Lektsia 5


Лекция 5
Тема: Бетон. Железобетон. Строительные растворы.
5.1 Бетон
Бетон — искусственный каменный материал, получаемый в результате формования и затвердевания бетонной смеси. Бетонной смесью называют перемешанную до однородного состояния пластичную смесь, состоящую из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.
Состав бетонной смеси подбирают таким образом, чтобы при данных условиях укладки и твердения бетон обладал заданными свойствами (прочностью, морозостойкостью, плотностью и др.).
Бетон состоит из большого количества зерен заполнителя (до 80...85 % объема), связанных затвердевшим вяжущим веществом. Так как в качестве заполнителей применяют дешевые природные материалы или отходы промышленности, бетон экономически весьма эффективный материал.
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.
Бетонная смесь состоит из цементного теста, мелкого и крупного заполнителя. Каждый из этих компонентов влияет на вязкопластичные свойства смеси. Так, если увеличить содержание заполнителей, смесь становится более жесткой; если цементного теста — более пластичной и текучей. Существенно влияет на свойства бетонной смеси и вязкость цементного теста. Чем больше в цементном тесте воды, тем пластичнее получается тесто и соответственно пластичнее бетонная смесь.
Одно из основных свойств бетонной смеси — тиксотропия — способность разжижаться при периодически повторяющихся механических воздействиях (например, вибрации) и вновь загустевать при прекращении этого воздействия. Механизм тиксотропного разжижения заключается в том, что при вибрировании силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются и бетонная смесь становится текучей. Это свойство широко используют при укладке и уплотнении бетонной смеси.
Удобоукладываемость - обобщенная техническая характеристика вязкопластичных свойств бетонной смеси. Под удобоукладываемостью понимают способность бетонной смеси под действием определенных приемов и механизмов легко укладываться в форму и уплотняться, не расслаиваясь. Удобоукладываемость смесей в зависимости от их консистенции оценивают по подвижности или жесткости.
Подвижность служит характеристикой удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса. Подвижность характеризуется осадкой стандартного конуса, отформованного из испытуемой бетонной смеси. Для этого металлическую форму-конус, установленную на горизонтальной поверхности, заполняют бетонной смесью в три слоя, уплотняя каждый слой штыкованием. Избыток смеси срезают, форму-конус снимают и измеряют осадку конуса из бетонной смеси — ОК, значение которой (в сантиметрах) служит показателем подвижности.
Жесткость — характеристика удобоукладываемости бетонных смесей, у которых не наблюдается осадки конуса (ОК = 0). Ее определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси с помощью специального прибора – вискозиметра.
В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси.
Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество воды и соответственно пониженное количество цемента в сравнении с подвижными смесями у бетонов равной прочности. Жесткие смеси требуют интенсивного механического уплотнения: длительного вибрирования, вибротрамбования и т. п. Используют такие смеси при изготовлении сборных железобетонных изделий в заводских условиях (например, на домостроительных комбинатах); в построечных условиях жесткие смеси применяют редко.
Подвижные смеси отличаются большим расходом воды и соответственно цемента. Эти смеси представляют собой густую массу, которая легко разжижается при вибрировании. Подвижные смеси можно транспортировать бетононасосами по трубопроводам.
Связность — способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т. е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. При механических воздействиях часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх. Крупный заполнитель, плотность которого обычно больше плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), опускается вниз. Легкие заполнители (керамзит и др.), наоборот, могут всплывать. Все это делает бетон неоднородным, снижая его прочностные показатели и морозостойкость.
Указанные свойства бетонной смеси обеспечиваются правильным подбором состава бетона.
Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:
• прочностью затвердевшего цементного камня;
• прочностью его сцепления с заполнителем.
Прочность цементного камня зависит от двух факторов: активности (марки) используемого цемента и соотношения количеств цемента и воды (Ц/В).
Цемент при твердении химически связывает не более 20...25 % воды от своей массы. Чтобы обеспечить необходимую пластичность цементного теста и, соответственно, подвижность бетонной смеси, необходимо вводить 40...80 % воды от массы цемента. Чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.
С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоукладываемость бетонной смеси, соответствующую принятому в данном конкретном случае методу уплотнения, то из-за недоуплотнения в структуре бетона появятся крупные пустоты и участки с нарушенной связью «цементный камень - заполнитель», что приведет к резкому снижению прочности бетона.Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количество воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон с минимальной пористостью и наибольшей прочностью.
Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой. Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.
5.1.1 Основы технологии бетона
Изготовление бетонных и железобетонных конструкций включает в себя следующие технологические операции: подбор состава бетона, приготовление и транспортирование бетонной смеси, ее укладку и уплотнение и обеспечение требуемого режима твердения бетона.
Подбор состава бетона. Состав бетона должен быть таким, чтобы бетонная смесь и затвердевший бетон имели заданные значения свойств (удобоукладываемости, прочности, морозостойкости и т. п.), а стоимость бетона при этом была возможно более низкой.
Рассчитывают состав бетона для данных сырьевых материалов, используя зависимости, связывающие свойства бетона с его составом, в виде формул, таблиц и номограмм. Общая схема расчета следующая.
Требуемая подвижность бетонной смеси обеспечивается выбором (по таблицам и графикам) необходимого количества воды (В).
Требуемая прочность бетона достигается: 1) выбором марки цемента; 2) расчетом требуемого соотношения цемента и воды (Ц/В) по формуле основного закона прочности бетона (см. выше).
Количество цемента определяется по известным значениям В и В/Ц: Ц = В : (В/Ц).
