Тяжелый бетон

1. Введение

Современное строительство немыслимо без  бетона. 2 млрд. м³ в год - таков сегодня мировой объем его применения. Это один из самых массовых строительных материалов, во многом определяющий уровень развития цивилизации. Бетон - самый сложный искусственный композиционный материал, который может обладать совершенно уникальными свойствами.

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

Бетон применяется в самых разных эксплуатационных условиях, гармонично сочетается с  окружающей средой, имеет неограниченную сырьевую базу и сравнительно низкую стоимость, сравнительная простота и доступность технологии, возможность  широкого использования местного сырья  и утилизации техногенных отходов  при его изготовлении, малая энергоемкость, экологическая безопасность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Историческая  справка

     Первые  упоминания о бетоне встречались еще в Древнем Риме, где бет-

он  использовался в строительстве различных тяжелых конструкций, таких, как арки и купола. Вяжущими материалами были известь, гипс и глина. Од- нако после того как Римская империя прекратила свое существование, бе-

тон практически  перестал использоваться и его применение вновь началось только 200 лет назад в Европе.   
 
  Развитие технологий производства бетона связано с появлением цемента, который стал производиться в России в 18 веке. По сохранившимся архив-

 ным документам, при строительстве Ладожского канала в начале XVIII века, использовался цемент, произведенный на заводе в Петербургской губернии. В Англии в 20-е годы 19 века был изобретен и запатентован гидравлический цемент. Во Франции первый завод по производству цемента открылся в 1842 году, спустя еще 15 лет - в Германии, а в 1870 году - в Америке. Также повсе-

местному распространению  бетона способствовало изобретение железобето-

на в 19 веке.   
 
  В нашей стране применение бетона стало результатом исследований русских ученых еще во времена царской России. В конце 19 века были про-         ведены экспериментальные испытания растворов на прочность, содержавших различное количество цемента и выявлены соотношения, при которых бетон имел наибольшую плотность. После этого была установлена зависимость между содержанием воды в цементе и заполнителе и прочностью бетона. В 1918 г. в США ученый Д. Абрамс опубликовал работу, в которой он иссле-     довал зависимость прочности от процентного соотношения воды и цемента и от крупности наполнителя.   
 
  В Советском Союзе научные исследования по проектированию состава бетонной смеси с учетом ее подвижности и прочности провел ученый Н. Беляев. Было установлено, что данная зависимость носит весьма сложный гиперболический характер. Впоследствии шверйцарским ученым удалось выявить упрощенную линейную зависимость, которую было удобно приме- нять на практике. Правда позднее, в 60-е годы прошлого века было доказано, что данное упрощение действует лишь при в определенном диапазоне соотношений содержания цемента и воды.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Классификация бетонов

     Бетоны  классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества и назначению.

     В качестве вяжущего чаще всего берут  портландцемент, но могут быть использованы и другие вяжущие: строительный гипс, битум, полимеры, вяжущие низкой водопотребности (ВНВ) и др. Крупный заполнитель - щебень или гравий, мелкий - песок.

     В зависимости от плотности различают  бетоны:

     - особо тяжелые бетоны - плотностью  более 2500 кг/м3, изготавливаемые на  особо тяжелых наполнителях (из  магнетита, барита, чугунного скрапа  и др.). Эти бетоны применяют  для специальных защитных конструкций;

     - тяжелые бетоны - плотностью 2200-2500 кг/м3  на песке, гравии или щебне  из тяжелых горных пород; 

     - облегченные бетоны - плотностью 1800-2200 кг/м3;

     - легкие бетоны - плотностью 500-1800 кг/м3.

В строительстве  наиболее широко используют обычный  тяжелый бетон плотностью 1600 -2500 кг/куб. м. на заполнителях из горных пород (граните, известняке, диабазе, щебне). Строительными нормами и правилами, установлены следующие марки  тяжелых бетонов - М100, 150, 200,300, 400, 500, 600. Существуют различные виды тяжелого бетона:

1. Бетон для сборных железобетонных конструкций
2. Высокопрочный бетон
3. Быстротвердеющий бетон
4. Бетон на мелком песке
5. Бетон для гидротехнических сооружений
6. Бетон для дорожных и аэродромных покрытий
7. Бетон с тонкомолотыми добавками
8. Малощебеночный бетон
9. Литой бетон
10. Бетон с поверхностно - активными добавками

Бетон для сборных железобетонных конструкций

Для ускорения  твердения бетона при изготовлении сборных железобетонных конструкций  применяют тепловую обработку. Рост прочности бетона при тепловой обработке  определяется не только активностью, но также минералогическим составом цемента, составом бетона, консистенцией бетонной смеси, режимом тепловой обработки  и другими факторами. Для получения  требуемой отпускной прочности  применяют следующий оптимальный  режим тепловой обработки, предварительная  выдержка -1...2 ч, подъем температуры -2...3 ч, изотермическая выдержка - 6...12 ч, остывание - 3...4 ч.

Оптимальная температура  изотермической выдержки - 80 градусов.

Оптимальный состав бетона следующий: В = 140 л, Ц = 280 кг, Щ = 1415 кг, П = 590 кг.

Высокопрочный бетон

Высокопрочный бетон прочностью 60... 100 МПа получают на основе цемента высоких марок, промытого песка и щебня прочностью не ниже 100 МПа. Высокопрочный бетон  приготовляют с низким В/Ц = 0,3... 0,35 и ниже (смеси жесткие или малоподвижные) в бетоносмесителях принудительного действия. Для укладки смесей и формования изделий используют интенсивное уплотнение: вибрирование с пригрузом, двойное вибрирование.

Для приготовления  высокопрочного бетона применяют различные  способы повышения активности цемента  и качества бетонной смеси (домол и виброактивация цемента, виброперемешивание, применение суперпластификаторов) и принимают высокий расход цемента. Большие перспективы в получении высокопрочных бетонов связаны с применением вяжущего низкой водопотребности (ВНВ), которое получают совместным помолом высокомарочного цемента и суперрластификатора С-3. При бетонировании массивных сооружений целесообразно применить цементы с пониженным содержанием алита (трех кальциевого силиката) и особенно целита (трех кальциевого алюмината), лучше всего белитовые (двух кальциевый силикат). Максимально допустимый расход белитового портландцемента составляет 450 кг/ куб.м. В качестве крупного заполнителя следует применять фракционированный щебень из плотных и прочных горных пород. Предел прочности при сжатии - у изверженных не менее ЮОМПа и у осадочных 80 Мпа. Песок для высокопрочных бетонов должен иметь пустотность менее 40%. Марки высокопрочных бетонов М 500 - 1000.

Быстротвердеющий  бетон

Получение быстротвердеющего  бетона, обладающего относительно высокой  прочностью в раннем возрасте (1...3 сут.) при твердении в нормальных условиях, достигается применением быстротвердеющего цемента, а также различными способами ускорения твердения цемента (применение жесткой бетонной смеси с низким В/Ц, использование добавок-ускорителей твердения (хлористый кальций, хлористый водород, глиноземистый цемент), сухое или мокрое домалывание цемента с добавкой гипса (2...5% от массы цемента) или с применением комплексных специальных добавок, активация цементного раствора. Для получения качественного быстротвердеющего бетона используют алюминатный цемент марки М500, домолотого с 3% гипса, жесткой бетонной смеси с В/Ц = 0,35, добавки хлористого кальция в количестве 2% веса цемента и виброперемешивание. По результатам испытаний в первые сутки быстротвердеющий бетон набирает прочность при сжатии 300 - 500 кг/ кв.см.

Бетон на мелком песке

Ввиду широкого распространения в природе мелких песков и отсутствия в некоторых  районах песков с удовлетворительным зерновым составом допускаются применять  в бетоне мелкие и тонкие пески (с  Мкр < 1,5) при условии соответствующего технике - экономического обоснования.

Мелкие пески  по сравнению со средними и крупными характеризуются повышенной пустотностью и удельной поверхностью и худшим зерновым составом. Вследствие этого они несколько понижают прочность бетона и уменьшают подвижность бетонной смеси, что вызывает увеличение расхода цемента для получения равнопрочных и равноподвижных бетонов. Замена крупного песка мелким в большей степени сказывается на осадке конуса и меньшей - на удобоукладываемости бетонной смеси. Вместе с тем мелкий песок меньше раздвигает зерна крупного заполнителя и обладает лучшей водоудерживающей способностью, в результате чего уменьшается оптимальное содержание песка в бетоне и, следовательно, в меньшей мере заметно его влияние на водопотребность бетонной смеси.

Основные параметры: плотность бетонной смеси - 2350 кг/ куб. м;

состав бетона МЗОО -В/Ц = 0,5, Ц= 370 кг/ куб. м, Щ = 1305 кг, П = 490 кг, В = 185 л.

Бетон для гидротехнических сооружений

Бетон для гидротехнических сооружений должен обеспечивать длительную службу конструкций, постоянно или  периодически омываемых водой. Поэтому  в зависимости от условий службы к гидротехническому бетону помимо требований прочности предъявляют  также требования по водонепроницаемости  и морозостойкости. Выполнение этих дополнительных требований достигается  правильным определением состава бетона. Эти требования дифференцированы в  зависимости от характера конструкции  и условий ее работы.

Гидротехнический  бетон делят на следующие разновидности: подводный; постоянно находящийся  в воде; расположенный в зоне переменного  горизонта воды; надводный, подвергающийся эпизодическому смыванию водой. Кроме  того, различают массивный и немассивный  бетон и бетон напорных и безнапорных  конструкций. По прочности на сжатие в возрасте 180 суток гидротехнический бетон делят на классы В5, В7, В 10, В 15, В20, В25, ВЗО, В40.

По водонепроницаемости  в 180-суточном возрасте на четыре марки: W2, W4, W6, W8. Бетон марки W2 при стандартном  испытании не должен пропускать воду при давлении 0,2МПа, а бетон марок W4, W6 и W8 - при давлении соответственно 0,4; 0,6 и 0,8 МПа.

По морозостойкости  гидротехнический бетон делят на пять марок: F50, F100, F150, F200, F300. Максимальное допустимые значения В/Ц = 0,5...0,7. Допускается применение для Гидротехнического бетона портландцемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях сульфатостойкого цемента.

Бетоны  для дорожных и  аэродромных покрытий

В бетонных покрытиях  дорог и аэродромов основными  расчетными напряжениями являются напряжения от изгиба, так как покрытие работает на изгиб, как плита на упругом  основании. Поэтому при расчете  состава бетона надо установить такое  соотношение между его составляющими, которое обеспечивает требуемую  прочность бетона на растяжение при  изгибе, а также достаточную прочность  на сжатие и морозостойкосить. Проектную прочность дорожного бетона устанавливают в зависимости от назначения бетона: при изгибе - М 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55; при сжатии - М 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500.

Марки бетона по морозостойкости назначают в  соответствии с климатическими условиями  района строительства: F50, F100, F150, F200.

Требования к  подвижности бетонной смеси: ОК = 1...3 см; Ж = 2...5с и Ж =10...15с, Чтобы обеспечить достаточную морозостойкость, и, следовательно, надежную защиту и эксплуатацию покрытий длительное время, В/Ц должно быть не более: для сурового климата - 0,5, умеренного - 0,53, мягкого - 0,55. Для оснований бетонных дорог допускается использовать портландцемент не ниже МЗОО, Для бетона однослойных и двухслойных покрытий не ниже М400 с содержанием трех кальциевого алюмината менее 10%. В качестве крупного заполнителя используют щебень из прочных пород - изверженных (прочностью не менее 120 МПа) и осадочных пород (прочностью не менее 80 МПа); гравий только после промывки, при этом содержание в них загрязняющих частиц, не должно превышать 1,5 - 2% по массе. Наибольший размер зерен щебня и гравия не менее 20мм, 40мм, 70мм. В качестве ПАВ используют - пластификаторы (ССБ) и воздухововлекающие (мылонафт и Абиетат натрия); комплексные добавки - СДБ и мылонафт, СДБ и СНВ.

Оптимальный состав бетона: В = 155 л, Ц = 287 кг, Щ = 1340 кг, П = 655 кг. 

Бетон с тонкомолотыми  добавками

Применение тонкомолотых добавок (наполнителей) рационально  в двух случаях:

1. когда по условию прочности можно допустить большее В/Ц, чем требуется по условию долговечности бетона.
2. когда прочность бетона можно обеспечить при меньшем расходе цемента, чем требуется по условию плотности.

Малощебеночной бетон

Малощебеночным называют бетон с пониженным содержанием щебня или гравия. При уменьшении содержания щебня в обычном бетоне повышается водопотребность бетонной смеси (так как возрастает удельная поверхность заполнителя), увеличивается воздухововлечение в бетонную смесь и вследствие этого несколько уменьшаются прочность бетона и модуль деформации, возрастают усадка и ползучесть. Соответственно при введении щебня в цементно -песчаный бетон и увеличении его содержания свойства бетона изменяются в противоположном направлении. Меняя содержание щебня в бетоне, можно регулировать его свойства.