4.5. Бетоны и железобетон

Бетоном называют искусственный камень, полученный в результате затвердевания рационально подобранной смеси вяжущего, воды, мелкого и крупного заполнителя, а также различных химических добавок.

Бетон – прочный и огнестойкий материал – известен очень давно. В Древнем Риме, например, из бетона на извести был построен ряд сложных инже-

нерных сооружений. Но широкое применение бетона началось после появления портландцемента. Современное строительство немыслимо без бетона: бетон стал основным строительным материалом.

4.5.1. Классификация бетонов

Бетоны классифицируются по следующим признакам: основному назначению, виду вяжущего, виду заполнителей, структуре.

По назначению различают бетоны конструкционные и специальные.

Конструкционные - используются для изготовления несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений. К ним предъявляются требования главным образом по механическим свойствам, а также, при необходимости, по морозостойкости, водонепроницае­мости, истираемости и др.

Специальные - жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоляционные и др. - применяются при возведении специальных конструкций или их элементов.

Главным критерием качества бетона является его прочность при сжатии, которая определяется прочностью контрольных образцов раз­мером 15x15x15 см.

В качестве показателей прочности используют марку и класс бетона.

Марка бетона - это нормируемое значение его качества, прини­маемое как среднее значение результатов испытания образцов.

Строительными нормами и правилами для тяжелых бетонов уста­новлены следующие марки: М50; М75; М100; М150; М200; М250; М300; М350; М400; М450; М500; М600 и выше (через М100), единица измерения - кгс/см².

Класс бетона - это нормируемое значение показателя проч­ности, принимаемое с гарантированной обеспеченностью (0,95), Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.

Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60, единица из­мерения - МПа.

В зависимости от средней плотности бетоны подразделяются на:

- особо тяжелые (ρ 2500 кг/м³), в качестве заполнителей в них используют железные руды, чугунную дробь, обрезки стали;

- тяжелые (обыкновенные) (ρ = 2200-2500 кг/м³), заполнителя­ми в них служат плотные горные породы (гранит, известняк);

- облегченные (ρ = 1800-2200 кг/м³);

- легкие (ρ = 500-1800 кг/м³);

- особо легкие (ρ 500 кг/м³).

4.5.2. Тяжелые бетоны на плотных заполнителях

Виды бетонов подробно рассматриваются в дисциплине «Строительные материалы» и некоторых специальных дисциплинах, изучаемых на старших курсах. В данной работе дается только общее представление о бетоне, в частности, о тяжелом бетоне на плотных заполнителях, в котором в качестве вяжущего используется порт­ландцемент.

Исходные материалы. Как указано выше, в качестве вяжущего в таких бетонах чаще всего применяется цемент.

К воде, используемой для затворения бетонной смеси, предъяв­ляются определенные требования. Она не должна содержать вредных примесей, препятствующих его твердению. Нельзя применять болот­ную воду и воду, загрязненную различными примесями (кислотами, солями, маслами и т. д.), а также любую «неизвестную» воду, то есть такую, которая имеет непривычный цвет и запах. Пригодность воды устанавливается химическим анализом, а также сравнительным ис­пытанием бетонных образцов на прочность. Без предварительной проверки можно применять питьевую воду.

В качестве мелкого заполнителя, состоящего из зерен размером от 0,16 до 5 мм, чаще всего в тяжелых бетонах используют кварце­вый песок. Зерновой состав песка, то есть соотношение зерен раз­личной крупности, имеет очень большое значение, от него зависит плотность бетона и расход вяжущего.

Примеси пыли, глины, ила, обволакивая зерна песка, ухудшают их сцепление с цементом. Кроме того, эти примеси увеличивают сум­марную поверхность заполнителя, повышают водопотребность, что приводит к увеличению расхода цемента, уменьшению прочности и долговечности бетона, понижают его морозостойкость.

Согласно нормативным документам, содержание этих примесей не должно превышать 3 %. В песке ограничивается также содержание органи­ческих примесей.

В качестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах используют щебень и гравий.

Щебень - это продукт дробления горных пород. Крупность зерен щебня от 5 до 70 мм. Зерна щебня имеют рваную, развитую поверх­ность, что улучшает прочность сцепления растворной части бетона (цемент + вода + мелкий заполнитель) с ними.

Гравий - это природные зерна таких же размеров, что и у щебня. Гравий имеет окатанную, гладкую поверхность и сцепление его с рас­творной частью бетона меньше.

Крупный заполнитель должен соответствовать определенным стан­дартным требованиям.

Прочность крупного заполнителя определяется испытанием на сжатие образцов правильной формы в виде цилиндра или куба, выпи­ленных из исходной горной породы. При невозможности испытать та­ким образом (например, для определения прочности гравия), пригод­ность заполнителя определяют по показателю дробимости.

Для получения наиболее экономичного плотного бетона необходи­мо иметь зерна крупного заполнителя разных размеров и в определен­ном соотношении. Зерновой состав заполнителей определяют по ре­зультатам просеивания пробы через стандартный набор сит с отвер­стиями, мм: 70; 40; 20; 10; 5. Содержание илистых, глинистых, пылевидных и органических примесей в крупном заполнителе, как и в песке, не должно превышать 3%.

Как указывалось выше, при приготовлении бетонной смеси, для придания ей или затвердевшему бетону специфических качеств, вводят­ся различные химические добавки. Например, применение пластифи­цирующих добавок позволяет уменьшить количество воды затворения и тем самым получить экономию цемента. В настоящее время нашли применение различные химические вещества для пластификации бе­тонных смесей: гидрофилизирующие, гидрофобизирующие, микропенообразующие, комплексные добавки, а также суперпластификаторы, весьма значительно повышающие подвижность бетонных смесей.

Свойства бетонной смеси. Бетонная смесь должна обладать таки­ми свойствами, которые обеспечивали бы хорошую укладку в опалубку или форму и уплотнение без расслоения и излишнего водоотделения.

Оценка удобоукладываемости бетонной смеси производится с помо­щью стандартного конуса (рис. 2) и прибора для определения ее же­сткости (рис. 3). Для уплотнения бетонной смеси с целью придания ей максимальной плотности (а, следовательно, и прочности) приме­няют различные виброустройства (поверхностные и глубинные вибраторы, виброплощадки и т. п.). Следует помнить, что недоуплотнение приводит к резкому снижению качества бетона и в первую очередь прочности.

Рис. 2. Определение подвижности бетонной смеси:

П1 - мало-подвижная; П2 - подвижная; ПЗ – сильно подвижная;

П4 - литая

Нарастание прочности бетона возможно лишь при определенных тепло-влажностных условиях. Наиболее простым методом при положительной температуре является создание влажной среды регулярной поливкой бетона водой, укрытием влажным пес­ком, опилками, эмульсиями, и т.д. Чем выше температура при обеспечении влажности, тем быстрее твердеет бетон.

Рис. 3. Определение жесткости бетонной смеси

В заводских условиях широко используют различные приемы ус­корения твердения - тепловлажностную обработку при температуре 80-95°С, в результате которой через 10-16 часов бетон имеет прочность 70 % марочной и более.