ЦЕМЕНТНЫЙ БЕТОН

• Общее описание
• Приготовление бетонной смеси
• Созревание бетона
• Бетонные работы зимой
• Долговечность бетонных сооружений
• Дорожные покрытия из бетона

Общее описание

Бетонами называют искусственные материалы, получающиеся в результате склеивания (скрепления) естественных каменных материалов - песка и гравия или щебня - в монолитный прочный камень. Бетоны различаются по вяжущему веществу, которым скрепляются зерна естественных каменных материалов. Наибольшее распространение имеет цементный бетон, в котором вяжущим веществом являются цементы. В дорожном строительстве широко применяются асфальтобетон и дегтебетон; в них вяжущим служат битумы и дегти. Существуют и другие виды бетонов: гипсобетон, известковый бетон и т. п.

Наша брошюра посвящена описанию свойств цементного бетона. В дальнейшем мы будем его называть просто бетоном.

Бетон - широко распространенный строительный материал. Сооружения из него можно часто видеть и на дорогах.

По внешнему виду бетонное сооружение, будь то опора моста, водопропускная труба или бетонное покрытие дороги, производит впечатление выполненного из серого камня. Со словом "камень" у нас обычно связано представление о мертвом, неподвижном материале, не изменяющем своих свойств в течение десятилетий и веков.

Представление о цементном бетоне, как о таком камне, правильно только с внешней стороны. На самом деле бетон - это искусственный камень, в котором непрерывно идут процессы развития, роста, старения, камень, который растет, крепнет, стареет и умирает. Действительно, основной особенностью цементного бетона по сравнению с другими камнями является формирование его свойств непосредственно на строительной площадке - в конструкции. Уже это придает всем работам, которые ведутся с бетоном, своеобразный характер. Бетон нужно не только приготовить, но и уплотнить, а затем создать такие условия, при которых он приобрел бы высокую прочность.

Цементное тесто в составе бетона, затвердевая, скрепляет, склеивает отдельные песчинки, отдельные щебенки в монолит, обладающий высокой прочностью, зависящей от прочности цементного камня, прочности каменных материалов и прочности сцепления цементит и камня с каменными материалами.

Смесь цемента, воды и песка называется растворной смесью, а после затвердевания - раствором. Смесь цемента, воды, песка и щебня или гравия в подвижном состоянии именуется бетонной смесью. Затвердевший камневидный материал, как было сказано выше, называется бетоном.

Приготовление бетона на строительной площадке ведется строителями; поэтому они имеют возможность влиять на свойства бетона в процессе его изготовления, имеют возможность регулировать свойства получаемого материала.

Основное свойство всякого строительного материала это его прочность.

Бетон обладает высокой прочностью, в особенности при сжатии. Бетонный кубик со стороной 10 сантиметров может выдержать нагрузку в 20-40 тонн, т. е. вес товарного вагона. Современные бетоны имеют еще большую прочность, выдерживая нагрузку в 500-600 килограммов на каждый квадратный сантиметр площади. Прочность бетона на растяжение значительно меньше. Если образец или конструкцию из бетона растягивать, то разрушение произойдет при усилиях в 10-15 раз меньших, чем при сжатии. В этом отличие свойств бетона от стали и других металлов, имеющих примерно одинаковую прочность и при растяжении и при сжатии.

Многие строительные конструкции при работе подвергаются действию изгибающих сил. В этом случае в сопротивлении бетона действию разрушающих сил основное значение имеет прочность его на растяжение.

Открытие и широкое применение в строительстве нового материала - железобетона устранило недостатки бетона как конструктивного материала. Железобетон завоевал прочное место в современном строительстве. В нем свойства бетона - большая прочность при сжатии, стойкость к действию воды и воздуха, огнестойкость - сочетаются с такими свойствами стали, как прочность при растяжении, упругость. В железобетонных конструкциях, там, где эти конструкции подвергаются действию растягивающих сил, установлены стальные стержни, которые и воспринимают действие этих сил. Количество стали и ее расположение в бетоне определяются расчетом. На рис.1 показано, как бетон и сталь совместно работают в новом материале - железобетоне.