Количество крупного и мелкого заполнителей рассчитывают так, чтобы расход цемента был минимальным. Это достигается в том случае, если количество крупного заполнителя будет максимально возможным (обычно оно составляет 0,75...0,85 от объема бетона), а мелкий заполниитель (песок) заполнит пустоты между зернами крупного заполнителя.
В этом случае цементное тесто должно будет заполнить пустоты в песке и покрыть поверхность заполнителей для обеспечения связи всех частиц друг с другом.
Увеличивая или уменьшая содержание цементного теста (но не изменяя при этом рассчитанного Ц/В), т. е, увеличивая и уменьшая долю воды в бетонной смеси, можно соответственно повысить или снизить подвижность бетонной смеси, сохраняя заданную прочность бетона.
Приготовление бетонной смеси осуществляют в специальных агрегатах - бетоносмесителях разных конструкций и различной вместимости (от 100 до 4500 дм3).
Вместимость смесителя указывается по суммарному объему сухих компонентов бетонной смеси, который может быть загружен.
При перемешивании мелкие компоненты смеси входят в межзерновые пустоты более крупных (песок в пустоты между зерен крупного заполнителя, цемент — в пустоты песка). Этому способствует введение в смеситель воды затворения. В результате объем готовой бетонной смеси составляет не более 0,6...0,7 от объема исходных сухих компонентов. Этот показатель, называемый коэффициент выхода бетонной смеси.
Так, для бетона с коэффициентом выхода 0,65 за один замес в бетоносмесителе вместимостью 500 дм3 получится 500 • 0,65 = 325 дм3 = 0,325 м3 бетонной смеси.
По принципу действия различают бетоносмесители свободного падения и принудительного перемешивания.
Время перемешивания зависит от подвижности бетонной смеси и вместимости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и больше вместимость бетоносмесителя, тем больше время, необходимое для перемешивания. Например, для бетоносмесителя 500 дм3 оно составляет 1,5...2 мин, а для бетоносмесителя 2400 дм3 - 3 мин и более.
Бетоносмесительные установки могут быть передвижные и стационарные. Чаще бетонные смеси приготовляют на специализированных бетонных заводах, имеющих высокую степень механизации и автоматизации. В этом случае будет выше стабильность свойств бетонной смеси и бетона. Такие готовые смеси называют товарным бетоном.
Транспортирование бетонной смеси. Обязательное требование ко всем видам транспортирования бетонной смеси - сохранение ее однородности и подвижности. На большие расстояния транспортирование осуществляется в специальных машинах — бетоновозах, имеющих грушевидную емкость. При движении емкость бетоновоза медленно вращается, постоянно подмешивая бетонную смесь. Это необходимо для того, чтобы смесь не расслаивалась от вибрации во время перевозки, что часто происходит, когда смесь транспортируют в кузовах самосвалов. В зимнее время должен быть предусмотрен подогрев перевозимой бетонной смеси.
На строительных объектах и заводах сборного железобетона смесь транспортируют в вагонетках, перекачивают бетононасосами и подают транспортерами.
Укладка бетонной смеси. Качество и долговечность бетона во многом зависят от правильности укладки, а методы укладки и уплотнения определяются видом бетонной смеси (пластичная или жесткая, тяжелый или легкий бетон) и типом конструкции. Укладка должна обеспечивать максимальную плотность бетона (отсутствие пустот) и неоднородность состава по сечению конструкции.
Пластичные текучие смеси уплотняются под действием собственного веса или путем штыкования, более жесткие смеси — вибрированием
Вибрирование — наиболее эффективный метод укладки, основанный на использовании тиксотропных свойств бетонной смеси. При вибрировании частицам бетонной смеси передаются быстрые колебательные движения от источника колебаний - вибратора. Применяют главным образом электромехани-ческие вибраторы, основная часть которых - электродвигатель. На валу электродвигателя эксцентрично установлен груз - дебаланс, при вращении которого возникают колебательные импульсы.
При вибрировании жесткая бетонная смесь как бы превращается в тяжелую жидкость, которая плотно заполняет все части формы, а воздух, содержащийся в бетонной смеси, при этом поднимается вверх и выходит из смеси. Бетонная смесь приобретает плотную структуру.
При недостаточном времени вибрирования бетонная смесь уплотняется не полностью, при слишком долгом - она может расслоиться: тяжелые компоненты - щебень, песок концентрируются внизу, а вода выступает сверху.
Твердение бетона. Нормальный рост прочности бетона происходит при положительной температуре (15...25° С) и постоянной влажности. Соблюдение этих условий особенно важно в первые 10... 15 суток твердения, когда бетон интенсивно набирает прочность.
Чтобы поверхность бетона предохранить от высыхания, ее покрывают песком, опилками, периодически увлажняя их. Эффективна защита поверхности бетона от испарения влаги полимерными пленками, битумными и полимерными эмульсиями. В зимнее время твердеющий бетон предохраняют от замерзания различными методами: методом термоса, когда подогретую бетонную смесь защищают теплоизоляционными материалами, и подогревом бетона во время твердения (в том числе и электропрогрев).
На заводах сборного железобетона для ускорения твердения бетона применяют тепловлажностную обработку - прогрев при постоянном поддерживании влажности бетона насыщенным паром при температуре 85...90°С. При этом время твердения железобетонных изделий до набора ими отпускной прочности (70...80 % марочной) сокращается до 10... 16 ч (при твердении в естественных условиях для этого требуется 10...15 дн).Для силикатных бетонов используют автоклавную обработку в среде насыщенного пара высокой температуры 175...200°С и при давлении 0,8...1,3 МПа. В этом случае процесс твердения длится 8...10 ч.
Для ускорения набора прочности бетоном применяют быстротвердеющие (БТЦ) и особо быстротвердеющие (ОБТЦ) цементы. Быстрее других достигает марочной прочности (за три дня) бетон на глиноземистом цементе, однако последний нельзя использовать при температуре окружающей среды вовремя твердения выше 30...35° С.
5.1.2 Прочность, марка и класс бетона
Тяжелый бетон — основной конструкционный строительный материал, поэтому оценке его прочностных свойств уделяется большое внимание. Прочностные характеристики бетона определяются строго в соответствии с требованиями стандартов. Используется несколько показателей, характеризующих прочность бетона. Неоднородность бетона как материала учитывается в основной прочностной характеристике — классе бетона.
Прочность. Как и у всех каменных материалов, предел прочности бетона при сжатии значительно (в 10... 15 раз) выше, чем при растяжении и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, работает на сжатие. Когда говорят о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.
Прочность бетона принято оценивать по среднему арифметическому значению результатов испытания образцов данного бетона через 28 суток нормального твердения. Для этого используют образцы - кубы размером 150 х 150 х 150 мм, изготовленные из рабочей бетонной смеси и твердевшие при (20 ± 2)°С на воздухе при относительной влажности 95% (или в иных условиях, обеспечи-вающих сохранение влаги в бетоне). Методы определения прочности бетона регламентированы стандартом.
Марка бетона. По среднему арифметическому значению прочности бетона устанавливают его марку — округленное значение прочности (причем округление идет всегда в нижнюю сторону). Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см2. При обозначении марки используют индекс «М»; так, например, марка бетона М35О означает, что его средняя прочность не менее 35 МПа (но не более 40).
Отличительная особенность бетона — значительная неоднородность его свойств. Это объясняется изменчивостью в качестве сырья (песка, крупного заполнителя и даже цемента), нарушением режима приготовления бетонной смеси, ее транспортировки, укладки (степени уплотнения) и условии твердения. Все это приводит к разбросу прочности бетона одного и того же состава. Чем выше культура производства (лучше качество подготовки материалов, приготовления и укладки бетона и т. п.), тем меньше будут возможные колебания прочности бетона. Для строителя важно получить бетон не только с заданной средней прочностью, но и с минимальными отклонениями (особенно в низшую сторону) от этой прочности. Показателем, который учитывает возможные колебания качества бетона, является класс бетона.
Класс бетона — это численная характеристика прочности, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство, например прочность бетона, достигается не менее чем в 95 случаях из 100.
Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность бетона с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же средней прочности.
Соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помощью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон.
5.1.3 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.
5.1.4 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.
5.2. Железобетон и железобетонные изделия
Бетон имеет недостаток, присущий всем каменным как природным, так и искусственным материалам,— он хорошо работает на сжатие, но плохо сопротивляется изгибу и растяжению. Прочность бетона при растяжении составляет всего около 1/10…1/15 его прочности на сжатие. Чтобы повысить прочность бетонных конструкций на растяжение и изгиб, в бетон укладывают стальную проволоку или стержни, называемой арматурой. Арматура в переводе с латинского означает «вооружение», т. е. стальная арматура как бы вооружает, укрепляет бетон. Армированный стальными стержнями бетон называют железобетоном. Каменные конструкции армированные металлом, были известны давно, но в современном виде железобетон появился лишь во второй половине XIX века, когда было освоено промышленное производство портландцемента. Патент на изобретение железобетона был выдан французу Ж. Монье в 1867г., хотя известны попытки использования железобетона и до него (например, в 1849г. инженером Г.Е. Паукером в России и в 1845г. В. Уилкинсоном в Англии). Первоначально железобетон применялся довольно ограниченно. В настоящее время это основной конструкционный материал в жилищном и промышленном строительстве.
Железобетон — это не два разнородных материала: бетон и сталь, а новый материал, в котором сталь и бетон работают совместно, помогая друг другу. Это объясняется следующим. Бетон при твердении на воздухе уменьшается в объеме, плотно охватывая арматуру. Прочность сцепления арматуры с бетоном достигает больших значений. Так, чтобы выдернуть из бетона стержень диаметром 30 мм, введенный в бетон на глубину 300 мм, требуется сила не менее 10 кН. Сцепление стали с бетоном не нарушается и при сильных перепадах температуры, так как коэффициенты теплового расширения стали и бетона почти одинаковы. Хорошее сцепление стали с бетоном приводит к тому, что под нагрузкой эти два материала работают как одно целое.
Смысл армирования можно пояснить на элементах, работающих на изгиб (балках, ригелях). В таких элементах часть поперечного сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Если балку изготовить из неармированного бетона, то вследствие низкой его прочности на растяжение (1...4 МПа) уже под небольшой нагрузкой бетон в растянутой зоне растрескивается и балка разрушится. Если же в растянутую зону ввести стальную арматуру, то она примет на себя растягивающие напряжения (прочность стали при растяжении более 200 МПа), и балка, хотя на ней могут появиться трещины, не разрушится даже при больших нагрузках. В ряде случаев армируют элементы, работающие и на сжатие (колонны, сваи), так как и на сжатие сталь в 5... 10 раз прочнее бетона.
Причиной, почему арматура принимает на себя большую часть нагрузки, является различие в модулях упругости стали 2 • 105 МПа и бетона (2...3) х 104 МПа. Из-за того, что модуль упругости стали в 10 раз выше модуля упругости бетона, при нагружении железобетонного элемента напряжения, возникающие в стали, приблизительно в 10 раз выше, чем напряжения в бетоне, т. е. в материале происходит как бы перераспределение нагрузки.
