Бетонная эпопея

Бетонная эпопея // Капстроительтво. 2003 . №3. C. 38-41

Основным материалом, который традиционно применяют во всех областях строительства, является бетон. В настоящее время производство бетона и железобетона в Украине характеризуется коренным изменением инфраструктуры. Главная причина - переход от полносборного строительства из железобетонных изделий к сооружению объектов из монолитного бетона. Естественно, меняются требования к проектированию, обеспечению свойств бетонных смесей и бетонов с учетом влияния самых разнообразных технологических и климатических факторов.

Кроме того, за последнее десятилетие технология бетона обогатилась средствами регулирования, достижения и поддержания заданных свойств бетонных смесей и бетонов. Это, - прежде всего, высокоэффективные химические и минеральные добавки новой генерации, фибра, текстиль и так далее. С их применением исследованы и установлены новые закономерности в бетоноведении, созданы бетоны нового поколения. Такие бетоны с успехом применяются в разных странах при возведении высотных зданий, мостов, тоннелей, сложных объектов типа морских буровых установок и тому подобное. Достигнуты требуемая степень технологичности бетонных работ, сокращение трудозатрат, резкое снижение сложностей ухода за бетоном и очень высокие показатели прочности и долговечности.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ БЕТОНА

Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет собой композиционный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.

Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.).

Преимуществами бетона и железобетона являются:

? низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением местного сырья;

? возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения;

? механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций;

? при надлежащей обработке бетон позволяет изготавливать конструкции оптимальной формы с точки зрения строительной механики и архитектуры;

? бетон долговечен и огнестоек, а его плотность, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами.

Недостатком бетона - как и любого каменного материала, является низкая прочность на растяжение, которая в 10-15 раз ниже прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне, когда растягивающие напряжения воспринимает арматура. Близость коэффициентов температурного расширения и прочное сцепление обеспечивают совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне, как единого целого. Благодаря этому бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них являются основой современного строительства.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ

По виду вяжущего выделяют:

? цементные (наиболее распространенные);

? силикатные (известково-кремнеземистые);

? гипсовые, смешанные (цементно-известковые, известково-шлаковые и т.п.);

? специальные - применяемые при наличии особых требований (жаростойкости, химической стойкости и др.).

По виду заполнителя бетоны делятся на:

? плотные;

? пористые;

? на специальных заполнителях, удовлетворяющих особые требования (защиту от излучений, жаростойкость, химическую стойкость и т.п.).

В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8-15%, а заполнителей - 80-85% (по массе).

В виде заполнителей используют местные каменные материалы: песок, гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (например, дробленные и гранулированные металлургические шлаки).

В зависимости от плотности различают бетоны:

? особо тяжелые - плотностью более 2500 кг/м3, изготовленные на особо тяжелых заполнителях (из магнетита, барита, чугунного скрапа и др.); эти бетоны применяют для специальных защитных конструкций;

? тяжелые - плотностью 2200-2500 кг/м3 на песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород; применяют во всех несущих конструкциях;

? облегченные - плотностью 1800-2200 кг/м3; их применяют преимущественно в несущих конструкциях;

? легкие - плотностью 500-1800 кг/м3. К ним в свою очередь относятся:

а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях;

б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя;

в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом крупном заполнителе без мелкого заполнителя;

? особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) - плотностью менее 500 кг/м3, используемые в качестве теплоизоляции.

МАРКИ И КЛАССЫ БЕТОНОВ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Однородность прочности бетона

Бетон должен быть однородным - это важнейшее техническое и экономическое требование. Для оценки однородности бетона данной марки используют результаты контрольных испытаний бетонных образцов за определенный период времени.

Прочность бетона зависит от колебания в качестве цемента и заполнителей, точности дозирования составляющих, тщательности приготовления бетонной смеси и других факторов.

Для повышения однородности бетона необходимо применение цемента и заполнителей гарантированного качества, повышение уровня технологической дисциплины, автоматизация производства.

Следовательно, для нормирования прочности необходимо использовать стандартную характеристику, которая гарантировала бы получение бетона заданной прочности с учетом возможных ее колебаний. Такой характеристикой является класс бетона.

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

Бетоны подразделяются на классы: В1; В 1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В40; В45; В50; В55; В60.

Соотношение между классом и марками бетона по прочности при нормативном коэффициенте вариации v= 13,5%.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

Теплофизические свойства бетона

Теплопроводность - наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, особенно при использовании в ограждающих конструкциях зданий.

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.?С), то есть она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона, поэтому панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.

Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах-0,75-0,92 Вт/(м.?С).

Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,0000ГС, следовательно, при увеличении температуры на 50 ?С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Для избежания растрескивания сооружений большой протяженности бетон разрезают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, как составляющие бетона, имеют различный коэффициент температурного расширения и по-разному деформируются при изменении температуры.

Большие колебания температуры (более 80?С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона в результате различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если правильно подобрать составляющие бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Морозостойкость

Морозостойкость бетона определяется путем попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20 ?С и оттаивания в воде при температуре 15-20?С бетонных образцов-кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

Установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500

Водонепроницаемость

Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь вводят специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного применяют расширяющийся портландцемент.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W2, W4, W6, W8 и W12, где марка обозначает давление воды (кгс/см2), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду в условиях стандартного испытания.

Деформативные свойства бетона

Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.

Область условно упругой работы бетона - от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.

Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.

Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7-2,5 раза тяжелого бетона. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру.

Ползучесть (увеличения дефор&