Основные сведения о бетоне

Содержание

1. Введение

2. Основные сведения о бетоне

3. Классификация бетонов

3.1 Тяжелые бетоны

3.2 Цемент

3.3 Вода

3.4 Песок

3.5 Крупный заполнитель

4. Добавки

5. Свойства бетона

5.1 Прочность бетона

5.2 Морозостойкость бетона

5.3 Усадка и расширение бетона

5.4 Бетон в агрессивной среде и его защита

5.5 Отношение бетона к действию высоких температур

6. Транспортирование бетонной смеси

7. Свойства бетонной смеси

8. Особенности бетонирования в зимнее время

9. Вывод

10. Список использованной литературы

1. Введение

В настоящее время, бетон и железобетон являются основными строительными материалами. В нашей стране производят десятки миллионов тонн железобетона и бетона, ни один дом построенный в последние 60 лет не обходится без железобетонных изделий. Поэтому тема производства бетона и железобетона является на сегодняшний день очень важной. Важно не только знать технологию производства, но уметь уменьшить затраты.

В своей работе, претендующей на чтение профессиональным инженером-строителем, я попытался кратко описать технологический процесс производства, ведь развитие производства и строительства напрямую зависит от строительных материалов.

2. Основные сведения о бетоне

Бетонами называют искусственные каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого и крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведения при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение больше размерных изделий и конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85... 90%, а цемент - 10...15% от массы бетона. В последние годы в строительстве широко используют легкие бетоны, получаемые на искусственных пористых заполнителях. Пористые заполнители снижают плотность бетона, улучшают его теплотехнические свойства.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона. Бетоны на минеральных вяжущих веществах являются капилярнопористыми телами, на структуру и свойства которых заметное влияние оказывают как внутренние процессы взаимодействия составляющих бетона, так и воздействие окружающей среды. В течение длительного времени в бетонах происходит изменение поровой структуры, Наблюдается протекание структурообразующих, а иногда и деструктивных процессов и как результат - изменение свойств материала. С увеличением возраста бетона повышается его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяется не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании бетона и производстве конструкций на его основе.

На органических вяжущих веществах (битум, синтетические смолы и т.д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов.

Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами. Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в несколько раз выше в несколько раз выше прочности при растяжении. Для восприятия растягивающих напряжений бетон армируют стальными стержнями, получая железобетон. В железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения. Бетон предохраняет арматуру от коррозии. Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно на месте строительства - монолитный бетон и железобетон, либо на заводах и полигонах с последующем монтажом на строительной площадке - сборный бетон и железобетон.

В зависимости от наибольшей крупности применяемых заполнителей различают бетоны мелкозернистые с заполнителем размером до 10 мм и крупнозернистые с заполнителем размером 10--150 мм. Важнейшие показатели качества бетона -- его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны разделяют на марки. Тяжелые бетоны на цементах и обычных плотных заполнителях имеют марки 100--600, особотяжелые бетоны - 100--200, легкие бетоны на пористых заполнителях -- 25--300, ячеистые бетоны -- 25--200, плотные силикатные бетоны-- 100--400- и жаростойкие бетоны-- 100--400. Долговечность бетонов оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю их разделяют на марки морозостойкости: для тяжелых бетонов Мрз 50 -- Мрз 300 и для легких бетонов Мрз. 10 -- Мрз. 200.

По назначению бетон бывает следующих видов: обычный -- для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колонны, балки, плиты). Гидротехнический -- для плотин, шлюзов, облицовки каналов и др.; для зданий и легких перекрытий; для полов, дорожных покрытий и оснований; специального назначения: кислотоупорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты, который изготовляют на цементе со специальными видами заполнителей высокой плотности.

3. Классификация бетонов

Классифицируют бетоны по следующим главнейшим признакам: объемной массе, виду вяжущего вещества, крупности заполнителя, прочности, морозостойкости и назначению. Основной считается классификация по объемной массе. Бетон делят на особотяжелый объемной массой более 2500 кг/м3, тяжелый--1800-- 2500 кг/м3, легкий -- 500--1800 кг/м3, особо легкий -- менее 500 кг/м3По объёмной массе бетоны подразделяются на особо тяжёлые, тяжёлые, лёгкие и особо лёгкие. По виду вяжущего вещества бетоны бывают: цементные, силикатные, гипсовые, асфальтобетоны, полимербетоны и др. По назначению различают бетоны обычные (для промышленных и гражданских зданий), гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, специального назначения (химически стойкие, жаростойкие, для защиты от ядерных излучений и др.). Основной показатель качества бетона -- прочность при сжатии, по которой устанавливается марка бетона.

Лёгкий бетон, общее название бетонов с объёмной массой не более 1800 кг/м3. Получают, используя пористые (лёгкие) заполнители, гравий или щебень без мелкого заполнителя (так называемый крупнопористый бетон) либо поризуя (вспенивая) цементное тесто (ячеистый бетон). Наиболее распространены легкие бетоны на пористых заполнителях: керамзитобетоны, шлакобетоны, аглопористые бетоны, вермикулитобетоны, тефобетоны, пемзобетоны, перлитобетоны и др. Благодаря небольшой объёмной массе, малой теплопроводности и достаточной прочности легкие бетоны широко применяются в сборных бетонных и железобетонных конструкциях и изделиях. Особо легкий бетон (объёмная масса до 500 кг/м3) -- хороший теплоизоляционный материал.

