Основные свойства тяжелого бетона

 

Помимо прочности к основным свойствам принять относить деформативность, морозостойкость и теплофизические свойства, которые во многом зависят от пористости и способности бетона поглощать воду в период эксплуатации.

К деформативным свойствам, как мы уже знаем, относят модуль упругости, модуль деформаций, модуль Пуассона и пр. Начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2….3,5). 104 МПа. У ячеистых бетонов – 1. 104. Важными для бетонов являются деформации бетона, возникающие при усадке бетона и его ползучести

Ползучесть — склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микро-трещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер. Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.

Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки — сжатие гелевой составляющей при потере воды. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне. В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3...0,4 мм/м.

Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструкциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Пористость. Как это ни покажется странным, такой плотный материал, как бетон имеет заметную пористость. Причина ее возникновения, как, это уже не раз говорилось, кроется в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки представляет собой плотное тело. При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландцемента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры.

Общая пористость, включающая микропоры геля и капиллярные поры (объем вовлеченного воздуха мы не рассматриваем).

Водопоглощение и проницаемость. Благодаря капиллярно-пористому строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит, главным образом, от характера пор. Водопоглощение, как мы уже знаем, тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4...8 % по массе (10...20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона и его теплозащитных свойствах. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гцдрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемостью цементного камня и контактной зоны «цементный камень — заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние используются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2. Марка обозначает давление воды (МПА), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2)° С и оттаивания в воде при (18 ± 2)° С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла - 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания - оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000. Стандартом разрешается применять ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)° С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость. Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Установлена зависимость марки по морозостойкости бетона от величины капиллярной пористости. Так, согласно этой зависимости бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, должен иметь морозостойкость F150...F200.

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше 6,5...6 %). Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

• пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетон-ных смесей без добавления воды. Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона - гидрофобизация (объемная или поверхностная); в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика — около 1,2... 1,5 Вт/(м • К), т. е. в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны, в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1...0,5 Вт/(м • К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75...0,92Дж/(кг • К); в среднем — 0,84 Дж/(кг • К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения тяжелого бетона (10...12)•10-6К-1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50°С расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.

 

Легкие бетоны

 

Существенный недостаток обычного тяжелого бетона — большая плотность (2400...2500 кг/м3). Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов:

• снижается масса строительных конструкций;

• повышаются их теплоизоляционные свойства.

Легкие бетоны бетоны с плотностью менее 1800 кг/м3 - универсальный материал для ограждающих и несущих конструкций жилых и промышленных зданий. Из них изготовляют большинство стеновых панелей и блоков, плит кровельных покрытий и камней для укладки стен. Термин «легкие бетоны» объединяет большую группу различных по составу, структуре и свойствам бетонов.

По назначению легкие бетоны подразделяют на:

• конструкционные (класс прочности - В7,5...В35; плотность - 400...1800кг/м3);

• конструкционно-теплоизоляционные (класс прочности не менее ВЗ,0, плотность - 600... 1400 кг/м3);

• теплоизоляционные - особо легкие (плотность < 600 кг/м3).

По строению и способу получения пористой структуры легкие бетоны подразделяют на следующие виды:

•бетоны слитного строения на пористых заполнителях;

• ячеистые бетоны, в составе которых нет ни крупного, ни мелкого заполнителя, а их роль выполняют мелкие сферические поры (ячейки);

• крупнопористые, в которых отсутствует мелкий заполнитель, в результате чего между частицами крупного заполнителя образуются пустоты.

Легкие бетоны на пористых заполнителях — наиболее распространенный вид легких бетонов. Свидетельства их применения известны еще в Древнем Риме. Для получения легких бетонов тогда использовали природный заполнитель — пемзу и туф, а также бой керамики и даже пустые глиняные сосуды. В настоящее время эти заполнители также используют как местный материал.

Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине XX в., когда началось массовое производство искусственных пористых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др.

Особенности технологии легких бетонов связаны со спецификой пористых заполнителей: их плотность меньше плотности воды, поверхность частиц шероховатая и они активно поглощают воду.

Низкая плотность не позволяет эффективно использовать традиционные бетоносмесители «свободного падения», в которых перемешивание интенсифицируется за счет падения тяжелых зерен заполнителя. Шероховатая поверхность также затрудняет перемешивание. Поэтому для приготовления легкобетонных смесей желательно использовать смесители принудительного перемешивания.

При вибрировании легких бетонов расслоение смеси имеет обратный характер в сравнении с тяжелым. Вверх всплывают легкие зерна заполнителя, а вниз опускается цементное тесто.

Твердение цемента в легких бетонах происходит в более благоприятных условиях, чем в тяжелом бетоне, так как заполнитель, поглотивший воду во время приготовления смеси, служит как бы аккумулятором воды, обеспечивающим влажное твердение бетона в длительные сроки.

Структура и свойства легких бетонов. Пористые заполнители имеют шероховатую поверхность, поэтому сцепление цементного камня с заполнителем не является слабым звеном легких бетонов. Этому способствует также химическая активность вещества заполнителей, содержащих аморфный SiO2, способный взаимодействовать с Са(ОН)2 цементного камня. Плотность и прочность контактной зоны «цементный камень — пористый заполнитель» объясняют парадоксально высокую водонепроницаемость и прочность легких бетонов на пористых заполнителях.

Морозостойкость легких бетонов при их пористой структуре довольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в пределах F25...F100. Для специальных целей могут быть получены легкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.

Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличивающаяся по мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зоны «цементный камень — заполнитель», являющейся самым уязвимым местом для проникновения воды в обычном бетоне. Установлены следующие марки легких бетонов по водонепроницаемости: W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1; W1,2 (давление воды, МПа, не вызывающее Фильтрации при стандартных испытаниях).

Ячеистые бетоны

Ячеистые бетоны на 60...85 % по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнезимистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика - 300... 1200 кг/м3; он имеет низкую теплопроводность при достаточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовления.

Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. При применении известково-кремнеземистых вяжущих получаемые бетоны называют газо- и пеносиликаты.

Кремнеземистый компонент — молотый кварцевый песок, гранулированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целесообразно.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.

Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропа-ривания (t = 85...90°С) и автоклавной обработки (t = 175° С). Лучшее качество имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.

По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.

Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород:

 

ЗСа(ОН)₂ + 2А1 + 6Н₂О → ЗСаО • А1₂О₃ • 6Н₂О + H₂

 

Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой пудры выделит до 1,25 м3 водорода, т. е. для получения 1 м3 газобетона требуется 0,5...0,7 кг пудры.

Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжущего с заранее приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и синтезируемые специально (сульфанол и т. п.).

Cойства ячеистых бетонов определяются их пористостью, видом вяжущего и условиями твердения. Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов - 60...85%. Характер пор - замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который, как известно, пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому водопоглощсние ячеистого бетона довольно высокое (табл. 12.4) и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.

Гидрофильность цементного камня и большая пористость обусловливают высокую сорбционную влажность. Это сказывается на теплоизоляционных показателях ячеистого бетона (табл. 12.4). Поэтому при использовании ячеистого бетона в ограждающих конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой или гидрофобизировать.

Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в пределах 1,5... 15 МПа. Модуль упругости ячеистых бетонов ниже, чем у обычных бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона повышенная ползучесть.

Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, они огнестойки и легко поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).

Наиболее рациональная область применения ячеистых бетонов — ограждающие конструкции (стены) жилых и промышленных зданий: несущие — для малоэтажных зданий и ненесущие — для многоэтажных, имеющих несущий каркас.

Крупнопористый бетон

Крупнопористый бетон получают при затвердевании бетонной смеси, состоящей из вяжущего (обычно портландцемента), крупного заполнителя и воды. Благодаря отсутствию песка и пониженному Расходу цемента (70... 150 кг/м3), используемого лишь для склеивания зерен крупного заполнителя, плотность крупнопористого бетона на 600...700 кг/м3 ниже, чем у аналогичного бетона слитного строения.

Крупнопористый бетон целесообразно изготовлять на основе пористых заполнителей (керамзитового гравия, шлаковой пемзы и др.) В этом случае средняя плотность бетона составляет 500...700 кг/м и плиты из такого бетона эффективны для тегшоизоляции стен и покрытий зданий.

 

5.2.5 Специальные виды бетонов

 

Специальные бетоны способны работать в экстремальных условиях или обладают свойствами, не характерными для обычных бетонов. Но при этом их технология и принципиальный состав остаются «бетонными».

Особо тяжелые бетоны используют для устройства конструкций, защищающих людей от рентгеновского и?-излучения. Для этого в состав бетона вводят заполнители, содержащие железо, барий и другие тяжелые элементы, хорошо поглощающие жесткое ионизирующее излучение. В качестве заполнителей используют: железные руды (магнетит, лимонит), барит, металлическую дробь и т. п. Плотность таких бетонов достигает 4000...5000 кг/м3.

Гидратные бетоны предназначены для защиты от нейтронного излучения. Как известно из физики, потоки нейтронов лучше всего поглощают атомы легких элементов (водорода, лития, бора). Для этих целей чаще всего используют бетоны, содержащие большое количество химически связанной воды. Этого можно добиться, используя вяжущие, образующие при твердении эттрингит— ЗСаО • А12О3 • 3CaSO4 • 32Н2О, а также применяя заполнители, содержащие кристаллизационную воду, например, серпентин (змеевик) 3MgO • 2SiO2 • 2H2O.

Жаростойкие бетоны характеризуются способностью сохранять в определенных пределах физико-механические свойства при длительном воздействии высоких температур.

Для изготовления жаростойких бетонов в качестве вяжущих используют глиноземистый цемент, шлакопортландцемент и жидкое стекло. Заполнителями и тонкомолотыми наполнителями служат металлургические шлаки, бой керамических и огнеупорных изделий, базальт, андезит и т. п.

Жаростойкие бетоны приготовляют по обычной технологии, а затем в процессе работы при высоких температурах они сами превращаются в монолитный керамический материал. Из таких бетонов выполняют футеровку промышленных печей, фундаменты доменных и мартеновских печей и т. п. Применение жаростойких бетонов взамен штучных материалов снижает стоимость и ускоряет строительство.

Кислотоупорные бетоны получают на кислотоупорном цементе и кислотостойких заполнителях. Применяют кислотоупорные бетоны на химических предприятиях для облицовки несущих конструкций, устройства бетонных полов и т. п.