Рис.1. Примеры для сравнения свойств бетона и железобетона

Железобетон в настоящее время распространен очень широко; из него возводятся плотины и мосты, дорожные покрытия автомобильных магистралей и покрытия взлетно-посадочных площадок для самолетов, строятся тоннели, трубы, резервуары, изготовляются конструкции жилых и промышленных зданий (колонны, балки, плиты перекрытий, лестницы и др.) и даже речные и морские суда. Бетон совершенно без стали, или, как ее называют, "арматуры", применяется теперь редко, но свойства цементного бетона во многом определяют и свойства железобетона.

В дорожном строительстве применение бетона быстро растет, поэтому каждый строитель-дорожник должен хорошо знать свойства этого материала.

Бетон обладает высокой стойкостью к таким природным воздействиям, как увлажнение и высушивание, охлаждение и нагревание, замораживание и оттаивание, истирание и размывание. Он является незаменимым материалом для долговечных сооружений, которые должны существовать десятки и сотни лет.

Важное преимущество бетона - это возможность использования местных материалов для его изготовления. Только одну десятую часть бетона (по весу) составляет искусственный материал - цемент, остальные девять десятых - это естественные каменные материалы и вода, которые нужно только добыть и доставить на место строительства.

Ни в какое сравнение нельзя поставить бетон с древесными материалами, которые разрушаются в результате гниения, легко загораются и непригодны поэтому для возведения долговечных сооружении. Сталь сравнительно быстро разрушается под действием влажного воздуха. Она не может быть использована для постройки стен зданий, так как легко проводит тепло; учитывая это свойство, стены из стали пришлось бы делать и 40 раз толще бетонных, сталь втрое тяжелее бетона.

Для строительства автомобильных дорог, по которым быстро движутся потоки автомобилей различных видов, бетон - незаменимый материал. Мосты, водопропускные сооружения, подпорные стенки и виадуки возводятся из железобетона. Дорожные покрытия на магистралях и основания под асфальтобетонные покрытия все в больших масштабах выполняются из цементобетона.

По решению партии и правительства в нашей стране широко развивается заводское производство сборного железобетона, применение которого приводит к индустриализации строительства, позволяет на строительной площадке только собирать сооружение из готовых деталей.

В дорожных покрытиях бетон противостоит изнашивающему действию проезжающего по дороге транспорта, передает и распределяет нагрузку от колес автомобиля на грунт. В конструкциях мостов бетон выдерживает тяжелые нагрузки от проходящих по мосту автомобилей, автобусов и трамваев, а также сопротивляется размывающему действию воды на опоры моста; о бетонные быки разламываются мощные льдины, которые несет в ледоход река. Теперь трудно даже представить, как велось бы строительство, если бы человек не располагал цементным бетоном. Многие сооружения, возводимые в наши дни из железобетона и бетона, потребовали бы гораздо больше труда и затрат при попытке использовать другие материалы, а иные были бы и совсем неосуществимы.

Если сравнить каменный мост с мостом из современного железобетона, обнаружится огромная разница в количестве материалов, во внешнем виде сооружений (рис.2). Каждому ясно, что чем меньше материалов идет на строительство, тем дешевле сооружение, тем оно выгоднее.

Рис.2. Мост, сооруженный из железобетона, и мост из естественного камня

О свойствах бетона и его применении в дорожном строительстве рассказывается далее.

Приготовление бетонной смеси

Чтобы из таких разнородных по свойствам веществ, как вода, цемент, песок и щебень или гравий, получить материал с вполне определенными свойствами - бетон, нужно выполнить ряд операций. При этом важно соблюдать указания технических правил и инструкций. Производство бетона хотя и происходит часто непосредственно на строительной площадке, но и в этом случае напоминает нам любое заводское производство.

Из хорошего цемента и каменных материалов можно получить прочный и устойчивый бетон, но можно и испортить его, если нарушить правила приготовления и составления бетона. Прежде всего необходимо определить состав бетонной смеси - соотношение всех материалов для нее. Сколько нужно взять цемента и других материалов и в каком соотношении, определяет лаборатория, существующая на каждом строительстве. До подбора состава бетона должны быть известны требования к этому бетону. В проекте сооружения в зависимости от назначения бетона к нему предъявляются те или иные требования по прочности и другим техническим свойствам.

