0 12345673Э Капиллярная пористостьt

Рис. 6.4. Эталонная кривая зависимости морозостойкости бетона от капиллярной пористости [1]

Jjoa § 200

S 100 ^ „

Чтобы бетонная смесь стала подвижной и легко заполняла опреде­ленный объем, необходимо не только заполнить пустоты, но и раздвинуть зерна заполнителя прослойками из цементного теста. Чем больше раз­движка, тем легче скольжение заполнителя по отношению друг к другу и, следовательно, выше пластичность смеси. В зависимости от свойств (плот­

ный или пористый) и соотношения между мелким и крупным заполнителя­ми минимальное содержание цементного теста в бетонной смеси, обеспе­чивающее ее нерасслаиваемость и качественное уплотнение, составляет 170 - 200 л в жесткой смеси и до 220 - 270 л в подвижной и литой.

Рассмотрим, как влияют свойства компонентов на подвижность бе­тонной смеси при неизменном расходе воды. Чем тоньше помол цемента и чем больше он содержит молотых добавок - трепела, диатомита, опоки (пуццолановый портландцемент), тем жестче бетонная смесь. Это связано с увеличением суммарной площади поверхности частиц, которая для по­лучения пластичной смеси должна быть покрыта тонким слоем воды.

Подвижность существенно зависит также от формы, размера и чисто­ты поверхности заполнителей. Пылевидные примеси, адсорбируя на своей поверхности часть воды затворения, повышают водопотребность бетонной смеси, снижая ее подвижность. Большое влияние оказывает также соотно­шение между песком и щебнем. Так подвижность повышается при увеличе­нии доли крупного заполнителя и использовании гравия окатанной формы.

С повышением содержания воды пластичность смеси значительно повышается. Каждая бетонная смесь обладает определенной водоудержи- вающей способностью, устанавливаемой опытным путем. При большом содержании воды (рис. 6.5) вязкость цементного теста становится недоста­точной для удерживания заполнителя во взвешенном состоянии и равно­мерного его распределения по всему объему. Плотный тяжелый заполни­тель под действием собственной массы оседает, происходит расслоение бетонной смеси. Избыточная вода, как наиболее легкий компонент, обте­кая зерна заполнителя, отжимается вверх. Образуются капиллярные ходы, снижающие морозостойкость и водонепроницаемость бетона, которые в результате последующей гидратации несколько повышаются (рис. 6.6). Вода скапливается также под зернами крупного заполнителя, образуя по­лости, ухудшающие строение и свойства бетона. Особенно интенсивно этот процесс протекает при уплотнении. Наблюдаемое расслоение нару­шает не только однородность бетонной смеси, но и бетона в конструкциях при его твердении. Поэтому водоотделение строго ограничено и может со­ставлять в зависимости от удобоукладываемости смеси от 0,1 до 0,8 %. Исключить расслоение можно за счет снижения расхода воды, увеличения расхода цемента, введением добавок пластификаторов и суперпластифика­торов, увеличением содержания мелкого заполнителя и применением спе­циальных добавок, повышающих вязкость цементного теста (например, высокогидрофильной бентонитовой глины).

Рис. 6.5. Водоотделение в цементном тесте в зави- Рис. 6.6. Изменение водонепрони- симости от относительного водосодержания [1] цаемости бетона во времени [1]

На практике самой важной характеристикой бетонной смеси являет­ся ее удобоукладываемость - способность равномерно занимать опреде­ленный объем под действием собственной силы тяжести, если смесь высо­копластична, или приложения нагрузки, например, вибрации при жесткой бетонной смеси. Для оценки удобоукладываемости в зависимости от ее пластичности используют следующие показатели: подвижность и жест­кость. Подвижность определяют для пластичных бетонных смесей, заме­ряя осадку в сантиметрах отформованного из бетонной смеси усеченного стандартного конуса. Этот показатель является статической характеристи­кой структурной прочности бетонной смеси, т.к. ее осадка происходит под действием собственной массы. В зависимости от осадки конуса (ОК) раз­личают низкопластичные смеси (П₁, П₂) с ОК 1 -4 и 5 - 9 см соответствен­но, пластичные (П₃, П₄) с ОК 10 - 15 и 16 - 20 см и литые (П₅) с ОК более 20 см. При наличии жестких смесей с ОК менее 1 см применяют другой показатель - жесткость. Это динамическая характеристика вязкости бе­тонной смеси, т.к. ее определяют с применением вибрации. На практике жесткость оценивают или с использованием упрощенной методики проф. Б.Г. Скрамтаева по времени вибрации в секундах, достаточном для запол­нения отформованным усеченным бетонным конусом формы - куба опре­деленного размера, или применяя специальный прибор. К сверхжестким относят смеси при времени вибрации от 100 и более до 41 с (СЖ 3, 2, 1), жестким от 40 до 5 с (Ж 4, 3, 2, 1) (СТБ 1035-96).

Показатели подвижности и жесткости назначают с учетом насыщен­ности арматуры, модуля поверхности бетонируемой конструкции и гори­зонтального или вертикального расположения формы при уплотнении. Повысить пластичность бетонной смеси можно за счет увеличения водо- цементного отношения, введения добавки пластификатора и суперпласти­фикатора, увеличения расхода цемента и снижения расхода мелкого за­полнителя. Из вышеизложенного следует, что свойства бетонной смеси за­висят от количества и свойств составляющих компонентов.

После приготовления бетонную смесь транспортируют к месту ук­ладки. На территории завода для этой цели используют ленточные конвей­еры, а также общие способы доставки, пригодные как для получения мо­нолитного, так и сборного железобетона: автосамосвалы, автобетоносме­сители, автобетоновозы. Одним из прогрессивных методов подачи бетон­ной смеси на строительные площадки, в цеха и полигоны завода является трубопроводный транспорт. Он удобен для подачи больших объемов бе­тонной смеси в конструкции, к которым затруднен либо невозможен подъ­езд автотранспорта, при подземном строительстве, где исключена подача смеси строительными кранами. Еще одним преимуществом трубопровод­ного транспорта является возможность непрерывной подачи бетонной смеси к месту производства работ, которая осуществляется пневматиче­ским способом либо гидравлическим - бетононасосами.

Перед подачей бетонной смеси форму подготавливают: очищают, смазывают, укладывают согласно проекту арматуру и закладные детали. При формовке бетонных и железобетонных изделий и конструкций ис­пользуют свойство бетонной смеси - тиксотропность. Это способность многокомпонентного пластичного состава понижать вязкость под дейст­вием нагрузки (вибрации) в результате нарушения сцепления между час­тицами и восстанавливать структурную целостность и прочность при сня­тии механического воздействия. Таким образом, бетонная смесь обладает, с одной стороны, свойствами жидкости, способной занимать определенный объем, с другой, - твердого тела, обладающего структурной прочностью.

На заводах сборного железобетона изделия обычно формуют на специальных виброплощадках. Для уплотнения сверхжестких смесей применяют вибрирование с пригрузом: вибропрессование, виброштам­пование, для литых - вибровакуумирование, основанное на частичном удалении воды за счет создаваемой разности давления на верхней и ниж­ней поверхностях бетонируемой конструкции. В последнее время получи­ли распространение ударный и безвибрационные способы уплотнения, ко­торые обеспечивают экономию энергии, уменьшают опасность вибраци­онного воздействия на рабочих. При ударном способе изготовления изде­лий формы с пластичной бетонной смесью многократно поднимают и опускают с небольшой высоты. При этом происходит постепенное уплот­нение и равномерное распределение бетонной смеси по всему объему. Из безвибрационных наиболее известны наливной, набивной и метод цен­трифугирования.

При наливном способе используют высокоподвижные литые бе­тонные смеси, которые равномерно распределяются при заливке их в фор­му. Для исключения возможного расслаивания в них вводят тонкомолотые минеральные добавки или добавки пластификаторов и суперпластифика­торов при сохранении водоцементного отношения.

Набивным способом в зависимости от последовательности приго­товления смеси получают шприц-бетон и торкрет-бетон. И тот, и другой подают в форму или на защищаемую поверхность под давлением сжатого воздуха. Отличие состоит в том, что в первом случае сухую смесь из песка и цемента смешивают с водой непосредственно при выходе из сопла, во втором - относительно пластичный состав готовят заранее и подают под давлением в форму. Для изготовления полых изделий - труб, колонн при­меняют центробежный способ формовки, основанный на равномерном распределении по поверхности формы и уплотнении подаваемой бетонной смеси под действием центробежной силы, возникающей при вращении.

При изготовлении монолитных конструкций вначале устанавли­вают опалубку и арматуру. Опалубка может быть из досок, фанеры или металлических листов. Для повышения стойкости деревянную опалубку защищают слоем из полиэтилена или армированного стекловолокном пла­стика. Иногда в качестве опалубки используют железобетонные плиты, которые являются частью будущей сборно-монолитной конструкции. Ар­матуру устанавливают в соответствии с проектом в виде арматурных стержней или каркасов. Для особо ответственных конструкций использу­ют так называемую жесткую арматуру в виде двутавров, швеллеров и про­ката специальных профилей. Бетонирование больших монолитных соору­жений или конструкций ведут отдельными блоками, устраивая между ни­ми рабочие швы. Блок бетонируют непрерывно, поэтому каждая после­дующая порция бетонной смеси должна быть уложена и уплотнена глу­бинными и поверхностными вибраторами до схватывания предыдущей.

Большое внимание, которое сейчас уделяют производству высоко­прочных морозостойких тротуарных, дорожных и облицовочных бетон­ных плит, бордюрных камней, брусчатки заставило вернуться к техноло­гии бетона сухого формования, которая была изначально предложена со­ветским инженером И.В. Вольфом еще в 1937 г. и в дальнейшем дополня­лась и развивалась учеными многих стран. Особенностью этой технологии является уплотнение сухой бетонной смеси в форме или опалубке с после­дующим влагонасыщением водой, паром или растворами различных хи­мических добавок. Таким образом получают изделия с прочностью на сжатие до 80 МПа, водопоглощением менее 2 %, истираемостью менее 0,5 г/см и маркой по морозостойкости F 1000 и более. Высокие показатели качества достигаются за счет плотной упаковки сухих компонентов бетон­ной смеси в единице объема и подвода минимального количества воды, необходимой для заполнения оставшихся пустот и обеспечения реакции гидратации цемента. При такой технологии исключается необходимость введения повышенного количества воды для обеспечения удобоуклады- ваемости смеси, которая затем вызывает формирование дефектной порис­той структуры бетона.

Самый сложный процесс в этой технологии - влагонасыщение. Уче­ные разных стран предлагали многочисленные способы введения воды, основанные на явлении капиллярного подсоса, нагнетания пара под давле­нием или использования снега и гранул льда. В Беларуси этими работами руководит проф. Н.Н. Ахвердов. По предложенной им технологии изделия получают повторным вибрированием смеси, влагонасыщенной паром под давлением. Эффективна эта технология и при зимнем бетонировании мо­нолитных крупноразмерных конструкций. Для их изготовления в опалубку вместе с арматурой устанавливают съемные перфорированные металличе­ские трубы. Затем послойно укладывают, уплотняют сухую бетонную смесь, подаваемую по гибкому рукаву, и подают по трубам водяной пар. Конденсируясь пар насыщает смесь влагой и разогревает ее за 20 - 30 се­кунд до температуры 60 - 80 ^оС, что обеспечивает набор прочности за 24 часа от 70 до 90 % марочной.

