Бетон известен давно. В Древнем Риме, например, из бетона на извести был построен ряд сложных инженерных сооружений. Существует мнение, что блоки внутренней части египетских пирамид также изготовлены из бетона, вяжущим в котором служила известь. Широкое применение бетона начинается после освоения промышленного производства портландцемента. Современное строительство немыслимо без бетона -- бетон стал основным строительным материалом. Это объясняется его экономичностью, технологичностью и доступностью основных сырьевых материалов.
Бетонная смесь представляет собой пластично-вязкую массу, сравнительно легко принимающую любую форму и затем самопроизвольно переходящую в камневидное состояние. Таким образом, легко получают каменные конструкции и изделия любой заданной формы.
В наше время получают бетоны с самыми разнообразными физико-механическими свойствами. Помимо обычного тяжелого бетона, производят легкий бетон плотностью меньшей, чем у кирпича. Такой бетон обладает хорошими теплоизолирующими свойствами и применяется для возведения стен жилых и промышленных зданий. И наоборот, при строительстве ядерных установок, например атомных электростанций, для защиты от ионизирующего излучения применяют особо тяжелые бетоны, плотность бетона которых в 1,5..2 раза больше плотности гранита.
Прочность бетонов достигает 100 МПа, и для конструкционных бетонов предел прочности служит основной характеристикой. Бетон - огнестойкий материал. В настоящее время получены бетоны, стойкие к самым разнообразным агрессивным воздействиям, и в том числе жароупорные бетоны, способные работать при температуре свыше 1000°С. При сочетании бетона и стали получается композиционный материал с еще более совершенными свойствами -- железобетон.
По плотности бетоны делят на особо тяжелые (плотность более 2500 кг/м3), тяжелые обыкновенные (2200...2500 кг/м3), облегченные (1800...2200 кг/м3), легкие (500... 1800 кг/м3), особо легкие теплоизоляционные (500 кг/м3).
По структуре различают бетоны со слитной структурой, ячеистые и крупнопористые бетоны. Чаще других используются бетоны со слитной структурой -- это обычный тяжелый бетон и легкие бетоны на пористых заполнителях.
Легкие и особо легкие бетоны можно получить вспенивая тесто вяжущего -- так получают бетоны ячеистой структуры (с равномерно распределенными порами размером 0,2...2 мм).
Бетоны крупнопористой структуры, также относящиеся к легким бетонам, получают исключая из состава бетона мелкий заполнитель и скрепляя зерна крупного заполнителя вяжущим веществом.
Бетоны -- главнейший строительный материал. В нем сочетаются очень важные для строительства свойства: большая сырьевая база (до 85 % объема бетона - заполнители); простота технологии и достаточно высокие физико-механические свойства.
Наиболее распространен тяжелый цементный бетон. Рассмотрим свойства бетонной смеси и затвердевшего бетона на примере тяжелого цементного бетона и будем называть его просто бетон.
Классификация бетонов
Основными нормируемыми и контролируемыми показателями качества бетона являются:
-- класс по прочности на сжатие В (от В 0,5 до В 120);
-- класс по прочности на осевое растяжение Bt (от Вt0,4 до Bt 6) ;
-- марка по морозостойкости F (от F 15 до F 1000);
-- марка по водонепроницаемости W (от W2 до W 20);
-- марка по средней плотности D (от D 200 до D 5000).
Класс бетона по прочности на сжатие соответствует значению кубиковой прочности бетона на сжатие (в МПа) с обеспеченностью 0,95.
Класс бетона по прочности на осевое растяжение соответствует прочности бетона на осевое растяжение с обеспеченностью 0,95.
Марка бетона по морозостойкости соответствует минимальному числу циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживают бетонные образцы в условиях стандартных испытаний.
Марка бетона по водонепроницаемости соответствует максимальному значению давления воды, которое выдерживают бетонные образцы без фильтрации в условиях стандартных испытаний.
Бетоны классифицируются по следующим признакам:
- основное назначение;
- стойкость к видам коррозии;
- вид вяжущего;
- вид заполнителей;
- структура;
- условия твердения;
- прочность;
- темп набора прочности;
- средняя плотность;
- морозостойкость;
- водонепроницаемость;
- истираемость.
В зависимости от основного назначения бетоны подразделяют на:
- конструкционные;
- специальные (например, теплоизоляционные, радиационностойкие, декоративные).
2.3 По стойкости к видам коррозии бетоны подразделяют на следующие виды:
А - бетоны, эксплуатируемые в среде без риска коррозионного воздействия (ХО);
Б - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием карбонизации (ХС);
В - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием хлоридов (XD и XS);
Г - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием попеременного замораживания и оттаивания (XF);
Д - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей химическую коррозию (ХА).
Примечание - Среда эксплуатации бетона указана в соответствии с ГОСТ 31384.
По виду вяжущего бетоны подразделяют на:
- цементные;
- известковые;
- шлаковые;
- гипсовые;
- специальные (например, полимербетоны, бетоны на магнезиальном вяжущем).
По виду заполнителей бетоны подразделяют на бетоны на заполнителях:
- плотных;
- пористых;
- специальных (например, металлическая дробь, вспененный гранулированный полистирол).
По структуре бетоны подразделяют на бетоны со структурой:
- плотной;
- поризованной;
- ячеистой;
- крупнопористой.
По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие:
- в естественных условиях;
- в условиях тепловой обработки при атмосферном давлении;
- в условиях тепловой обработки при давлении выше атмосферного (бетоны автоклавного твердения).
По прочности бетоны подразделяют на бетоны:
- средней прочности (класс прочности при сжатии ?В50);
- высокопрочные (класс прочности при сжатии ?В55).
По скорости набора прочности в нормальных условиях твердения бетоны подразделяют на:
- быстротвердеющие;
- медленнотвердеющие.
За критерий оценки скорости набора прочности принимают отношение , приведенное в таблице 1.
Таблица 5.1
|
Вид бетона |
* |
|
|
Быстротвердеющий |
Более 0,4 |
Медленнотвердеющий |
|
* R2 - прочность бетона в возрасте 2 сут; R28 - прочность бетона в возрасте 28 сут. |
По средней плотности бетоны подразделяют на:
- особо легкие (марки по средней плотности менее D800);
- легкие (марки по средней плотности от D800 до D2000);
- тяжелые (марки по средней плотности более D2000 до D2500);
- особо тяжелые (марки по средней плотности более D2500).
По морозостойкости бетоны подразделяют на бетоны:
- низкой морозостойкости (марки по морозостойкости F50 и менее);
- средней морозостойкости (марки по морозостойкости более F50 до F300);
- высокой морозостойкости (марки по морозостойкости более F300).
По водонепроницаемости бетоны подразделяют на бетоны:
- низкой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости менее W4);
- средней водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости от W4 до W12);
- высокой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости более W12).
По истираемости бетоны подразделяют на бетоны:
- низкой истираемости (марка по истираемости G1);
- средней истираемости (марка по истираемости G2);
- высокой истираемости (марка по истираемости G3).
Заполнители для бетонов и растворов
В силу ряда причин изделия из одних только вяжущих не изготавливают. Вяжущие имеют высокую стоимость, обладают повышенной усадкой и ползучестью. Для исправления этих недостатков в изделия на основе минеральных (неорганических) вяжущих при их изготовлении вводят инертные материалы различной крупности, которые принято называть заполнителями.
Заполнители для бетонов и растворов -- это природные или искусственные каменные сыпучие материалы, состоящие из отдельных зерен. Термин «заполнитель» указывает на роль этого материала в бетонах и растворах: заполнитель занимает до 85 % от общего объема бетона. Стоимость обычных заполнителей значительно меньше, чем стоимость вяжущего. Следовательно, чем больше в бетоне заполнителей, тем бетон дешевле.
Однако этим не исчерпывается роль заполнителей. Так, в цементных бетонах и растворах они снижают усадку материала и повышают его трещиностойкость. Кроме того, заполнители во многом определяют свойства бетона. Например, используя в качестве заполнителя чугунную дробь и железные руды, получают особо тяжелый бетон, защищающий от ионизирующих излучений, а применяя пемзу, керамзит или вспученные шлаки -- легкий бетон, обладающий хорошими теплоизолирующими свойствами.
