Бетоны и железобетоны
Бетон — искусственный камень, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материалов до затвердения называют бетонной смесью.
Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цементное тесто, образующееся после затворения бетонной смеси водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки заполнителей, придающей бетонной смеси подвижность (текучесть). Цементное тесто, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень — бетон.
Бетон в сочетании со стальной арматурой называют железобетоном.
В бетон могут вводиться специальные добавки, улучшающие свойства бетонной смеси и бетона.
Бетон является одним из важнейших строительных материалов во всех областях современного строительства. Это объясняется изменением свойств бетона в широком диапазоне путем использования компонентов соответствующего качества, применения специальных методов механической и физико-химической обработки, возможностью изготовления самых разнообразных по форме и размерам долговечных строительных конструкций, возможностью полной механизации бетонных работ, экономичностью бетона, так как до 80—85% объема его составляют заполнители из местных каменных материалов.
Классификация бетона и требования к нему
Бетоны классифицируют по следующим ведущим признакам: по основному назначению, виду вяжущего вещества и заполнителя и по структуре.
По назначению бетоны бывают следующих видов: конструкционные — для бетонных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (фундаменты, колонны, балки, плиты и др.); специальные — жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно—защитные, теплоизоляционные и др., бетоны напряженные, бетонополимеры.
По виду вяжущего вещества бетоны бывают: цементные, изготовленные на гидравлических веществах — портландцементах и его разновидностях; силикатные — на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами; гипсовые — с применением гипсоангидритовых вяжущих и бетоны на шлаковых и специальных вяжущих материалах.
Бетоны изготовляют на обычных плотных заполнителях, на естественных или искусственных пористых заполнителях; кроме того, разновидностью является ячеистый бетон, представляющий собой отвердевшую смесь вяжущего вещества, воды и тонко дисперсного кремнеземистого компонента. Он отличается высокой пористостью — до 80—90% с равномерно распределенными порами размером до З мм.
В связи с этим бетоны классифицируют также по структуре: плотной, пористой, ячеистой и крупнопористой.
По виду заполнителя различают бетоны на плотных заполнителях, пористых и специальных, удовлетворяющих специальным требованиям (защита от излучений, жаростойкость, химическая стойкость и т. п.).
По показателям прочности при сжатии тяжелые бетоны имеют марки от 100 до 800 кг/см2. Марка бетона — одно из нормируемых значений унифицированного рода данного показателя качества бетона, принимаемых по его среднему значению. К различным видам бетонов устанавливаются требования по показателям, характеризующим прочность, среднюю плотность, упругопластические, теплофизические, защитные, декоративные и другие свойства бетонов.
Определенные требования предъявляются к материалам для приготовления бетона (вяжущим, добавкам, заполнителям), его составу и технологическим параметрам по изготовлению конструкции для работы в конкретных условиях.
Долговечность бетона оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны делят на марки от 15- 1500 циклов (замораживания и оттаивания).
Качество бетона оценивают, по водонепроницаемости, которая определяется максимальной величиной давления воды, при котором не наблюдается ее просачивания через контрольные образцы, изготовленные и испытанные на водонепроницаемость согласно требованиям действующих стандартов.
Материалы для приготовления бетонов
Бетон, применяемый для изготовления фундаментов, колонн, балок, пролетных строений мостов и других несущих элементов и конструкций. промышленных и жилых зданий и инженерных, сооружений, должен приобретать определенную прочность в заданный срок твердения, а бетонная смесь должна быть удобной в укладке и экономичной. При использовании в незащищенных от внешней среды конструкциях бетон должен иметь повышенную плотность, морозостойкость и коррозиестойкость. В зависимости от назначения и условий эксплуатации бетона в сооружении предъявляются соответствующие требования к составляющим материалам, которые предопределяют его состав и свойства, оказывают влияние на технологию производства изделий, их долговечность и экономичность.