Теоретические разработки в области структурообразования цемен- тосодержащих композиционных материалов, по мнению Ю.М. Баженова, дают предпосылки для создания новых технологий получения как узко­специальных материалов, так и изделий, конструкций широкого массового применения. В первом случае технология основана на использовании од­нородно распределенных по объему таких ультрамалых частиц, как актив­ный кремнезем, микроволокна, позволяющем при В/Ц = 0,06 - 0,2 полу­чать высокопрочные материалы на уровне 250 - 650 МПа.

Второе направление предусматривает применение высококачествен­ных цементов, полученных совместным помолом с комплексной добавкой на основе суперпластификаторов (ВНВ), позволяющих получить при В/Ц = 0,1 - 0,18 особо плотную структуру цементного камня с прочностью на из­гиб 40 - 150 МПа и сжатие 100 - 300 МПа. Для повышения прочности на

сжатие до 800 МПа перспективно сочетание нескольких технологических приемов, например, введение фибронаполнителей, активного микрокрем­незема и химических добавок суперпластификаторов. Для массового строительства все в большем объеме используют мелкозернистые бетон­ные смеси, модифицированные многофункциональными добавками.

Важнейшей технологической особенностью бетонной смеси любого состава является ее способность постоянно изменять свои свойства под влиянием физико-химических процессов взаимодействия цемента и воды, которые сопровождаются потерей подвижности и образованием прочного искусственного камня.

6.3.2. Влияние температуры и влажности

на процесс твердения бетона

Рис. 6.7. Влияние условий хранения на нарастание прочности бетона [4]: 1 - постоянно водное хранение; 2 - постоянно воздушное хранение; воздушное хране­ние после начального водного хранения: 3 - 3 сут; 4 - 7 сут; 5 - 14 сут; 6 - 28 сут

14 28 Время, сутки

При возведении монолитных конструкций на строительной площад­ке бетон твердеет в условиях, которые зависят от времени года и климати­ческих особенностей местности. На набор прочности бетоном большое влияние оказывают температурно-влажностные условия твердения. Сни­жение влажности воздуха вызывает испарение воды с поверхности отфор­мованного бетонного изделия, что приводит к появлению усадочных тре­щин, обезвоживанию бетона, прекращению набора прочности в условиях дефицита воды (рис. 6.7) и формированию дефектной, водопроницаемой структуры. Поэтому бетон необходимо выдержать во влажном состоянии при нормальных условиях температура (20 ± 3) °С, влажность (95 ± 5) % не менее 7 суток после бетонирования, а при высоких температурах тверде­ния до достижения 50 - 70 % нормируемой прочности.

Снижение температуры твердения, что имеет место при производстве бетонных работ в осенне-весенний период вследствие уменьшения химиче­ской активности воды затормаживает процесс набора прочности (рис. 6.8), что в большей степени характерно для пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента, содержащих большое количество минеральных добавок.

Установлено, что при понижении температуры до отрицательной (- 5 °С) твердение бетона очень замедленно продолжается за счет незамер­зающей воды, которая содержится в мельчайших порах (см. рис. 6.8). Дальнейшее понижение температуры до - 10 °С и ниже прекращает про­цесс гидратации. Последующее нарастание прочности при оттаивании бе­тона и набор нормируемой прочности зависят от происшедших структур­ных изменений в бетоне. Если замораживание наступило сразу после ук­ладки бетона в конструкцию, то дальнейшее повышение температуры при­водит к оттаиванию бетона и набору им заданной прочности. Если бетон замерз после набора той «критической» прочности, когда сформировав­шаяся структура бетона уже способна к восприятию без разрушения дав­ления замерзающей воды, то потери конечной прочности будут малы. Зна­чительный недобор прочности (30 - 40 %) может иметь место только при условии замораживания бетона на стадии формирования структуры, когда напряжения, возникающие от давления льда вследствие увеличения его объема по отношению к воде на 9 % выше, чем прочность контактов меж­ду кристаллическими продуктами гидратации. Происшедшие разрушения не восстанавливаются при последующем твердении в условиях положи­тельных температур, что и влечет за собой формирование дефектной структуры с низкой прочностью.

Рис. 6.8. Нарастание прочности бетона на портландцементе в зависимости от температуры твердения [14]

Для набора «критической» прочности, которая составляет в зави­симости от класса бетона 25 - 50 %, применяют комплекс мер: использо­вание высокоэффективных быстротвердеющих портландцементов; сниже­ние расхода воды затворения; введение специальных противоморозных добавок, обеспечивающих гидратацию вяжущего за счет понижения тем­пературы замерзания раствора; теплоизоляцию поверхности свежеуло- женного бетона, приготовленного на подогретых заполнителях и воде или с применением противоморозных добавок (метод термоса), а также тепло­вую обработку с использованием энергии пара, нагретого воздуха или электрического тока. Тепловую обработку применяют и при нормальных условиях твердения, когда хотят получить заданную прочность бетона в более короткий срок. Именно этот технологический прием используют при получении сборного железобетона на заводах. Наибольшее распро­странение получили следующие методы: термовлажностная обработка при нормальном и повышенном давлениях, электропрогрев и гелиообработка.

Термовлажностную обработку (ТВО) при обычном давлении про­водят с использованием специальных герметичных камер, режим работы которых предусматривает повышение температуры до 70 - 95 °С в усло­виях насыщенного пара. Весь процесс можно разделить на четыре основ­ных этапа: предварительная выдержка бетона до начала схватывания; медленный подъем температуры до максимальной заданной; выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение бетонных изделий. Первый этап может составлять от 1,5 до 3,5 часов и зависит от жесткости смеси, вида применяемого цемента и добавок. Так как его про­должительность фактически определяется сроками схватывания и струк- турообразования, то следовательно при использовании более активных цементов, смесей с малым водосодержанием и добавками ускорителями выдержка минимальна. Применение шлако- и пуццоланового портландце­мента, пластичных смесей и добавок пластификаторов, несколько замед­ляющих процесс гидратации цемента в первые часы контакта вяжущего с водой, требует удлинения этого периода.

Второй этап - подъем температуры характеризуется показателями скорости, которая может составлять от 10 до 30 ^оС/ч. Чем раньше бетон приобретет минимальную структурную прочность, способную противо­стоять давлению пара и газообразных продуктов, тем больше может быть скорость подъема температуры. Следовательно, продолжительность этого периода тесно связана с предыдущим. При наличии факторов, обусловли­вающих сокращение времени выдержки, скорость подъема температуры может составлять 30 ^оС/ч. Максимальная температура зависит от активно­сти портландцемента (рис. 6.9) и составляет для высокоактивного быст- ротвердеющего портландцемента 50 - 60 ^оС, рядового - 70 - 80 ^оС, шлако- и пуццоланового - 85 - 90 ^оС. Время изотермии определяется заданной за­казчиком прочностью бетона после ТВО, которая, как правило, составляет 50 - 70 % нормируемой. В отдельных случаях, когда строителями преду­сматривается нагружение конструкции расчетной проектной нагрузкой, отпускная прочность соответствует нормируемой - 100 % R₂₈. Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает перепад температуры и влажности, вызывающий перемещение воды и пара в еще непрочном бе­тоне, приводящее к разрыхлению структуры. Поэтому ускорение набора прочности бетоном с использованием ТВО обусловливает формирование более дефектной структуры по сравнению с бетоном, твердевшим в нор­мальных температурно-влажностных условиях. Как следствие, это ведет к снижению его водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для исключения влагопотерь с поверхности бетонных изделий при ТВО необходимо использовать рулонные пароизоляционные материа­лы (полимерные пленки, прорезиненную ткань, рубероид и т.д.), пленко­образующие составы (латексные, водные эмульсии синтетических каучу- ков), наносимые распылением на поверхность свежеотформованного бе­тона, иди добавки депрессоры испарения (высшие жирные спирты). Их защитное использование позволяет проводить термообработку продукта­ми сгорания природного газа без ухудшения свойств бетона.

Рис. 6.9. Кривые нарастающей прочности бетона при пропаривании: а - для портландцемента; б - для шлакопортландцемента [1]

Уменьшить продолжительность ТВО на 3 - 6 часов и снизить энерго­емкость процесса можно путем совмещения интенсивного механического и теплового воздействия на бетон. Применение в период структурообразова- ния механических воздействий (динамометрическая обработка) способст­вует ускорению набора прочности и повышению плотности бетона. Меха­ническое давление на твердеющую смесь, составляющее 10 - 70 г/см², по рекомендации НИИЖБа может создаваться специальным пригрузом, же­сткой крышкой форм, пакетированием изделий или избыточным давлени­ем пара в камере. Один из путей снижения энергозатрат при ТО - приме­нение комплексных добавок, состоящих из ускорителей и суперпластифи­каторов. Основной эффект последних связан с возможностью снижения расхода воды при сохранении заданной пластичности самого теплоемкого компонента бетонной смеси на 20 % и более. Применение этих добавок позволяет не только снизить температуру изотермии, но и отказаться от использования бездобавочных (клинкерных) энергоемких цементов при получении бетонов прочности 60 - 70 МПа, а также уменьшить в 3 - 5 раз продолжительность и интенсивность виброуплотнения.

Повышение температуры ТВО свыше 100 °С еще в большей степени ускоряет процесс твердения бетона. Так как гидратация минерального вя­жущего может протекать только в присутствии воды, то с целью преду­преждения ее вскипания и испарения этот вид термообработки проводят при повышенном давлении. Запаривают бетон в специальных герметичных камерах - автоклавах. Помимо ускорения твердения запаривание приводит к дополнительному образованию кристаллических соединений, повы­шающих прочность бетона до 50 - 100 МПа. По автоклавной технологии получают цементные изделия, а также силикатные кирпичи и бетоны, в которых в качестве вяжущего используют тонкомолотую смесь, состоя­щую из гашеной или негашеной извести и кремнезема. Полный цикл авто­клавной обработки состоит из пяти этапов: впуск пара и постепенный на­грев до 100 °С; повышение температуры и давления пара до максимальных значений - соответственно 175 - 203 °С и 0,8 - 1,6 МПа; затем выдержи­вание изделий при заданных температуре и давлении; снижение давления до нормального и температуры до 100 °С и пятый - остывание изделий до температуры окружающей среды.

В качестве источника тепла при производстве сборного железобето­на и при зимнем бетонировании монолитных конструкций используют также энергию электрического тока. Электропрогрев бетона может быть осуществлен или за счет прохождения электрического тока по металличе­ской форме и арматуре и перехода электрической энергии вследствие вы­сокого электросопротивления стали в тепловую, или через свежеуложен- ный бетон между двумя электродами. В этом случае разогрев бетона обу­словлен высоким электросопротивлением свежеуложенной смеси, содер­жащей жидкую фазу, насыщенную электролитами.

В летний период сложность получения качественного бетона с за­данными свойствами связана с тем, что, во-первых, при перевозке бетона вследствие ускорения процесса гидратации наблюдается быстрое загусте- вание бетонной смеси, сопровождаемое потерей ее подвижности, и, во- вторых, высокая температура и низкая влажность воздуха вызывают ин­тенсивное испарение воды с поверхности отформованных изделий. По­следнее приводит к появлению усадочных трещин и формированию не­прочного поверхностного слоя. Поэтому перевоз бетонной смеси осущест­вляют в специально оборудованных самосвалах с укрытием бетонной по­верхности пленочными материалами или в бетоновозах. Для удлинения времени схватывания вводят добавки - замедлители твердения или часть воды заменяют льдом. При приготовлении и укладке бетонной смеси на месте процесс твердения ускоряют, чтобы бетон успел набрать прочность до испарения воды путем введения добавок - ускорителей твердения или применения быстротвердеющего портландцемента. Поверхность бетона после схватывания покрывают слоем мокрого песка или опилок с после­дующей защитой их воздухо- и влагонепроницаемым пленочным материа­лом до набора бетоном 50 - 70 % нормируемой прочности.

В практику строительства все шире внедряют гелиотермообработку железобетонных изделий, при которой в качестве теплоносителя исполь­зуют солнечную энергию. Для этого применяют или гелиоформы, фокуси­рующие энергию солнца, или специальные пленочные покрытия черного цвета. Интенсифицировать этот процесс можно также за счет комплексно­го использования энергии солнца в сочетании с быстротвердеющим це­ментом и добавками - ускорителями твердения.

6.3.3. Структура и свойства бетона

Условия твердения, вид и качество минерального вяжущего, запол­нителей, воды и добавок предопределяют структуру и свойства бетона. Образование этого искусственного каменного монолитного материала происходит за счет сцепления цементного камня с зернами заполнителя. Прочность полученного контактного слоя зависит от пористости заполни­теля и его способности к химическому взаимодействию с вяжущим веще­ством. Следовательно, бетон состоит из цементного камня, зерен заполни­теля, контактного слоя между ними и пор: воздушно-замкнутых, образо­ванных за счет вовлечения воздуха в бетонную смесь при перемешивании, и капиллярно-открытых, полученных в результате испарения воды, не участвующей в гидратации.

Различают макро- и микроструктуру бетона. Макроструктуру оце­нивают визуально или при небольшом увеличении. Элементами структу­ры являются крупный заполнитель, песок, цементный камень, поры раз­личного характера.

Микроструктуру, которая включает непрореагировавшие зерна це­мента, кристаллические новообразования, микропоры различного размера, изучают при большом увеличении под микроскопом (до 30000 раз). Свой­ства бетона в большей степени зависят от состава и микроструктуры це­ментного камня, а также от состава и строения контактного слоя. Свойства цементного камня определяются степенью гидратации минерального вя­жущего, прочностью и долговечностью образованных кристаллических продуктов, наличием и размером микропор. Установлено, что пористость тяжелого бетона на плотном заполнителе обусловлена в основном порис­тостью цементного камня

П_общ = ^В-аЦ -100, ^щ 1000 '

где П_общ - общая пористость цементного камня, %; В - расход воды на 1 м бетона; а - степень гидратации цемента, определяемая химическим мето­дом; Ц - расход цемента на 1 м бетона.

В зависимости от механизма образования поры цементного камня подразделяют на поры геля (0,002 - 0,004 мкм), контракционные (0,01 - 0,1 мкм) и капиллярные (более 0,1 мкм). Наиболее опасны открытые капиллярные поры, доступные для воды при обычных условиях водона- сыщения и фильтрации под давлением. Наличие капиллярных пор снижа­ет морозостойкость, водонепроницаемость, долговечность бетона.

Монолитность, проницаемость и стойкость бетона в значительной степени определяются качеством контактного слоя между заполнителем и цементным камнем. От его ширины, плотности и прочности зависит, бу­дет ли бетон работать как единое целое. На ширину контактного слоя, ко­торая составляет 30 - 180 мкм, влияют следующие факторы: пористость и шероховатость поверхности заполнителя, его химический состав, вид и активность цемента, водосодержание смеси и условия твердения бетона. Тепловая обработка, как правило, увеличивает в 2 - 3 раза ширину кон­тактного слоя, который по своему составу и свойствам отличается от це­ментного камня в объеме. Это связано с тем, что заполнитель, как прави­ло, не является инертным компонентом бетона, а взаимодействует с це­ментным камнем, образуя новые кристаллические соединения. Пористые заполнители вследствие проникновения цементного теста в поры зерен обладают большей прочностью сцепления с цементным камнем, чем плотные. Состав, структура, прочность цементного камня и контактного слоя предопределяют основные эксплуатационные свойства бетона.

К основным эксплуатационным свойствам бетона, обеспечивающим долговечность его службы в конструкции, относятся прочность, деформа- тивность, проницаемость, морозо- и коррозионная стойкость.

Прочность - способность материала воспринимать действие нагру­зок без разрушений. Бетон представляет собой хрупкий искусственный композиционный каменный материал, поэтому на сжатие он работает в 10 - 20 раз лучше, чем на изгиб. Как правило, строительные конструкции эксплуатируют в сложных условиях нагружения, когда сжимающие на­грузки сочетаются с изгибающими и растягивающими (балки, фермы), по­этому при проектировании нагрузки распределяют и рассчитывают таким образом, чтобы сжимающие воспринимал бетон, а изгибающие и растяги­вающие — арматура. В связи со спецификой бетона, этого прочного, отно­сительно хрупкого конструкционного материала, его основной характери­стикой является прочность на сжатие. В зависимости от конкретных усло­вий эксплуатации конструкции дополнительно проводят испытания на осевое растяжение при изгибе и раскалывании. Контроль прочности бето­на проводят разрушающими методами с использованием специально от­формованных контрольных образцов или полученных выпиливанием (вы­буриванием) из бетона конструкций, а также неразрушающими - непо­средственно в изделиях. Контрольные образцы изготавливают из бетонной смеси формуемой конструкции и направляют вместе с ней на твердение в естественных условиях, пропарочную камеру или автоклав. Класс бетона определяют на образцах кубах, выдержанных 28 суток при влажности бо­лее 95 % и температуре 20 ± 5 ^оС (ГОСТ 18105-86).

Контроль прочности бетона в эксплуатируемых зданиях и сооруже­ниях проводят на образцах правильной формы, выбуренных или выпилен­ных из конструкции (ГОСТ 28570-90). Для определения прочности на сжа­тие и растяжение при раскалывании используют образцы кубы и цилинд­ры, осевое растяжение - призмы квадратного сечения и цилиндры, а при изгибе - призмы квадратного сечения.

В зависимости от максимального размера крупного заполнителя (от 20 до 100 мм) наименьший размер образца (ребра куба, стороны сечения призмы или диаметра цилиндра) может изменяться от 100 до 300 мм. За базовый при всех видах испытаний следует принимать образец с размером рабочего сечения 150х150 мм.

Для приведения прочности бетона образцов других размеров к базо­вому используют масштабные коэффициенты.

Прочность бетона рассчитывают по следующим формулам (ГОСТ 10180-90):

F

• на сжатие R = а—K_W;

A

F

• на осевое растяжение R_E = P^K_W;

2F

• на растяжение при раскалывании R_Et =у K_W;

п • A

F • l

• на растяжение при изгибе R_Ef = 8 —- K_W,

ab

где F - разрушающая нагрузка, Н (кгс); А - площадь рабочего сечения об-

22

разца, мм (см ); a, b, l - соответственно ширина, высота поперечного се­чения призмы и расстояние между опорами при изгибе, м (см); а, в, у, 8 - масштабные коэффициенты; K_W - поправочный коэффициент для ячеисто­го бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Методы контроля прочности путем испытания бетонных образцов, изготавливаемых отдельно от конструкции, имеют существенные недос­татки. К ним, в частности, относятся:

1. Условия укладки, уплотнения и твердения бетона в образцах и сооружениях или конструкциях различны.

2. Так как объем испытываемых образцов в 1000 - 10000 раз меньше объема бетонируемой конструкции, то надежность контроля невелика.

3. Применяемые методы не позволяют оценить однородность бетона в конструкции.

4. При испытании образцов нельзя проконтролировать изменения прочности, происходящие в процессе эксплуатации конструкции.

Непосредственно в изделиях и сооружениях контроль прочности бе­тона проводят с использованием механических и физических неразру- шающих методов испытаний.

Механические основаны на вдавливании штампа в бетонную по­верхность под действием удара, который наносят либо с помощью специ­альной пружины, либо выстрела или вручную специальным молотком. По диаметру отпечатка на бетонной поверхности, используя тарировочные кривые, определяют прочность бетона (ГОСТ 28570-90, ГОСТ 22690-88). Этот метод целесообразно использовать при оценке качества эксплуати­руемого бетона в неармированных и малоармированных конструкциях до­рожных и аэродромных покрытий, фундаментах, гидротехнических со­оружениях, а также при периодическом контроле прочности железобетон­ных конструкций на заводе-изготовителе.

К физическим методам относятся: резонансный, импульсный, ра­диометрический и метод волнового удара. Для контроля нарастания проч­ности бетона в условиях тепловой обработки используют электрический метод измерения электросопротивления. Для контроля интенсивности твердения бетона в конструкции, а также при проведении исследователь­ских работ по изучению морозо- и коррозионной стойкости, влияния доба­вок и технологии производства на прочность бетона используют импульс­ный ультразвуковой метод (ГОСТ 17624-87). Он основан на фиксировании скорости прохождения ультразвука с частотой более 20 кГц через бетон. По скорости ультразвука, замеряемой специальным прибором, и тариро- вочной кривой определяют прочность бетона. Тарировочные кривые стро­ят на основании большого объема данных, полученных разрушающим и неразрушающим методами контроля. В зависимости от способа изготов­ления конструкции прочность контролируют: для сборных - при отпуске их потребителю и нормируемую, монолитных - в промежуточном возрас­те 1, 3, 7 суток при работе с быстротвердеющими цементами и добавками - ускорителями твердения и проектную в 28 суток естественного тверде­ния, равную классу (С) (ГОСТ 10180-90, СТ СЭВ 3978-83, ГОСТ 18105-86, СТ СЭВ 2046-79, СНБ 5.03.01-02).

При возведении массивных монолитных сооружений на медленно твердеющих цементах - пуццолановом и шлакопортдандцементе контроль прочности проводят в 60, 90 и 180 суток.

Класс бетона по прочности (С) представляет собой количественную величину, соответствующую гарантированной прочности на осевое сжа­тие. Этот показатель качества бетона обозначают буквой С с числами, вы­ражающими значение нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/м (МПа), например, С 12/15. Перед чертой указывается нормативное сопротивление бетона осевому сжатию призм или цилинд­ров f_CK, определяемое при обеспеченности 0,95, которое допускается при­нимать равным f_CK= 0,8 f_c,cube. После черты ставится гарантированная

гО

производителем прочность бетона на осевое сжатие ^J_ccube, определяемая при испытании кубов размером 150х150х150 мм с обеспеченностью 0,95. Приняты следующие классы конструкционных бетонов: а) тяжелые, в том числе напрягающие с С 8/10 до С 100/115;

б) мелкозернистые с С 8/10 до С 35/45.

В расчетах конструкций базовыми прочностными показателями яв­ляются нормативные сопротивления бетона осевому сжатию f_CK и осевому растяжению f_ctK.

На основании установленных зависимостей прочности бетона от ка­чества применяемых материалов и пористости цементного камня выведен основной закон прочности (уравнение Скрамтаева - Баломея)

Яб = АЯ_ц(Ц/В±),5),

где Я_Б - гарантированная прочность бетона в проектном возрасте, Па (кгс/см ); качество вяжущего определяется его маркой Я_ц - активностью, Па (кгс/см ), заполнителя - коэффициентом (А), изменяющимся в пределах 0,37 - 0,65 и Ц/В характеризует фактически объем открытых, капиллярных пор - структуру бетона.

Формула расчета в зависимости от Ц/В приобретает следующий вид. Для бетонов с Ц/В = 1,4 - 2,5 R6 = А Я_ц (Ц/В - 0,5); для высокопрочных бе­тонов с Ц/В > 2,5 R6 = А, R_ц (Ц/В + 0,5), при значении коэффициента А = 0,37 - 0,50 и А₁ = 0,51 - 0,65.

Зависимость марки цемента от проектируемого класса бетона

Чем выше активность цемента, тем более высокий класс бетона при равном расходе компонентов можно получить. Соотношение между классом бетона и маркой используемого цемента представлено в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Класс бетона по прочности	С 12/15	С 20/25	С 30/37	С 35/45	С 40/50	С 50/60
Марка цемента:
рекомендуемая	300	300	400	500	600	600
допускаемая	300	400	500	500-600	500-550	550

Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значи­тельному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повы­шенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая ка­пиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций из него. Поэтому максимальная норма рас­хода ограничена 600 кг/м бетона.

Использование высокомарочных цементов в бетоне низких классов, с одной стороны, не позволяет полностью использовать их активность, с другой - расход цемента, рассчитанный по формуле, настолько мал, что полученного цементного теста не хватает для обволакивания и скрепления зерен заполнителя, получения однородной удобоукладываемой смеси. В связи с этим минимальный расход цемента составляет для бетонных кон-

3 3

струкций 180 кг/м , железобетонных - 220 кг/м .

Большое влияние на прочность бетона оказывает качество приме­няемых заполнителей. Так, недостаточная прочность заполнителя, по­вышенное содержание слабых включений (лещадных, игловатых), уве­личение объема пылевидных и глинистых частиц, низкий модуль круп­ности песка приводят не только к перерасходу воды и цемента, но и к снижению прочности бетона в целом. Поэтому для получения бетонов высоких классов необходимо применять крупноразмерный многофрак­ционный щебень, марка которого в 2 раза превышает класс проектируе­мого бетона, обладающего за счет шероховатости поверхности повы­шенной прочностью сцепления с цементным камнем, средние и крупные пески с пониженной водопотребностью. Жесткие требования предъяв­ляют по ограничению содержания пылевидных, илистых и глинистых частиц, уменьшающих прочность сцепления заполнителей с цементным камнем и требующих для получения заданной удобоукладываемости по­вышенного расхода воды. Высокая водопотребность приводит к форми­рованию дефектной структуры бетона, снижению его долговечности. Таким образом, высокопрочные бетоны можно получить, используя комплекс технологических приемов. Основными из них являются сле­дующие: максимальное снижение водоцементного отношения с одно­временным введением пластификаторов и суперпластификаторов, при­менение эффективных способов уплотнения бетонной смеси в формах, использование высокомарочных цементов и мытых фракционированных заполнителей высоких марок.

Если рассмотреть в общем виде работу строительной конструкции, например, простейшей балки, то можно сделать вывод, что в процессе экс­плуатации она воспринимает как сжимающие напряжения в верхних слоях бетона, так и растягивающие в нижних. Следовательно, выполнение этой конструкции только из бетона высокого класса не обеспечит ее надежную работу в целом, т.к. в нижней зоне бетона начнется процесс трещинообра- зования. Для компенсации этих напряжений и создания условий долговре­менной эксплуатации конструкции в растягиваемую зону бетона при изго­товлении конструкций и изделий вводят стальную или стеклопластиковую арматуру - в случае изготовления специальных кислотостойких бетонов. Бе­тон и арматура вследствие высокой прочности сцепления обеспечивают мо­нолитность конструкции и ее работу как единого целостного материала. За­щиту стальной арматуры от коррозии при действии окружающей среды обеспечивает защитный слой бетона, который должен быть не менее 2 - 3 см. Так как бетон является относительно пористым материалом, пропускаю­щим влагу, то его основное защитное действие по отношению к металлу арматуры определяется не надежной изоляцией от внешних воздействий, а содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи - гидроксида кальция, продукта гидратации алита, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации в результате фильтрации воды или взаимодействия с агрессивными средами приводит сталь в неус­тойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объ­емных продуктов взаимодействия (ржавчины) на поверхности контакта сталь - бетон. В этом случае наблюдается отслоение защитного слоя бето­на и, как следствие, разрушение конструкции в целом.

С целью повышения сопротивляемости искусственного камня растя­гивающим и изгибающим напряжениям применяют также дисперсное ар­мирование, представляющее собой равномерное распределение по всему объему эластичных, коротких (10 - 50 мм), тонких (диаметром 0,1 - 0,5 мм) волокон-фибр, которые могут быть стеклянными, металлическими, базаль­товыми, полимерными. Фибробетон - так называют этот материал - обла­дает также повышенной прочностью на удар и истирание.

Деформативные свойства бетона зависят от его структуры, состава, свойств составляющих, условий твердения бетона и эксплуатации конст­рукций. Деформации в бетоне условно можно разделить на собственные, механические и температурные. Собственные деформации наблюдают­ся в бетоне при твердении и изменении его влажности. Уменьшение объе­ма затвердевшего бетона происходит в результате испарения воды и хими­ческого взаимодействия минералов цемента с водой, т.к. кристаллические продукты гидратации занимают меньший объем, чем сумма объемов ве­ществ, вступающих в реакцию (контракционная усадка). Вследствие взаимодействия в поверхностных слоях бетона гидроксида кальция, про­дукта гидратации трехкальциевого силиката, с углекислым газом воздуха в порах бетона образуется крупнокристаллический карбонат кальция, вызы­вающий карбонизационную усадку. Влажностные изменения могут со­провождаться расширением цементного камня при насыщении водой и усадкой - в результате ее испарения.

Контракционная и карбонизационная деформации увеличивают­ся с повышением содержания цемента и воды в бетонной смеси, при применении высокоактивных цементов, гидратация которых проходит в более короткие сроки с большим тепловыделением.

Определяющее влияние на величину контракционной усадки оказы­вают условия твердения бетона. Снижение влажности окружающей среды менее 90 % в первые сутки твердения вызывает появление поверхностных микротрещин, ухудшающих эксплуатационные свойства бетона. Дефор­мации можно уменьшить за счет обеспечения нормальных температурно- влажностных условий твердения бетона в первые 7 суток при получении монолитных конструкций на строительной площадке или соблюдения ре­жимов ТВО особенно в период предварительной выдержки, подъема тем­пературы и остывания бетона при изготовлении сборных конструкций. Влажностные деформации зависят от содержания цементного камня в бетоне, так как именно он при насыщении водой склонен к набуханию в отличие от жесткого плотного заполнителя и последующей усадке при ее испарении. Для повышения трещиностойкости бетона в конструкциях эф­фективна их пропитка на определенную глубину высокомолекулярными горячими смолами в специальных герметичных камерах под давлением (получение бетонополимерных конструкций) и применение дисперсного армирования. В первом случае заполнение капиллярных пор полимерным пластичным материалом по отношению к хрупкому искусственному кам­ню позволяет поверхностному слою бетона воспринимать собственные деформации без нарушения его целостности; во втором - изгибающие и растягивающие напряжения берет на себя равномерно распределенная по всему объему бетона эластичная дисперсная арматура.

В зависимости от длительности действия нагрузки бетон ведет себя по-разному. При небольшом кратковременном нагружении он проявляет свойства упругого тела. Если напряжение превосходит 0,2 предела прочно­сти на сжатие, то наблюдаются остаточные пластические деформации, связанные с появлением микротрещин как в самом цементном камне, так и в контактном слое. На характер нарастания деформаций под действием на­грузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно- влажностное состояние бетона и окружающей среды. Чем меньше ско­рость подачи нагрузки, тем больше деформации в бетоне, увеличение де­формаций на 10 % наблюдается при испытании горячего бетона и бетона в водонасыщенном состоянии. С уменьшением размера образцов, вследст­вие повышения их однородности, снижается скорость нарастания дефор­маций, поэтому при испытании в этом случае вводят поправочные коэф­фициенты, величина которых меньше единицы.

Длительное действие нагрузки, постоянной по величине и направле­нию, вызывает в бетоне увеличивающиеся деформации, которые затухают только через несколько лет эксплуатации конструкции. Это явление назы­вается ползучестью. Основная причина ползучести объясняется пластиче­скими свойствами цементного камня в начальные сроки твердения, когда он еще не полностью закристаллизовался, не приобрел достаточной проч­ности и жесткости. Поэтому ползучесть увеличивается при повышении расхода цемента, водоцементного отношения, уменьшении крупности за­полнителя и повышении его деформативности (легкий заполнитель). Сни­зить ползучесть бетона можно путем ограничения расхода цемента и уве­личения объема крупного плотного заполнителя в составе бетонной смеси. С увеличением времени твердения бетона процесс этот стабилизируется.

Температурные деформации в бетоне возникают вследствие раз­ных коэффициентов температурного расширения его составляющих. Тем­пература от 0 до 50 °С не вызывает значительных деформаций в сухом бе­тоне. Колебания температуры особенно при наличии влаги в порах приво­дят к микроразрушениям. Рост деформаций связан при отрицательной температуре с льдообразованием, сопровождающимся увеличением объе­ма льда по отношению к замерзающей воде, и переходом воды в пар с уве­личением объема последнего при нагревании. В первом случае используют технологические приемы по повышению морозостойкости бетона: увели­чение плотности, создание микропористой замкнутой структуры. Во вто­ром, касающемся в большей степени технологии получения сборного же­лезобетона с использованием термообработки, - применение мягких ре­жимов с медленным нарастанием и снижением температуры. Для умень­шения температурных деформаций в бетонных конструкциях с большим модулем поверхности устраивают температурные швы, которые заполня­ют герметизирующими упругими прокладками или мастиками, восприни­мающими и гасящими возникающие деформации.

Для таких изделий, как напорные железобетонные трубы, емкости для хранения жидких продуктов, а также гидротехнических сооружений - дамб, мостов, условия эксплуатации которых связаны с односторонним действием жидкостей под давлением, проницаемость является важнейшим свойством бетона. Основное влияние на проницаемость оказывают показатели струк­туры: общий объем пор, содержание замкнутых и капиллярных пор, их форма и размер. Чем больше возраст бетона, тем проницаемость ниже, так как образующиеся в процессе гидратации кристаллические продукты за­полняют пустоты и поры, повышая его плотность (см. рис. 6.6). Водоотде- ление и недоуплотнение бетонной смеси, появление микротрещин вследствие усадки бетона при действии нагрузки, попеременного увлажнения с после­дующим замораживанием или высыханием могут существенно снизить не­проницаемость бетона. Свойство это оценивают по коэффициенту фильтра­ции, который равен количеству воды, прошедшей через бетон толщиной 1 м, площадью в 1 м² в течение одного часа при постоянном перепаде давления

К _Ф = ^Vb ,

^{Ф S} ■ ^{tp -} p2 Г

32

где VB - количество прошедшей воды, м ; S - площадь поверхности, м ; t - время, ч; (р₁ - р₂) - перепад давления, Па.

