Структура и свойства тяжелого бетона

Тяжелый бетон — типичный представитель искусственных строительных конгломератов. В нем отвердевшее цементное тесто, или цементный камень, полностью окружает каждую частицу мелкого и крупного заполнителя и, кроме того, заполняет пространство между этими частицами, составляя, таким образом, непрерывную пространственную сетку, или матрицу. В процессе отвердевания цементного теста частицы заполнителя оказались сцементированными в общий монолит. В монолите 20—30% его объема занимает цементный камень, а на долю заполнителя приходится, следовательно, 70—80% объема. В пределах объема тяжелого бетона имеется также капиллярно-поровая часть, которая образуется в результате испарения свободной воды, недоуплотнения смеси и усадочных явлений. Поры имеются также в частицах заполнителя, а микропоры характерны для цементного камня. Нередко воздушные поры (1—2%) равномерно распределены в объеме бетона, возникая в процессе перемешивания бетонной смеси со специальной воздухововлекающей добавкой, что обычно повышает морозостойкость бетона. Поры цементного камня можно разделить условно на особо тонкие, например, диаметром до 1000 А, называемые гелевыми, и более грубые диаметром, например, от 1000 А до 10 мкм, называемые капиллярными, поскольку многие из них взаимосвязаны, образуя своеобразную систему «микроканалов», доступных к проникновению и движению по ним внешней водной среды, понижающей морозостойкость бетона.

Непременной структурной частью бетона, подобно другим конгломератам, являются контактные зоны (обычно шириной до 50—65 мкм), микроструктура цементного камня в которых несколько отлична от такой же структуры в объемном цементном камне повышенной концентрацией кристаллической фазы и пониженным содержанием микропор. Контактный слой может также отличаться химическим составом его кристаллической фазы. Такова в общих чертах структура и микроструктура тяжелого цементного бетона.

В значительной мере структура по свойствам неоднородна, как неоднородны составляющие ее компоненты (щебень, песок, цементный камень). Она не свободна от многих дефектов, связанных с технологическим и эксплуатационным периодами, что отражается на уровне показателей механических свойств и долговечности бетона.

Для тяжелых бетонов характерным является не только высокое значение средней плотности, но и высокая прочность. Значения средней плотности находятся в пределах 1800—2500 кг/м³, а прочность по сжатию — от 5 до 80 МПа. Проектные марки его по пределу прочности при сжатии: М50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 700 и 800.

Класс бетона по пределу прочности при сжатии (в МПа) определяют с помощью образцов размером 15×15×15 см (с умножением на коэффициент 0,778), изготовленных из б. етонной смеси и испытанных через 28 суток твердения при хранении в нормальных условиях, т. е. при температуре 20±2°С, относительной влажности воздуха не ниже 90%. Имеются некоторые исключения, например гидротехнический бетон речных сооружений оценивают по прочности также в 60-, 90- и 180-дневном возрасте образцов нормального твердения. При других размерах образцов-кубов с ребром 7,10, 20 и 30 см результаты испытаний умножают на масштабные коэффициенты, соответственно равные 0,85; 0,91; 1,05; 1,10. Для оценки прочности вместо образцов-кубов нередко используют призмы размером 10×10×40 см или других размеров, испытываемых на изгиб, а также образцы-цилиндры диаметром 7, 10, 15, 20, 30 см и высотой, равной диаметру или двум диаметрам.

Бетон называют высокопрочным, если его марка выше 600, например 700 или 800. Иногда к высокопрочному относят бетон с прочностью выше стандартной марки цемента, использованного в его составе. В настоящее время активность вяжущих — цементов (и гипсов), применяемых в бетонах, значительно увеличена, что позволяет получать бетоны с пределом прочности при сжатии 100 МПа. По мнению некоторых специалистов, возможности в этом направлении не исчерпаны и прочность бетона на сжатие может достигнуть 400 МПа.

Прочность бетона на растяжение составляет от 6 до 10%, а при изгибе — от 10 до 16% от предела прочности при сжатии. По пределу прочности на осевое растяжение бетоны делятся на марки от 10 до 40, а при изгибе — от 1,5 до 5,5 МПа. Упрочнить бетон на растяжение можно армированием, поскольку металлическая арматура способна почти полностью принять на себя растягивающие напряжения, разгружая от них бетон. Арматура может располагаться как направленно, так и в хаотическом виде (при волокнах-фибре).

