Научно-технический портал «Технарь»

Высокопрочные бетоны - это бетоны с пределом прочно­сти при сжатии 50 МПа и более. Однако пределы прочностных характеристик таких бетонов чисто условны, поскольку больше связаны с уровнем развития науки и техники в области произ­водства цемента, бетона и химических добавок. Уже сегодня возможно получение бетонов прочностью более 150 МПа.

Достигается высокая прочность бетонов различными прие­мами. Основными условиями получения высокопрочных бето­нов являются применение высокоактивных цементов, низких водоцементных отношений (0,20...0,30), использование плот­ных высокопрочных заполнителей, химических добавок пла­стификаторов и, в частности, суперпластификаторов и ком­плексных добавок, тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси, создание наиболее благоприятных условий твердения и др. Способствует повышению прочности бетона также высокий предельно допустимый расход цемента, макси­мально возможное насыщение его крупным заполнителем за счет подбора оптимального зернового состава и уменьшения доли песка. Высокая прочность таких бетонов часто достигается за счет применения специальных технологических приемов, на­пример сухого бетонирования, сущность которого заключается в укладке в опалубку или форму сухой смеси вяжущего и запол­нителей с последующим ее увлажнением.

Таким способом на рядовых материалах возможно получить бетон прочностью до 100 МПа. Основу подобного уровня харак­теристик бетона составляют повышенная плотность его струк­туры и низкое (0,15...0,25) водоцементное отношение, которое соотносится с теоретически необходимым для реакций гидрата­ции цемента количеством воды.

Поскольку высокопрочные бетоны получают на цементе вы­сокой активности и при низких значениях В/Ц, они одновремен­но являются и быстротвердеющими. Это позволяет значительно сократить длительность тепловой обработки или вовсе отказать­ся от нее. Такие бетоны отличаются высокой плотностью и яв­ляются более долговечными и стойкими к агрессивным средам, что увеличивает срок их службы и позволяет применять в тяже­лых условиях эксплуатации. В настоящее время возможно полу­чение супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет. Применение высокопрочных бетонов способствует также уменьшению массы конструкций.

Особо тяжелые бетоны называют еще гидратными (из-за большого содержания в них химически связанной воды) и бето­нами для защиты от радиоактивного воздействия. Применяют их в качестве защитных экранов ядерных реакторов. Из всех радиоактивных излучений наибольшей проникаю­щей способностью обладают

 и нейтроны. Способность материала поглощать

 пропорциональна его плотности. Для ослабления потока нейтронов в материале наоборот должны присутствовать элементы с малой атомной плотностью, как, на­пример, водород. Бетон является как раз эффективным материа­лом для биологической защиты ядерных реакторов, поскольку в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости высокая плотность и содержание достаточно большого количе­ства водорода в химически связанной воде.

Характерным свойством таких бетонов является большая средняя плотность, которая составляет 2500...6000 кг/м3. Они отличаются также повышенным количеством химически связан­ной воды - более 30 % по массе, а следовательно, и ядер водо­рода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока горячих нейтронов,

 и др.

В качестве вяжущего в особо тяжелых бетонах используют портландцемент, глиноземистый и гипсоглиноземистый цемент, расширяющийся, напрягающий и др. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбцион­ному удержанию воды в цементном камне и бетоне. Заполнителями в таких бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) породы: ильменит, магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Мелкий за­полнитель обычно составляют дробленный бурый железняк, кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Например, насыпная плотность ильменитового песка составляет 4620 кг/м3 , щебня - 4760 кг/м3 , а средняя плотность бетона на таких заполните­лях превышает 4000 кг/м3. Для улучшения защитных свойств особо тяжелых бетонов от нейтронного потока в них вводят также добавки, содержащие легкие элементы, например карбид бора, хлористый литий, сер­нокислый кадмий и др.

Мелкозернистый цемент и армоцемент. Для производства крупноразмерных пространственных конструкций (таких, как своды, оболочки, купольные и складчатые конструкции) с тол­щиной стенок 20...30 мм и других тонкостенных изделий необ­ходимо применять мелкозернистый бетон с наибольшей крупно­стью заполнителя, не превышающей 10 мм (в среднем 5...7 мм). Для армоцементных конструкций крупность заполнителя не превышает даже 3 мм.

Бетоны мелкозернистого строения характеризуются более высокой удельной поверхностью заполнителя, а иногда повы­шенным объемом межзерновой пустотности, и поэтому нужда­ются в увеличенном содержании цементного теста (на 20...40 %) по сравнению с обычным крупнозернистым бетоном. Вместе с тем мелкозернистые бетоны отличаются более однородным строением.

Для сокращения расхода цемента необходимо применять вы­сококачественные пески, пластифицирующие добавки, супер­пластификаторы, производить хорошее уплотнение смеси.

Мелкозернистый бетон обладает повышенной прочностью на изгиб, хорошими водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Армоцемент как разновидность мелкозернистого бетона представляет собой особо мелкозернистый бетон, армированный по всему сечению расположенными в несколько рядов по тол­щине ткаными металлическими сетками. Он обладает высокой прочностью не только на сжатие, но и на растяжение. Армоце­мент используется в весьма тонкостенных пространственных конструкциях сложного очертания и благодаря жесткости сече­ния элементов обладает высокой несущей способностью.

Гидротехнический бетон должен обеспечить длительную эксплуатацию конструкций, постоянно или периодически омы­ваемых водой. По условиям эксплуатации делится на следую­щие разновидности: подводный постоянно находящийся в во­де; надводный подвергаемый лишь периодическому воздейст­вию воды и расположенный в зоне переменного горизонта воды. Кроме того, различают массивный и немассивный бетон и бетон напорных и безнапорных конструкций, поэтому в зависимости от условий эксплуатации к гидротехническому бетону помимо требований прочности предъявляются также требования по во­донепроницаемости, морозостойкости и др.

Прочность на сжатие и водонепроницаемость гидротехниче­ского бетона определяется в возрасте 180 сут. По прочности на сжатие он подразделяется на классы В10...В40; по водонепро­ницаемости - на марки W2...W8. Требования по морозостойко­сти предъявляются к тем гидротехническим бетонам, конструк­ции из которых подвергаются совместному действию воды и мороза. По морозостойкости такие бетоны делят на пять марок: F50, F100, F150, F200 и F300.

В зависимости от условий эксплуатации для приготовления гидротехнического бетона допускается применение портланд­цемента, пластифицированного и гидрофобного цементов, пуццоланового и шлакового, а в некоторых случаях и сульфатостойкого цемента. Так, для зоны сооружений на уровне пере­менного горизонта воды в суровых климатических условиях используется пластифицированный или обычный портландце­мент. Они позволяют получить водонепроницаемые и морозо­стойкие бетоны, а также несколько уменьшить расход цемента и тем самым тепловыделение бетона при твердении в случае мас­сивных конструкций. Для особо тяжелых условий при наличии агрессивной среды применяют сульфатостойкие цементы.

Для повышения водонепроницаемости и морозостойкости такого бетона применяют химические добавки и в первую оче­редь СДБ и СНВ. Для уменьшения расхода цемента, а следова­тельно, тепловыделения и объемных деформаций бетона при сохранении необходимой подвижности бетонной смеси и плот­ности бетона в него вводят различные микронаполнители, на­пример золу-унос и др.

Заполнители для гидротехнического бетона должны обеспе­чивать его водостойкость и морозостойкость. Допускается при­менение только крупных и средних песков, а зерновой состав заполнителей подбирается таким образом, чтобы получался ми­нимальный объем пустот при возможно большей крупности максимальных по размеру зерен. Применение таких заполните­лей снижает расход цемента и уменьшает выделение теплоты при твердении бетона. Расход цемента должен быть больше ми­нимальных значений, обеспечивающих получение плотного бетона, и в то же время по условиям тепловыделения его не должно быть для массивных конструкций более 350 кг/м3, а немассивных - 400 кг/м3. Для получения требуемой водоне­проницаемости такого бетона содержание песка в смеси запол­нителей должно быть несколько увеличено по сравнению с обычными значениями.

Бетонную смесь необходимо укладывать с максимальным уплотнением, а за твердеющим бетоном наладить тщательный уход, обеспечивающий необходимый влажностный и темпера­турный режимы, при которых предотвращаются объемные де­формации.

Декоративные бетоны. В зависимости от состава и назна­чения декоративные бетоны можно подразделить на цветные и бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обла­дающие выразительной структурой. При необходимости по­верхность бетона подвергают специальной обработке или фор­муют изделия с рельефной поверхностью.

Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные цементы, различные минеральные и органические пигменты. Пигменты должны обладать высокой свето-, атмосфере- и щелочестойкостью. В качестве пигментов используют: мел при­родный молотый, известь гашеную (белый цвет), охру сухую (желтый цвет), сурик железный (красно-коричневый цвет), марганцевый черный, белила титановые, ультрамарин (синий цвет), оксид хрома (зеленый цвет) и др. В качестве дробленого декоративного материала применяют щебень и гравий из плот­ных горных пород, цветные шлаки, цветное кусковое стекло (эрклез).

Наиболее часто применяют минеральные пигменты и вводят их в количестве 1...5 % от массы цемента в зависимости от их укрывистости, плотности и других свойств.

Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с обычны­ми следует принимать несколько выше. При крупности заполни­теля до 10 мм он составляет 450...500 кг/м3. Это позволяет по­высить плотность и улучшить цветовую выразительность по­верхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения получе­ния хороших декоративных качеств являются составы 1:2... 1:3. Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило, предварительным испытанием и затем постоянно контролирует­ся, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования из­делий используются достаточно пластичные, жирные бетонные смеси, которые хорошо формуются и мало подвержены рас­слоению.

В цветных бетонах следует использовать чистые кварцевые пески светлых оттенков без примесей, окрашивающих их в се­рый цвет. В качестве крупных и мелких заполнителей могут применяться светлый известняк и доломит, отходы камнедробления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки гранита, туфа и др. Крупный заполнитель, как правило, не придает опре­деленный цвет бетону. Больше всего на цвет бетона влияют мел­кие частицы заполнителя - до 0?3 мм.

Марка декоративного бетона должна быть не менее М150 (В 10), морозостойкость - F50. Для повышения художественной выразительности декора­тивных бетонов применяют специальные приемы, позволяющие обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для выявле­ния структуры бетона его поверхность подвергают шлифовке и полировке, обрабатывают бучардой или пневматическим молот­ком, с помощью пескоструйного аппарата и т. п. Для обнажения заполнителя используют различные замедлители твердения. Декоративные бетоны применяются в ограждающих конст­рукциях общественных и жилых зданий, для изготовления эле­ментов фасада, декоративных плит для наружных и внутренних стен зданий, для лестничных маршей и деталей малых архитек­турных форм, для барельефов, скульптур и других изделий спе­циального назначения.

Жаростойкий бетон. Жаростойкий бетон изготовляют из вяжущего, тонкомолотой минеральной добавки, жаростойких заполнителей и воды (или другого затворителя, например ортофосфорной кислоты).

В качестве вяжущих в жаростойком бетоне применяют порт­ландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент или жидкое стекло. Жидкое стекло должно иметь модуль от 2,4 до 3,0 и плотность от 1,36 до 1,38 г/см3 и применяется вместе с отвердителем - кремнефтористым натрием. Для улучшения струк­туры цементного камня и сохранения прочности при нагреве в вяжущее вводят минеральные добавки (хромитовую руду, бой шамотного, магнезитового или обычного кирпича, андезит, пем­зу, лессовидный суглинок, гранулированный доменный шлак, топливный шлак и золу-унос). Тонкость помола добавок должна быть такой, чтобы через сито N 008 проходило не менее 70 % добавок для бетонов на портландцементе и не менее 50 % - для бетонов на жидком стекле.

В качестве мелкого и крупного заполнителей в жаростойком бетоне применяют следующие дробленые материалы: бой маг­незитового, шамотного и обыкновенного глиняного кирпича, кусковый шамот, доменный отвальный шлак, базальт, диабаз, лом и бой жаростойких бетонов или огнеупорных изделий. Мак­симальная крупность щебня составляет обычно 20 мм, а мелких частиц размером менее 0,14 мм в заполнителях должно быть не более 15 % по массе.

Материалы и состав жаростойкого бетона выбирают в зави­симости от требуемой марки по прочности, температуры и усло­вий службы в конструкции. Смеси готовят в бетоносмесителях принудительного действия; укладку ведут при температуре не ниже +15 °С. Время твердения жаростойкого бетона зависит от вида вяжущего и составляет 0,5...1 сут. для бетона на ортофосфорной кислоте и 3...7сут. - для бетонов на глиноземистом и портландцементе.

Жаростойкий бетон на портландцементе и цементном клин­кере в качестве заполнителя может использоваться при тем­пературе до 250°С. Он применяется, например, для футеровки холодного конца вращающихся печей по производству цемента и извести по мокрому способу. Бетон на глиноземистом цементе используется в условиях более высоких температур - порядка 1200°С (например, для изготовления стеновых панелей тун­нельных печей для обжига керамического кирпича). Еще более высокой огнеупорностью (до 1350 °С) при одновременно высо­кой термостойкости обладает бетон на фосфатных связующих - фосфорной кислоте, алюмофосфатной и алюмохромфосфатной связках. Указанные значения огнеупорности соответствуют тем­пературе деформации под нагрузкой, которая всегда на 200...300°С ниже так называемой конусной или просто огне­упорности.