В строительстве проницаемость бетонов оценивают маркой по водо­непроницаемости W2, W4... W20 (ГОСТ 12730). Цифры обозначают наи­большее давление в атмосферах, при котором бетон не фильтрует воду. По­высить водонепроницаемость бетона можно за счет подбора состава запол­нителей, обеспечивающих их плотную упаковку с минимальным объемом пустот, заполняемых для обеспечения монолитности цементным тестом; со­кращения расхода воды в сочетании с применением добавок пластификато­ров, суперпластификаторов и интенсивным способом уплотнения бетонной смеси; использования расширяющегося цемента и уплотняющих добавок; пропитки и защиты бетонной поверхности полимерными составами.

Способность бетона сохранять свою прочность при попеременном за­мораживании и оттаивании в воде называют морозостойкостью (ГОСТ 10060). Это свойство оценивают маркой F15, F25...F1000, в которой цифры показывают количество циклов замораживания при температуре минус 16 °С и оттаивания в воде при плюс 18 ± 2 °С без снижения прочности на сжатие более 5 % и потери массы более 3 %. Время выдерживания в воде и на мо­розе примерно одинаково, зависит от размеров испытываемых образцов и составляет от 2,5 до 5 часов. Основными причинами, вызывающими раз­рушение бетона, являются давление замерзающей и увеличивающейся в объеме воды на стенки пор и микротрещин, а также различные коэффици­енты температурного расширения цементного камня, заполнителей и льда. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разу­прочнению структуры бетона, его разрушению и оголению арматуры в железобетонных конструкциях. Сначала начинают крошиться углы и вы­ступающие грани изделий, концентрирующие напряжения, затем поверх­ностные слои покрываются сетью волосяных трещин и постепенно разру­

шение распространяется по всему объему материала. Испытания бетона на морозостойкость проводят на образцах кубах. Недостаток стандартных ба­зовых испытаний (ГОСТ 10060.1-95), методика которых была в основном разработана профессором Н.А. Белелюбским в 1887 г., - их длительность. В настоящее время применяют ускоренные методы (ГОСТ 10060.2-95, ГОСТ 10060.4-95), которые можно классифицировать следующим образом:

1. Методы, основанные на ускорении развития деструктивных про­цессов в бетоне за счет использования вместо воды раствора сульфата и хлорида натрия или путем замораживания водонасыщенных образцов при температуре минус 50 °С. Ускорение разрушения в первом случае достига­ется за счет дополнительного образования при замораживании кристаллов соли и увеличения за счет этого суммарного кристаллического давления. Во втором случае вода дополнительно замерзает в микропорах, увеличивая тем самым общее напряжение в бетоне.

2. Расчетные методы, основанные на взаимосвязи между показателя­ми структуры бетона и его морозостойкостью.

3. Белорусскими учеными под руководством проф. Н.П. Блещика на основании результатов исследований была установлена взаимосвязь межу морозостойкостью бетона и температурными деформациями цементного камня в первый цикл замораживания-оттаивания. По величине деформаций, замеряемых специальным индикатором, рассчитывают деформационный критерий морозостойкости, который является основной экспериментальной величиной в эмпирической формуле. Проведенные сравнительные испыта­ния по основному (базовому) циклическому методу и разработанному струк­турно-механическому по деформационному критерию показали хорошую сходимость результатов, ускорив определение морозостойкости в 20 раз, зна­чительно сократив при этом энерго- и трудозатраты. Основы метода заложе­ны в разработанный стандарт РБ «Бетоны. Ускоренный структурно- механический метод определения морозостойкости при однократном замо­раживании и оттаивании».

Контроль морозостойкости экспресс-методом особенно важен для таких изделий и конструкций, как наружные стены, покрытия дорог и аэ­родромов, тротуарные плиты, бордюрные элементы, стойки систем наруж­ного освещения и линий электропередач, у которых морозостойкость является основным фактором долговечности.

Повысить морозостойкость можно или за счет повышения его плот­ности и снижения объема открытых капиллярных пор, или путем увеличе­ния замкнутых воздухонаполненных резервных пор до 4 - 6 %, которые гасят возникающее при замерзании воды давление льда (рис. 6.10). Для по­вышения объема закрытых пор применяют воздухововлекающие добавки, пенящую способность которых используют при перемешивании бетонной смеси. В качестве добавки этого типа наиболее широкое применение на­шла смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), получаемая из древесной смолы, которую вводят в бетон в количестве 0,01 - 0,03 % от массы цемента. С этой целью могут быть использованы также побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности.

Рис. 6.10. Влияние воздухововлечения на морозостойкость бетона в условиях попеременного замораживания-оттаивания: N - число циклов [1 ]

От состава и характера структуры бетона зависит его коррозионная стойкость, так как чем больше пористость материала, тем глубже прони­кают жидкие и газообразные агрессивные среды, вызывая серьезные раз­рушения в бетоне, приводящие к потере несущей способности конструк­ции. При твердении и эксплуатации в бетоне протекают как процессы, по­вышающие его прочность, - гидратация цемента, так и снижающие ее в результате перекристаллизации и разрушения уже образованных соедине­ний. С учетом временного фактора была спрогнозирована прочность бето­на в 100-летнем возрасте (рис. 6.11). Из графика видно, что твердение бе­тона после достижения им марки в условиях действия кислых агрессивных сред разной степени активности приводит к снижению прочности уже в год эксплуатации, к десяти годам этот процесс интенсифицируется, и в возрасте 100 лет бетон фактически теряет свои конструктивные свойства.

Рис. 6.11. Кривые долговечности бетона: 1 - во влажной среде; 2 - в воздушной среде; 3, 4, 5 - в кислой коррозионной среде различной интенсивности [15]

Агрессивные среды могут быть жидкими, газообразными и твер­дыми. Степень агрессивности по отношению к бетонным конструкциям для жидких сред определяется наличием и концентрацией агрессивных веществ, температурой, величиной напора или скоростью движения жид­кости по отношению к бетонной поверхности; для газовых сред - концен­трацией газов, растворимостью их в воде, влажностью и температурой ок­ружающей среды. К твердым агрессивным средам относятся химические удобрения, гербициды, краски. Коррозионные процессы в твердых средах не происходят, поэтому опасность по отношению к конструкциям порош­кообразных веществ определяется степенью их увлажнения, растворимо­стью и зависит от влажности воздуха в помещении. Агрессивность воздей­ствия на бетон оценивают специальными нормами по антикоррозионной защите строительных конструкций (СНиП 2.03.11-85). В зависимости от глубины разрушения бетона при коррозии различают слабо-, средне- и сильноагрессивные среды (табл. 6.4).

Таблица 6.4

Допустимая глубина (см) разрушения бетона за 50 лет эксплуатации конструкции

Степень агрессивности среды	Глубина коррозии (см) в зависимости от вида конструкции
	железобетонные	бетонные
неагрессивная слабоагрессивная среднеагрессивная сильноагрессивная	1 1 -2 2 - 4 более 4	2 2 - 4 4 - 6 более 6

В зависимости от механизма разрушающего действия на бетон В.М. Москвин выделил три основных вида коррозии.

Первый вид - выщелачивание наблюдается в результате фильтра­ции воды через бетон. Этот вид коррозии наиболее опасен для тонкостен­ных конструкций и конструкций, работающих под напором воды: плоти­ны, дамбы, молы (гидротехнические). Интенсивность этого вида коррозии прямо пропорциональна проницаемости бетона, давлению потока воды и содержанию свободного гидроксида кальция в цементном камне. Следова­тельно, повысить стойкость бетона можно или за счет перевода гидрокси- да кальция в более устойчивые и менее растворимые соединения, или пу­тем целенаправленного повышения плотности бетона. Первое достигается применением пуццоланового и шлакового портландцементов, в которых гидроксид кальция связывается опокой, трепелом, золой или шлаком в ма­лорастворимые соединения; второе - путем рационального подбора зерно­вого состава заполнителей, уменьшением водоцементного отношения в со­четании с введением пластифицирующих и гидрофобных добавок, пропит­кой и защитой поверхности бетона полимерными составами.

Ко второму виду коррозии относится снижение прочности бетона под действием кислотосодержащих сред. Разрушение и вымывание це­ментного камня, сопровождаемое обсыпанием несвязанного заполнителя, происходит в поверхностных слоях, постепенно распространяясь в глубь бетона. Как показали исследования ученых, ни один из видов портланд­цемента не обладает достаточной кислотостойкостью. Поэтому при про­ектировании бетонных конструкций, эксплуатация которых связана с дей­ствием растворов кислот и солей с кислой реакцией (NH4CI), предусмат­ривают в качестве вяжущего использование специального кислотостойко­го цемента на основе жидкого стекла, заполнителей из кислотостойких горных пород (андезита, диабаза, базальта, кварцита) и кислотостойкой стеклопластиковой арматуры. При действии концентрированных горячих кислот применяют защиту бетонной поверхности, выполняемую с исполь­зованием полимерных кислотостойких красочных составов, рулонных ма­териалов, а также путем облицовки плитами и плитками из ситаллов, шла­коситаллов, каменного литья и кислотостойкой керамики. Кислотосодер- жащие среды встречаются в природных грунтовых водах, содержащих продукты жизнедеятельности микроорганизмов, и в этом случае особое внимание необходимо обратить на защиту фундаментов. Однако в боль­шей степени этот характер разрушения бетонных конструкций - полов, стен, плит перекрытий наблюдается на предприятиях химической и пище­вой промышленности.

Коррозия третьего вида происходит в результате заполнения пор и пустот кристаллами солей, вызывающих перенапряжение материала, рост остаточных деформаций и разрушение бетонной конструкции (рис. 6.12). Вследствие того, что изначально причины разрушения несколько различ­ны, то и способы повышения коррозионной стойкости в каждом конкрет­ном случае будут отличаться. Так, при действии сульфатных сред основ­ным способом защиты является применение цементов, при гидратации ко­торых получается наименьшее количество свободного гидроксида кальция, участвующего в образовании крупных сульфатосодержащих кристаллов, вызывающих растягивающие напряжения в бетоне. К этим вяжущим отно­сятся пуццолановый и шлаковый портландцементы, которые используют при слабой и средней степени агрессивности среды. Увеличение концен­трации сульфатов требует применения более стойких, надежных мине­ральных вяжущих, которыми являются глиноземистый цемент, сульфато- стойкий портландцемент и шлакопортландцемент. В связи с тем, что при действии солей типа хлорида и карбоната натрия, не взаимодействующих с цементным камнем, разрушение происходит только при капиллярном под­сосе агрессивного раствора и наличия испаряющей поверхности, повысить стойкость бетона можно за счет снижения его проницаемости. Способы повышения плотности и снижения проницаемости аналогичны рассмот­ренным выше.

