Что в имени тебе моем?
Бетоном называется состав из портландцемента, мелкого и крупного наполнителя, воды, различных добавок и воздуха. Портландцемент получил свое название в Англии в начале 19 века благодаря своему сходству со строительным камнем с острова Портланд близ Британского побережья. Портландцемент изготовливается путем измельчения и смешивания известняка и глиносодержащих пород (глинозема, глинистого сланца, доменного шлака). Смесь равномерно обжигается до спекания в ротационной печи. Получающийся при этом продукт именуется клинкером. Клинкер охлаждается и затем перемалывается в порошок, который и образует портландцемент. В клинкер в процессе перемалывания добавляются небольшие количества ингредиентов для получения различных типов цемента.
Цемент, смешанный с водой образует вяжущее. Добавление мелкого наполнителя в вяжущее превращает его в раствор. Сама бетонная смесь образуется последующим добавлением крупного наполнителя в раствор. В качестве мелкого заполнителя применяют природный или искусственный песок. Перед добавлением в бетонную смесь песок обычно промывают, чтобы содержащиеся в нем примеси и пыль не ухудшали свойства бетона. Размер зерен от 0,14 до 5 мм. В качестве крупного заполнителя бетонной смеси применяют природный или искусственный щебень либо гравий с крупностью зерен от 5 до 70 мм.
При изготовлении бетона также используются специальные минеральные добавки, называемые пуццоланы. Пуццоланы добавляются в бетонную смесь и представляют собой разновидности вулканических туфов, цементирующим веществом в которых является пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла.
Кроме того, для придания бетону определенных рабочих характеристик, в него добавляются химически активные компоненты, в частности, влагоуменьшающие. замедляющие твердение, ускоряющие твердение, воздухововлекающие. Добавки используются как для снижения стоимости бетона, так и для изменения таких его характеристик, как удобоукладываемость, сроки схватывания, плотность, пористость, долговечность и прочность.
Объемное содержание воздуха в бетонной смеси обычно составляет от 3 до 8%. Образование воздушных полостей происходит при использовании воздухововлекающих химических добавок для повышения морозостойкости бетона, а также при замесе бетона и во время его укладки.
Все упомянутые компоненты, смешанные вместе, затвердевают и образуют практически монолитную бетонную массу. Свойства и качество бетона значительно зависят от типа и качества компонентов и отношения количества воды к содержанию цемента. Эта отношение, называемое водоцементным (В/Ц), устанавливает прямую связь между количеством воды на весовую часть цемента и прочностными характеристиками бетона. Чем ниже водоцементное отношение, тем выше прочность бетона.
Читаем по буквам
Все выпускаемые в России бетонные смеси имеют стандартную маркировку согласно ГОСТ 7473-94. Цифры, следующие за литерой М, в марке бетона указывают на количественное соотношение вяжущего вещества – цемента в бетонной смеси. Так, например, бетонные смеси, имеющие маркировку М100 – М200, относятся к сортам бетона с низким содержанием цемента, а сорта с маркировкой М550 – М600 и так далее – с высоким содержанием цемента. Большинство марок бетона, имеющих наибольшее распространение, например, в капитальном строительстве, имеют промежуточные значения содержания цементного вяжущего вещества.
Прочность бетонной смеси на сжатие зависит от долевого соотношения вяжущего вещества (цемента) в бетонном растворе (чем больше цемента, тем выше прочность на сжатие) и проверяется экспериментально для каждой промышленной партии в лабораторных условиях. Из рабочего состава изготавливается опытный образец – бетонный кубик с длиной ребра 100 мм, который подвергается испытанию по прочности на сжатие на лабораторной прессовальной установке после определенного срока выдержки, который составляет от 7 до 28 суток, когда опытный образец достигает от 50-70% до 90% прочности соответственно. Минимальное значение усилия, достаточного для разрушения опытного образца соответствует классу бетона (в среднем цифры колеблются от 7,5 до 45).
