// //
Дом arrow Научная литература arrow СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ arrow Материалы и изделия на основе минеральных вяжущих
Материалы и изделия на основе минеральных вяжущих

ГЛАВА  6.

Материалы и изделия на основе

минеральных вяжущих

На основе минеральных вяжущих веществ получают красочные составы, используемые для декоративной отделки и защиты внутренней поверхности стен, фасадов зданий, общестроительные (кладочные, отделочные) и специальные растворы, тонкостенные асбоцементные изделия, а также легкие и тяжелые бетоны различного назначения.

6.1. Красочные составы и строительные растворы

Для отделки фасадов зданий и внутренних кирпичных, бетонных, оштукатуренных поверхностей целесообразно использовать шпатлевочные, грунтовочные и красочные составы на основе гипса, извести, жидкого стекла, белого и цветного портландцемента. Работа с ними безопасна, не требует применения таких дорогостоящих и вредных для организма человека материалов, как полимерные смолы и органические растворители. Примеры используемых составов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Виды и назначение малярных составов на основе минеральных вяжущих


Виды связующего

Назначение малярного состава

Применение

Гипс

Шпатлевки

Выравнивание окрашиваемой поверхности

Известь

Грунтовки. Окрасочные

составы:

известковые

известково-гипсовые

Окраска потолков, стен помещений временного характера, а также складов, подвалов.

Окраска по наружной штукатурке

Декоративный

портландцемент

Шпатлевки.

Окрасочные составы:

цементные

известково-цементно-песчаные

Наружная и внутренняя окраска по штукатурке, кирпичу, бетону.

Окраска фасадов по штукатурке

Жидкое стекло

(калиевое, натриевое)

Грунтовки, шпатлевки

Окрасочные декоративные силикатные составы

Кислотостойкие составы

Окраска фасадов и лестничных клеток жилых домов по кирпичу, бетону, штукатурке.

Антикоррозионная защита строительных конструкций

и технологического оборудования

При увеличении доли и размера частиц наполнителя шпатлевки приобретают новые свойства, назначение и название – растворные смеси. Составы растворных смесей, в которые входят такие основные компоненты, как минеральное вяжущее, мелкий заполнитель размером менее 5 мм и вода, рассчитывают в зависимости от назначения по специальным формулам с использованием графиков и таблиц. В результате твердения пластичная однородная смесь приобретает прочность искусственного камня, который называют строительным раствором. Для регулирования свойств в составы вводят минеральные (золы, шлак, опоку, туфы, глину) и химические (ускорители и замедлители твердения, пластификаторы и др.) добавки. При подборе состава растворов необходимо учитывать их технологические особенности, к которым относятся следующие:

-       растворные смеси наносят на готовую поверхность относительно тонким слоем (1 – 2 см);

-       равномерное распределение растворов по поверхности достигается не за счет приложения механических воздействий, а в результате их высокой пластичности;

-       растворные смеси наносят на пористую, водоотсасывающую поверхность материалов;

-       так как скорость выработки растворных смесей небольшая (штукатурные, кладочные работы) и привозят их, как правило, при большом объеме работ на строительные площадки с завода в готовом виде (товарный раствор), следовательно, они должны обладать медленными сроками схватывания и загустевания;

-       в связи с тем, что строительные растворы в процессе эксплуатации не испытывают высоких нагрузок, прочность их небольшая;

-       для достижения заданной марки раствора рационально использовать низкомарочные вяжущие (известь, гипс, наполненный цемент);

-       твердение растворных смесей происходит только в естественных условиях.

Качество растворной смеси оценивают по пластичности, определяемой по глубине погружения металлического конуса определенного размера; водоудерживающей способности, обеспечивающей получение нерасслаиваемых, однородных смесей; срокам схватывания и потери подвижности.

Полученный в результате твердения раствор должен обладать прочностью и специальными свойствами, обусловливающими его применение по назначению. Так при эксплуатации в условиях действия отрицательных температур – морозостойкостью (от F10 до F100), воды под давлением (гидроизоляционный) – высокой плотностью и водонепроницаемостью, жидких агрессивных сред (антикоррозионный) – коррозионной стойкостью, теплоизоляционный раствор должен иметь низкий коэффициент теплопроводности, акустический – обеспечивать поглощение звуковых волн.

Марку растворов по пределу прочности на сжатие определяют на образцах кубах с размером ребра 7,07 см в возрасте 28 сут естественного твердения. При определении марки кладочных растворов с целью приближения условий твердения к реально происходящим образцы изготавливают в формах без дна, устанавливая их на водоотсасывающее основание (кирпич). В зависимости от требуемой марки раствора применяют различные виды вяжущих. Для марок 4 – 25 используют местные вяжущие: известь, гипс; 50 – 75 – смешанные известково-цементные, известково-шлаковые и 100 – 300 – разновидности портландцемента. Экономически целесообразно для строительных растворов использовать наполненные цементы, полученные совместным помолом или смешиванием обычного рядового портландцемента с тонкомолотыми добавками – наполнителями (известняк, песок, опока). Марку раствора принимают по проекту, подвижность смеси назначают с учетом вида и условий работы. Необходимую прочность сцепления раствора с основанием обеспечивают за счет правильного подбора состава, достаточной шероховатостью и чистотой поверхности, смачиванием поверхности перед нанесением растворной смеси.

Растворы классифицируют по назначению на кладочные, отделочные и специального назначения. Кладочные растворы применяют для скрепления мелкоштучных изделий при возведении фундаментов, стен, столбов, сводов из кирпича, природного и искусственного камня, а также при изготовлении и монтаже крупноблочных и крупнопанельных элементов.

Подвижность кладочных растворов принимают в зависимости от назначения и способа укладки. Для заполнения горизонтальных швов при монтаже крупноразмерных стеновых панелей и расшивки швов – 5 – 7 см; изготовления крупных блоков из мелкоштучных материалов (кирпича, камней) и заполнения швов при их монтаже – 9 – 13 см; для кладки из бутового камня – 4 – 6 см. Приготовление кладочных растворов производят с использованием песка крупностью до 2,5 мм в случае применения камней правильной формы и до 5 мм при работе с бутовым камнем.

Вид применяемого вяжущего зависит от проектируемой марки раствора, долговечности здания и температурно-влажностных условий эксплуатации (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Выбор вяжущего для кладки конструкций,

различных по условию эксплуатации [23]

Условия эксплуатации

и вид конструкций

Рекомендуемый вид

основного вяжущего

Надземные стеновые конструкции при относительной влажности воздуха помещений до 60 %.

Фундаменты в маловлажных грунтах

Портландцемент, шлакопортландцемент

 

Шлако- и пуццолановый портландцементы

Надземные стеновые конструкции при относительной влажности воздуха помещений более 60 %

Фундаменты в очень влажных и насыщенных водой грунтах

Пластифицированный и гидрофобный портландцементы

 

Шлако- и пуццолановый портландцементы, известково-шлаковые вяжущие, роман-
цемент

Фундаменты при агрессивных грунтовых водах

Сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент

Крупноразмерные блоки и панели (изготовление и монтаж)

Портландцемент рядовой, пластифици-рованный, шлакопортландцемент

 

Марка раствора для кладки наружных стен в зависимости от влажности помещения составляет М10…50, подземной и цокольной М25…50, заполнения горизонтальных швов при монтаже панелей и блоков от М150 до М100 в зависимости от вида используемого бетона – легкого или тяжелого соответственно. При выполнении кладочных работ в зимнее время для обеспечения набора прочности в растворы вводят противоморозные добавки, понижающие температуру замерзания воды, количество которых зависит от температуры окружающего воздуха и составляет от 5 до 15 % массы вяжущего.

В летний период строительных работ эффективно использование пластифицирующих добавок, повышающих пластичность растворных смесей и замедляющих их загустевание.

Отделочные растворы могут быть обычными штукатурными и декоративными. Первые подразделяют по виду вяжущих – на цементные, цементно-известковые, известковые, известково-гипсовые, гипсовые, известково-глиняные, глиняные; по назначению – для наружных и внутренних штукатурок; по расположению слоев – подготовительные и отделочные. Для штукатурных растворов очень важным показателем является пластичность, которая должна обеспечивать равномерное распределение раствора тонким слоем по поверхности. С целью повышения водоудерживающей способности и исключения расслаиваемости высокоподвижных смесей вводят пластифицирующие добавки, которые могут быть как органическими, так и в виде известкового или глиняного теста.

Выбор вяжущего зависит от условий эксплуатации штукатурного состава. Наружное оштукатуривание фасадов и помещений, эксплуатируемых во влажных условиях (свыше 60 %), выполняют растворами на гидравлических вяжущих. При оштукатуривании стен в помещениях с воздушно-сухим режимом эксплуатации (менее 60 %) применяют следующие виды штукатурных растворов:

-       для внутренних поверхностей наружных каменных и бетонных стен – известковые и цементно-известковые;

-       для поверхностей внутренних каменных или бетонных стен и перегородок – известковые;

-       для гипсовых перегородок – известково-гипсовые и гипсовые с добавлением наполнителя;

-       для оштукатуривания и затирки мест сопряжения конструкций, применяемых в крупнопанельном и крупноблочном строительстве, – сухие смеси, затворяемые водой на рабочем месте.

Наибольшее распространение нашли известковые растворы, которые хорошо сцепляются с кирпичными, шлакобетонными и деревянными поверхностями, хуже – с цементно-бетонными. Поэтому при оштукатуривании бетонной поверхности первый слой (подготовительный) выполняют цементным или известково-цементным раствором. Так как известковые растворы на гашеной извести медленно схватываются и твердеют, их можно готовить для работы на 2 – 3 сут. Растворы на негашеной извести и гипсе теряют подвижность через 5 – 10 мин, поэтому с целью замедления схватывания и облегчения работы с ними в состав вводят глину, цемент или добавки – замедлители твердения. Для надежного сцепления раствора с ремонтируемой бетонной поверхностью используют полимерцементные растворы с предварительной огрунтовкой дефектных мест эмульсией ПВА или к цементному раствору добавляют 5 %-ный водный раствор нитрита натрия.

Декоративные растворы должны обладать светостойкостью и иметь хорошее сцепление с отделываемой поверхностью. Цветные известково-песчаные растворы состоят из известкового теста, песка с небольшими добавками белого или обычного цемента и пигментов. Для отделки фасадной стороны панелей в процессе их формования применяют смеси, состоящие из белого цемента и цветной каменной крошки в соотношении от 1:1 до 1:5, которые имитируют различные горные породы. Для внутренней отделки интерьеров чаще применяют известь, гипс, гипсополимерцемент, цементно-полимерное вяжущее. Заполнителями для декоративных растворов служат промытые кварцевые пески или каменная крошка, получаемая путем дробления горных пород. Используют также керамическую, стеклянную, угольную, сланцевую, пластмассовую крошку с размером частиц 2 – 5 мм, приклеиваемую на полимерцементном составе (внешняя отделка) или водоэмульсионной краске (внутренняя отделка). Для получения искрящихся поверхностей в состав раствора вводят слюду или дробленое стекло, в качестве красящих добавок – щелочестойкие пигменты (охру, сурик железный, оксид хрома, ультрамарин и др.).

К специальным видам растворов относят гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические, кислотостойкие и др. Гидроизоляционные растворы применяют для оштукатуривания внутренних поверхностей отстойников, хранилищ, тоннелей, а также для устройства водонепроницаемых цементных стяжек в санузлах. Для обеспечения водонепроницаемости в них добавляют растворимое стекло, алюминат натрия, хлорид железа, битумную эмульсию. Растворы с алюминатом натрия применяют для заделки трещин в бетоне, через которые просачивается вода, для устройства водонепроницаемых штукатурок по сырым, невысыхающим поверхностям бетона и каменной кладки. С этой же целью используют инъекционные (нагнетаемые) растворы, которые подают на поверхность под давлением.

Теплоизоляционные штукатурки получают из смеси гипсового вяжущего и опилок, пропитанных жидким стеклом, или введением таких легких заполнителей, как перлит, керамзит, шлак. Для усиления акустических свойств за счет создания шероховатой поверхности теплоизоляционные штукатурки наносят без затирки и окраски. В огнезащитные штукатурки, которые могут быть как на основе гипса, так и жидкого стекла в сочетании с огнеупорной глиной, вводят минераловатные гранулы или асбест.

Кислотостойкие растворы представляют собой смесь кислотостойкого тонкомолотого кварцевого наполнителя с кремнефтористым натрием и кислотостойким заполнителем, затворенную жидким натриевым или калиевым стеклом. Эти растворы применяют в качестве кислотостойких штукатурок для антикоррозионного покрытия различных аппаратов и емкостей, а также при облицовке строительных конструкций штучными кислотостойкими материалами. Для повышения водостойкости, плотности и непроницаемости в состав растворов рекомендуется вводить эмульсию парафина, полимерные добавки. Рентгенозащитные штукатурки выполняют с использованием в качестве заполнителя баритового песка, содержащего сернокислого бария не менее 85 %. Этот вид штукатурок применяют взамен дефицитной свинцовой изоляции рентгеновских кабинетов.

Строительные растворы различного назначения поступают на стройплощадки в готовом виде с завода или их получают путем затворения водой сухих смесей, поставляемых в специальной таре.

Второй способ предпочтительнее и находит все большее распространение, благодаря широкой номенклатуре составов, включающих для придания заданных технологических и эксплуатационных свойств, кроме основных компонентов, добавки широкого спектра действия. Так предприятия ОАО «Забудова» (Беларусь) выпускают сухие растворные смеси 50 различных назначений: для кладки кирпича, бетонных блоков, облицовочных работ, внутреннего и наружного оштукатуривания зданий, выполнения наливных самовыравнивающихся полов, гидроизоляционных работ и т.д.

 

6.2. Асбестоцементные изделия

 

На основании портландцемента выпускают также специальный класс тонкостенных изделий – асбестоцементные.

Асбестоцементом называют искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания смеси цемента, асбеста и воды. Цементный камень хорошо сопротивляется сжимающим и плохо растягивающим нагрузкам. Введение в цемент небольшого количества (10 – 20 %) тонковолокнистого минерального асбеста, обладающего высокой прочностью при растяжении и изгибе, улучшает физико-механические свойства цементного камня. Такой материал обладает достаточно высокой прочностью, огнестойкостью, малыми водопроницаемостью, тепло- и электропроводностью, но относительно хрупок и подвержен короблению при изменении влажности. Номенклатура асбестоцементных изделий насчитывает свыше 40 наименований, которые по виду изделий могут быть разделены на следующие основные группы: профилированные листы – волнистые и полуволнистые для кровель и обшивки стен; плоские плиты – обыкновенные и офактуренные или окрашенные для облицовки стен; панели каркасные кровельные и стеновые с теплоизоляционным внутренним слоем; трубы напорные и безнапорные, а также разнообразные специальные изделия: архитектурные, санитарно-технические, электроизоляционные [7].