Бетон благодаря своей плотности и водонепроницаемости, с одной стороны, и щелочной реакции цементного камня в бетоне, с другой, защищает сталь от коррозии. Кроме того, бетон как сравнительно плохой проводник теплоты защищает сталь от быстрого нагрева при пожарах. Стальные конструкции при пожаре быстро нагреваются, сталь размягчается и вся конструкция начинает деформироваться даже под собственным весом. В железобетонных конструкциях стальная арматура защищена от огня слоем бетона. Так, опыты показали, что при температуре поверхности бетона 1000°С арматура, находящаяся на глубине 50мм, через 2 ч нагреется лишь до 500°С.
В современном строительстве все большее применение находит напряженно-армированный бетон. Как уже говорилось, прочность бетона на растяжение в 10...20 раз ниже, чем на сжатие. В железобетоне этот недостаток устраняют введением в растянутую зону арматуры. Однако вследствие малой растяжимости бетона в растянутой его зоне возникают трещины, после чего всю нагрузку воспринимает только арматура. Пока ширина трещины менее 0,1...0,2 мм (так называемые волосяные трещины), они не опасны с точки зрения сцепления арматуры с бетоном и коррозии арматуры.
При применении для армирования высокопрочных сталей полное использование их прочности сопровождается относительно большим удлинением арматуры, что приводит к сильному растрескиванию бетона, а это, в свою очередь,— к коррозии арматуры из-за обнажения ее поверхности. Отсюда следует, что при обычном способе армирования применение высокопрочной арматуры нерационально. При армировании такой арматурой применяют метод предварительного натяжения арматуры.
Сущность этого метода состоит в том, что до загрузки железобетонной конструкции полезной нагрузкой ее арматуру растягивают наподобие резинового жгута; упором при этом служит бетон. Естественно, что чем сильнее растянута арматура, тем больше будет сжат бетон. Когда же к конструкции приложена полезная нагрузка, напряжения от нее, возникающие в растянутой зоне бетона, частично компенсируются предварительно созданными сжимающими напряжениями.
В настоящее время применяют два способа получения напряженно-армированного бетона. Один из них заключается в том, что арматуру натягивают и закрепляют на специальных анкерах, а затем укладывают бетон. После того как бетон достаточно затвердеет, арматуру освобождают и она, сжимаясь, сжимает бетон. Другой способ: в бетоне оставляют специальные каналы для напрягаемой арматуры. После затвердевания бетона арматуру вводят в каналы и натягивают, используя в качестве опоры затвердевший бетон. При этом в бетоне возникают сжимающие напряжения. После натяжения арматуры каналы заполняют цементным раствором.
В предварительно напряженных железобетонных конструкциях более полно используется прочность стали и бетона, поэтому уменьшается масса изделий. Кроме того, предварительное обжатие бетона, препятствуя образованию трещин, повышает его долговечность.
Благодаря универсальности и комплексу ценных свойств железобетон на тяжелом и легком бетоне используют для строительства всех типов зданий и инженерных сооружений. Так, массовое строительство жилых зданий осуществляется из сборного железобетона, причем из него выполняют все элементы здания. В многоэтажных кирпичных зданиях фундаменты и перекрытия — железобетонные. Промышленные здания и инженерные сооружения в основном возводят из железобетона.
В зависимости от способа изготовления железобетонные конструкции могут быть монолитными или сборными.
5.2.1 Монолитный железобетон
Монолитным называют железобетон, изготовляемый непосредственно на строительной площадке. На месте возведения конструкции устанавливают опалубку. Назначение опалубки — придать бетонной смеси при ее укладке форму будущей конструкции. Опалубку выполняют из дерева, фанеры, стали или различных их комбинаций. Обычно применяют разборно-переставную опалубку из мелких или крупных щитов.
Для возведения высоких сооружений (резервуаров, труб, башен) применяют скользящую или подъемно-переставную опалубку. Когда бетон, уложенный в скользящую опалубку, достаточно затвердеет, опалубку вместе с рабочими подмостями двигают вверх и цикл повторяют. Такая опалубка была использована при строительстве Останкинской телевизионной башни.
В опалубку укладывают арматуру, а затем бетонную смесь. Бетонную смесь уплотняют глубинными или поверхностными вибраторами, навешиваемыми на опалубку.
Бетон после укладки первые 7... 10 дн необходимо защищать от высыхания, а зимой — от замерзания. В противном случае мы не получим требуемой прочности бетона. Бетон твердеет обычно естественным путем, зимой возможен его подогрев.
Опалубку снимают по достижении бетоном достаточной прочности, чаще всего через 7...10 дн.
В последние годы монолитный железобетон применяют все шире (в начальный период своего развития железобетон в строительстве использовали только в монолитном варианте). Из монолитного бетона возводят здания и сооружения, не поддающиеся разделению на однотипные элементы, при особенно больших или динамических нагрузках на конструкции зданий и сооружений (например, фундаменты и каркасы многоэтажных жилых и промышленных зданий, особенно в сейсмических районах), гидротехнические сооружения и т. п. С каждым годом расширяется строительство из монолитного бетона городских и сельских жилых зданий. Особенно эффективно такое строительство в случае применения специально изготовленной металлической опалубки многократного использования, что позволяет добиться большой точности изготовления строительных конструкций при низких трудозатратах.