Прочность бетона указывается в виде марки. Долговечность бетона в большинстве случаев выражается в требовании к его морозостойкости. Для климатических условий нашей страны необходим бетон с очень высокой морозостойкостью. Чтобы бетон удовлетворял этим требованиям, должен применяться портланд-цемент определенного минералогического состава и марки не ниже 500; каменные материалы можно использовать только проверенные на морозостойкость, а водоцементное отношение смеси следует принять не выше 0,50. При соблюдении всех этих требований бетон будет обладать высокой морозостойкостью. Не менее важно при назначении состава бетона предусмотреть, чтобы свойства бетонной смеси соответствавали имеющимся механизмам для ее уплотнения и укладки.

Это соответствие достигается таким подбором состава смеси, который придает ей определенную подвижность. Скорость разжижения бетонной смеси при вибрировании называют еще удобоукладываемостью.

Подвижность бетонной смеси определяют следующим способом. Бетонной смесью наполняют металлическуюформу - конус, не имеющий дна и установленный на ровной подставке. Конус снимают и измеряют оседание (оплывание) бетонной смеси после его снятия. Подвижность бетонной смеси выражают в сантиметрах осадки смеси по сравнению с первоначальной высотой.

Для определения удобоукладываемости конус устанавливают в форму образцов - кубов с размером сторон 20 сантиметров. Форму с конусом закрепляют на лабораторной виброплощадке (рис.3). Конус заполняют бетонной смесью, так же как и при определении подвижности, снимают форму-конус, включают виброплощадку и определяют время расплывания бетонной смеси в форме. Показателем удобоукладываемости является время в секундах, которое затрачивается на расплывание смеси в форме.

Рис.3. Определение удобоукладываемости бетонной смеси:
слева - форма с конусом, заполненным бетонной смесью, до вибрирования;
справа - форма с бетонной смесью после вибрирования

Для обычного дорожного бетона применяется смесь с осадкой конуса 2-3 сантиметра и удобоукладываемостью 20-25 секунд. Для тонкостенных и густоармированных конструкций осадка конуса бетонной смеси должна составлять 5-6 сантиметров при удобоукладываемости 5-10 секунд.

Основное требование, которого обычно придерживаются при подборе состава бетона для дорожных покрытий и для армированных конструкций, - это заполнение всех пустот между частицами более крупного материала мелкими частицами. Кроме этого, необходимо создание смазывающего слоя из цементного теста на поверхности частиц заполнителя для получения подвижной смеси.

Рис.4. Схема подбора состава бетона

Ha рис.4 наглядно представлен ход подбора состава бетона. Сначала задаются количеством цемента или по вспомогательным таблицам подсчитывают количество воды, необходимое для данной смеси. Затем определяют водоцементное отношение - В/Ц. Это отношение очень важно для характеристики качества и свойств цементного камня и бетона. Понятно, что чем более разбавлен цементный клей, тем меньше его прочность. В практике подбора состава бетона заданной прочности пользуются построенными на основании опытных данных графиками зависимости прочности бетона от В/Ц. На рис.5 приведен пример такого графика для бетонов на цементах разных марок и щебня. При большом объеме работ рекомендуется подбирать состав бетона заранее, в лаборатории, определяя зависимость прочности бетона от водоцементного отношения на опыте для данных материалов. Определив расход цемента и воды, рассчитывают количество минеральных материалов - песка и щебня - таким образом, чтобы их объем в сумме с объемом цементного теста составил 1000 литров (1 кубометр). После предварительных расчетов обязательно производят пробное затворение бетонной смеси с проверкой ее удобоукладываемости и с изготовлением контрольных образцов. Если при проверке удобоукладываемость бетонной смеси окажется отличающейся от заданной, производят исправление состава бетона изменением содержания в нем цемента и воды, оставляя неизменным водоцементное отношение.

Рис.5. График зависимости марки бетона от водоцементного отношения для цементов разных марок (цифры над кривыми обозначают марку цемента).

Когда установлен состав бетона, он передается на бетонный завод. Для точного отвешивания составляющих на современных бетонных заводах применяются автоматические весовые дозаторы, которые устанавливаются для отвешивания заданной порции любого сыпучего материала или воды. На небольших бетоносмесительных установках пользуются более простыми дозаторами, например бункерами или ящиками, смонтированными на обычных сотенных весах.

Точное отмеривание составных частей бетона необходимо для того, чтобы его свойства совпадали с заданными и гарантировалась необходимая однородность смеси. Кроме того, неточность в дозировании ведет к перерасходу цемента - наиболее дорогой составной части бетона. Поэтому современные технические правила требуют обязательного применения несовой дозировки всех материалов.

Следующая операция это перемешивание бетонной смеси. Перемешивание производится в специальных машинах - бетономешалках. Наша промышленность для разных условий работы выпускает передвижные и стационарные бетономешалки разной мощности с объемом смесительного барабана от 100 до 4500 литров. Для приготовления жестких смесей выпускаются бетономешалки с принудительным перемешиванием. Обычные бетономешалки перемешивают бетонную смесь за счет переваливания ее лопастями при вращении барабана. На рис.6 показаны два вида наиболее распространенных бетономешалок. После перемешивания смесь выгружается путем наклона барабана при его грушевидной форме или через лоток, вдвигаемый внутрь барабана.

Рис.6. Бетономешалки различной конструкции

Обычные бетономешалки работают по такому периодическому циклу. Но существуют и бетономешалки непрерывного действия, имеющие значительно большую производительность при меньших размерах.

Производительность бетономешалки периодического действия изменяется в зависимости от их емкости. При средней емкости она вмещает при загрузке 1200 литров сухих материалов и выдает около 800 литров готовой бетонной смеси. Ее часовая производительность составляет примерно 15 кубометров смеси. Бетономешалка непрерывного действия более экономична и проектируется на производительность 100-200 кубометров в час.

В дорожном строительстве широко применяются передвижные бетономешалки, так как при поступлении материалов железнодорожным или водным транспортом и больших расстояниях от баз до места укладки перевозка бетонной смеси затрудняется и становится технически недопустимой. При длительной перевозке смеси изменяется ее подвижность и ухудшается качество; поэтому дорожники стремятся перевозить сухие материалы, а смешивать их на месте укладки в передвижной бетономешалке.

Последнее достижение техники в области приготовления бетона - современные автоматизированные заводы для крупных строек. Круглые сутки на таком заводе работают затворы дозаторов, сыплется с грохотом в бункеры щебень и песок, льется вода. Готовая бетонная смесь вываливается в кузова мощных самосвалов, которые везут ее на сооружения, выгружают и снова возвращаются на завод.

Работы по дальнейшему усовершенствованию способов приготовления и укладки бетонной смеси продолжаются.

Чтобы плотно уложить бетонную смесь при наименьшем содержании в ней воды, а следовательно, при наименьшем расходе цемента, в настоящее время широко применяется вибрирование бетонной смеси. В чем же заключается его действие. Каждому известно, что встряхивание зернистого материала, например сухого песка, позволяет поместить и один и тот же ящик гораздо больше материала, чем без такого потряхивания: материал укладывается плотнее. Если встряхивать с большой частотой бетонную смесь, то цементным раствор разжижается, и смесь приобретает свойства жидкости. В таком состоянии бетонная смесь плотно заполняет несь объем опалубки, не оставляя в ней пустот - раковин.

Для придания вибрации бетонной смоги применяются специальные механизмы - вибраторы.

Вибратор совершает несколько тысяч колебаний в минуту, и эти колебания передаются окружающей его бетонной смеси. Смесь, приобретая свойства тяжелой жидкости, растекается по опалубке, заполняя ее и обволакивая арматуру. Щебет, и гравий при этом тонут в цементном растворе и равномерно распределяются по всей массе бетона.

Применяя вибрацию, можно уложить значительно менее подвижные смеси, чем вручную. Уменьшая количество воды для таких смесей, мы улучшаем технические свойства бетона. Поэтому вибрированный бетон обладает более высоким качеством по сравнению с бетоном, уложенным вручную.

Наша промышленность выпускает различные виды вибраторов, предназначенных для укладки бетона в массивные и тонкостенные, неармированные и армированные конструкции. На рис.7 показан внешний вид внутреннего и поверхностного вибраторов для уплотнения бетонной смеси.

Рис.7. Внешний вид вибраторов:
а - внутренний вибратор;
б - поверхностный вибратор

Внутренний вибратор при работе погружается в бетонную массу. Для конструкции небольшой толщины и с большой горизонтальной поверхностью, как, например, дорожные покрытия, плиты мостов и перекрытий и т. п., применяются так называемые поверхностные вибраторы (изображен на рис.7, б), прикрепленные к площадке, которая ставится на поверхность бетона. Колебания площадки передаются бетонной смеси. Они наиболее широко раопространены в дорожном строительстве. Для уплотнения бетона в изделиях форма с изделием устанавливается на специальный вибростол. При включении вибратора колебаниям подвергается вся форма вместе с бетонной смесью; в результате достигается высокая степень уплотнения. Можно передать колебания бетонной смеси и закрепив вибратор на опалубке; такие вибраторы называются наружными или тисковыми, так как крепятся к опалубке при помощи тисков.