Сырьевая смесь (в расчете на массу сухих веществ) содержит в среднем 85 % цемента и 15 % асбеста. Асбест получают механической обработкой горной породы хризотил-асбест, которая сравнительно легко расщепляется при механической обработке на тонкие волокна (диаметром до 0,0005 мм), обладающие гибкостью, высокой механической прочностью (600 – 1000 МПа), огнестойкостью и водостойкостью. При смешивании асбеста с портландцементом и водой волокна равномерно распределяются в массе цементного теста, адсорбируя на своей поверхности продукты гидратации цемента. В результате этого схватывание и твердение цемента ускоряются, прочность связи волокон асбеста с цементным камнем увеличивается. В качестве вяжущего при производстве асбестоцементных изделий используют специальный бездобавочный портландцемент для асбестоцементных изделий СТБ 1239-2000. Такой цемент характеризуется быстрым нарастанием прочности как в начале, так и в последующие сроки твердения, замедленным началом схватывания (не ранее 1,5 ч) и достаточно большой тонкостью помола для улучшения сцепления между цементом и волокнами асбеста.

Вода для ускорения набора прочности должна быть слегка подогретой (до 30 °С). Для отделки готовых изделий применяют водонепроницаемые эмали и лаки на основе синтетических смол (перхлорвиниловых, глифталиевых). Получение асбестоцементных строительных материалов мокрым способом обычно слагается из распушки асбестового волокна; смешивания его с водой и цементом (содержание сухих компонентов в зависимости от вида изделий составляет от 3 до 14 %); формования изделий на круглосетчатых листо- или трубоформовочных машинах с использованием вакуумирования, ускоряющего процесс обезвоживания; раскроя отформованных изделий и их твердения. В процесс изготовления могут быть включены дополнительные операции: прессование для повышения плотности плоских листов, волнировка для получения волнистых листов и различные виды отделки. Способ сухого формования, применяемый при производстве облицовочных плиток для стен и пола, предусматривает распушку асбеста, смешение его с цементом и молотым песком в сухом состоянии. Эту смесь, увлажненную до 16 – 18 %, уплотняют на конвейерной ленте катками или под прессом. Крупноразмерные изделия длиной до 6 м, используемые при изготовлении кровельных, стеновых и перегородочных панелей, получают способом экструзии, при котором повышенная однородность, связанность и пластичность формовочной массы обеспечиваются добавкой метилцеллюлозы.

Твердение изделий происходит в две стадии: предварительное в специальных камерах при температуре 50 – 60 оС и влажности 85 – 90 % для набора прочности, обеспечивающей бездефектное транспортирование; окончательное в естественных условиях на специальных складах с температурой не ниже 15 оС. При использовании песчаного, наполненного цемента изделия направляют в автоклавы с давлением пара 0,8 МПа и температурой 175 оС.

Основной объем выпускаемой асбестоцементной продукции составляют крупноразмерные листы: волнистые, применяемые в качестве кровельных покрытий (шифер), и плоские, используемые для изготовления сборных утепленных ограждающих конструкций (плит, панелей).

Стеновые панели и плиты покрытий представляют собой многослойные крупноразмерные изделия, состоящие из деревянного каркаса, внутреннего и наружного облицовочных слоев из асбестоцементных листов и расположенного между ними плитного утеплителя – минераловатного или пенопластового. Асбестоцементные листы и плитки с различной отделкой лицевой поверхности (пленочными, красочными материалами) применяют главным образом для внутренней и наружной отделки стен в общественных и промышленных зданиях.

Для устройства водо-, нефте- и газопроводов, канализации, дымовых и вентиляционных каналов, прокладки телефонных кабелей выпускают асбестоцементные трубы, различные по длине и диаметру. По сравнению с металлическими асбестоцементные трубы в 3 – 4 раза легче, в 2 – 4 раза дешевле, на них не действуют разрушительные блуждающие токи, быстро выводящие из строя металлические трубы. Они более стойки против действия минерализованных вод. Трение воды о стенки этих труб меньше, чем в металлических, что увеличивает их пропускную способность и сокращает расход электроэнергии на перекачивание жидкостей. Значительная теплозащитная способность асбестоцементных труб позволяет укладывать их на меньшей глубине, чем металлические, не опасаясь замерзания воды.

В последние годы некоторые западные страны отказались от использования асбеста, обладающего в силу высокой адсорбционной способности поверхности свойством накопления вредных для человека веществ, заменив его в изделиях стеклянными, базальтовыми, древесными, синтетическими волокнами и бумажной макулатурой.

В странах СНГ ограничено применение асбестоцементных изделий для внутренней отделки помещений в жилых зданиях.

 

6.3. Бетоны и изделия из них

Бетон – искусственный каменный материал, полученный в результате уплотнения и твердения подобранной пластичной смеси, состоящей из минерального вяжущего, добавок, воды и заполнителей.

Изученные в предыдущей главе минеральные вяжущие являются в сочетании с водой основными компонентами любого вида бетона, так как обеспечивают заданную пластичность (формуемость) бетонной смеси, необходимую для получения изделий и конструкций определенной формы и размера, а также прочность и долговечность самой бетонной конструкции.

6.3.1. Технология получения бетонных и железобетонных изделий

и конструкций

Получение бетонных и железобетонных изделий и конструкций включает следующие технологические этапы: входной контроль качества всех используемых материалов (минерального вяжущего, заполнителей, добавок, воды, арматуры и т.д.); расчет состава бетонной смеси и его лабораторную проверку; приготовление заданной бетонной смеси; транспортировку ее к месту изготовления конструкции; укладку в форму (опалубку) и уплотнение; твердение бетона; раскрытие формы (снятие опалубки); отправку готового изделия на строительную площадку или склад готовой продукции.

Расчет состава бетонной смеси проводят по ГОСТ 27006 с использованием графиков и таблиц на основании следующих данных: условий эксплуатации будущей конструкции, с учетом которых подбирают необходимые исходные материалы; показателей их качества; проектируемой марки бетона; пластичности бетонной смеси, которую выбирают в зависимости от размеров бетонируемой конструкции; густоты армирования; способа уплотнения бетонной смеси. Правильность расчетов проверяют в лабораторных условиях путем изготовления опытных образцов из рассчитанного состава и контроля их прочности.

По способу изготовления конструкции подразделяют на монолитные и сборные. При бетонировании монолитных конструкций – фундаментов, гидротехнических сооружений, покрытий дорог бетонную смесь приготавливают в заводских условиях и транспортируют на строительную площадку, где производятся остальные технологические операции. Сборные конструкции получают на специализированных заводах (ЖБИ, ЖБК, КСМ). В зависимости от формы и размеров они могут быть линейными– колонны, ригели, сваи; плоскостными – плиты покрытия, панели стен, перегородок; блочными – фундаменты, стены подвалов; пространственными – санитарные кабины, элементы шахт лифтов, силосов, колодцев (рис. 6.1).

Глава 6-ред

 

Рис. 6.1. Сборные железобетонные конструкции:

1 – колонна; 2 – наружная панель; 3 – внутренняя панель;

4 – лестничный марш; 5 – плита перекрытия многопустотная

 

При сохранении общей последовательности технологии получения сборного железобетона в зависимости от номенклатуры выпускаемых изделий применяют различные технологические линии, учитывающие специфику производимых конструкций. При выборе той или другой линии учитывают вид и марку бетона, форму, размеры и массу изделия, сложность выполнения, вид армирования, насыщенность арматурой и закладными деталями. Эта информация необходима для максимальной совместимости операций в процессе производства изделий. Наиболее широкое распространение получили следующие способы производства: поточно-агрегатный, конвейерный и стационарный, который подразделяют на стендовый, кассетный и блочный [1].

Поточно-агрегатный способ предусматривает изготовление изделий в формах, перемещаемых по отдельным технологическим постам с помощью подъемного крана. Этот способ предпочтителен при мелкосерийном производстве конструкций длиной до 12 м, шириной до 3 м и высотой до 1 м, сложных по технологии выполнения – многослойных стеновых панелей, плит покрытия.

Конвейерный способ обеспечивает высокую механизацию и производительность труда, так как изделия изготавливают методом непрерывного формования. Сама технологическая линия представляет собой движущуюся металлическую ленту, на которой от одного технологического поста к другому перемещается форма с бетонной смесью. Скорость движения ленты определяется самым длительным процессом – тепловой обработкой и составляет около 25 м/ч. Рациональная область применения этой технологической линии – изготовление простейших плоских изделий одного вида: панелей перекрытий, покрытий и внутренних перегородок, аэродромных и дорожных плит.

При стендовом способе изделия формуют и оставляют твердеть в стационарных неперемещаемых формах. Его целесообразно использовать для изготовления таких крупноразмерных конструкций, как фермы, преднапряженные длинноразмерные балки.

По кассетной технологии изготавливают плиты перекрытий, панели внутренних стен и перегородок. В качестве стационарных форм используют вертикальные кассеты, состоящие из нескольких заполняемых бетонной смесью отсеков, ограниченных стальными стенками с расположенными на них навесными вибраторами для равномерного уплотнения бетонной смеси и паровыми рубашками, обеспечивающими прогрев бетонных изделий. Основным преимуществом этого метода является резкое сокращение производственных площадей. Следующий способ предусматривает производство сложных объемных элементов. При формовании объемных блоков (санитарно-технических кабин, шахт лифтов) на установке типа «колпак» вначале монтируют арматурный каркас, затем закрепляют щиты формы и бетонируют стены и потолок блока. Прогрев изделий осуществляют на месте с помощью нагрева сердечника. Для съема готового изделия сердечник опускают вниз (рис. 6.2).

При изготовлении конструкций, условия эксплуатации которых связаны с действием больших растягивающих и изгибающих нагрузок, для повышения трещиностойкости бетона используют преднапряженную арматуру.

 

Глава 6-ред

 

Рис. 6.2. Схема формования объемных блоков:

а – установка арматуры; б – сборка формы перед бетонированием;

в – бетонирование стен блока; г – съем готового блока

 

В этом случае бетон искусственно обжимается контактирующей с ним предварительно растянутой арматурой и работает на растяжение только тогда, когда растягивающие напряжения превосходят по величине сжимающие. Одним из создателей преднапряженного бетона был советский ученый исследователь В. Михайлов. Различают два основных способа натяжения арматуры: до бетонирования конструкции и после бетонирования. В первом случае арматуру предварительно растягивают с помощью домкратов или электротермическим способом и концы закрепляют в форме. После укладки, уплотнения бетонной смеси и набора бетоном определенной прочности концы арматуры обрезают. Арматура, стремясь вернуться в первоначальное ненапряженное состояние, обжимает контактирующий с ней бетон, переводя его в сжатое состояние. В конструкциях с натяжением арматуры после бетонирования арматуру располагают в специальных каналах, образованных в бетоне трубами-пустотообразова-телями, вставляемыми в форму до бетонирования и извлекаемыми из бетона после достижения им определенной прочности. Затем производят натяжение арматуры, закрепление ее концов и заливку каналов цементно-песчаным раствором. Освобождение арматуры выполняют после набора раствором определенной прочности. Для преднапряженных конструкций применяют бетон высоких марок и высокопрочную арматурную сталь в виде отдельных струн или канатов из высокопрочной проволоки, а также стержней больших диаметров периодического профиля.

Преднапряженные конструкции эффективнее обычных, так как более полное использование несущей способности арматуры и бетона позволяет значительно снизить массу изделий, их материалоемкость, повысить трещиностойкость и долговечность. Номенклатура изделий, которые целесообразно изготавливать с предварительным натяжением арматуры, – это покрытия зданий, пролетные строения и опоры мостов, железобетонные сваи и трубы, шпалы, опоры ЛЭП, телебашни, плавучие доки, защитные оболочки.

В мировой практике из преднапряженного монолитного железобетона возводят промышленные, гражданские и жилые здания, плотины и энергетические комплексы. Примером такого строительства может служить московская телебашня высотой 537 м, где преднапряженный железобетон является основным материалом до отметки 380 м, а также самая высокая телебашня (555 м) в Торонто.

При строительстве большепролетных вантовых мостов напрягаемую арматуру располагают в каналах без заполнения их раствором или бетоном, т.е. исключается сцепление этих двух составляющих железобетона. В этом случае арматуру защищают от коррозии или специальными оболочками, или антикоррозионными составами. Мировой рекорд для таких конструкций принадлежит мосту «Нормандия», где пролет достигает 864 м. Незаменим этот материал и для корпусов реакторов и защитных оболочек атомных электростанций. Именно отсутствие такой оболочки явилось одной из причин чернобыльской катастрофы.

Преднапряженный железобетон можно также получить за счет применения напрягающего цемента специально подобранного состава. Сжимающие напряжения в бетоне возникают в результате образования крупнокристаллических продуктов гидратации цемента, приводящих к значительному расширению цементного камня. Так как это расширение происходит в ограниченном формой замкнутом объеме, бетону передаются сжимающие усилия, что повышает его трещиностойкость в процессе эксплуатации.

Бетонную смесь получают на централизованных бетоносмесительных узлах (заводах) в виде пластичного материала, обладающего связанностью и однородностью, или из сухой смеси компонентов. В первом случае бетонная смесь готова для изготовления конструкций (БСГ), во втором – ее использование возможно после дополнительного введения воды и тщательного перемешивания составляющих непосредственно на строительной площадке (БСС). Это удобно при дальнем расположении строительного объекта от бетонного завода.

Приготовление бетонной смеси включает подготовку материалов, их дозирование и перемешивание. Большинство операций по подготовке заполнителей: дробление, удаление загрязняющих примесей, разделение по фракциям и другие подобные операции осуществляют на предприятиях по производству нерудных материалов. Подогрев заполнителей при зимнем бетонировании проводят на складах или в бункерах на заводе при помощи паровых труб либо непосредственным пропусканием пара, горячего воздуха через заполнитель. Водный раствор добавок нужной концентрации готовят в специальной емкости, снабженной системой трубопроводов для подачи сжатого воздуха и пара для улучшения перемешивания.

Подготовленные материалы взвешивают на специальном оборудовании – дозаторах (весовых и объемных): цемент, воду, добавки – с точностью до 1 %; заполнители – до 2 % и подают в бетоносмеситель. Принцип действия этого агрегата зависит от свойств бетонной смеси. Для получения пластичных смесей на плотных заполнителях применяют смесители свободного падения, в которых перемешивание происходит за счет вращения барабана и многократного подъема и сбрасывания материалов с некоторой высоты. Смеси жесткие и на пористых заполнителях получают в смесителях принудительного действия. Более энергичное перемешивание в течение 2 – 5 минут достигается путем использования вращающихся лопастей.

