Бетоны специального назначения

 

В конструкциях, которые эксплуатируются в специфических условиях, применяют бетоны специального назначения, обеспечивающие безотказную работу конструкции в течение заданного срока службы. К таким видам бетонов могут быть отнесены некоторые разновидности тяжелого бетона (гидротехнический бетон, бетон для дорожных и аэродромных покрытий и др.), а также специальные бетоны по классификации ГОСТ 25192 (жаростойкие, химически стойкие, радиационно-защитные, декоративные и др.).

Особенности исходных материалов и основных свойств бетонов специального назначения можно рассмотреть на примере некоторых из них.

 

Дорожный цементобетон

 

Это разновидность тяжелого бетона, который обладает повышенной прочностью на растяжение при изгибе, износо- и морозостойкостью.

Такой вид специального бетона применяют для устройства цементобетонных покрытий и оснований автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, дорог промышленных предприятий.

Бетон в указанных дорожных конструкциях работает в тяжелых условиях. Он подвергается:

- воздействию многократно повторяющихся динамических нагрузок;

- воздействию воды;

- морозных циклов замораживания-оттаивания с одновременным влиянием солей (NaCℓ), применяемых для борьбы с гололедом.

Под действием транспортных нагрузок бетонное покрытие работает на изгиб как плита на упругом основании. Именно поэтому основным показателем механических свойств дорожного бетона является прочность на растяжение при изгибе.

Прочность на сжатие для дорожных бетонов является косвенной характеристикой их износостойкости. Исследования показали, что при прочности на сжатие выше 30 МПа сопротивление истираемости дорожных покрытий будет достаточным (табл. 5.15).

Таблица 5.15 - Рекомендуемые классы бетона по прочности для различных конструктивных слоев дорожных покрытий

 

Назначение бетона	Минимальный проектный класс, МПа (марка, кгс/см^2), бетона по прочности^1
при растяжении при изгибе	при сжатии
Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия дорог I и II категорий	4,0 (50)	30 (400)
Нижний слой двухслойного покрытия дорог I и II категорий	3,2 (40)	22,5 (300)
Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия дорог III категории	3,6 (45)	27,5 (350)
Нижний слой двухслойного покрытия дорог III категории	2,8 (35)	20 (250)
Однослойное или верхний слой двухслойного покрытия дорог IV категории	3,2 (40)	25 (300)
Нижний слой двухслойного покрытия дорог IV категории	2,4 (30)	15 (200)
Основание дорог I-V категорий	1,2 (15)	5 (75)

 

¹В скобках приведены значения ближайших к данному классу марок бетона для дорожных покрытий согласно Инструкции по строительству цементобетонных покрытий ВСН 139-80

 

Морозостойкость бетона, его прочность и сопротивление поверхностному износу возрастают с уменьшением В/Ц.

Бетон однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных покрытий должен иметь высокую морозостойкость:

- в суровом климате (среднемесячная температура наиболее холодного месяца в году ниже -15ºС) марка бетона по морозостойкости должна быть не ниже F200;

- в умеренном (температура воздуха от –5 до –15 ºС) марка бетона – F150;

- в мягком (температура от 0 до –5 ºС) марка бетона – F100.

Основной причиной разрушения бетона при воздействии солей и мороза является то, что на глубине 10...12 мм от поверхности происходит выкристаллизовывание льда и гидратов солей. Расширение льда, образующегося из растворов солей, составляет 1,5...3 % его первоначального объема, в то время как для пресного льда это расширение составляет не более 0,1 %. На структуру льда влияет пространство, в котором он образуется, т.е. характер пористости бетона, которую следует регулировать добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ). Повышение морозостойкости при применении ПАВ вызывается дополнительно вовлеченным воздухом. Пузырьки воздуха блокируют ходы сообщения между отдельными капиллярами, сеть которых оказывается разъединенной минерализованными пузырьками. Поры, образующиеся в бетонной смеси, не заполняются водой при увлажнении затвердевшего бетона и воспринимают давление замерзшей воды в качестве демпферного пространства.

Для снижения расхода цемента и улучшения свойств бетонной смеси и бетона дорожных и аэродромных покрытий, помимо воздухововлекающих добавок, необходимо применять пластифицирующие добавки. Более широкое применение получила комплексная добавка, состоящая из лигносульфоната технического (ЛСТ – расход 0,15...0,25 %) и смолы нейтрализованной воздухововлекающей (СНВ – 0,001...0,025 %).

 

Требования к цементам и щебню

 

Для бетона дорожных и аэродромных покрытий применяют бездобавочные цементы: ПЦ400 и ПЦ500, изготовленные на основе клинкера с содержанием 3СаО·Аℓ₂О₃ £ 8 % по массе. В качестве минеральной добавки допускается применение гранулированного шлака в количестве не более 15 %. Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 2 ч.

Для однослойного и верхнего слоя двухслойных покрытий прочность щебня из изверженных пород должна быть не менее 120 МПа, а щебня из осадочных пород – не менее 80 МПа.

Для нижнего слоя двухслойных покрытий – не менее 80 МПа для щебня из изверженных пород и более 60 МПа для щебня из осадочных пород.

Активированный (свежедробленый) щебень позволяет получить бетон с более высокой прочностью на растяжение при изгибе.

Для размеров щебня установлены ограничения. Наибольший размер зерен щебня или гравия должен быть не более:

- для верхнего слоя двухслойных покрытий – 20 мм;

- для однослойных и нижнего слоя двухслойных покрытий – 40 мм;

- для оснований – 70 мм.

Морозостойкость щебня и щебня из гравия для однослойных и верхнего слоя двухслойных покрытий в зависимости от климатических условий должна быть меньше морозостойкости бетона на 50 циклов.

 

Требования к удобоукладываемости и продолжительности транспортирования (в открытых автосамосвалах)

 

На качество уплотнения бетонной смеси в покрытии, а, следовательно, и на свойства бетона оказывает влияние удобоукладываемость смеси на месте бетонирования. В зависимости от способа уплотнения удобоукладываемость нормируется СНиП 3.06.03-85 (табл. 5.16).

 

Таблица 5.16 - Назначение удобоукладываемости бетонной смеси

в зависимости от вида машинного уплотнения

 

Машины и оборудование для уплотнения бетонной смеси в покрытии (основании)	Удобоукладываемость по ГОСТ 10181.1-81
Подвижность, см, не более	Жесткость, с, не менее
Бетоноукладчик на колесно-рельсовом ходу (в рельс-формах)
Бетоноукладчик со скользящей опалубкой при скорости движения, м/мин:
2 и менее
от 2 до 2,5
от 2,5 до 3,0		-
Площадочный вибратор и виброрейки		-
Вибрационные катки и другое аналогичное оборудование	-

 

Продолжительность транспортирования бетонной смеси не должна превышать 30 мин при температуре воздуха от 20 до 30 °С и 60 мин при температуре воздуха ниже 20 °С.

К важнейшим свойствам дорожного бетона относятся его деформативные свойства, характеризующие способность бетона деформироваться под действием нагрузки и температурно-влажностных факторов внешней среды.

Деформативные свойства бетона оцениваются значениями:

- модуля упругости (2×10⁴ МПа);

- коэффициента линейного температурного расширения (до 10×10^-6 на 1 °С);

- коэффициента Пуассона (от 0,18 до 0,22).

Эти характеристики (наряду с прочностью бетона на растяжение при изгибе), используются при расчете бетонных покрытий и оснований.