Техника уплотнения бетона, особенно при изготовлении сборных бетонных изделий, быстро совершенствуется: увеличиваются мощность и частота колебаний вибраторов, вводится одновременное вибрирование на вибростоле и поверхностным вибратором, вибрирование с пригрузкой бетонной смеси по всей площади изделия. Можно предполагать, что в ближайшие годы технология укладки и уплотнения бетона сделает значительный шаг вперед на пути дальнейшего технического прогресса.

При строительстве дорог применяются сложные комплексные бетоноотделочные машины, производящие разравнивание смеси, уплотнение ее вибрированием и трамбованием, профилирование поверхности и трамбование ее. Современный агрегат для устройства цементобетонного дорожного покрытия (рис.8) не уступает по сложности выполняемых операций и эффективности работы зерновым и угольным комбайнам.

Рис.8. Дорожный бетоноукладчик

Весь цикл устройства дорожного покрытия выполняется несколькими машинами. По профилированному и уплотненному основанию устанавливаются рельс-формы; они отграничивают полосу будущего покрытия проезжей части, являются опалубкой для плиты дорожного покрытия и в то же время служат рельсами для движения бетоноукладочных машин. Цепочка автомобилей-самосвалов доставляет бетонную смесь с завода и сбрасывает ее в ковш распределителя. Из ковша смесь перегружается в бункер-распределитель и укладывается п рыхлом состоянии на основание между рельс-формами слоем определенной толщины. Вслед за распределителем движется бетоноотделочная машина, уплотняющая, выравнивающая и профилирующая покрытие; за ней передвигаются устройства для нарезки температурных швов. За сутки такой агрегат может пройти 300 метров, оставив после себя готовое дорожное покрытие. После укладки бетона поверхность его закрывают слоем песка или пленкой какого-либо лака или битума, предохраняя этим от высыхания. В случае когда укрытие сделано песком, его регулярно поливают водой. Через 20 суток разрешается открывать движение по дороге, если стояла теплая погода с температурой воздуха не ниже 15°.

Для средней полосы России продолжительность строительного сезона составляет около 200 суток. За это время один комплект машин сможет приготовить 60 километров первоклассной дороги. А какое огромное количество строительных материалов надо перевезти для этого! Только для сооружения покрытия понадобится свыше 3500 тонн материалов на километр дороги, а на все протяжение дороги - свыше 200 000 тонн. Для перевозки всей этой массы песка, щебня, бетонной смеси и т. п. потребуется около 40 000 рейсов мощных самосвалов.

Созревание бетона

От момента изготовления бетонной смеси до полного ее затвердевания проходит определенный период созревания, приобретения прочности, продолжающийся в зависимости от вида цемента и внешних условий (температуры и влажности) от нескольких дней до нескольких месяцев и даже лет. За это время бетон из подвижность пластичной массы превращается в прочный искусственный камень.

Это превращение происходит постепенно. Первый период созревания бетона называется периодом схватывания. Он длится обычно несколько часов. В это время цементное тесто теряет свою подвижность. Вода частично вступает в химические соединения, а частично распределяется по поверхности вновь образовавшихся соединений, бетонная смесь теряет свою подвижность и приобретает минимальную прочность.

Период схватывания невозможно резко отделить от следующего периода - периода твердения. Однако через несколько часов после укладки наступает момент, когда бетонная смесь становится неподвижной и не может быть провибрирована без разрушения. Этот момент можно считать концом периода схватывания.

Чтобы процессы химического соединения воды с минералами цемента шли достаточно эффективно, необходимо поддерживать бетон во влажном состоянии. Твердение прекращается не только при пониженной температуре, но и при недостаточной влажности. В этом отношении бетон напоминает растение: его надо поливать и держать в тепле, чтобы он хорошо окреп. При обычной температуре бетон на портланд-цементе приобретает основную прочность в течение 20-30 суток твердения. Благоприятное действие на скорость твердения оказывает повышение температуры, которое, как известно, ускоряет химические реакции. Для расчетов обычно принимают прочность, которую бетон достигает к сроку твердения 28 суток. Повышение температуры позволяет получить эту же прочность в значительно более короткие сроки.