Качество бетонной смеси оценивают по ее связности, однородности и удобоукладываемости формуемости. Эти свойства зависят от вязкости и количества цементного теста, обволакивающего заполнитель и заполняющего пустоты между ним. Количество цементного теста должно быть достаточным для того, чтобы эта многокомпонентная система приобрела связность, т.е. превратилась в структурированную однородную систему с определенными физическими и механическими свойствами. Увеличение содержания цементного теста сверх оптимального в бетонной смеси и, следовательно, цементного камня в бетоне относительно пористого материала по сравнению с плотным заполнителем (рис. 6.3) приводит к снижению ряда эксплуатационных свойств. Повышаются усадка и ползучесть бетона, избыточное тепловыделение при гидратации приводит к появлению трещин и снижению прочности, морозостойкости (рис. 6.4), водонепроницаемости [1].

Глава 6-ред

Рис. 6.3. Зависимость общей (сплошные линии) и капиллярной

(пунктирные линии) пористости цементного камня

от содержания цементного теста [1]

 

Глава 6-ред

Рис. 6.4. Эталонная кривая зависимости морозостойкости бетона

от капиллярной пористости [1]

 

Чтобы бетонная смесь стала подвижной и легко заполняла определенный объем, необходимо не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного теста. Чем больше раздвижка, тем легче скольжение заполнителя по отношению друг к другу и, следовательно, выше пластичность смеси. В зависимости от свойств (плотный или пористый) и соотношения между мелким и крупным заполнителями минимальное содержание цементного теста в бетонной смеси, обеспечивающее ее нерасслаиваемость и качественное уплотнение, составляет 170 – 200 л в жесткой смеси и до 220 – 270 л в подвижной и литой.

Рассмотрим, как влияют свойства компонентов на подвижность бетонной смеси при неизменном расходе воды. Чем тоньше помол цемента и чем больше он содержит молотых добавок – трепела, диатомита, опоки (пуццолановый портландцемент), тем жестче бетонная смесь. Это связано с увеличением суммарной площади поверхности частиц, которая для получения пластичной смеси должна быть покрыта тонким слоем воды.

Подвижность существенно зависит также от формы, размера и чистоты поверхности заполнителей. Пылевидные примеси, адсорбируя на своей поверхности часть воды затворения, повышают водопотребность бетонной смеси, снижая ее подвижность. Большое влияние оказывает также соотношение между песком и щебнем. Так подвижность повышается при увеличении доли крупного заполнителя и использовании гравия окатанной формы.

С повышением содержания воды пластичность смеси значительно повышается [1]. Каждая бетонная смесь обладает определенной водоудерживающей способностью, устанавливаемой опытным путем. При большом содержании воды (рис. 6.5) вязкость цементного теста становится недостаточной для удерживания заполнителя во взвешенном состоянии и равномерного его распределения по всему объему. Плотный тяжелый заполнитель под действием собственной массы оседает, происходит расслоение бетонной смеси. Избыточная вода, как наиболее легкий компонент, обтекая зерна заполнителя, отжимается вверх. Образуются капиллярные ходы, снижающие морозостойкость и водонепроницаемость бетона, которые в результате последующей гидратации несколько повышаются (рис. 6.6). Вода скапливается также под зернами крупного заполнителя, образуя полости, ухудшающие строение и свойства бетона. Особенно интенсивно этот процесс протекает при уплотнении. Наблюдаемое расслоение нарушает не только однородность бетонной смеси, но и бетона в конструкциях при его твердении. Поэтому водоотделение строго ограничено и может составлять в зависимости от удобоукладываемости смеси от 0,1 до 0,8 %. Исключить расслоение можно за счет снижения расхода воды, увеличения расхода цемента, введением добавок пластификаторов и суперпластификаторов, увеличением содержания мелкого заполнителя и применением специальных добавок, повышающих вязкость цементного теста (например, высокогидрофильной бентонитовой глины) [26].

Глава 6-ред

Рис. 6.5. Водоотделение в цементном тесте в зависимости от относительного водосодержания [1]

Рис. 6.6. Изменение водонепроницаемости бетона во времени [1]

На практике самой важной характеристикой бетонной смеси является ее удобоукладываемость – способность равномерно занимать определенный объем под действием собственной силы тяжести, если смесь высокопластична, или приложения нагрузки, например, вибрации при жесткой бетонной смеси. Для оценки удобоукладываемости в зависимости от ее пластичности используют следующие показатели: подвижность и жесткость. Подвижность определяют для пластичных бетонных смесей, замеряя осадку в сантиметрах отформованного из бетонной смеси усеченного стандартного конуса. Этот показатель является статической характеристикой структурной прочности бетонной смеси, т.к. ее осадка происходит под действием собственной массы. В зависимости от осадки конуса (ОК) различают низкопластичные смеси (П1, П2) с ОК 1 –4 и 5 – 9 см соответственно, пластичные (П3, П4) с ОК 10 – 15 и 16 – 20 см и литые (П5) с ОК более 20 см. При наличии жестких смесей с ОК менее 1 см применяют другой показатель – жесткость. Это динамическая характеристика вязкости бетонной смеси, т.к. ее определяют с применением вибрации. На практике жесткость оценивают или с использованием упрощенной методики проф. Б.Г. Скрамтаева по времени вибрации в секундах, достаточном для заполнения отформованным усеченным бетонным конусом формы – куба определенного размера, или применяя специальный прибор. К сверхжестким относят смеси при времени вибрации от 100 и более до 41 с (СЖ 3, 2, 1) жестким от 40 до 5 с (Ж 4, 3, 2, 1) (СТБ 1035-96).

Показатели подвижности и жесткости назначают с учетом насыщенности арматуры, модуля поверхности бетонируемой конструкции и горизонтального или вертикального расположения формы при уплотнении. Повысить пластичность бетонной смеси можно за счет увеличения водоцементного отношения, введения добавки пластификатора и суперпластификатора, увеличения расхода цемента и снижения расхода мелкого заполнителя. Из вышеизложенного следует, что свойства бетонной смеси зависят от количества и свойств составляющих компонентов.

После приготовления бетонную смесь транспортируют к месту укладки. На территории завода для этой цели используют ленточные конвейеры, а также общие способы доставки, пригодные как для получения монолитного, так и сборного железобетона: автосамосвалы, автобетоносмесители, автобетоновозы. Одним из прогрессивных методов подачи бетонной смеси на строительные площадки, в цеха и полигоны завода является трубопроводный транспорт. Он удобен для подачи больших объемов бетонной смеси в конструкции, к которым затруднен либо невозможен подъезд автотранспорта, при подземном строительстве, где исключена подача смеси строительными кранами. Еще одним преимуществом трубопроводного транспорта является возможность непрерывной подачи бетонной смеси к месту производства работ, которая осуществляется пневматическим способом либо гидравлическим – бетононасосами.

Перед подачей бетонной смеси форму подготавливают: очищают, смазывают, укладывают согласно проекту арматуру и закладные детали. При формовке бетонных и железобетонных изделий и конструкций используют свойство бетонной смеси – тиксотропность. Это способность многокомпонентного пластичного состава понижать вязкость под действием нагрузки (вибрации) в результате нарушения сцепления между частицами и восстанавливать структурную целостность и прочность при снятии механического воздействия. Таким образом, бетонная смесь обладает, с одной стороны, свойствами жидкости, способной занимать определенный объем, с другой, – твердого тела, обладающего структурной прочностью.

На заводах сборного железобетона изделия обычно формуют на специальных виброплощадках. Для уплотнения сверхжестких смесей применяют вибрирование с пригрузом: вибропрессование, виброштампование, для литых – вибровакуумирование, основанное на частичном удалении воды за счет создаваемой разности давления на верхней и нижней поверхностях бетонируемой конструкции. В последнее время получили распространение ударный и безвибрационные способы уплотнения, которые обеспечивают экономию энергии, уменьшают опасность вибрационного воздействия на рабочих. При ударном способе изготовления изделий формы с пластичной бетонной смесью многократно поднимают и опускают с небольшой высоты. При этом происходит постепенное уплотнение и равномерное распределение бетонной смеси по всему объему. Из безвибрационных наиболее известны наливной, набивной и метод центрифугирования.

При наливном способе используют высокоподвижные литые бетонные смеси, которые равномерно распределяются при заливке их в форму. Для исключения возможного расслаивания в них вводят тонкомолотые минеральные добавки или добавки пластификаторов и суперпластификаторов при сохранении водоцементного отношения.

Набивным способом в зависимости от последовательности приготовления смеси получают шприц-бетон и торкрет-бетон. И тот, и другой подают в форму или на защищаемую поверхность под давлением сжатого воздуха. Отличие состоит в том, что в первом случае сухую смесь из песка и цемента смешивают с водой непосредственно при выходе из сопла, во втором – относительно пластичный состав готовят заранее и подают под давлением в форму. Для изготовления полых изделий – труб, колонн применяют центробежный способ формовки, основанный на равномерном распределении по поверхности формы и уплотнении подаваемой бетонной смеси под действием центробежной силы, возникающей при вращении.

При изготовлении монолитных конструкций вначале устанавливают опалубку и арматуру. Опалубка может быть из досок, фанеры или металлических листов. Для повышения стойкости деревянную опалубку защищают слоем из полиэтилена или армированного стекловолокном пластика. Иногда в качестве опалубки используют железобетонные плиты, которые являются частью будущей сборно-монолитной конструкции. Арматуру устанавливают в соответствии с проектом в виде арматурных стержней или каркасов. Для особо ответственных конструкций используют так называемую жесткую арматуру в виде двутавров, швеллеров и проката специальных профилей. Бетонирование больших монолитных сооружений или конструкций ведут отдельными блоками, устраивая между ними рабочие швы. Блок бетонируют непрерывно, поэтому каждая последующая порция бетонной смеси должна быть уложена и уплотнена глубинными и поверхностными вибраторами до схватывания предыдущей.

Большое внимание, которое сейчас уделяют производству высокопрочных морозостойких тротуарных, дорожных и облицовочных бетонных плит, бордюрных камней, брусчатки заставило вернуться к технологии бетона сухого формования, которая была изначально предложена советским инженером И.В. Вольфом еще в 1937 г. и в дальнейшем дополнялась и развивалась учеными многих стран. Особенностью этой технологии является уплотнение сухой бетонной смеси в форме или опалубке с последующим влагонасыщением водой, паром или растворами различных химических добавок. Таким образом получают изделия с прочностью на сжатие до 80 МПа, водопоглощением менее 2 %, истираемостью менее
0,5 г/см2 и маркой по морозостойкости F 1000 и более. Высокие показатели качества достигаются за счет плотной упаковки сухих компонентов бетонной смеси в единице объема и подвода минимального количества воды, необходимой для заполнения оставшихся пустот и обеспечения реакции гидратации цемента. При такой технологии исключается необходимость введения повышенного количества воды для обеспечения удобоукладываемости смеси, которая затем вызывает формирование дефектной пористой структуры бетона.

Самый сложный процесс в этой технологии – влагонасыщение. Ученые разных стран предлагали многочисленные способы введения воды, основанные на явлении капиллярного подсоса, нагнетания пара под давлением или использования снега и гранул льда. В Беларуси этими работами руководит проф. Н.Н. Ахвердов. По предложенной им технологии изделия получают повторным вибрированием смеси, влагонасыщенной паром под давлением. Эффективна эта технология и при зимнем бетонировании монолитных крупноразмерных конструкций. Для их изготовления в опалубку вместе с арматурой устанавливают съемные перфорированные металлические трубы. Затем послойно укладывают, уплотняют сухую бетонную смесь, подаваемую по гибкому рукаву, и подают по трубам водяной пар. Конденсируясь пар насыщает смесь влагой и разогревает ее за 20 – 30 секунд до температуры 60 – 80 оС, что обеспечивает набор прочности за
24 часа от 70 до 90 % марочной.

Теоретические разработки в области структурообразования цементосодержащих композиционных материалов, по мнению Ю.М. Баженова, дают предпосылки для создания новых технологий получения как узкоспециальных материалов, так и изделий, конструкций широкого массового применения. В первом случае технология основана на использовании однородно распределенных по объему таких ультрамалых частиц, как активный кремнезем, микроволокна, позволяющем при В/Ц = 0,06 – 0,2 получать высокопрочные материалы на уровне 250 – 650 МПа.

Второе направление предусматривает применение высококачественных цементов, полученных совместным помолом с комплексной добавкой на основе суперпластификаторов (ВНВ), позволяющих получить при В/Ц = 0,1 – 0,18 особо плотную структуру цементного камня с прочностью на изгиб 40 – 150 МПа и сжатие 100 – 300 МПа. Для повышения прочности на сжатие до 800 МПа перспективно сочетание нескольких технологических приемов, например, введение фибронаполнителей, активного микрокремнезема и химических добавок суперпластификаторов. Для массового строительства все в большем объеме используют мелкозернистые бетонные смеси, модифицированные многофункциональными добавками.

Важнейшей технологической особенностью бетонной смеси любого состава является ее способность постоянно изменять свои свойства под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды, которые сопровождаются потерей подвижности и образованием прочного искусственного камня.

 

6.3.2. Влияние температуры и влажности

на процесс твердения бетона

При возведении монолитных конструкций на строительной площадке бетон твердеет в условиях, которые зависят от времени года и климатических особенностей местности. На набор прочности бетоном большое влияние оказывают температурно-влажностные условия твердения. Снижение влажности воздуха вызывает испарение воды с поверхности отформованного бетонного изделия, что приводит к появлению усадочных трещин, обезвоживанию бетона, прекращению набора прочности в условиях дефицита воды (рис. 6.7) и формированию дефектной, водопроницаемой структуры. Поэтому бетон необходимо выдержать во влажном состоянии при нормальных условиях температура (20 ± 3) °С, влажность (95 ± 5) % не менее 7 суток после бетонирования, а при высоких температурах твердения до достижения 50 – 70 % марочной прочности [14].

Глава 6-ред

Рис. 6.7. Влияние условий хранения на нарастание прочности бетона [4]:

1 – постоянно водное хранение; 2 – постоянно воздушное хранение; воздушное хранение после начального водного хранения: 3 – 3 сут; 4 – 7 сут; 5 – 14 сут; 6 – 28 сут

Снижение температуры твердения, что имеет место при производстве бетонных работ в осенне-весенний период вследствие уменьшения химической активности воды затормаживает процесс набора прочности (рис. 6.8), что в большей степени характерно для пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента, содержащих большое количество минеральных добавок.