В зависимости от размера зерен заполнитель бывает:
мелкий (песок) -- зерна 0,16...5 мм;
крупный -- зерна 5...70 мм.
Крупный заполнитель в зависимости от формы зерен называют щебнем -- зерна неправильной формы с шероховатой поверхностью или гравием -- зерна округлой формы с гладкой поверхностью. Щебень получают дроблением более крупных кусков, в том числе и гравия.
Заполнители как крупные, так и мелкие могут быть:
природными, добываемыми в карьерах и подвергаемые только рассеву, промывке и, если это необходимо, дроблению;
искусственными, получаемыми из промышленных отходов (металлургических шлаков, зол электростанций и т. п.) или специальнойобработкой природного сырья (из глины получают керамзит, из перлита -- вспученный перлит и др.).
В последнее время начинают использовать «вторичные» заполнители, выделяемые из отслуживших свой срок бетонных и железобетонных конструкций дроблением и рассевом.
Структура заполнителя характеризуется двумя показателями: межзерновой пустотностью и пористостью самих зерен заполнителя. Обобщенной характеристикой, учитывающей и межзерновую пустотность, и внутреннюю пористость зерен, служит насыпная плотность заполнителя снас, которая представляет собой массу единицы объема сыпучего материала, взятого вместе с пустотами:
По плотности зерен заполнители подразделяют: на плотные (тяжелые) с плотностью зерен более 2000 кг/м3 и пористые (легкие) имеющие пористую структуру зерен с плотностью менее 2000 кг/м (обычно 1600...400 кг/м3).
Заполнители для бетонов и растворов должны отвечать следующим требованиям:
иметь определенный зерновой состав (соотношение зерен различного размера) для того, чтобы объем пустот между зернами (межзерновая пустотность) был минимальный, т. е. пустоты между крупными зернами были заняты более мелкими;
поверхность зерен заполнителя должна обеспечивать хорошее сцепление с твердеющим вяжущим, т. е. по возможности быть шероховатой, и на ней не должно быть глинистых и пылеватых примесей;
заполнитель не должен содержать примесей, отрицательно действующих на твердение вяжущего и на последующую прочность и стойкость бетона и раствора.
Мелкий заполнитель (песок)
Различают природный и искусственный мелкие заполнители.
Природный песок -- рыхлая смесь зерен крупностью 0,16...5 мм -- состоит главным образом из зерен кварца SiO2; возможна примесь полевых шпатов, слюды, известняка. Реже встречаются пески иного состава, например полевошпатные, известняковые. Насыпная плотность природного песка 1300... 1600 кг/м3.
По происхождению природные пески разделяют на горные (овражные), речные и морские.
Искусственные пески, используемые значительно реже, бывают тяжелые и легкие. Тяжелые пески, получаемые дроблением плотных горных пород (базальта, диабаза, мрамора), применяют для специальных целей (отделочные растворы, кислотостойкие растворы и бетоны).
Легкие пески получают дроблением пористых горных пород (пемза, туф) или изготовляют специально. Например, перлитовый песок получают термическим вспучиванием вулканических стекол; керамзитовый -- обжигом глиняного сырья. Эти пески применяют для теплоизоляционных и акустических растворов и бетонов.
Поступающий на строительство песок должен отвечать требованиям ГОСТ 8736 или ГОСТ 31424, песок из доменных и ферросплавных шлаков черной металлургии и никелевых и медеплавильных шлаков цветной металлургии по ГОСТ 5578, а также золошлаковые смеси по ГОСТ 25592, золы-уноса по ГОСТ 25818.
Зерновой состав песка определяют на стандартном наборе сит с размерами ячеек: 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм. Навеску сухого песка просеивают через набор сит и определяют сначала частные (%) (а 2,5; а 1,25; а 0.63 и т. д.), а затем полные {A2,5 ; A 1,25 и А 0,63 и т. д.) остатки на каждом сите. Полный остаток на любом сите равен сумме частных остатков на этом сите и всех ситах большего размера. Размеры полных остатков характеризуют зерновой состав песка.