КРАСОВСКИЙ_УП

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Экономика строительства и технология строительных материалов»

П.С. Красовский

ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск Издательство ДВГУПС

2012

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

УДК 691 (075.8)

ББК Н331я73

К 784

Рецензенты:

Кафедра «Строительные материалы и изделия» Тихоокеанского государственного университета (заведующий кафедрой кандидат технических наук, профессор

Н.И. Ярмолинская)

Начальник центральной строительной лаборатории ОАО «Дальмостострой»

В.Л. Баранов

Красовский, П.С.

К 784 Технология конструкционных материалов : учеб. пособие / П.С. Красовский. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 227 с. : ил.

Учебное пособие является элементом методического обеспечения учебного модуля «Технология конструкционных материалов», входящего в перечень образовательных программ бакалавров, магистров и специалистов.

Описаны основные свойства строительных растворов, бетонов, металлов и других конструкционных материалов, рациональные области их применения в строительстве.

Предназначено для студентов 2-го курса всех форм обучения строительных специальностей, изучающих дисциплину «Технология конструкционных материалов».

УДК 691 (075.8)

ББК Н331я73

© ДВГУПС, 2012

2

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ВВЕДЕНИЕ

Будучи одной из самых материалоемких отраслей народного хозяйства строительство сохраняет лидерство и в разнообразии строительных материалов. Вызываемые к жизни назначением и реально применяемые на объектах, они различаются по свойствам, внешнему виду и назначению. При изучении дисциплины основное внимание уделяется конструкционным материалам, являющимся основой всех сооружений. Среди них важнейшую роль играет бетон, который используется для создания более комфортной среды обитания.

Последние десятилетия ХХ века ознаменовались значительными достижениями в технологии бетона. Появление и широкое распространение современных эффективных вяжущих, новых модификаторов, переход к увеличению объёмов монолитного бетона приводят к новым технологиям укладки и получения высокопрочных бетонов. Существенно обогатились наши представления о структуре и свойствах бетона, процессах структурообразования и методах управления этими процессами на базе компьютерных технологий.

Помимо чисто конструктивных задач бетон позволяет решать экономические задачи за счет более эффективного использования вяжущих, широкого внедрения в технологию использования отходов производства. Пропитанные полимерами бетоны становятся отличными материалами для портовых конструкций, обладающих низкой проницаемостью, высокой морозостойкостью и устойчивостью к действию морской воды, эксплуатируемых в суровых арктических условиях. Именно здесь проходят кратчайшие пути из Тихого океана в Европу и именно сюда смещаются основные источники газодобычи.

Возведение сооружений из монолитного бетона на вечной мерзлоте выдвигает перед строителями не только проблему набора прочности бетона в условиях длительного сохранения отрицательных температур, но и проблему сохранения самой мерзлоты и в момент строительства, и во время эксплуатации сооружений. Перед «броском на Север» должен быть собран по крупицам, заново осознан и обогащен новыми исследованиями опыт строительства в этих районах, так как подобных объемов и темпов освоения мы еще не знали.

Для повышения эффективности строительства большое значение имеет снижение массы конструкций за счет все большего увеличения использования металлических конструкций, производства и применения легких металлов и их сплавов. Использование крупноразмерных металлических конструкций с высокой степенью заводской готовности, обеспечивающей повышение уровня индустриализации, снижение материалоемкости и стоимости – одна из важнейших задач современного строительства.

Качество, долговечность и стоимость сооружений в большой мере зависят от правильного выбора и применения материала. В ближайшем будущем следует ожидать развития нанотехнологий в бетоноведении. Например, в производстве высококачественных ультра и нанодисперсных порошков и наносиликатов со

3

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

стабильным химическим составом и различными свойствами, в разработке новых видов армирующих элементов для дисперсно-армированных композитов.

Движение на Север должно быть поддержано широким использованием пневматических строительных конструкций, способных создать нормальные условия для жизни и работы строителей. Для этого должно быть обеспечено производство отечественных воздухонесомых и воздухоопорных конструкций из новых мягких оболочек – прочных, долговечных, несгораемых, – перекрывающих досточно большие пролёты с созданием искусственного климата под оболочкой.

Далека от решения программа «Жилище», к которой строители имеют прямое отношение. Для решения этой проблемы на Дальнем Востоке должно быть организовано производство широкой номенклатуры высокоэффективных строительных материалов и изделий, поставляемых пока из-за рубежа или из западных районов страны.

Вближайшие годы предстоит разработка и переход на новые стандарты на базе стандартов Европейского комитета по стандартизации (СЕN) и международной организации по стандартизации (ISO).

Словом, задачи перед вами стоят большие и для их умелого решения необходимо добросовестное постижение своей специальности и её основы – строительных материалов.