Установлено, что при понижении температуры до отрицательной
(– 5 °С) твердение бетона очень замедленно продолжается за счет незамерзающей воды, которая содержится в мельчайших порах (см. рис. 6.8). Дальнейшее понижение температуры до – 10 °С и ниже прекращает процесс гидратации. Последующее нарастание прочности при оттаивании бетона и набор марочной прочности зависят от происшедших структурных изменений в бетоне. Если замораживание наступило сразу после укладки бетона в конструкцию, то дальнейшее повышение температуры приводит к оттаиванию бетона и набору им заданной марки. Если бетон замерз после набора той «критической» прочности, когда сформировавшаяся структура бетона уже способна к восприятию без разрушения давления замерзающей воды, то потери конечной прочности будут малы. Значительный недобор прочности (30 – 40 %) может иметь место только при условии замораживания бетона на стадии формирования структуры, когда напряжения, возникающие от давления льда вследствие увеличения его объема по отношению к воде на 9 % выше, чем прочность контактов между кристаллическими продуктами гидратации. Происшедшие разрушения не восстанавливаются при последующем твердении в условиях положительных температур, что и влечет за собой формирование дефектной структуры с низкой прочностью [14].

Глава 6-ред

Рис. 6.8. Нарастание прочности бетона на портландцементе

в зависимости от температуры твердения [14]

Для набора «критической» прочности, которая составляет в зависимости от марки бетона 25 – 50 %, применяют комплекс мер: использование высокоэффективных быстротвердеющих портландцементов; снижение расхода воды затворения; введение специальных противоморозных добавок, обеспечивающих гидратацию вяжущего за счет понижения температуры замерзания раствора; теплоизоляцию поверхности свежеуложенного бетона, приготовленного на подогретых заполнителях и воде или с применением противоморозных добавок (метод термоса), а также тепловую обработку с использованием энергии пара, нагретого воздуха или электрического тока. Тепловую обработку применяют и при нормальных условиях твердения, когда хотят получить заданную прочность бетона в более короткий срок. Именно этот технологический прием используют при получении сборного железобетона на заводах. Наибольшее распространение получили следующие методы: термовлажностная обработка при нормальном и повышенном давлениях, электропрогрев и гелиообработка.

Термовлажностную обработку (ТВО) при обычном давлении проводят с использованием специальных герметичных камер, режим работы которых предусматривает повышение температуры до 70 – 95 °С в условиях насыщенного пара. Весь процесс можно разделить на четыре основных этапа: предварительная выдержка бетона до начала схватывания; медленный подъем температуры до максимальной заданной; выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение бетонных изделий. Первый этап может составлять от 1,5 до 3,5 часов и зависит от жесткости смеси, вида применяемого цемента и добавок. Так как его продолжительность фактически определяется сроками схватывания и структурообразования, то следовательно при использовании более активных цементов, смесей с малым водосодержанием и добавками ускорителями выдержка минимальна. Применение шлако- и пуццоланового портландцемента, пластичных смесей и добавок пластификаторов, несколько замедляющих процесс гидратации цемента в первые часы контакта вяжущего с водой, требует удлинения этого периода [1].

Второй этап – подъем температуры характеризуется показателями скорости, которая может составлять от 10 до 30 оС/ч. Чем раньше бетон приобретет минимальную структурную прочность, способную противостоять давлению пара и газообразных продуктов, тем больше может быть скорость подъема температуры. Следовательно, продолжительность этого периода тесно связана с предыдущим. При наличии факторов, обусловливающих сокращение времени выдержки, скорость подъема температуры может составлять 30 оС/ч. Максимальная температура зависит от активности портландцемента (рис. 6.9) и составляет для высокоактивного быстротвердеющего портландцемента 50 – 60 оС, рядового – 70 – 80 оС, шлако- и пуццоланового – 85 – 90 оС. Время изотермии определяется заданной заказчиком прочностью бетона после ТВО, которая, как правило, составляет 50 – 70 % марочной. В отдельных случаях, когда строителями предусматривается нагружение конструкции расчетной проектной нагрузкой, отпускная прочность соответствует марочной – 100 % R28. Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает перепад температуры и влажности, вызывающий перемещение воды и пара в еще непрочном бетоне, приводящее к разрыхлению структуры. Поэтому ускорение набора прочности бетоном с использованием ТВО обусловливает формирование более дефектной структуры по сравнению с бетоном, твердевшим в нормальных температурно-влажностных условиях. Как следствие, это ведет к снижению его водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для исключения влагопотерь с поверхности бетонных изделий при ТВО необходимо использовать рулонные пароизоляционные материалы (полимерные пленки, прорезиненную ткань, рубероид и т.д.), пленкообразующие составы (латексные, водные эмульсии синтетических каучуков), наносимые распылением на поверхность свежеотформованного бетона, иди добавки депрессоры испарения (высшие жирные спирты). Их защитное использование позволяет проводить термообработку продуктами сгорания природного газа без ухудшения свойств бетона.

 

Глава 6-ред

Рис. 6.9. Кривые нарастающей прочности бетона при пропаривании:

а – для портландцемента; б – для шлакопортландцемента [1]

 

Уменьшить продолжительность ТВО на 3 – 6 часов и снизить энергоемкость процесса можно путем совмещения интенсивного механического и теплового воздействия на бетон. Применение в период структурообразования механических воздействий (динамометрическая обработка) способствует ускорению набора прочности и повышению плотности бетона. Механическое давление на твердеющую смесь, составляющее 10 – 70 г/см2, по рекомендации НИИЖБа может создаваться специальным пригрузом, жесткой крышкой форм, пакетированием изделий или избыточным давлением пара в камере. Один из путей снижения энергозатрат при ТО – применение комплексных добавок, состоящих из ускорителей и суперпластификаторов. Основной эффект последних связан с возможностью снижения расхода воды при сохранении заданной пластичности самого теплоемкого компонента бетонной смеси на 20 % и более. Применение этих добавок позволяет не только снизить температуру экзотермии, но и отказаться от использования бездобавочных (клинкерных) энергоемких цементов при получении бетонов марок 600 – 700, а также уменьшить в 3 – 5 раз продолжительность и интенсивность виброуплотнения.

Повышение температуры ТВО свыше 100 °С еще в большей степени ускоряет процесс твердения бетона. Так как гидратация минерального вяжущего может протекать только в присутствии воды, то с целью предупреждения ее вскипания и испарения этот вид термообработки проводят при повышенном давлении. Запаривают бетон в специальных герметичных камерах – автоклавах. Помимо ускорения твердения запаривание приводит к дополнительному образованию кристаллических соединений, повышающих прочность бетона до 50 – 100 МПа. По автоклавной технологии получают цементные изделия, а также силикатные кирпичи и бетоны, в которых в качестве вяжущего используют тонкомолотую смесь, состоящую из гашеной или негашеной извести и кремнезема. Полный цикл автоклавной обработки состоит из пяти этапов: впуск пара и постепенный нагрев до 100 °С; повышение температуры и давления пара до максимальных значений – соответственно 175 – 203 °С и 0,8 – 1,6 МПа; затем выдерживание изделий при заданных температуре и давлении; снижение давления до нормального и температуры до 100 °С и пятый – остывание изделий до температуры окружающей среды.

В качестве источника тепла при производстве сборного железобетона и при зимнем бетонировании монолитных конструкций используют также энергию электрического тока. Электропрогрев бетона может быть осуществлен или за счет прохождения электрического тока по металлической форме и арматуре и перехода электрической энергии вследствие высокого электросопротивления стали в тепловую, или через свежеуложенный бетон между двумя электродами. В этом случае разогрев бетона обусловлен высоким электросопротивлением свежеуложенной смеси, содержащей жидкую фазу, насыщенную электролитами [14].

В летний период сложность получения качественного бетона с заданными свойствами связана с тем, что, во-первых, при перевозке бетона вследствие ускорения процесса гидратации наблюдается быстрое загустевание бетонной смеси, сопровождаемое потерей ее подвижности, и, во-вторых, высокая температура и низкая влажность воздуха вызывают интенсивное испарение воды с поверхности отформованных изделий. Последнее приводит к появлению усадочных трещин и формированию непрочного поверхностного слоя. Поэтому перевоз бетонной смеси осуществляют в специально оборудованных самосвалах с укрытием бетонной поверхности пленочными материалами или в бетоновозах. Для удлинения времени схватывания вводят добавки – замедлители твердения или часть воды заменяют льдом. При приготовлении и укладке бетонной смеси на месте процесс твердения ускоряют, чтобы бетон успел набрать прочность до испарения воды путем введения добавок – ускорителей твердения или применения быстротвердеющего портландцемента. Поверхность бетона после схватывания покрывают слоем мокрого песка или опилок с последующей защитой их воздухо- и влагонепроницаемым пленочным материалом до набора бетоном 50 – 70 % марочной прочности.

В практику строительства все шире внедряют гелиотермообработку железобетонных изделий, при которой в качестве теплоносителя используют солнечную энергию. Для этого применяют или гелиоформы, фокусирующие энергию солнца, или специальные пленочные покрытия черного цвета. Интенсифицировать этот процесс можно также за счет комплексного использования энергии солнца в сочетании с быстротвердеющим цементом и добавками – ускорителями твердения.

 

6.3.3. Структура и свойства бетона

Условия твердения, вид и качество минерального вяжущего, заполнителей, воды и добавок предопределяют структуру и свойства бетона. Образование этого искусственного каменного монолитного материала происходит за счет сцепления цементного камня с зернами заполнителя. Прочность полученного контактного слоя зависит от пористости заполнителя и его способности к химическому взаимодействию с вяжущим веществом. Следовательно, бетон состоит из цементного камня, зерен заполнителя, контактного слоя между ними и пор: воздушно-замкнутых, образованных за счет вовлечения воздуха в бетонную смесь при перемешивании, и капиллярно-открытых, полученных в результате испарения воды, не участвующей в гидратации.

Различают макро- и микроструктуру бетона. Макроструктуру оценивают визуально или при небольшом увеличении. Элементами структуры являются крупный заполнитель, песок, цементный камень, поры различного характера.

Микроструктуру, которая включает непрореагировавшие зерна цемента, кристаллические новообразования, микропоры различного размера, изучают при большом увеличении под микроскопом (до 30000 раз). Свойства бетона в большей степени зависят от состава и микроструктуры цементного камня, а также от состава и строения контактного слоя. Свойства цементного камня определяются степенью гидратации минерального вяжущего, прочностью и долговечностью образованных кристаллических продуктов, наличием и размером микропор. Установлено, что пористость тяжелого бетона на плотном заполнителе обусловлена в основном пористостью цементного камня

Побщ = Глава 6-ред,

где Побщ – общая пористость цементного камня, %; В – расход воды на 1 м3 бетона; а – степень гидратации цемента, определяемая химическим методом; Ц – расход цемента на 1 м3 бетона.

В зависимости от механизма образования поры цементного камня подразделяют на поры геля (0,001 – 0,001 мкм), контракционные (0,01 –
0,1 мкм) и капиллярные (более 0,1 мкм).
Наиболее опасны открытые капиллярные поры, доступные для воды при обычных условиях водонасыщения и фильтрации под давлением. Наличие капиллярных пор снижает морозостойкость, водонепроницаемость, долговечность бетона.

Монолитность, проницаемость и стойкость бетона в значительной степени определяются качеством контактного слоя между заполнителем и цементным камнем. От его ширины, плотности и прочности зависит, будет ли бетон работать как единое целое. На ширину контактного слоя, которая составляет 30 – 180 мкм, влияют следующие факторы: пористость и шероховатость поверхности заполнителя, его химический состав, вид и активность цемента, водосодержание смеси и условия твердения бетона. Тепловая обработка, как правило, увеличивает в 2 – 3 раза ширину контактного слоя, который по своему составу и свойствам отличается от цементного камня в объеме. Это связано с тем, что заполнитель, как правило, не является инертным компонентом бетона, а взаимодействует с цементным камнем, образуя новые кристаллические соединения. Пористые заполнители вследствие проникновения цементного теста в поры зерен обладают большей прочностью сцепления с цементным камнем, чем плотные. Состав, структура, прочность цементного камня и контактного слоя предопределяют основные эксплуатационные свойства бетона.

К основным эксплуатационным свойствам бетона, обеспечивающим долговечность его службы в конструкции, относятся прочность, деформативность, проницаемость, морозо- и коррозионная стойкость.

Прочность – способность материала воспринимать действие нагрузок без разрушений. Бетон представляет собой хрупкий искусственный композиционный каменный материал, поэтому на сжатие он работает в
10 – 20 раз лучше, чем на изгиб. Как правило, строительные конструкции эксплуатируют в сложных условиях нагружения, когда сжимающие нагрузки сочетаются с изгибающими и растягивающими (балки, фермы), поэтому при проектировании нагрузки распределяют и рассчитывают таким образом, чтобы сжимающие воспринимал бетон, а изгибающие и растягивающие — арматура. В связи со спецификой бетона, этого прочного, относительно хрупкого конструкционного материала, его основной характеристикой является прочность на сжатие. В зависимости от конкретных условий эксплуатации конструкции дополнительно проводят испытания на осевое растяжение при изгибе и раскалывании. Контроль прочности бетона проводят разрушающими методами с использованием специально отформованных контрольных образцов или полученных выпиливанием (выбуриванием) из бетона конструкций, а также неразрушающими – непосредственно в изделиях. Контрольные образцы изготавливают из бетонной смеси формуемой конструкции и направляют вместе с ней на твердение в естественных условиях, пропарочную камеру или автоклав. Проектную марку и класс бетона определяют на образцах кубах, выдержанных 28 суток при влажности более 95 % и температуре 20 ± 5 оС (ГОСТ 18105-86).

Контроль прочности бетона в эксплуатируемых зданиях и сооружениях проводят на образцах правильной формы, выбуренных или выпиленных из конструкции (ГОСТ 28570-90). Для определения прочности на сжатие и растяжение при раскалывании используют образцы кубы и цилиндры, осевое растяжение – призмы квадратного сечения и цилиндры, а при изгибе – призмы квадратного сечения.

В зависимости от максимального размера крупного заполнителя (от 20 до 100 мм) наименьший размер образца (ребра куба, стороны сечения призмы или диаметра цилиндра) может изменяться от 100 до 300 мм. За базовый при всех видах испытаний следует принимать образец с размером рабочего сечения 150х150 мм.

Для приведения прочности бетона образцов других размеров к базовому используют масштабные коэффициенты.

Прочность бетона рассчитывают по следующим формулам (ГОСТ 10180-90):

-       на сжатие Глава 6-ред;

-       на осевое растяжение Глава 6-ред;

-       на растяжение при раскалывании Глава 6-ред;

-       на растяжение при изгибе Глава 6-ред,

где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); А – площадь рабочего сечения образца, мм2 (см2); a, b, l – соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами при изгибе, м (см); a, b, g, d – масштабные коэффициенты; KW – поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Методы контроля прочности путем испытания бетонных образцов, изготавливаемых отдельно от конструкции, имеют существенные недостатки. К ним, в частности, относятся:

1.     Условия укладки, уплотнения и твердения бетона в образцах и сооружениях или конструкциях различны.

