Бетон

• Общие сведения
• Основные свойства
• Бетоны и цементы для них
• Современные бетоны

Общие сведения

Бетон - это искусственный каменный материал, полученный в результате твердения рационально подобранной смеси вяжущего, заполнителя и воды. 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.

Бетон как строительный материал известен с давних времен. Еще за 2600 лет до н. э. с применением бетона были построены, например, галереи египетского лабиринта. Бетонные конструкции использовались для возведения куполов, массивных ирригационных сооружений в государстве Урарту (VIII в. до н. э.). В Римской империи бетон использовали для сооружения храмов, мостов и акведуков. Например, храм Пантеон перекрыт бетонным куполом, диаметр которого составляет 42,7 м.

На ранней стадии применения бетона вяжущими материалами были глина, гипс, известь, битумы. В XVIII-XIX вв. начали применять гидравлическую известь, романцемент, а затем и портландцемент.

В настоящее время бетон и железобетон являются основными строительными материалами. Как показывают долгосрочные прогнозы, бетонные и железобетонные конструкции сохранят свое доминирующее значение и в будущем. В общей стоимости материальных ресурсов, стоимость бетонных и железобетонных конструкций составляет около 25%, в то время как на стальные конструкции расходуется немногим более 3%, а на продукцию лесной и деревообрабатывающей промышленности - 13,5%.

Бетоны классифицируют по различным признакам: плотности, крупности заполнителей и их содержанию в бетоне, виду вяжущего, назначению и т. д.

По плотности различают бетоны:
  особо тяжелые с плотностью более 2500 кг/м³;
  тяжелые - 1800-2500 кг/м³;
  легкие - 500-1800 кг/м³;
  особо легкие - менее 500 кг/м³.
Особо тяжелые бетоны приготавливают на тяжелых заполнителях - стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магне-титовый бетоны) или барите (баритовый бетон) и используют для специальных конструкций. В строительстве наиболее широко используют обычный тяжелый бетон с плотностью 2100-2500 кг/м³ на плотных заполнителях из горных пород (граните, известняке, диабазе и др.). Облегченный бетон с плотностью 1800-2000 кг/м получают на щебне из горных пород с плотностью 1600-1900 кг/м или без песка (цементное тесто и крупный заполнитель - такой бетон называют крупнопористым). Легкие бетоны производят на пористых заполнителях (керамзите, аглопорите, вспученном шлаке, пемзе, туфе и Др.). К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны, которые получают вспучиванием смеси вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов (газобетон, пенобетон), и крупнопористый бетон на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем по существу является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.

По крупности заполнителя и его содержанию в бетоне различают: крупнозернистые бетоны, в которых максимальная крупность заполнителя превышает 10 мм; мелкозернистые бетоны с заполнителем крупностью до 10 мм преимущественно в виде крупного песка с хорошо подобранным зерновым составом; крупнопористые (беспесчаные) бетоны с одним только крупным заполнителем и малощебеночные с небольшим его содержанием.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны: цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, поли-мербетоны, полимерцементные бетоны.

Цементные бетоны приготовляют на различных цементах. Среди них основное место занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), успешно используют бетоны на шлакопортландцементе (около 20-25%) и пуццолановом цементе. К разновидностям цементных бетонов относят: декоративные бетоны, изготовляемые на белом и цветных цементах; бетоны для самонапряженных конструкций, изготовляемые на напрягающем цементе; бетоны для специальных целей, изготовляемые на особых видах цемента - глиноземистом, безусадочном и т.д.

Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.

Гипсовые бетоны применяют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементопуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью и более широкой областью применения (объемные блоки санузлов, конструкции малоэтажных домов и другие элементы).

В качестве вяжущего шлакощелочных бетонов используют молотые шлаки, затворенные щелочными растворами.

Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные и др.), или мономеры, например фурфу-ролацетоновый, отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация и т.д.).

