БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН И РАСТВОРЫ

Бетон— один из основных строительных материалов. Его широко применяют для изготовления сборных бетонных и железобетонных конструкций и деталей, а также для возведения монолитных сооружений различного назначения. Широкое применение бетона в строительстве объясняется его высокой прочностью, долговечностью, огнестойкостью, водостойкостью, морозостойкостью и др.

Железобетонпредставляет собой строительный материал, в котором удачно сочетается совместная работа бетона и стали.

Возможность совместной работы бетона и стальной арматуры определяется следующими факторами:

а) бетон прочно сцепляется со стальной арматурой, вследствие чего в железобетонной конструкции оба материала работают совместно;

б) сталь и бетон обладают примерно одинаковым коэффициентом температурного расширения, вследствие чего обеспечивается полная монолитность железобетона;

в) бетон предохраняет заключенную в нем стальную арматуру от коррозии.

Вследствие совместной работы бетона и стальной арматуры железобетон применяют для конструкций, работающих как на сжатие, так и на изгиб.

При работе конструкций на изгиб в них возникают растягивающие и сжимающие напряжения. При этом стальная арматура воспринимает, как правило, растягивающие напряжения, а бетон — сжимающие. В целом железобетонная конструкция хорошо противостоит и изгибающим нагрузкам, хотя арматура в бетоне иногда работает также и на сжатие (колонны).

Наличие ряда положительных свойств позволяет широко использовать железобетонные конструкции в индустриальном строительстве.

Растворы (строительные) по своему объему также занимают значительный удельный вес среди других строительных материалов в современном строительно-монтажном производстве. Они служат основным видом материалов при возведении зданий и сооружений из штучных каменных материалов, связывая их в прочную монолитную конструкцию.

Растворы являются также одним из основных видов отделочных материалов, применяемых при оштукатуривании и облицовке плитными материалами наружных и внутренних поверхностей стен и других конструкций различных зданий и сооружений.

Бетоны

Бетоном называют искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердения смеси, состоящей из вяжущего, воды и заполнителей. До момента затвердения полученная смесь называется «бетонной смесью».

В качестве вяжущих веществ применяют минеральные и органические вяжущие.

К минеральным вяжущим относятся гидравлические вяжущие вещества, т. е. цементы, образующие цементные бетоны, и воздушные вяжущие, преимущественно гипс (дающий гипсобетон).

К органическим вяжущим веществам относится асфальтовое вяжущее, которое вместе с заполнителями образует асфальтобетон.

Воду для приготовления бетонной смеси используют водопроводную питьевую. Сточные воды, содержащие жиры, растительные масла, сахар, кислоты, соли и другие примеси, применять нельзя. Пригодность непитьевой воды для приготовления бетонов в каждом отдельном случае определяется лабораторией.

В качестве заполнителей для приготовления бетонной смеси применяют песок, гравий, щебень. При этом песок называется мелким, а гравий и щебень — крупными заполнителями. Наиболее широкое применение имеют природные пески.

По условиям залегания они подразделяются на речные, морские и горные (овражные). Каждый из этих видов песка имеет свои форму зерен и состав. Подбор песка для приготовления разных бетонных смесей производится в лабораторных условиях.

Гравий является продуктом разрушения различных горных пород, имеющих окатанную форму и гладкую поверхность. Для приготовления бетонных смесей применяют гравий, состоящий из зерен размером 5—150 мм.

Щебень получают путем дробления естественных (природных) или искусственных каменных материалов на куски размером 5— 150 мм. Из природных каменных материалов для получения щебня используют твердые горные породы — известняк, доломит, гранит, из искусственных — кирпич, шлак.

Требования к гравию и щебню для различных бетонов установлены действующим ГОСТом.

Вяжущие вещества и вода являются активными составляющими бетона, так как между ними происходит реакция, благодаря которой образуется цементный камень и происходит сцепление его с заполнителями. Заполнители в большинстве случаев не вступают в химическое соединение с цементом и водой. Поэтому их обычно называют инертными материалами. Заполнители образуют жесткий скелет бетона и уменьшают его усадку. Пористые заполнители, кроме того, уменьшают объемную массу и теплопроводность.

Виды бетонов.