Прочность бетона не остается величиной постоянной, при благоприятных условиях — высокой влажности воздуха, положительной температуре и т. п. — отмечается прирост прочности, определяемый по формуле

где т — возраст бетона в сутках, но не менее трех суток.

К возрасту одного года тяжелый бетон в этих условиях самоупрочняется на 70—90% от Ris-

Кроме статической прочности, иногда проверяют величину динамической прочности, или ударной вязкости. При вибрационных воздействиях на конструкцию важно определять усталостную прочность бетона, характеризуемую количеством циклов вибрационного воздействия до признаков разрушения структуры.

Долговечность бетонных конструкций в большой мере обусловливают деформативные свойства бетона. Особо следует выделить ползучесть, которая проявляется при сжимающих, растягивающих и других напряжениях, действующих в течение длительного времени. Ползучесть в бетонах в значительной мере обусловлена ползучестью цементного камня и, в соответствии с законом конгруэнции ИСК, возрастает с увеличением в нем теплоты по мере роста водоцементного отношения. Но ползучесть зависит также от качества заполнителя. Она больше при уменьшении модуля упругости горной породы, применяемой для получения заполнителя. Кроме того, ползучесть связана с наличием микротрещин в контактной зоне на границе цементного камня с заполнителем и зависит еще от ряда других причин. Цементный бетон обладает упругими свойствами. При оптимальных структурах упругие деформации бетона тем значительнее, чем более упругим является цементный камень. Кроме того, упругие свойства зависят от уровня нагружения бетона механическими силами. При оценке упругости обычно принимают некоторое постоянное напряжение, передаваемое на бетон, например, равное по величине 0,2 от предела прочности при сжатии.

При твердении бетона возникают линейные и объемные деформации под влиянием усадки и набухания, что приводит к появлению трещин, поэтому стремятся уменьшить размеры этих деформаций. В возрасте 1—1,5 года конечный размер усадки бетона составляет от 0,1 до 1,5 мм/м, что зависит от разновидности принятого цемента, количества цементного камня в бетоне, внешних температурно-влажностных условий. Вызывают деформации и температурные колебания воздуха или другой внешней среды. Коэффициент теплового расширения бетона находится в пределах от 7 • 10-⁶ до 12 • 1(Н «С*¹, что зависит от разновидности крупного заполнителя; в среднем он принимается равным 10? 10-⁶ «О¹.

Определенную пользу в «залечивании» возникающих при твердении дефектов и усадочных деформаций может приносить, как показали исследования А. В. Саталкина, статические и даже комплексные (статические с динамическими и вибрационными) нагрузки на молодой бетон. При определенных условиях раннее нагружение твердеющего бетона приносит закономерное упрочнение, что происходит вследствие некоторой благоприятной перестройки микрои макроструктуры при твердении под нагрузкой. Важно только, чтобы напряжения не превышали предела длительной прочности бетона на ранней стадии его твердения.

На снижение величины усадки бетона оказывает влияние повышение плотности заполнителя, его гранулометрический состав, снижение водоцементного отношения, оптимизация структуры бетона. Применение напрягающих и расширяющихся цементов также благоприятствует получению бетонов с компенсированной усадкой, повышенной морозостойкостью и водонепроницаемостью. За рубежом используют расширяющиеся синтезированные добавки, вносимые в смесь. НИИЖБом предложена отечественная добавка того же назначения. Конструкции из бетона с компенсированной усадкой превосходят по качеству традиционные.

Важнейшей характеристикой качества бетона является морозостойкость. По этому свойству бетоны маркируют: F50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500. К невыдержавшим установленного маркой числа циклов замораживания при температуре -15—20°С и оттаивания при температуре +15—+20°С (по стандарту) относятся бетонные образцы, которые теряют более 5% по массе за время испытаний (эта оценка только для дорожных бетонов), а в прочности на сжатие — более 15% от ее первоначального значения. По стандарту для сравнения принимается прочность образцов в так называемом эквивалентном возрасте, определяемом с учетом продолжительности твердения.