Тяжёлый бетон, общее название бетонов с объёмной массой свыше 1800 кг/м3, в которых обычно крупным заполнителем служит каменный щебень или гравий, а мелким -- природные пески. В качестве вяжущего используют портландцемент, а также расширяющийся, глинозёмистый цемент и др. Наиболее распространённые тяжёлые бетоны (до 2500 кг/м3) применяют при возведении стен, фундаментов зданий, плотин и т. д. Особо тяжёлые бетоны (свыше 2500 кг/м3) с тяжёлыми природными или искусственными заполнителями (железная руда, барит, чугунный скрап) используют для биологической защиты от радиоактивных излучений при сооружении АЭС, ядерных установок и др.

Ячеистый бетон, лёгкий бетон, получаемый в результате затвердевания вспученной (при помощи порообразователя) смеси вяжущего, воды и кремнезёмистого компонента (обычно кварцевого песка). Разновидности ячеистого бетона -- пенобетон и газобетон.

Силикатный бетон, получают термообработкой в автоклаве (при температуре 175--200°C) смеси на основе известково-кремнезёмистого вяжущего вещества, неорганических заполнителей и воды. По свойствам близок к бетону на портландцементе. Применяется для изготовления внутренних несущих стен, перекрытий, лестничных маршей и т. д.

Гидротехнический бетон, применяется для строительства сооружений, постоянно находящихся в воде или периодически контактирующих с водной средой; разновидность тяжёлого бетона. Характеризуется высокой коррозионной стойкостью, водонепроницаемостью, морозостойкостью.

Полимербетон (пластбетон), бетон, в котором вяжущим веществом служит синтетический полимер (обычно термореактивная смола). Преимущества перед цементными бетонами -- большая прочность при растяжении, лучшая химическая устойчивость, меньшие хрупкость и водопроницаемость; недостаток -- горючесть. Материал для полов производственных зданий, покрытий мостов, дорог.

Стальбетон, бетон, получаемый из смеси портландцемента, кварцевого песка и стальных стружек (или опилок). Отличается высокой износостойкостью и прочностью. Стальбетон применяют главным образом для устройства покрытий полов промышленных зданий.

Бетонополимер, материал на основе бетона с минеральным вяжущим (обычно цементом), подвергнутый дополнительной обработке полимерами с последующей их полимеризацией в порах бетона. Обладает повышенной прочностью, мороза и износостойкостью. Применяется для облицовки инженерных сооружений в гидростроительстве, дорожном строительстве и др.

Арболит - разновидность лёгкого бетона. Изготовляется из смеси органических заполнителей (дроблёных отходов деревообработки, камыша и т. п.) и минерала вяжущего (обычно портландцемента). Стеновой материал малоэтажных зданий.

Железобетон - сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединённых и совместно работающих в конструкции. Термин «железобетон» часто употребляют и как собирательное название железобетонных изделий и конструкций. Бетон в железобетоне воспринимает в основном сжимающие усилия, а арматура -- растягивающие; бетон также придаёт жёсткость конструкции и защищает арматуру от коррозии.

3.1 Тяжелые бетоны

Тяжелый бетон, применяемый для сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций и деталей промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений, должен приобрести определенную прочность в заданный срок твердения, а бетонная смесь должна быть удобоукладываемой и экономичной. При использовании бетона в незащищенных от внешней среды конструкциях к нему предъявляют требования повышенной плотности, морозостойкости и коррозионной стойкости. В зависимости от назначения и условий эксплуатации бетона в сооружении составляющие его материалы должны отвечать определенным требованиям.

3.2 Цемент

Цемент - это главная составная часть бетона. Бетон будет тем прочнее, чем выше клеящаяся способность цемента и чем сильнее он сцепляется с поверхностью наполнителя. Цемент изготавливают из цементного клинкера, а его получают обжигом до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси. Такие смеси должны содержать примерно три части известняка и одну часть глины. Иногда эти смеси встречаются в природном виде - это горная порода, называемая известняковым мергелем. Вместо глины можно использовать диатомит, трепел и другие силикатные породы, близкие к глине по своему химическому составу. После обжига таких смесей образуется твердая спекшаяся масса - клинкер, состоящая из зерен темно-серого цвета размером с орех. Затем клинкер в шаровой мельнице измельчают в мелкий порошок. Чтобы улучшить качество цемента, при помоле клинкера в него вводят гидравлические добавки - до 3% гипса и до 15% диатомита, трепела. Чем дольше он измельчен, тем выше его качество, тем больше склеивающей способностью он обладает. При сверхтонком помоле химические реакции ускоряются во много раз. Объясняется это тем, что цементный порошок всегда соединяется с водой по всей поверхности. Поверхность же зерен будет тем больше, чем выше тонкость помола.

Для приготовления бетонных, железобетонных изделий и конструкций применяют различные цементы. Выбор вида цемента зависит от типа сооружения, для которого изготовляется бетон. Для приготовления тяжелых бетонов применяют, в основном, портландцемент обычный, пластифицированный и гидрофобный, портландцемент с гидравлическими добавками и шлакопортландцемент.

3.3 Вода

Для затворения бетонных смесей и поливки бетона применяют воду, не содержащую вредных примесей -- кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара, которые препятствуют нормальному твердению бетона, и т. п. Нельзя использовать воду болотную и сточную, а также воду, загрязненную вредными примесями, имеющую водородный показатель рН менее 4 и содержащую более 0,27% сульфатов (в расчете па SO3). Морскую и другую воду, имеющую минеральные соли, можно использовать только тогда, когда общее количество солей не превышаем2%. Пригодность воды для бетона устанавливают химическим анализом и сравнительными испытаниями прочности бетонных образцов, изготовленных на данной и на чистой питьевой воде и испытанных в возрасте 28 суток при хранении в нормальных условиях. Воду считают пригодной, если приготовленные на ней образцы имеют прочность, не меньшую, чем образцы на чистой питьевой воде.

