6.10. Фибробетон

Бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами), называется фибробетоном. Тяжелые бетоны армируются стальной проволокой, стеклянными, базальтовыми или асбестовыми волокнами. Ячеистые и гипсовые бетоны могут армироваться полимерными волокнами, изготовленными из полиэфиров, полиакрилатов, полипропилена.

Тонкая проволока имеет диаметр от 0,1 до 0,5 мм, длину от 10 до 50 мм и вводится в количестве от 3 до 9% от массы бетона, что составляет 70–200 кг на 1 м³.

Стеклянные волокна изготавливают из щелочестойкого стекла. Они имеют диаметр несколько десятков микрон, длину 20–50 мм и обладают прочностью на растяжение 1500–3000 МПа. Их вводят в количестве 1–4% от объема бетона.

Полимерные волокна имеют прочность на растяжение 60–100 МПа. Они стойки в агрессивных средах.

Фибры повышают ударную вязкость бетона, уменьшают истираемость, повышают прочность при растяжении, препятствуют раскрытию трещин. Разрушение бетона происходит постепенно. Надежность конструкций повышается. Дисперсное армирование наиболее эффективно в мелкозернистых бетонах, в особых случаях эксплуатации, имеется опыт его применения для бетонирования оголовков свай.

6.11. Легкие бетоны

Легкие бетоны, отличающиеся высокой пористостью (до 40%) и сравнительно небольшой средней плотностью (от 500 до 1800 кг/м³), широко используют для изготовления несущих и ограждающих сборных бетонных и железобетонных конструкций. Применение их вместо кирпича и тяжелого бетона дает возможность повысить теплозащитные качества ограждений, что, в свою очередь, позволяет уменьшить толщину и массу стен зданий и за счет этого сократить транспортные расходы.

В легком бетоне в качестве заполнителей используют песок и щебень из пемзы, вулканического шлака, вулканического туфа, пористого известняка и доломита, известняка-ракушечника, известкового туфа, опоки, трепела, диатомита, топливных шлаков, пористых металлургических шлаков, вспученных при обжиге керамзита, термозита, перлита, вермикулита и др.

В зависимости от вида применяемого крупного пористого заполнителя легкие бетоны разделяют на керамзитобетон, аглопоритобетон, шлакобетон, пемзобетон и т. д.

Поструктуре рассматриваемые бетоны разделяют на следующие основные виды:

— обыкновенные легкие бетоны, изготовляемые из вяжущего вещества, воды, мелкого и крупного заполнителей при полном заполнении раствором пустот между зернами крупного заполнителя. Количество вовлеченного в бетонную смесь воздуха не превышает 6% объема;

— крупнопористые (беспесчаные) легкие бетоны, в которых зерна крупного заполнителя покрыты тонким слоем цементного теста, а межзерновые пустоты остаются свободными. Крупнопористая структура содержит более 25% пустот, заполненных воздухом;

— поризованные легкие бетоны на основе вяжущего вещества и порообразователя, в структуре которых возникают воздушные ячейки. Это повышает пористость цементного раствора и тем самым снижает плотность бетона.

По назначению легкие бетоны на пористых заполнителях разделяют на следующие виды:

— теплоизоляционные — средней плотностью в воздушно-сухом состоянии менее 500 кг/м³, теплопроводностью не более 0,25 Вт/(м х^oС), применяемые для изготовления теплоизоляционных плит и других изделий;

— конструкционно-теплоизоляционные со средней плотностью 500–1400 кг/м³, прочностью не ниже М35, теплопроводностью не более 0,6 Вт/(м х^oС), используемые в несущих и самонесущих ограждающих конструкциях (стенах и перекрытиях);

— конструкционные— средней плотностью 1400–1800 кг/см³, прочностью не ниже М50, морозостойкостью F15 и выше, применяемые в несущих конструкциях.

По виду вяжущихразличают легкие бетоны цементные, известковые, гипсовые, на смешанном вяжущем и жидком стекле.

Для легких бетонов неавтоклавного твердения применяют портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент, а также быстро твердеющий портландцемент.

Заполнители для легких бетонов. В качестве заполнителей для легких бетонов применяют природные или искусственные пористые каменные материалы, от свойств и качества которых зависят свойства приготовленного бетона.

