Бетон

Введение

Бетон (франц. béton), искусственный каменный материал, получаемый из рационально подобранной смеси вяжущего вещества (цемента) с водой, заполнителей и специальных добавок (иногда). Один из основных строительных материалов.

 Бетон - один из важнейших строительных материалов. Он получается (формованием с последующим схватыванием) из смеси вяжущего вещества (цемента) с водой, мелким заполнителем (песком) и крупным заполнителем (обычно гравием, щебнем или другим крупно размолотым материалом). Поскольку бетонная смесь до затвердевания имеет тестообразный характер, бетон пригоден для изготовления конструкций разного типа, но форма (опалубка) не должна удаляться до полного схватывания смеси. В тех случаях, когда возможны растягивающие или изгибающие напряжения, бетон армируют сталью.

            При возведении массивных сооружений и таких конструкций, как своды, купола, триумфальные арки, ещё древние римляне использовали бетон и в качестве вяжущих материалов применяли глину, гипс, известь, асфальт. С падением Римской империи применение бетона прекратилось и возобновилось лишь в 18 веке в западноевропейских странах.

Развитие и совершенствование технологии бетона связано с производством цемента, который появился в России в начале 18 века. Первый цементный завод во Франции был открыт в 1840, в Германии - в 1855, в США - в 1871. Распространению бетона способствовало изобретение в 19 веке железобетона.

     Бетоны, их классификация, состав ,свойства и области применения

Классификация и области применения бетона.

Бетон классифицируют по виду применяемого вяжущего:

Бетон на неорганических вяжущих (цементные бетоны, гипсобетоны, силикатные бетоны, кислотоупорные бетоны, жаростойкие бетоны и другие специальные бетоны)

Бетон на органических вяжущих (асфальтобетоны, пластбетоны).

Цементные бетоны в зависимости от объёмной массы (в кг/м3) подразделяются на: особо тяжёлые (более 2500); тяжёлые (от 1800 до 2500); лёгкие (от 500 до 1800); особо лёгкие (менее 500).

Особо тяжёлые бетоны предназначены для специальных защитных сооружений (от радиоактивных воздействий). Они изготовляются преимущественно на портландцементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арматуры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны. Обычно вводят добавку карбида бора или др. добавки, содержащие лёгкие элементы-водород, литий, кадмий. Наиболее распространены тяжёлые бетоны, применяемые в железобетонных и бетонных конструкциях промышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетон, подвергающихся воздействию морских, пресных вод, а также атмосферы.

К заполнителям для тяжёлых бетонов предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов СССР приводили к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетона, что достигается применением быстро-твердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и др. способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь. Промежуточное положение между тяжёлыми и лёгкими бетоном занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вяжущем и пористых искусственных или природных заполнителях. Существует много разновидностей лёгкого бетон: они названы в зависимости от вида примененного заполнителя-вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобетон, перлитобетон, туфобетон и другие.

По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие бетоны подразделяются: на обычные лёгкие бетоны (с полным заполнением межзернового пространства); малопесчаные лёгкие бетоны (с частичным заполнением межзернового пространства); крупнопористые лёгкие бетоны, изготовляемые без мелкого заполнителя; лёгкие бетоны с цементным камнем, поризованные при помощи газо- или пенообразователей;

По виду вяжущего лёгкие бетоны на пористых заполнителях разделяются как: цементные; цементно-известковые; известково-шлаковые; силикатные.

Рациональная область применения лёгких бетонов - наружные стены и покрытия зданий, где требуются низкая теплопроводность и малый вес. Высокопрочный лёгкий бетон используется в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий (в целях уменьшения их собственного веса). К лёгким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и конструктивные ячеистые бетоны с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м3.

По способу образования пористой структуры ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобетоны, по виду вяжущего: на газо- и пенобетоны, получаемые с применением портландцемента или смешанных вяжущих; на газо- и пеносиликаты, изготовляемые на основе извести; газо- и пеношлакобетоны с применением молотых доменных шлаков. При использовании золы вместо кварцевого песка ячеистые бетоны называются газо- и пенозолобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношлакозолобетонами. Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.

Области применения бетона в современном строительстве постоянно расширяются. В перспективе намечается использование высокопрочных бетонов (тяжёлых и лёгких), а также бетонов с заданными физико-техническими свойствами: малой усадкой и ползучестью, морозостойкостью, долговечностью, трещиностойкостью, теплопроводностью, жаростойкостью и защитными свойствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследований, предусматривающих разработку важнейших теоретических вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетона с учётом внутренних напряжений и микротрещинообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и другие.

Состав бетона.

Готовая бетонная смесь, она же товарный бетон - подвижный состав из четырёх основных компонентов, замешиваемых в определенной пропорции: цемент, щебень, песок, вода. Аналогичная смесь, но без использования щебня, называется цементным раствором либо пескобетоном, правда в пескобетоне применяется песок более крупной фракции (модуль крупности). Весовое соотношение компонентов для приготовления бетонной смеси примерно таково: Цемент -1 часть, Щебень 4 части, Песок - 2 части, Вода - 1/2 части. Например: цемент - 330 кг., щебень - 1250 кг., песок - 600 кг., вода - 180 литров. Естественно, эти цифры весьма приблизительны и на деле зависят от многих факторов таких как: требуемая марка бетона, марка цемента, характеристики щебня и песка, использования пластификаторов других добавок, и т.д. и т.п.

Например: при использовании цемента м-400, бетон с таким составом покажет марку м-250. При цементе м-500, марка бетона будет уже м-350. Цифры условны. При производстве бетона на бетонном заводе, учитывается не один десяток параметров и характеристик.

Цемент и вода - главные компоненты бетона. Собственно на них возложена основная функция - связать все компоненты в единую монолитную структуру. Соблюдение правильной пропорции этих двух компонентов (водоцементное отношение) - главнейшая задача в производстве бетона. Речь ведь не только о количестве воды и цемента, введённых в бетон. С этим, как раз, всё просто. Важно учесть все нюансы: влажность щебня и песка, их влагопоглощение и т.д. и т.п. Цемент, взаимодействуя с водой (гидратация цемента), способен схватываться и твердеть, образуя так называемый цементный камень. Многие наверно сталкивались с этим самым камнем, когда откупоривали мешок цемента, оставшийся лежать в сарае с прошлого лета. Ну и что же получается. Цемент и вода - сами себе камень. Как-будто - вполне самодостаточный материал. А вот и нет. Цементный камень при затвердевании деформируется. Объемная усадка достигает 2 мм/м. Вроде и не много, но из-за неравномерности этих усадочных процессов, возникают внутренние напряжения, появляются микротрещины. Эти микротрещины практически не видны, но прочность и долговечность цементного камня снижается. Для того, чтобы уменьшить эти деформации, в состав вводят заполнители:

Крупные заполнители: щебень

Мелкие заполнители: песок

Роль этих заполнителей - создать структурный каркас, который воспринимает усадочные напряжения, и в результате - готовый бетон даёт меньшую усадку. Также увеличивается прочность и модуль упругости бетона (снижение деформаций конструкции под нагрузкой), уменьшает ползучесть (когда бетон необратимо деформируется при длительных нагрузках). Заполнители существенно удешевляют бетон. Ведь цемент стоит значительно дороже чем щебень и песок.

Кратко об основных видах щебня.

Известняк. Средняя прочность (марка) 500-600. Отдельные виды известняковых наполнителей (до 800) вполне пригодны чтобы изготовить бетон вплоть до марки М-350, но в виду более низкой морозостойкости, известняк как правило используют для производства бетонов марок м-100 - м-300.

Гравий. Прочность основных видов гравия (800-1000) достаточна для изготовления марки бетона вплоть до М-450. (обычно, не выше м-400) Самый распространённый вид наполнителя. Обладает всеми хорошими качествами, необходимыми для получения большинства бетонных смесей. Для индивидуального строительства я выбрал бы его. Бетон на гравии - дешевле. Для тех марок бетона, которые используют в частном строительстве - прочность более чем достаточна. Да и радиационный фон меньше чем у гранита.

Гранит. Наиболее прочный из перечисленных наполнителей. Из дополнительных преимуществ перед предыдущими имеет более высокие показатели (м до 1400), низкое водопоглощение и в следствие этого - повышенную морозостойкость. Например, при строительстве дорог, современными ГОСТ-ами разрешено использовать только гранитный щебень.

Конечно, не всё так просто со щебнем. Есть ещё много нюансов, вносящих свои коррективы: лещадность, % зерен слабых пород и т.д. и т.п. Но об этом, как-нибудь в следующий раз.

Во всех информационных материалах, прайс-листах и т.д. бетон указывается с цифровым и буквенным индексом. Обязательно указываются марка М-, класс В-, подвижность П-, водонепроницаемость W-, морозостойкость F-. Давайте вкратце расскажу про каждый из этих параметров.

Свойства бетона.

Реологические свойства бетонной смеси

Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону.Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто.

Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.

При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.

Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.

Технические свойства бетонной смеси.

При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.

Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:

подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;

жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;

связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.

Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.

Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.

Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.

Удобоукладываемость бетонной смеси.

Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость.

Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.

Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность.

Деформативные свойства бетона.

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругиe материалы. 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 нагружения 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. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой:

Есж =Ер=Еб.

Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки.

Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя - щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми.

Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может вызвать рост ползучести.

Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения; в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.

Усадка и набухание бетона.

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих. Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

Морозостойкость бетона.

Морозостойкость бетона определяют путём 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 суток выдержки в камере нормального твердения или через 7 суток 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%.

Водонепроницаемость бетона.

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. 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 можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.

Теплофизические свойства бетона.

Теплопроводность - наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий.

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. 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 0,00001 °С, следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой, протяженности разрезают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры. Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие 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 позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

                                    Заключение

Изготовленные из бетонных смесей изделия могут оказаться в различных температурно-влажностных условиях окружающей среды, При этом одни условия благоприятно влияют на процессы твердения, другие, наоборот, вызывают замедление роста прочности, ухудшают структуру и снижают качество бетона.

Процесс твердения бетона обусловлен гидратацией находящегося в нем минерального вяжущего и появлением новообразований, в 1,5—2 раза больших по объему, чем исходное вещество твердой фазы цементного клинкера. Бетоны на основе портландцемента твердеют медленно, и при благоприятных условиях хранения (температуре 20±2°С и относительной влажности более 90% или в воде) в 28-суточном возрасте испытываются на класс прочности. Изменение температурно-влажностного режима приводит к изменению кинетики твердения и структуры цементного камня.

Наилучшие условия для твердения минеральных вяжущих веществ — водные. В сухом воздухе (при небольшой относительной влажности) бетон твердеет медленнее, а прочность его оказывается ниже, так как в этих условиях часть воды затворения испаряется во внешнюю среду. В высушенном бетоне процесс нарастания прочности прекращается.

Полное представление о динамике увеличения модуля упругости твердеющего бетона можно получить по характеру изменения скорости ультразвука, проходящего через бетон. Испытания бетонов с помощью ультразвука показывают, что твердение в водной среде способствует более интенсивному увеличению модуля упругости, чем на воздухе. Если по истечении некоторого срока твердения бетона на воздухе его поместить в воду, модуль упругости его опять будет возрастать.

 

        Список использованных источников и литературы:

 

  1. Беляев Н. М., Метод подбора состава бетона, Л., 1927;
  2. Малюга И. Г., Состав и способ приготовления цементного раствора (бетона) для получения наибольшей крепости, СПБ, 1895;
  3. Суздальцева А. Я., Бетон в современной архитектуре, М., 1968;
  4. Библ.: Библиографический справочник литературы по технологии бетона за 1895-1940, под ред. Б. Г. Скрамтаева, М., 1941. А. Е. Десов.