Цемент выбирают с учетом требований, предъявляемых к бетону (прочность, морозостойкость, химическая стойкость, водонепроницаемость и др.), а также технологии изготовления изделий, их назначения и условий эксплуатации. Марку цемента выбирают в зависимости от проектируемой прочности бетона при сжатии:
|
Прочность бетона, МПа |
1100 |
1150 |
200 |
2250 |
300 |
400 |
5500 |
600 и выше |
|
Марка цемента |
300 |
300 |
300-400 |
400 |
400-500 |
500-600 |
600 |
800 |
Для приготовления бетонной смеси применяется питьевая, а также любая вода, не содержащая вредных примесей (кислот, сульфатов, жиров, растительных масел, сахара), препятствующих нормальному твердению бетона.
К добавкам для бетонов относятся неорганические и органические вещества или их смеси, за счет введения которых в контролируемых количествах направленно регулируются свойства бетонных смесей и бетонов либо бетонам придаются специальные свойства. В основу классификации добавок для бетонов положен эффект их действия. По этому признаку добавки для бетонов делят на следующие группы:
1. Регулирующие реологические свойства бетонных смесей. К ним относятся пластифицирующие — увеличивающие подвижность бетонных смесей; стабилизирующие - предупреждающие расслоение; водоудерживающие - уменьшающие водоотделение.
2. Регулирующие схватывание бетонных смесей и твердение бетонов. К ним относятся добавки, замедляющие схватывание, ускоряющие схватывание и твердение, противоморозные, т.е. обеспечивающие твердение бетона при отрицательных температурах.
З. Добавки, регулирующие пористость бетонной смеси и бетона. К ним относятся воздухововлекающие, газообразующие и пенообразующие добавки, а также уплотняющие (воздухоудаляющие или кольматирующие поры бетона).
4. Добавки, придающие бетону специальные свойства:
гидрофобизующие, уменьшающие смачивание; повышающие противорадиационную защиту, жаростойкость; антикоррозионные, т. е. увеличивающие стойкость в агрессивных средах; ингибиторы коррозии стали, улучшающие защитные свойства бетона к стали; добавки, повышающие бактерицидные и инсектицидные свойства.
5. Добавки полифункционального действия, одновременно регулирующие различные свойства бетонных смесей и бетонов: пластифицирующе-воздухововлекающие; повышающие прочность бетона и газообразующе - пластифицирующие.
6. Минеральные порошки - заменители цемента. К этой группе относятся тонкомолотые материалы, вводимые в бетон в количестве 5—20%. Это золы, молотые шлаки, отходы камнедробления и др., придающие бетону специальные свойства (жаростойкость, электропроводимость, цвет и др.).
В качестве пластифицирующих добавок наибольшее распространение получили поверхностно-активные вещества (ПАВ).
Поверхностно-активные добавки представляют собой особую группу органических веществ, введение которых в бетонные смеси позволяет существенно улучшить их удобоукладываемость. Вместе с тем поверхностно-активные добавки позволяют уменьшить водоцементное отношение и, соответственно, сократить расход цемента без снижения прочности материалов и изделий.
Поверхностно-активные добавки, используемые в цементах, растворах и бетонах, по определяющему эффекту действия на цементные системы можно условно разделить на три группы: гидрофилизующие, гидрофобизующие и воздухововлекающие.
Гидрофилизующие добавки при затворении вяжущего водой предотвращают на определенный срок слипание отдельных цементных частиц между собой.
Гидрофобизующие добавки, как правило, существенно повышают нерасслаиваемость, связанность бетонной смеси, находящейся в покое. В качестве гидрофобизующих добавок раньше применялись в основном природные продукты
— некоторые животные жиры, олеиновая и стеариновая кислоты. Развитие химической промышленности дало возможность широко использовать новые гидрофобизующие добавки — битумные дисперсии (эмульсии и эмульсосуспензии), нафтеновые кислоты и их соли, окисленные, синтетические жирные кислоты и их кубовые остатки, кремнийорганические полимеры и др.
