Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Бетон (от фр. bton) — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотнённой смеси из минерального (чаще всего это портландцемент) или органического вяжущего вещества, крупного или мелкого заполнителей, воды[1]. В ряде случаев может иметь в составе специальные добавки, а также не содержать воды (например, асфальтобетон).
В строительстве наиболее широко используют бетоны, изготовленные на цементах или других неорганических вяжущих. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в монолит.
На органических вяжущих веществах (битум, минеральные смолы) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов.
Содержание
История
Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами при раскопках в посёлке Лепенски Вир (Сербия), можно отнести к 5600 году до н. э. В одной из хижин древнего поселения из бетона, замешанного на гравии и местной извести, был изготовлен пол толщиной 25 см[2][3].
Широко бетон использовался в Древнем Риме[2]. Италия — вулканическая страна, в которой легко доступны компоненты, из которых может быть приготовлен бетон, включая пуццоланы и лавовый щебень. Римляне использовали бетон в массовом строительстве общественных зданий и сооружений, включая Пантеон, купол которого до сих пор является наиболее крупным в мире выполненным из неармированного бетона. При этом в восточной части государства эта технология не получила распространения, там в строительстве традиционно использовался камень, а затем и дешёвая плинфа — род кирпича.
Вследствие упадка Западной Римской империи широкомасштабное строительство монументальных зданий и сооружений сошло на нет, что сделало использование бетона нецелесообразным и в сочетании с общей деградацией ремесла и науки привело к утрате технологии его производства. В период раннего Средневековья единственными крупными архитектурными объектами были соборы, которые возводились из природного камня.
В середине XVIII века английский инженер Джон Смитон изобрёл способ изготовления цемента, способного твердеть под водой. Для этого он использовал известняк, содержащий глину. Он применил этот материал при строительстве маяка Эддистон в 1759 году[4]. Патент на «римский цемент» получил в 1796 году Джеймс Паркер[англ.]. Путём обжига смеси из глины и извести Паркер получил романцемент — первую в истории марку цемента. Смешанный в определённых пропорциях с гравием, песком и водой такой цемент и образовывал бетон.[5] В первой половине XIX века многими исследователями и промышленниками был разработан портландцемент современного типа. Патент на портландцемент получил в 1824 году Джозеф Аспдин[англ.], в 1844 году Исаак Чарльз Джонсон[англ.] улучшил портландцемент Аспдина. В 1817 году Луи Вика изобрёл цементный клинкер. Параллельно росту производства портландцемента происходило расширение использования цементных растворов и бетонов в строительстве.
Мировыми лидерами в производстве бетона являются Китай (430 млн м в 2006 г.)[6] и США (345 млн м в 2005 г.[7] и 270 млн м в 2008 г.)[6]. В России в 2008 г. было произведено 52 млн м бетона[6].
Классификация и виды бетона
Согласно ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования»[8] и ГОСТ 7473-2010 «Смеси бетонные. Технические условия»[9], классификация бетонов (за исключением бетонов на битумных вяжущих — асфальтобетонов) производится по основному назначению, виду вяжущего вещества, виду заполнителей, структуре и условиям твердения:
- По назначению различают:
- бетоны обычные (для промышленных и гражданских зданий)
- специальные — гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, а также бетоны специального назначения (химически стойкие, жаростойкие, звукопоглощающие, для защиты от ядерных излучений и др.).
- По виду вяжущего вещества различают цементные, известковые, силикатные, гипсовые, шлаковые (шлакощелочные и др.), специальные (полимербетоны, бетоны на магнезиальном вяжущем).
- По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых или специальных заполнителях.
- По структуре различают бетоны плотной, поризованной, ячеистой (ячеистый бетон) или крупнопористой структуры.
- По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие в естественных условиях, в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении или в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения).