Морозостойкость бетонной смеси означает устойчивость к разрушению при попеременном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии и обозначается в маркировке латинской литерой F с указанием минимального числа лабораторных циклов термического испытания. Для промышленных марок бетонных смесей значение этого параметра может колебаться: 50, 100, 150, 200 и 300 для тяжелого бетона и 10, 15, 25, 35, 50, 100 и 200 для легкого и ячеистого. Эти марки показывают количество циклов переменного замораживания до температуры не выше минус 15° и оттаивания в воде комнатной температуры, которые должны выдержать образцы без снижения прочности более чем на 25% и потери в весе более чем на 5%. В случае, если в маркировке бетона после числа циклов указана маленькая литера с, например F200c, то это указывает на наличие в бетонной смеси антикоррозийных добавок, а термические лабораторные испытания проводятся в агрессивной среде, содержащей соли.
Большое влияние на морозостойкость бетона оказывает характер пористости, а также величина пор. В микрокапиллярах вода не замерзает даже при температурах минус 40—50°. Опасны макропоры, особенно сообщающиеся между собой, так как по ним перемещается влага при насыщении. Мелкие воздушные поры — сфероиды, образующиеся при введении в бетон воздухововлекающих добавок, наоборот, полезны, так как они служат запасными резервуарами для образующегося льда. Практика подтверждает положительное влияние на морозостойкость бетона этих добавок.
Водонепроницаемость обозначается литерой W и измеряется в условных единицах (чем больше значение, тем выше водонепроницаемость). В промышленных партиях значение этого параметра варьируется от 2 до 14 и выше.
Подвижность бетонной смеси определяется эмпирически за счет измерения осадки конуса. Готовая бетонная смесь заливается до верху в стандартный бетонный конус высоты 30 см. Затем конус снимается и измеряется осадка бетонной смеси. Малоподвижная (П1) смесь дает осадку 1-5 см, подвижная (П2) – 5-10 см, сильноподвижная (П3) – 10-15 см, литая (П4) – 15-20 см.
Под огнестойкостью бетонов понимают их стойкость против относительно кратковременного действия огня (например, при пожаре), а под жаростойкостью — стойкость материала в условиях систематического воздействия высоких и повышенных температур при эксплуатации (например, в тепловых агрегатах). Бетон несгораем, и поэтому в целом его относят к категории огнестойких материалов. Благодаря невысокому коэффициенту теплопроводности кратковременное действие огня обычно не снижает прочность конструкции. При длительном же воздействии высокой температуры в цементном камне могут произойти нежелательные процессы дегидратации кристаллогидратов. Но наиболее пагубное влияние на бетон оказывают термические удары, получающиеся при тушении сильного пожара водой. Из-за различных коэффициентов температурного расширения компонентов бетона (крупного заполнителя, растворной части, а также стальной арматуры) может снизиться несущая способность конструкции. Следует помнить, что обычный бетон пригоден для эксплуатации при систематическом нагреве его до температуры не выше 250°.
Таким образом, промышленная бетонная смесь, имеющая маркировку, например, М550 В40 П3 F300c W12 означает, что данная смесь относится к высокоцементосодержащим смесям с классом прочности на сжатие В40, осадкой конуса 10 – 15 см, допускающей до 300 термических циклов в присутствии солей и обладающей высокой водонепроницаемостью.
В капитальном строительстве применение тех или иных бетонных смесей регламентируется проектной документацией в зависимости от условий эксплуатации и назначения возводимого объекта, однако можно сказать, что бетонные смеси с низким содержанием цемента (М100 – М200) используются, как правило, на работах, связанных с подготовкой основания возводимого здания и сооружения. Для заливки фундаментной подушки применяются марки бетона со средним содержанием цемента (М350 – М400). Для возведения стен чаще других используются марки М300 – М350. Сорта бетона, обладающие повышенной прочностью, типа М550 – М600, используются для заливки опор мостов и других особо сложных объектов.
Бетонные смеси приготавливают на стационарных или мобильных бетонных заводах или в передвижных бетоносмесительных установках. На качество бетонной смеси (однородность) влияет качество ее перемешивания в процессе изготовления. Продолжительность перемешивания составляет несколько минут. Допускается повторное перемешивание бетонной смеси в пределах 3-5 часов от момента ее приготовления. Важнейшее условие приготовления бетонной смеси – тщательное дозирование составляющих материалов. Отклонение в дозировке допускается не более ±1% по массе для цемента и воды, и не более ±2% для заполнителей. Приготовленную бетонную смесь доставляют к месту укладки специальными транспортными средствами, причем продолжительность транспортировки не должна превышать 1 час.
Классовая принадлежность
В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. Разобраться в их многообразии помогает классификация бетонов. Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.
Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов. По плотности бетоны делят на особо тяжелые с плотностью более 2500 кг/ куб. м.; тяжелые – 1800…2500; легкие -500… 1800; особо легкие – менее 500 кг/куб, м. Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях – стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон). Тяжелые бетоны с плотностью 2100…2500 кг/ куб. м. получают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз). Облегченный бетон с плотностью 1800…2000 кг/ куб.м. получают на щебне из горных пород с плотностью 1600…1900 кг/куб. м. Легкие бетоны изготовляют на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза,туф). К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на легких заполнителях.
Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, полимерцементные и специальные.
Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на цементе (портландцемент) и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), успешно используют бетоны на шлакопортландцементе (20…25%) и пуццолановом цементе. К разновидностям цементных бетонов относятся: декоративные бетоны, (на белом и цветных цементах), бетоны для самонапряженных конструкций (на напрягающем цементе), бетоны для специальных целей (на глиноземистом и безусадочном цементах).
Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.
Гипсовые бетоны готовят на основе гипса. Гипсовые бетоны применяют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементные – пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью. Применение – объемные блоки санузлов, конструкции малоэтажных домов.
Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворенных щелочными растворами. Эти бетоны еще только начинают применяться в строительстве.
Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные) или мономеры (фурфуролацетоновый), отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация).
Полимерцементные бетоны получают на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и латексы).
Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые и стеклощелочные, полученные из отходов промышленности.
Бетоны применяют для сооружения различных видов конструкций, как изготовляемых на заводах сборного железобетона, так возводимых непосредственно на месте эксплуатации (в гидротехническом, дорожном строительстве). В зависимости от области применения различают: обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колон, балок перекрытий и мостовых конструкций); гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений; бетон для ограждающих конструкций (легкий); бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий; бетоны специального назначения (жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты).
В частном порядке
А теперь рассмотрим, для примера, несколько различных видов бетона.
Бетон, применяемый при строительстве гидротехнических и гидромелиорационных сооружений, постоянно или периодически омываемых водой, называют гидротехническим. Основные строительно-технические свойства гидротехнического бетона – водонепроницаемость, морозостойкость, водопоглащение, прочность, стойкость против агрессивного воздействия воды, тепловыделение, долговечность, подвижность и жесткость бетонной смеси. В качестве вяжущих материалов для гидротехнического бетона применяют портландцемент. Для повышения качества гидротехнического бетона рекомендуется вводить в него добавки, которые позволяют уменьшить объемное расширение, усадку, водопотребность.
Особо тяжелый бетон – применяют для специальных защитных сооружений (для защиты от радиоактивных воздействий). Он имеет среднюю плотность более 2500 кг/м3. В качестве заполнителя используют магнетит, лимонит, гидрогенит, гематит, барит, что определяет наименование бетона – магнетитовый, лимонитовый, баритовый и так далее. Вяжущими в этом бетоне служат портландцемент, шлакопортландцемент и глиноземистый цемент.
Дорожный бетон применяют при строительстве автомобильных дорог, аэродромов, городских улиц. Для приготовления бетонной смеси дорожного бетона используют высококачественные материалы. В качестве вяжущих применяют пластифицированный портландцемент. Сухой бетон – это сухая бетонная смесь, отдозированная на заводе из сухих компонентов (цемента, песка, крупного заполнителя…). На месте укладки бетонную смесь перемешивают с водой в бетономешалках или непосредственно в автобетоносмесителях.