3.4 Песок

Песком называют рыхлую смесь зерен крупностью 0,14--5 мм, образовавшуюся в результате естественного разрушения массивных горных пород или их дробления (природные пески). Кроме природных песков применяют искусственные, получаемые при дроблении или грануляции металлургических и топливных шлаков или специально приготовленных материалов -- керамзита, аглопорита и др. Можно использовать пески фракционированные и нефракциоиированные.

Для тяжелого бетона преимущественно идут природные пески, которые по минералогическому составу разделяют на кварцевые, полевошпатовые, известняковые и доломитовые; наибольшее применение получили кварцевые пески. Дробленый песок изготовляют из невыветренных изверженных, метаморфических или плотных карбонатных осадочных пород с пределом прочности при сжатии в насыщенном водой состоянии не менее 40 МПа. Форма зерен дробленого песка должна быть близка к кубической.

На качество бетона большое влияние оказывает зерновой (гранулометрический) состав песка и количественное содержание в нем различных примесей: пылевидных, илистых, глинистых и органических. Содержание их устанавливают отмучиванием, причем оно не должно превышать 3% в природном песке и 5% в дробленом, в том числе не более 0,15% глины. Наиболее вредна в песке глина, которая обволакивает отдельные его зерна и препятствует сцеплению их с цементным камнем, понижая прочность бетона. Глинистые и пылевидные примеси в песке повышают водопотребность бетонных смесей и приводят к снижению прочности и морозостойкости бетона. Песок от примесей очищают водой в машинах-пескомойках.

В природных песках могут содержаться также в большом количестве органические примеси (гуминовые кислоты, остатки растений, перегной), которые вступают в реакцию с твердеющим цементом и снижают прочность бетона. Содержание органических примесей устанавливают колометрическим методом -- обработкой пробы песка 3%-ным раствором едкого натра. Если после обработки песка цвет раствора оказывается не темнее цвета эталона, то песок признают доброкачественным. Испытуемый песок можно также считать пригодным, если прочность образцов раствора из пего оказывается не меньше прочности образцов на том же песке, но промытом сначала известковым молоком, а затем водой.

Зерновой состав песка имеет особое значение для получения бетона высокого качества. Песок должен состоять из зерен различного размера в пределах 0,14--5 мм, что обусловливает минимальный объем пустот в нем, а чем меньше объем пустот в песке, тем меньше требуется цемента для получения плотного бетона. Зерновой состав песка определяют просеиванием сухого пески через стандартный набор сит. Высушенную до постоянной массы пробу песка просеивают через сита с круглыми отверстиями размерами 10 и 5 мм. Остатки па этих ситах взвешивают и5--10 мм и выше 10 мм. Из пробы песка, прошедшего через указанные сита, отвешивают 1000 г песка и просеивают последовательно через набор сит с отверстиями размерами 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,14 мм. Остатки на каждом сите взвешивают и вычисляют:

В зависимости от зернового состава песок разделяют на крупный, средний, мелкий и очень мелкий. Для бетона рекомендуется применять крупный и средний песок с модулем крупности 2--3,25. Если песок не удовлетворяет требованиям ГОСТа, то его необходимо фракционировать, т. е. рассеивать на две фракции -- крупную и мелкую, получаемые разделением исходного материала по граничному зерну, соответствующему размеру отверстий сит 1,25 или 0,63 мм, а затем смешивать эти фракции в соотношении, установленном лабораторией. Фракционированный песок следует поставлять в виде готовой смеси.

Мелкие пески имеют очень большую суммарную поверхность зерен. и при изготовлении бетонной смеси на их обволакивание требуется большое количество цемента, поэтому применение мелкого песка должно быть экономически обосновано. Песок, предназначенный для растворов, не должен содержать фракции зерен крупнее 5 мм, а в песке, предназначенном для бетонов, допускаются зерна гравия или щебня размером более 10 мм в количестве до 0,5% (по массе); зерна размером 5--10 мм допускаются в количестве не более 5% по массе; содержание зерен, проходящих через сито с сеткой № 014, не должно превышать 10%.

Объемная насыпная масса кварцевого песка зависит от степени уплотнения, влажности и пустотности. Сухой и рыхло насыпанный кварцевый песок имеет насыпную массу 1500 -- 1600 кг/м3. Наименьшая насыпная масса кварцевых песков соответствует влажности 5-- 7% (по массе). Поэтому при дозировке песка для бетона или приемке песка необходимо учитывать содержание в нем воды.

3.5 Крупный заполнитель

В качестве крупного заполнителя для тяжелого бетона применяют гравий или щебень из горных пород, реже шлаковый и кирпичный щебень.

Гравием называют скопление зерен размером 5--70 (150) мм, образовавшихся в результате естественного разрушения горных пород. Зерно гравия имеет окатанную форму и гладкую поверхность. Для бетона наиболее выгодны зерна малоокатанные щебневидной формы, хуже яйцевидные (окатанные), еще хуже пластинчатые и игловатые зерна, понижающие прочность бетона. Содержание пластинчатых и игловатых зерен в гравии не должно превышать 15%, а зерен слабых (пористых) пород-- 10%. По крупности зерен гравий разделяют на следующие фракции: 5--10, 10--20, 20--40 и 40--70 мм. Часто гравий залегает вместе с песком. При содержании в гравии 25--40% песка материал называют песчано-гравийной смесью.

Гравий подобно песку может содержать вредные примеси пыли, ила, глины, органических кислот и сернистых и сернокислых соединений. Количество в гравии глинистых, илистых и пылевидных примесей, определяемое отмучиванием, не должно превышать 1%. Содержание органических примесей устанавливают колориметрическим методом: гравий, предназначенный для бетона, при обработке его раствором едкого натра не должен придавать раствору окраску темнее цвета эталона.

