Теория бетонов

Теория бетонов. Виды бетонов и теория твердения.

Бетон – это искусственный каменный материал, по-лучаемый из цемента, заполнителей и специальных доба-вок и воды. Бетон один из основных строительных мате-риалов.

Из истории. При возведении массивных сооруже-ний и таких конструкций, как своды, купола, триумфаль-ные арки, ещё древние римляне использовали бетон и в качестве вяжущих материалов применяли глину, гипс, из-весть, асфальт. С падением Римской империи применение бетона прекратилось и возобновилось лишь в 18 веке в за-падноевропейских странах.

Развитие и совершенствование технологии бетона связано с производством цемента, который появился в России в начале XVIII в. По архивным свидетельствам на строительстве Ладожского канала в 1728-29 был использо-ван цемент, изготовленный на цементном заводе, сущест-вовавшем в Конорском уезде Петербургской губернии.

Широкое применение бетона в СССР было подго-товлено трудами русских учёных Н. А. Белелюбского, А.Р. Шуляченко и И. Г. Малюги, разработавших совместно в 1881 первые нормы на портландцемент. В 1890 И. Самович опубликовал результаты испытаний прочности растворов с различным содержанием цемента и предложил составы бе-тонной смеси для получения бетона наибольшей плотно-сти. Профессор И. Г. Малюга в 1895 установил качествен-ную зависимость между прочностью бетона и процентным содержанием воды в массе цемента и заполнителей. В ра-боте американского учёного Д. Абрамса, опубликованной в США в 1918, были даны подробные графические зави-симости прочности бетона от водо-цементного отношения и подвижности бетонной смеси, от состава бетон, крупно-сти заполнителей и водо-цементного отношения. Научные основы проектирования состава бетона с учётом его проч-ности и подвижности бетонной смеси были развиты совет-ским учёным Н. М. Беляевым. Представления о зависимо-сти прочности бетона от водо-цементного отношения ра-дикально не изменялись в течение длительного времени. Швейцарский учёный Боломе упростил практическое при-менение этой сложной зависимости путём перехода к ли-нейной зависимости прочности бетона от обратной вели-чины - цементно-водного отношения.

В течение ряда лет эта зависимость применялась на практике. В 1965 совет-ским учёным профессором Г. Скрамтаевым совместно с другими исследователями, было установлено, что линей-ная зависимость справедлива лишь в определённом диапа-зоне изменения цементно-водного отношения.

Бетон классифицируют по виду применяемого вя-жущего материала: бетон на неорганических вяжущих ма-териалах (цементный бетон, гипсобетон, силикатный бе-тон, кислотоупорный бетон, жаростойкий бетон и др. спе-циальный бетон) и бетон на органических вяжущих мате-риалах (асфальтобетон, пластбетон.

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) и особо лёгкие (менее 500.

Особо тяжёлые бетоны предназначены для специ-альных защитных сооружений (от радиоактивных воздей-ствий); они изготовляются преимущественно на портланд-цементах и природных или искусственных заполнителях (магнетит, лимонит, барит, чугунный скрап, обрезки арма-туры). Для улучшения защитных свойств от нейтронных излучений в особо тяжёлые бетоны обычно вводят добавку карбида бора или другие добавки, содержащие лёгкие эле-менты - водород, литий, кадмий.

Наиболее распространены тяжёлые бетоны, приме-няемые в железобетонных и бетонных конструкциях про-мышленных и гражданских зданий, в гидротехнических сооружениях, на строительстве каналов, транспортных и др. сооружений. Особое значение в гидротехническом строительстве приобретает стойкость бетонов, подвер-гающихся воздействию морских и пресных вод и атмосфе-ры. К заполнителям для тяжёлых бетонов предъявляются специальные требования по гранулометрическому составу и чистоте. Суровые климатические условия ряда районов Советского Союза привели к необходимости разработки и внедрения методов зимнего бетонирования. В районах с умеренным климатом большое значение имеют процессы ускорения твердения бетонов, что достигается применени-ем быстротвердеющих цементов, тепловой обработкой (электропрогрев, пропаривание, автоклавная обработка), введением химических добавок и другими способами. К тяжёлым бетонам относится также силикатный бетон, в котором вяжущим является кальциевая известь.

Промежуточное положение между тяжёлыми и лёг-кими бетонами занимает крупнопористый (беспесчаный) бетон, изготовляемый на плотном крупном заполнителе с поризованным при помощи газо- или пенообразователей цементным камнем.