2.     Так как объем испытываемых образцов в 1000 – 10000 раз меньше объема бетонируемой конструкции, то надежность контроля невелика.

3.     Применяемые методы не позволяют оценить однородность бетона в конструкции.

4.     При испытании образцов нельзя проконтролировать изменения прочности, происходящие в процессе эксплуатации конструкции.

Непосредственно в изделиях и сооружениях контроль прочности бетона проводят с использованием механических и физических неразрушающих методов испытаний.

Механические основаны на вдавливании штампа в бетонную поверхность под действием удара, который наносят либо с помощью специальной пружины, либо выстрела или вручную специальным молотком. По диаметру отпечатка на бетонной поверхности, используя тарировочные кривые, определяют прочность бетона (ГОСТ 28570-90, ГОСТ 22690-88). Этот метод целесообразно использовать при оценке качества эксплуатируемого бетона в неармированных и малоармированных конструкциях дорожных и аэродромных покрытий, фундаментах, гидротехнических сооружениях, а также при периодическом контроле прочности железобетонных конструкций на заводе-изготовителе.

К физическим методам относятся: резонансный, импульсный, радиометрический и метод волнового удара. Для контроля нарастания прочности бетона в условиях тепловой обработки используют электрический метод измерения электросопротивления. Для контроля интенсивности твердения бетона в конструкции, а также при проведении исследовательских работ по изучению морозо- и коррозионной стойкости, влияния добавок и технологии производства на прочность бетона используют импульсный ультразвуковой метод (ГОСТ 17624-87). Он основан на фиксировании скорости прохождения ультразвука с частотой более 20 кГц через бетон. По скорости ультразвука, замеряемой специальным прибором, и тарировочной кривой определяют прочность бетона. Тарировочные кривые строят на основании большого объема данных, полученных разрушающим и неразрушающим методами контроля. В зависимости от способа изготовления конструкции прочность контролируют так: для сборных – при отпуске их потребителю и марочную, монолитных – в промежуточном возрасте 1, 3, 7 суток при работе с быстротвердеющими цементами и добавками – ускорителями твердения и проектную в 28 суток естественного твердения, равную классу (В) или марке (М) (ГОСТ 10180-90, СТ СЭВ 3978-83, ГОСТ 18105-86, СТ СЭВ 2046-79).

При возведении массивных монолитных сооружений на медленно твердеющих цементах – пуццолановом и шлакопортдандцементе контроль прочности проводят в 60, 90 и 180 суток.

Класс бетона (В) отличается от марки (М) тем, что в первом случае показатель прочности принимают с гарантированной обеспеченностью 0,95, в то время как марка бетона представляет собой среднее арифметическое трех экспериментально полученных величин, имеющих определенные допустимые отклонения от среднего показателя. Между классом бетона и его средней прочностью – маркой имеется следующая зависимость

В = Глава 6-ред,

где В – класс бетона по прочности, МПа; Глава 6-ред – средняя прочность бетона в проектном возрасте (как правило, 28 суток естественного твердения), МПа;

Vm – коэффициент вариации прочности бетона; t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона.

При обеспеченности класса бетона 95 % коэффициент t = 1,64. Для бетонов согласно СТБ 1310-2002 установлены следующие классы:

-       по прочности на сжатие от В0,35 до В105;

-       по прочности на осевое растяжение от Вt 0,4 до Вt 4,8;

-       по прочности на растяжение при изгибе от Вt 0,4 до Вt 8,0.

При значении класса по прочности В45 и выше бетоны называют высокопрочными.

На основании установленных зависимостей прочности бетона от качества применяемых материалов и пористости цементного камня выведен основной закон прочности (уравнение Скрамтаева – Баломея)

RБ = АRц(Ц/В±0,5),

где RБ – средняя прочность бетона в проектном возрасте (марка), Па (кгс/см2); качество вяжущего определяется его маркой – активностью, Па (кгс/см2), заполнителя – коэффициентом (А), изменяющимся в пределах 0,37 – 0,65 и Ц/В характеризует фактически объем открытых, капиллярных пор – структуру бетона.

Формула расчета в зависимости от Ц/В и проектируемой марки бетона приобретает следующий вид. Для бетонов низких и средник марок (М200 – М4ОО) с Ц/В = 1,4 – 2,5; Rб = А Rц(Ц/В – 0,5) для высокомарочных бетонов с Ц/В > 2,5; Rб = А, Rц (Ц/В + 0,5), при значении коэффициента А = 0,37 – 0,50 и А1 = 0,51 – 0,65.

Чем выше активность цемента, тем более высокую марку (класс) бетона при равном расходе компонентов можно получить. Соотношение между классом бетона и маркой используемого цемента представлено в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Зависимость марки цемента от проектируемого класса бетона

Класс бетона

по прочности

В 10

В 20

В 30

В 35

В 40

В 50

Марка цемента:

 

 

 

 

 

 

рекомендуемая

300

300

400

500

600

 

600

допускаемая

300

400

500

500-600

500-550

550

Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значительному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повышенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая капиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций из него. Поэтому максимальная норма расхода ограничена 600 кг/м3 бетона.

Использование высокомарочных цементов в бетоне низких марок, с одной стороны, не позволяет полностью использовать их активность, с другой – расход цемента, рассчитанный по формуле, настолько мал, что полученного цементного теста не хватает для обволакивания и скрепления зерен заполнителя, получения однородной удобоукладываемой смеси. В связи с этим минимальный расход составляет для бетонных конструкций 180 кг/м3, железобетонных – 220 кг/м3.

Большое влияние на прочность бетона оказывает качество применяемых заполнителей. Так, недостаточная прочность заполнителя, повышенное содержание слабых включений (лещадных, игловатых), увеличение объема пылевидных и глинистых частиц, низкий модуль крупности песка приводят не только к перерасходу воды и цемента, но и к снижению прочности бетона в целом. Поэтому для получения бетонов высоких марок необходимо применять крупноразмерный многофракционный щебень, марка которого в 2 раза превышает марку проектируемого бетона, обладающего за счет шероховатости поверхности повышенной прочностью сцепления с цементным камнем. Для бетонов марки МЗОО и выше эффективно использовать средние и крупные пески с пониженной водопотребностью. Жесткие требования предъявляют по ограничению содержания пылевидных, илистых и глинистых частиц, уменьшающих прочность сцепления заполнителей с цементным камнем и требующих для получения заданной удобоукладываемости повышенного расхода воды. Высокая водопотребность приводит к формированию дефектной структуры бетона, снижению его долговечности. Таким образом, высокомарочные бетоны можно получить, используя комплекс технологических приемов. Основными из них являются следующие: максимальное снижение водоцементного отношения с одновременным введением пластификаторов и суперпластификаторов, применение эффективных способов уплотнения бетонной смеси в формах, использование высокомарочных цементов и мытых фракционированных заполнителей высоких марок.

Если рассмотреть в общем виде работу строительной конструкции, например, простейшей балки, то можно сделать вывод, что в процессе эксплуатации она воспринимает как сжимающие напряжения в верхних слоях бетона, так и растягивающие в нижних. Следовательно, выполнение этой конструкции только из высокомарочного бетона не обеспечит ее надежную работу в целом, т.к. в нижней зоне бетона начнется процесс трещинообразования. Для компенсации этих напряжений и создания условий долговременной эксплуатации конструкции в растягиваемую зону бетона при изготовлении конструкций и изделий вводят стальную или стеклопластиковую арматуру – в случае изготовления специальных кислотостойких бетонов. Бетон и арматура вследствие высокой прочности сцепления обеспечивают монолитность конструкции и ее работу как единого целостного материала. Защиту стальной арматуры от коррозии при действии окружающей среды обеспечивает защитный слой бетона, который должен быть не менее 2 – 3 см. Так как бетон является относительно пористым материалом, пропускающим влагу, то его основное защитное действие по отношению к металлу арматуры определяется не надежной изоляцией от внешних воздействий, а содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи – гидроксида кальция, продукта гидратации алита, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации в результате фильтрации воды или взаимодействия с агрессивными средами приводит сталь в неустойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объемных продуктов взаимодействия (ржавчины) на поверхности контакта сталь – бетон. Возникает отслоение защитного слоя бетона и, как следствие, разрушение конструкции в целом.

С целью повышения сопротивляемости искусственного камня растягивающим и изгибающим напряжениям применяют также дисперсное армирование, представляющее собой равномерное распределение по всему объему эластичных, коротких (10 – 50 мм), тонких (0,1 – 0,5 мм) волокон-фибр, которые могут быть стеклянными, металлическими, базальтовыми, полимерными. Фибробетон – так называют этот материал – обладает также повышенной прочностью на удар и истирание.

Деформативные свойства бетона зависят от его структуры, состава, свойств составляющих, условий твердения бетона и эксплуатации конструкций. Деформации в бетоне условно можно разделить на собственные, механические и температурные. Собственные деформации наблюдаются в бетоне при твердении и изменении его влажности. Уменьшение объема затвердевшего бетона происходит в результате испарения воды и химического взаимодействия минералов цемента с водой, т.к. кристаллические продукты гидратации занимают меньший объем, чем сумма объемов веществ, вступающих в реакцию (контракционная усадка). Вследствие взаимодействия в поверхностных слоях бетона гидроксида кальция, продукта гидратации трехкальциевого силиката, с углекислым газом воздуха в порах бетона образуется крупнокристаллический карбонат кальция, вызывающий карбонизационную усадку. Влажностные изменения могут сопровождаться расширением цементного камня при насыщении водой и усадкой – в результате ее испарения.

Контракционная и карбонизационная деформации увеличиваются с повышением содержания цемента и воды в бетонной смеси, при
применении высокоактивных цементов, гидратация которых проходит в более короткие сроки с большим тепловыделением.

Определяющее влияние на величину контракционной усадки оказывают условия твердения бетона. Снижение влажности окружающей среды менее 90 % в первые сутки твердения вызывает появление поверхностных микротрещин, ухудшающих эксплуатационные свойства бетона. Деформации можно уменьшить за счет обеспечения нормальных температурно-влажностных условий твердения бетона в первые 7 суток при получении монолитных конструкций на строительной площадке или соблюдения режимов ТВО особенно в период предварительной выдержки, подъема температуры и остывания бетона при изготовлении сборных конструкций. Влажностные деформации зависят от содержания цементного камня в бетоне, так как именно он при насыщении водой склонен к набуханию в отличие от жесткого плотного заполнителя и последующей усадке при ее испарении. Для повышения трещиностойкости бетона в конструкциях эффективна их пропитка на определенную глубину высокомолекулярными горячими смолами в специальных герметичных камерах под давлением (получение бетонополимерных конструкций) и применение дисперсного армирования. В первом случае заполнение капиллярных пор полимерным пластичным материалом по отношению к хрупкому искусственному камню позволяет поверхностному слою бетона воспринимать собственные деформации без нарушения его целостности; во втором – изгибающие и растягивающие напряжения берет на себя равномерно распределенная по всему объему бетона эластичная дисперсная арматура.

В зависимости от длительности действия нагрузки бетон ведет себя по-разному. При небольшом кратковременном нагружении он проявляет свойства упругого тела. Если напряжение превосходит 0,2 предела прочности на сжатие, то наблюдаются остаточные пластические деформации, связанные с появлением микротрещин как в самом цементном камне, так и в контактном слое. На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды. Чем меньше скорость подачи нагрузки, тем больше деформации в бетоне, увеличение деформаций на 10 % наблюдается при испытании горячего бетона и бетона в водонасыщенном состоянии. С уменьшением размера образцов вследствие повышения их однородности снижается скорость нарастания деформаций, поэтому при испытании в этом случае вводят поправочные коэффициенты, величина которых меньше единицы.

Длительное действие нагрузки, постоянной по величине и направлению, вызывает в бетоне увеличивающиеся деформации, которые затухают только через несколько лет эксплуатации конструкции. Это явление называется ползучестью. Основная причина ползучести объясняется пластическими свойствами цементного камня в начальные сроки твердения, когда он еще не полностью закристаллизовался, не приобрел достаточной прочности и жесткости. Поэтому ползучесть увеличивается при повышении расхода цемента, водоцементного отношения, уменьшении крупности заполнителя и повышении его деформативности (легкий заполнитель). Снизить ползучесть бетона можно путем ограничения расхода цемента и увеличения объема крупного плотного заполнителя в составе бетонной смеси. С увеличением времени твердения бетона процесс этот стабилизируется.

Температурные деформации в бетоне возникают вследствие разных коэффициентов температурного расширения его составляющих. Температура от 0 до 50 °С не вызывает значительных деформаций в сухом бетоне. Колебания температуры особенно при наличии влаги в порах приводят к микроразрушениям. Рост деформаций связан при отрицательной температуре с льдообразованием, сопровождающимся увеличением объема льда по отношению к замерзающей воде, и переходом воды в пар с увеличением объема последнего при нагревании. В первом случае используют технологические приемы по повышению морозостойкости бетона: увеличение плотности, создание микропористой замкнутой структуры. Во втором, касающемся в большей степени технологии получения сборного железобетона с использованием термообработки, – применение мягких режимов с медленным нарастанием и снижением температуры. Для уменьшения температурных деформаций в бетонных конструкциях с большим модулем поверхности устраивают температурные швы, которые заполняют герметизирующими упругими прокладками или мастиками, воспринимающими и гасящими возникающие деформации.

Для таких изделий, как напорные железобетонные трубы, емкости для хранения жидких продуктов, а также гидротехнических сооружений – дамб, мостов, условия эксплуатации которых связаны с односторонним действием жидкостей под давлением, проницаемость является важнейшим свойством бетона. Основное влияние на проницаемость оказывают показатели структуры: общий объем пор, содержание замкнутых и капиллярных пор, их форма и размер. Чем больше возраст бетона, тем проницаемость ниже, так как образующиеся в процессе гидратации кристаллические продукты заполняют пустоты и поры, повышая его плотность (см. рис. 6.6). Водоотделение и недоуплотнение бетонной смеси, появление микротрещин вследствие усадки бетона при действии нагрузки, попеременного увлажнения с последующим замораживанием или высыханием могут существенно снизить непроницаемость бетона. Свойство это оценивают по коэффициенту фильтрации, который равен количеству воды, прошедшей через бетон толщиной 1 м, площадью в 1 м2 в течение одного часа при постоянном перепаде давления

Глава 6-ред,

где VB – количество прошедшей воды, м3; S – площадь поверхности, м2;
t – время, ч; (р1 – р2) – перепад давления, Па.