Природные пористые заполнители получают дроблением и фракционированием пористых горных пород — пемзы, вулканического туфа или лавы, известняка-ракушечника и др. Среди них наиболее эффективны пемза и вулканические туфы, которые имеют высокую, в основном замкнутую, пористость, в результате чего их водопоглощение оказывается небольшим.

Искусственными заполнителями служат отходы промышленности и специальной переработки природных каменных материалов.

К заполнителям, являющимся отходами промышленности и применяемым без предварительной переработки, относят шлаки металлургические и топливные, шлаки химического производства.

К заполнителям, получаемым в результате специальной переработки природных каменных материалов и отходов промышленности, относят вспученные при обжиге глин керамзит и аглопорит, вспученные перлит и вермикулит, гранулированные шлаки, зольный гравий и др.

Керамзит изготовляют из глинистого сырья, способного хорошо вспучиваться в процессе обжига, с повышенным содержанием железистых соединений или с добавками, выделяющими газообразные продукты. Из приготовленной глинистой массы формуют гранулы, которые перед обжигом просушивают. Просушенные гранулы обжигают во вращающихся печах при температуре до 1200 ^oС. В процессе обжига происходит вспучивание гранул с увеличением их объема в 17 раз и образование керамзитового гравия.

Перлит — искусственный пористый материал, получаемый из изверженных полиминеральных горных пород, которые при нагревании до 1100–1300 ^oС вспучиваются и образуют пористый щебень.

Вермикулит — продукт выветривания природного горного камня (биотитовой слюды), который при быстром нагревании до 700–900 ^oС вспучивается, увеличиваясь вобъеме в 40 раз.

Аглопорит — материал в виде щебня и песка, получаемый спеканием глинистой породы и отходов от добычи, переработки и сжигания ископаемых углей.

По величине насыпной плотности в сухом состоянии (в кг/м³) пористые заполнители делят на марки:100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800, 1000 и 1200.

Свойства легких бетонов. Основными свойствами легких бетонов на пористых заполнителях являются плотность, теплопроводность, прочность и морозостойкость. Для того чтобы получить легкий бетон с заданными свойствами, необходимо не только выбрать исходные составляющие материалы, но и правильно подобрать состав бетона.

Средняя плотность бетона зависит главным образом от насыпной плотности и зернового состава заполнителя, расхода вяжущего и воды. Отношение насыпной плотности крупного пористого заполнителя к плотности полученного на нем бетона в среднем для обыкновенного легкого бетона равно 0,5, а для малопесчаного и поризованного — 0,6. Например, на керамзите насыпной плотностью 500 кг/м³ можно получить керамзитобетон плотностью около 1000 кг/м³.

Теплопроводность колеблется в широких пределах — от 0,07 до 0,7 Вт/(м х^oС). На ее величину оказывают существенное влияние плотность бетона, характер пористости и другие факторы. С увеличением плотности теплопроводность бетона повышается. Теплоизоляционные легкие бетоны теплопроводностью менее 0,2 Вт/(м х^oС) получают при применении очень легких заполнителей, например вспученного перлита.

Прочность легкого бетона зависит от прочности цементного камня и заполнителей, прочность которых значительно ниже прочности заполнителей, применяемых в тяжелых бетонах. При низкой прочности крупного заполнителя разрушение бетона может начинаться с разрушения заполнителя независимо от прочности цементного камня.

В случае армирования конструкций используют легкий бетон с плотной структурой. Расход цемента на 1 м³ бетонной смеси в этих случаях должен быть не менее 200 кг на 1 м³.

Средняя плотность таких бетонов не ниже 800 кг/м³. В таких бетонах обеспечивается хорошее сцепление арматуры с бетоном и надежная защита от коррозии.

Морозостойкость легкого бетона зависит от вида и количества вяжущего и морозостойкости заполнителя. Бетоны на портландцементе обладают более высокой морозостойкостью, которая возрастает с увеличением количества цемента. Морозостойкие легкие заполнители (пемза, керамзит, аглопорит) позволяют получать бетон морозостойкостью F25 —F100. Такие бетоны используют для наружных конструкций зданий.

Ячеистые бетоны получают из смеси вяжущего и газо- или пенообразующих добавок, в которой отсутствуют крупные заполнители, а иногда — и песок. При твердении смеси ячеистого бетона получают высокопористый каменный материал с равномерно распределенными воздушными порами (до 85% от общего объема бетона) в виде замкнутых ячеек, заполненных воздухом или газом.