Воздухововлекающие добавки позволяют получать бетонные смеси с некоторым дополнительным количеством воздуха. Чтобы повысить пластичность смеси, обычно увеличивают объем вяжущего теста. Вовлекая воздух, объем теста увеличивается без введения лишнего цемента, поэтому удобоукладываемость такой системы повышается. К тому же воздухововлекающие добавки образуют и ориентированные слои, активные в смазочном отношении. Широко применяют воздухововлекающие добавки на основе смоляных кислот: смолу, нейтрализованную воздухововлекающую (СНВ), омыленный древесный пек и др.
К ускорителям твердения цемента, увеличивающим нарастание прочности бетона, особенно в ранние сроки, относятся хлорид кальция, сульфат натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция и др.
Пено- и газообразоватаели применяют для изготовления ячеистых бетонов. К пенообразователям относятся клееканифольные, смолосапониновые, алюмосульфонафтеновые добавки, а также пенообразователь ГК. В качестве газообразователей применяют алюминиевую пудру ПАК-З и ПАК-4.
Комбинированные добавки, например пластификатор СДБ, ускоритель твердения (хлористый кальций) с ингибитором (нитратом натрия), способствуют экономии цемента. При этом ускоритель твердения нейтрализует некоторое замедление твердения смеси в раннем возрасте.
Специальные добавки обеспечивают получение водонепроницаемых растворов или бетонов, регулируют сроки схватывания и др.
Приготовление и транспортирование бетонной смеси
Приготовление бетонной смеси включает две основные технологические операции: дозировку исходных материалов и их перемешивание.
Важнейшим условием приготовления бетонной смеси с заданными показателями свойств, а также обеспечения постоянства этих показателей от замеса к замесу является точность дозировки составляющих материалов в соответствии с рабочим составом бетона. Дозирование материалов производят дозаторами (мерниками) периодического или непрерывного действия. Первые могут иметь ручное, полуавтоматическое управление. Наиболее совершенны автоматические дозаторы по массе, обладающие высокой точностью дозирования, малой продолжительностью цикла взвешивания и легкостью управления.
Перемешивание бетонной смеси производят в бетоносмесителях периодического и непрерывного действия. В бетоносмесителях периодического действия рабочие циклы машины протекают с перерывами, т. е. в них периодически загружаются отвешенные порции материалов, которые перемешиваются, а далее бетонная смесь выгружается. В бетоносмесителях непрерывного действия все три операции производят непрерывно.
По способу перемешивания материалов бетоносмесители бывают с принудительным и гравитационным перемешиванием (при свободном падении). В гравитационных бетоносмесителях перемешивание достигается вращением барабана, на внутренней поверхности которого имеются лопасти.
На автоматизированных бетонных заводах применяют бетоносмесители непрерывного действия, в которых бетонная смесь принудительно перемешивается и одновременно перемещается от загрузочного отверстия к другому концу, где происходит ее выгрузка.
При соответствующем режиме вибрации, когда силы трения и сцепления между частицами смеси нарушены, а силам тяжести противодействует значительно превосходящее их давление возбуждения в смеси, последняя переходит во взвешенное состояние с высокой подвижностью, что способствует интенсивному перемешиванию смеси.
Транспортирование бетонной смеси к месту укладки должно обеспечить сохранение ее однородности и степени подвижности. При длительной перевозке бетонная смесь загустевает вследствие гидратации цемента, поглощения воды заполнителями и испарения, однако подвижность смеси к моменту укладки ее должна быть не меньше проектной.
При выборе способа транспортировки необходимо учитывать дальность и скорость перевозки, подвижность смеси и экономичность способа. На заводах бетонные смеси транспортируют бетонораздатчиками, самоходными тележками, ленточными транспортерами; в цехах малой и средней мощности — электротельферами и электрокарами. Подвижные смеси можно транспортировать на большие расстояния по трубам с помощью пневматических установок. На строительные площадки, где ведутся бетонные работы, бетонную смесь доставляют в автобетоносмесителях.
