Бетон как строительных материал. История.

Бетоном называется искусственный камень, получаемый в результате твердения рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердевания называется бетонной смесью.

Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет вначале роль смазки заполнителей, придающей подвижность (текучесть) бетонной смеси, а впоследствии, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень — бетон.

Бетон как строительный материал применялся еще в глубокой древности. С течением времени использование его в строительстве почти прекратилось, и только с XIX столетия после изобретения новых гидравлических вяжущих, в первую очередь портландцемента, бетон снова стал широко применяться для строительства различных инженерных сооружений. Начиная с 60-х годов XIX в., он становится основным вяжущим для бетона и железобетона.

Русские ученые уже с конца XIX в. уделяли большое внимание созданию плотного бетона и правильному расчету его состава. Крупный вклад в науку о бетоне внесли военные инженеры, в особенности Й. Сомович (1885—1890 гг.) и профессор военно-инженерной академии И. Малюга.

Наибольшее развитие технология бетона получила после Великой Октябрьской социалистической революции начиная с 1924 г., со времени первого крупного гидротехнического строительства — Волховстроя.

Особое значение в развитии технологии бетона в СССР имели работы Н. М. Беляева и его школы. Начиная с 1927 г. Н. М. Беляев и И. П. Александрии и их ученики стали внедрять в практику научные методы подбора состава бетона, обеспечившие значительное повышение его качества.

Крупные успехи имеются также в создании легкого, кислотоупорного и жароупорного бетонов. Технология легких бетонов, разработанная Н. А. Поповым, в настоящее время получила широкое развитие. Все более широкое применение получают пенобетон и газобетон, обладающие малыми объемным весом и коэффициентом теплопроводности.

Развитию отечественной технологии бетона, бетонных и железобетонных изделий способствовали исследовательские и практические работы многочисленных коллективов лабораторий и проектных организаций, научно-исследовательских институтов, в частности НИИЖБ, ВНИИЖелезобетона, ВНИИСтрома, ВНИИСтроммаша, проектных институтов Гипростройиндустрия, Гипростройматериалы и др., а также достижения передовых советских инженеров, технологов, конструкторов и новаторов производства.

Бетон является одним из важнейших строительных материалов во всех областях современного строительства, его производство в СССР в 1970 г. превысило 200 млн. м3. Это объясняется:

разнообразием свойств бетона, получаемых путем использования соответствующего качества вяжущих и каменных материалов и применения специальных методов механической и физико-химической обработки;

легкой механической обработкой бетонной смеси, обладающей пластичностью и позволяющей без значительных затрат труда изготовлять самые разнообразные по форме и размерам долговечные строительные конструкции; возможностью полной механизации бетонных работ;

экономичностью бетона (до 80—90% его объема составляют заполнители из местных каменных материалов).

Составляющие бетонной смеси.

Бетон состоит из смеси цемента, заполнителя и воды. Цемент - гидравлическое вяжущее вещество при перемешивании с водой и твердении в течение определенного срока на воздухе или под водой превращается в нерастворимый в воде материал. Заполнитель - песок и щебень (природный или искусственный) различных фракций. Укладывая бетон в форму, ему после твердения придают определенную форму. Для строительства индивидуальных домов бетон готовят различными способами: начиная от замеса вручную или в небольших бетономешалках и кончая изготовлением его в заводских условиях. Вследствие его широкого применения о нем сложились самые различные понятия, в связи с чем в процессе строительства допускают характерные ошибки.

Бетонная смесь. Свойства.

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону. Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении. Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении. При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости. Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.
1)Технические свойства бетонной смеси.
При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность. Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:
-подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;
-жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;
-связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

2) Удобоукладываемость бетонной смеси

3) Деформативные свойства бетон

4) Усадка и набухание бетона

5) Морозостойкость бетона

6) Водонепроницаемость бетона

7) Теплофизические свойства бетона

Основы технологии бетона.

Изготовление бетонных и железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические операции: подбор состава бетона, приготовление и транспортирование бетонной смеси, ее укладку и уплотнение и обеспечение требуемого режима твердения бетона.

Подбор состава бетона. Состав бетона должен быть таким, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и т. п.), а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.

Требуемая подвижность бетонной смеси обеспечивается выбором необходимого количества воды.

Требуемая прочность бетона достигается:
1) выбором марки цемента

2) расчетом требуемого соотношения цемента и воды (Ц/В) по формуле основного закона прочности бетона.