Предварительно оценивают прочность гравия при испытании его на дробимость в цилиндре, раздавливая пробу гравия в цилиндре статической нагрузки. Затем пробу просеивают через сито с размером отверстий, соответствующим наименьшему размеру зерен в исходной пробе гравия, и устанавливают потери массы. В зависимости от этого значения гравий (щебень) -- подразделяют на марки: Др. 8 (при потере массы 8%), Др. 12 (при потере массы 9--12%) и Др. 16 (при потере массы 13--16%). Для предварительной оценки пригодности гравия и щебня из гравия по их прочности (дробпмости в цилиндре) для бетона различных марок пользуются следующими данными: Окончательную пригодность гравия для бетона требуемой марки устанавливают по результатам испытания образцов из бетона на этом гравии. При строительстве промышленных и гражданских зданий и сооружений из бетона марок ниже 900 прочность зерен гравия для этого бетона должна быть более чем в 1,5 раза выше прочности бетона, а из бетона марки 300 и выше -- не менее чем в 2 раза выше прочности бетона. Для бетона марки 400 и выше можно использовать гравий только при соответствующем технико-экономическом обосновании.

При выборе гравия для бетона необходимо также знать его петрографический состав, количество зерен слабых пород и механическую прочность на истирание и удар. Для исследования истираемости гравия применяют полочный барабан. При этом определяют сопротивляемость каменного материала скалыванию кромок, удару и истиранию при падении и изнашивании, при трении зерен гравия друг о друга или при ударе падающих с полки шаров. Показателем истираемости считают потерю массы гравия в процентах первоначальной массы. По истираемости гравий делят на четыре марки --И 20, ИЗО, И 45 и И 55. Потеря массы при истирании соответственно равна 20,21--30,31--45 и 46--55%. В зависимости от сопротивления удару при испытании на копре ПМ гравий разделяют на три марки: У 75, У 50 и У 40.

Гравий, предназначенный для бетонных конструкций, которые подвергаются совместному действию воды и низких температур, должен обладать определенной степенью морозостойкости. По этому признаку его подразделяют на шесть марок -- Мрз 15, Мрз 25, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200 и Мрз 300. Морозостойкость определяют непосредственным замораживанием и оттаиванием гравия, гравий считают морозостойким, если в насыщенном водой состоянии он выдерживает без разрушения многократное (15 и более циклов) попеременное замораживание при температуре --17°С и оттаивание; при этом потеря массы после испытания не должна превышать 10%.

Морозостойкость гравия можно определять не только непосредственным замораживанием и оттаиванием, но и ускоренным испытанием. Сущность этого метода заключается в том, что вместо замораживания образцы погружают в насыщенный раствор сернокислого натрия и высушивают при температуре 105--110° С. Кристаллы сульфата натрия, образующиеся при этом в порах материала, давят на стенки пор сильнее, чем частицы льда. При таком испытании один цикл приравнивают 5--20 циклам испытания замораживанием в зависимости от степени морозостойкости гравия. При получении неудовлетворительных результатов проводят испытание непосредственным замораживанием, и результаты его являются окончательными.

Наиболее экономично для приготовления бетона применять крупный гравий, так как благодаря его меньшей суммарной поверхности требуется меньше цемента для получения прочного бетона. Допустимая крупность зерен гравия зависит от размеров бетонируемой конструкции: для хорошей укладки бетонной смеси размер зерен гравия не должен превышать 'Д минимального размера сечения конструкции и быть больше наименьшего расстояния между стержнями арматуры; для плит, в которых бетонная смесь укладывается легче, допускается наибольшая крупность зерен, не превышающая '/г толщины плиты; для бетонирования массивных гидротехнических сооружений применяют гравий крупностью зерен более 70 мм.

Гравием с хорошим зерновым составом считают тот, в котором имеются зерна разного размера, так как при этом пустотность его оказывается наименьшей. Зерновой состав гравия определяют просеиванием сухой пробы массой 10 кг через стандартный набор сит с размерами отверстий 70, 40, 20, 10 и 5 мм. За наибольшую крупность зерен гравия Ј)Наиб принимают размер отверстий сита, на котором полный остаток не превышает 5% навески. Наименьшая крупность гравия не соответствует размеру отверстия первого из сит, через которое проходит не более 5% просеиваемой пробы.

Щебень получают путем дробления массивных горных пород, гравия, валунов или искусственных камней на куски размером 5--70 мм. Для изготовления бетона используют щебень, полученный дроблением плотных горных пород, щебень из гравия и щебень из металлургических шлаков.

Щебень из гравия и горных пород получают дроблением на камнедробилках. При дроблении образуются не только зерна щебня, но и более мелкие фракции, относящиеся по крупности к песку и пыли. Зерна щебня имеют неправильную форму, при этом лучшей считается форма. приближающаяся к кубу и тетраэдру. Вследствие шероховатой поверхности зерна щебня лучше сцепляются с цементным камнем в бетоне, чем гравий, но бетонная смесь со щебнем менее подвижна, чем с гравием.

По дробимости, морозостойкости, зерновому составу, истираемости и сопротивлению удару к щебню предъявляют такие же требования, как и к гравию. Марка щебня определяется пределом прочности горной пороты при сжатии (кгс/см2) в водонасыщеном состоянии. Щебень разделяют на следующие марки --1200, 1000, 800, 600, 400, 300 и 200. При этом щебень из изверженных горных пород должен иметь марки не ниже 800, из метаморфических -- не ниже 600, из осадочных карбонатных пород -- не ниже 300. По прочности исходной горной породы марка щебня при сжатии в насыщенном водой состоянии должна быть выше марки бетона более чем в 1,5 раза при использовании его в бетоне марки ниже 300 и в 2 раза -- в бетоне марки 300 и выше. В отдельных случаях допускается применение щебня марки ниже указанной, но тогда должна быть установлена марка на этом щебне непосредственным испытанием бетона, а также дано технико-экономическое обоснование целесообразности использования щебня низких марок. Содержание зерен слабых пород в щебне не должно превышать 10, а зерен пластинчатой и игловатой форм -- 15%.