Бетоны, применяемые в строительстве, разделяют:

— по видам вяжущих веществ - на цементные, гипсовые (гипсобетон), асфальтовые (асфальтобетон);

— по плотности — на особо тяжелые (с плотностью более 2500 кг/м³), тяжелые (с плотностью 1800—2500 кг/м³), легкие (с плотностью 500—1800 кг/м³),

— особо легкие — ячеистые (с объемной массой менее 500 кг/м³);

— по назначению — на обыкновенный (для бетонных и железобетонных конструкций различных зданий и сооружений),

— гидротехнический (для гидротехнических бетонных и железобетонных сооружений — каналов, плотин, шлюзов) и

— бетон, применяемый для санитарно-технических бетонных и железобетонных сооружений и изделий (резервуары, колодцы, трубы);

— специальные — огнеупорные, кислотоупорные, гидратные (для защиты от излучения).

В современном строительстве наиболее широко применяют обычный тяжелый бетон.

Обычный тяжелый бетон.

Определение состава.

До начала изготовления бетонной смеси определяют состав бетона требуемой марки. Состав бетона выражают двумя способами:

а) в виде массового или объемного соотношения между составляющими бетон материалами, т. е. цементом, песком и гравием (или щебнем), с указанием водоцементного отношения (В/Ц);

б) в виде расхода этих материалов (в том числе и воды) на 1 м³ уложенной и уплотненной бетонной смеси.

При первом способе состав бетона записывают в виде пропорции. Например, 1 : 2 : 4 по массе при В/Ц=0,6 (первая цифра обозначает расход цемента, вторая — песка, третья — гравия или щебня). Количество цемента всегда принимают за единицу. Состав бетона по объему устанавливают только при малых объемах бетонных работ. В случае приготовления бетона в больших количествах, как в построечных, так и заводских условиях, все материалы дозируют по массе.

При втором способе установления состава бетонной смеси расход материалов на 1 м³ указывают в кг, например, цемента — 280, песка — 700, гравия — 1250, воды — 170; т. е. 2400 кг на 1 м³ бетонной смеси. Качество бетона в большой степени зависит от правильности определения его состава. Различают два состава бетона: номинальный (лабораторный), рассчитываемый для сухих материалов, и производственный (полевой) — для материалов в естественно влажном состоянии.

Расчет состава бетона, как правило, производят в лабораторных условиях. На основании расчетных данных составляют специальные таблицы, в которых указывают состав бетонной смеси для разных марок бетона.

Бетонную смесь, как правило, приготовляют механизированным способом. Процесс приготовления смеси состоит из двух основных операций — дозирования материалов, составляющих бетонную смесь, и перемешивания их до получения однородной массы. Для дозирования материалов применяют весовые или объемные дозаторы. Цемент дозируют всегда по массе с точностью до ± 1 %, воду и заполнители — по массе или объему с точностью: вода до ±1%, заполнители — до ±2%.

Материал перемешивают в бетоносмесителях (рис. 4) с емкостью барабана 100—4500 л. Бетоносмесители емкостью до 250 л являются передвижными, а более 250 л — стационарными. Для меньшего распыления цемента желательно вначале загружать часть заполнителей, а затем цемент. Продолжительность перемешивания бетонной смеси составляет: в малых и средних бетоносмесителях 1—1,5 мин; в бетоносмесителях большой емкости (более 500 л) 1,5—2,5 мин. Необходимо точно соблюдать установленное время перемешивания, так как при уменьшении этого времени ухудшаются свойства бетона, а при увеличении его может произойти расслоение смеси.

К основным свойствам бетона относятся: прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость, огнестойкость, теплопроводность, усадка и расширение.

Прочность бетонахарактеризуется пределом прочности на сжатие образцов в виде кубиков с размером ребра 20X20X20см, выдержанных в течение 28 сут. в нормальных условиях, т. е. при температуре 15— 20° и относительной влажности окружающего воздуха 90—100%. По прочности на сжатие для бетона установлены марки 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600. Отклонение от заданной марки допускается только в сторону увеличения прочности, но не более чем на 10%; излишнее увеличение прочности бетона вызывает перерасход цемента. На прочность бетона оказывают влияние следующие факторы: активность цемента, водоцементное отношение, состав бетона, качество заполнителей, способ приготовления бетонной смеси, ее укладки и уплотнения, возраст бетона, а также условия его твердения.