В строительстве проницаемость бетонов оценивают маркой по водонепроницаемости W2, W4…W20 (ГОСТ 12730). Цифры обозначают наибольшее давление в Па, при котором бетон не фильтрует воду. Повысить водонепроницаемость бетона можно за счет подбора состава заполнителей, обеспечивающих их плотную упаковку с минимальным объемом пустот, заполняемых для обеспечения монолитности цементным тестом; сокращения расхода воды в сочетании с применением добавок пластификаторов, суперпластификаторов и интенсивным способом уплотнения бетонной смеси; использования расширяющегося цемента и уплотняющих добавок; пропитки и защиты бетонной поверхности полимерными составами.

Способность бетона сохранять свою прочность при попеременном замораживании и оттаивании в воде называют морозостойкостью (ГОСТ 10060). Это свойство оценивают маркой F15, F25...F1000, в которой цифры показывают количество циклов замораживания при температуре минус 16 °С и оттаивания в воде при плюс 18 ± 2 °С без снижения прочности на сжатие более 5 % и потери массы более 3 %. Время выдерживания в воде и на морозе примерно одинаково, зависит от размеров испытываемых образцов и составляет от 2,5 до 5 часов. Основными причинами, вызывающими разрушение бетона, являются давление замерзающей и увеличивающейся в объеме воды на стенки пор и микротрещин, а также различные коэффициенты температурного расширения цементного камня, заполнителей и льда. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона, его разрушению и оголению арматуры в железобетонных конструкциях. Сначала начинают крошиться углы и выступающие грани изделий, концентрирующие напряжения, затем поверхностные слои покрываются сетью волосяных трещин и постепенно разрушение распространяется по всему объему материала. Испытания бетона на морозостойкость проводят на образцах кубах. Недостаток стандартных базовых испытаний (ГОСТ 10060.1-95), методика которых была в основном разработана профессором Н.А. Белелюбским в 1887 г., – их длительность. В настоящее время применяют ускоренные методы (ГОСТ 10060.2-95, ГОСТ 10060.4-95), которые можно классифицировать следующим образом:

1.  Методы, основанные на ускорении развития деструктивных процессов в бетоне за счет использования вместо воды раствора сульфата и хлорида натрия или путем замораживания водонасыщенных образцов при температуре минус 50 °С. Ускорение разрушения в первом случае достигается за счет дополнительного образования при замораживании кристаллов соли и увеличения за счет этого суммарного кристаллического давления. Во втором случае вода дополнительно замерзает в микропорах, увеличивая тем самым общее напряжение в бетоне.

2.  Расчетные методы, основанные на взаимосвязи между показателями структуры бетона и его морозостойкостью.

3.  Белорусскими учеными под руководством проф. Н.П. Блещика на основании результатов исследований была установлена взаимосвязь межу морозостойкостью бетона и температурными деформациями цементного камня в первый цикл замораживания-оттаивания. По величине деформаций, замеряемых специальным индикатором, рассчитывают деформационный критерий морозостойкости, который является основной экспериментальной величиной в эмпирической формуле. Проведенные сравнительные испытания по основному (базовому) циклическому методу и разработанному структурно-механическому по деформационному критерию показали хорошую сходимость результатов, ускорив определение морозостойкости в 20 раз, значительно сократив при этом энерго- и трудозатраты. Основы метода заложены в разработанный стандарт РБ «Бетоны. Ускоренный структурно-механический метод определения морозостойкости при однократном замораживании и оттаивании».

                Контроль морозостойкости экспресс-методом особенно важен для таких изделий и конструкций, как наружные стены, покрытия дорог и аэродромов, тротуарные плиты, бордюрные элементы, стойки систем наружного освещения и линий электропередач, у которых морозостойкость является основным фактором долговечности.

Повысить морозостойкость можно или за счет повышения его плотности и снижения объема открытых капиллярных пор, или путем увеличения замкнутых воздухонаполненных резервных пор до 4 – 6 %, которые гасят возникающее при замерзании воды давление льда (рис. 6.10). Для повышения объема закрытых пор применяют воздухововлекающие добавки, пенящую способность которых используют при перемешивании бетонной смеси. В качестве добавки этого типа наиболее широкое применение нашла смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), получаемая из древесной смолы, которую вводят в бетон в количестве 0,01 – 0,03 % от массы цемента. С этой целью могут быть использованы также побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности.

 

Рис. 6.10. Влияние воздухововлечения на морозостойкость бетона в условиях попеременного замораживания-оттаивания: N – число циклов [1]

 
Глава 6-ред

 

От состава и характера структуры бетона зависит его коррозионная стойкость, так как чем больше пористость материала, тем глубже проникают жидкие и газообразные агрессивные среды, вызывая серьезные разрушения в бетоне, приводящие к потере несущей способности конструкции. При твердении и эксплуатации в бетоне протекают как процессы, повышающие его прочность, – гидратация цемента, так и снижающие ее в результате перекристаллизации и разрушения уже образованных соединений. С учетом временного фактора была спрогнозирована прочность бетона в 100-летнем возрасте (рис. 6.11). Из графика видно, что твердение бетона после достижения им марки в условиях действия агрессивных сред разной степени активности приводит к снижению прочности уже в год эксплуатации, к десяти годам этот процесс интенсифицируется, и в возрасте 100 лет бетон фактически теряет свои конструктивные свойства [15].

Рис. 6.11. Кривые долговечности бетона:

1 – во влажной среде; 2 – в воздушной среде; 3, 4, 5 – в коррозионной среде различной интенсивности [15]

 
Глава 6-ред

Агрессивные среды могут быть жидкими, газообразными и твердыми. Степень агрессивности по отношению к бетонным конструкциям для жидких сред определяется наличием и концентрацией агрессивных веществ, температурой, величиной напора или скоростью движения жидкости по отношению к бетонной поверхности; для газовых сред – концентрацией газов, растворимостью их в воде, влажностью и температурой окружающей среды. К твердым агрессивным средам относятся химические удобрения, гербициды, краски. Коррозионные процессы в твердых средах не происходят, поэтому опасность по отношению к конструкциям порошкообразных веществ определяется степенью их увлажнения, растворимостью и зависит от влажности воздуха в помещении. Агрессивность воздействия на бетон оценивают специальными нормами по антикоррозионной защите строительных конструкций (СНиП 2.03.11-85). В зависимости от глубины разрушения бетона при коррозии различают слабо-, средне- и сильноагрессивные среды (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Допустимая глубина (см) разрушения бетона

за 50 лет эксплуатации конструкции

 

Степень агрессивности

среды

Глубина коррозии (см) в зависимости от вида конструкции

железобетонные

бетонные

неагрессивная

слабоагрессивная

среднеагрессивная

сильноагрессивная

1

1 –2

2 – 4

более 4

2

2 – 4

4 – 6

более 6

В зависимости от механизма разрушающего действия на бетон В.М. Москвин выделил три основных вида коррозии.

Первый вид выщелачивание наблюдается в результате фильтрации воды через бетон. Этот вид коррозии наиболее опасен для тонкостенных конструкций и конструкций, работающих под напором воды: плотины, дамбы, молы (гидротехнические). Интенсивность этого вида коррозии прямо пропорциональна проницаемости бетона, давлению потока воды и содержанию свободного гидроксида кальция в цементном камне. Следовательно, повысить стойкость бетона можно или за счет перевода гидроксида кальция в более устойчивые и менее растворимые соединения, или путем целенаправленного повышения плотности бетона. Первое достигается применением пуццоланового и шлакового портландцементов, в которых гидроксид кальция связывается опокой, трепелом, золой или шлаком в малорастворимые соединения; второе – путем рационального подбора зернового состава заполнителей, уменьшением водоцементного отношения в сочетании с введением пластифицирующих и гидрофобных добавок, пропиткой и защитой поверхности бетона полимерными составами.

Ко второму виду коррозии относится снижение прочности бетона под действием кислотосодержащих сред. Разрушение и вымывание цементного камня, сопровождаемое обсыпанием несвязанного заполнителя, происходит в поверхностных слоях, постепенно распространяясь в глубь бетона. Как показали исследования ученых, ни одна из разновидностей портландцемента не обладает достаточной кислотостойкостью. Поэтому при проектировании бетонных конструкций, эксплуатация которых связана с действием растворов кислот и солей с кислой реакцией, предусматривают в качестве вяжущего использование специального кислотостойкого цемента на основе жидкого стекла, заполнителей из кислотостойких горных пород (андезита, диабаза, базальта, кварцита) и кислотостойкой стеклопластиковой арматуры. При действии концентрированных горячих кислот применяют защиту бетонной поверхности, выполняемую с использованием полимерных кислотостойких красочных составов, рулонных материалов, а также путем облицовки плитами и плитками из ситаллов, шлакоситаллов, каменного литья и кислотостойкой керамики. Кислотосодержащие среды встречаются в природных грунтовых водах, содержащих продукты жизнедеятельности микроорганизмов, и в этом случае особое внимание необходимо обратить на защиту фундаментов. Однако в большей степени этот характер разрушения бетонных конструкций – полов, стен, плит перекрытий наблюдается на предприятиях химической и пищевой промышленности.

Коррозия третьего вида происходит в результате заполнения пор и пустот кристаллами солей, вызывающих перенапряжение материала, рост остаточных деформаций и разрушение бетонной конструкции (рис. 6.12). Вследствие того, что изначально причины разрушения несколько различны, то и способы повышения коррозионной стойкости в каждом конкретном случае будут отличаться. Так, при действии сульфатных сред основным способом защиты является применение цементов, при гидратации которых получается наименьшее количество свободного гидроксида кальция, участвующего в образовании крупных сульфатосодержащих кристаллов, вызывающих растягивающие напряжения в бетоне. К этим вяжущим относятся пуццолановый и шлаковый портландцементы, которые используют при слабой и средней степени агрессивности среды. Увеличение концентрации сульфатов требует применения более стойких, надежных минеральных вяжущих, которыми являются глиноземистый цемент, сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент. В связи с тем, что при действии солей типа хлорида и карбоната натрия, не взаимодействующих с цементным камнем, разрушение происходит только при капиллярном подсосе агрессивного раствора и наличия испаряющей поверхности, повысить стойкость бетона можно за счет снижения его проницаемости. Способы повышения плотности и снижения проницаемости аналогичны рассмотренным выше.

а)

 

б)

 
 


Глава 6-ред

 

Рис. 6.12. Изменение во времени предела прочности при сжатии (б) и остаточных деформаций (а) различных бетонов в растворе 5 %-ного сульфата натрия:

1 – бетон на портландцементе; 2 – бетон на сульфатостойком портландцементе [15]

 

Щелочную коррозию в зависимости от факторов, ее вызывающих, можно разделить на внутреннюю и внешнюю. При внутренней разрушение бетона происходит из-за наличия активного кремнезема в заполнителе (опал, халцедон) и повышенной щелочности жидкой фазы бетона. Находясь в активном состоянии, кремнезем вступает в реакцию со щелочами бетона, образуя аморфные гелеобразные продукты в уже затвердевшем материале, объем которых значительно превышает суммарный объем участвующих в реакции соединений. Именно это и вызывает перенапряжение, рост деформаций и разрушение бетона. Основными мерами, обеспечивающими стойкость бетона, является соблюдение требований ГОСТа в части ограничения содержания активного кремнезема в заполнителе. Кроме того, в случае его наличия при изготовлении бетона нельзя вводить щелочные добавки, а применяемый цемент должен содержать ограниченное количество растворимых щелочей. Внешнее действие щелочесодержащих агрессивных сред низкой концентрации опасно для бетона только при условии испаряющей поверхности, так как в этом случае при взаимодействии с углекислым газом воздуха продуктами реакции являются карбонаты натрия и калия, накопление которых в порах поверхностного слоя бетона вызывает его шелушение и отслоение по типу солевой коррозии. При действии на бетон растворов щелочей высокой концентрации и температуры разрушаются основные гидратные соединения цементного камня. Чем выше концентрация и температура раствора, тем больше скорость коррозии. Повысить стойкость бетона можно в первом случае увеличением плотности, во втором – защитой конструкции щелочестойкими материалами.

Газовая коррозия бетона возможна только при повышенной влажности воздуха. В этих условиях газообразные продукты (С02, SO3), растворяясь в адсорбированной на поверхности бетона влаге, образуют концентрированные кислоты, которые и вызывают разрушение бетона по механизму, характерному для второго вида коррозии.

Твердые агрессивные среды (пыль, порошки, гранулы минеральных и органических веществ) представляют опасность для железобетонных конструкций, только когда они образуют водные растворы. Увлажнение твердых веществ на поверхности строительных конструкций может происходить или за счет прямого воздействия воды, или в результате поглощения влаги из воздуха (их гигроскопичности). Как в том, так и в другом случае на бетон действует водный раствор определенной агрессивности, зависящей от химического состава вещества и его концентрации. Наиболее часто с этим видом коррозии встречаются при эксплуатации складов минеральных удобрений.

Биокоррозия бетонных и железобетонных конструкций, приводящая к их разрушению, происходит как под действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так и самими бактериями, дрожжами, водорослями, способными разлагать входящие в состав цементного камня силикаты кальция. Биоповреждения бетона начинаются с поверхности и идут вглубь, так же как и при погружении бетона в жидкую агрессивную среду. Для повышения стойкости конструкций увеличивают плотность бетона, применяют лакокрасочные и плитные материалы, которые имеют определенные недостатки и надежной защиты не обеспечивают. В плиточных покрытиях слабое место – швы, лакокрасочные сами повреждаются плесневыми грибами. Наиболее надежная защита от биокоррозии может быть осуществлена введением в бетон биоцидных добавок, защищающих поверхность конструкции от развития микроорганизмов. Этот вид коррозии характерен для предприятий пищевой промышленности, животноводческих помещений и прачечных.

Радиационная стойкость бетона зависит от свойств отдельных его составляющих, которые по-разному воспринимают действие ионизирующего излучения. В работах белорусских ученых отмечено, что облучение потоком нейтронов до 3×1024 м2 не приводит к заметному изменению свойств большинства горных пород, применяемых в качестве заполнителей для бетонов. При превышении дозы наблюдается расширение кристаллической решетки, постепенный переход минерала в аморфное состояние, сопровождаемый ростом деформаций, снижением плотности на
3 – 15 % и прочности горной породы до 30 %. Наиболее стойки базальты, баритовые, железистые руды, магнитный железняк, бурый железняк, гематит, которые, обладая высокой плотностью, обеспечивают частичное поглощение нейтронов. Это свойство перечисленных горных пород используют при получении на их основе специальных радиационных бетонов, применяемых для защиты конструкций от ионизирующих излучений. Облучение цементного камня вызывает его разогрев до 350 °С и усадку до 2,2 %, увеличивающиеся при повышении дозы радиации.

В железобетонных конструкциях, условия эксплуатации которых связаны с прохождением электрического тока большой мощности и напряжения (электростанции и подстанции, линии электропередач), возможны проявления электрокоррозии. Анализ причин потери несущей способности железобетонных конструкций позволил выделить два основных разрушающих фактора: первый – накопление большого количества энергии в малом объеме бетона в силу его неоднородности по составу и структуре, что приводит к появлению дугового разряда, вызывающего пережог арматуры, оплавление и растрескивание бетона; второй – электрокоррозия стали, наблюдаемая при прохождении электрического тока в условиях повышенной влажности по арматуре, приводящая к образованию и накоплению продуктов коррозии (ржавчины) на стальной поверхности. В связи с тем, что объем образованных соединений превышает в 2 – 2,5 раза объем прокорродировавшего металла, накопление их в порах и капиллярах контактного слоя вызывает растягивающие напряжения, которые приводят к отслаиванию защитного слоя бетона и разрушению конструкции. Процесс этот усиливается при повышении влажности бетона и увеличении его пористости. Обеспечить стойкость конструкции в этих условиях эксплуатации возможно за счет снижения электропроводности бетона, т.е. повышения его диэлектрических свойств. С этой целью вводят органические гидрофобные или уплотняющие добавки, снижающие гигроскопичность и водопоглощение бетона; применяют защитные мастичные и лакокрасочные покрытия на основе высокомолекулярных смол; используют объемную пропитку конструкций полимерными составами. В качестве минеральных вяжущих предпочтительно использовать портландцемент с повышенным содержанием тонкомолотого песка и шлакопортландцемент.

 

6.3.4. Виды и классификация бетонов

          В соответствии с СТБ 1310-2002 бетоны классифицируют по назначению (конструкционные, специальные), виду вяжущего (цементные, известковые, силикатные, шлаковые, гипсовые и т.д.), виду заполнителя (плотный, пористый, специальный), структуре (плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые) и условию твердения (естественное, термовлажностное, автоклавное, при отрицательной температуре и тепловой обработке без использования паровоздушной среды, контактирующей с бетоном).

          В зависимости от средней плотности бетоны можно подразделить на тяжелые (от 2000 до 2600 кг/м3) и легкие (от 200 до 2000 кг/м3). К тяжелым бетонам относят конструкционные цементные на плотных заполнителях; мелкозернистые, эксплуатируемые при систематическом воздействии температуры от плюс 50 оС до минус 70 оС, и бетоны специального назначения.

При получении конструкционного тяжелого бетона в качестве вяжущего используют разнообразные клинкерные портландцементы: рядовой, шлаковый, пуццолановый. Заполнителями служат дробленые плотные горные породы или природные рыхлые зернистые материалы: песок кварцевый, щебень, гравий и гравийно-песчаная смесь. Для улучшения технологических свойств бетонной смеси и повышения долговечности бетонных и железобетонных конструкций вводят соответствующие химические добавки.

С использованием тяжелого бетона получают монолитные гидротехнические сооружения, фундаменты, дорожные покрытия, твердеющие в естественных условиях и сборные, обычные и преднапряженные, подвергаемые термообработке (балки, фермы, плиты покрытий и т.д.).

Если в качестве минерального вяжущего применяют цементы, то бетон набирает прочность в условиях естественного твердения или термовлажностной обработки при атмосферном давлении. Марка (класс) бетона по прочности составляет от М50 (В3,5) до М1500 (В105). Если вяжущим служит известь в сочетании с тонкомолотым кремнеземистым компонентом (кварцевым песком, шлаком, золой), то изделия выдерживают в автоклавах при высоких температурах (до 200 оС) и повышенном давлении (до 1,6 атм). Полученный бетон называют силикатным, марки которого от М200 (В15) до М800 (В60). В состав мелкозернистых бетонов входит минеральное вяжущее и мелкий заполнитель – песок определенной крупности. Эти бетоны обладают однородностью свойств, повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью, прочностью на изгиб и растяжение. Их применяют при получении труб, дорожных покрытий, тротуарных плит и бортовых камней методом объемного сухого вибропрессования, а также таких тонкостенных конструкций, как перегородки, плиты перекрытий. Используя сетчатое армирование, возводят пространственные армоцементные конструкции – оболочки сложной конфигурации для покрытия больших площадей.

Все увереннее в производство строительных материалов внедряются полимеры: как модифицирующие добавки, так и полноценные компоненты сложных по составу материалов. К первым можно отнести полимерсиликатные, полимерцементные бетоны, когда в качестве вяжущего используют композицию из органического полимера (фуранового, поливинилацетатного, кремнийорганического) и неорганического вяжущего (жидкого стекла, портландцемента, гипса). Путем введения полимерной добавки повышают водостойкость, износостойкость, трещиностойкость, растяжимость и коррозионную стойкость бетона. Наиболее широкое применение получили полимерцементные и полимерсиликатные композиции для покрытия полов и дорог, в конструкциях, работающих на растяжение (балки, в том числе преднапряженные), при изготовлении панелей междуэтажных перекрытий химических предприятий и складов минеральных удобрений.

Разработана технология изготовления балок, колонн, плит перекрытия из полимербетона, армированного стальной (сталеполимербетон), стеклопластиковой (стеклопластобетоны) или дисперсной (фиброполимербетоны) арматурой, в которых в качестве вяжущего использованы полимерные смолы. От цементных бетонов полимербетоны отличаются повышенной прочностью при растяжении, высокой химической стойкостью, водонепроницаемостью. В то же время полимербетонам присущи такие недостатки, как значительная усадка при твердении, ползучесть под нагрузкой, пониженная тепло- и огнестойкость, обусловленные органической природой связующего. Анализ свойств определил рациональную область применения этого материала для возведения несущих и самонесущих химически стойких конструкций на предприятиях цветной металлургии, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности.

Из сталеполимербетона изготавливают шахтные стойки, перемычки для крепления шахтных выработок, коллекторные кольца, опоры линий электропередач, железнодорожные шпалы. Полимербетон применяют для водосборов ирригационных плотин, лотков, канализационных труб и колодцев, дорожных плит и покрытий пола промышленных зданий, опорных плит для крепления технологических коммуникаций.

Одним из перспективных направлений развития минеральных вяжущих является совершенствование и широкое внедрение высокоактивного бесклинкерного шлакощелочного цемента. Этот вид минерального гидравлического вяжущего, разработанный киевским профессором В.Д. Глуховским, получают на базе доменных гранулированных шлаков и едких щелочей. Шлакощелочной цемент обладает в 2 – 3 раза большей прочностью при сжатии и растяжении по сравнению с портландцементом, что позволяет получить бетоны прочностью 1000 – 1400 кгс/см2, повышенной соле-стойкости, водонепроницаемости (до W20) и морозостойкости (до F1000). Наличие щелочей в бетоне обеспечивает ему твердение при отрицательной температуре, причем, как показали результаты исследований и практика применения, для получения этого вида цемента можно использовать добавки стекловидных отходов различных производств, в том числе доменные, сталелитейные, термофосфорные, ваграночные шлаки, выход которых составляет более 80 млн. тонн в год.

Щелочным компонентом бетона могут быть не только специальные щелочные продукты, но и щелочесодержащие отходы фенольного, суперфосфатного, целлюлозно-бумажного и других производств. В качестве заполнителей используют как традиционные, так и (что значительно эффективнее) мелкозернистые грунты: пески, супеси, легкие суглинки. В этом бетоне песчаные частицы создают жесткий каркас в цементном камне аналогично крупным фракциям щебня и гравия в обычных бетонах. Пылеватые частицы заполняют межзерновые пространства между песчаными и способствуют уплотнению тела бетона. Глинистый компонент, взаимодействуя со щелочами, является дополнительным вяжущим, цементирующим пылеватые и песчаные составляющие. Таким образом, моделируются те процессы, которые происходят в природе. Бетон твердеет как в естественных условиях, так и при термовлажностной и автоклавной обработке. Шлакощелочной бетон можно использовать во всех ответственных строительных конструкциях, но наиболее рационально – в гидротехнических сооружениях и там, где требуется высокая коррозионная стойкость.

В технологии производства преднапряженного железобетона особое место занимает бетон на напрягающем цементе. Этот вид вяжущего обеспечивает за счет использования специального сульфоалюминатного клинкера или путем использования в качестве добавок сланцевых зол ТЭС, интенсивное расширение цементного камня и самонапряжение железобетона при формовке в ограниченном объеме. Для достижения больших величин самонапряжения необходимо использовать бетонные смеси с минимальным водоцементным отношением, что усложняет технологию получения изделий. Кроме того, цемент обладает короткими сроками схватывания. Все это привело к разработке новых технологий получения изделий. Например, напорные трубы формуют методом торкретирования, путем подачи бетонной смеси под давлением на гладкий металлический сердечник. Такой способ обеспечивает получение труб высокой плотности, с идеально гладкой внутренней поверхностью. Для изготовления самонапряженных труб малого диаметра применяют технологию вибропродавливания. Напрягающий цемент используют также для покрытия дорог, аэродромов, в гидротехнических и подземных сооружениях – там, где к конструкции предъявляют высокие требования по трещиностойкости.

Достичь высокой трещиностойкости и прочности бетона можно также путем равномерного распределения по всему сечению материала неорганических или органических коротковолокнистых материалов (фибр). Так, при объемном дисперсном армировании стеклянными волокнами можно получить конструкционные стеклоцементные композиции, удельная прочность которых в 1,5 раза выше прочности стали, в 4 – 5 раз – армоцемента, а плотность ниже плотности алюминиевых сплавов в 1,5 –
2 раза. Стеклоцементные композиционные материалы не горючи, не токсичны, не подвержены воздействию биологической агрессии. Использование стеклоцементных композиций вместо железобетона позволяет снизить стоимость конструкций в 2 – 3 раза, массу – в 8 – 10 раз, полностью исключить расход металла, мелкого и крупного заполнителя, а также сократить расход цемента в 2 – 4 раза. Как показала практика строительства, эти материалы выгодно использовать в тонкостенных несущих конструкциях типа оболочек, коробчатых и гофрированных наружных панелях и перегородках, резервуарах, а также для производства сборных железобетонных конструкций с комбинированным армированием.

Кроме цемента в подобных композициях можно использовать гипсовые, магнезиальные вяжущие. Армирующим составляющим наряду со стеклянными, базальтовыми, полимерными могут быть также стальные волокна.

Армирование бетона путем введения стальных фибр (сталефибробетон) позволяет повысить трещиностойкость, сопротивление динамическим нагрузками (ударным, сейсмическим), износостойкость, морозостойкость и водонепроницаемость. Российскими учеными предложена технология получения объемных тонкостенных конструкций методом сгиба с виброукатыванием фиброармированной смеси. Угол сгиба не должен превышать 20о. Таким образом можно получить сферические сталефибробетонные оболочки для создания домов нестандартной архитектуры, крупноразмерные элементы облицовки стеновых панелей, эффективные безрулонные покрытия домов, объемные блоки призматической формы для жилищного домостроения.

Разнообразие бетонных облицовочных материалов достигается за счет использования специальных технологий. Одна из них предусматривает нанесение на поверхность свежеуложенного бетона пигментированного порошкообразного материала с последующим вдавливанием текстурных штампов различного рисунка. После снятия штампов и твердения бетона на его поверхность с целью повышения износостойкости, морозостойкости и коррозионной стойкости наносят высоконаполненные акриловые композиции. Полученный штампованный бетон имеет декоративную поверхность под природный пиленый или рваный камень, плитняк, кирпич и т.д.

Вторая технология получения плит из декоративного бетона использует метод монолитного литья с имитацией поверхности камня, сланца, дерева. Получаемая многоцветная фактура создается за счет введения красителей, взаимодействующих с минералами цемента. Для повышения долговечности сверху изделия, применяемые для внутренней и наружной отделки стен, полов и тротуаров, защищают прозрачным полимерным покрытием.

Специальные виды тяжелого бетона, предназначенные для работы в особых условиях, представлены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Специальные виды тяжелого бетона

Назначение

и вид бетона

Используемые материалы,

обеспечивающие

заданные свойства

Специальные

свойства

и показатели

Применение

1

2

3

4

Химически-стойкие:

бетонополимер

 

 

 

 

 

 

 

полимербетон

 

 

 

 

 

Бетонные и железобетонные конструкции и изделия, пропитанные мономерами или полимерами

 

Химически стойкие полимерные связующие (эпоксидные, фенольные), минеральные заполнители, наполнители, отвердители и модифицирующие добавки

 

 

Высокая коррозионная стойкость по отношению к щелочам, солям, кислотам. Повышенная трещиностойкость, прочность на удар и истирание

 

 

Несущие конструкции, полы на химических предприятиях, к которым предъявляют  требования по коррозионной стойкости, трубы с диаметром от 300 до 1200 мм

 

полимер-
цементный

Минеральные вяжущие (цемент) в сочетании с полимерной добавкой

Повышенные водо-, износо-, трещино-, коррозионная стойкость

Покрытие дорог, полов и несущих конструкций на химических предприятиях

кислото-
стойкий

В качестве вяжущего – жидкое стекло с добавкой кремнефтористого  натрия (КФН), кислотостойкие заполнители и наполнители, стеклопластиковая арматура

Высокая кислотостойкость, пониженная водостойкость

Выполнение полов и несущих конструкций на химических предприятиях

сульфато-
стойкий

В зависимости от концентрации сульфатов в агрессивной среде (по мере увеличения) в качестве вяжущего используют:

- шлако- или пуццолановый портландцемент;

- сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент;

- глиноземистый цемент

Высокая сульфатостойкость. При использовании сульфатостойкого и глиноземистого цемента – высокая морозостойкость

Фундаменты, гидротехнические сооружения при наличии минерализованных вод. Несущие конструкции на химических предприятиях

шлакощелочной

Шлаковые вяжущие, затворяемые щелочными растворами – активизаторами твердения

Высокая водо-, морозо-, коррозионная и жаростойкость

Дорожные покрытия, фундаменты, гидротехнические сооружения, твердеющие в естественных условиях, при ТВО и при отрицательных температурах

Продолжение табл. 6.5

1

2

3

4

Жаростойкие

В зависимости от максимальной температуры применения от 50 до 300 оС вяжущее – портландцемент, от 300 до 700 оС – шлакопортландцемент в сочетании с термостойкими наполнителями и заполнителями (базальт, шлак, бой керамического кирпича); от 700 до 1000 оС – жидкое стекло с КФН, термостойкие наполнители и заполнители (шлак, шамот, базальт, керамзит, вермикулит); от 1000 до 1400 оС глиноземистый цемент с термостойкими наполнителями и заполнителями

Специальными показателями качества бетонов являются: предельно допустимая температура применения и термическая стойкость в водных или воздушных  теплосменах (в зависимости от условий эксплуатации)

Возведение дымовых труб, резервуаров, тепловых агрегатов (фундаментов, сводов), выполнение покрытий пола в горячих цехах

Радиационно-
защитные

Цементные бетоны с особоплотными заполнителями: железосодержащие и баритовые руды с добавлением чугунного скраба и введением специальных химических добавок

Сверхтяжелый бетон плотностью от 2600 до 6000 кг/м3, обладающий свойством поглощения радиационных излучений

Защита сооружений ядерных реакторов и атомных электростанций

Напрягающие

В качестве вяжущего используют специальный напрягающий цемент, создающий самонапряжение в конструкции за счет расширения бетона при твердении

Марка по самонапряжению Sр 0,6 – Sр 4, водонепроницае-мость не ниже W12, повышенная трещиностойкость. Предел прочности на сжатие от 25 (В20) до 80 (В60) МПа

Возведение железобетонных гидротехнических сооружений, мостов, тоннелей, изготовление труб, свай, балок, ферм, резервуаров, плит покрытий и перекрытий, покрытие автомобильных дорог

Фибробетоны

Использование дисперсной тонковолокнистой арматуры – фибр (металлических, стеклянных, базальтовых, полимерных)

Повышенная ударная прочность, износостойкость, трещиностойкость

Изготовление свай, труб, балок; дорожные покрытия

Окончание табл. 6.5

1

2

3

4

Декоративные

В качестве вяжущего применяют белые и цветные портландцементы, заполнителей – отходы переработки горных пород (гранит, мрамор и т.д.)