В технологии дорожных бетонов необходимо учитывать усадку, т.е. уменьшение их объема со временем в результате контракции цементного теста и потери им влаги в процессе твердения бетона. Под влиянием усадки поверхность бетонной плиты подвергается усадочным деформациям, существенно снижающим долговечность бетона. Наибольшее развитие усадочных деформаций приходится на первые часы и дни твердения бетона и при неблагоприятных условиях твердения может достигать 5...6 мм/м. Уменьшение В/Ц и содержания цемента в единице объема бетона, правильная разработка и осуществление операций по уходу за бетоном, направленных на предотвращение испарения из него влаги в начальный период твердения, способствуют уменьшению деформаций усадки.

Долговечность дорожного бетона по современным представлениям определяется его стойкостью против суммы одновременно действующих на него агрессивных факторов и внешней нагрузки. Из агрессивных факторов наибольшее разрушающее действие на дорожный бетон оказывает циклическое замораживание и оттаивание в присутствии хлористых солей, применяемых при эксплуатации дорог для борьбы с гололедом. По действующим нормативным документам относительной оценкой долговечности дорожного бетона является марка по морозостойкости.

 

Гидротехнический бетон

 

Это плотный тяжелый бетон. Применяется для строительства сооружений, которые постоянно или периодически омываются водой. К ним относятся:

- плотины;

- шлюзы;

- каналы;

- набережные;

- мелиоративные сооружения.

К такому бетону, помимо требований к прочности, предъявляют жесткие требования по водонепроницаемости, водостойкости, устойчивости к образованию трещин при экзотермии и усадке, морозостойкости и долговечности.

В зависимости от расположения в гидротехническом сооружении различают бетон:

- подводный (постоянно находится в воде);

- надводный, подвергающийся лишь периодическому воздействию воды и расположенному в зоне переменного горизонта воды.

В самых тяжелых условиях находится бетон в зоне переменного уровня воды, где он подвергается многократному замерзанию-оттаиванию, воздействию ударных и истирающих механических нагрузок.

Для гидротехнического бетона установлены следующие требования:

- классы по прочности на сжатие: В7,5; В10; В15; В20; В25; В30; В35; В40;

- марки по водонепроницаемости в возрасте 180 суток: W2...W8;

- марки по морозостойкости: F50, F100, F150, F200, F300, F400 и F500.

Прочность на сжатие и осевое растяжение определяют для различных гидротехнических сооружений в возрасте 180 сут, для морских – 28 сут.

Разрешается устанавливать прочность на образцах:

- при сокращении сроков строительства – 90 сут;

- при применении сборного железобетона – 60 сут;

- при зимнем бетонировании – 28 сут.

Водопоглощение бетона зоны переменного уровня воды не должно превышать 5 % массы высушенных образцов в возрасте 28 сут, для бетона других зон – не более 7 %.

Линейная усадка бетона при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20 °С в возрасте 28 сут не должна превышать 0,3 мм/м и в возрасте 180 сут – 0,7 мм/м.

Для этого вида бетона установлены значения В/Ц в пределах 0,45...0,6.

Для бетонов, расположенных на уровне переменного горизонта воды, применяют сульфатостойкий и пластифицированный портландцемент с ограниченным количеством минеральных добавок, а также морозостойкие заполнители из изверженных и осадочных пород.

Для подводного бетона в зависимости от агрессивности воды применяют сульфатостойкий или пуццолановый портландцемент.

Содержание 3СаО Аℓ₂О₃ в цементе для гидротехнического бетона не должно превышать 3...5 %, а сумма 3СаО Аℓ₂О₃ + 4СаО Аℓ₂О₃ Fe₂O₃ должна быть не менее 20 %.

Расход цемента по условиям тепловыделения должен быть не более 350 кг/м³ для массивных конструкций и не более 400 кг/м³ для немассивных.

 

Жаростойкие бетоны

 

Такие бетоны предназначены для применения в конструкциях, работающих при температуре от 200 до 1800 ºС в течение длительного времени. Примером таких конструкций могут служить:

- дымовые трубы;

- футеровки печей, котлов;

- фундаменты тепловых агрегатов.