Плотность бетонаоказывает существенное влияние на прочность, водопроницаемость, теплопроводность. Тяжелый бетон является пористым материалом, так как в своем составе имеет поры от 6 до 15%. Поры образуются вследствие неполного удаления воздушных пузырьков при его уплотнении и испарении излишней воды. Поэтому плотность бетона может быть повышена путем тщательного подбора зернового состава заполнителей, уменьшения водоцементного отношения, интенсивного уплотнения (вибрирования). Для придания бетонным конструкциям газонепроницаемости их покрывают специальными пленками на основе пластических масс или других материалов.

Водонепроницаемость бетона зависит от его плотности и структуры. Бетон мелкопористый и однородного состава, тщательно уплотненный и достаточно затвердевший, практически водонепроницаем в слоях значительной толщины (выше 4—6 см).

Плотный бетон достаточно непроницаем не только для воды, но даже для мазута и тяжелой нефти. Однако жидкости, имеющие малую вязкость и плотность меньше единицы (керосин, бензин, смазочные масла), могут проникать в бетон. Для защиты от их проникновения поверхность бетона покрывают пленками из пластмасс или изготовляют бетон на специальном расширяющемся или безусадочном цементе. Водонепроницаемость бетона можно повысить, покрывая его поверхность плотной штукатуркой (в особенности пневматическим способом, т. е. торкретированием).

Морозостойкость бетона выражается марками, которые колеблются в пределах от 50 до 300. Особенно морозостойким должен быть бетон, предназначенный для конструкций, работающих в условиях систематического переменного увлажнения и замораживания (фундаменты, колодцы, трубопроводы). Морозостойкость бетона может быть повышена путем большего уплотнения, введения поверхностно-активных добавок (сульфитно-спиртовой барды, мылонафта). На морозостойкость бетона оказывают большое влияние вид цемента и морозостойкость его заполнителей. Например, бетон на пуццолановом цементе обладает пониженной морозостойкостью.

Коррозионная стойкость бетона в обычной среде является достаточной. Однако при наличии агрессивной среды под влиянием физико-химического действия некоторых жидкостей и газов бетон может разрушаться. Для защиты бетона от коррозии ему придают повышенную плотность, поверхность бетонных конструкций облицовывают керамическими плитками, покрывают битумными и другими изоляционными материалами.

Огнестойкость бетона позволяет применять его в конструкциях, подверженных нагреву до 200°. Однако при длительном воздействии температуры от 100 до 250° прочность бетона снижается до 25%. При нагревании выше 500°и последующем увлажнении бетон разрушается. Поэтому бетонные конструкции, которые могут быть подвержены длительному воздействию высоких температур, необходимо защищать от огня кирпичной кладкой или другими способами, а при температуре более 200° применять специальные жаростойкие бетоны.

Теплопроводность бетонаявляется значительной и характеризуется коэффициентом теплопроводности, который в среднем равен l=1,5 Вт/(м*К).

Усадка и расширение бетоназависят главным образом от условия его твердения, так как изменение его объема происходит в процессе твердения. При твердении на воздухе бетон дает усадку (кроме бетона на расширяющемся или безусадочном цементе), при твердении в воде он не изменяется в объеме или незначительно разбухает. В больших Время твердения, сут. массивах бетон может расширяться

вследствие нагревания до температуры 30—60° (в силу внутреннего выделения тепла). Величину этого расширения значительно превосходит усадка. Коэффициент температурного расширения обычного бетона равен 0,00001. Коэффициент усадки в расчетах обычно принимают равным 0,00015, т. е. на 1 м длины бетонного сооружения усадка составляет 0,15 мм. Усадка вызывается давлением воды в капиллярах цементного камня при ее испарении. Опытами установлено следующее:

- усадка бетона тем больше, чем выше содержание в нем цемента и воды (рис. 5);

быстро схватывающиеся и высокопрочные портландцементы, а также пуццолановый портландцемент обычно вызывают большую усадку бетона;

- усадка больше при мелкозернистых и пористых заполнителях;

- влажный режим твердения и специальные покрытия не дают бетону быстро высыхать с поверхности, тем самым устраняются последствия большой и неравномерной усадки (трещины).