Лёгкие бетоны изготовляют на гидравлическом вя-жущем и пористых искусственных или природных запол-нителях. Существует много разновидностей лёгкого бето-на; они названы в зависимости от вида примененного за-полнителя - вермикулитобетон, керамзитобетон, пемзобе-тон, перлитобетон, туфобетон и др.

По структуре и степени заполнения межзернового пространства цементным камнем лёгкие бетоны подразде-ляются на обычные лёгкие бетоны (с полным заполнением межзернового пространства), малопесчаные лёгкие бетоны (с частичным заполнением межзернового пространства), крупнопористые лёгкие бетоны, изготовляемые без мелко-го заполнителя, и лёгкие бетоны с цементным камнем, по-ризованные при помощи газо- или пенообразователей. По виду вяжущего лёгкие бетоны на пористых заполнителях разделяются на цементные, цементно-известковые, извест-ково-шлаковые и силикатные. Рациональная область при-менения 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 це-лях уменьшения их собственного веса). К лёгким бетонам относятся также конструктивно-теплоизоляционные и кон-структивные ячеистые бетоны с объёмной массой от 500 до 1200 кг/м3. По способу образования пористой структу-ры ячеистые бетоны разделяются на газобетоны и пенобе-тоны, по виду вяжущего - на газо- и пенобетоны, получае-мые с применением портландцемента или смешанных вя-жущих; 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 пенозо-лобетонами, газо- и пенозолосиликатами, газо- и пеношла-козолобетонами.

Особо лёгкие бетоны применяют главным образом как теплоизоляционные материалы.

Области применения бетона в современном строи-тельстве постоянно расширяются. В перспективе намеча-ется 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 свой-ствами от радиоактивных воздействий. Для достижения этого потребуется проведение широкого круга исследова-ний, предусматривающих разработку важнейших теорети-ческих вопросов технологии тяжёлых, лёгких и ячеистых бетонов: макро- и микроструктурной теорий прочности бетонов с учётом внутренних напряжений и микротрещи-нообразования, теорий кратковременных и длительных деформаций бетонов и др.

Основные физико-технические свойства бетонов -плотность, содержание связанной воды (для особо тяжё-лых бетон), прочность при сжатии и растяжении, морозо-стойкость, теплопроводность и техническая вязкость (жё-сткость смеси). Прочность бетонов характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочно-сти на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых бетонов определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм, изго-товленных из рабочего состава и испытанных после опре-делённого срока выдержки. Для образцов монолитного бе-тона, промышленных и гражданских зданий и сооружений, срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 200 С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 суток.

Важно: рост прочности неавтоклавного пенобетона значительно отличается от роста прочности обычного бе-тона. При естественном твердении обычный бетон набира-ет 90-100% своей прочности, а пенобетон за это время лишь около 50%. остальную часть прочности пенобетон набирает в течении 6 месяцев. О причине данного ано-мального явления есть гипотеза – пенообразователь, как поверхностно-активное вещество (ПАВ) обволакивает час-тицы клинкерных минералов и наполнителя, тем самым замедляя процесс твердения.

Для установления марки бетона гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 суток Срок выдержки и условия твердения образцов бето-на сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых бетонов прини-мают временное сопротивление в кгс/см2 на сжатие образ-цов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработ-ку одновременно с изделиями (1 кгс/см2 0,1 Мн/м2). Особо тяжёлые бетоны имеют марки от 100 до 300.

10-30 Мн/м2), тяжёлые бетоны - от 100 до 600.

10-60 Мн/м2). Марки высокопрочных бетонов - 800-1000.

80-100 Мн/м2). Применение высокопрочных бетонов наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышлен-ных и гражданских зданий, фермах и арках больших про-лётов. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200.

2,5-20 Мн/м2), высокопрочные бето-ны - до 400.

40 Мн/м2), крупнопористые бетоны - от 15 до 100.

1,5-10 Мн/м2), ячеистые бетоны - от 25 до 200.

2,5-20 Мн/м2), особо лёгкие бетоны - от 5 до 50.

0,5-5 Мн/м2). Прочность бетона на осевое растяжение ниже прочности бетона на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к бетонам дорожных и аэ-родромных покрытий. К бетонам гидротехнических и спе-циальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются тре-бования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К со-оружениям, работающим под напором воды, предъявляют-ся требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или других агрессивных жидкостей и газов, - требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного бетона учитываются требования к его прочно-сти на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёстко-сти (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых бетонов - также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имею-щимися средствами и нередко приводит к браку продук-ции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см) стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего - 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощён-ному способу профессора Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов.