Из всех радиоактивных излучений наибольшей проникающей способностью обладают у-лучи и нейтроны. Способность материала поглощать у-лучи пропорциональна его плотности. Для ослабления потока нейтронов в материале наоборот должны присутствовать элементы с малой атомной плотностью, как, например, водород. Бетон является как раз эффективным материалом для биологической защиты ядерных реакторов, поскольку в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости высокая плотность и содержание достаточно большого количества водорода в химически связанной воде.

Характерным свойством таких бетонов является большая средняя плотность, которая составляет 2500...6000 кг/м3. Они отличаются также повышенным количеством химически связанной воды - более 30 % по массе, а следовательно, и ядер водорода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока горячих нейтронов, у-лучей и др.

В качестве вяжущего в особо тяжелых бетонах используют портландцемент, глиноземистый и гипсоглиноземистый цемент, расширяющийся, напрягающий и др. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне и бетоне.

Заполнителями в таких бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) породы: ильменит, магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Мелкий заполнитель обычно составляют дробленный бурый железняк, кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Например, насыпная плотность ильменитового песка составляет 4620 кг/м3, щебня - 4760 кг/м3, а средняя плотность бетона на таких заполнителях превышает 4000 кг/м3.

Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов от нейтронного потока в них вводят также добавки, содержащие легкие элементы, например карбид бора, хлористый литий, сернокислый кадмий и др.

При производстве бетонных работ необходимо соблюдать следующие условия:

1.         Время перемешивания бетонной смеси в бетоносмесителе должно составлять не менее 2 мин.

2.         Объем замеса бетоносмесителя уменьшается обратно пропорционально плотности бетона: например, при плотности особо тяжелого бетона 4000 кг/м3, а обычного 2300 кг/м3 объем замеса для бетоносмесителя на 500 л не должен превышать 500 х 2300/4000 = 285 л.

3.         Для уплотнения бетонной смеси следует применять только вибраторы.

Бетон «сухого» формования. Сухие бетонные смеси (параграф 11.4) как цементно-песчаные, так и трехкомпонентные (содержащие крупный заполнитель) могут быть использованы для получения конструкционного бетона по нетрадиционной технологии «сухого» формования, разработанной в Белорусском национальном техническом университете. В этом случае в опалубке, форме или матрице формующего устройства уплотняют сухую бетонную смесь, а затем к ней разнообразными приемами подводят воду либо водные растворы химических добавок для обеспечения реакций гидратации цемента. Разработан вариант влагонасыщения сухих смесей нагнетанием под давлением водяного пара, чем обеспечивается одновременный разогрев бетона, даже если сухая смесь была охлаждена до отрицательной температуры.

Дополнительная обработка особо плотного бетона заключается в его повторном вибрировании с пригрузом после влагонасыщения сухой бетонной смеси. При этом устраняются дефекты структуры цементного камня, возникающие в виде каналов фильтрации жидкости под давлением, повышается качество сцепления цементного камня с заполнителями. Кроме того, вибрация водонасыщенной смеси способствует дезагрегации цементных флокул, вовлечению в реакцию с водой его дополнительных реакционноспособных поверхностей, т. е. вызывает активизацию вяжущих свойств цемента.

Затем следует немедленная частичная или полная распалубка изделий и организация твердения бетона. Твердение изделий из бетона «сухого» формования рационально осуществлять без дополнительного подвода теплоты, т. е. по методу «холодного» термоса, а в случае использования разогретых при сушке заполнителей или паронасыщения сухой смеси - «горячего» термоса.

Характерной особенностью бетона «сухого» формования является его схватывание в процессе влагонасыщения вследствие низкого (0,25...0,30) водоцементного отношения и значительной плотности укладки зерен твердой фазы (р^ « 2500 кг/м )• Прочность свежеотформованного повторно вибрированного бетона - до 2 МПа; за 12...24 ч твердения бетон «сухого» формования на рядовых цементах с раходом 360...380 кг/м3 достигает прочности 15...50 МПа в зависимости от температурного режима выдержки.

Технологию сухого формования с водонасыщением и повторным вибрированием целесообразно использовать для изготовления мелкоштучных изделий с повышенными прочностными характеристиками и эксплуатационной надежностью (разнообразных элементов благоустройства, дорожных плит, элементов обделки тоннелей метро и др.).

Мелкозернистый цемент и армоцемент. Для производства крупноразмерных пространственных конструкций (таких, как своды, оболочки, купольные и складчатые конструкции) с толщиной стенок 20...30 мм и других тонкостенных изделий необходимо применять мелкозернистый бетон с наибольшей крупностью заполнителя, не превышающей 10 мм (в среднем 5...7 мм). Для армоцементных конструкций крупность заполнителя не превышает даже 3 мм.

Бетоны мелкозернистого строения характеризуются более высокой удельной поверхностью заполнителя, а иногда повышенным объемом межзерновой пустотности, и поэтому нуждаются в увеличенном содержании цементного теста (на 20.. .40 %) по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном. Вместе с тем мелкозернистые бетоны отличаются более однородным строением.

Для сокращения расхода цемента необходимо применять высококачественные пески, пластифицирующие добавки, суперпластификаторы, производить хорошее уплотнение смеси.

Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на изгиб, хорошими водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Армоцемент как разновидность мелкозернистого бетона представляет собой особо мелкозернистый бетон, армированный по всему сечению расположенными в несколько рядов по толщине ткаными металлическими сетками. Он обладает высокой прочностью не только на сжатие, но и на растяжение. Армоцемент используется в весьма тонкостенных пространственных конструкциях сложного очертания и благодаря жесткости сечения элементов обладает высокой несущей способностью.

Гидротехнический бетон должен обеспечить длительную эксплуатацию конструкций, постоянно или периодически омываемых водой. По условиям эксплуатации делится на следующие разновидности: подводный постоянно находящийся в воде; надводный подвергаемый лишь периодическому воздействию воды и расположенный в зоне переменного горизонта воды. Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон напорных и безнапорных конструкций, поэтому в зависимости от условий эксплуатации к гидротехническому бетону помимо требований прочности предъявляются также требования по водонепроницаемости, морозостойкости и др.

Прочность на сжатие и водонепроницаемость гидротехнического бетона определяется в возрасте 180 сут. По прочности на сжатие он подразделяется на классы В10...В40; по водонепроницаемости - на марки W2...W8. Требования по морозостойкости предъявляются к тем гидротехническим бетонам, конструкции из которых подвергаются совместному действию воды и мороза. По морозостойкости такие бетоны делят на пять марок: F50, F100, F150, F200 и F300.

В зависимости от условий эксплуатации для приготовления гидротехнического бетона допускается применение портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях и сульфато-стойкого цемента. Так, для зоны сооружений на уровне переменного горизонта воды в суровых климатических условиях используется пластифицированный или обычный портландцемент. Они позволяют получить водонепроницаемые и морозостойкие бетоны, а также несколько уменьшить расход цемента и тем самым тепловыделение бетона при твердении в случае массивных конструкций. Для особо тяжелых условий при наличии агрессивной среды применяют сульфатостойкие цементы.

Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости такого бетона применяют химические добавки и в первую очередь СДБ и СНВ. Для уменьшения расхода цемента, а следовательно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плотности бетона в него вводят различные микронаполнители, например золу-унос и др.

Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспечивать его водостойкость и морозостойкость. Допускается применение только крупных и средних песков, а зерновой состав заполнителей подбирается таким образом, чтобы получался минимальный объем пустот при возможно большей крупности максимальных по размеру зерен. Применение таких заполнителей снижает расход цемента и уменьшает выделение теплоты при твердении бетона. Расход цемента должен быть больше минимальных значений, обеспечивающих получение плотного бетона, и в то же время по условиям тепловыделения его не должно быть для массивных конструкций более 350 кг/м3, а немассивных - 400 кг/м3. Для получения требуемой водонепроницаемости такого бетона содержание песка в смеси заполнителей должно быть несколько увеличено по сравнению с обычными значениями.

Бетонную смесь необходимо укладывать с максимальным уплотнением, а за твердеющим бетоном наладить тщательный уход, обеспечивающий необходимый влажностный и температурный режимы, при которых предотвращаются объемные деформации.

Декоративные бетоны. В зависимости от состава и назначения декоративные бетоны можно подразделить на цветные и бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обладающие выразительной структурой. При необходимости поверхность бетона подвергают специальной обработке или формуют изделия с рельефной поверхностью.

Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные цементы, различные минеральные и органические пигменты. Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосферо- и ще-лочестойкостью. В качестве пигментов используют: мел природный молотый, известь гашеную (белый цвет), охру сухую"(желтый цвет), сурик железный (красно-коричневый цвет), марганцевый черный, белила титановые, ультрамарин (синий цвет), оксид хрома (зеленый цвет) и др. В качестве дробленого декоративного материала применяют щебень и гравий из плотных горных пород, цветные шлаки, цветное кусковое стекло (эрклез).

Наиболее часто применяют минеральные пигменты и вводят их в количестве 1...5 % от массы цемента в зависимости от их укрывистости, плотности и других свойств.

Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с обычными следует принимать несколько выше. При крупности заполнителя до 10 мм он составляет 450...500 кг/м3. Это позволяет повысить плотность и улучшить цветовую выразительность поверхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения получения хороших декоративных качеств являются составы 1:2... 1:3. Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило, предварительным испытанием и затем постоянно контролируется, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования изделий используются достаточно пластичные, жирные бетонные смеси, которые хорошо формуются и мало подвержены расслоению.

В цветных бетонах следует использовать чистые кварцевые пески светлых оттенков без примесей, окрашивающих их в серый цвет. В качестве крупных и мелких заполнителей могут применяться светлый известняк и доломит, отходы камнедроб-ления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки гранита, туфа и др. Крупный заполнитель, как правило, не придает определенный цвет бетону. Больше всего на цвет бетона влияют мелкие частицы заполнителя - до 0,3 мм.

Марка декоративного бетона должна быть не менее Ml50 (В10), морозостойкость - F50.

Для повышения художественной выразительности декоративных бетонов применяют специальные приемы, позволяющие обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для выявления структуры бетона его поверхность подвергают шлифовке и полировке, обрабатывают бучардой или пневматическим молотком, с помощью пескоструйного аппарата и т. п. Для обнажения заполнителя используют различные замедлители твердения.

Декоративные бетоны применяются в ограждающих конструкциях общественных и жилых зданий, для изготовления элементов фасада, декоративных плит для наружных и внутренних стен зданий, для лестничных маршей и деталей малых архитектурных форм, для барельефов, скульптур и других изделий специального назначения.

Жаростойкий бетон. Жаростойкий бетон изготовляют из еяэюущего, тонкомолотой минеральной добавки, эюаростойких заполнителей и воды (или другого затворителя, например ортофосфорной кислоты).

В качестве вяжущих в жаростойком бетоне применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент или жидкое стекло. Жидкое стекло должно иметь модуль от 2,4 до 3,0 и плотность от 1,36 до 1,38 г/см3 и применяется вместе с от-вердителем - кремнефтористым натрием. Для улучшения структуры цементного камня и сохранения прочности при нагреве в вяжущее вводят минеральные добавки (хромитовую руду, бой шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит, пемзу, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак, топливный шлак и золу-унос). Тонкость помола добавок должна быть такой, чтобы через сито № 008 проходило не менее 70 % добавок для бетонов на портландцементе и не менее 50 % - для бетонов на жидком стекле.

В качестве мелкого и крупного заполнителей в жаростойком бетоне применяют следующие дробленые материалы: бой магнезитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича, кусковый шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз, лом и бой жаростойких бетонов или огнеупорных изделий. Максимальная крупность щебня составляет обычно 20 мм, а мелких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях должно быть не более 15 % по массе.

Материалы и состав жаростойкого бетона выбирают в зависимости от требуемой марки по прочности, температуры и условий службы в конструкции. Смеси готовят в бетоносмесителях принудительного действия; укладку ведут при температуре не ниже +15 °С. Время твердения жаростойкого бетона зависит от вида вяжущего и составляет 0,5... 1 сут. для бетона на ортофосфорной кислоте и 3...7 сут. - для бетонов на глиноземистом и портландцементе.

Жаростойкий бетон на портландцементе и цементном клинкере в качестве заполнителя может использоваться при температуре до 250 °С. Он применяется, например, для футеровки холодного конца вращающихся печей по производству цемента и извести по мокрому способу. Бетон на глиноземистом цементе используется в условиях более высоких температур - порядка 1200 °С (например, для изготовления стеновых панелей туннельных печей для обжига керамического кирпича). Еще более высокой огнеупорностью (до 1350 °С) при одновременно высокой термостойкости обладает бетон на фосфатных связующих -фосфорной кислоте, алюмофосфатной и алюмохромфосфатной связках. Указанные значения огнеупорности соответствуют температуре деформации под нагрузкой, которая всегда на 200...300 °С ниже так называемой конусной или просто огнеупорности.