Рис. 6.12. Изменение во времени предела прочности при сжатии (б) и остаточных де­формаций (а) различных бетонов в растворе 5 %-ного сульфата натрия: 1 - бетон на портландцементе; 2 - бетон на сульфатостойком портландцементе [15]

Щелочную коррозию в зависимости от факторов, ее вызывающих, можно разделить на внутреннюю и внешнюю. При внутренней разруше­ние бетона происходит из-за наличия активного кремнезема в заполнителе (опал, халцедон) и повышенной щелочности жидкой фазы бетона. Нахо­дясь в активном состоянии, кремнезем вступает в реакцию со щелочами бетона, образуя аморфные гелеобразные продукты в уже затвердевшем ма­териале, объем которых значительно превышает суммарный объем участ­вующих в реакции соединений. Именно это и вызывает перенапряжение, рост деформаций и разрушение бетона. Основными мерами, обеспечи­вающими стойкость бетона, является соблюдение требований ГОСТа в части ограничения содержания активного кремнезема в заполнителе. Кро­ме того, в случае его наличия при изготовлении бетона нельзя вводить ще­лочные добавки, а применяемый цемент должен содержать ограниченное количество растворимых щелочей. Внешнее действие щелочесодержащих агрессивных сред низкой концентрации опасно для бетона только при ус­ловии испаряющей поверхности, так как в этом случае при взаимодейст­вии с углекислым газом воздуха продуктами реакции являются карбонаты натрия и калия, накопление которых в порах поверхностного слоя бетона вызывает его шелушение и отслоение по типу солевой коррозии. При дей­ствии на бетон растворов щелочей высокой концентрации и температуры разрушаются основные гидратные соединения цементного камня. Чем вы­ше концентрация и температура раствора, тем больше скорость коррозии. Повысить стойкость бетона можно в первом случае увеличением плотно­сти, во втором - защитой конструкции щелочестойкими материалами.

Газовая коррозия бетона возможна только при повышенной влаж­ности воздуха. В этих условиях газообразные продукты (С0₂, SO₃), раство­ряясь в адсорбированной на поверхности бетона влаге, образуют концен­трированные кислоты, которые и вызывают разрушение бетона по меха­низму, характерному для второго вида коррозии.

Твердые агрессивные среды (пыль, порошки, гранулы минераль­ных и органических веществ) представляют опасность для железобетон­ных конструкций, только когда они образуют водные растворы. Увлажне­ние твердых веществ на поверхности строительных конструкций может происходить или за счет прямого воздействия воды, или в результате по­глощения влаги из воздуха (их гигроскопичности). Как в том, так и в дру­гом случае на бетон действует водный раствор определенной агрессивно­сти, зависящей от химического состава вещества и его концентрации. Наи­более часто с этим видом коррозии встречаются при эксплуатации складов минеральных удобрений.

Биокоррозия бетонных и железобетонных конструкций, приводя­щая к их разрушению, происходит как под действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так и самими бактерия­ми, дрожжами, водорослями, способными разлагать входящие в состав цементного камня силикаты кальция. Биоповреждения бетона начинаются с поверхности и идут вглубь, так же как и при погружении бетона в жид­кую агрессивную среду. Для повышения стойкости конструкций увеличи­вают плотность бетона, применяют лакокрасочные и плитные материалы, которые имеют определенные недостатки и надежной защиты не обеспе­чивают. В плиточных покрытиях слабое место - швы, лакокрасочные сами повреждаются плесневыми грибами. Наиболее надежная защита от био­коррозии может быть осуществлена введением в бетон биоцидных доба­вок, защищающих поверхность конструкции от развития микроорганиз­мов. Этот вид коррозии характерен для предприятий пищевой промыш­ленности, животноводческих помещений и прачечных.

Радиационная стойкость бетона зависит от свойств отдельных его составляющих, которые по-разному воспринимают действие ионизирую­щего излучения. В работах белорусских ученых отмечено, что облучение потоком нейтронов до 3-10²⁴ на м² не приводит к заметному изменению свойств большинства горных пород, применяемых в качестве заполните­лей для бетонов. При превышении дозы наблюдается расширение кри­сталлической решетки, постепенный переход минерала в аморфное со­стояние, сопровождаемый ростом деформаций, снижением плотности на 3 - 15 % и прочности горной породы до 30 %. Наиболее стойки базальты, баритовые, железистые руды, магнитный железняк, бурый железняк, гема­тит, которые, обладая высокой плотностью, обеспечивают частичное по­глощение нейтронов. Это свойство перечисленных горных пород использу­ют при получении на их основе специальных радиационных бетонов, приме­няемых для защиты конструкций от ионизирующих излучений. Облучение цементного камня вызывает его разогрев до 350 °С и усадку до 2,2 %, увели­чивающиеся при повышении дозы радиации.

В железобетонных конструкциях, условия эксплуатации которых связаны с прохождением электрического тока большой мощности и на­пряжения (электростанции и подстанции, линии электропередач), возмож­ны проявления электрокоррозии. Анализ причин потери несущей способ­ности железобетонных конструкций позволил выделить два основных раз­рушающих фактора: первый - накопление большого количества энергии в малом объеме бетона в силу его неоднородности по составу и структуре, что приводит к появлению дугового разряда, вызывающего пережог арма­туры, оплавление и растрескивание бетона; второй - электрокоррозия ста­ли, наблюдаемая при прохождении электрического тока в условиях повы­шенной влажности по арматуре, приводящая к образованию и накоплению продуктов коррозии (ржавчины) на стальной поверхности. В связи с тем, что объем образованных соединений превышает в 2 - 2,5 раза объем про- корродировавшего металла, накопление их в порах и капиллярах контакт­ного слоя вызывает растягивающие напряжения, которые приводят к от­слаиванию защитного слоя бетона и разрушению конструкции. Процесс этот усиливается при повышении влажности бетона и увеличении его по­ристости. Обеспечить стойкость конструкции в этих условиях эксплуата­ции возможно за счет снижения электропроводности бетона, т.е. повыше­ния его диэлектрических свойств. С этой целью вводят органические гид­рофобные или уплотняющие добавки, снижающие гигроскопичность и во- допоглощение бетона; применяют защитные мастичные и лакокрасочные покрытия на основе высокомолекулярных смол; используют объемную пропитку конструкций полимерными составами. В качестве минеральных вяжущих предпочтительно использовать портландцемент с повышенным содержанием тонкомолотого песка и шлакопортландцемент.

6.3.4. Виды и классификация бетонов

В соответствии с СТБ 1310-2002 бетоны классифицируют по назначе­нию (конструкционные, специальные), виду вяжущего (цементные, известко­вые, силикатные, шлаковые, гипсовые и т.д.), виду заполнителя (плотный, пористый, специальный), структуре (плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые) и условию твердения (естественное, термовлажностное, ав­токлавное, при отрицательной температуре и тепловой обработке без исполь­зования паровоздушной среды, контактирующей с бетоном).

В зависимости от средней плотности бетоны можно подразделить на

3 3

тяжелые (от 2000 до 2600 кг/м ) и легкие (от 200 до 2000 кг/м ). К тяжелым бетонам относят конструкционные цементные на плотных заполнителях; мелкозернистые, эксплуатируемые при систематическом воздействии тем­пературы от плюс 50 ^оС до минус 70 ^оС, и бетоны специального назначения.

При получении конструкционного тяжелого бетона в качестве вяжуще­го используют разнообразные клинкерные портландцементы: рядовой, шла­ковый, пуццолановый. Заполнителями служат дробленые плотные горные породы или природные рыхлые зернистые материалы: песок кварцевый, ще­бень, гравий и гравийно-песчаная смесь. Для улучшения технологических свойств бетонной смеси и повышения долговечности бетонных и железобе­тонных конструкций вводят соответствующие химические добавки.

С использованием тяжелого бетона получают монолитные гидротех­нические сооружения, фундаменты, дорожные покрытия, твердеющие в естественных условиях и сборные, обычные и преднапряженные, подвер­гаемые термообработке (балки, фермы, плиты покрытий и т.д.).

Если в качестве минерального вяжущего применяют цементы, то бе­тон набирает прочность в условиях естественного твердения или термо- влажностной обработки при атмосферном давлении. Если вяжущим служит известь в сочетании с тонкомолотым кремнеземистым компонентом (квар­цевым песком, шлаком, золой), то изделия выдерживают в автоклавах при высоких температурах (до 200 ^оС) и повышенном давлении (до 1,6 атм). По­лученный бетон прочностью от 15 до 60 МПа называют силикатным. В состав мелкозернистых бетонов входят минеральное вяжущее и мелкий заполнитель - песок определенной крупности. Эти бетоны обладают одно­родностью свойств, повышенной водонепроницаемостью и морозостойко­стью, прочностью на изгиб и растяжение. Их применяют при получении труб, дорожных покрытий, тротуарных плит и бортовых камней методом объемного сухого вибропрессования, а также таких тонкостенных конст­рукций, как перегородки, плиты перекрытий. Используя сетчатое армиро­вание, возводят пространственные армоцементные конструкции - оболоч­ки сложной конфигурации для покрытия больших площадей.

Все увереннее в производство строительных материалов внедряются полимеры: как модифицирующие добавки, так и полноценные компоненты сложных по составу материалов. К первым можно отнести полимерсили- катные, полимерцементные бетоны, когда в качестве вяжущего использу­ют композицию из органического полимера (фуранового, поливинилаце- татного, кремнийорганического) и неорганического вяжущего (жидкого стекла, портландцемента, гипса). Путем введения полимерной добавки по­вышают водостойкость, износостойкость, трещиностойкость, растяжи­мость и коррозионную стойкость бетона. Наиболее широкое применение получили полимерцементные и полимерсиликатные композиции для по­крытия полов и дорог, в конструкциях, работающих на растяжение (балки, в том числе преднапряженные), при изготовлении панелей междуэтажных перекрытий химических предприятий и складов минеральных удобрений.

Разработана технология изготовления балок, колонн, плит перекры­тия из полимербетона, армированного стальной (сталеполимербетон), стеклопластиковой (стеклопластобетоны) или дисперсной (фиброполимер- бетоны) арматурой, в которых в качестве вяжущего использованы поли­мерные смолы. От цементных бетонов полимербетоны отличаются повы­шенной прочностью при растяжении, высокой химической стойкостью, водонепроницаемостью. В то же время полимербетонам присущи такие недостатки, как значительная усадка при твердении, ползучесть под на­грузкой, пониженная тепло- и огнестойкость, обусловленные органической природой связующего. Анализ свойств определил рациональную область применения этого материала для возведения несущих и самонесущих хи­мически стойких конструкций на предприятиях цветной металлургии, хи­мической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности.

Из сталеполимербетона изготавливают шахтные стойки, перемычки для крепления шахтных выработок, коллекторные кольца, опоры линий электропередач, железнодорожные шпалы. Полимербетон применяют для водосборов ирригационных плотин, лотков, канализационных труб и ко­лодцев, дорожных плит и покрытий пола промышленных зданий, опорных плит для крепления технологических коммуникаций.

Одним из перспективных направлений развития минеральных вяжу­щих является совершенствование и широкое внедрение высокоактивного бесклинкерного шлакощелочного цемента. Этот вид минерального гидрав­лического вяжущего, разработанный киевским профессором В. Д. Глухов- ским, получают на базе доменных гранулированных шлаков и едких щело­чей. Шлакощелочной цемент обладает в 2 - 3 раза большей прочностью при сжатии и растяжении по сравнению с портландцементом, что позволя­ет получить бетоны прочностью 100 - 140 МПа, повышенной соле- стойкости, водонепроницаемости (до W20) и морозостойкости (до F1000). Наличие щелочей в бетоне обеспечивает ему твердение при отрицательной температуре, причем, как показали результаты исследований и практика применения, для получения этого вида цемента можно использовать до­бавки стекловидных отходов различных производств, в том числе домен­ные, сталелитейные, термофосфорные, ваграночные шлаки, выход которых составляет более 80 млн. тонн в год.