Усадку и расширение бетона учитывают при проектировании конструкций и производстве бетонных работ, т. е. в сооружениях большой длины устраивают специальные швы, в массивных сооружениях бетон укладывают отдельными блоками, применяют цементы с минимальными тепловыделением и усадкой. Это особенно важно при выборе цементов для гидротехнических сооружений.

Обычный тяжелый бетон в современном строительстве широко применяют: для изготовления сборных и устройства монолитных бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений (фундаментов, колонн, балок, плит, сводов, мостов); устройства гидротехнических сооружений (каналов, плотин, шлюзов и т. п.); устройства санитарно-технических сооружений и изготовления изделий (резервуаров, колодцев, труб); устройства монолитных бетонных полов и оснований для других видов полов; покрытия дорог, тротуаров, аэродромных площадок.

Легкий бетон получают в результате затвердевания смеси из вяжущих, воды и легких заполнителей. В качестве вяжущих применяют в основном цементы (портландский, шлаковый). Для легких бетонов, как и для обычных тяжелых бетонов, используют питьевую воду.

В качестве крупных легких заполнителей применяют керамзит, шлак, пемзу. В зависимости от применяемого крупного заполнителя бетон имеет названия: керамзитобетон, шлакобетон, пемзобетон. Легкие бетоны изготовляют как с добавлением мелкого заполнителя — песка, так и без него (беспесочный крупнопористый бетон). В качестве мелкого заполнителя используют обычный кварцевый песок или песок, получаемый дроблением легких пористых горных пород — пемзы, туфа, ракушечника.

Укладка бетонной смеси в конструкции и уход за легким бетоном аналогичны укладке смеси и уходу за обычным тяжелым бетоном.

По назначению легкие бетоны делят на конструктивно-теплоизоляционные с плотностью 500—1400 кг/м³ и маркой прочности на сжатие не менее 35; конструктивные с плотностью 1400—1800 кг/м³, маркой прочности на сжатие не менее 50 и морозостойкостью не менее Мрз 15.

По пределу прочности на сжатие для легкого бетона установлены марки 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250 и 300. По морозостойкости бетон имеет марки от Мрз 10 до Мрз 200.

Теплопроводность легкого бетона (по коэффициенту теплопроводности) l=0,23—0,93 Вт/(м*К).

Легкий бетон применяют для изготовления ограждающих конструкций (стеновых панелей, блоков), теплоизоляции покрытий и перекрытий, устройства подготовки под полы в зданиях и сооружениях промышленного, гражданского и сельскохозяйственного назначения.

Ячеистый бетон. Различают два вида ячеистых бетонов: пенобетон и газобетон.

Пенобетонполучают из смеси портландцемента (марки не ниже 300), воды, молотого песка и пенообразователя. В качестве пенообразователя применяют растворы канифольного мыла с животным клеем или сапонина (растительного мыльного корня). Пенобетонную смесь приготовляют в пенобетоносмесителях. Приготовленную смесь разливают в формы, где происходит процесс ее твердения.

Газобетонполучают из смеси цемента, воды, молотого песка и газообразователя. В качестве газообразователя используют алюминиевый порошок (пудру) или пергидроль. Газобетонную смесь приготовляют в специальных смесительных установках и разливают в формы. Газобетонная смесь твердеет в теплой влажностной среде. Для ускорения процесса твердения формы со смесью устанавливают в автоклавы.

По назначению ячеистый бетон подразделяется на теплоизоляционные и конструктивные. По прочности бетоны делятся: теплоизоляционный — на марки от 4 до 25, конструктивный — от 25 до 200.

Ячеистый бетон имеет малую плотность и обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Так, для бетона с плотностью 300— 500 кг/м3 коэффициент теплопроводности l=0,093—0,128 Вт/(м*К). Морозостойкость ячеистого бетона несколько ниже, чем у легкого бетона. Кроме того, в изделиях из ячеистого бетона могут образовываться трещины.

Ячеистый бетон используют в строительстве для теплоизоляции конструкций зданий и сооружений, оборудования, агрегатов, трубопроводов и др. Кроме того, этот бетон применяют также для изготовления ограждающих конструкций зданий и сооружений различного назначения (стеновых панелей, плит покрытий и перекрытий и др.).