В щебне не должно содержаться комков глины, суглинка и других засоряющих примесей.

Шлаковый щебень получают дроблением шлака, который образуется в процессе доменной плавки металлов (доменный шлак) или при сжигании минерального топлива (топливный шлак). Шлаки должны обладать кристаллической структурой и не иметь признаков распада, который является результатом перехода одних соединений шлака в другие под действием газов, содержащихся в воздухе, и влаги. Этот переход сопровождается увеличением объема образующихся новых соединений, что вызывает растрескивание и распад кусков шлака.

Щебень должен иметь устойчивую против силикатного и железистого распада структуру, т. е. потеря массы щебня после соответствующих испытаний не должна превышать 5% в каждом случае. В щебне не должны присутствовать засоряющие примеси: топливные шлаки, зола, колошниковая пыль и т. п. Содержание пылевидных илистых и глинистых частиц в щебне, определяемое отмучиванием, не должно превышать 2%. По физико-механическим свойствам шлаковый щебень должен удовлетворять тем же требованиям, что и щебень из природного камня.

4. Добавки

При приготовлении бетонов и растворов для улучшения их свойств, а также по технико-экономическим соображениям применяют различные добавки. По виду и назначению добавки делят на следующие группы: ускорители твердения; поверхностно-активные; пенно и газообразователи; совместные; специальные.

К ускорителям твердения цемента, повышающим скорость нарастания прочности бетона, особенно в ранние сроки относятся хлористый кальций СаСl, хлористый натрий NaCl, соляная кислота Нl, сернокислый глинозем Al2(SO4b, хлорное железо FeCl3, поташ К2СО3, нитрит кальция Ca(NO3)2, строительный гипс. Влияние СаСl на повышение прочности бетона объясняется его каталитическим воздействием на гидратацию C3S и C2S, a также реакцией с С3А и C4AF, в результате которой образуются хлор-алюминаты.

Ускорители твердения не рекомендуется вводить в бетоны для железобетонных конструкций, предварительно-напряженных изделий с диаметром арматуры менее 5 мм и изделий автоклавного твердения, эксплуатируемых в среде с влажностью более 60%.

Поверхностно-активные добавки представляют собой особую группу органических веществ, введение которых в бетонные (растворные) смеси, позволяет улучшить их удобноукладываемость, уменьшить водоцементное отношение и соответственно сократить расход цемента без снижения прочности материалов и изделий.

Обычно введение поверхностно-активных добавок в малых дозах (0,05--0,2% массы цемента) позволяет уменьшить на 7--10% удельный расход цемента. Вместе с тем поверхностно-активные добавки оказывают положительное действие на свойства затвердевших бетонов (растворов), повышая водонепроницаемость и морозостойкость, улучшая коррозионную стойкость и повышая долговечность материалов в конструкциях.

Таким образом, применение поверхностно-активных добавок способствует повышению эффективности капиталовложений в строительство. По указанным причинам поверхностно-активные добавки в цементно-бетонной технологии приобретают все большее значение, как у нас, так и за рубежом.

Действие поверхностно-активных добавок на цементные системы основано на следующих положениях физической химии. Поверхностно-активные вещества способны понижать поверхностное натяжение у поверхности раздела фаз, например вода -- твердое тело, вода -- воздух. Мельчайшие частицы поверхностно-активных веществ адсорбируются, т. е. прочно связываются с внутренней поверхностью раздела тел, обычно образуя на этих поверхностях мономолекулярные слои (толщиной в одну молекулу). Толщина этого адсорбционного слоя относится в среднем к диаметру цементной частицы примерно так, как толщина спички относится к высоте 30-этажного здания. Приведенное сравнение в известной мере позволяет понять, почему добавки поверхностно-активных веществ к цементным системам применяют в малых дозах. Но при этом свойства цементных систем сильно меняются.

В цементы, растворы и бетоны вводят различные поверхностно-активные добавки, важнейшие из них по определяющему эффекту действия на цементные системы можно условно свести в три группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие и воздухововлекающие.

Гидрофилизующие добавки предотвращают на определенный срок слипание отдельных цементных частиц между собой при затворении вяжущего водой. В этом случае несколько замедляется коагуляция новообразований, а вместе с тем высвобождается некоторое количество воды, которое обычно как бы застревает в коагуляционных структурах. По этой причине требуемая удобноукладываемость смеси с добавкой достигается при меньшем количестве воды затворения, чем смеси без добавки. Пластифицирующие добавки также повышают подвижность бетонной смеси, улучшают ее однородность и нерасслаиваемость, снижают расход цемента, повышают прочность, водонепроницаемость и морозостойкость бетона. Из добавок на основе лигносульфонатов наибольшее распространение получила сульфитно-дрожжевая бражка Гидрофобизирующиє добавки, как правило, повышают нерасслаиваемость, связанность бетонной (растворной) смеси, находящейся в покое. При действии внешних механических факторов (перемешивании, вибрировании, укладке и т. п.) бетонная или растворная смесь с добавкой отличается повышенной пластичностью. Такое свойство гидрофобизованных смесей объясняется специфическим смазочным действием тончайших слоев поверхностно-активных веществ, распределенных в смеси. Кроме того, эти добавки предохраняют цементы от быстрой потери активности при хранении и перевозке.