Общие сведения и классификация железобетона
Железобетон представляет собой строительный материал, в котором выгодно сочетается совместная работа бетона и стали, крайне отличающихся своими механическими свойствами. Бетон, как и всякий каменный материал, хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, но он хрупок и слабо противодействует растягивающим напряжениям. Прочность бетона при растяжении примерно в 10—15 раз меньше прочности при сжатии. В результате этого бетон невыгодно использовать для изготовления конструкций, в которых возникают растягивающие напряжения. Сталь же, обладая очень высоким пределом прочности при растяжении, способна воспринимать растягивающие напряжения, возникающие в железобетонном элементе.
Для строительства элементов, подверженных изгибу, целесообразно применять железобетон. При работе таких элементов возникают напряжения двух видов: растягивающие и сжимающие. При этом сталь воспринимает первые напряжения, а бетон — вторые, и железобетонный элемент в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам. Таким образом, сочетается работа бетона, и стали в одном материале — железобетоне.
Возможность совместной работы в железобетоне двух резко различных по своим свойствам материалов определяется следующими важнейшими факторами: прочным сцеплением бетона со стальной арматурой, вследствие чего при возникновении напряжения в железобетонной конструкции оба материала работают совместно; почти одинаковым коэффициентом температурного расширения стали и бетона, чем обеспечивается полная монолитность железобетона; бетон не только не оказывает разрушающего влияния на заключенную в нем сталь, но и предохраняет ее от коррозии.
Различают два вида предварительного напряжения арматуры: до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Если напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложенная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и увлекает за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.
Предварительное напряжение арматуры не только предупреждает появление трещин в растянутом бетоне, но и позволяет снизить массу железобетонных конструкций, увеличить их жесткость, повысить долговечность и сократить расход арматуры. Поэтому дальнейшее развитие строительной техники направлено на значительное увеличение выпуска тонкостенных предварительно напряженных железобетонных конструкций.
В основу классификации сборных железобетонных изделий положены следующие признаки: вид армирования, плотность, вид бетона, внутреннее строение и назначение.
По виду армирования железобетонные изделия делят на предварительно напряженные и с обычным армированием.
По плотности изделия бывают из тяжелого бетона, облегченного, легкого и из особо легкого (теплоизоляционного) бетона. Для элементов каркаса зданий применяют тяжелый бетон, а для ограждающих конструкций зданий - легкий. По виду бетона и применяемых в бетоне вяжущих различают изделия из цементных бетонов — тяжелых, на обычных плотных заполнителях, и легких бетонов на пористых заполнителях; силикатных бетонов автоклавного твердения — плотных (тяжелых) или легких на пористых заполнителях на основе извести или смешанном вяжущем; ячеистых бетонов — на цементе, извести или смешанном вяжущем; специальных бетонов — жаростойких, химически стойких, декоративных, гидратных.
По внутреннему строению изделия могут быть сплошными и пустотелыми, изготовленными из бетона одного вида, однослойные или двухслойные и многослойные, изготовленные из разных видов бетона или с применением различных материалов, например теплоизоляционных.
Железобетонные изделия одного вида могут отличаться также типоразмерами, например стеновой блок угловой, подоконный и т. д. Изделия одного типоразмера могут подразделяться также по классам. В основу деления на классы положено различноё армирование, наличие монтажных отверстий или различие в закладных деталях.
В зависимости от назначения сборные железобетонные изделия делят на основные группы: для жилых, общественных, промышленных зданий, для сооружений сельскохозяйственного и гидротехнического строительства, а также изделий общего назначения.
Железобетонные изделия должны отвечать требованиям действующих государственных стандартов, а также требованиям рабочих чертежей и технических условий на них. Изделия массового производства должны быть типовыми и унифицированными для возможности применения их в зданиях и сооружениях различного назначения. Изделия должны иметь максимальную степень заводской готовности. Составные или комплексные изделия поставляют потребителю, как правило, в законченном, собранном и полностью укомплектованном деталями виде. Железобетонные изделия с проемами поставляют со вставленными оконными или дверными блоками, проолифенными или загрунтованными. Качество поверхности изделия должно быть таким, чтобы на месте строительства (если это не предусмотрено проектом) не требовалось дополнительной их отделки.
Искусственные каменные изделия на основе минеральных вяжущих
Искусственные каменные изделия получают из растворных или бетонных смесей на основе минеральных вяжущих веществ в процессе их формирования и последующего затвердения. В качестве заполнителей для этих смесей применяют кварцевый песок, пемзу, шлак, золу, древесные опилки. Для повышения прочности при изгибе изделия армируют волокнистыми материалами — асбестом, древесиной (в виде шерсти, дробленых отходов), бумажной макулатурой, листовой бумагой и др.
Искусственные каменные изделия по виду минерального вяжущего можно разделить на следующие четыре группы: гипсовые и гипсобетонные; изделия на основе магнезиальных вяжущих; силикатные; асбестоцементные, изготовляемые на основе портландцемента с добавлением асбеста.
Гипсовые и гипсобетонные изделия
Изделия на основе гипса можно получать как из гипсового теста, т. е. из смеси гипса и воды, так и из смеси гипса, воды и заполнителей. В первом случае изделия называют гипсовыми, во втором — гипсобетонными. Вяжущими для изготовления гипсовых и гипсобетонных изделий в зависимости от их назначения служат гипсовое вяжущее, водостойкие гипсоцементно-пуццолановые смеси, а также ангидритовые цементы. В качестве заполнителей в гипсобетоне используют естественные материалы — песок, пемзу, туф, топливные и металлургические шлаки, а также легкие пористые заполнители промышленного изготовления — шлаковую пемзу, керамзитовый гравий, аглопорит и др. Органическими заполнителями (их называют еще наполнителями) являются древесные опилки, стружка или шерсть, бумажная макулатура, стебли и волокно камыша, льняная костра и др.
Для получения высокопористых теплоизоляционных гипсовых изделий (газогипса) в состав гипсовой массы вводят газообразующие добавки – разбавленную серную кислоту или углекальциевые соли, едкий натр и пероксид водорода, при взаимодействии которых с гипсом выделяется газ, вспучивающий гипсовую массу.
Наряду с положительными техническими свойствами гипс обладает значительной хрупкостью, поэтому производят искусственное упрочнение гипсовых изделий (особенно тонкостенных) путем применения армирующих материалов (волокнистых), вводимых в состав формовочной массы или являющихся частями конструкции самого изделия. Так, в гипсокартонных листах роль арматуры выполняет картонная оболочка, в прокатных перегоночных гипсобетонных панелях – деревянные рейки. Роль арматуры также могут выполнять металлические стержни, проволока или сетка, однако следует иметь в виду, что стальная арматура в гипсовых изделиях подвергается коррозии, поэтому применять ее без защитного слоя нельзя. В качестве арматуры могут также использоваться органические волокна, равномерно распределенные в самой формовочной массе.
По назначению гипсовые и гипсобетонные изделия делятся на панели плиты перегородочные, листы обшивочные, плиты теплоизоляционные, камни для наружных стен, изделия для перекрытий, изделия огнезащитные, архитектурные детали.
Изделия из гипса могут быть сплошными и пустотелыми, армированными и неармированными.
Гипсовые изделия имеют ряд ценных качеств: сравнительно небольшая плотность, несгораемые, обладают хорошей звукоизоляцией и т.д. К числу недостатков гипсовых изделий следует отнести значительное понижение прочности при увлажнении, высокую подвижность под нагрузкой, особенно при увлажнении.
Гипсовые и гипсобетонные изделия формируют различными способами – литьем, вибрированием, прессованием, прокатом, - в процессе которых изделия быстро приобретают значительную прочность. Технологический процесс производства изделий из гипсовых и гипсобетонных смесей состоит из следующих операций: дозирование всех компонентов формовочной массы (вяжущего, заполнителей воды и материалов, регулирующих сроки схватывания гипса); приготовление растворной и бетонной смеси; формование изделий; твердение – сушка до воздушно-сухого состояния.