- По средней плотности бетоны подразделяют на:
Значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении Eb приведены в таблице 6.11 СП 63.1330.2012, в E·10-3, МПа.[10]
Производство бетона
Цементобетон производится смешиванием цемента, песка, щебня и воды (соотношение их зависит от марки цемента, фракции и влажности песка и щебня), а также небольших количеств добавок (пластификаторы, гидрофобизаторы, и т. д.). Цемент и вода являются главными связующими компонентами при производстве бетона. Например, при применении цемента марки 400 для производства бетона марки 200 используется соотношение 1:3:5:0,5. Если же применяется цемент марки 500, то при этом условном соотношении получается бетон марки 350. Соотношение воды и цемента («водоцементное соотношение», «водоцементный модуль»; обозначается «В/Ц») — важная характеристика бетона. От этого соотношения напрямую зависит прочность бетона: чем меньше В/Ц, тем прочнее бетон. Теоретически для гидратации цемента достаточно В/Ц = 0,2, однако у такого бетона слишком низкая пластичность, поэтому на практике используются В/Ц = 0,3—0,5 и выше.
Распространённой ошибкой при кустарном производстве бетона является чрезмерное добавление воды, которое увеличивает подвижность бетона, но в несколько раз снижает его прочность, потому очень важно точно соблюсти водоцементное соотношение, которое рассчитывается по таблицам в зависимости от используемой марки цемента[11].
Заполнители бетона
В качестве заполнителя могут использоваться природные или искусственные сыпучие каменные материалы. Занимая в бетоне до 80—85 % его объёма, заполнители образуют жёсткий скелет бетона, уменьшая усадку и предотвращая образование усадочных трещин.
В зависимости от размера зёрен заполнитель делят на мелкий (песок) и крупный (щебень и гравий).
Заполнители самовосстанавливающегося бетона могут быть химические (на основе битума), и органические (капсулы с кальцийпродуцирующими бактериями). Такой самовосстанавливающийся бетон перспективен для строительства, например, мостов. Результаты испытаний показывают почти полное залечивание трещин в течение примерно 4 недель[12].
Подбор состава бетона
Одной из важнейших составляющих бетонной смеси является песок. Для приготовления бетона лучше использовать природный песок от среднего до крупного. Крупность песка и его соотношение с крупным заполнителем (щебнем или гравием в тяжёлом бетоне, керамзитом — в лёгком) в составе бетонной смеси влияет на подвижность и количество цемента. Чем мельче песок, тем больше требуется минерального заполнителя и воды. Важнейшим ограничением при использовании природного песка является ограничение на наличие в составе песка глины или глинистых частиц. На прочность бетона мелкие (глинистые) частицы влияют очень сильно. Даже незначительное их количество приводит к существенному снижению прочности бетона. Поэтому при отсутствии природного песка без глинистых частиц имеющийся в наличии песок улучшается (обогащается) с помощью следующих процедур: промывки песка; разделения песка на фракции в потоке воды; выделения из песка нужной фракции; смешивания песка, имеющегося в зоне выполнения работ, с привозным высококачественным песком.
После обогащения и подготовки песок должен удовлетворять условиям, определяемым так называемой стандартной областью просеивания. Зерновой состав, определяемый просеиванием песка через сита с разными отверстиями, должен укладываться в область, показанную на рисунке штрихами. Можно использовать песок с размерами частиц с учётом и не заштрихованной области, но только для бетонов марки 150 и ниже[13].
Вместо песка можно успешно использовать отходы производства металлургической, энергетической, горнорудной, химической и других отраслей промышленности[14].
Укладка, уплотнение, затвердевание
Бетонная смесь после приготовления и укладки должна быть как можно быстрее уплотнена. В процессе уплотнения избавляются от воздуха в воздушных карманах, а также перераспределяют цементное молоко для более плотного соприкосновения с твёрдыми фракциями бетона. Это приводит к повышению прочности готового бетона. Для уплотнения используется вибрация. При виброуплотнении в монолитном строительстве используют ручные вибраторы, в блочном — вибропрессы. Температура отвердевания — от +5 °C до +30 °C.
При бетонных работах возникают технологические остатки бетона в бетононасосе или миксере при их сливе на землю возникают локальные загрязнения. Для эффективного использования остатков бетона[15] возможно заранее подготовить небольшие формы.