Ассортимент гидрофобизующих добавок широк. Раньше применяли в основном природные продукты (например, некоторые животные жиры, олеиновую и стеариновую кислоты). В настоящее время развитие химической промышленности дало возможность широко использовать новые гидрофобизующие добавки: битумные дисперсии (эмульсии и эмульсосуспензии), нафтеновые кислоты и их соли, окисленные петролатумы, синтетические жирные кислоты и их кубовые остатки, кремнийорганические полимеры и др.

Воздухововлекающие добавки позволяют получать бетонные (растворные) смеси с некоторым дополнительным количеством воздуха. Чтобы повысить пластичность смеси, обычно увеличивают объем вяжущего теста. Вовлекая воздух, мы увеличиваем объем теста без дополнительного введения цемента. Поэтому удобноукладываемость такой системы повышается. К тому же воздухововлекающие добавки образуют и ориентированные слои, активные в смазочном отношении.

Широко применяют воздухововлекающие добавки на основе смоляных кислот: нейтрализованную воздухововлекающую смолу (СНВ), омыленный древесный пек, ЦНИПС-1 и др.

Пенно и газообразователи применяют для изготовления ячеистых бетонов. К пенообразователям относят клееканифольные, смолосапони-ковые, алюмосульфонафтеновые добавки, а также пенообразователь ГК. В качестве газообразователей применяют алюминиевую пудру ПАК-3 иПАК-4

Совместная добавка, например, пластификатора СДБ, ускорителя твердения -- хлористого кальция и ингибитора -- нитрита натрия, способствует экономии цемента. При этом ускоритель твердения нейтрализует некоторое замедление твердения в раннем возрасте.

Специальные добавки обеспечивают получение водонепроницаемых растворов или бетонов, регулируют сроки схватывания и др.

Очень важное значение в строительстве занимают Морозостойкие добавки. Твердению бетона при отрицательных температурах способствует добавление солей хлористого кальция (CaCL2) и хлористого натрия (NaCL). При добавлении солей (от 5 до 15% к воде затворения в зависимости от температуры наружного воздуха) снижается температура замерзания воды и в бетоне появляется жидкая фаза, необходимая для его твердения. Марка бетона, твердеющего при отрицательных температурах, должна быть не ниже М - 100 и должна быть на порядок выше проектной. Для наружной температуры - 10°С твердение бетона обеспечивает смесь 9%-пого раствора хлористого калия и 6%-пого раствора хлористого натрия, при необходимости можно обойтись только хлористым натрием. Практики подсказывают, что воду при затворении бетона лучше нагревать до температуры +45 - 50°С. Бетон после укладки утепляют опилками, матами или другими подручными средствами. При отсутствии необходимых средств бетон можно просто укрыть слоем снега, толщиной 40 - 50 см. В таких условиях бетон следует выдержать не менее 15 суток и только после этого его можно частично нагружать. Полную нагрузку бетону можно давать не ранее, чем через 28 суток. Современная промышленность выпускает специальные морозостойкие добавки, которые позволяют выполнять бетонирование при отрицательных температурах. К таким добавкам, прежде всего, следует отнести добавку ISOLA ISO - FROST, позволяющую выполнять укладку бетона при наружных температурах до -15°С В отличие от солей хлористого калия и хлористого натрия противоморозная добавка ISOLA ISO FROST не оказывает отрицательного влияния на арматурный каркас и хорошо сочетается с другими добавками и пластификаторами. Химический состав добавки не содержит токсических веществ.

Повышает морозостойкость бетонной смеси и пластификатор ISOLA FM - 86/8, выпускаемый современной промышленностью. Применение пластификатора позволяет не только повысить в 2 раза морозостойкость, по и увеличить на 30 - 40% плотность бетонной смеси. Это дает экономию цемента до 20% по сравнению с бетонированием обычным портландцементом.

Противоморозная добавка обладает отличными пластифицирующими свойствами и эффективным водоредуцирующим действием, а также обеспечивает процесс гидратации цемента даже при отрицательной температуре до -15 С, обеспечивает высокую удобноукладываемость и отличную кинетику твердения бетонной смеси с получением нормативных показателей механической прочности в ранние сроки твердения даже в условиях мороза при отрицательной температуре до -15.С.

Противоморозная добавка - это добавка, позволяющая обеспечить набор механической прочности даже зимой, незаменима при изготовлении сборно-монолитных бетонных и железобетонных изделий и конструкций в условиях неотапливаемого полигона при температуре твердения бетона до -15.С, продукт особенно необходимый в зимних условиях, который помогает значительно продлить строительный сезон, позволяя вести строительные работы круглый год.

5. Свойства бетона

Самым важным свойством бетона является его прочность, т. е. способность сопротивляться внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень, бетон лучше всего сопротивляется сжатию, поэтому за критерий прочности бетона строители приняли предел прочности бетона при сжатии. Чтобы определить прочность бетона, из него изготовляют Эталонный кубик с ребром 200 мм, если разрушился при нагрузке 80 тонн, то предел прочности при сжатии будет равен 20 МПа. В зависимости от прочности на сжатие бетон делится на марки. Марку бетона строители определяют по пределу прочности эталонного кубика с ребром 200 мм. Строительстве применяют следующие марки бетона: «600», «500» , «400», «300», «250», «150», «100» и ниже. Выбор марки зависит от тех условий, в которых будет работать бетон. Прочность бетона зависит от прочности каменного заполнителя (щебня, гравия) и от качества растворенного в воде цемента: бетон будет тем прочнее, чем прочнее каменные заполнители и чем лучше они будут скреплены цементным клеем. Прочность природных камней не изменяется со временем, а вот прочность бетона со временем растет. Другим важным свойством бетона является плотность - отношение массы материала к его объему. Плотность бетона всегда меньше 100%. Плотность сильно влияет на качество бетона, в том числе и на его прочность: чем выше плотность бетона, тем он прочнее. Поры в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении: в результате испарения излишней воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, при недостатке цемента.

