Рогожина М. И., Мищерина Е. Ю., Лапидус А. А. ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА №2’2018

1. Бетон — от первых минут жизни до бетонной конструкции/изделия

Строительство в XXI веке — стабильно развивающаяся отрасль, которая требует огромного количества различных материалов. В современном строительстве преимущество отдают конструкциям из бетона. Для возведения построек массового строительства этот материал начали применять во второй половине XIX века. Бетон — это материал, который состоит из тщательно перемешанной и уплотненной смеси вяжущего вещества (минерального или органического) и воды, мелких или крупных заполнителей. После затвердевания данная смесь называется бетонной смесью.

Бетон экологически безопасен, так как изготавливается в основном из естественных природных составляющих, в раннем возрасте без особых трудностей поддается формованию, долговечен, сравнительно бюджетен, в зависимости от требований, предъявляемых к конструкции из бетона, имеет множество разновидностей.

Бетон хорошо работает на сжатие и значительно хуже на растяжение, поэтому в растянутую область бетонного элемента устанавливают стальную или полимерную арматуру, что значительно повышает несущую способность конструкции. Из бетона изготавливают сборные элементы, возводят монолитные конструкции. Этот материал конкурирует с металлом и природным камнем.

В составе бетонной смеси наиболее часто используют неорганические вяжущие вещества, которые различают по способу твердения: водные-цементы, воздушные (известь, гипс и др.). Портландцементный клинкер — основа большинства цементов. Изменяя его состав, получают разновидности цемента, различающиеся по свойствам и областям применения в строительстве. Портландцемент (ПЦ) — цемент, который в своем составе не имеет никаких добавок, кроме гипса. Основными составными частями клинкера являются четыре минерала: алюмоферриты кальция переменного состава xCaO · yAl2O3:Fe2O3 (CxAF), трехкальциевый алюминат 3CaO · Al2O3 (C3A), двухкальциевый силикат 2CaO · SiO2 (C2S) и трехкальциевый силикат 3CaO · SiO2 (С3S). Воздушная известь — разновидность вяжущего вещества, которое используют для изготовления силикатных бетонов. Она представляет собой простейшее вяжущее, получаемое умеренным обжигом карбонатных пород (известняка, мела, ракушечника, отходов цементного производства и др.), содержащих не более 8% глинистых примесей.

Кроме вяжущего вещества, в состав бетонной смеси входит заполнитель. Он занимает большую часть объема, влияет на свойства бетона, его долговечность и стоимость. Они увеличивают прочность и модуль деформации бетона, уменьшают изменения конструкции под нагрузкой и усадку. Для приготовления бетона используют заполнитель двух видов — крупный и мелкий. Крупный (более 5 мм) делят на гравий и щебень. Естественный или искусственный песок является мелким заполнителем.

В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации, состав бетонной смеси регулируют с помощью различных видов добавок. Их делят на два вида: химические, включаемые в состав в малом количестве и меняющие требуемые свойства бетона; тонкомолотые, способствующие экономии вяжущего вещества.

Прочность — одно из самых главных требований, предъявляемых к бетону при возведении строительных конструкций. Существуют различные факторы, влияющие на это свойство. Многочисленные испытания показали, что при значении водоцементного отношения (В/Ц) в пределах от 0,4 до 0,7 имеет место прямолинейная зависимость между прочностью бетона, активностью вяжущего и цементно-водным отношением (Ц/В). С помощью обобщения опытных данных была получена единая формула:

Rб = 0,56 Rц (Ц/В) – 0,5. (1)

Для участка Ц/В > 2,5 была получена другая зависимость:

Rб = 0,36 Rц (Ц/В) + 0,53. (2)

Из этого следует, что изменение прочности бетона от Ц/В и активности цемента — сложный процесс. На практике криволинейный график заменяют двумя прямыми и пользуются эмпирическими формулами.

Помимо прочности, для железобетонных конструкций существует ряд других физикомеханических требований: хорошее сцеплением с арматурой, достаточный защитный слой для защиты арматуры от коррозии. Чтобы бетон удовлетворял всем поставленным требованиям, нужно точно проектировать его состав, следить за процессом приготовления, укладки и уплотнения, а также правильно выдерживать его в начальный период набора прочности.

2. Химизм, протекающий в бетоне в момент схватывания и набора прочности

В результате затвердевания (схватывания) бетонной смеси и дальнейшего твердения бетона формируется структура бетона. Гидратация вяжущего, его схватывание и твердение влияют на формирование структуры.

Схватывание характеризуется процессом загустевания цементного теста. Следует отличать процесс схватывания, который происходит в начальный период после затворения цементного теста водой, от процесса твердения — набора прочности со временем схватившегося цементного теста. Можно предположить, что началом схватывания считается избирательная реакция клинкерных минералов с водой — первыми вступают в реакцию С3А и C3S. При начале схватывания наблюдается быстрый подъем температуры, при окончании схватывания — ее максимум. Также наблюдается уменьшение электропроводности.

Процессы, происходящие при взаимодействии клинкерных минералов с водой, характеризуются следующими уравнениями:

  • гидролиз трехкальциевого силиката: 3CaO · SiO2 + (n+1) H2O = 2CaO · SiO2 · nH2O + Ca(OH)2;
  • гидратация двухкальциевого силиката: 2CaO · SiO2 + nH2O = 2CaO · SiO2 · nH2O;
  • гидратация трехкальциевого алюмината: 3CaO · Al2O3 + 6H2O = 3CaO · Al2O3 · 6H2O;
  • гидролиз четырехкальциевого алюмоферрита: 4CaO · Al2O3 · Fe2O3 + mH2O = 3CaO · Al2O3 · 6H2O + CaO · Fe2O3 · nH2O.

Имеющийся в портландцементе гипс вступает в реакцию с образующимся трехкальциевым гидроалюминатом:

3CaO · Al2O3 · 6H2O + 3 (CaSO4 · 2H2O) + 19H2O = 3CaO · Al2O3 · 3CaSO4 · 31H2O.

Процесс преобразования смеси портландцемента с водой в цементный камень с формированием новых соединений называется твердением. Если процесс твердения осуществляется на воздухе, то начинается процесс карбонизации: Ca(OH)2 + СO2 + nH2O =

= CaСO3 + n+1H2O. Образуется труднорастворимый карбонат кальция, который заполняет поры, уплотняет структуру цементного камня и создает малопроницаемую пленку.

Образование структуры цементного камня интенсивно происходят первые 3–7 суток, он набирает прочность и приобретает другие свойства. Дальше процесс структурообразования замедляется, но если эксплуатировать бетон во влажных условиях, то наблюдется продолжение структурообразования многие годы.

3. Высокоглиноземистый бетон: области применения

Высокоглиноземистый цемент — гидравлическое вяжущее, используемое для приготовления бетонной смеси. В составе содержится не менее 75% окиси алюминия Al2O3 и не более 1% окиси железа Fe2O3. Водные условия твердения наиболее благоприятны для этого вида вяжущего. По сравнению с портландцементом, этот цемент устойчив к воздействию сульфата кальция и магния, хорошо сопротивляется высоким температурам, но разрушается в растворах щелочей и солей аммония. Применение глиноземистого цемента ограничено его дороговизной по сравнению с портландцементом, поэтому его применяют при использовании всех его положительных качеств.

Бетон с использованием высокоглиноземистого цемента целесообразно применять для бетонных и железобетонных конструкций, которые требуют повышенной прочности в довольно сжатые сроки, особенно при низких температурах окружающей среды, в конструкциях, подвергающихся частым замерзанию и оттаиванию, увлажнению и высыханию, особенно в морской воде. Бетоны на основе высокоглиноземистого цемента устойчивы к воздействию сульфатных вод и сернистого газа. Обширно применяют данный цемент для изготовления жароупорных бетонов, при авариях и ремонтных работах. Использование высокоглиноземистого цемента запрещено, если температура твердения превышает 25–30 °С, а также если конструкция будет работать в щелочной агрессивной среде.

4. Высокоогнеупорный бетон: сырьё, порядок подготовки к бетонированию, что придает огнеупорность в сравнении с обычным бетоном

Высокоогнеупорный бетон обладает огнеупорностью выше 1700 °С. В качестве сырья для приготовления высокоогнеупорных бетонов используют портландцемент с фосфорным ангидридом, в качестве заполнителя применяют песок и щебень из хромита, высокоглиноземистый цемент, в качестве заполнителя песок и щебень из высокоглиноземистого кирпича.

Дозирование всех компонентов смеси, перемешивание и формование составляют процесс приготовления бетонов. Формование может осуществляться трамбованием или методом литья, поэтому из бетонов можно изготавливать штучные изделия требуемых размеров, можно также использовать их для футеровок. По способу укладки и уплотнения различают огнеупорные бетоны: полусухого формования, пластического формования, литые и вибролитые. Термообработку проводят путем прогревания.

Чтобы использовать бетоны при высоких температурах, в цемент вводят различного рода тонкомолотые добавки: шамот, туф, трепел, кварцевый песок и др. Было замечено, что прочность цементного камня с добавками при нагреве до 1000–1200 °С часто начинает увеличиваться. Такие смеси применяют для изготовления высокоогнеупорных бетонов, при этом используют материалы соответствующей огнеупорности. С целью повышения прочностных свойств, устойчивости к механическим нагрузкам и тепловым ударам в состав бетонных смесей вводят армирующие волокна: стеклянные, асбестовые, каолиновые, стальные и др.

5. Заключение

Тяжелый бетон — разновидность бетона, которая обладает высокой прочностью на сжатие. Его широко используют для возведения монолитных несущих железобетонных конструкций зданий. Он дает возможность снизить воздействие агрессивных сред на конструкцию, что повышает их коррозионную стойкость. Использование огнеупорного тяжелого бетона дало возможность эксплуатировать конструкции при высоких температурах. Постоянное усовершенствование состава и технологии тяжелых бетонов позволит создавать и эксплуатировать новые виды конструкций в самых разных средах.

Список литературы

  1. Терминологический словарь по бетону и железобетону / Федер. гос. унитар. предпр. «Науч.-исслед. центр «Стр-во»»; Науч.-исслед., проект.-конструкт. и технол. ин-т бетона и железобетона им. А. А. Гвоздева; отв. за вып. Л. Ф. Калинина. М.: Строительство, 2007. 112 с.;
  2. Баженов Ю. М. Технология бетона: учеб. пособие для технол. спец. строит. вузов. 2-е изд., перераб. М.: Высшая школа, 1987-415 с.:ил.
  3. Волженский А. В. и др. Минеральные вяжущие вещества: (технология и свойства): учебник для вузов / А. В. Волженский, Ю. С. Буров, В. С. Колокольников. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1979.
  4. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991 – 767 с.: ил.