Бетоны на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества, называют полимерцементными. В качестве полимера используют, например, водорастворимые смолы и латексы. Свойства бетонов на неорганических вяжущих можно улучшать путем пропитки мономерами с последующим их отверждением в порах и капиллярах бетона. Подобные материалы называют бетоно-полимерами.

Для специальных целей используют кислотоупорные бетоны приготовляемые на жидком стекле с кремнефтористым натрием и жаростойкие - на фосфатной связке и другие бетоны на специальных вяжущих веществах, придающих бетону особые свойства или получаемых с использованием отходов промышленности, что имеет важное значение для охраны окружающей среды. В качестве специальных вяжущих используют магнезиальные, стеклощелочные нефелиновые и другие вяжущие.

В зависимости от области применения различают: обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостовых конструкций и т. д.); гидротехнический (для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализа-ционных сооружений и т. п.); бетон для ограждающих конструкций {легкий бетон для стен зданий); бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий; бетоны специального назначения, например жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты и др.

В зависимости от назначения бетоны должны удовлетворять определенным требованиям. Бетоны для обычных железобетонных конструкций должны иметь заданную прочность, главным образом при сжатии. Для конструкций, находящихся на открытом воздухе, важна еще морозостойкость. Бетоны для гидротехнических сооружений должны обладать высокой плотностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью, достаточной прочностью, малой усадкой, стойкостью против выщелачивающего действия фильтрующих вод, в ряде случаев стойкостью по отношению к действию минерализованных вод и способностью незначительно выделять тепло при твердении. Бетоны для стен отапливаемых зданий и легких перекрытий должны обладать необходимыми прочностью, плотностью и теплопроводностью. Бетоны для полов - малой истираемостью и достаточной прочностью при изгибе, а бетоны для дорожных и аэродромных покрытий - еще и морозостойкостью.

Получить бетон, удовлетворяющий всем поставленным требованиям, можно при правильном проектировании состава бетона, надлежащем приготовлении, укладке и уплотнении бетонной смеси, а также при необходимом выдерживании бетона в начальный период его твердения.

Бетон как строительный материал имеет ряд положительных особенностей и, прежде всего, высокое сопротивление сжимающим нагрузкам. Однако применение его в несущих конструкциях ограничено сравнительно низкой прочностью при растягивающих напряжениях. Прочность бетона при растяжении примерно в 10-15 раз меньше прочности при сжатии. Устранение этого недостатка й значительное расширение возможностей бетона как конструктивного материала достигается армированием его стальной арматурой.

Бетон в соединении с металлом - железобетон обладает высокой прочностью при сжатии, растяжении и изгибе. Имея примерно одинаковый со сталью коэффициент линейного расширения, бетон прочно сцепляется с арматурой, надежно защищает ее от коррозии. В настоящее время железобетонные конструкции широко применяют для покрытий, перекрытий и стен промышленных, жилых и общественных зданий, в несущих каркасах зданий, а также в инженерных сооружениях, в транспортном, мелиоративном и гидротехническом строительстве. Железобетонные изделия классифицируют по способу армирования (ненапряженные и предварительно напряженные), конструктивному решению (одно- и многослойные, цельные или составные и т. д.), типоразмерам, назначению.

По способу производства железобетонные конструкции бывают монолитными, сборными и сборно-монолитными. Монолитные конструкции возводят в опалубке непосредственно при строительстве сооружений, а сборные монтируют из элементов, предварительно изготовленных на заводах или полигонах. Сборный железобетон - главный конструктивный материал в современном строительстве. Применение его позволяет вести монтаж зданий и сооружений скоростными, индустриальными методами, экономить металл, древесину и другие материалы.

Основные свойства

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 их 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 Б. 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 и б - 0,45-0,50 - коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей.

Для установления марки бетона гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 сут. Срок выдержки и условия твердения образцов бетонов сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых бетонов принимают временное сопротивление в кгс/см² на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см² " 0,1 Мн/м²). Особо тяжёлые бетоны имеют марки от 100 до 300 (~10-30 Мн/м²), тяжёлые бетоны - от 100 до 600 (~10-60 Мн/м²). Марки высокопрочных бетонов - 800-1000 (~80-100 Мн/м²). Применение высокопрочных бетонов наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5-20 Мн/м²),высокопрочные бетоны - до 400 (~40 Мн/м²),крупнопористые бетоны - от 15 до 100 (~1,5-10 Мн/м²), ячеистые бетоны - от 25 до 200(~2,5-20 Мн/м²), особо лёгкие бетоны - от 5 до 50 (~0,5-5 Мн/м²). Прочность бетона на осевое растяжение ниже прочности бетона на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к бетонам дорожных и аэродромных покрытий. К бетонам гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов. К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов, - требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного бетона учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых бетонов - также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции. Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см)стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего - 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б.Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек, необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов. Градации подвижности бетонной смеси приводятся в табл.

Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки бетона. Наряду с ценными конструктивными свойствами бетон обладает также и декоративными качествами. Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру бетона; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности бетона. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из бетона усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств бетона используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

Бетоны и цементы для них

Бетон для изготовления железобетонных конструкций различного назначения до 90-х годов прошлого века выпускался в основном класса по прочности на сжатие В25 (средняя прочность при коэффициенте вариации 13,5% - 327 кгс/см³), редко В30 (393 кгс/см³) и ещё реже В35 (458 кгс/см²).

После перехода экономики на рыночные отношения структура бетонов по классам по прочности на сжатие начала изменяться, за счёт увеличения доли выпуска бетонов классов по прочности В35, В40, В45, В50, В60 и даже выше, что было вызвано потребностями строительного рынка - ростом этажности домов и увеличением нагрузки на несущие конструкции. Увеличение объёмов производства высокопрочных бетонов повлекло за собой более пристальное внимание к качеству и техническим характеристикам основного компонента бетона - цемента.

До середины 90-х годов цементы типа ПЦ Д0 выпускали в количестве 8,0% от всего объёма производства. В 2004-2007 гг. этот тип цемента выпускался уже в объеме до 32,5%, т.е. произошло перераспределение по типам выпуска цементов в сторону увеличения бездобавочных цементов.

В связи с готовящимся вступлением России во Всемирную торговую организацию или ВТО в 2003 г. вышли новые стандарты на цементы - ГОСТ 31108 "Цементы общестроительные. Технические условия" вместе с ГОСТ 30744-2001 "Цементы. Методы испытаний с использованием полифракционного песка", гармонизированные с аналогичными евростандартами.

В 2008 г. ряд заводов по производству цемента начали выпускать цементы, соответствующие требованиям ГОСТ 31108.

Одновременно, переход на производство цемента по ГОСТу 31108 породил целый ряд проблем у потребителей цемента - заводов по производству бетона.

Например, потребитель, получает партию цемента для производства бетона с паспортом по ГОСТ 31108, в котором написано СЕМ I 42,5. При этом разрешенный диапазон изменения прочности этого цемента на сжатие, согласно ГОСТ 31108, может быть в пределах 42,5-62,5 МПа.

Такой широкий диапазон изменения прочности цементов, как мы видим, разрешает выпускать цементы с переменными прочностными показателями, следствием чего могут быть нестабильные показатели прочности бетона.

На бетонном заводе расход цемента на единицу объема бетона заданного класса по прочности определяется в прямом подборе. Показатель прочности (активности) цемента, поставляемого по ГОСТ 10178 известен изготовителю бетона в виде конкретной величины и расход цемента указан в производственных нормах. "Плавающая" прочность цемента, разрешенная ГОСТ 31108 будет вынуждать изготовителя бетона принимать "в запас" ее минимальное значение , т.е. в нашем примере 42,5 МПа, что для высокопрочных бетонов неизбежно будет приводить, или к перерасходу цемента, или к не обеспечению средней прочности класса. При нынешних ценах на цемент это оборачивается денежными потерями и выпуском бракованной продукции. Практика показывает, что заводы - производители бетона, используя цемент по ГОСТ 31108 одной видо-марки с одного завода - производителя получают прочность бетона с коэффициентом вариации по прочности 13 % и выше. Для сравнения, коэффициент вариации прочности бетонов, составы которых подобраны на цементах производимых на соответствие ГОСТ 10178, обычно всегда ниже 10%. Поэтому основная задача, которая стоит перед производителями цемента, перешедшими на его выпуск по ГОСТ 31108, это выпуск цемента со стабильными показателями качества.

На переходный период, а он должен быть не менее 5-10 лет, следует обязать цементные заводы выпускать цемент с двумя паспортными показателями по прочности: марку по ГОСТ 10178 и класс по ГОСТ 31108.

Европейская практика подтверждает возможность продажи цемента, имеющего два паспорта на одну партию.

Современные бетоны

Одна из актуальнейших проблем современного бетоноведения - применение и совершенствование нового поколения бетонов, получивших в мировом научном сообществе название "High Performance Concrete".

Появление таких бетонов открыло новую эру в строительстве. Их уникальные свойства: высокая прочность и коррозионная стойкость, водонепроницаемость и морозостойкость, регулируемая деформативность - позволили реализовать такие строительные проекты, о которых еще сравнительно недавно трудно было даже мечтать. Достаточно упомянуть мост через пролив Акаси в Японии с центральным пролетом в 1990 м, туннель под Ла-Маншем, 125-этажный небоскреб высотой 610 м в Чикаго и т. п.

Высококачественные бетоны обеспечивают высокие гарантированные параметры эксплуатационной надежности зданий и сооружений в условиях сложных воздействий окружающей среды и нагрузок, значительно сокращают сроки строительства и уменьшают инвестиционные риски. Все это крайне важно для страховых компаний и других финансовых участников, вовлеченных в процесс современного строительства.

Широкая номенклатура созданных учеными и специалистами эффективных материалов и выявленных технологических приемов позволили в 80-90-х годах с использованием опытных, опытно-промышленных установок и стендов, а также в условиях промышленного производства отработать принципиально новые эффективные технологические схемы получения новых видов бетонов с широким диапазоном эксплуатационных характеристик за счет варьирования в широких пределах вида сырьевых материалов (вяжущих и заполнителей), разновидностей, способа и стадии введения химических модификаторов и активных минеральных добавок, оптимизации состава многокомпонентного бетона и целенаправленного управления технологией.

В российском бетоноведении под высококачественными бетонами понимают легко укладываемые бетоны на гидравлических вяжущих, сочетающие высокие показатели прочностных свойств (классы по прочности на сжатие от В 40 и выше до В 90, что соответствует маркам по прочности М600-М1200 и более) и темпов твердения (прочность в возрасте суток естественного твердения не менее 25-30 МПа) с требуемыми показателями строительно-технических свойств, в том числе:
  - водонепроницаемость W 12 и выше;
  - морозостойкость F 400 и выше;
  - истираемость не более 0,3-0,4 г/см²;
  - водопоглощение 1-2,5 мас %;
  - высокая сопротивляемость проникновению хлоридов;
  - высокая газонепроницаемость;
  - регулируемые показатели деформативности (в том числе компенсация усадки бетона в возрасте 14-28 сут естественного твердения).

Впервые в отечественной практике строительства были получены и применены высокопрочные и быстротвердеющие бетоны с прочностью на сжатие до 200 МПа, сочетающие высокие показатели морозостойкости (F 1000 и выше) и водонепроницаемости (W 20 и более) со стабильностью объема и повышенной стойкостью к различным агрессивным воздействиям и высокими декоративными свойствами. Разрабатывались данные бетоны специалистами НИИЖБа совместно с привлеченными организациями.