Повышенная декоративность, истираемость не более
0,8 г/см2

Дорожные, тротуарные и фасадные плиты, лестничные марши, монолитные мозаичные и цветные полы, армированные стальными волокнами

 

Легкие бетоны с плотностью менее 2000 кг/м3 можно получить за счет использования пористых заполнителей (легкий бетон), поризацией межзернового пространства (поризованный бетон) или мелкозернистого бетона в объеме (ячеистый бетон) путем введения газо- и пенообразующих добавок, а также применением однофракционного крупного заполнителя при отсутствии мелкого и ограниченного расхода цемента (крупнопористый бетон) [11].

Вид и применение легкого бетона определяют двумя показателями: пределом прочности на сжатие в 28 суток естественного твердения (марка и класс) и средней плотностью. По назначению легкие бетоны подразделяют на конструкционные для изготовления таких несущих конструкций, как плиты перекрытий; конструкционно-теплоизоляционные, используемые в производстве ограждающих стеновых конструкций, плит покрытий, и теплоизоляционные, основное назначение которых – теплозащита зданий и сооружений, трубопроводов и технологического оборудования.

В зависимости от применяемого крупного пористого заполнителя легкие бетоны подразделяют на керамзитобетон, перлитобетон и т.д. Их назначение представлено в табл. 6.6.

Для приготовления легких бетонов с плотной межзерновой структурой, пористость которой не превышает 7 %, используют все виды минеральных вяжущих и пористые заполнители. Так как прочность пористого заполнителя всегда меньше прочности цементного камня, то его введение в бетонную смесь приводит к понижению плотности и прочности бетона. Эта зависимость проявляется более сильно при увеличении содержания легкого заполнителя и уменьшении его плотности. За счет снижения В/Ц, применения более активного цемента, добавок, повышающих прочность цементного камня, можно повысить общую прочность бетона только до какого-то граничного значения, определяемого видом заполнителя, после которого влияние заполнителя становится определяющим и любые последующие технологические приемы неэффективны. Взаимосвязь между прочностью пористых заполнителей и маркой бетона представлена в табл. 6.7.

Таблица 6.6

Назначение легких бетонов в зависимости

от применяемого легкого заполнителя

Вид бетона

Назначение легких бетонов

теплоизоляционные

D менее 600 кг/м2

конструкционно-

теплоизоляционные

D 600 – 1200 кг/м3

конструкционные

D 1200-2000 кг/м3

Керамзитобетон

+

+

+

Аглопоритобетон

+

+

Шлакопемзобетон

-

+

+

Перлитобетон

+

+

+

Вермикулитобетон

+

Бетон на щебне из пористых горных

пород

+

+

+

Таблица 6.7

Рекомендуемая прочность крупного заполнителя

в зависимости от заданной прочности легкого бетона

 

Марка бетона по прочности на сжатие

Минимальная марка по прочности

заполнителя

Марка бетона по прочности на сжатие

Минимальная марка по прочности

заполнителя

М 35 и меньше

П 15

М 250

П 125

50

25

300

150

75

35

350

200

100

50

400

250

150

75

450

300

200

100

500

350

 

Важным свойством легкого бетона является его теплопроводность, по которой рассчитывают толщину ограждающих конструкций. Увеличение содержания легкого заполнителя, уменьшение его плотности приводят к понижению коэффициента теплопроводности бетона, улучшению его теплотехнических свойств. Из-за своей высокой пористости легкий заполнитель оказывает большее, по сравнению с плотным, влияние не только на прочность бетона, но и на свойства бетонной смеси. Обладая высоким водопоглощением, пористый заполнитель значительно повышает водопотребность бетонной смеси, которая увеличивается при уменьшении плотности. Вследствие этого свойства заполнитель активно участвует в структурообразовании, т.к. интенсивное поглощение воды в момент приготовления бетонной смеси переходит при последующем дефиците воды в обратный процесс постепенного возвращения ее и участия в гидратации.
В результате наблюдаемого влагопереноса ширина контактного слоя и прочность сцепления с цементным камнем у пористого заполнителя выше. Поэтому легкий бетон может обладать водонепроницаемостью до W8…12 и морозостойкостью F400…800, что позволяет использовать его в гидротехническом строительстве и мостостроении. Более высокая деформативность заполнителя компенсирует усадку цементного камня при твердении и поэтому общие усадочные деформации в легком бетоне не наблюдаются, несмотря на повышенный расход цемента.

Поризованный цементный бетон является разновидностью легкого бетона, который получают путем насыщения газом или воздухом цементного камня или цементно-песчаного раствора, заполняющих пустоты между крупным пористым заполнителем. Для поризации бетонов применяют несколько технологий. По одной из них предварительно подготовленную устойчивую пену, полученную в результате механического растворения природного или синтетического пенообразователя в воде, смешивают с цементом и крупным пористым заполнителем, например, керамзитом, – керамзитопенобетон. При производстве поризованного газобетона газообразователь – алюминиевую пудру, представляющую собой тонкомолотый алюминий, смешивают с цементным пластичным тестом или цементно-песчаным раствором, в которые после тщательного перемешивания вводят крупный пористый заполнитель, например, шлаковую пемзу, – шлакогазобетон. Ячеистую структуру обеспечивает полученный в результате реакции добавки с продуктом гидратации цемента – гидроксидом кальция газообразный водород, равномерно распределенный по всему объему. Прочность поризованных бетонов в зависимости от объема пор 7 – 25 % и пористости применяемого заполнителя составляет 5 – 10 МПа, плотность – 700 – 1400 кг/м3.

Ячеистый бетон, содержащий по всему объему до 85 % пор размером 1 – 1,5 мкм, является разновидностью поризованного бетона, в котором отсутствует крупный заполнитель. Ячеистые бетоны получают в результате твердения вспученной порообразователем смеси минерального вяжущего, тонкомолотого кремнеземистого наполнителя и воды.

В зависимости от вида применяемых вяжущих, кремнеземистых компонентов (песок или зола) и порообразователей (газ или пена) ячеистые бетоны классифицируют следующим образом:

-       цементные на цементном вяжущем с возможным добавлением извести (газобетон, пенобетон и газозолобетон, пенозолобетон);

-       силикатные – на известковом вяжущем, в том числе с добавкой гипса, цемента или шлака (газосиликат, пеносиликат, газозолосиликат, пенозолосиликат);

-       известково-цементные – на смешанном вяжущем (газосиликатобетон, пеносиликатобетон и т.д.);

-       шлаковые – на шлаковом вяжущем в виде молотого гранулированного шлака в сочетании с известью, гипсом или щелочью (газошлакобетон, пенозолошлакобетон и т.д.);

-       сланцевые – на сланцезольном вяжущем в виде высокоосновной золы (газосланцезолобетон и пеносланцезолобетон).

По условию твердения ячеистые бетоны могут быть автоклавные (силикатные) и неавтоклавные, твердеющие при термовлажностной обработке (цементные) или естественных условиях (гипсовые). По назначению их подразделяют на теплоизоляционные плотностью менее 600 кг/м3, применяемые в виде теплоизолирующих и акустических плит; конструкционно-теплоизоляционные плотностью D 600 – 900 кг/м3, прочностью
1,5 МПа (В1) – 10 МПа (В7,5) для выполнения ограждающих конструкций; конструкционные плотностью D 1000 – 1200 кг/м3 прочностью 7,5 МПа (В5) – 20 МПа (В15) для изготовления несущих конструкций, к которым предъявляют требования по акустическим и теплоизоляционным свойствам – плиты перекрытий. Марки по морозостойкости для бетонных и железобетонных элементов конструкций из ячеистого бетона должны соответствовать, в зависимости от климатических условий эксплуатации, от F15 до F100.

          В состав беспесчаного крупнопористого бетона вводят гравий или щебень крупностью 5 – 20 мм, портландцемент М300…400 в количестве 70 – 150 кг/м3 и воду. Отсутствие песка и ограниченный расход цемента позволяют получить пористый бетон низкой теплопроводности с маркой по прочности М15-75. Из крупнопористого бетона на плотном заполнителе возводят монолитные наружные стены зданий, изготавливают крупные стеновые блоки. Стены из крупнопористого бетона необходимо оштукатуривать с двух сторон, чтобы исключить продуваемость. Крупнопористый поризованный бетон на пористом заполнителе имеет небольшую среднюю плотность (500 – 600 кг/м3), его используют для получения теплоизоляционных изделий.

К разновидностям легкого бетона относится опилкобетон, который может быть использован как для монолитного, так и для блочного возведения зданий до пяти этажей жилого, гражданского и сельскохозяйственного назначения. Технология получения опилкобетонной смеси включает перемешивание опилок хвойных пород, предварительно обработанных специальными составами, предотвращающими горение, гниение и поглощение воды, с цементом и песком до получения однородной массы. При получении стеновых блоков используют вибропрессование и последующую сушку. Рекомендуемые составы представлены в табл. 6.8.

Кроме блоков производят конструктивные элементы для изготовления перемычек, оконных и дверных проемов. Из этого же материала можно выполнять литые полы первого этажа и плиты перекрытия. Материал обладает огнестойкостью – 100 мин, хорошими теплоизоляционными свойствами, позволяющими уменьшить толщину наружных стен до 40 см.

Таблица 6.8

Рекомендуемые составы опилкобетона

Марка опилкобетона через

28 суток

Расход материалов на 1 м3 бетона

цемент М 400, кг/л

известь

или глина, кг/л

песок,

кг/л

опилки,

кг/л

М 5

50+45

200/140

50/30

200/800

М 10

100/90

150/110

200/120

200/800

М 15

150/135

100/70

350/220

200/800

М 15

200/180

50/35

500/300

200/800

 

В производстве мелких стеновых камней, блоков и крупноразмерных панелей широкое применение нашел один из видов легкого бетона – гипсобетон, обладающий огнестойкостью, легкостью, хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Гипсобетон изготавливают на основе строительного высокопрочного гипса или гипсовых смешанных вяжущих: гипсоцементнопуццолановом, гипсоцементношлаковом, обеспечивающих водостойкость изделий. Для снижения средней плотности и улучшения акустических свойств применяют пористые заполнители и пенообразующие добавки. Для повышения прочности на изгиб и уменьшения хрупкости в пластичную массу при ее изготовлении вводят волокнистые компоненты: древесные или синтетические волокна, измельченную макулатуру. Изделия из гипсобетона получают с применением виброуплотнения, вибропроката или путем прессования. Средняя плотность в зависимости от вида применяемого заполнителя, расхода воды составляет 800 – 1000 кг/м3, марка М20…50. Вследствие высокой пористости изделий стальная арматура должна быть защищена от коррозии лакокрасочными составами на основе битума или полимерных смол.

 

Используемая нормативная литература

 

1.     ГОСТ 4.233-86. Растворы строительные. Номенклатура показателей.

2.     ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний.

3.     ГОСТ 28013-89. Растворы строительные. Общие технические условия.

4.     СТБ 4.202-98. Изделия асбоцементные. Номенклатура показателей.

5.     СТБ 1239-2000. Портландцемент для производства асбоцементных изделий. Технические условия.

6.     ГОСТ 539-80. Трубы и муфты асбоцементные напорные. Технические условия.

7.     ГОСТ 1839-80. Трубы и муфты асбоцементные для безнапорных трубопроводов. Технические условия.

8.     ГОСТ 18124-95. Листы асбоцементные плоские. Технические условия.

9.     РСН 16-90. Отделка зданий полимерцементными составами.

10.            СТБ 4.212-98. Бетоны. Номенклатура показателей.

11.            СТБ 4.250-94. Бетонные и железобетонные изделия и конструкции. Номенклатура показателей.

12.            СТБ 1163-99. Трубы бетонные и железобетонные безнапорные. Общие технические условиях.

13.            СТБ 1187-99. Бетоны легкие. Технические условия.

14.            Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов (к СНиП 2.03.01-84). –  М., 1986.

15.            СНиП 2.03.04-84. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

16.            СТБ 1182-99. Бетоны. Правила подбора состава.

17.            СТБ 1035-96. Смеси бетонные. Технические условия.

18.            СНиП 3.09.01-85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий.

19.            СН 529-80. Инструкция по технологии изготовления конструкций и изделий из плотного силикатного бетона.

20.            СН 277-80. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона.

21.            ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.

22.            ГОСТ 10060.0-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования.

23.            ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.

24.            СТБ 1310-2902. Бетоны. Классификация. Общие технические требования.

25.            ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкции.

26.            Пособие П2-2000 к СНиП 3.03.01-87. Производство бетонных работ на строительной площадке.

27.            ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.

 

Контакты

115419, г. Москва, ул. Шаболовка, д. 34, стр. 3.



Просьба заранее предупредить о приезде, т.к. специалисты распределены по объектам




info@masterbetonov.ru




ООО «Стройсервис» работает на рынке строительного производства c 1992 года.
Основной ценностью для нашей компании являются клиенты, поскольку единственный реальный актив компании — это люди, удовлетворенные нашей работой, которые еще раз захотят воспользоваться нашими услугами. Мы стремимся сделать своих клиентов своими партнерами.