Для монолитного строительства используют тяжелые и легкие бетоны на быстротвердеющих цементах. При правильной организации труда скорость строительства из монолитного бетона не уступает скорости монтажа из сборных элементов.
За последние годы в городах России построено много нестандартных сооружений из монолитного бетона, в том числе и такие уникальные, как храм Христа Спасителя, подземный торговый комплекс на Манежной площади в Москве и др.
5.2.2 Сборный железобетон
Сборные железобетонные изделия и конструкции (сборный железобетон) представляют собой крупноразмерные железобетонные элементы, изготовляемые на заводе или полигоне домостроительного комбината. Основное преимущество таких конструкций — высокомеханизированные и автоматизированные методы их изготовления; на строительной площадке эти элементы только монтируют, что резко сокращает сроки строительства, повышает производительность труда и позволяет широко применять новые эффективные материалы (легкие и ячеистые бетоны, отделочную керамику, пластмассы и т. п.).
Развитие сборного строительства нашло свое выражение в организации домостроительных комбинатов (ДСК). ДСК выпускают все необходимые для строительства здания железобетонные элементы, транспортируют их на стройку и осуществляют монтаж и окончательную отделку здания. Главнейшее звено ДСК — заводы, выпускающие железобетонные конструкции и детали.
Основные операции при производстве железобетонных изделий: приготовление бетонной смеси, изготовление арматуры, армирование и формование изделий и их ускоренное твердение.
Бетонную смесь приготовляют в бетоносмесительном цехе завода, арматуру — в арматурном цехе. Поступающую на завод арматурную сталь (в бухтах или прутках) на специальных станках очищают от ржавчины, правят и режут на стержни заданной длины. Необходимую форму стержням придают на гибочных станках. Отдельные стержни и проволоку соединяют в сетки и каркасы контактной сваркой на станках-автоматах. Готовые сетки и каркасы передают в формовочный цех.
Напрягаемую арматуру натягивают на анкеры форм с помощью специальных механизмов или реже методом термического натяжения.
Перед укладкой арматуры и бетона формы очищают и покрывают смазочным материалом, препятствующим сцеплению бетона с металлом форм. Бетонная смесь из бетоносмесигельного цеха поступает в приемный бункер бетоноукладчика, который подает ее в форму и разравнивает.
Уплотняют бетонную смесь на заводах центрифугированием, вибропрессованием, прокатом, но чаще на виброплощадках большой грузоподъемности (до 5...10 т) с электромеханическим или электромагнитным приводом. Пустоты в изделиях формуют с помощью вибровкладышей.Для ускорения твердения бетона его подвергают тепловлажностной обработке: нагреву до температуры 80... 180° С таким образом, чтобы в бетоне сохранялась вода в жидком состоянии, необходимая для твердения цемента.
Применяют следующие виды тепловлажностной обработки: пропаривание при нормальном давлении и температуре 80...95°С; контактный нагрев и электроподогрев до 100° С; запаривание в автоклавах при давлении 0,9... 1,6 МПа (оно необходимо, чтобы вода в бетоне оставалась жидкой) и температуре 175...200° С.
Наиболее распространено пропаривание при нормальном давлении в камерах непрерывного или периодического действия. Изделия нагревают насыщенным паром.
Камеры непрерывного действия представляют собой туннель, в котором изделия в формах, установленных на вагонетках, проходят последовательно зоны подогрева, изотермичесокй выдержки и охлаждения.
В камеры периодического действия изделия загружают краном и устанавливают в несколько рядов по высоте. Затем камеру закрывают крышкой и подают насыщенный пар. Продолжительность пропаривания 10... 16 ч. За это время бетон набирает не менее 70 % марочной прочности.
После извлечения из форм изделия проходят технический контроль на соответствие требованиям ГОСТ или ТУ.
Изделия, удовлетворяющие требованиям стандарта, маркируют несмываемой краской. В маркировке указывают паспортный номер изделия, его индекс, марку завода-изготовителя и пр. На каждую партию изделий составляют паспорт в двух экземплярах: для потребителя и завода-изготовителя.
Железобетонные изделия изготовляют способами: стендовым, кассетным, поточно-агрегатным, конвейерным и вибропрокатным.
При стендовом способе изделия получают в неподвижных формах (на стенде). Механизмы (бетоноукладчики, вибраторы и др.) поочередно подходят к стенду для выполнения необходимых операций. Этим способом изготовляют, как правило, крупногабаритные изделия (фермы, колонны, балки) на полигонах.
Касетный способ — вариант стендового способа, основой которого является формование изделий в стационарно установленных кассетах, состоящих из нескольких вертикальных металлических форм-отсеков. В форму закладывают арматурный каркас и заполняют ее бетонной смесью. Тепловую обработку производят контактным обогревом через стенки форм. После тепловой обработки стенки форм раздвигают и изделия вынимают мостовым краном. Кассетным способом изготовляют плоские изделия (панели перекрытий, стеновые панели и т. п.).
При поточно-агрегатном способе формы с изделиями перемешаются от одного технологического агрегата к другому краном, а при конвейерном они стоят на вагонетках, движущихся по рельсовому пути. При конвейерном способе тепловлажностную обработку осуществляют непрерывном методом. Конвейерный способ - высокопроизводительный, но на каждой нитке конвейера можно выпускать изделие только одного типоразмера.