С плотностью связано и обратное свойство бетона - пористость - отношение объема пор к общему объему материала. Пористость как бы дополняет плотность бетона до 100%. Как бы ни был плотен бетон, в нем всегда есть поры!

Водостойкость - свойство бетона противостоять действию воды не разрушаясь. Чтобы определить водостойкость бетона, изготовляют два образца: один в сухом виде раздавливают на прессе и определяют его нормальную прочность. Другой образец предварительно погружают в воду, а после насыщения водой также разрушают на прессе. Из-за ослабления связей между частицами прочность образца уменьшается. Отношение прочности насыщенного водой образца к прочности образца в сухом виде коэффициентом размягчения материала. Для бетона он больше 0,8. Поэтому бетон является водостойким и может применяться для сооружения конструкций, подвергающихся действию воды - плотин, пирсов, молов.

Теплопроводность характеризует способность бетона передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на поверхностях бетона. Теплопроводность бетона почти в 50 раз меньше, чем у стали, но зато выше, чем у строительного кирпича. Сравнительно невысокая теплопроводность обеспечивает бетону высокую огнестойкость - способность материала выдерживать действие высоких температур. Бетон может выдержать в течение длительного времени температуру выше 1000 ° С. При этом он не разрушается и не трескается.

Все знают, что если в поры камней проникает вода, то, замерзая, она расширяется и тем самым разрушает даже самые крепкие горные породы. Бетон же при насыщении водой может выдерживать многократное замораживание и оттаивание. При этом он не разрушается и почти не снижает своей прочности. Это свойство называется морозостойкостью. А вот еще одно свойство бетона - объемная масса. У бетона объемная масса может быть равной. Она зависит от заполнителей, которые используются в бетоне. По этому признаку бетоны делятся на три вида: тяжелый, легкий и особо легкий. Эта классификация зависит от массы заполнителя, применяемого при изготовлении бетона. Так, например, бетон на естественных заполнителях из гранита, известняка, доломита имеет объемную массу 2200 - 2400 кг/м, а прочность его достигает 60 МПа (или 600 кгс/см). Такой бетон называют тяжелым бетоном. А вот бетон на щебне из легких каменных пород (пемза или туф) имеет меньшую объемную массу - обычно 1600 - 1800 кг/м и называется легким бетоном. Если бетон изготовить на искусственных легких пористых заполнителях из обожженных до спекания глиняных материалов, как, например, керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, зольный гравий и т. п., то можно получить целую гамму легких бетонов разной объемной массы - до 1800 кг/м. Их прочность колеблется от 7,5 до 40 МПа (75 до 400 кгс/см).

Применение в сооружении тяжелого или легкого бетона определяется типом конструкции и условиями ее эксплуатации.

По назначению бетоны подразделяются на бетон обычный - для изготовления колонн, балок, плит и т. п. конструкций; бетон гидротехнический - для плотин, шлюзов, облицовки каналов; бетон для подземных сооружений - для изготовления труб колодцев, резервуаров; бетон для дорожных покрытий; бетоны специального назначения на специальных видах цемента - кислотоупорный, жаростойкий и т. п.

5.1 Прочность бетона

В конструкциях зданий и сооружений бетон может работать в различных условиях, испытывая сжатие, растяжение, изгиб и др. Тяжелый бетон, применяемый в промышленном, жилищном и гражданском строительстве, оценивают пределом прочности при сжатии и пределом прочности на растяжение при изгибе, являющимися основной характеристикой механических свойств бетона. По пределу прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 20 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси, после твердения их в течение 28 суток в нормальных условиях (температура 20±2° С и относительной влажности окружающего воздуха 90--100%) устанавливают марку бетона. Можно определять прочность бетона на образцах размером 30X30X30, 15X15Х15 и 10Х10Х10 см, но тогда результаты испытаний таких образцов приводят к нормальным путем умножения полученных значений на коэффициенты 1,1; 0,9 и 0,85 соответственно.

Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды В к цементу Ц обычно принимают 0,4--0,7 (для химического взаимодействия цемента с водой требуется воды 15--20% от массы цемента). Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, а это ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Исходя из этого прочность бетона можно повысить путем уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения).

Для ориентировочного определения возможного предела прочности при сжатии бетонов из умеренно-жестких и малоподвижных бетонных смесей, уплотняемых вибрацией при коэффициенте уплотнения не ниже 0,98, твердеющих в нормальных температурно-влажностных условиях в течение 28 суток, рекомендуются следующие расчетные формулы. В интервале водоцементных отношений 0,2--0,4 (B/Ц<0,4) существует прямолинейная зависимость между прочностью бетона, активностью цемента и цементно-водным отношением, выражаемая формулой

В интервале водоцементных отношений больше 0,4 (B/Ц>=0,4) эта зависимость может быть выражена формулой

где Rв -- предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 суток нормального твердения, Па; Rn -- активность цемента, т. е. предел прочности при сжатии образцов (половинок балочек) цементного раствора, Па; Ц/В- водоцементное отношение: отношение массы цемента к массе воды в единице объема бетонной смеси, за вычетом воды, поглощаемой заполнителями; А, Аі-- безразмерные коэффициенты, принимаемые по табл. 26 в зависимости от свойств и качества применяемых материалов.

Прочность тяжелого бетона при благоприятных температуре и влажности непрерывно повышается. В первые 7--14 суток прочность бетона растет быстро, затем рост прочности к 28 суток замедляется и постепенно затухает. Во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения бетонных образцов их средняя прочность в 7-суточном возрасте составляет 0,6--0,7 прочности 28-суточных образцов. У образцов в возрасте 3 мес. прочность примерно на 25%, а в возрасте 12 мес. на 75% оказывается выше, чем у образцов 28-суточного возраста.

5.2 Морозостойкость бетона

Свежеуложенному бетону мороз опасен. И, прежде всего из-за влияния

низких температур на процессы схватывания и твердения цементов. Бетон очень чувствителен к холоду. Это сказывается прежде всего на времени схватывания и скорости твердения. Так, например, при снижении температуры с 20 до 5є С схватывание бетона замедляется в 2 - 5 раз. Но особенно резко проявляется это замедление при дальнейшем снижении температуры - до 0є С. Однако если восстановить нормальную температуру выдерживания, то твердение вновь принимает обычные темпы. А если температура бетона опустится до 0є С? Твердение прекращается полностью. Это объясняется тем, что при замерзании бетона содержащаяся в нем свободная вода замерзает, а образование цементного камня замедляется. Следовательно, прекращается и твердение бетона. Замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме на 9%. В результате этого в порах бетона развивается большое давление, которое вызывает разрушение структуры еще не затвердевшего бетона. Скопившаяся на поверхности зерен крупного заполнителя вода при замерзании образует тонкую ледяную пленку, которая отделяет поверхность заполнителя от соприкосновения с цементным тестом. В результате ухудшается монолитность бетона. Если заморозить бетон в раннем возрасте, то лед разрушит многие кристаллики цементного клея. Если затворение бетона было проведено до замораживания, а твердение бетона еще не началось, то оно не начнется и после замерзания. Но если твердение началось, то оно приостанавливается, пока свободная вода в бетоне будет оставаться в виде льда. При оттаивании бетона замерзшая свободная вода превращается в жидкость, и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замерзания, но уже при изменившейся структуре. Эти изменения в структуре бетона уменьшают его прочность и сцепление бетона с арматурой. Конечная прочность бетона будет тем ниже, чем раньше бетон подвергся замораживанию.

Наиболее опасное замерзание бетона в период схватывания цемента. Для бетона также вредно и многократное замерзание и оттаивание его в начальный период твердения (оттепели и заморозки).

5.3 Усадка и расширение бетона

В процессе твердения происходят объемные изменения бетона. Твердение бетона на воздухе, за исключением бетонов на безусадочном и расширяющемся цементах, сопровождается уменьшением объема, т. е. усадкой. При твердении бетон;2 в воде вначале объем его несколько увеличивается. Большую усадку дают бетоны из жирных смесей (с большим расходом цемента) и с большим водоцементным отношением. Наибольшая усадка в бетоне происходит в начальный период твердения: за первые сутки она составляет 60--70% месячной усадки. Объясняется это тем, что в указанный период особенно интенсивно обезвоживается тесто вследствие испарения влаги и поглощения ее гидратирующимися зернами цемента, в результате чего частицы сближаются и цементный камень дает усадка.

Размер усадки бетона на портландцементе зависит от минералогического состава и тонкости помола цемента: усадка возрастает с увеличением тонкости помола. Для понижения усадки бетона, особенно при возведении массивных сооружений, следует применять белитовые цементы или цементы более низких марок, избегать жирных бетонных смесей, уменьшать количество воды затворения, применять крупные заполнители из плотных пород рационального зернового состава, а также строго соблюдать влажностный режим твердения бетона.

Объемные изменения в бетоне в первый период твердения могут вызываться расширением его от нагревания теплом, выделяющимся при экзотермических реакциях цемента с водой. Под влиянием экзотермии цемента температура внутри массивных бетонных конструкций иногда достигает 50° С. Расширение бетона может вызывать значительные деформации конструкций, и даже появление трещин. Для предотвращения их в массивных бетонных конструкциях устраивают температурные швы. Чтобы уменьшить экзотермию бетона, применяют цементы с малым выделением тепла (ннзкоэкзотермичные).

Указанные требования очень важны при приготовлении бетона для гидротехнических сооружений.

5.4 Бетон в агрессивной среде и его защита

Тяжелый бетон чаще всего изготовляют на портландцементе, кварцевом песке, гравии или щебне из плотных горных пород. Бетон должен приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т. д.). Кроме того, требуется определенная степень подвижности бетонной смеси, которая соответствовала бы принятым способам ее укладки. Практика эксплуатации канализационных бетонных сооружений показала, что и ряде случаев под влиянием физико-химического действия жидкостей и газов бетон может разрушиться. Коррозия бетона вызывается главным образом разрушением цементного камня. Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивного вещества в его толщу; она особенно интенсивна при постоянной фильтрации такого вещества через трещины или поры бетона. Поэтому основные меры предохранения бетона от коррозии -- придание ему возможно большей плотности и правильное конструирование элементов сооружений, обеспечивающие равномерную (без образования трещин) деформацию бетона в процессе твердения.

Для предохранения бетона от коррозии следует применять цементы с минимальным выделением гидроокиси кальция и малым содержанием трехкальциевого алюмината. К таким цементам относятся портландцемента с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, сульфатостойкие цементы. Для устранения пор в поверхностных слоях бетона применяют импрегнирование в бетон цементного раствора, силикатирование, флюатирование. Защитить бетон от проникания агрессивных веществ можно при помощи поверхностных покрытий, например, облицовывать их плотными керамическими плитками или камнями, выложенными на кислотоупорном цементе, создавать водонепроницаемую оболочку вокруг бетона из слоя жирной утрамбованной глины, покрывать гидроизоляционными битуминозными материалами и др.

5.5 Отношение бетона к действию высоких температур