В 1985-1998 гг. разработаны:
  - теоретические основы получения эффективных высококачественных бетонов различного назначения и повышения эксплуатационной надежности путем управляемого структурообразования на всех этапах производства за счет использования композиционных вяжущих веществ, применения комплексных химических модификаторов и активных минеральных компонентов;
  - полифункциональные химические модификаторы бетона различного назначения (суперпластификаторы, пластификаторы, регуляторы твердения и структуры бетона и др.), оптимизированы составы и условия их применения в зависимости от требуемого технического эффекта и способа введения, в том числе при приготовлении бетонных смесей или на стадии получения композиционных вяжущих;
  - составы, технология применения широкой гаммы активных минеральных компонентов, в том числе конденсированного микрокремнезема и расширяющих добавок, используемых как при приготовлении бетонных смесей, так и при получении композиционных вяжущих и предназначенных для снижения расхода клинкерного компонента, повышения прочностных характеристик и коррозионной стойкости бетонов, повышения их водостойкости и трещиностойкости, компенсации усадочных деформаций и регулирования процессов структурообразования;
  - составы и технология получения композиционных вяжущих, предусматривающая механохимическую активацию компонентов в присутствии полифункциональных модификаторов и минеральных добавок с целью придания цементному камню специальных свойств: высокой прочности (от 60 до 120 МПа), ускоренных темпов твердения, высоких показателей по морозостойкости, сульфатостойкости, отсутствия деформаций усадки и др.

Впечатляет перечень объектов, на которых были применены высококачественные бетоны. Так, например, созданы промышленные образцы технологических комплексов, осуществлено опытное и опытно-промышленное внедрение, а также промышленное освоение различных видов бетонов, в том числе при изготовлении мостовых строений и монолитных конструкций транспортных сооружений из бетонов с повышенными эксплуатационными характеристиками (Московская кольцевая автодорога, транспортный туннель на Кутузовском проспекте, шумозащитные стены автострад и др.), в строительстве торгового комплекса "Смоленский Пассаж", современных офисных зданий (СДМ-Банк), жилых комплексов в Кунцево и Митино, при возведении памятника Петру I (фундаментная плита) и воссоздании горельефов Храма Христа Спасителя из архитектурного бетона, декоративных плитных изделий из высокопрочных бетонов, при производстве сборных железобетонных конструкций специальной и общестроительной номенклатуры по беспропарочной технологии с использованием композиционных вяжущих на заводе ЖБИ-100 (г. Иваново) и промышленном комбинате № 81 (г. Самара), при изготовлении объемно-каркасных модулей для многоэтажных зданий из бетонов с комплексными модификаторами на промышленном комбинате № 55 (Московская обл.). Высококачественные бетоны широко применяются при строительстве монолитных и сборно-монолитных специальных сооружений, покрытий аэродромов, взлетно-посадочных полос, монолитных конструкций стартовых комплексов для космических систем и других специальных объектов.

Следует подчеркнуть, что разработанная технология позволяет быстро осуществить диверсификацию производства и перейти на выпуск социально значимой продукции, что позволит обеспечить безопасность зданий и сооружений, повысить их архитектурную выразительность.

За 1985-1998 гг. в строительстве различных гражданских объектов и специальных сооружений с использованием новых бетонов изготовлено и применено более 1 млн м2 железобетонных конструкций и монолитного железобетона.

Экономический эффект разработки ученых определяется снижением материалоемкости, уменьшением энерго- и трудозатрат и применением техногенных отходов, значительным увеличением долговечности, и, как следствие, увеличением срока межремонтной эксплуатации и снижением эксплуатационных расходов, связанных с функционированием зданий и сооружений и с проведением ремонтных работ, что стало возможным благодаря обеспечению высоких, ранее недостижимых показателей эксплуатационной надежности бетона.

Представляется, что начатый рядом российских организаций комплекс работ имеет хорошую ближайшую перспективу. Развитие транспортного строительства, освоение новых месторождений нефти и газа, в том числе на морских шельфах в условиях воздействия соленых вод, волновых и ветровых нагрузок, увеличение объемов использования подземных пространств и строительство подземных "мини-городов", архитектурный железобетон - вот неполный, но весьма характерный перечень рациональных областей применения новых бетонов.