Эксплуатационные свойства
Прочность на сжатие
Основной показатель, которым характеризуется бетон — прочность на сжатие. По ней устанавливается класс бетона.
Класс бетона В — это кубиковая (призменная) прочность в МПа, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (доверительной вероятностью) 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в пяти случаях можно ожидать его не выполненным.
Согласно СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», класс обозначается латинской буквой «B» и цифрами, показывающими выдерживаемое давление в мегапаскалях (МПа). Например, обозначение В25 означает, что стандартные кубики (100100100 мм), изготовленные из бетона данного класса, в 95 % случаев выдерживают давление 25 МПа. Для расчёта показателя прочности необходимо учитывать и коэффициенты, например, для бетона класса В25 по прочности на сжатие нормативное сопротивление Rbn, применяемое в расчётах, составляет 18,5 МПа, а расчётное сопротивление Rb — 14,5 МПа.
Возраст бетона, отвечающий его классу по прочности на сжатие и осевое растяжение, назначается при проектировании, исходя из возможных реальных сроков загрузки конструкции проектными нагрузками, способа возведения, условий твердения бетона. При отсутствии этих данных класс бетона устанавливается в возрасте 28 суток.
Наряду с классами, прочность бетона также задаётся марками, обозначаемыми латинской буквой «М» и цифрами от 50 до 1000, означающими предел прочности на сжатие в кгс/см. ГОСТ 26633-91 «Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия» устанавливает следующее соответствие между марками и классами при коэффициенте вариации прочности бетона 13,5 %:
| Класс бетона по прочности
|
Ближайшая марка бетона по прочности
|
Современное международное обозначение[16]
|
| B3,5
|
М50
|
—
|
| B5
|
М75
|
—
|
| B7,5
|
М100
|
—
|
| B10
|
М150
|
С8/10
|
| B12,5
|
М150
|
С10/12,5
|
| B15
|
М200
|
С12/15
|
| B20
|
М250
|
С16/20
|
| B22,5
|
М300
|
С18/22,5
|
| B25
|
М350
|
С20/25
|
| B27,5
|
М350
|
С22/27,5
|
| B30
|
М400
|
С25/30
|
| B35
|
М450
|
С28/35
|
| —
|
—
|
С30/37
|
| B40
|
М550
|
С32/40
|
| B45
|
М600
|
С35/45
|
| B50
|
М700
|
С40/50
|
| B55
|
М750
|
С45/55
|
| B60
|
М800
|
С50/60
|
| —
|
—
|
С55/67
|
| B70
|
М900
|
—
|
| —
|
—
|
С60/75
|
| B80
|
М1000
|
—
|
| —
|
—
|
С70/85
|
| B90
|
—
|
—
|
| —
|
—
|
С80/95
|
| B100
|
—
|
—
|
| —
|
—
|
С90/105
|
| B110
|
—
|
—
|
| B120
|
—
|
—
|
Из актуальной версии ГОСТ 26633-2015 данная таблица изъята.
До момента испытаний образцы бетона должны храниться в камерах нормального твердения, проверка прочности готовой конструкции может осуществляться неразрушающими методами контроля с помощью молотков Кашкарова, Физделя или Шмидта, склерометров различных конструкций, ультразвуковых приборов и других.
Удобоукладываемость
Согласно ГОСТ 7473-2010, по удобоукладываемости (обозначается буквой «П») различают бетоны:
- сверхжёсткие (жёсткость более 50 секунд);
- жёсткие (жёсткость от 5 до 50 секунд);
- подвижные (жёсткость менее 4 секунд, подразделяются по осадке конуса).