Бетон разделяют на марки и по водонепроницаемости, что имеет особое значение, когда в эксплуатационных условиях бетон подвержен длительному контактированию с водной средой. Проверка полной водонепроницаемости (или иногда водопроницаемости) производится в лаборатории путем воздействия напора воды на образец цилиндрической формы и толщиной 15 см при различных гидростатических давлениях, выражаемых в Па (от 2 • 10⁵ до 12 • 10^s). Приняты следующие марки: W2, W4, W6, W8, W10 и W12, которые особенно важно учитывать при проверке качества бетона для труб, гидротехнического и других видов тяжелого бетона.

Непроницаемый бетон может оказаться проницаемым при более высоких давлениях воды или при жидкостях, которые более подвижны, с меньшей вязкостью, например легких нефтепродуктах. В таких случаях повышают непроницаемость бетона введением уплотняющих (например, алюмината натрия) и гидрофобизирующих добавок, употреблением защитных синтетических пленок. Фильтрация нефтепродуктов снижается при добавлении в бетонную смесь хлорного железа или других проверенных добавок. Для всех жидких сред, особенно воды, фильтрация (проницаемость их) затруднена при использовании в бетоне расширяющегося и напрягающего портландцементов.

Значение прочности в технологии бетона существенно возрастает, если в заданном пределе она остается постоянной при изготовлении массовой продукции. Если же она меняется от замеса к замесу, то получаемая продукция вследствие неоднородности по прочности является низкой по своему качеству и дорогой по стоимости. Однородность бетона заданной марки оценивают по результатам контрольных испытаний бетонных образцов за более или менее длительный период времени. С этой целью определяют коэффициент вариации по формуле V-S/Rcp, где 5—среднее квадратичное отклонение частных результатов испытания от средней прочности (Rep):

Средняя прочность бетонных образцов равна.

где Л, — предел прочности отдельного образца; п — число испытанных образцов бетона данной марки.

Однородность бетона признается удовлетворительной, если коэффициент вариации V имеет значение не более 0,135 (или 13,5%). Правильно организованное производство бетона позволяет достигать значения V не выше 7—8% или даже ниже. Снижению V способствуют автоматизация и полная механизация производственных процессов, высокий уровень подготовки исходных материалов, оптимизация состава бетона и технологических операций на заводе.

При всех достоинствах тяжелого бетона он имеет два больших недостатка — большую среднюю плотность и значительную теплопроводность. Поэтому, когда не требуется высокой прочности, переходят к применению легких, менее прочных, но более «теплых» бетонов.

Легкие бетоны с применением в них пористых заполнителей находят в строительстве все большее применение. Конструкции из легких бетонов позволяют улучшить теплотехнические и акустические свойства зданий, значительно снизить их массу, успешно решить проблему объемного и многоэтажного строительства, а также строительства в сейсмических районах страны. Применение легких бетонов позволяет уменьшить стоимость строительства на 10—20%, снизить трудовые затраты на стройках до 50%, увеличить производительность труда на 20%. Развитие производства бетонов с применением пористых заполнителей характерно как для нашей страны, так и зарубежного строительства. В нашей стране наиболее широко используемым заполнителем являются керамзит, а также аглопорит, перлит и др. Керамзитовый гравий составляет до 80% общего объема современного производства искусственных пористых заполнителей. За рубежом более типичным легким заполнителем является термозит (шлаковая пемза).

Бетоны называются легкими, если в сухом состоянии их средняя плотность не выше 2000 кг/м³. Снижения их массы достигают в основном за счет облегчения заполнителя, иногда путем поризации вяжущей части.

По пределу прочности при сжатии конструкционные легкие бетоны разделяют на классы В2; В2,5; В3,5; …; В40 или на марки (МПа): М20; М35 и т. д. до М500. Теплоизоляционные легкие бетоны разделяют на классы ВО, 35; ВО, 75; В1. По средней плотности в сухом состоянии существуют следующие марки легких бетонов: D200; D300; D400; …; D2000. При испытаниях на морозостойкость легкие бетоны выдерживают от 25 до 500 циклов попеременного замораживания и оттаивания. По водонепроницаемости конструкционные легкие бетоны имеют те же марки, что и тяжелые бетоны.

В зависимости от назначения и технических свойств легкие бетоны разделяют на конструкционные, применяемые для изготовления несущих конструкций (стены, перекрытия и др.); теплоизоляционные, используемые в ограждающих слоистых конструкциях как утеплитель и для теплоизоляции, звукопоглощения; конструкционно-теплоизоляционные с прочностью 2,5—10 МПа — для ограждений.

