30. Свойства бетона: прочность (класс бетона), плотность, теплопроводность. Водонепроницаемость. Морозостойкость, паро-и газопроницаемость, усадка и набухание бетона, ползучесть бетона, тепловыделение при твердении бетона, огнестойкость бетона, химическая коррозия бетона.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость.

Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.

Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.

Усадка и набухание бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Морозостойкость бетона

Морозостойкость бетона определяют путём попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 суток выдержки в камере нормального твердения или через 7 суток после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной, пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

Водонепроницаемость бетона

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.

Теплофизические свойства бетона

Теплопроводность - наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий.

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.

Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах -0,75-0,92 Вт/(м. С°).

Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,00001 °С, следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой, протяженности разрезают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры. Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения

Прочность при сжатии является основным показателем механических свойств бетона. Она определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов-кубов, изготовленных из данной бетонной смеси и выдержанных до испытания в течение 28 суток в нормальных условиях (при 1=15-20оС и относительной влажности воздуха не менее 90%). По пределу прочности при сжатии для тяжелых бетонов установлены следующие марки: М200, М250, МЗОО, М350, М400, М450, М500, М600, М700, М800.

  При бетонировании ряда конструкций, например, бетонных дорожных покрытий, важно знать прочность бетона при изгибе. Для этого испытывают образцы-балки. Для обычных железобетонных конструкций широко применяют бетон марок М200 и М250, а для предварительно-напряженных железобетонных конструкций - МЗОО-М5ОО. Бетон марок М100 и М150 используют для оснований, фундаментов и других массивных монолитных конструкции.

  Основные факторы, влияющие на прочность бетона - активность цемента и соотношение массы воды и цемента в составе бетонной смеси (водоцементное отношение В/Ц или обратное ему цементоводное отношение - Ц/В). Зависимость прочности обычного бетона от Ц/В и марки цемента в общем виде выражают формулой: Rб = А Rц (Ц/В - 0,5), где Rб - прочность бетона в возрасте 28 сут. при твердении в нормальных условиях, МПа; Rц - активность цемента, МПа; А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей и вяжущего (для высококачественных - 0,43, для рядовых - 0,4, для пониженного качества - 0,37). На прочность бетона определенное влияние оказывает зерновой состав заполнителей, правильность перемешивания его составляющих в бетоносмесителе, когда все зерна заполнителя полностью покрыты слоем цементного теста.

  Значительное влияние на прочность бетона оказывают степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона. Хорошо уплотненный бетон в благоприятных температурных и влажностных условиях непрерывно набирает прочность в течение ряда лет. При этом в первые 7 -10 сут. прочность бетона растет довольно быстро, затем рост прочности к 28 сут. замедляется и, наконец, в возрасте свыше 1 года постепенно затухает. Например, бетонные образцы при хранении в нормальных условиях в 7-суточном возрасте имеют среднюю прочность, равную 60 - 70% 28-суточной (марочной) прочности, в возрасте 180 сут., 1 года и 2 лет их прочность соответственно составляет 150, 175 и 200 % марочной прочности.

  Фактическую прочность бетона в конструкциях определяют испытанием контрольных образцов, изготовленных из той же бетонной смеси и твердеющих в условиях аналогичных условиям эксплуатации конструкций. Большое влияние на скорость нарастания прочности бетона оказывает температура окружающей среды. При 70 - 85оС в атмосфере насыщенного пара бетоны через 10 -12 ч набирают прочность 60 - 70% марочной. При низких положительных температурах (5 - 7оС) окружающего воздуха скорость нарастания прочности бетона замедляется, а при температуре ниже 0оС твердение бетона прекращается и возобновляется вновь при установлении в окружающей среде устойчивой положительной температуры.

  Плотность. Обычный тяжелый бетон не является плотным материалом.

  Имеющиеся в бетоне поры образовались вследствие испарения излишней воды, а также неполного удаления воздушных пузырьков при уплотнении бетонной смеси. Плотность бетона повышается при тщательном подборе зернового состава заполнителей, уменьшении водоцементного отношения и применении, пластификаторов, снижающих водопотребность смеси при той же подвижности, а также за счет тщательного уплотнения бетонной смеси. С возрастанием плотности бетона повышаются его свойства - прочность, водонепроницаемость, морозо- и коррозиестойкость и др.

  Коррозиестойкость. Коррозия бетона происходит в результате разрушения цементного камня и обычно сопровождается понижением прочности и водонепроницаемости, а также ухудшением его сцепления с арматурой. Меры предотвращения: увеличение плотности бетона, применение специальных цементов (пуццоланового, кислотостойкого, глиноземистого), а также облицовка плотными керамическими плитками, обработка специальными веществами (жидким стеклом с кремнефтористым натрием), покрытие гидроизоляционными битуминозными и пленкообразующими полимерными материалами.

  Огнестойкость. Бетон является огнестойким материалом. Однако продолжительное воздействие температур в интервале 160 - 200оС снижает прочность бетона на 25 - 30 %. При нагревании свыше 500оС бетон разрушается. Конструкции, подвергающиеся воздействию температур более 200оС, следует защищать теплоизоляционными материалами или выполнять их из жаростойкого бетона.

31. Бетон для защиты от радиации

В связи с развитием ядерной энергетики и все более широким использованием атомной энергии в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении необходимо обеспечить защиту обслуживающего персонала и окружающей территории от опасных радиоактивных воздействий.

Естественные радиоактивные вещества и искусственно получаемые радиоактивные изотопы воздействуют на живую ткань посредством испускаемых ими при распаде а-, Р-, у-лучей и нейтронов.

а-лучи (потоки ядер гелия) и р-лучи (потоки электронов) обладают сравнительно небольшой проникающей способностью. Значительно опаснее у-лучи, представляющие собой поток фотонов, и нейтронное излучение.

у-лучи имеют скорость света и обладают большой проникающей способностью. Закон ослабления у-излучения, проходящего через вещество, состоит в следующем: при последовательном увеличении толщины слоя вещества на одну и ту же величину интенсивность излучения уменьшается в одном и том же определенном отношении. Так называемый слой половинного ослабления уменьшает интенсивность излучения в 2 раза. Два таких слоя ослабят излучение в 4 раза, и каждый последующий слой будет дополнительно ослаблять излучение вдвое. Исходя из этого (с учетом некоторых других факторов) рассчитывается толщина защитного ограждения, необходимая для ослабления излучения до допускаемой нормами интенсивности.

Толщина слоя половинного ослабления излучения зависит от плотности вещества-поглотителя: чем тяжелее материал, тем меньше толщина ограждения.

Незаряженные частицы нейтроны также обладают большой проникающей способностью. Не взаимодействуя с заряженными частицами атомов на расстоянии (как а и р-частицы), они замедляются только при соударениях. Наибольший эффект поглощения энергии нейтронов имеет место при соударении их с частицами близкой к ним массы, например с ядрами водорода — протонами. В этом случае энергия нейтрона распределяется примерно поровну между двумя столкнувшимися частицами, т. е. нейтрон при каждом соударении значительно тормозится. При соударении с тяжелыми ядрами нейтрон отражается при сравнительно малой потере скорости. Поэтому в отличие от у-излучения наибольшее замедление нейтронов имеет место в веществах, содержащих легкие элементы, особенно водород. Веществом-замедлителем может служить, в частности, вода.

Основным материалом для одновременной защиты от у- и нейтронного излучения являются особо тяжелые и гидратные бетоны. Поскольку гидраты, задерживающие поток нейтронов, содержатся в цементном камне, основное назначение тяжелых заполнителей — поглощение у-лучей. В качестве заполнителей применяются барит, железные руды, металлолом.

Барит — сернокислый барий—весьма распространенный в природе минерал белого цвета. Его плотность — около 4500 кг/м³, предел прочности при сжатии — около 50 МПа. Плотность бетона на баритовом заполнителе достигает 3800 кг/м³.

Магнетит, или магнитный железняк,— слабоокислен-ная железная руда с плотностью около 4500— 5000 кг/м³и пределом прочности при сжатии до 200 МПа. Плотность бетона на песке и щебне из магнетита составляет около 4000 кг/м³.

Гематитовые руды содержат красный железняк. Плотность гематита — до 4300 кг/м³, а бетона на его основе — до 3500 кг/м³.

Лимонит, или бурый железняк, содержит гидрат окиси железа, т. е. может быть средством защиты как от у-лучей, так и от нейтронов. Плотность лимонита — около 3500 кг/м³, лимонитового бетона — 2600— 2800 кг/м³, т. е. лимонитовый бетон лишь немного тяжелее обычного, однако связанной воды в нем может быть вдвое больше.

Для получения особо тяжелых бетонов плотностью 5000—7000 кг/м3 применяют чугун (плотность около 7500 кг/м3) в виде дроби, крошки и скрапа (крупного лома), а также сталь (плотность около 7800 кг/м3) в виде обрезков, отходов от штамповки, дробленой стружки.

Необходимо учитывать воздействие нейтронного излучения на свойства заполнителей. Во-первых, при поглощении нейтронов ядрами атомов возможно вторичное у-излу-чение. Это особенно характерно для железа. Поэтому железный лом и руды не всегда могут быть использованы. В этом отношении предпочтителен барит, не дающий вторичного у-излучения. Во-вторых, нейтроны при столкновении с ядрами атомов могут нарушить их равновесное положение в кристаллической решетке. При этом возможно изменение объема и свойств заполнителей. Например, при облучении кварца нейтронами происходит его амортизация, сопровождающаяся значительным анизотропным расширением, что может привести к разрушению бетона. Данное явление следует учитывать не только при проектировании составов защитных бетонов, но также обычных конструкционных, жаростойких и теплоизоляционных бетонов, применяемых при строительстве ядерных установок.

Крупность заполнителей для защитных бетонов определяется массивностью бетонируемой конструкции и принимается максимально возможной. Зерновой состав заполнителей подбирают с таким расчетом, чтобы как можно больше насытить бетон тяжелым заполнителем: чем тяжелее получится бетон, тем меньшей может быть толщина ограждения. В этом случае предпочтительны прерывистые зерновые составы заполнителей, позволяющие получить бетон наибольшей плотности.

Бетонные смеси на особо тяжелых заполнителях в значительной степени подвержены сегрегации, расслоению. Поэтому большое значение имеет плотность и вязкость растворной части бетона. При прерывистом зерновом составе заполнителя иногда применяют раздельное бетонирование методом восходящего раствора.

32. Бетоны для дорожного и аэродромного строительства.

В бетонных покрытиях дорог и аэродромов основными расчетными напряжениями являются напряжения от изгиба, так как покрытие работает на изгиб, к гк плита на упругом основании. Поэтому при расчете состава бетона надо установить такое соотношение между его составляющими, которое обеспечивает требуемую прочность бетона на растяжение при изгибе, а также достаточную прочность на сжатие и морозостойкость. Проектную прочность дорожного бетона устанавливают в зависимости от назначения бетона.

Марки бетона по морозостойкости назначают в соответствии с климатическими условиями района строительства. Для обеспечения требуемой морозостойкости бетона и его стойкости против совместного действия хлористых солей, применяемых для борьбы с гололедом, и замораживания бетона при отрицательных температурах водоцементное отношение следует принимать для однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий не более 0,5, для нижнего слоя двухслойных покрытий — не более 0,6, для оснований усовершенствования покрытий — не более 0,75.

Для бетона однослойных и двухслойных покрытий следует принимать портландцемент не ниже М400 с содержанием трехкальциевого алюмината менее 10%, для оснований бетонных дорог допускается не ниже М300. Желательно использовать дорожные пластифицированные или гидрофобные цементы. Для бетона однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий применяют щебень, щебень из гравия и гравий только после промывки, при этом содержание в них глинистых, илистых и пылевидных частиц, определяемых отмучиваннем, не должно превышать 1,5% по массе (для нижнего слоя двухслойных покрытий 2%).

Щебень необходимо применять из прочных горных пород для однослойного покрытия и верхнего слоя двухслойных покрытий из изверженных пород — прочностью не менее 120 МПа, а из осадочных пород — не менее 80 МПа; для нижнего слоя двухслойных покрытий прочность щебня из изверженных пород должна быть более 80 МПа, а из осадочных — более 60 МПа.