На основании изучения процесса твердения выработаны условия получения хорошего бетона: умеренное количество воды при затворении, влажные и теплые условия твердения. От соблюдения этих условий зависит качество конструкций.

Бетонные работы зимой

Сравнительно суровые климатические условия почти на всей территории России неблагоприятны для твердения бетона; поэтому строителям часто приходится искусственно создавать уложенному бетону влажную и теплую среду. Советские ученые и инженеры разработали высокоэффективные методы укладки бетона в зимних условиях, позволяющие вести работы круглый год.

Зимой приходится подогревать материалы для бетона и предохранять их от остывания или даже обогревать уложенный в сооружение бетон, пока он не приобретет нужной прочности. Но за последние годы разработан способ, позволяющий вести работы при отрицательных температурах и без обогрева материалов и бетона.

Самый простой способ создать благоприятные условия для твердения бетона в зимнее время - это способ "термос а", разработанный свыше 40 лет назад проф. И.А. Киреенко. При этом способе конструкцию хорошо изолируют от окружающей среды так, чтобы она длительное время оставалась в тепле. Принцип этого метода - тот же, что и у обычного термоса. Выделяющееся во время твердения цемента тепло при отсутствии потерь разогревает конструкцию изнутри. Таким способом можно укладывать бетон в массивные сооружения, поверхность которых невелика по сравнению с объемом.

Для менее массивных конструкций применяют искусственный обогрев: сооружение одевают деревянным тепляком (это наименее выгодный прием) или прогревают паром, устанавливая вокруг опалубки специальный кожух, под который пропускают пар, или, наконец, прогревают сооружение электрическим током.

Широкое применение при производстве бетонных работ зимой находит способ, основанный на введении в бетонную смесь добавок солей, понижающих температуру замерзания бетонной смеси и ускоряющих процессы твердения бетона. К таким солям относятся хлористые соли: хлористый кальций и хлористый натрий. При небольших добавках солей возможно строительство любых ответственных сооружений в условиях заморозков и слабых морозов без принятия специальных мер по обогреву бетона. Для менее ответственных и временных сооружений возможно применение больших добавок солей, которые позволяют вести работы так же, как и летом, при температурах до -20°.

На рис.9 изображены различные способы прогрева бетона в сооружениях при производстве работ в зимнее время. Пропариваиие бетона применяют и в летнее время на базах по производству сборных железобетонных деталей для ускорения твердения бетона и увеличения оборачиваемости форм.

Рис.9. Способы прогрева бетона зимой:
а - способ "термоса"; б - паропрогрев; в - электропрогрев

Методы производства бетонных работ зимой, ускоренные способы созревания бетона путем прогрева и пропаривания нашли в советской строительной технике самое широкое распространение.

Круглогодичное производство работ, изготовление сборных изделий на заводах становятся основными приемами, характеризующими отечественную технику бетонных работ, в том числе и на дорожных стройках.

Долговечность бетонных сооружений

В строительстве гигантских сооружений цементному бетону принадлежит важнейшая роль, как одному из наиболее долговечных строительных материалов современности.

На первый взгляд мертвые, неподвижные сооружения из бетона живут и сложных и напряженных условиях, подвергаясь разрушительным изменениям. Понять жизнь бетона, его свойства и болезни, научиться управлять его жизнью по своему желанию - вот задача человека, создавшего бетон.

Действительно, почему разрушаются отдельные сооружения, построенные из бетона?

Бетон хотя и очень стоек, но со временем "дряхлеет", покрывается трещинами, рассыпается и погибает. Дело в том, что бетон сохранялся бы практически вечно, если бы не подвергался воздействиям окружающей среды. Наиболее сильное разрушающее действие на сооружения из бетона оказывает вода.

Существует древняя латинская поговорка "капля точит камень". Эта поговорка верна не только в переносном, но и в прямом смысле. Нередко можно видеть на старом каменном тротуаре углубления, образовавшиеся в камне в местах постоянного падения капель воды с крыши. Они появились потому, что происходит медленное растворение камня в воде. Частицы падающей воды отрывают молекулы вещества, составляющего камень, с его поверхности, окружают их и уносят с собой. В течение длительного времени даже кварцевый речной песок постепенно растворяется в больших количествах воды.

В природных условиях в течение длительных периодов времени, измеряемых десятками и сотнями тысяч лет, непрерывно происходят процессы растворения одних пород и образования новых.

Растворение естественных и искусственных каменных материалов может значительно увеличиться, если вода содержит углекислоту и некоторые другие вещества. Углекислый газ содержится в воздухе в очень небольшом количестве (0,03%) и, следовательно, присутствует во всякой воде, которая соприкасается с воздухом.

Такой широко распространенный природный каменный материал, как известняк, растворяется в еще больших количествах в воде, чем кварц. Для растворения 1 грамма известняка нужно около 3000 литров воды. Присутствие углекислого газа в воде резко повышает растворимость известняка. В природных залежах известняка в результате растворения его водой образуются огромные подземные пещеры.

Мы подробно рассказываем об устойчивости горных пород, так как бетон по существу представляет собой искусственную горную породу, и процессы его разрушения сходны с разрушением естественных горных пород.

Затвердевший бетон содержит известь, вещество хорошо растворимое в воде. Да и другие вещества, составляющие цементный камень, могут постепенно растворяться в воде.

Академик А.А. Байков, изучивший долговечность бетонов, указывал, что все бетонные сооружения из портланд-цемента неизбежно должны подвергаться процессу выщелачивания извести и по истечении известного времени утрачивать всякую связность и разрушаться.

В дорожных сооружениях наибольшую опасность растворение представляет для мостовых опор. В дорожном покрытии растворяющему действию воды подвергается поверхностный слой.

Кроме растворяющего действия, вода особенно опасна в тех случаях, когда бетонное вооруженно подвергается попеременному намоканию в воде и последующему замораживанию. Многократное повторение таких циклов приводит к быстрому разрушению бетона.

При замораживании бетона, насыщенного водой, разрушение происходит вследствие известной из физики аномалии воды. В противоположность большинству веществ вода, как известно, при замерзании, т.е. при переходе из жидкого состояния и твердое, расширяется, и весьма значительно - примерно на 10%. Всем известно, что нельзя оставлять на морозе наполненную водой и закупоренную бутыль: вода замерзнет, и бутыль может лопнуть, так как замерзающая иода может развить давление свыше 800 атмосфер (рис.10). Даже стальные водопроводные трубы, уложенные в земле, в сильные морозы могут лопнуть в результате замерзания находящейся в них воды. Увеличение объема воды при замерзании использовалось прежде в каменоломнях для раскалывания добываемого камня.

Рис.10. а - вода, замерзшая в открытом сосуде (ведре): лед образует "шапку" над стенками сосуда, занимая больший объем;
б - при замораживании воды в плотно закрытом сосуде давление на его стенки достигает 800 атмосфер

Такие же явления происходят в затвердевшем бетоне, когда он подвергается замораживанию. Вода, находящаяся в порах бетона, замерзает в них и, расширяясь, вызывает напряжения, способные разрушить бетонное сооружение. Большая или меньшая устойчивость бетона к разрушающему действию воды и мороза зависит прежде всего от строения цементного камня. Задачей строителя-дорожника, возводящего бетонные сооружения, является создание всех условий для получения морозостойкого долговечного бетона. Для этого бетон должен быть возможно более плотным, а это значит, что он должен быть приготовлен при минимальных количествах воды, плотно уложен и выдержан в благоприятных условиях для твердения.

В подводных и подземных частях сооружений нет опасности разрушения бетона от замораживания, на здесь возможно растворяющее действие воды, которое может быть усилено химическим действием солей, растворенных в природных водах.

Природные воды (подземные и речные) могут иметь резко различный состав в зависимости от состава горных пород, с которыми они соприкасаются на своем пути.

Для бетона особенно вредно содержание в воде сернокислых солей (сульфатов). Сернокислый кальций, сернокислый магний, сернокислый натрий опасны потому, что, попадая в водном растворе внутрь бетона, вступают в химическое взаимодействие с составными частями затвердевшего цементного камня, образуя новые соединения. Когда в затвердевшем цементном камне начинаются химические реакции с образованием новых веществ, то, естественно, сцепление частиц цементного камня нарушается и его прочность, а следовательно, и прочность бетона падает. Кроме этого, сульфаты образуют с составными частями цементного камня - известью и алюминатами кальция - новое соединение - сульфоалюминат кальция, который занимает объем в 2,5 раза больший, чем исходные материалы.