ГОСТ устанавливает следующие обозначения бетонных смесей по удобоукладываемости:
| Марка по удобоукладываемости
|
Норма по жёсткости, с
|
Осадка конуса, см
|
| Сверхжёсткие смеси
|
|
|
| СЖ3
|
Более 100
|
-
|
| СЖ2
|
51—100
|
-
|
| СЖ1
|
менее 50
|
-
|
| Жёсткие смеси
|
|
|
| Ж4
|
31—60
|
-
|
| Ж3
|
21—30
|
-
|
| Ж2
|
11—20
|
-
|
| Ж1
|
5—10
|
-
|
| Подвижные смеси
|
|
|
| П1
|
4 и менее
|
1—4
|
| П2
|
-
|
5—9
|
| П3
|
-
|
10—15
|
| П4
|
-
|
16—20
|
| П5
|
-
|
21 и более
|
Показатель удобоукладываемости имеет решающее значение при бетонировании с помощью бетононасоса. Для прокачки насосом используют смеси с показателем удобоукладываемости не ниже П2.
Другие важные показатели- Прочность на изгиб.
- Морозостойкость бетона — обозначается латинской буквой «F» и цифрами от 50 до 1000, означающими количество циклов замерзания-оттаивания, которые способен выдержать бетон.
- Водонепроницаемость — обозначается латинской буквой «W» и цифрами от 2 до 20, обозначающими давление воды, которое должен выдержать образец-цилиндр данной марки.
Для испытаний бетона на морозостойкость и водонепроницаемость используются испытательные климатические камеры.
Добавки для бетона
Применение добавок позволяет существенным образом влиять на смеси, бетоны и растворы придавая им специфические свойства. ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» предлагает следующую классификацию добавок:
- Добавки, регулирующие свойства бетонных и растворных смесей:
- пластифицирующие добавки повышают подвижность бетонной смеси, тем самым позволяя получить заданную консистенцию при меньшем расходе воды;
- водоредуцирующие добавки позволяют получить высокоподвижные смеси с низким водосодержанием, следовательно, с относительно небольшим объёмом цементного камня;
- стабилизирующие добавки обеспечивают сохранность консистенции, тем самым предотвращая расслоение смеси при укладке и уплотнении;
- добавки регулирующие сохраняемость подвижности смеси востребованы в жаркое время года, при необходимости длительной транспортировки смеси;
- добавки увеличивающие воздухо- (газо) содержание смеси или воздухововлекающие добавки повышают морозостойкость, водонепроницаемость и устойчивость к коррозии, но несколько снижают прочность будущей конструкции;
- Добавки, регулирующие свойства бетонов и растворов:
- регулирующие кинетику твердения бетона:
- замедлители применяют, когда возникает необходимость увеличить время до начала схватывания бетонной смеси в случае длительной транспортировки;
- ускорители сокращают время твердения бетона;
- повышающие прочность бетона — добавки этого типа увеличивают стойкость бетона к истиранию, ударам и раскалыванию;
- снижающие проницаемость — вещества, повышающие плотность структуры бетона;
- добавки повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре применяют для предотвращения коррозии при непосредственном контакте бетона с арматурой в железобетонных конструкциях;
- добавки повышающие морозостойкость увеличивают количество циклов попеременного замерзания и оттаивания бетона без потери прочностных свойств;
- добавки повышающие коррозионную стойкость бетона в условиях среды, вызывающей ухудшение свойств материала;
- расширяющие добавки применяют с целью компенсировать усадку бетона в процессе эксплуатации конструкции;
- Добавки, придающие бетонам и растворам специальные свойства:
- противоморозные добавки при растворении в воде сильно понижают температуру замерзания смеси, предотвращая её замерзание при транспортировке, а также препятствуют промерзанию свежеуложенного бетона в холодное время года;
- гидрофобизирующие добавки придают стенкам пор бетона водоотталкивающие свойства, увеличивая водонепроницаемость бетона, а также препятствует возникновению капиллярного эффекта;
- фотокаталитические добавки придают бетону свойства самоочищаться, в результате такой реакции происходит разложение практически любых встречаемых на стенах всякого сооружения загрязнений — пыли, плесени, бактерий, частиц выхлопных газов и т. д.
- Минеральные добавки для бетона:
- тип I — активные минеральные:
- обладающие вяжущими свойствами (например, микрокремнезем, метакаолин);
- обладающие пуццолановой активностью;
- обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью.
- тип II — инертные минеральные.
Обозначение бетонной смеси
Согласно ГОСТ 7473-2010, обозначение бетонной смеси должно состоять из:
- типа бетонной смеси (сокр. обозначение);
- класса по прочности;
- марки по удобоукладываемости,
- при необходимости, марки морозостойкости, марки водонепроницаемости, средней плотности (для лёгкого бетона);
- обозначение стандарта.
Например, готовая к применению бетонная смесь тяжёлого бетона класса по прочности на сжатие В25, марки по удобоукладываемости П3, морозостойкости F200 и водонепроницаемости W6 должна обозначаться как БСТ В25 П3 F200 W6 ГОСТ 7473-2010. В коммерческой практике принято также выделять в отдельную категорию высокопрочные спецбетоны ВС и бетоны с применением щебня мелкой фракции СМ (т. н. «семечка»).
Защита бетона
Гидроизоляционную защиту бетона подразделяют на первичную и вторичную. К первичной относят мероприятия, обеспечивающие непроницаемость конструкционного материала сооружения. Ко вторичной — дополнительное покрытие поверхностей конструкций гидроизоляционными материалами (мембранами) со стороны непосредственного воздействия агрессивной среды[17].
Меры первичной защиты предполагают использование материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость в агрессивной среде, а также обеспечивающих низкую проницаемость бетона. К мерам первичной защиты относятся также вопросы выбора рациональных геометрических очертаний и форм конструкций, назначение категорий трещиностойкости и предельно допустимой ширине раскрытия трещин, рассмотрение сочетания нагрузок и определение непродолжительного раскрытия трещин, назначение толщины защитного слоя бетона с учётом его непроницаемости. Также к первичной защите можно отнести применение интегральных капиллярных материалов — гидроизоляция строительными смесями проникающего действия. При этом уплотняется структура бетона и происходит увеличение водонепроницаемости, морозостойкости, прочности на сжатие и коррозионной стойкости на весь срок службы.
Задача вторичной защиты — не допустить или ограничить возможность контакта агрессивной среды и бетона. В качестве вторичной защиты используют обеспыливающие пропитки, тонкослойные покрытия, наливные полы и высоконаполненные покрытия. Чаще всего в качестве связующего материала при производстве полимерных составов применяются эпоксидные, полиуретановые и полиэфирные компоненты. Механизм защиты бетонного основания заключается в уплотнении поверхностного слоя и изоляции поверхности.
Проблема защиты бетона от химической и электрокоррозии стоит особенно остро для объектов железнодорожного транспорта, где блуждающие токи утечки сочетаются с агрессивным химическим воздействием.
Прогрев бетона зимой
Существенный недостаток бетона выявляется при строительстве в зимнее время, когда из-за низких температур прочность возводимых бетонных сооружений находится под угрозой. По этой причине возникает потребность в принудительном прогреве бетона.
Основные и дополнительные способы прогрева бетона[18]:
- Прогрев проводом. Доступный метод, который обеспечивает отличный прогрев помещения.
- Прогрев электродами. Обеспечивает быстрое нагревание в силу распространения сети электродов.
- пластинчатые электроды. Они соединяются с бетонным раствором изнутри — крепятся на опалубку. Передают тепло непосредственно бетону.
- полосовые электроды. Крепятся с обеих сторон.
- струнные электроды. Чаще используются в колоннах и крепятся в центральной части.
- стержневые электроды. Применяются там, где невозможно использование других электродов.
- Станция прогрева бетона. Используется в тех случаях, когда бетон планируется прогревать проводом. Мощность станции напрямую влияет на уровень прогрева бетона. Управляется вручную или автоматически.
- Греющая опалубка. Считается более выгодным и долгосрочным решением для обогрева бетона, чем прогрев при помощи проводов.
- Индукционный метод. При таком выборе важно строго рассчитать количество витков и соотнести их с объёмом металла конструкции.
- Инфракрасный метод. Эффективный и простой способ прогрева, но достаточно дорогостоящий.