Конструкционные легкие бетоны марок 150—400 получают на основе портландцемента марок 300—600 с применением керамзитового гравия (керамзитобетоны), аглопоритового щебня (аглопоритобетоны) или шлаковой пемзы (шлакобетоны). В качестве мелкого заполнителя применяют природный песок, но может быть использован и дробленый песок. Средняя плотность этих бетонов с применением кварцевого песка составляет 1600—1800 кг/м³, что значительно меньше, чем при применении плотного заполнителя для получения тяжелого бетона той же прочности. Эффективность легких бетонов в данном случае особенно наглядна при сравнении их по коэффициентам конструктивного качества. Этот коэффициент, обозначенный ККК, равен отношению предела прочности бетона при сжатии к его средней плотности. При равной прочности у легкого конструктивного бетона в среднем он выше в 2400/1700 = 1,4 раза, поэтому легкие бетоны целесообразнее применять, чем тяжелые одинаковой прочности, в междуэтажных перекрытиях отапливаемых зданий, в проезжей части мостов, в железобетонных конструкциях с обычной и предварительно напряженной арматурой (балки, прогоны, лестничные марши и площадки и т. п.). Широкому применению конструктивных легких бетонов в наружных конструкциях способствует высокая морозостойкость (Мрз35 и выше), а при использовании для гидротехнических сооружений их морозостойкость увеличивают до 300 и выше, что достигается введением некоторых добавочных веществ (ПАВ). Теплопроводность этих бетонов в сухом состоянии равна 0,35—0,60, а в стене 0,6—0,8 Вт/(м К), тогда как у тяжелых она равна 1,25—1,55 Вт/(м К).

Теплоизоляционные легкие бетоны имеют невысокую среднюю плотность — ниже 500 кг/м³ и обладают также хорошими теплозащитными свойствами, так как в сухом состоянии их теплопроводность находится ниже 0,20 Вт/(м К). Положительные свойства теплоизоляционных легких бетонов позволяют использовать их в конструкциях как достаточно надежную теплоизоляцию.

Бетоны средних марок (по прочности) обладают средней плотностью в пределах 500—1400 кг/м³ и теплопроводностью до 0,5— 0,6 Вт/(м-К) и поэтому с большим успехом совмещают функции конструктивного и теплоизоляционного материала (конструкционно-теплоизоляционного бетона). Величину средней плотности и прочность легкого бетона регулируют в основном подбором соответствующего заполнителя — природного или искусственного. Так как цементный камень значительно утяжеляет бетон, то его содержание стремятся довести до минимума, а макроструктуру приблизить к контактной при данной технологии его формирования. В связи с этим для легких бетонов используют пористый заполнитель, особенно тот, который сохраняет прочность на достаточном уровне. В общей формуле (9.3) прочности бетона значение показателя степени п быстро увеличивается с понижением прочности заполнителя, уменьшением его средней плотности. Наиболее часто в легких бетонах применяют заполнители в виде щебня, гравия и песка из природных материалов — пемзы, вулканического туфа, ракушечника, известкового туфа и др. и из искусственных — шлаковой пемзы (термозита), керамзита, аглопорита, вакулита, шунтизита (вспученные при нагревании шунгитовые сланцы), вспученных перлитов и вермикулитов и др. По средней плотности они находятся в широком диапазоне марок — от 100 до 1200 и более. Прочность этих зернистых заполнителей обычно оценивают по величине напряжения при раздавливании их в металлических цилиндрах, и она колеблется от 0,4 до 20 МПа.

В легком бетоне может быть использован не только минеральный, но и органический заполнитель — древесная дробленка, одубина, костра, гранулированный пенополистирол и т. п. Размер зерен заполнителя равен 1,25—40 мм. Получаемую разновидность легкого бетона (арболит) используют как стеновой материал в жилищном строительстве.

Вяжущим веществом в легких бетонах служат обычный или быстротвердеющий портландцемент, а в отдельных случаях шлакопортландцементы. Арболит иногда изготовляют и на основе высокопрочного гипса, но чаще — портландцемента.

Подбор состава, приготовление, укладка и уплотнение бетонной смеси, уход за бетоном, например в покрытиях, не отличается от тех же операций, принятых в технологии тяжелых бетонов.