Приготовление бетонной смеси осуществляют в специальных агрегатах — бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимости (от 75 до 4500 дм).

При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзерновые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент — в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения.

В бетоносмесителях свободного падения (гравитационных) материал перемешивается в медленно вращающихся вокруг горизонтальной или наклонной оси смесительных барабанов, оборудованных внутри короткими корытообразными лопастями. Лопасти захватывают материал, поднимают его и при переходе в верхнее положение сбрасывают. В результате многократного подъема и падения смеси обеспечивается ее перемешивание. В таких смесителях приготовляют пластичные бетонные смеси с заполнителями из плотных горных пород, т. е. смеси обычного тяжелого бетона.

Бетоносмесители принудительного перемешивания представляют собой стальные чаши, в которых смешивание производится вращающимися лопатками, насаженными на вертикальные валы, которые также вращаются в этой чаше. Такие смесители целесообразны для приготовления смесей повышенной жесткости и смесей из легких бетонов на пористых заполнителях (пористые заполнители не могут эффективно участвовать в перемешивании смеси в гравитационных смесителях).

Обязательное требование ко всем видам транспортирования бетонной смеси — сохранение ее однородности и подвижности. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах — бетоновозах, имеющих грушевидную емкость. При движении емкость медленно вращается, постоянно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бетонной смеси.

На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами и подают транспортерами.

Укладка бетонной смеси. Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки. Методы укладки и уплотнения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.

Пластичные текучие смеси уплотняются под действием собственного веса или путем штыкования, более жесткие смеси — вибрированием.

Вибрирование — наиболее эффективный метод укладки, основанный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колебательные движения от источника колебаний — вибратора. Применяют главным образом электромеханические вибраторы, основная часть которых — электродвигатель. На валу электродвигателя эксцентрично установлен груз — дебаланс, при вращении которого возникают колебательные импульсы.

При вибрировании жесткая бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно заполняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной смеси, при этом поднимается вверх и выходит из смеси. Бетонная смесь приобретает плотную структуру.

При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при слишком долгом — она может расслоиться: тяжелые компоненты — щебень, песок — концентрируются внизу, а вода выступает сверху.

Чтобы поверхность бетона предохранить от высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Эффективна защита поверхности бетона от испарения влаги полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями.

В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материалами, и подогревом бетона во время твердения (в том числе и электропрогрев). Обеспечить твердение бетона на морозе без подогрева можно с помощью противоморозных добавок.

Для ускорения набора прочности бетоном применяют быстротвердеющие (БТЦ) и особо быстротвердеющие (ОБТЦ) цементы.

Быстрее других достигает марочной прочности (за три дня) бетон на глиноземистом цементе, однако последний нельзя использовать при температуре окружающей среды во время твердения выше 30…35 °С.

Тяжелый бетон. Свойства.

К основным свойствам тяжелого бетона, кроме прочности, относят пористость, деформативность (модуль упругости, ползучесть, усадку), водопроницаемость, морозостойкость, теплофизические свойства и др.

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруговязкопластичное тело. При небольших напряжениях деформируется как упругий материал.

При больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микротрещин и пластических деформаций гелевой составляющей цементного камня.

Ползучесть — склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микротрещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер. Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.

Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их твердении и дальнейшей работе при нахождении в воздушно-сухих условиях.

Пористость. Как это ни покажется странным, бетон — плотный на вид материал — имеет заметную пористость. Причина ее возникновения — в избыточном количестве воды затворения.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит главным образом от характера пор. Водопоглощение тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4…8% по массе (10…20% по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2) °С и оттаивания в воде при (18 + 2) С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла— 5… 10 ч в зависимости от размера образцов.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика — около 1,2…1,5 Вт/(м * К), т. е. в 1,5…2 раза выше, чему кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75…0,92 Дж/(кг * К); в среднем — 0,84 Дж/(кг * К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР тяжелого бетона (10…12) * 10 К1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° (например, от —20 до +30 °С) расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.

Марки и классы бетона.

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначают требуемые характеристики бетона: класс (марку) прочности, марки морозостойкости и водонепроницаемости.

За проектную марку бетона по прочности на сжатие принимают сопротивление осевому сжатию (кгс/см2) эталонных образцов-кубов.

За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение принимают сопротивление осевому растяжению (кгс/см2) контрольных образцов. Эта марка назначается тогда, когда она имеет главенствующее значение.

Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, подвергающегося многократному воздействию отрицательных температур.

Проектная марка бетона по водонепроницаемости характеризуется односторонним гидростатическим давлением (кгс/см2), при котором образцы бетона не пропускают воду в условиях стандартного испытания. Назначается для бетона, к которому предъявляются требования по плотности и водонепроницаемости.

Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных конструкций в возрасте 28 суток, для сборных конструкций - в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями.

Проектную марку бетона монолитных конструкций разрешается устанавливать при специальном обосновании в возрасте 90 или 180 суток в зависимости от сроков загружения, что позволяет экономить цемент.

Прочность бетона определяют путем испытания образцов, которые изготовляют сериями; серия, как правило, состоит из трех образцов.

Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона при растяжении составляет 1/10-1/17 предела прочности при сжатии, а предел прочности при изгибе - 1/6-1/10.

Класс бетона - это числовая характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в 5-ти случаях можно ожидать его не выполненным.

Бетоны подразделяются на классы: В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В40; В45; В50; В55; В60.

Специальные виды бетонов.

К специальным видам бетонов относятся гидротехнические, жаростойкие, кислотостойкие, плотные, силикатные и защитные, от радиоактивного воздействия.

Гидротехнический бетон является разновидностью тяжелого бетона. Его применяют для бетонирования гидротехнических сооружений, воспринимающих при эксплуатации попеременное действие замораживания и оттаивания, намокания и высыхания. Бетон подводной части сооружений находится под напором агрессивных вод, подвергается также химической коррозии от действия веществ, растворенных в воде.

Гидротехнический бетон должен быть плотным, водонепро-ницаемым, морозостойким, стойким к напорным и химически агрессивным водам. Особенно опасны объемные деформации при твердении массивных бетонных конструкций. Образование трещин усадки наблюдается, если бетоны содержат много цемента и не обеспечивается влажностный режим твердения. Температурные деформации могут возникнуть при твердении бетона, если применен цемент с высокой экзотермией.

Для приготовления гидротехнического бетона применяют специальные цементы, цементы с активными минеральными добавками и низкой экзотермией: сульфатостойкий портландцемент, портландцемент с умеренной экзотермией, шлакопортландце-мент, пуццолановый портландцемент и сульфатостойкий пуццо-лановый портландцемент.

Для повышения плотности бетона, снижения и расхода цемента в бетонную смесь вводят пластифицирующие и гидрофобные добавки. К качеству заполнителя (песок, щебень и гравий) предъявляют более высокие требования, чем к заполнителю для обычного бетона. Заполнители должны иметь минимальный объем межзерновых пустот при наличии большого числа крупных зерен. При таком условии содержание цемента в бетоне снижается, следовательно, уменьшаются усадочные и тепловые деформации в твердеющем бетоне. Условия твердения уложенного бетона должны обеспечивать влажностный и температурный режимы.

Жаростойкие бетоны предназначены для промышленных установок и конструкций, подвергающихся длительному воздействию высоких температур; их подразделяют на 3 группы: высоко-огнеупорные (огнеупорность выше 1770° С); огнеупорные (1580— 1770° С); жароупорные (ниже 1580° С).

Для изготовления жаростойких бетонов помимо портландцемента и шлакопортландцемента применяют глиноземистый и: высокоглиноземистый цементы, жидкое стекло с кремнефтористым натрием. Заполнителями служат диабаз, базальт, андезит, щебень из шамота, боя огнеупорных кирпичей, шлаков и т. п.,

Кислотостойкие бетоны изготовляют на жидком стекле с добавкой кремнефтористого натрия, кварцевой муки, песка и кислотостойкого щебня.

В состав кислотостойких и жаростойких бетонов (и растворов) вводят специальные добавки, полученные помолом горных пород или керамических каменных материалов, обладающи повышенной кислото-или жаростойкостью.

Плотные силикатные бетоны изготовляют на основе воздушной извести, тонкомолотой добавки — кварцевого песка и рядового песка или доменного гранулированного шлака (или золы ТЭЦ и др.). Этот бетон должен твердеть только в автоклавах при высоком (8—12 атм) давлении.

Бетон для защиты от вредных излучений имеет высокий объемный вес. К заполнителям этих бетонов относятся горные породы — лимонит, магнетит и барит (у0бетона от 2800 до 4000 кг/м3), чугунные дробь и скрап (у0 бетона от 3500 до 5000 кг/м3).