- Бетонирование в тепляках и термоматы. Трудоёмкий и дорогой метод, который не подходит для больших помещений с колоннами. В таких случаях монолитные колонны или стены лучше защищать пологами, натянув их на строительные леса, поставить термогенераторы принудительного типа.
- Набор температуры влияет на набор прочности и сроки снятия опалубки, для этого в зимний период так же необходимо следить за температурой бетона на поверхности и внутри ядра. Поэтому в конструкции делают термоскважины или монтируют термопары. При демонтаже опалубки разница температур окружающей среды и ядра бетонной конструкции не должна превышать 15 градусов.
См. также
Примечания
- Баженов Ю. М. Технология бетона. — М.: Издательство АСВ, 2002. — 500 с. — ISBN 5-93093-138-0.
- 1 2
- Существует мнение, что природный цемент и бетон на его основе использовался при строительстве храмового комплекса Гёбекли-Тепе, возраст которого оценивается в 12 тыс. лет. В Сирии и Иордании сохранились подземные резервуары для воды из природного бетона, датируемые восьмым тысячелетием до н. э. // «The hidden strengths of unloved concrete» Архивная копия от 16 января 2017 на Wayback Machine, BBC News, 16.01.2017.
- История бетона (неопр.). Дата обращения: 12 октября 2023. Архивировано 4 октября 2023 года.
- Из истории появления бетона и бетономешалок (неопр.). ipcmagazine.ru. Дата обращения: 5 октября 2023. Архивировано 23 октября 2022 года.
- 1 2 3 Бетонная статистика: сравнение стран Европы, России и США (неопр.). Дата обращения: 5 марта 2010. Архивировано 15 марта 2010 года.
- European Ready Mixed Concrete Industry Statistics based on the Y2007 production data Архивировано 26 марта 2012 года.
- ГОСТ 25192-2012 Бетоны. Классификация и общие технические требования (рус.). Дата обращения: 21 сентября 2021. Архивировано 21 сентября 2021 года.
- ГОСТ 7473-2010 Смеси бетонные. Технические условия (рус.). Дата обращения: 14 января 2022. Архивировано 7 января 2022 года.
- NormaCS ~ СП 63.13330.2012 ~ Модуль упругости бетона СП 63.13330.2012. 10^-3 или 10^+3 ? (неопр.) Дата обращения: 15 мая 2023. Архивировано 15 мая 2023 года.
- Изготовление бетона своими руками, водоцементное соотношение, пропорции (неопр.). Дата обращения: 4 марта 2014. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года.
-
- П. П. Бородавкин Зерновой состав песка для приготовления бетонной смеси (недоступная ссылка)
- Туркина И. А. Бетоны на отходах производства // Технологии бетонов. — 2013. — № 8 (85). — С. 42—44.
- Куда деть остатки бетона из бетононасоса и миксера? (рус.) Дата обращения: 15 июня 2021. Архивировано 5 января 2022 года.
- Классы бетона по прочности (неопр.). Дата обращения: 22 августа 2021. Архивировано 22 августа 2021 года.
- А. Н. Клюев, В. Б. Семёнов. Бесцементный бетон на основе щёлочесодержащих отходов нефтехимической промышленности Архивировано 3 апреля 2008 года.
- Прогрев бетона зимой: основные способы Архивировано 3 сентября 2014 года.
Литература- Бетон // Военная энциклопедия : [в 18 т.] / под ред. В. Ф. Новицкого … []. — СПб. ; [М.] : Тип. т-ва И. Д. Сытина, 1911—1915.
- Мощанский Н. А.. Плотность и стойкость бетонов. — М.: Госстройиздат, 1951. — 175 с.
- Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В. Строительные материалы : учебник для студентов ВО, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство / АНО ДПО Техническая академия Росатома. — СПб., 2019. — ISBN 978-5-906580-11-5
- Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В., Сучков В. П. Гидравлические вяжущие. Бетоны. Строительные растворы : учебное пособие / АНО ДПО Техническая академия Росатома. — СПб., 2019. — ISBN 978-5-906580-06-1
|
|