Основные свойства и назначение бетонных изделий

Строительство – не только самая перспективная и прибыльная отрасль, но и самая ответственная. От качества проводимых работ зависит надёжность готового здания. Залогом хорошей работы является не только опыт, но и материал высокого качества, в частности – бетон.

Считается, что бетонные изделия являются вечными, так как они обладают рядом отличных свойств, таких как прочность, устойчивость к внешним воздействиям и влаге, возможность создания любой необходимой формы, экологичность, пожароустойчивость. [1]

Также к преимуществам бетонных изделий относятся большая несущая способность, что позволяет использовать их в многоэтажном и особо ответственном строительстве; относительная дешевизна; простота и скорость монтажа; высокие показатели морозостойкости и водонепроницаемости и др. [2]

Бетонами называются искусственные каменные материалы, получаемые при затвердевании тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, мелкого и крупного заполнителей, затворителя (воды), взятых в определенных количествах. До затвердевания эта смесь называется бетонной. [3]

В общем случае бетон состоит из следующих компонентов:

- цемент

- вода

- мелкий заполнитель (песок)

- крупный заполнитель (щебень, керамзит и т.д.).

При соприкосновении вода и цемент вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется своеобразный гель. В процессе перемешивания бетонной смеси этот гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет и образует цементный камень, скрепляющий зерна мелких и крупных заполнителей в монолитный материал – бетон. [2]

По назначению различают бетоны конструкционные и специальные. Конструкционные бетоны – большая часть бетонов, используемая для изготовления несущих и ограждающих конструкций всех зданий и сооружений. К ним предъявляются требования, характеризующие механические свойства, такие как морозостойкость, водонепроницаемость, стойкость против климатических воздействий и воздействий внешней среды и др.

Специальные бетоны – жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоляционные и др. – используются для возведения специальных конструкций или элементов конструкций. К ним, как можно судить по названию, в первую очередь предъявляются специальные требования, требования к механическим свойствам являются сопутствующими. [3]

Специальные бетоны предназначены для эксплуатации в особенных условиях: при повышенной влажности, сверхвысокой температуре, под воздействием кислот или радиоактивного излучения. [4]

Наиболее распространены в строительной практике цементные бетоны, обладающие комплексом ценных технических свойств: способностью твердеть и наращивать прочность как на воздухе, так и в воде, стойкостью ко многим агрессивным воздействиям, пригодностью к изготовлению разнообразных по форме и назначению конструкций и сооружений. Достоинством бетонов является возможность применения в них до 85-90% от массы дешевых местных заполнителей.

Для регулирования свойств бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, а также при необходимости изменяют в требуемом направлении и другие свойства бетона.

Основные свойства бетона – плотность, содержание связанной воды (для особо тяжёлых бетонов), прочность при сжатии и растяжении, морозостойкость, теплопроводность и техническая вязкость (жёсткость смеси). Прочность бетона характеризуется его маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых бетонов определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 100 или 200 мм, изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки. Для образцов монолитного бетона промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20°С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 сут. Прочность бетона в возрасте 28 сут. R₂₈ нормального твердения можно определять по формуле:

R₂₈ = aR_ц (Ц/В - б),

где R_ц - активность (прочность) цемента;

Ц/В - цементно-водное отношение;

а – 0,4-0,5; б – 0,45-0,50 – коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей. [5]

Бетонной смесью называют рационально подобранную и тщательно перемешанную смесь вяжущего, заполнителей, воды и, в необходимых случаях, специальных добавок. От свойств бетонной смеси, а также качества ее укладки и уплотнения во многом зависят основные свойства бетона. Для того, чтобы бетонная смесь легко укладывалась в опалубку (форму), хорошо уплотнялась и не расслаивалась при транспортировании, она должна обладать определенной подвижностью (текучестью) и пластичностью (связностью). Бетонные смеси с повышенным содержанием воды, обладающие способностью растекаться, перемещаться по наклонным желобам и трубам и заполнять форму под воздействием собственной массы, называют подвижными. Смеси с малым водосодержанием, приобретающие подвижность (текучесть) лишь при внешних механических воздействиях (например, вибрировании), получили название жестких.

Все качественные смеси должны обладать пластичностью, т.е. способностью деформироваться при транспортировании, укладке и уплотнении без разрывов и расслоения.

Подвижность в сочетании с пластичностью определяют удобоукладываемость смеси. [6]

Назначать классы прочности, морозостойкости и водонепроницаемости (т.е. марки бетона, которые будут использоваться) необходимо еще на этапе проектирования бетонных и железобетонных конструкций, учитывая все поставленные требования.

За единицу измерения бетона по прочности берут отношение сопротивления осевому сжатию (кгс/см²) эталонного образца. Для определения марки проводят испытания над бетонными образцами.

Для бетонных изделий, которые будут использоваться в условиях отрицательных температур, используют марки бетона с высокими показателями морозостойкости. Определяют морозостойкость путем испытаний: бетон попеременно замораживают и оттаивают, в зависимости от числа циклов бетон характеризуется определенным маркированием.

Водонепроницаемость бетона характеризуется путем одностороннего гидростатического давления (кгс/см²).

Одним из важнейших качеств бетона является однородность. Требование однородности предъявляются как с технической, так и с экономической точки зрения. Для определения однородности бетона определенной марки сверяют результаты исследований для эталонных бетонных образцов, проводимые за одинаковые отрезки времени в одинаковых условиях. На прочность бетонных образцов могут влиять различные факторы: качество цемента, пластификатора, точность дозирования составляющих, непосредственно процесс приготовления бетона и прочие факторы. Для производства товарного бетона с высоким уровнем однородности необходимо: автоматизировать производство, использовать только высококачественные составляющие и повышать технологический уровень. [7]

Теплопроводность – наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий. Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.

Ползучесть является полезным свойством бетона, так как способствует перераспределению напряжений. При отсутствии ползучести чрезмерные местные напряжения могли бы привести к разрушению конструкции. Это свойство особенно важно в железобетоне, так как в результате ползучести напряжения, возникшие в бетоне, передаются стальной арматуре. Большое значение ползучести состоит также и в том, что она уменьшает тенденцию к трещинообразованию в бетонных элементах с заделанными концами. Если такие элементы выполнены из железобетона, то обычная усадка бетона, происходящая при высыхании, сдерживается арматурой. Это приводит к образованию растягивающих напряжений в бетоне и при чрезмерном их развитии к растрескиванию. Пластическая деформация в этом случае уменьшает возможность трещинообразования.

Бетон является пористым материалом вследствие образования пустот во время или после его укладки. Как правило, для получения смеси с хорошей удобоукладываемостью необходимо, чтобы воды в ней было значительно больше количества, необходимого для реакции с цементом. После испарения избыточной воды в бетоне остаются воздушные поры. Кроме того, при реакции между цементом и водой происходит уменьшение абсолютного объема бетона: схватившееся цементное тесто занимает меньший объем, чем свежее, независимо от водоцементного отношения. В дополнение к порам, образовавшимся в результате испарения воды, в бетоне всегда образуются поры вследствие захвата воздуха во время его укладки.

Долговечность бетона. Срок службы бетона обычно сокращается из-за разрушающих действий следующих факторов:

1) выветривания под действием дождя и холода и в результате многократного расширения и сжатия при увлажнении и высыхании;

2) химической агрессии морской воды, болотных и сточных вод, растительных и животных масел и жиров, молока, сахара;

3) истирания вследствие движения пешеходов и транспорта, ударного действия волн и влияния частиц, переносимых водой и воздухом.

Выветривание под действием дождя и холода зависит главным образом от степени водонепроницаемости или проницаемости бетона, так как агрессия углекислоты и других кислот, присутствующих в дождевой воде, и разрывающее действие замерзшей воды связаны с проникновением воды в толщу бетона. Количество цемента в бетоне почти не влияет на его сопротивляемость выветриванию, если только этого количества достаточно для полного заполнения пустот между частицами заполнителя.

Предел прочности бетона на сжатие. Изменяя отношение между количеством воды и количеством цемента в смеси, т.е. водоцементное отношение, можно получить бетон с любой прочностью на сжатие, вплоть до 700 кг/см². На строительных площадках при приготовлении бетонной смеси на месте (в пропорции цемент — песок — гравий 1:2:4) обычно прочность бетона на сжатие в возрасте 28 дней получается порядка 210—490 кг/см². В некоторых готовых бетонных деталях, например, железнодорожных шпалах, изготовляемых из жирных смесей с более низким водоцементным отношением, прочность на сжатие в возрасте 28 дней получается в пределах 420—700 кг/см².

Сопротивление истиранию непосредственно связано с прочностью бетона на сжатие. Бетон, обладающий высокой прочностью на сжатие, как правило, имеет высокую сопротивляемость истиранию. Испытание бетона на этот вид сопротивления производится путем истирания его стальными шарами в течение 48 часов и последующего определения потери веса.

Самозалечивание бетона. Результаты многих испытаний показывают, что тонкие трещины в бетоне могут при определенных условиях влажности полностью залечиваться. Очевидно, в результате возникновения трещины открываются частицы цемента, не вступившие в гидратацию, которые в присутствии влаги гидратируются и заполняют трещину. [8]

Отношение к действию высоких температур. Бетон – огнестойкий материал, выдерживающий высокие температуры во время пожара. Огнестойкость бетона позволяет применять его для устройства дымовых труб промышленных печей, их фундаментов.

Огнестойкость бетона зависит не только от вида цемента, но и природы заполнителей. Если в качестве заполнителей применяют горную породу, в состав которой входит кристаллический кварц, то при температуре около 600°С в бетоне могут появиться трещины вследствие значительного увеличения объема кварца.

При проектировании бетонных конструкций, подвергающихся длительному воздействию температур, необходимо учитывать, что при температуре 150...250°С прочность бетона на портландцементе снижается на 25%. При нагревании бетона выше 500 °С и последующем увлажнении он разрушается.

Для строительных конструкций, подвергающихся длительному воздействию высоких температур (свыше 200 °С), применяют специальный жаростойкий бетон. [9]

В заключение хотелось бы рассмотреть основными направлениями развития технологии железобетонных изделий:

1) улучшение технологии производства железобетонных изделий за счёт совершенствования процессов приготовления бетонной смеси, разработки эффективных методов формования и тепловлажностной обработки, использования новых составов бетонных смесей и видов армирующих каркасов и сеток, малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии);

2) увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству железобетонных изделий (эволюционное развитие технологии);

3) повышение уровня механизации и автоматизации трудоёмких стадий производства железобетонных изделий (рационалистическое развитие технологии). [10, с. 306]