Щелочным компонентом бетона могут быть не только специальные щелочные продукты, но и щелочесодержащие отходы фенольного, супер­фосфатного, целлюлозно-бумажного и других производств. В качестве за­полнителей используют как традиционные, так и (что значительно эффек­тивнее) мелкозернистые грунты: пески, супеси, легкие суглинки. В этом бетоне песчаные частицы создают жесткий каркас в цементном камне ана­логично крупным фракциям щебня и гравия в обычных бетонах. Пылева- тые частицы заполняют межзерновые пространства между песчаными и способствуют уплотнению тела бетона. Глинистый компонент, взаимодей­ствуя со щелочами, является дополнительным вяжущим, цементирующим пылеватые и песчаные составляющие. Таким образом, моделируются те процессы, которые происходят в природе. Бетон твердеет как в естествен­ных условиях, так и при термовлажностной и автоклавной обработке. Шлакощелочной бетон можно использовать во всех ответственных строи­тельных конструкциях, но наиболее рационально - в гидротехнических со­оружениях и там, где требуется высокая коррозионная стойкость.

В технологии производства преднапряженного железобетона особое место занимает бетон на напрягающем цементе. Этот вид вяжущего обес­печивает за счет использования специального сульфоалюминатного клин­кера или путем использования в качестве добавок сланцевых зол ТЭС, ин­тенсивное расширение цементного камня и самонапряжение железобетона при формовке в ограниченном объеме. Для достижения больших величин самонапряжения необходимо использовать бетонные смеси с минималь­ным водоцементным отношением, что усложняет технологию получения изделий. Кроме того, цемент обладает короткими сроками схватывания. Все это привело к разработке новых технологий получения изделий. На­пример, напорные трубы формуют методом торкретирования, путем пода­чи бетонной смеси под давлением на гладкий металлический сердечник. Такой способ обеспечивает получение труб высокой плотности, с идеально гладкой внутренней поверхностью. Для изготовления самонапряженных труб малого диаметра применяют технологию вибропродавливания. На­прягающий цемент используют также для покрытия дорог, аэродромов, в гидротехнических и подземных сооружениях - там, где к конструкции предъявляют высокие требования по трещиностойкости.

Достичь высокой трещиностойкости и прочности бетона можно так­же путем равномерного распределения по всему сечению материала неор­ганических или органических коротковолокнистых материалов (фибр). Так, при объемном дисперсном армировании стеклянными волокнами можно получить конструкционные стеклоцементные композиции, удель­ная прочность которых в 1,5 раза выше прочности стали, в 4 - 5 раз - ар- моцемента, а плотность ниже плотности алюминиевых сплавов в 1,5 - 2 раза. Стеклоцементные композиционные материалы не горючи, не ток­сичны, не подвержены воздействию биологической агрессии. Использова­ние стеклоцементных композиций вместо железобетона позволяет снизить стоимость конструкций в 2 - 3 раза, массу - в 8 - 10 раз, полностью ис­ключить расход металла, мелкого и крупного заполнителя, а также сокра­тить расход цемента в 2 - 4 раза. Как показала практика строительства, эти материалы выгодно использовать в тонкостенных несущих конструкциях типа оболочек, коробчатых и гофрированных наружных панелях и перего­родках, резервуарах, а также для производства сборных железобетонных конструкций с комбинированным армированием.

Кроме цемента в подобных композициях можно использовать гипсо­вые, магнезиальные вяжущие. Армирующим составляющим наряду со стек­лянными, базальтовыми, полимерными могут быть также стальные волокна.

Армирование бетона путем введения стальных фибр (сталефибробе- тон) позволяет повысить трещиностойкость, сопротивление динамическим нагрузкам (ударным, сейсмическим), износостойкость, морозостойкость и водонепроницаемость. Российскими учеными предложена технология полу­чения объемных тонкостенных конструкций методом сгиба с виброукатыва­нием фиброармированной смеси. Угол сгиба не должен превышать 20^о. Та­ким образом можно получить сферические сталефибробетонные оболочки для создания домов нестандартной архитектуры, крупноразмерные элементы облицовки стеновых панелей, эффективные безрулонные покрытия домов, объемные блоки призматической формы для жилищного домостроения.

Разнообразие бетонных облицовочных материалов достигается за счет использования специальных технологий. Одна из них предусматрива­ет нанесение на поверхность свежеуложенного бетона пигментированного порошкообразного материала с последующим вдавливанием текстурных штампов различного рисунка. После снятия штампов и твердения бетона на его поверхность с целью повышения износостойкости, морозостойкости и коррозионной стойкости наносят высоконаполненные акриловые компо­зиции. Полученный штампованный бетон имеет декоративную поверх­ность под природный пиленый или рваный камень, плитняк, кирпич и т. д.

Вторая технология получения плит из декоративного бетона исполь­зует метод монолитного литья с имитацией поверхности камня, сланца, де­рева. Получаемая многоцветная фактура создается за счет введения краси­телей, взаимодействующих с минералами цемента. Для повышения долго­вечности сверху изделия, применяемые для внутренней и наружной отделки стен, полов и тротуаров, защищают прозрачным полимерным покрытием.

Специальные виды тяжелого бетона, предназначенные для работы в особых условиях, представлены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Назначение и вид бетона	Используемые материалы, обеспечивающие заданные свойства	Специальные свойства и показатели	Применение
1	2	3	4
Химически- стойкие: бетонополимер полимербетон	Бетонные и железобе­тонные конструкции и изделия, пропитанные мономерами или поли­мерами Химически стойкие по­лимерные связующие (эпоксидные, феноль- ные), минеральные за­полнители, наполните­ли, отвердители и мо­дифицирующие добавки	Высокая коррози­онная стойкость по отношению к ще­лочам, солям, ки­слотам. Повышен­ная трещиностой- кость, прочность на удар и истира­ние	Несущие конструк­ции, полы на химиче­ских предприятиях, к которым предъявляют требования по корро­зионной стойкости, трубы с диаметром от 300 до 1200 мм
полимер- цементный	Минеральные вяжущие (цемент) в сочетании с полимерной добавкой	Повышенные водо- , износо-, трещино- , коррозионная стойкость	Покрытие дорог, по­лов и несущих конст­рукций на химических предприятиях
кислото­стойкий	В качестве вяжущего - жидкое стекло с добав­кой кремнефтористого натрия (КФН), кислото­стойкие заполнители и наполнители, стекло- пластиковая арматура	Высокая кислото- стойкость, пони­женная водостой­кость	Выполнение полов и несущих конструкций на химических пред­приятиях
сульфато- стойкий	В зависимости от кон­центрации сульфатов в агрессивной среде (по мере увеличения) в ка­честве вяжущего ис­пользуют: шлако- или пуццола- новый портландцемент; сульфатостойкий портландцемент и шлакопортландцемент; глиноземистый цемент	Высокая сульфато- стойкость. При ис­пользовании суль- фатостойкого и глиноземистого цемента - высокая морозостойкость	Фундаменты, гидро­технические сооруже­ния при наличии ми­нерализованных вод. Несущие конструкции на химических пред­приятиях
шлакощелоч- ной	Шлаковые вяжущие, затворяемые щелочны­ми растворами - акти- визаторами твердения	Высокая водо-, морозо-, коррози­онная и жаростой­кость	Дорожные покрытия, фундаменты, гидро­технические сооруже­ния, твердеющие в ес­тественных условиях, при ТВО и при отрица­тельных температурах

Специальные виды тяжелого бетона

1	2	3	4
Жаростойкие	В зависимости от мак­симальной температуры применения от 50 до 300 оС вяжущее - порт­ландцемент, от 300 до 700 оС - шлакопорт- ландцемент в сочетании с термостойкими напол­нителями и заполните­лями (базальт, шлак, бой керамического кирпича); от 700 до 1000 оС - жидкое стекло с КФН, термостойкие наполни­тели и заполнители (шлак, шамот, базальт, керамзит, вермикулит); от 1000 до 1400 оС гли­ноземистый цемент с термостойкими напол­нителями и заполните­лями	Специальными по­казателями качест­ва бетонов являют­ся: предельно до­пустимая темпера­тура применения и термическая стой­кость в водных или воздушных тепло- сменах (в зависи­мости от условий эксплуатации)	Возведение дымовых труб, резервуаров, те­пловых агрегатов (фундаментов, сво­дов), выполнение по­крытий пола в горя­чих цехах
Радиационно- защитные	Цементные бетоны с особоплотными запол­нителями: железосо­держащие и баритовые руды с добавлением чу­гунного скраба и введе­нием специальных хи­мических добавок	Сверхтяжелый бе­тон плотностью от 2600 до 6000 кг/м3, обладающий свой­ством поглощения радиационных из­лучений	Защита сооружений ядерных реакторов и атомных электростан­ций
Напрягающие	В качестве вяжущего используют специаль­ный напрягающий це­мент, создающий само­напряжение в конструк­ции за счет расширения бетона при твердении	Марка по самона­пряжению Бр 0,6 - Бр 4, водонепро- ницае-мость не ниже W12, повы­шенная трещино- стойкость. Предел прочности на сжа­тие от 25 до 80 МПа	Возведение железобе­тонных гидротехниче­ских сооружений, мостов, тоннелей, из­готовление труб, свай, балок, ферм, резер­вуаров, плит покрытий и перекрытий, покры­тие автомобильных дорог
Фибробетоны	Использование дис­персной тонковолокни­стой арматуры - фибр (металлических, стек­лянных, базальтовых, полимерных)	Повышенная удар­ная прочность, из­носостойкость, трещиностойкость	Изготовление свай, труб, балок; дорож­ные покрытия

1	2	3	4
Декоративные	В качестве вяжущего применяют белые и цветные портландце- менты, заполнителей - отходы переработки горных пород (гранит, мрамор и т.д.)	Повышенная деко­ративность, исти­раемость не более 0,8 г/см2	Дорожные, тротуар­ные и фасадные пли­ты, лестничные мар­ши, монолитные мо­заичные и цветные полы, армированные стальными волокнами

₃

Легкие бетоны с плотностью менее 2000 кг/м можно получить за счет использования пористых заполнителей (легкий бетон), поризацией межзернового пространства (поризованный бетон) или мелкозернистого бетона в объеме (ячеистый бетон) путем введения газо- и пенообразую- щих добавок, а также применением однофракционного крупного запол­нителя при отсутствии мелкого и ограниченного расхода цемента (круп­нопористый бетон).

Вид и применение легкого бетона определяют двумя показателями: пределом прочности на сжатие в 28 суток естественного твердения и сред­ней плотностью. По назначению легкие бетоны подразделяют на конст­рукционные для изготовления таких несущих конструкций, как плиты пе­рекрытий; конструкционно-теплоизоляционные, используемые в произ­водстве ограждающих стеновых конструкций, плит покрытий, и тепло­изоляционные, основное назначение которых - теплозащита зданий и со­оружений, трубопроводов и технологического оборудования.

В зависимости от применяемого крупного пористого заполнителя легкие бетоны подразделяют на керамзитобетон, перлитобетон и т.д. Их назначение представлено в табл. 6.6.

Для приготовления легких бетонов с плотной межзерновой структу­рой, пористость которой не превышает 7 %, используют все виды мине­ральных вяжущих и пористые заполнители. Так как прочность пористого заполнителя всегда меньше прочности цементного камня, то его введение в бетонную смесь приводит к понижению плотности и прочности бетона. Эта зависимость проявляется более сильно при увеличении содержания легкого заполнителя и уменьшении его плотности. За счет снижения В/Ц, примене­ния более активного цемента, добавок, повышающих прочность цементного камня, можно повысить общую прочность бетона только до какого-то гра­ничного значения, определяемого видом заполнителя, после которого влия­ние заполнителя становится определяющим и любые последующие техно­логические приемы неэффективны. Взаимосвязь между прочностью порис­тых заполнителей и прочностью бетона представлена в табл. 6.7.