При вибропрокатном способе процессы получения железобетонного изделия происходят на одной установке непрерывного действия — вибропрокатном стане. Вибропрокатный стан — это конвейер из стальной обрезиненной формующей ленты, движущейся вдоль постов укладки арматуры и бетона, виброуплотнения бетона и контактной тепловой обработки. Вибропрокатным способом получают плиты перекрытий, легкобетонные панели наружных стен, перегородочные панели. Этот способ самый производительный, но переход с выпуска одного вида изделий на другой затруднен, так как связан с полной переоснасткой стана.5.3 Строительные растворы
Строительным раствором называют материал, получаемый в результате затвердевания рационально подобранной смеси вяжущего вещества (цемента, извести), мелкого заполнителя (песка) и воды, а в необходимых случаях и специальных добавок. До затвердевания этот материал называют растворной смесью.
Принципиальным отличием строительных растворов от мелкозернистых бетонов является то, что растворные смеси укладываются тонкими слоями обычно на пористое основание и одним из главных свойств растворов является хорошее сцепление с основанием.
По назначению строительные растворы бывают: кладочные — для кладки из кирпича, штучных камней и блоков; отделочные (штукатурные) — для оштукатуривания наружных и внутренних поверхностей конструкций; специальные — для омоноличивания сборных железобетонных конструкций, для устройства гидроизоляции и других специальных целей.
Растворы называют по свойствам входящего в них вяжущего (гидравлические, воздушные) и его виду (цементные, известковые, гипсовые и смешанные: цементно-известковые, цементно-глиняные, известково-гипсовые).По плотности различают растворы обыкновенные тяжелые (плотность более 1500 кг/м3), получаемые на плотных заполнителях (природный песок и др.), и легкие (менее 1500 кг/м3), изготовляемые на пористых заполнителях (керамзитовый песок, вспученный перлит и др.). Легкие растворы, кроме того, получают с помощью специальных пенообразующих добавок — поризованные растворы.
5.3.1 Свойства растворных смесей и затвердевших растворов
Растворная смесь должна обладать следующими свойствами: хорошей удобоукладываемостью и высокой водоудерживающей способностью, чтобы легко распределяться по пористому основанию и не давать ему отсасывать в себя воду. Вода необходима для твердения раствора.
Удобоукладываемость - способность растворной смеси легко распределяться по поверхности сплошным тонким слоем, хорошо сцепляясь с поверхностью основания. Удобоукладываемая растворная смесь даже при укладке на неровной поверхности заполняет все впадины и плотно примыкает к камням кладки. Удобоукладываемость оценивается подвижностью смеси, которую оценивают по глубине погружения эталонного конуса.
В зависимости от назначения применяют растворы различной подвижности. например для бутовой кладки применяют растворы подвижностью 4...6 см, для кладки из пустотелого кирпича и керамических камней - 7...8см, для кладки из обыкновенного керамического кирпича - 9... 13см, для штукатурных растворов - 7...12 см.
Для повышения пластичности в раствор вводят пластифицирующие добавоки.
Водоудерживающая способность — это способность растворной смеси удерживать воду при нанесении на пористое основание или при транспортировании. Если растворную смесь с малой водоудерживающей способностью нанести, например, на кирпич, то она быстро обезводится в результате отсасывания воды в поры кирпича. В этом случае затвердевший раствор будет пористым и непрочным.
При транспортировании растворные смеси с низкой водоудерживающей способностью могут расслоиться: песок осядет вниз, а вода окажется сверху. Чем ниже водоудерживающая способность, тем вероятнее расслоение растворной смеси.
Водоудерживающая способность зависит от количества вяжущего вещества в растворе, так как тончайший порошок вяжущего образует с водой вязкое тесто, препятствуя отделению воды и заполнителя. Повысить водоудерживающую способность без увеличения расхода цемента можно введением в растворную смесь тонкодисперсньгх минеральных порошков, в том числе и более дешевых вяжущих (извести, глины) или загущающих (водоудерживающих) водораство-римых полимерных добавок, таких, как метилцеллюлоза, карбоксиметил-целлюлоза, и т. п.
Затвердевший раствор должен иметь требуемые прочность и морозостойкость.
Прочность строительных растворов характеризуется маркой, определяемой по пределу прочности при сжатии образцов-кубов размером 70,7 х 70,7 х 70,7 мм. Образцы, изготовленные из рабочей растворной смеси, твердеют на воздухе в течение 28 сут при температуре (20 ± 5)° С. Чтобы приблизить условия твердения образцов к реальным условиям твердения кладочных растворов, используют формы без дна и устанавливают их на пористое основание (кирпич).
По прочности на сжатие, выраженной в кгс/см2, строительные растворы делят на марки: 4…200. Растворы марок 4; 10; 25 изготовляют обычно на извести и местных вяжущих; растворы более высоких марок — на смешанном цементно-известковом, цементно-глиняном и цементном вяжущих.
Прочность строительных растворов, так же, как и бетонов, зависит от марки вяжущего и его количества. Однако водовяжущее отношение в данном случае не имеет существенного значения, так как пористое основание, на которое наносят раствор, отсасывает из него воду, и количество воды в разных растворах становится приблизительно одинаковым.
Марки наиболее часто применяемых кладочных и штукатурных растворов значительно ниже марок бетона. Это объясняется тем, что прочность кладочных растворов существенно не влияет на прочность кладки из камней правильной формы, а штукатурные растворы практически не несут никакой нагрузки. Более высокие требования предъявляются к прочности растворов для омоноличивания несущих сборных конструкций.
Морозостойкость растворов, так же, как и бетонов, определяется числом циклов «замораживания-оттаивания» до потери 25 % первоначальной прочности (или 5 % массы). По морозостойкости растворы подразделяют на марки: F10...F200.