По виду порообразования различают газобетоны и пенобетоны. В первых вспучивание бетонной смеси осуществляют введением газообразователя, во вторых — пенообразователя. Образовавшиеся поры представляют собой замкнутые ячейки диаметром 1–2 мм, разделенные тонкими стенками затвердевшей бетонной смеси.

Пенобетон приготовляют смешиванием цементного теста или раствора с отдельно приготовленной устойчивой пеной. После затвердения пенобетонной смеси образуется бетон ячеистой структуры. Пену приготовляют путем энергичного перемешивания пенообразователя с водой. В качестве пенообразователя применяют жидкие смеси канифольного мыла и животного клея или водного раствора сапонина (вытяжки из растительного мыльного корня), а также препарат ГК (гидролизованная кровь с боен). Полученная пена имеет устойчивую структуру и хорошо смешивается с цементным тестом или раствором.

Пенобетонную смесь приготовляют в пенобетоносмесителях. Затем ее разливают в металлические формы и направляют в пропарочные камеры или автоклавы.

В автоклаве при температуре 175–190 ^oС и давлении пара 0,8–1,3 МПа гидроксид кальция интенсивно взаимодействует с кремнеземистым компонентом. При этом образуется гидросиликат кальция, обладающий довольно высокой прочностью и долговечностью.

Газобетон готовят из смеси цемента (иногда с добавкой извести), кремнеземистого компонента и воды с введением в уже перемешанную смесь газообразователя — алюминиевой пудры, пергидроля (водный раствор перекиси водорода Н2О2) и др. Наиболее распространенный газообразователь — тонкодисперсный алюминиевый порошок (пудра). Процесс газообразования происходит в результате химического взаимодействия алюминия с гидроксидом кальция.

Выделяющийся водород вспучивает цементное тесто, которое, затвердевая, сохраняет ячеистую структуру.

Исходные компоненты газобетона — цемент, известь-пушонку, молотый песок, воду — тщательно смешивают в смесителе, в этот раствор вливают водную суспензию алюминиевой пудры и после повторного перемешивания разливают газобетонную смесь в металлические формы, заполняя их с таким расчетом, чтобы после окончания вспучивания форма была заполнена доверху.

После вызревания в формах газобетон обычно подвергают ускоренному твердению в автоклавах. Применяя автоклавную обработку, можно не только обеспечить получение изделий с высокой прочностью, но и значительно снизить расход цемента путем частичной или полной замены его известью. В последнем случае получают газосиликаты.

Ячеистые бетоны хорошо поддаются сверлению и распиливанию, в них можно легко забивать гвозди.

Крупнопористые бетоны. Бетонную смесь крупнопористого бетона в большинстве случаев приготовляют из цемента, крупного заполнителя (щебня или гравия) и воды. Цементный камень соединяет отдельные зерна крупного заполнителя по плоскостям их контакта между собой. Такой бетон называют беспесчаным.

В отдельных случаях в состав бетонной смеси вводят небольшое количество песка с таким расчетом, чтобы суммарный объем цемента, песка и воды был меньше объема пустот крупного заполнителя. Такой бетон называют малопесчаным.

В качестве крупного заполнителя применяют пористый (реже плотный) гравий или щебень. Расход цемента на 1 м³ бетонной смеси колеблется от 70 до 150 кг.

Преимущество производства крупнопористого бетона на плотном щебне или гравии заключается в недефицитности составляющих. Средняя плотность такого бетона в воздушно-сухом состоянии — 1700–1900 кг/м³. Коэффициент теплопроводности крупнопористого бетона на плотных заполнителях — от 0,6 до 1 Вт/(м хК). Это наименее эффективный по теплозащитным свойствам легкий бетон. Лучшими теплозащитными свойствами обладают крупнопористые бетоны на пористых заполнителях. Коэффициент теплопроводности такого бетона зависит от вида заполнителя.

Так как в бетоне образуются поры, сообщающиеся между собой, то для теплозащиты помещений стены зданий из крупнопористого бетона обязательно отштукатуривают с двух сторон. Марки крупнопористого бетона определяют так же, как и тяжелого.