Вучебном пособии использованы материалы изданий [53, 54, 55].

4

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

1. ПОНЯТИЯ О БЕТОНЕ

Бетоном называется искусственный камень, полученный в результате затвердевания рационально подобранной, перемешанной и уплотненной смеси

вяжущего, крупного и мелкого заполнителей, добавок и воды. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

Вяжущие могут быть неорганическими и органическими. В настоящее время в строительстве используют бетоны на неорганических (минеральных) вяжущих веществах. Для получения смеси и обеспечения процессов твердения такие бетоны затворяют водой.

Цемент и вода являются активными составляющими бетона: в результате реакций между ними образуется цементный камень, связывающий зерна заполнителей в единый монолит.

Между вяжущим и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (кроме автоклавных и силикатных бетонов и бетонов на карбонатных заполнителях), и поэтому заполнители часто называют еще инертными материалами. Заполнители вводятся в бетон из технических и экономических соображений. Не участвуя в химических процессах, они вместе с тем существенно влияют на структуру и свойства бетона, меняя его пористость, сроки твердения, поведение при воздействии внешней нагрузки и среды, создают жесткий пространственный каркас, уменьшающий деформации усадки.

В качестве заполнителей используются преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки, вскрышные породы и др.). Применение этих дешевых по сравнению с цементом материалов снижает стоимость бетона, поскольку заполнители и вода составляют 85…90 %, а цемент 10…15 % от массы бетона [1].

Из-за разнообразия видов бетона, их свойств они широко применяются в конструкциях промышленного, энергетического, транспортного, водохозяйственного, жилищно-гражданского, сельскохозяйственного и другого строительства. Поскольку оно ведется в различных районах страны, отличающихся климатическими условиями, условиями эксплуатации, к бетону могут предъявляться определенные требования.

Для конструкций гражданских и промышленных зданий и сооружений чаще необходимы высокие прочность, морозостойкость и пониженная ползучесть; для гидротехнических сооружений (плотины, шлюзы, причалы, опоры мостов и др.), работающих в водных средах, – повышенная плотность, водонепроницаемость, морозостойкость, часто химическая и иногда кавитационная стойкость. В массивных сооружениях необходимы бетоны с пониженным тепловыделением и малой усадкой. Бетоны, применяемые в качестве тепло- , звукоизоляционных материалов, должны обладать малой теплопроводностью, высокой замкнутой пористостью.

5

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

При всем богатстве и разнообразии свойств бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше прочности при растяжении. Поэтому при восприятии растягивающих усилий бетон армируют металлическими и пластиковыми стержнями (арматурой).

Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними, близкими показателями температурного линейного расширения. Бетон при этом предохраняет стальную арматуру от коррозии.

Бетонные и железобетонные конструкции могут изготавливать непосредственно в построечных условиях (монолитный бетон) либо на заводах и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке (сборный железобетон).

Для облегчения ориентации в терминологии государственный стандарт классифицирует все бетоны по следующим признакам [2]:

по назначению:

–конструкционные (фундаменты, колонны, балки, плиты перекрытий, мостовые и другие виды конструкций);

–гидротехнические (плотины, шлюзы, облицовки каналов, водопроводноканализационных сооружений);

–для ограждающих конструкций (легкие);

–специального назначения (жароупорные, кислотостойкие, для радиационной защиты, дорожные, аэродромные и др.);

виду вяжущего:

–цементные;

–силикатные;

–гипсовые;

–шлакощелочные;

–полимербетоны (пластбетоны);

–полимерцементные;

–асфальтовые и др.;

структуре: плотные (слитные); крупнопористые; поризованные; ячеистые;

типу заполнителей:

–на заполнителях плотных пород;

–пористых заполнителях.

Поскольку свойства бетона зависят от его плотности, очень удобным является его деление по этому показателю:

–особо тяжелые бетоны с плотностью более 2500 кг/м3;

–тяжелые с плотностью 2200…2500 кг/м3;

–облегченные с плотностью 1800…2200 кг/м3;

–легкие с плотностью 500…1800 кг/м3;

–особо легкие с плотностью до 500 кг/м3, используемые для теплоизоляции. Иногда бетоны различают по условиям твердения:

–естественного твердения (как правило, для монолитных конструкций);

–пропаренные (подвергнутые тепловой обработке при нормальном давлении для изготовления сборных изделий и конструкций);

6

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

–подвергнутые автоклавной обработке (преимущественно силикатные и ячеистые).

Основные виды бетонов (тяжелые и мелкозернистые) в соответствии с техническими условиями [3] подразделяются на следующие классы и марки:

–по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80;

–по прочности на осевое растяжение: Вt0,4; В0,8; В1,2; В1,6; В2; В2,4;

В2,8; В3,2; В3,6; В4,0;

–по прочности на растяжение при изгибе: В0,4; В0,8; В1,2; В1,6; В2,0;

В2,4; В2,8; В3,2; В3,6; В4,0; В4,4; В4,8; В5,2; В5,6; В6,0; В6,4; В6,8; В7,2; В7,6; В8,0;

–бетоны, подвергающиеся в процессе эксплуатации попеременному замо- раживанию и оттаиванию, делятся на марки по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000;

–по водонепроницаемости установлены следующие марки: W2; W4; W6: W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20.

Технология бетонов включает в себя ряд технологических операций (приемов): подготовку сырья, определение состава бетона в зависимости от проектных условий и исходных характеристик сырья (проектирование состава бетона), дозирование компонентов бетонной смеси, их перемешивание, транспортировку смеси

кместу укладки, заполнение форм или опалубки и уплотнение смеси, последующее твердение бетона в условиях строительства или завода и уход за бетоном.

Задача проектирования состава бетона решается в настоящее время путем проведения предварительных расчетов и обязательных экспериментальных работ, устанавливающих качество материалов для проектируемого бетона и позволяющих определить зависимости между отдельными характеристиками и свойствами бетонной смеси или бетона.

Применение химических добавок в сочетании с дисперсными наполнителями и соответствующим подбором состава бетона позволяет эффективно управлять его технологией на всех этапах и получать бетоны с заданными свойствами.

Важно только помнить, что бетон – сложный материал, свойства которого могут заметно изменяться в процессе его «жизни». Только глубокое понимание сути происходящих внутри его процессов, закономерностей, управляющих формированием его структуры и свойств, могут обеспечить рациональное и эффективное применение этого многофункционального материала в строительных конструкциях различного назначения.

Контрольные вопросы

1.Что такое бетон?

2.Какие группы вяжущих веществ используют для приготовления бетона?

3.Что дает введение в состав бетона заполнителей?

4.Почему заполнители для бетона часто называют инертными?

7

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

5.От чего практически зависит долговечность бетона?

6.От чего зависит выбор характеристик тех или иных свойств бетона?

7.По каким признакам классифицируют бетоны?

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ БЕТОНОВ

Качество бетонов в большой степени зависит от используемых материалов. Правильный выбор материалов для бетонов, учитывающий как требования к бетону, так и свойства самих материалов, – важный этап в проектировании состава бетона.

Свойства используемых материалов должны удовлетворять соответствующим государственным стандартам и техническим условиям.

2.1. Вяжущие вещества

Наиболее часто используемые в бетонах минеральные вяжущие вещества при смешивании с водой под влиянием химических процессов постепенно загустевают (схватываются, переходят из жидкого в тестообразное состояние) и твердеют (приобретают начальную, постепенно увеличивающуюся прочность). В зависимости от условий твердения и последующих условий эксплуатации для бетонов выбираются гидравлические или воздушные вяжущие вещества.

Основные предпосылки при выборе цементов для бетона.

1. В бетонах без добавок обычно выбирают цементы по марке в 1,5…2 раза выше, чем будущая марка бетона, т. е.

Rц = (1,5…2) Rб .

При таком соотношении удается получить расход цемента, наиболее близкий к оптимальному с точки зрения формирования плотной структуры. Однако следует помнить, что при переходе к высокопрочным бетонам это правило будет нарушаться, так как цементная промышленность выпускает цемент только марок 400…500 и по особому заказу – 600.

2.Выбор цемента следует производить, учитывая и технологию возведения сооружений или изготовления конструкций и, самое главное, – условия будущей эксплуатации.

3.Особое место занимают высокомарочные бетоны для высотных зданий и конструкций, получаемые с использованием суперпластификаторов первого и второго поколения либо тонкомолотых цементов.

При эксплуатации бетоны могут интенсивно замораживаться и оттаивать, подвергаться коррозии, истираться, испытывать добавочное большое давление

ит. д. Для получения более долговечных сооружений при их проектировании необходим правильный выбор цемента.

Основу большинства цементов составляет портландцементный клинкер. Меняя его минералогический состав, вводя минеральные или органические до-

8

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

бавки или их комплексы, получают цементы, отличающиеся по свойствам и применяемые в разных сферах строительства.

Портландцемент (ПЦ) – цемент, не содержащий в своем составе добавок, кроме гипса. Бездобавочный или клинкерный, как его называют, цемент применяют для высокопрочных бетонов для предварительно-напряженных железобетонных конструкций при строительстве в районах северных или с жарким, сухим климатом либо в конструкциях, где добавки запрещены.

Наибольший объем (около 60 %) составляют портландцементы с добавками. Они могут применяться в большинстве монолитных и сборных железобетонных конструкций.

Шлакопортландцемент (ШПЦ) отличается от портландцемента более медленным схватыванием и твердением в начальном возрасте, однако он более стоек в минерализованных водах, и при пропаривании его твердение ускоряется больше, чем твердение портландцемента.

Пуццолановый портландцемент (ППЦ) относится к группе сульфато-

стойких цементов (как и сульфатостойкие портландцемент (СПЦ) и шлакопортландцемент (СШПЦ). При одинаковой дозировке он обеспечивавет более высокую плотность раствора и бетона, что в совокупности с происходящими химическими процессами дает более высокую их водонепроницаемость. Вместе с тем повышенная водопотребность цемента позволяет применять ППЦ только в случае обеспечения необходимой повышенной химической стойкости бетона.

Широкую гамму свойств могут обеспечить специальные цементы или разновидности портландцемента (БТЦ, ОБТЦ, ГПЦ, ППЦ, цветные, дорожный, с умеренной экзотермией и др.). Из цементных вяжущих, обладающих специфическими свойствами, необходимо помнить о следующих.

Напрягающий цемент (НЦ), обладающий способностью до 4 % увеличиваться в объеме после достижения цементным камнем небольшой прочности (20…15 МПа), что позволяет использовать его для производства самонапряженных конструкций, обладающих высокой прочностью, водо- и газопроницаемостью. НЦ рекомендуется для самонапряженных железобетонных труб, покрытий автодорог и аэродромов, тоннелей, водоводов большого диаметра и т. п. НЦ быстро схватывается (2…6 мин) и поэтому требует специальных режимов твердения бетона.

Фосфатные цементы (ФЦ) применяют для жаростойких бетонов [3]. Они обладают специфическим составом, высокой прочностью и стойкостью при воздействии высоких температур, но требуют внимательного к себе отношения и тщательной отработки, режимов твердения.

Кислотоупорный цемент известен давно и применяется для кислотостойких и жаростойких бетонов. Затворяют его жидким стеклом с добавкой 12…15 % кремнефтористого натрия.

Для получения высокопрочных бетонов активно используют тонкомолотые цементы (ТМЦ). Для снижения нормальной густоты в них вводят и дру-

9

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

гие добавки, в том числе и активные минеральные компоненты. Из этой группы цементов широко используют вяжущие низкой водопотребности ВНВ-100, ВНВ-50, ВНВ-30. Прочность ВНВ примерно в 1,7…2 раза выше прочности исходного цемента, а разбавление его 50…70 % молотого шлака позволяет получить бетоны по прочности, равные с бетонами на исходном цементе.

В строительстве используют также ряд специальных вяжущих веществ: шлакощелочные, магнезиальные, известковые, гипсовые, полимерные и др.

2.2. Заполнители для бетонов

2.2.1. Требования к заполнителям

Идея максимального заполнения объема конструкции более дешевым компонентом, создания жесткого пространственного каркаса из природного прочного материала приводит к тому, что заполнители занимают в бетоне до 80 % всего объема, заметно улучшая свойства бетона и снижая его стоимость. Жесткий пространственный скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает прочность бетона, повышает его модуль деформаций, снижает деформации ползучести, уменьшает усадку цементного камня.

В обычном бетоне применяют крупный и мелкий заполнители. Крупный, зерна которого меняются от 5 до 70(120) мм, подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является песок с зернами 0,16…5 мм. Он может быть речным, овражным (естественным) или получаемым при дроблении горных пород в щебень (искусственным). По плотности зерен заполнители подразделяют: на плотные (тяжелые) с плотностью зерен более 2000 кг/м3 и пористые (легкие), имеющие пористую структуру зерен с плотностью от 400 до 1600 кг/м3.

Заполнители для бетонов и растворов должны отвечать следующим требованиям:

∙иметь определенный зерновой состав для того, чтобы объем пустот между зернами (межзерновая пустотность) был минимальный, т. е. пустоты между крупными зернами были заняты более мелкими зернами;

∙поверхность заполнителей должна обеспечивать хорошее сцепление с твердеющим вяжущим, быть шероховатой без глинистых и пылеватых примесей;

∙заполнители должны быть чистыми, без примесей, отрицательно действующих на процесс твердения вяжущих и на последующую прочность и стойкость бетона.

2.2.2. Зерновой состав

Заполнитель представляет собой совокупность отдельных зерен с непрерывно меняющейся крупностью от 0,16 до 120 мм. Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционный, когда зерна заполнителя разделены на отдельные фракции, включающие зерна близких раз-

10

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com