5.3.2 Подготовка сырьевых материалов. Приготовление растворов
Для кладочных растворов применяют песок максимальной крупности 2,5 мм; содержание в нем глинистых и органических примесей ограничено стандартом. Известь применяют в виде известкового молока или реже известкового теста, предварительно пропущенного через сито № 025, чтобы в раствор не попали не погасившиеся частицы.
Когда вместо извести используют глину, то ее тщательно размачивают в течение нескольких дней. Делают это для того, чтобы разъединить частицы глины. Затем глину и воду приблизительно в равных объемах загружают в смеситель и перемешивают в течение 3...5 мин. Получившееся глиняное молоко сливают из смесителя через сетку, а в смеситель добавляют новую порцию воды и глины. Через 10...20 замесов смеситель очищают от не распавшихся комьев и камней.
Поверхностно-активные и пластифицирующие добавки вводят в растворы, предварительно смешав их с водой, применяемой для затворения.
Процесс приготовления растворной смеси состоит из дозирования исходных материалов, загрузки их в барабан растворосмесителя и перемешивания до получения однородной массы в растворосмесителях периодического действия с принудительным перемешиванием.
По конструкции различают растворосмесители с горизонтальным или вертикальным лопастными валами. Последние называют турбулентными смесителями.
Чтобы раствор обладал требуемыми свойствами, необходимо добиться однородности его состава. Для этого ограничивают минимальное время перемешивания. Средняя продолжительность цикла перемешивания для тяжелых растворов должна быть не менее 3 мин. Легкие растворы перемешивают дольше.
Растворы, как правило, приготовляют на централизованных бето-норастворных заводах или растворных узлах, что обеспечивает получение продукции высокого качества.
Зимой для получения растворов с положительной температурой составляющие раствора (песок и воду) подогревают до температуры не более 60° С. Вяжущее подогревать нельзя.
Транспортирование. Растворные смеси с заводов перевозят автосамосвалами или специальными машинами, в которых смесь постоянно перемешивается, что предохраняет ее от расслоения. Если используют автосамосвалы, во избежание расслоения смеси нормируется дальность ее перевозок (например, дальность перевозок цементно-известковых растворов по асфальтовой дороге — не более 10 км, по булыжной — 5..6 км).На крупных стройках растворную смесь подают к месту использования по трубам с помощью растворонасосов.
Сроки хранения растворных смесей зависят от вида вяжущего и ограничиваются сроками его схватывания. Известковые растворы сохраняют свои свойства долго (пока из них не испарится вода).
В высохший известковый раствор можно добавить воду и вторично перемешать его. Цементные растворы необходимо использовать в течение 2...4 ч; разбавление водой и повторное перемешивание схватившихся цементных растворов не допускаются, так как это приводит к резкому падению марки раствора.
5.3.3 Кладочные растворы
При монтаже стен горизонтальные швы между панелями из тяжелого бетона заполняют раствором марки не ниже 100, из легкого бетона — не ниже 50. При монтаже стен из крупных блоков марки раствора для заполнения горизонтальных швов указываются в проекте (обычно 10...50). Для расшивки вертикальных швов панельных и крупноблочных стен марка раствора должна быть не ниже 50.
Для монтажа несущих железобетонных конструкций марка цементного раствора должна быть не ниже класса бетона этой конструкции.
При работах в зимних условиях марки растворов должны быть на одну ступень выше, чем растворов, используемых для этих же целей летом. Растворы для зимних работ могут выпускаться подогретыми. Температура раствора в момент его применения должна быть не менее 10° С.
В зимних условиях применяют также растворы, твердеющие при отрицательных температурах. В их состав входят соли, понижающие температуру замерзания воды (поташ К2СО3, хлорид натрия NaCl, хлорид кальция СаС12, нитрит натрия NaNO2 и др.). Например, при температуре от -10 до -20°С рекомендуется применять растворы с добавкой поташа (10% от массы вяжущего) или нитрита натрия (5% от массы вяжущего). При более низкой температуре добавки солей увеличивают.
При применении химических добавок к растворам следует руководствоваться специальными инструкциями.
5.3.4 Штукатурные растворы
При выборе штукатурных растворов можно руководствоваться следующими рекомендациями.
Для оштукатуривания наружных каменных и бетонных стен, в том числе подвергающихся увлажнению, применяют цементные и цементно-известковые растворы, для деревянных и гипсовых стен — известковые растворы с добавкой глины или гипсового вяжущего.
Для оштукатуривании стен в помещениях с влажностью воздуха во время эксплуатации не более 60 % используют следующие растворы:
• известковые и цементно-известковые — для внутренних поверхностей наружных каменных и бетонных стен, а также поверхностей бетонных покрытий;
• известковые - для поверхностей внутренних каменных или бетонных стен и перегородок;
• известково-гипсовые и гипсовые с добавлением наполнителя - для гипсовых перегородок.
Штукатурные растворы должны иметь хорошее сцепление с оштукатуриваемой поверхностью как после твердения, так и в момент нанесения. Последнее обеспечивается правильным составом растворной смеси и правильно выбранной подвижностью. В таком случае благодаря тиксотропным свойствам смеси она легко наносится и хорошо удерживается на вертикальных и потолочных поверхностях.
5.3.5 Специальные растворы
Кроме обычных штукатурных и кладочных растворов в строительстве используют много разнообразных растворов специального назначения: гидроизоляционных, теплоизоляционных, акустических, рентгенозащитных, кислотоупорных и т. п. Каждый из таких растворов является штукатурным раствором, выполняющим еще одну специальную функцию. Такие растворы используют для покрытия поверхностей специальных сооружений: хранилищ, отстойников, тоннелей и т. п.
Гидроизоляционные растворы — это, как правило, жирные цементные растворы (состава 1:1...1:3), приготовленные на специальных цементах или с добавками, снижающими до минимума капиллярную пористость и (или) придающими гидрофобные свойства растворам.
Растворы на расширяющихся и напрягающих (НЦ) цементах — наиболее распространенный простой по составу и надежный вид гидроизоляционных растворов. Минимальная пористость раствора достигается за счет эффекта расширения твердеющего цемента и связывание цементом большого количества воды затворения. При это расширение и уплотнение цементного камня идет тем интенсивнее чем больше на него действует вода из окружающей среды.
Растворы на жидком стекле дают не только водонепроницаемые, но и непроницаемые для нефтепродуктов покрытия. Чтобы получить водонепроницаемый раствор, жидкое стекло разводят в воде и этим составом затворяют сухую цементно-песчаную смесь. Затвердевая, жидкое стекло образует на поверхности штукатурного слоя водонепроницаемую пленку. Однако эта пленка может разрушаться под действием углекислого газа, содержащегося в воздухе, поэтому накрывку обычно выполняют жирным цементным раствором и поверхность железнят (посыпают сухим цементом и заглаживают).
Растворы с жидким стеклом схватываются уже через 1...2 мин после их затворения. Схватывание происходит тем быстрее, чем больше в растворе жидкого стекла. Поэтому приготовлять раствор надо малыми порциями, сразу же их используя. Быстрое схватывание растворов на жидком стекле позволяет заделывать ими такие трещины, из которых сочится вода.
Водонепроницаемые штукатурки получают также из растворных смесей с алюминатом натрия (Na2O • А12О3). Эти растворы используют реже, чем растворы на жидком стекле, так как они раздражающе действуют на кожу и слизистые оболочки. Растворы с алюминатом натрия применяют для заделки трещин в бетоне, через которые просачивается вода, для устройства водонепроницаемых штукатурок по сырым, невысыхающим поверхностям бетона и каменной кладки, а также для устройства водонепроницаемых цементных стяжек в санузлах.
Для приготовления штукатурных растворов сухую цементно-песчаную смесь состава 1:(2...3) затворяют 2...3 %-ным раствором алюмината натрия. Растворы эти приготовляют на портландцементе марки 400...500.
Растворы с органическими добавками. К таким растворам относятся полимерцементные растворы, содержащие 10... 15 % (в пересчете на сухое вещество) водных дисперсий полимеров (поливинилацетата–ПВА, синтетических каучуков, акриловых полимеров и др.). Такие растворы имеют высокую адгезию к любым основаниям и низкую проницаемость для воды, нефтепродуктов и других жидкостей.
Гидрофобизированные растворы получают, вводя в состав растворной смеси кремнийорганические полимерные продукты (например, ГКЖ-94).
Растворы для оштукатуривания печей. Кирпичные печи в большинстве случаев оштукатуривают глиняными растворами. Состав этих растворов зависит от жирности глины. Так, для глины средней жирности оптимальный состав раствора 1 : 2.
Лучшие результаты дают смешанные растворы с добавкой асбеста; например, глиноизвестковые или глиноцементные состава 1:1:2 с добавкой 0,1 ч асбеста. При составлении таких растворов асбест перемешивают с песком или с цементно-песчаной смесью. Затворяют смесь глиняным или известковым молоком.
Теплоизоляционные растворы получают, используя в качестве заполнителя пористые материалы (вспученный перлит, керамзитовый песок, опилки и т. п.). Составы и способы их приготовления не отличаются от составов и способов приготовления растворов с песчаным заполнителем; обычно несколько увеличивается время перемешивания.
Акустические растворы. Чтобы снизить шумы в помещениях, например, радиостудиях, их стены оштукатуривают акустическими растворами. Для этого применяют легкие растворы плотностью 600... 1200 кг/м3, заполнителем в которых служат пористые пески крупностью 3...5 мм, получаемые из пемзы, шлаков, вспученного перлита, керамзита и др. Так, например, производят сухие гипсоперлитовые смеси для устройства теплоизоляционных и акустических штукатурок. В состав таких смесей входят песок из вспученного перлита, гипс и замедлитель схватывания.
Огнезащитные растворы имеют состав, аналогичный акустическим и теплоизоляционным растворам, но с добавлением асбеста или минераловатных гранул. В качестве связующего рекомендуется гипсовое вяжущее.
Ренттенозащитные растворы. Это тяжелые растворы с плотностью более 2200 кг/м5, применяемые для оштукатуривания рентгеновских кабинетов и помещений, в которых ведутся работы, связанные с рентгеновским или ?-излучением. Такая штукатурка заменяет обшивку свинцовыми листами. В качестве вяжущих материалов используется портландцемент или шлакопортландцемент и специальные тяжелые заполнители — барит, железные руды — магнезит, лимонит и т. п. в виде песка и пыли крупностью не более 1,25 мм.
Кислотоупорные растворы. Это растворы на кислотоупорном жид-костекольном вяжущем, применяемые для устройства антикоррозионных покрытий конструкций, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию кислот.В кислотоупорные растворы кроме песка вводят тонкомолотый наполнитель - порошок из кислотостойких пород (андезита, диабаза). В наполнителе должно быть не менее 70 % зерен размером до 0,075 мм.
В качестве отвердителя растворов на жидком стекле применяют мелко измельченный кремнефтористый натрий, в количестве около 15 % от массы жидкого стекла.

Приложенные файлы

  • docx 18814143
    Размер файла: 69 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий