Бетон и железобетон

Бетоны на основе неорганических вяжущих веществ представляют собой искусственные строительные конгломераты, получаемые в результате твердения рациональной по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси из вяжущего вещества, воды и заполнителей. Кроме основных компонентов в состав бетонной смеси могут вводиться дополнительные вещества специального назначения.

Бетоны относятся к самым массовым по применению в строительстве вследствие их высокой прочности, надежности и долговечности при работе в конструкциях зданий и сооружений. Кроме высокой прочности, у бетонов на основе неорганических вяжущих веществ имеется много и других достоинств: легкая формуемость бетонной смеси с получением практически любых наперед заданных форм и размеров изделий и конструкций, доступность высокой механизации технологических операций и т. п. Большая экономичность изделий из бетона состоит в том, что для их производства применяют свыше 80% объема местного сырья — песка, щебня, гравия, побочных продуктов промышленности в виде шлака, золы и др.

По некоторым зарубежным данным, количество энергии, требующейся для производства бетонных материалов, является минимальным по сравнению с энергией (приведенной к единому эквиваленту), необходимой для изготовления стали, алюминия, стекла, кирпича, пластмасс. Для затворения порошкообразных вяжущих в тестообразное состояние и получения бетонной смеси используют обычную воду — питьевую из водопровода или речную, озерную и др. После твердения тесто образует камень, например цементный камень (микроконгломерат), а уплотненная бетонная смесь —бетон (конгломерат). Часть объемов в бетоне, заполнителе и камне занимают поры и капилляры разного размера и в различном количестве.

Для бетонов применяются почти все разновидности неорганических вяжущих, соответственно чему бетоны разделяются на цементные, гипсовые, силикатные, шлаковые, специальные (на фосфатных, магнезиальных и других вяжущих). Для них применяются также все разновидности заполнителей, соответственно чему бетоны разделяют на плотные, пористые, специальные. При объединении вяжущих и заполнителей в принятых по составу количествах получают множество технических решений при производстве искусственных строительных конгломератов различного назначения. Если этих двух компонентов окажется недостаточно, тогда вводят дополнительные вещества (добавки). Еще более сильным фактором, которым пользуются при получении бетонов с заданными свойствами, является технология с ее многообразными операциями (переделами), режимами (тепловыми, механическими и пр.) и характеристиками оборудования.

К одному из показателей заданных свойств относится средняя плотность бетона. Величина средней плотности бетона зависит от разновидности заполнителя, а отчасти обусловлена пористостью цементного камня. Особо тяжелые со средней плотностью свыше 2500 кг/м3 получают при заполнителях в виде железной руды, барита, чугунного скрапа, обрезков стали или чугуна. Тяжелые — средней плотности 2200... 2500 кг/м3 получают применением в них в качестве заполнителя щебня из плотных горных пород — гранитов, диабаза, песчаника и др.; облегченные — со средней плотностью 1800... 2200 кг/м3 . В легких бетонах со средней плотностью 500 ...2000 кг/м3 используется легкий заполнитель, природный или искусственный, в том числе пемза, туфы, керамзит, аглопорит, вакулит, а также в них нередко отсутствует песчаная фракция, вследствие чего возникают пустоты между щебнем, а сам бетон именуется крупнопористым легким бетоном. Особо легкие бетоны (теплоизоляционные) со средней плотностью менее 500 кг/м3 характеризуются тем, что функции своеобразного заполнителя в них переданы воздушным или газовым ячейкам.

При наибольшей крупности заполнителя до 10 мм — бетоны мелкозернистые, более 10 мм — крупнозернистые.

В зависимости от производственного назначения бетоны разделяют на конструкционные, предназначенные для изготовления бетонных и железобетонных внутренних и наружных конструкций промышленных и гражданских зданий и инженерных сооружений (колонны, балки, плиты); гидротехнические — для строительства плотин, шлюзов, облицовки каналов и других гидротехнических сооружений; дорожные — для строительства дорожных и аэродромных оснований и покрытий; специальные — для использования при устройстве жароупорных покрытий, кислотоупорных изделий. Каждой разновидности бетона присущи свои особенности: гидротехнический должен быть предельно плотным, водонепроницаемым, морозостойким, стойким против коррозии, тогда как бетон для жилищного строительства, тем более ограждающих конструкций (стен, перекрытий), должен быть малотеплопроводным, поддерживать и сохранять хорошую звукоизоляцию и пр., а бетоны дорожные должны быть не только морозостойкими, но и устойчивыми к динамическим воздействиям транспортных нагрузок, к истираемости и износу под колесами автомобиля в сложных климатических условиях.

К мелким заполнителям относится природный или искусственный песок. Как правило, наилучшими песками в ИСК являются кварцевые. Однако при производстве безобжиговых материалов (бетонов, асфальтобетонов и т. п.) их заменяют и другими природными песками. Во всех песках ограничивается содержание вредных примесей, к которым относятся глинистые и пылеватые фракции, сернистые и сернокислые соединения (пирит, гипс и др.), а также слюды, органические примеси (остатки неразложившихся растений, гумус, ил и пр.). Для разных конгломератных материалов устанавливаются конкретные пределы допустимого содержания вредных примесей, которые учитываются в качестве обязательных условий при применении местных песков и приводятся специальные методики определения различных вредных примесей.

Среди природных песков встречаются, каждая из разновидностей имеет положительные и отрицательные показатели, проявляющиеся при использовании их в качестве мелких заполнителей:

ü горные (овражные) содержат повышенное количество глинистых и органических примесей;

ü речные имеют излишне отполированную поверхность зерен, не обеспечивающую достаточного сцепления их с вяжущим веществом;

ü морские кроме кварцевых зерен могут иметь обломки раковин, снижающие прочность некоторых конгломератов (цементных бетонов и др.);

ü барханные сложены весьма мелкими частицами, не отвечающими требованиям стандарта;

ü дюнные и другие разновидности.

Особое внимание уделяется зерновому составу песка. Важно, чтобы содержание фракций в пределах 0,14... 5,0 мм было таким, при котором обеспечиваются минимальные значения пустотности и удельной поверхности.

В зависимости от зернового состава песок разделяют на:

ü крупный;

ü средний;

ü мелкий;

ü очень мелкий.

Крупность оценивается по величине модуля крупности. Модуль выражает частное от деления на 100 суммы полных остатков (в %) песка на ситах, начиная с сита с размером отверстий 2,5 мм и кончая ситом с отверстиями 0,14 мм. Всегда учитывается содержание воды, так как фактическая масса фракций в сухом песке уменьшится, а при дозировании или приемке по объему учитывают, что самый большой объем песок занимает при 5 ... 7% влажности (по массе). Косвенной характеристикой пустотности служит его насыпная плотность, которая у сухого кварцевого песка в рыхлом состоянии колеблется в пределах 1500... 1550 кг/м3, а в уплотненном встряхиванием состоянии —в пределах 1600 -1700.

Дробленый, или искусственный, песок получают путем дробления свежих невыветрелых магматических, метаморфических или плотных карбонатных осадочных пород, предел прочности которых свыше 50 МПа. При дроблении стремятся получить угловатую и кубовидную форму зерен, что в большой степени, зависит от выбранного механического оборудования. Кроме горных пород для получения дробленых песков могут оказаться пригодными некоторые разновидности шлаков, кирпичного боя, шамотного легковеса (боя) и других побочных продуктов производства. Однако при использовании последних важно предотвратить попадание в получаемые пески всех тех вредных примесей, которые указаны выше в отношении природных песков. Весьма ценятся облегченные искусственные пески, получаемые измельчением природных и особенно искусственных легких заполнителей.

Стоимость дробленого песка выше природного и поэтому его обычно применяют для улучшения природных мелкозернистых песков при ответственных строительных работах. Облегченные пески предназначены для керамзитобетона и других легких и особо легких конгломератов.

Природный гравий представляет собой рыхлую смесь окатанных обломков размером от 5 до 70 мм. Горный гравий по сравнению с речным, морским и ледниковым обладает более угловатыми с шероховатой поверхностью обломками и большим количеством пылевато-глинистых примесей. Обломки гравия, обработанные водой, имеют гладкую поверхность, что ухудшает ее сцепление с вяжущим веществом. Лучшей разновидностью гравия считается ледниковый, который менее окатан и имеет более равномерный зерновой состав. Все разновидности гравия (а также природного щебня и дресвы) характеризуются неоднородным петрографическим и минеральным составом, так как в их образовании участвуют разнообразные горные породы и минералы. Поэтому оценка их прочности производится на образцах средних проб с отбором из них зерен слабых и неморозостойких пород и определением их содержания в процентах по массе. Прочность щебня характеризуется маркой и определяется по его дробимости при сжатии (раздавливании) в металлическом цилиндре. Значительное содержание в гравии выветрелых обломков осадочных и других пород (иногда до 40... 60%) ухудшает их механические свойства; присутствие же обломков магматических пород (гранитных валунов) и песчаников повышает его качество. При разработке гравийных отложений производится разделение их по зерновому составу, поскольку другие виды обогащения затруднительны. Встречающиеся в них отдельные крупные глыбы и галька подвергаются дроблению, что хотя и удорожает стоимость, но при этом повышает качество гравийного материала. Аналогичным путем поступают и при разработке отложений природного щебня, сложенного преимущественно остроугольным обломками размером до 100 ... 150 мм. При содержании в гравии природного песка от 25 до 40% материал называют песчано-гравийной смесью. Применение гравия и песчано-гравийной смеси в производстве строительных материалов производится после предварительных лабораторных проверок прочности, морозостойкости и других показателей качества в зависимости от конструктивных особенностей сооружения.

Щебень — материал, получаемый дроблением горных пород, валунов, гальки или искусственных камней. Для этого применяют различные по конструкции и мощности камнедробильные машины, от которых зависит качество получаемой продукции. Лучшей формой щебенок считается кубовидная или тетраэдрическая, размером в пределах 5 ... 70 мм. Содержание щебенок лещадной и игловатой форм не должно превышать 10 ... 15% по массе. Одновременно со щебнем в камнедробильных машинах получают более мелкие песчаные (высевки) и пылеватые фракции, которые отделяются от него в процессе грохочения. На качество щебня установлены требования в соответствующих ГОСТах и ТУ в зависимости от его назначения (для бетона, асфальтобетона, легкого бетона и др.). Эти требования в основном сходны, но имеют уточнения в деталях. Основные сходные требования имеются по дробимости щебня в металлических цилиндрах при сжатии, морозостойкости, истираемости и сопротивлению удару, зерновому составу, прочности исходной породы (обычно в водонасыщенном состоянии).

Для производства щебня из горных пород отдают предпочтение магматическим, особенно гранитам, габбро, диабазам, базальтам, а из осадочных — известнякам, доломитам, из побочных продуктов производства — шлакам доменного процесса, отходам керамического производства.

Широкое использование имеют легкие крупные заполнители. Природные заполнители получают дроблением пористых известняков, известняков-ракушечников, вулканических и известковых туфов и некоторых других пористых пород. Искусственные — путем термической обработки в основном алюмосиликатного сырья с получением керамзитового, аглопоритового гравия или щебня, а также шунгизита, вакулита, вспученного перлита, термозита (шлаковой пемзы) и других пористых материалов с насыпной плотностью от 200 до 1400 кг/м. Керамзитовый гравий и песок получают путем вспучивания в процессе ускоренного обжига гранул из легкоплавкой глины. Аглопоритовый щебень и песок — путем спекания глинистой породы и отходов от добычи, переработки и сжигания каменных углей на специальных агломерационных металлических решетках с последующим дроблением продуктов обжига. Вакулитовый полый гравий получают путем накатывания слоя малопластичных высокодисперсных пород типа суглинков, супесей, зол ГЭС, сланцевых и других на «ядро» из легкосгораемого органического материала (опилок, торфа, лигнина и др.) и последующего обжига получаемых при этом сырцевых гранул. Сильно поризованные особо легкие щебень и песок получают при нагревании (обжиге) вермикулита, вулканического стекла обсидиана, кремнеземистой горной породы перлита и др. Получил расширенное применение шунгизит, сырьем для производства которого являются вспучивающиеся шунгитовые сланцы, содержащие до 3 % шунгита — углерода особой формы. Если требуется повышенная прочность, то искусственный заполнитель получают утяжеленный. Для этого из маловспучивающегося глинистого сырья изготовляют керамдор, из регенерированной стекломассы — дорсил и др., качество которых обусловливается специальными требованиями заказчиков-строителей.

Заполнители сильно различаются между собой по прочности. Предел прочности при сжатии образцов, изготовленных из разных заполнителей, изменяется у тяжелых горных пород от 10 до 500 МПа, у легких—от 0,4 до 25 МПа. Принято, чтобы прочность заполнителя превосходила прочность конгломерата на 20 ... 50%, но целесообразнее каждый раз обосновывать минимально допустимую прочность заполнителя по характеристике вяжущего вещества оптимальной структуры.

Для тяжелого бетона марки 300 и выше прочность исходной горной породы в насыщенном водой состоянии должна быть в 2 раза больше этой марки.

По морозостойкости щебень делится на шесть марок: F 15, 25, 100, 150, 200 и 300. Числа марок соответствуют количеству циклов попеременного замораживания и оттаивания образцов, при котором потеря массы крупного заполнителя не превышает 5% (для марок 15 и 25 допускается потеря массы до 10%). Следует отметить, что эти требования к качеству щебня относятся в основном при его применении в бетонах. Для других видов ИСК технические требования несколько отличаются. Особое значение придается обоснованию наибольшей крупности зерен и зерновому составу: первое — исходя из размера конструктивного элемента, второе — по предельным значениям.

По крупности плотный гравий и щебень разделяют на фракции 5 ... 10, 10 ... 20, 20 ... 40 и 40 ... 70 мм просеиванием сухой пробы в количестве 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм. По крупности пористый гравий и щебень применяют трех фракций: от 5 до 10 мм, от 10'до 20 мм и от 20 до 40 мм. Вместо фракций 5... 10 мм в легких бетонах допускается применять фракции 3 ... 10 мм, а вместо фракций 10 ... 20 мм использовать фракции 10 ... 15 мм. Для всех разновидностей заполнителей имеет важное значение коэффициент размягчения — отношение предела прочности породы в водонасыщенном состоянии к прочности при сжатии в сухом состоянии, поскольку он косвенно характеризует морозостойкость материала. Его величина для плотных заполнителей должна быть не менее 0,85, а при заполнителях пористых — не менее 0,8 и только в конгломератах теплотехнического назначения этот показатель должен быть не менее 0,7. Во всех случаях требуется учитывать требования последних стандартов на соответствующие разновидности тяжелых и легких заполнителей по показателям их качества.

Кроме зернистых используют заполнители иной формы. Большое распространение в технологии различных ИСК получают волокнистые заполнители, выполняющие в структуре функции армирующего компонента. Волокнистые заполнители направленного (ориентированного) или хаотического расположения увеличивают способность конгломератов к сопротивлению изгибающим и растягивающим нагрузкам. С этой целью используют короткие стальные волокна длиной до 25 мм и диаметром 0,005 ... 0,015 мм, называемые фиброй, стекловолокно, волокна из расплава шлака, керамики, горных пород (например, асбеста, базальтов), которые имеют гораздо большие значения упругости по сравнению с ИСК; например бетоном. Внесение в состав волокнистого заполнителя несколько усложняет технологию ИСК, но приносит эффект в упрочнении конструкций, если только была обоснованно выбрана разновидность волокна. Так, например, обычное стекловолокно сравнительно быстро разрушается в щелочной среде цементного камня, поэтому у нас и за рубежом предложены составы щелочестойких стекловолокон.

В составе некоторых конгломератов, особенно на основе полимерных вяжущих веществ, нередко используют заполнители пластинчатой формы с образованием своеобразных композиционных материалов. Своеобразным видом «активного заполнителя» может быть и металлическая арматура, например стальная в железобетоне, часто выполняющая функции каркаса в ИСК, если ей придана форма сетки. Направленное расположение арматуры повышает анизотропность получаемого материала (подобно анизотропии кристаллов), что может благоприятствовать механическому упрочнению конструкции. Однако наблюдаются случаи, когда в эксплуатационный период нарушается сцепление вяжущего с арматурой. Тогда такой «заполнитель» становится неактивным, что отрицательно отразится на надежности конструкции в здании или сооружении. Определение количества и разновидности арматуры производится в теории железобетона с помощью специальных расчетов.

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества а смесях, именуемые добавками. На стадиях технологического процесса они:

ü облегчают выполнение операций;

ü снижают количество затрачиваемой энергии;

ü уменьшают расход дорогостоящих компонентов;

ü снижают материалоемкость;

ü способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала;

ü благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания.

На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее в ИСК, призваны:

ü упрочнить, стабилизировать структуры материала,

ü максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

Основное функциональное назначение добавок, и в этом они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смеси в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количестве добавки она может частично остаться в смеси и в сформованном материале без каких-либо изменений, что не является желательным.

Распространенными служат порошкообразные добавки по внешнему виду, а иногда и по химическому составу, сходные с наполнителями. В качестве тонкомолотых активных минеральных добавок они вводятся в состав неорганических вяжущих веществ с целью придания им требуемых свойств, например:

ü способности к твердению в водной среде при добавлении к воздушной извести;

ü повышенной водостойкости и стойкости против коррозии при добавлении к портландцементу;

ü стойкости к воздействию высоких температур с сохранением прочности и т. д.

Кислотостойкость материала повышают добавки порошкообразного кварца, андезита, базальта и др. К другим распространенным порошкообразным добавкам относятся: из природных — осадочные горные породы (трепел, диатомит, опока, магнезит и др.) или породы вулканического происхождения (пуццоланы, пемза, туф, диабаз); из искусственных — доменные гранулированные шлаки, зола-унос, нефелиновый шлам (побочный продукт алюминиевого производства), помол шамотного кирпича, обожженной глины (порошкообразный керамзит, аглопорит) и др. Все эти твердые добавки образуют с вяжущим новые, как правило, более сложные соединения типа силикатов кальция, алюминатов кальция и др.

Твердые добавки в смесях могут оставаться не только в состоянии нерастворимых минеральных порошков. Используют и такие твердые добавки, которые в смесях сравнительно легко образуют растворы или расплавы. Они относятся либо к катализаторам и ингибиторам (замедлителям), либо вступают в химические связи с компонентами смеси и создают новые фазы в процессе структурообразования. Их действие может привести также к преобразованию свойств поверхности компонентов, например к минерализации древесной дроблении и стружки путем экранирования поверхности пленкой нерастворимого вещества. Среди добавок этого действия — водорастворимые соли (средние и кислые), основания и другие электролиты и неэлектролиты.

Широкое распространение имеют жидкие добавочные вещества (добавки) - гомогенные или гетерогенные, как, например, водные дисперсии полимеров, или легко переводимые в жидкое состояние в виде истинных и коллоидных растворов, эмульсий, мыльных пен и др., именуемых как поверхностно-активные вещества (ПАВ). В этих органических соединениях молекулы имеют углеводородный радикал и полярную группу, обращаемую при адсорбции к среде пли твердой фазе, производя структурирующее воздействие в материале.

Поверхностно-активные добавки разделяют в основном на гидрофобизирующие и гидрофилизирующие, что зависит от механизма их контактирования с вяжущими веществами и от конечного эффекта их взаимодействия— соответственно гидрофобизация (несмачиваемость водой) после воздействия первого и эффекта повышенной пластичности после воздействия второго. Эти добавки способствуют также повышению морозостойкости и долговечности, что является следствием их способности, особенно при гидрофобнзирующих добавках, к воздухововлечению при изготовлении смеси. Образуются замкнутые воздушные пузырьки, которые предохраняют разрушение материала при замерзании свободной воды, например, в бетоне с расширением льда. Вместе с тем практически не возникает водопроницания материала, так как количество воздушных пузырьков невелико (около 3... 4%). Разновидностей ПАВ много, и они с большим эффектом используются в материалах для направленного структурообразования и обеспечения требуемых качественных показателей.

Добавки, вводимые в цементно-бетонную смесь, разделяют по эффекту их действия на бетонную смесь и бетон:

ü пластифицирующие;

ü стабилизирующие;

ü водоудерживающие добавки регулируют реологические свойства;

ü ускорители и замедлители схватывания теста;

ü противоморозные добавки регулируют процессы твердения;

ü воздухововлекающие, газообразующие, пенообразующие, уплотняющие регулируют пористость бетона;

ü специальные добавки придают бетонам кислотостойкость, жаростойкость и др.

Ряд добавок носит комплексный характер и выполняет одновременно несколько функций в бетонных смесях и бетоне.