Бетон: виды, состав, заполнители, свойства, испытания

Бетон: виды, состав, заполнители, свойства, испытания.

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.

Существуют следующие виды бетона: неармированный бетон, железобетон, бетон с волокнистым заполнителем (фибробетон) и предварительно напряженный бетон. Он может быть изготовлен с одним из пяти типов цемента: тип I — цемент общего назначения (обычный портландцемент); тип II — модифицированный портландцемент, умеренно сульфатостойкий для сооружений в грунте; тип III — быстротвердеющий; тип IV — с низкой экзотермией; тип V — сульфатостойкий для неблагоприятных грунтовых условий.

Заполнители: щебень, гравий и другие.

Обычно при строительстве предпочитают природные заполнители, такие, как щебень, гравий, рваный камень, но используются и искусственные заполнители, например шлак доменных печей. Природные заполнители бетона должны быть долговечными, твердыми и без излишнего количества глины, суглинка, ила, слюды, сланца, черта (кремнистого сланца), щелочей и органических веществ. Заполнитель должен тщательно выбираться. Крупный песок лучше мелкого, а песок с разными зернами от крупных до умеренно мелких более предпочтителен, нежели однородно крупный или однородно мелкий. Заполнители разделяют по крупности зерен. Максимально допустимый размер зерна зависит от рода работ. В тонких стенах, а также вблизи арматурных стержней размер зерна должен быть небольшим, но в массивном бетоне допустимы зерна размером до 15-20 см.

Вода для бетонной смеси должна быть чистой и несоленой. Морская вода вызывает коррозию стали и поэтому не должна применяться для изготовления железобетона. Вода служит смазкой между зернами заполнителя, делая смесь пластичной и удобоукладываемой, а также реагирует с портландцементом.

Состав бетонной смеси.

Прочность и другие желательные свойства бетона определяются количеством воды в бетонной смеси. Чаще всего на мешок цемента массой 43 кг добавляется 15-23 л воды в зависимости от влажности используемого песка и от требуемой прочности и стойкости бетона, причем меньшее количество воды дает более прочный бетон.

Бетон — это материал с высокой огнестойкостью и низкой теплопроводностью. Он особенно подходит для защиты стальных конструкций, поскольку его коэффициент теплового расширения (около 0,00001 на 1 C для обычных смесей) почти такой же, как и у стали.

Испытания на сжатие проводятся с цилиндрическими образцами диаметром 15 см и высотой 30 см. Равномерно нагружаемый цилиндр при разрушении обычно образует двойной конус с общей вершиной в средней точке цилиндра. Прочность на сжатие имеет важное значение при проектировании массивных сооружений. При проектировании дорожных и защитных покрытий важна прочность на изгиб, которая определяется путем нагружения модельных балок.

При помощи т.н. цемент-пушки раствор и бетонная смесь разбрызгиваются под давлением сжатого воздуха на поверхность конструкций и сооружений в виде торкрет-бетона. Цемент-пушка непрерывно загружается сухой смесью песка и цемента; дальность подачи раствора по горизонтали достигает 70 м. Торкрет-бетон отличается высокой плотностью и водонепроницаемостью; он применяется при возведении ответственных тонкостенных железобетонных конструкций, ремонте и усилении конструкций, устройстве покрытий и водонепроницаемых обделок (например, тоннелей.

Для декоративной отделки в бетон вводят окрашивающий заполнитель — молотый мрамор или молотое стекло.

Терраццо — это декоративный бетон из цветных цементов и дробленого мрамора, формуемый на месте в стенах и особенно в полу. Из декоративного бетона можно изготавливать облицовочные детали любой формы и любых размеров, чем они выгодно отличаются от изделий из керамики и естественного камня.

Бетон с воздухововлекающими добавками. Вовлечение воздуха повышает долговечность бетона. в частности его стойкость к замерзанию-оттаиванию и крошению. Это особенно важно для дорожных покрытий и панельных конструкций, подвергающихся воздействию неблагоприятных погодных условий. Промышленность выпускает много различных воздухововлекающих добавок, а также воздухововлекающий цемент.

Тяжелый бетон. Тяжелый бетон применяется в качестве биологической защиты от гамма-излучения ядерных реакторов. Из такого бетона выполняются, например, стены, окружающие активную зону реактора. Для тяжелого бетона используются заполнители с высокой относительной плотностью (вплоть до стальных отходов штамповки с магнетитом) и цемент, не вовлекающий воздуха, причем обязательно производится виброуплотнение бетонной смеси после укладки.

Специальные бетоны. Поскольку прочность на растяжение обычного бетона значительно меньше, чем на сжатие, разработан фибробетон — бетон с волокнистым заполнителем. При его изготовлении в бетоносмеситель вводится стальное, углеродное, стеклянное, асбестовое, полипропиленовое или бамбуковое волокно. Волокно повышает прочность бетона на растяжение и на изгиб, а также ударную прочность. К специальным бетонам относятся также бетоны, пропитываемые полимером после удаления влаги (с последующим отверждением), получаемые добавлением мономера или полимера в бетоносмеситель, и бетоны с полной заменой цемента полимером. Они применяются для ямочного ремонта и нанесения покрытий.

Предварительно напряженный железобетон. В предварительно напряженном железобетоне растягивающие напряжения от нагрузки устраняются путем предварительного создания напряжений сжатия. При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается механическим устройством и заливается бетонной смесью. После схватывания сила предварительного натяжения освобожденной стальной проволоки или троса передается окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Предварительное напряжение железобетона может производиться не только до, но и после схватывания бетонной смеси.

Вопрос-ответ

Что такое бетон и из чего он состоит?

Бетон — это строительный материал, получаемый из смеси вяжущего вещества (цемента), воды, мелкого и крупного заполнителя (песка и щебня/гравия). Перед затвердением смесь имеет тестообразную форму и формуется в опалубке; после схватывания она становится прочной. При необходимости бетон может быть армирован сталью.

Какие типы бетона существуют и чем они отличаются?

Существуют неармированный бетон, железобетон (с армированием сталью), бетон с волокнистым заполнителем (фибробетон) и предварительно напряженный бетон. Дополнительно различают по типам цемента: I (обычный), II (модифицированный, умеренно сульфатостойкий), III (быстротвердеющий), IV (низкая экзотермия) и V (сульфатостойкий). Эти различия влияют на прочность, долговечность и эксплуатационные характеристики бетона в конкретных условиях.

Каковы ключевые факторы качества бетона и как они влияют на прочность?

Ключевые факторы — пропорции смеси и содержание воды. Пропорции воды к цементу напрямую влияют на прочность: меньше воды в смеси — прочнее бетон. Обычно на 43‑кг мешок цемента добавляют 15–23 л воды, в зависимости от влажности песка и требуемой прочности. Заполнители должны быть чистыми, твердыми и соответствовать проектной крупности; вода — чистая и несоленая. Вода также обеспечивает пластичность смеси и участие в химических реакциях с цементом.

Чем полезны специальные виды бетона и где они применяются?

Торкрет-бетон наносится через цемент-пушку для формирования уплотнённых, водонепроницаемых покрытий и конструкций; декоративные бетоны (терраццо, окрашенный заполнитель) применяются для облицовок; бетон с воздухововлекающими добавками повышает долговечность за счет улучшенной морозостойкости и сопротивления крошению. Тяжёлый бетон применяется для биозащиты от гамма-излучения в ядерных сооружениях и требует заполнителей с высокой плотностью и виброуплотнения после укладки.