Железобето?н — композитный строительный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру. Запатентован в 1867 году Жозефом Монье как материал для изготовления кадок для растений. Идея сочетания в железобетон двух крайне различающихся своими свойствами материалов основана на том, что прочность бетона при растяжении значительно (в 10—20 раз) меньше, чем при сжатии, поэтому в железобетонной конструкции он предназначается для восприятия сжимающих усилий; сталь же, обладающая высоким временным сопротивлением при растяжении и вводимая в бетон в виде арматуры, используется главным образом для восприятия растягивающих усилий. Взаимодействие столь различных материалов весьма эффективно: бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надежно защищает ее от коррозии, в пределах изменения температуры от —40 до +60°С основные физико-механические характеристики бетона и арматуры практически не изменяются, что позволяет применять железобетон во всех климатических зонах.
Выделяют сборный железобетон (ж/б конструкции изготавливаются в заводских условиях, затем монтируются в готовое сооружение) и монолитный железобетон (бетонирование выполняется непосредственно на строительной площадке).
Жаростойкий бетон предназначается для промышленных агрегатов и строительных конструкций, подверженных нагреванию. При действии высокой температуры на цементный камень происходит обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидроксида кальция с образованием СаО. Оксид кальция при воздействии влаги гидратируется с увеличением объема и вызывает растрескивание бетона. Поэтому в жаростойкий бетон на портландцементе вводят тонко измельченные материалы, содержащие активный кремнезем.
Вяжущим для кислотоупорного бетона является жидкое стекло с полимерной добавкой. Для повышения плотности бетона вводят наполнители: кислотостойкие минеральные порошки, получаемые измельчением чистого кварцевого песка, андезита, базальта, диабаза и т.п. В качестве отвердителя используют кремнефтористый натрий, в качестве заполнителя – кварцевый песок, щебень из гранита, кварцита, андезита и других стойких пород. После укладки с вибрированием бетон выдерживает не менее 10 сут на воздухе (без поливки) при 15-20°С. После отвердения рекомендуется поверхность бетона «окислить», то есть смочить раствором серной или соляной кислот. Кислотоупорный бетон хорошо выдерживает действие концентрированных кислот; вода разрушает его за 5-10 лет, щелочные растворы разрушают быстрее. Кислотоупорный бетон применяют в качестве защитных слоев (футеровок) по железобетону и металлу.
Цементно-полимерные бетоны – это цементные бетоны с добавками различных высокомолекулярных органических соединений в виде водной дисперсии полимеров – продуктов эмульсионной полимеризации различных полимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола, латексов или водорастворимых коллоидов: поливинилового и фурилового спиртов, эпоксидных водорастворимых смол, полиамидных и мочевиноформальдегидных смол. Добавки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении. Полимеры и материалы на их основе применяют в виде добавок в бетонную смесь, в качестве вяжущего, для пропитки готовых бетонных и железобетонных изделий, для дисперсного армирования полимерными волокнами, в виде легких заполнителей и в качестве микронаполнителя.
Цементно-полимерные бетоны характеризуются наличием двух активных составляющих: минерального вяжущего и органического вещества. Вяжущее вещество с водой образует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зерен цемента и заполнителя тонкую пленку, которая обладает хорошей адгезией и способствует повышению сцепления между заполнителем и цементным камнем, улучшает монолитность бетона и работу минерального скелета под нагрузкой. В результате цементно-полимерный бетон приобретает особые свойства: повышенную по сравнению с обычным бетоном прочность на растяжение и изгиб, более высокую морозостойкость, хорошие адгезионные свойства, высокую износостойкость, непроницаемость. Наиболее распространенньми добавками полимеров в цементные бетоны являются ПВА, латексы и водорастворимые смолы.
Получение быстротвердеющего бетона, обладающего относительно высокой прочностью в раннем возрасте (1-3 суток) при твердении в нормальных условиях, достигается применением быстротвердеющего цемента, а также различными способами ускорения твердения цемента (использование добавок-ускорителей твердения, таких, как хлористый кальций, хлористый водород, глиноземистый цемент, сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса или с применением комплексных специальных добавок, активация цементного раствора. Для получения качественного быстротвердеющего бетона используют алюминатный цемент марки М500, домолотого с 3% гипса, жесткой бетонной смеси с В/Ц = 0,35, добавки хлористого кальция в количестве 2% веса цемента и виброперемешивание. По результатам испытаний в первые сутки быстротвердеющий бетон набирает прочность при сжатии 300 – 500 кг/ кв.см.