Общий метод проектирования состава ИСК в полной мере распространяется также на легкие бетоны, хотя по аналогии с тяжелыми имеются другие, специфические методы подбора состава легкого бетона, основанные на детально изученных частных закономерностях. Одна из таких частных закономерностей весьма близка к общему закону створа. Она была детально изучена проф. Н. А. Поповым и представлена в теории легких бетонов. Было отмечено, что при данном составе легкого бетона его прочность связана с количеством воды, добавляемой к смеси. По мере прибавления воды прочность бетона увеличивается и максимум прочности достигается при оптимальной добавке воды. Пройдя через максимум, при дальнейшем увеличении содержания воды прочность бетона снижается под влиянием снижения его плотности. Установлено, что наибольшая прочность и оптимальная подвижность получаются при добавлении воды в количестве, при котором коэффициент выхода уплотненной смеси становится наименьшим. Показано, что на эту зависимость влияют технологические факторы. Характер расположения экстремумов свойств легкого бетона (прочности, подвижности, коэффициента выхода) на одной вертикальной линии остается неизменным (рис. 9.15), отражая общий закон створа, открытый значительно позже этой важной частной зависимости.

Как отмечалось выше, наибольшее применение у нас в стране получили легкие бетоны с керамзитом, т. е. керамзитобетон, реже — аглопоритобетон, шунгизитобетон и др. Нередко вводят в бетон еще более легкие заполнители; например перлит в виде песка. Известное распространение получил поризованный керамзитобетон с вспучен;

Рис. 9.15. Общий характер влияния количества воды на прочность и выход легких бетонов при уплотнении (по Н.А. Попову):

I — сильном; 2 — среднем; 3 — слабом.

Рис. 9.16. График зависимости предела прочности при сжатии керамзитобстона оптимальной структуры от изменения количества и прочности керамзита:

I — при прочности керамзита б МПа; // — при прочности керамзита 1,7 МПа; /, 2, 3, 4 — отношения объемов «керамзитгпесок» соответственно равные 0,6; 1,9; 3,1; 4,3.

ным перлитовым песком. Последний вносят в ограниченном количестве (до 0,2 м³ на 1 м³ бетона), что обеспечивает получение необходимой плотности бетона. Новой разновидностью служит и азеритобетон (азерий—новая разновидность вспученного заполнителя).

Независимо от разновидности заполняющей части на легкие бетоны полностью распространяются общие закономерности оптимальных структур (рис. 9.16). Среди разновидностей легких бетонов следует выделить крупнопористый и поризованный бетоны.

Крупнопористый, пш беспесчаный бетон, относится к экономичным и эффективным. Для его производства требуются сравнительно небольшие капиталовложения, небольшой расход цемента и в основном местные заполнители. Этот легкий бетон малотеплопроводен, что снижает расход топлива на отопление помещений в зданиях. Он не содержит песка, что обусловливает его крупнопористое строение.

В качестве заполнителя в крупнопористых бетонах используют щебень или гравий размером от 5 до 40 мм, которые могут быть плотными и пористыми, например керамзит, кирпичный бой и др. Как отмечено, в этом бетоне ограниченное содержание портландцемента (120—150 кг/м³), что приводит к получению бетона сравнительно невысоких марок — 15, 25, 35, 50, 75 и 100. При введении пластифицирующих добавок можно еще больше снизить расход цемента, до 80—100 кг/м³.

Крупнопористый бетон используют как стеновой материал в зданиях высотой до четырех этажей, которые оштукатуривают, чтобы избежать продуваемости ограждающих конструкций.

Поризованные бетоны отличаются тем, что содержат не только легкий заполнитель, но и специально поризованный матричный материал (цементный камень). Для этого в состав бетона вводят поризующие вещества с образованием пены, причем замкнутые поры заполняются воздухом. Поризованный бетон изготовляют из цемента, минерального порошка (природного, тонкомолотого гранулированного шлака, горелых пород и др.) путем смешения их с предварительно подготовленной вспененной массой из воды и пенообразователя, например смолосапонинового, получаемого из мыльного корня. Проектный состав такой массы устанавливают в лаборатории в соответствии с общим методом проектирования состава ИСК по качеству или с применением ЭВМ.

Эти разновидности легких бетонов обладают улучшенными теплотехническими свойствами и поэтому применяются как теплоизоляционный или конструктивно-теплоизоляционный материал в стеновых ограждающих конструкциях. Следует, однако, отметить, что поризованный бетон при его изготовлении требует дополнительных трудозатрат и применяется реже.