Бетон и железобетон

Основные свойства строительных материалов

Область применения различных строительных материалов определяется их качественными показателями. Так прочный и плотный камень применяется для возведения фундаментов, а легкий пористый - для кладки стен. Одни материалы не пропускают тепло, другие влагу. У каждого материала преобладают какие-либо определенные свойства.

Объемная масса - это вес единицы объема материала в естественном состоянии, выраженном в килограммах на 1 кубический метр - (кг/м³)

Удельная масса - вес единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор) - кг/м³

Пористость - степень заполнения материала порами. По величине пор материалы разделяют на мелкопористые и крупнопористые.

Морозостойкость - способность материала в насыщенном водой состоянии, выдерживать многократное переменное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного снижения прочности и веса. Вода, заполняющая поры материала, при замерзании расширяется, давит на стенки этих пор, постепенно расширяя их, если материал не морозостоек. Морозостойкость характеризует атмосфероустойчивость и долговечность материала. Степень морозостойкости определяется количеством циклов замораживания и оттаивания без разрушения и потери веса.

Теплопроводность - способность материала передавать тепло через свою толщу. Теплопроводность материала зависит от характера пор и пористости, вида материала, его влажности. Степень теплопроводности оценивается коэффициентом теплопроводности и в справочной литературе приводится для различных материалов в зависимости от их объемной массы (см. приложение…).

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению при действии внешних сил. Прочность измеряется в МПа. В конструкциях строительные материалы под воздействием различных нагрузок испытывают напряжение сжатия, растяжения, сдвига и т.д.

Показателем прочности строительных материалов является его марка. Маркой называется предельное напряжение в МПа на сжатие неупругих или на растяжение упругих строительных материалов, при котором образец данной площади разрушается. Марка каменных материалов колеблется от 0,4 до 400 МПа.

Вяжущие вещества

Вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, которые после затворения водой способны постепенно приобретать камневидное состояние. Они применяются в строительстве главным образом для приготовления бетонов и растворов. Это известь, гипс, цемент.

Известь получают обжигом известняка при температуре до 800°С.. Полученную комовую известь называют негашеной или известью - кипелкой. При затворении водой известь гасится, выделяя большое количество тепла. Если количество воды, взятое на гашение равно количеству извести (1:1), то получается пылевидная известь-пушонка, а если воды больше (1:3), то - известковое тесто. Часто комовую известь размалывают, получая молотую негашеную известь.

Процесс твердения гашеной извести происходит медленно в результате испарения воды, поглощения углекислого газа и кристаллизации новообразований.

Для приготовления растворов, красок применяют известковое тесто или известь-пушонку. Молотую негашеную известь применяют для изготовления силикатного кирпича, стеновых легких панелей, блоков, красочных составов.

Гипс строительный получают тепловой обработкой в открытых варочных котлах природного гипсового камня при температуре 140 - 170°С с предварительным или последующим помолом в тонкий порошок. При затворении гипса водой через 4 - 5 минут он начинает схватываться и затвердевает через 6-30 минут, превращаясь вновь в гипсовый камень (двуводный гипс). Гипс применяется для изготовления гипсовых растворов, формования перегородочных плит и панелей, лепных архитектурных деталей и др.

Портландцемент представляет собой темно-серый с зеленоватым оттенком порошок, который в отличие от гипсов и извести может затвердевать и сохранять прочность не только на воздухе, но и в вводе. Портландцемент является одним из лучших по прочности вяжущих материалов. Цемент приготавливают обжигом мергеля. Представляющего собой природную смесь глины и известняка.

На крупных современных заводах сырьевую смесь получают размалывая совместно известняки, кварцевый песок и глину. Эта смесь обжигается при температуре 1450°С до спекания и после охлаждения размалывается с добавками. В качестве добавок используют гипс, активные и инертные добавки. Гипс (до 5 %) применяют для регулирования сроков схватывания. Активные минеральные добавки (до 15%) применяют для улучшения свойств портландцемента, в частности, для повышения водостойкости. Инертные добавки (до 10-12%) вводят в качестве наполнителей для улучшения вяжущего. В качестве гидравлических добавок применяют металлургические дробленные шлаки, диотомиты, трепелы и др. Инертным наполнителем может служить кварцевый песок, шлаки и др.

Портландцемент после смешивания с водой начинает затвердевать (схватываться) через 40 - 60 минут и заканчивает схватывание не позднее 12 часов.

Прочность портландцемента характеризуется его маркой, которую определяют испытанием контрольных образцов кубов с размером ребра 7,07 см на сжатие. Образцы изготавливают из цементно-песчаного раствора состава 1: 3 и выдерживают до испытания 28 суток.

Портландцемент выпускается следующих марок М — 200, 300, 400, 500 и 600. Иногда, по специальному заказу выпускают портландцемент марки 700 и 800.

Портландцемент активно набирает прочность в течении первых суток или в течении 10-15 часов в паровой среде при температуре 85 - 90°С. Затем рост прочности замедляется, особенно к 28 суткам. Со временем, хотя и не очень заметно, нарастание прочности продолжается многие годы.

Твердение портландцемента осуществляется в результате сложных физико-химических процессов, начинающихся с гидролиза и гидратации вяжущего и завершающихся появлением новообразований, обеспечивающих образование прочного кристаллического сгустка - искусственного камня.

Портландцемент хотя и является прекрасным вяжущим материалом, не везде может применяться. Например, его нельзя применять в гидротехническом строительстве, для конструкций, эксплуатирующихся в морской воде, в среде с сульфатной агрессией и т.д. Для таких специальных целей используют разновидности портландцемента. Промышленностью выпускаются портландцемент с умеренной экзотермией для гидротехнического строительства, сульфатостойкий портландцемент, пластифицированный, гидрофобный, пуццолановый, шлаковый портландцемент и т. д.

Портландцемент и его разновидности применяются для изготовления бетонных и железобетонных конструкций различного назначения, начиная от фундамента и заканчивая крышей здания, для изготовления строительных растворов и т.д.

Бетон и железобетон

Трудно представить современное строительство без бетона. Бетон сейчас применяется практически во всех элементах здания, подверженных нагрузкам. Это и фундаменты, и стены, и перекрытия, и крыши, и лестницы, и полы, и в малоэтажном и в высотном строительстве, и в гражданских и в промышленных и сельскохозяйственных зданиях. Практически, всегда, когда нужна долговечность строительных конструкций. Бетон не заменим в гидротехническом строительстве, когда возникает необходимость в массивных конструкциях, эксплуатируемых как на воздухе, так и в воде.

Бетон не теряет прочность со временем, как это бывает со всеми строительными материалами. Напротив, прочность его с годами возрастает, не уступая прочности естественным каменным материалам.

Его пластичность и возможность принять любую форму позволяет использовать его для строительства необычайно сложных конструкций современной и ультрасовременной формы.

Бетоном называется искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.

Состав бетонной смеси подбирают таким образом, чтобы бетон к определенному сроку твердения имел заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость).

Бетон имеет конгломератное строение, т.е. состоит из большого количества зерен заполнителя, связанных затвердевшим вяжущим веществом (цементом). Цемент составляет около 8-15%, а заполнители приблизительно 80-85% от объема бетона. Поэтому в качестве заполнителей стремятся применять дешевые природные материалы (песок, гравий, щебень из местных пород), а также отходы промышленные, например, щебень из металлургических шлаков.

Смесь вяжущего, мелкого и крупного заполнителя до затвердевания называется бетонной смесью.

Вяжущие и вода в бетоне являются активными составляющими. В результате физико-химических реакций, происходящих между ними, образуется цементирующий камень. Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне и называются инертными составляющими. Тесто из вяжущих, образующихся после их затворония водой, обволакивают зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними, обеспечивает подвижность бетонной смеси, а затвердевая, связывает их, в результате чего получается искусственный бетон.

Так как заполнители являются основной составляющей бетона, то их объемная масса определяет объемную массу и строение бетона.

В зависимости от объемной массы бетоны подразделяются на:

1. Особо тяжелые бетоны g = 2500кг/м³ (заполнитель в тяжелых бетонах: магнетит, барит, чугунный скрап, чугунная дробь, обрезки стали). Эти бетоны применяют для специальных целей (защитные конструкции).

2. Тяжелые бетоны g= 1800-2500 кг/м³ изготавливают на песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород.

3. Легкие бетоны с объемной массой от 500 до 1800 кг/м³, включающие:

а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях;

б) ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон);

в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны.

4.Особолегкие (теплоизоляционные бетоны) g менее 500кг/м³

- ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон)

- крупнопористые (беспесчаные бетоны на пористых заполнителях)

Таким образом, объемная масса бетона различного вида изменяется в широких пределах от 300 - 500 до 2500 - 3600 кг/м³.

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям. Бетоны для несущих железобетонных конструкций жилых и промышленных зданий должны иметь заданную прочность. Для наружных стен и покрытий зданий применяют легкий бетон, отличающийся малой теплопроводностью и сравнительно небольшой объемной массой.

Бетоны для гидротехнических сооружений должны выделять возможно меньше тепла при твердении и обладать высокими плотностью и водонепроницаемостью, достаточной прочностью и малой усадкой, стойкостью к коррозийному действию минерализованных вод, а также требуемой морозостойкостью. В дорожном и аэродромном строительстве стремятся применять морозостойкие бетоны, имеющие достаточно высокие показатели прочности на растяжение при изгибе и хорошее сопротивление к истиранию и износу. Бетоны для фортификационных сооружений должны обладать хорошим сопротивлением удару и взрыву. Для специальных конструкций применяют жаростойкие бетоны, а также бетоны с повышенной химической стойкостью, непроницаемостью для различных жидкостей и газов и др.