	Назначение легких бетонов
Вид бетона	теплоизоляционные D менее 600 кг/м2	конструкционно- теплоизоляционные D 600 - 1200 кг/м3	констру кционные D 1200-2000 кг/м3
Керамзитобетон	+	+	+
Аглопоритобетон	-	+	+
Шлакопемзобетон	-	+	+
Перлитобетон	+	+	+
Вермикулитобетон	+	-	-
Бетон на щебне из	+	+	+
пористых горных
пород

Таблица 6.7

Прочность бетона на сжатие, кгс/см2	Минимальная марка по прочности заполнителя	Прочность бетона на сжатие, кгс/см2	Минимальная марка по прочности заполнителя
35 и меньше	П 15	250	П 125
50	25	300	150
75	35	350	200
100	50	400	250
150	75	450	300
200	100	500	350

Назначение легких бетонов в зависимости от применяемого легкого заполнителя

Рекомендуемая прочность крупного заполнителя в зависимости от заданной прочности легкого бетона

Важным свойством легкого бетона является его теплопроводность, по которой рассчитывают толщину ограждающих конструкций. Увеличе­ние содержания легкого заполнителя, уменьшение его плотности приводят к понижению коэффициента теплопроводности бетона, улучшению его те­плотехнических свойств. Из-за своей высокой пористости легкий заполни­тель оказывает большее, по сравнению с плотным, влияние не только на прочность бетона, но и на свойства бетонной смеси. Обладая высоким во- допоглощением, пористый заполнитель значительно повышает водопо- требность бетонной смеси, которая увеличивается при уменьшении плот­ности. Вследствие этого свойства заполнитель активно участвует в струк- турообразовании, т.к. интенсивное поглощение воды в момент приготов­ления бетонной смеси переходит при последующем дефиците воды в об­ратный процесс постепенного возвращения ее и участия в гидратации.

В результате наблюдаемого влагопереноса ширина контактного слоя и прочность сцепления с цементным камнем у пористого заполнителя выше. Поэтому легкий бетон может обладать водонепроницаемостью до W8...12 и морозостойкостью F400...800, что позволяет использовать его в гидро­техническом строительстве и мостостроении. Более высокая деформатив- ность заполнителя компенсирует усадку цементного камня при твердении и поэтому общие усадочные деформации в легком бетоне не наблюдаются, несмотря на повышенный расход цемента.

Поризованный цементный бетон является разновидностью легкого бетона, который получают путем насыщения газом или воздухом цемент­ного камня или цементно-песчаного раствора, заполняющих пустоты меж­ду крупным пористым заполнителем. Для поризации бетонов применяют несколько технологий. По одной из них предварительно подготовленную устойчивую пену, полученную в результате механического растворения природного или синтетического пенообразователя в воде, смешивают с цементом и крупным пористым заполнителем, например, керамзитом, - керамзитопенобетон. При производстве поризованного газобетона газооб- разователь - алюминиевую пудру, представляющую собой тонкомолотый алюминий, смешивают с цементным пластичным тестом или цементно- песчаным раствором, в которые после тщательного перемешивания вводят крупный пористый заполнитель, например, шлаковую пемзу, - шлакогазо- бетон. Ячеистую структуру обеспечивает полученный в результате реак­ции добавки с продуктом гидратации цемента - гидроксидом кальция га­зообразный водород, равномерно распределенный по всему объему. Проч­ность поризованных бетонов в зависимости от объема пор 7 - 25 % и по­ристости применяемого заполнителя составляет 5 - 10 МПа, плотность - 700 - 1400 кг/м³.

Ячеистый бетон, содержащий по всему объему до 85 % пор разме­ром 1 - 1,5 мкм, является разновидностью поризованного бетона, в кото­ром отсутствует крупный заполнитель. Ячеистые бетоны получают в ре­зультате твердения вспученной порообразователем смеси минерального вяжущего, тонкомолотого кремнеземистого наполнителя и воды.

В зависимости от вида применяемых вяжущих, кремнеземистых компонентов (песок или зола) и порообразователей (газ или пена) ячеистые бетоны классифицируют следующим образом:

- цементные на цементном вяжущем с возможным добавлением из­вести (газобетон, пенобетон и газозолобетон, пенозолобетон);

• силикатные - на известковом вяжущем, в том числе с добавкой гипса, цемента или шлака (газосиликат, пеносиликат, газозолосиликат, пе- нозолосиликат);

• известково-цементные - на смешанном вяжущем (газосиликато­бетон, пеносиликатобетон и т.д.);

• шлаковые - на шлаковом вяжущем в виде молотого гранулиро­ванного шлака в сочетании с известью, гипсом или щелочью (газошлако­бетон, пенозолошлакобетон и т.д.);

• сланцевые - на сланцезольном вяжущем в виде высокоосновной золы (газосланцезолобетон и пеносланцезолобетон).

По условию твердения ячеистые бетоны могут быть автоклав­ные (силикатные) и неавтоклавные, твердеющие при термовлажност- ной обработке (цементные) или естественных условиях (гипсовые). По назначению их подразделяют на теплоизоляционные плотностью менее 600 кг/м , применяемые в виде теплоизолирующих и акустических плит; конструкционно-теплоизоляционные плотностью D 600 - 900 кг/м , прочностью 1,5 - 10 МПа для выполнения ограждающих конструкций; конструкционные плотностью D 1000 - 1200 кг/м прочностью 7,5 - 20 МПа для изготовления несущих конструкций, к которым предъявля­ют требования по акустическим и теплоизоляционным свойствам - пли­ты перекрытий. Марки по морозостойкости для бетонных и железобе­тонных элементов конструкций из ячеистого бетона должны соответст­вовать, в зависимости от климатических условий эксплуатации, от F15 до F100.

В состав беспесчаного крупнопористого бетона вводят гравий или щебень крупностью 5 - 20 мм, портландцемент М300...400 в количестве 70 - 150 кг/м и воду. Отсутствие песка и ограниченный расход цемента позволяют получить пористый бетон низкой теплопроводности, прочно­стью 15 - 75 кгс/см . Из крупнопористого бетона на плотном заполнителе возводят монолитные наружные стены зданий, изготавливают крупные стеновые блоки. Стены из крупнопористого бетона необходимо оштукату­ривать с двух сторон, чтобы исключить продуваемость. Крупнопористый поризованный бетон на пористом заполнителе имеет небольшую среднюю плотность (500 - 600 кг/м ), его используют для получения теплоизоляци­онных изделий.

К разновидностям легкого бетона относится опилкобетон, который может быть использован как для монолитного, так и для блочного возве­дения зданий до пяти этажей жилого, гражданского и сельскохозяйствен­ного назначения. Технология получения опилкобетонной смеси включает перемешивание опилок хвойных пород, предварительно обработанных специальными составами, предотвращающими горение, гниение и погло­щение воды, с цементом и песком до получения однородной массы. При получении стеновых блоков используют вибропрессование и последую­щую сушку. Рекомендуемые составы представлены в табл. 6.8.

Кроме блоков производят конструктивные элементы для изготовле­ния перемычек, оконных и дверных проемов. Из этого же материала мож­но выполнять литые полы первого этажа и плиты перекрытия. Материал обладает огнестойкостью - 100 мин, хорошими теплоизоляционными свойствами, позволяющими уменьшить толщину наружных стен до 40 см.

Таблица 6.8

Рекомендуемые составы опилкобетона

Прочность опилкобетона через 28 сут, кгс/см2	Расход материалов на 1 м бетона
	цемент М 400, кг/л	известь или глина, кг/л	песок, кг/л	опилки, кг/л
5	50+45	200/140	50/30	200/800
10	100/90	150/110	200/120	200/800
15	150/135	100/70	350/220	200/800
15	200/180	50/35	500/300	200/800

В производстве мелких стеновых камней, блоков и крупноразмерных панелей широкое применение нашел один из видов легкого бетона - гип­собетон, обладающий огнестойкостью, легкостью, хорошими тепло- и зву­коизоляционными свойствами. Гипсобетон изготавливают на основе строительного высокопрочного гипса или гипсовых смешанных вяжущих: гипсоцементнопуццолановом, гипсоцементношлаковом, обеспечивающих водостойкость изделий. Для снижения средней плотности и улучшения акустических свойств применяют пористые заполнители и пенообразую- щие добавки. Для повышения прочности на изгиб и уменьшения хрупко­сти в пластичную массу при ее изготовлении вводят волокнистые компо­ненты: древесные или синтетические волокна, измельченную макулатуру. Изделия из гипсобетона получают с применением виброуплотнения, виб­ропроката или путем прессования. Средняя плотность в зависимости от вида применяемого заполнителя, расхода воды составляет 800 - 1000 кг/м , прочность 20 - 50 кгс/см . Вследствие высокой пористости изделий сталь­ная арматура должна быть защищена от коррозии лакокрасочными соста­вами на основе битума или полимерных смол.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ НОРМАТИВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 4.233-86. Растворы строительные. Номенклатура показателей.

2. ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний.

3. ГОСТ 28013-89. Растворы строительные. Общие технические условия.

4. СТБ 4.202-98. Изделия асбоцементные. Номенклатура показателей.

5. СТБ 1239-2000. Портландцемент для производства асбоцементных из­делий. Технические условия.

6. ГОСТ 539-80. Трубы и муфты асбоцементные напорные. Технические условия.

7. ГОСТ 1839-80. Трубы и муфты асбоцементные для безнапорных трубо­проводов. Технические условия.

8. ГОСТ 18124-95. Листы асбоцементные плоские. Технические условия.

9. РСН 16-90. Отделка зданий полимерцементными составами.

10. СТБ 4.212-98. Бетоны. Номенклатура показателей.

11. СТБ 4.250-94. Бетонные и железобетонные изделия и конструкции. Но­менклатура показателей.

12. СТБ 1163-99. Трубы бетонные и железобетонные безнапорные. Общие технические условиях.

13. СТБ 1187-99. Бетоны легкие. Технические условия.

14. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов (к СНиП 2.03.01-84). - М., 1986.

15. СНиП 2.03.04-84. Бетонные и железобетонные конструкции, предназна­ченные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

16. СТБ 1182-99. Бетоны. Правила подбора состава.

17. СТБ 1035-96. Смеси бетонные. Технические условия.

18. СНиП 3.09.01-85. Производство сборных железобетонных конструкций и изделий.

19. СН 529-80. Инструкция по технологии изготовления конструкций и из­делий из плотного силикатного бетона.

20. СН 277-80. Инструкция по изготовлению изделий из ячеистого бетона.

21. ГОСТ 12730.5-84. Бетоны. Методы определения водонепроницаемости.

22. ГОСТ 10060.0-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Об­щие требования.

23. ГОСТ 10180-90. Бетоны. Методы определения прочности по контроль­ным образцам.

24. СТБ 1310-2902. Бетоны. Классификация. Общие технические требова­ния.

25. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкции.

26. Пособие П2-2000 к СНиП 3.03.01-87. Производство бетонных работ на строительной площадке.

27. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности.

28. СНБ 5.03.01-02. Бетонные и железобетонные конструкции.