Кристаллизация сульфоалюмината кальция приводит к разбуханию и растрескиванию цементного камня, а следовательно, и конструкций из цементного бетона.

Различные виды агрессивного химического воздействия природных вод на бетон могут быть сведены к трем основным видам, представленным на рис.11.

Рис.11. Основные виды разрушения бетона агрессивными водами

Проектируя и строя долговечные сооружения, инженеры учитывают условия, в которых эти сооружения будут находиться, и рассчитывают их службу на заранее заданные сроки.

Дорожные покрытия из бетона

Прочный, долговечный, износоустойчивый цементный бетон показал себя с самой лучшей стороны в качестве материала для дорожных оснований и покрытий. Расчеты подтверждают, что применение цементного бетона дает большую экономию народному хозяйству.

Еще в 1913 г, в Тифлисе была построена первая дорога с бетонным покрытием.

Помимо прямых экономических выгод при строительстве, бетонное покрытие дает значительные технико-экономические преимущества при эксплуатации дороги. Высокая долговечность бетона позволяет сократить расходы на содержание и ремонт до минимума. Срок службы бетонного покрытия автомобильной дороги в несколько раз больше по сравнению с покрытием из асфальтобетона. Хорошо построенная дорога с цементобетонным покрытием (рис. 20) может служить без капитального ремонта несколько десятков лет. Цементобетонное дорожное покрытие представляет собой плиту толщиной 18-24 сантиметра.

Рис.12. Автомобильная дорога с цементобетонным покрытием

Если дорогу покрыть сплошной лентой бетона, то при изменениях температуры (днем и ночью, летом и зимой) бетонная плита будет изменяться в размерах - расширяться и сокращаться, и в ней возникнут напряжения, которые могут привести к растрескиванию бетона. Всем известно, что при устройстве железнодорожных путей рельсы для предохранения от коробления при температурном расширении никогда не соединяют вплотную, а оставляют на стыках зазор в несколько миллиметров. Летом этот зазор закрывается, а зимой концы рельсов расходятся.

На бетонной дороге тоже на определенном расстоянии делаются швы - зазоры. Чтобы бетонная плита не разрушалась при нагревании, устраивают швы расширения - сквозные зазоры между соседними плитами бетонного покрытия. Швы заполняют эластичной мастикой из битума, чтобы в основание под плиту не проникала вода. Швы расширения в умеренном климате устраивают через 20-30 метров. Это расстояние зависит от температуры бетонной смеси в момент укладки, а также от климата местности.

Если не предусмотреть шва расширения, то покрытие, нагреваясь в жаркий солнечный дочь, будет так напряжено, что с его поверхности могут откалываться целые куски бетона. С силой отлетая от покрытия, они могут вызвать несчастные случаи. Такие явления наблюдались на одной из дорог Калифорнии (США), где не было сделано необходимых швов.

При охлаждении покрытия до температуры меньшей, чем температура бетонной смеси и момент укладки, бетон будет сжиматься, и бетонная плита может дать трещины. Во избежание появления таких трещин покрытие разделяется швами на расстояниях меньших, чем те, при которых возникают опасные напряжения. Такие швы устраиваются обычно на расстоянии (5-10 метров и представляют собой прорези, глубина которых равна одной трети толщины плиты. Эти швы называются швами сжатия. Когда в бетоне поянлнютеи напряжения от сжатия при охлаждении, бетонная плита растрескивается в наиболее слабом месте - по сечению, ослабленному надрезом. Шов сжатия заливают мастикой, так же как и шов расширения.

По оси дороги также устраивают шов по типу швов сжатия, - иначе возможно образование продольной трещины.

Таким образом, цементобетонное дорожное покрытие состоит как бы из отдельных плит. Во избежание нарушения монолитности всего покрытия, а также для передачи нагрузки от движущихся машин от одной плиты к другой в швах устанавливают специальные металлические стержни.

От качества выполнения всех работ по устройству покрытия зависит в дальнейшем срок его службы.

Строительство дорог с бетонным покрытием непрерывно возрастает, они становятся основным видом магистральных дорог.