Изготавливают такие бетоны в соответствии с требованиями ГОСТ 20910.

При воздействии высоких температур на затвердевший портландцемент происходит разложение компонентов цементного камня (гидросиликатов и гидроалюминатов кальция), а также гидроксида кальция. Такие процессы приводят к образованию свободного СаО. Его наличие в затвердевшем материале опасно тем, что при воздействии влаги он гидратируется с увеличением в объеме, стимулируя трещинообразование и разрушение конструкции.

Поэтому в состав жаростойкого бетона на основе портландцемента вводят тонкомолотые добавки, содержащие активный аморфный кремнезем, который способен связывать оксид кальция при температуре 700-900 ºС. В качестве таких добавок применяют: молотые шамот, золошлак, керамзит, аглопорит, магнезит и др.

Заполнителями могут служить: шамот, шлаки, базальт, андезит, диорит, керамзит, аглопорит, бой жаростойкого бетона, бой огнеупорного кирпича и др.

В качестве связующего могут использоваться портландцемент и его разновидности (быстротвердеющий портландцемент, шлакопортландцемент), алюминатные цементы (глиноземистый и высокоглиноземистый), силикатные вяжущие (жидкое стекло с отвердителем).

Тип вяжущего и заполнители выбираются с учетом температуры эксплуатации конструкции. Для жаростойких бетонов установлены классы по прочности на сжатие от В1 до В40 и классы по предельно допустимой температуре от 300 до 1800 ºС.

 

Химически стойкие бетоны

 

Эти бетоны используют для изготовления различных видов конструкций и облицовки аппаратуры в химической промышленности, заменяя ими кислотоупорную керамику и другие дорогостоящие материалы.

Изготовляемые конструкции на основе этих бетонов работают в агрессивных средах: минеральных и органических кислотах, растворах солей, растворителях и нефтепродуктах.

Химически стойкие бетоны подразделяются на: полимерные, которые изготавливаются на специальных вяжущих с использованием фурановых, эпоксидных, карбомидных, акриловых синтетических смол, а также полимерсиликатные бетоны – на основе жидкого натриевого или калиевого стекла с полимерной отверждающей добавкой.

В качестве заполнителей применяют гранитный щебень, кварцевый песок и другие материалы, стойкие к воздействию указанных агрессивных сред.

Для снижения расхода дорогостоящих смол в состав бетонных смесей вводят химически стойкие наполнители (кварцевую или андезитовую муку и др.).

Критерием оценки химической стойкости бетонов является коэффициент химической стойкости К_х.с:

(5.31)

где R_o – предел прочности серии образцов на растяжение при изгибе, не погружавшихся в агрессивную среду (контрольные образцы);

R_τ – предел прочности серии образцов на растяжение при изгибе после выдержки их в агрессивной среде в течение 360 сут (при промежуточных сроках 30, 60, 90, 270 сут).

В зависимости от стойкости в агрессивных средах бетоны подразделяются на:

- высокостойкие – К_х.с ³ 0,8;

- стойкие – 0,5 £ К_х.с < 0,8;

- относительно стойкие – 0,3 £ К_х.с < 0,5;

- нестойкие – К_х.с < 0,3.

Прочность на сжатие химически стойких бетонов 30...110 МПа, морозостойкость 300...1000 циклов.

 

Радиационно-защитные бетоны

 

Такие бетоны предназначены для надежной защиты персонала и окружающей среды от радиоактивных излучений (рентгеновских, g, a и b-лучей) ядерных реакторов АЭС, предприятий по выработке и переработке изотопов и др.

Для защиты от воздействий нейтронных потоков наиболее эффективно применение гидратных бетонов, т.е. бетонов с повышенной (более 3 % по массе) химически связанной водой, а, следовательно, и ядер водорода (водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока нейтронов).

В качестве радиационно-защитных материалов наиболее широко применяют особо тяжелые бетоны с высокой плотностью (от 2500 до 6000 кг/м³). Это достигается за счет использования тяжелых заполнителей: магнетита, лимонита, барита, металлического скрапа в виде чугунной дроби, металлических стружек и др.

В качестве вяжущих веществ в особо тяжелых бетонах применяют:

- портландцемент;

- шлакопортландцемент;

- глиноземистый цемент;

- гипсоглиноземистый (расширяющийся) цемент.

Для гидратных бетонов применяют цементы:

- глиноземистый;

- расширяющийся;

- быстротвердеющий;

- самонапрягаемый.

Указанные цементы в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне, а, следовательно, и получению в нем ядер водорода.

Качество радиационно-защитных бетонов характеризуют:

- средней плотностью бетона;

- фактическим содержанием химически свободной воды;

- толщиной слоя бетона, способного задерживать радиоактивные излучения, при котором поток излучения ослабляется в 2 раза по сравнению с первоначальным.

 

Декоративные бетоны

 

Декоративные (цветные) бетоны применяют для элементов фасада зданий, переходных (пешеходных) полос на улицах и дорогах, для обозначения разделительных и краевых полос.

Декоративный бетон готовят с использованием белых и цветных цементов и различных пигментов.

Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосферо- и щелочестойкостью. Чаще применяют минеральные пигменты, являющиеся оксидами или солями различных металлов.

В цветных бетонах применяют кварцевые пески светлых оттенков, дробленые пески и щебень из мрамора. Для формования изделий из цветного бетона используют подвижные бетонные смеси с расходом цемента 450...500 кг/м³, которые менее подвержены расслоению.

Содержание воды в бетонной смеси должно приближаться к нормальной густоте цементного теста, поэтому для сокращения расхода воды и повышения долговечности изделий используют пластификаторы и суперпластификаторы.

Для сохранения внешнего вида поверхности декоративного бетона в течение длительного времени применяют различные способы ее обработки (флюатирование, гидрофобизацию, пропитку полимером).

 

Бетон «сухого» формования

 

Сухие бетонные смеси, как цементно-песчаные, так и трехкомпонентные (содержащие крупный заполнитель) могут быть использованы для получения конструкционного бетона по нетрадиционной технологии «сухого» формования, разработанной в Белорусском национальном техническом университете(Э.И. Батяновский). В этом случае в опалубке, форме или матрице формующего устройства уплотняют сухую бетонную смесь, а затем к ней разнообразными приемами подводят воду либо водные растворы химических добавок для обеспечения реакций гидратации цемента. Разработан вариант влагонасыщения сухих смесей нагнетанием под давлением водяного пара, чем обеспечивается одновременный разогрев бетона, даже если сухая смесь была охлаждена до отрицательной температуры.

Дополнительная обработка особо плотного бетона заключается в его повторном вибрировании с пригрузом после влагонасыщения сухой бетонной смеси. При этом устраняются дефекты структуры цементного камня, возникающие в виде каналов фильтрации жидкости под давлением, повышается качество сцепления цементного камня с заполнителями.

Кроме того, вибрация водонасыщенной смеси вызывает активизацию вяжущих свойств цемента.

Характерной особенностью бетона «сухого» формования является его схватывание в процессе влагонасыщения вследствие низкого (0,25...0,30) водоцементного отношения и значительной плотности укладки зерен твердой фазы (r_о » 2500 кг/м³).

Прочность свежеотформованного повторно вибрированного бетона – до 2 МПа; за 12...24 ч твердения бетон «сухого» формования на рядовых цементах с расходом 360...380 кг/м³ достигает прочности 15...50 МПа в зависимости от температурного режима выдержки.

Технологию «сухого» формования с водонасыщением и повторным вибрированием целесообразно использовать для мелкоштучных изделий с повышенными прочностными характеристиками и эксплуатационной надежностью (разнообразных элементов благоустройства, дорожных плит, элементов обделки тоннелей метро и др.).