Виды бетонов и теория твердения

Бетон – это искусственный каменный материал, получаемый из цемента, заполнителей и специальных добавок и воды. Бетон один из основных строительных материалов.

Из истории. При возведении массивных сооружений и таких конструкций, как своды, купола, триумфальные арки, ещё древние римляне использовали бетон и в качестве вяжущих материалов применяли глину, гипс, известь, асфальт. С падением Римской империи применение бетона прекратилось и возобновилось лишь в 18 веке в западноевропейских странах.

Развитие и совершенствование технологии бетона связано с производством цемента, который появился в России в начале XVIII в. По архивным свидетельствам на строительстве Ладожского канала в 1728-29 был использован цемент, изготовленный на цементном заводе, существовавшем в Конорском уезде Петербургской губернии. Широкое применение бетона в СССР было подготовлено трудами русских учёных Н. А. Белелюбского, А.

Р. Шуляченко и И. Г. Малюги, разработавших совместно в 1881 первые нормы на портландцемент. В 1890 И. Самович опубликовал результаты испытаний прочности растворов с различным содержанием цемента и предложил составы бетонной смеси для получения бетона наибольшей плотности. Профессор И. Г. Малюга в 1895 установил качественную зависимость между прочностью бетона и процентным содержанием воды в массе цемента и заполнителей. В работе американского учёного Д. Абрамса, опубликованной в США в 1918, были даны подробные графические зависимости прочности бетона от водо-цементного отношения и подвижности бетонной смеси, от состава бетон, крупности заполнителей и водо-цементного отношения. Научные основы проектирования состава бетона с учётом его прочности и подвижности бетонной смеси были развиты советским учёным Н. М. Беляевым. Представления о зависимости прочности бетона от водо-цементного отношения радикально не изменялись в течение длительного времени. Швейцарский учёный Боломе упростил практическое применение этой сложной зависимости путём перехода к линейной зависимости прочности бетона от обратной величины - цементно-водного отношения. В течение ряда лет эта зависимость применялась на практике. В 1965 советским учёным профессором Г. Скрамтаевым совместно с другими исследователями, было установлено, что линейная зависимость справедлива лишь в определённом диапазоне изменения цементно-водного отношения.

Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего материала: бетон на неорганических вяжущих материалах (цементный бетон, гипсобетон, силикатный бетон, кислотоупорный бетон, жаростойкий бетон и др. специальный бетон) и бетон на органических вяжущих материалах (асфальтобетон, пластбетон).

Цементные бетоны, в зависимости от объёмной массы (в кг/м3), подразделяются на особо тяжёлые (более 2500), тяжёлые (от 1800 до 2500), лёгкие (от 500 до 1800) и особо лёгкие (менее 500).

Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий); они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны обычно вводят добавку карбида бора или другие добавки, содержащие лёгкие элементы - водород, литий, кадмий.

Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетонов, подвергающихся воздействию морских и пресных вод и атмосферы. К заполнителям для тяжёлых бетонов предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов Советского Союза привели к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетонов, что достигается применением быстротвердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и другими способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими бетонами занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого бетона; они названы в зависимости от вида примененного заполнителя - вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобетон, перлитобетон, туфобетон и др.

По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие бетоны подразделяются на обычные лёгкие бетоны (с полным заполнением межзернового пространства), малопесчаные лёгкие бетоны (с частичным заполнением межзернового пространства), крупнопористые лёгкие бетоны, изготовляемые без мелкого заполнителя, и лёгкие бетоны с цементным камнем, поризованные при помощи газо- или пенообразователей. По виду вяжущего лёгкие бетоны на пористых заполнителях разделяются на цементные, цементно-известковые, известково-шлаковые и силикатные. Рациональная область применения лёгких бетонов - наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный лёгкий бетон используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К лёгким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м3. По способу образования пористой структуры ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобетоны, по виду вяжущего - на газо- и пенобетоны, получаемые с применением портландцемента или смешанных вяжущих; на газо- и пеносиликаты, изготовляемые на основе извести; газо- и пеношлакобетоны с применением молотых доменных шлаков. При использовании золы вместо кварцевого песка ячеистые бетоны называются газо- и пенозолобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношлакозолобетонами.

Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.

Области применения бетона в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных бетонов (тяжёлых и лёгких), а также бетонов с заданными физикотехническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетонов с учётом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и др.

Основные физико-технические свойства бетонов - плотность, содержание связанной воды (для особо тяжёлых бетон), прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость, теплопроводность и техническая вязкость (жёсткость смеси). Прочность бетонов характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых бетонов определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм, изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки. Для образцов монолитного бетона, промышленных и гражданских зданий и сооружений, срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20 0 С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 суток.

Важно: рост прочности неавтоклавного пенобетона значительно отличается от роста прочности обычного бетона. При естественном твердении обычный бетон набирает 90-100% своей прочности, а пенобетон за это время лишь около 50%. остальную часть прочности пенобетон набирает в течении 6 месяцев. О причине данного аномального явления есть гипотеза – пенообразователь, как поверхностно-активное вещество (ПАВ) обволакивает частицы клинкерных минералов и наполнителя, тем самым замедляя процесс твердения.

Для установления марки бетона гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 суток Срок выдержки и условия твердения образцов бетона сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых бетонов принимают временное сопротивление в кгс/см2 на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см2 " 0,1 Мн/м2). Особо тяжёлые бетоны имеют марки от 100 до 300 (~10-30 Мн/м2), тяжёлые бетоны - от 100 до 600 (~10-60 Мн/м2). Марки высокопрочных бетонов - 800-1000 (~80-100 Мн/м2). Применение высокопрочных бетонов наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5-20 Мн/м2), высокопрочные бетоны - до 400 (~40 Мн/м2), крупнопористые бетоны - от 15 до 100 (~1,5-10 Мн/м2), ячеистые бетоны - от 25 до 200(~2,5-20 Мн/м2), особо лёгкие бетоны - от 5 до 50 (~0,5- 5 Мн/м2). Прочность бетона на осевое растяжение ниже прочности бетона на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к бетонам дорожных и аэродромных покрытий. К бетонам гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или других агрессивных жидкостей и газов, - требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного бетона учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых бетонов - также и к плотности.

Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см) стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего - 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов.