Основные свойства бетона и его виды

Бетон (от фр. beton) - строительный материал, получаемый в результате затвердевания рационально подобранной и уплотненной смеси вяжущего вещества (цемент или др.), заполнителей с водой. В ряде случаев может содержать специальные добавки. В наши дни бетон является наиболее широко используемым строительным материалом. Во всем мире около 1 тонны бетона производится каждый год на каждого живого человека на Земле. Это происходит потому бетон это наиболее доступный строительный материал в мире. Из всех известных строительных материалов, будучи доступным, бетон также очень прочен, долговечен, устойчив к воздействию воды, огня, а также легко может быть уложен в бесконечном разнообразии форм и размеров (что, к слову, является ключевым преимуществом для торкретирования).

Успех бетонного строительства напрямую зависит от того какие свойства заложил проектировщик на этапе проектирования сооружения, в основном это набор прочности и другие свойства.Прочность бетона, кроме прочего, напрямую зависит от рабочего на стройплощадке. Поэтому для того чтобы работать с бетоном, каждому рабочему очень важно понять некоторые важные факторы, влияющие на свойства бетона.

Бетон представляет собой смесь из двух компонентов: заполнителя и цементной пасты. Паста из портландцемента и воды, работает как клей, который связывает заполнитель (песок, гравий или щебень), благодаря химической реакции цемента и воды, при котором цементная паста затвердевает и превращается в цементный камень.

Рис 1 Отполированное сечение бетона. Паста из воды и цемента укрывает фрагменты заполнителя и заполняет все пространство между ним.

В основном, термин «цемент», используемый в строительстве относится к понятию портландцемент. Иногда считают, что смесь цемента, воды и заполнителя, это и есть цемент, но это технически неправильно, это бетон. Заполнители, как правило, разделены на две группы: мелкие и крупные. Мелкий заполнитель состоит из природного или искусственного песка с размером частиц до 5 мм, в крупных заполнителях большинство частиц превышает 5 мм и доходит до 150 мм (для мостовых балок, массивных фундаментов и пр.)

Рис. 2 Пропорции по весу материалов в типичной свежей смешанной бетонной смеси. В других смесях доля заполнителя может достигать от 70 до 80% от веса, а доля цемента 13 до 20% от веса

Качество бетона зависит в значительной степени от качества цементной пасты. В правильно приготовленном бетоне, каждая частица заполнителя полностью покрыта цементной пастой, также все пространство между частицами полностью заполнено пастой, как показано на рис. 1. Для любого конкретного набора материалов в рецептуре бетона и условий твердения бетона, качество бетона определяется количеством воды, используемой в отношении к количеству цемента.

Ниже приведены некоторые преимущества снижения содержания воды в бетоне:

повышенная прочность на сжатие и изгиб;
пониженная проницаемость воды и др. веществ;
повышенная стойкость к погодным условиям;
лучшая связь между слоями в бетоне и между бетоном и арматурой;
меньшее изменение объема бетона от затворения до высыхания;
снижение тенденции к трещинообразованию из-за усадки.

Другими словами, чем меньше воды используется в бетоне, тем лучше его качество

Виды бетона

По виду вяжущего вещества подразделяют на цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, асфальтобетон, пластобетон (полимербетон) и др.

По назначению различают бетоны обычные (для промышленных и гражданских зданий) и специальные — гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, а также бетоны специального назначения (химически стойкие, жаростойкие, звукопоглощающие, для защиты от ядерных излучений и др.).

По объёмной массе бетоны подразделяют на

особо тяжёлый с плотностью свыше 2500 кг/м - баритовый, магнетитовый, лимонитовый
тяжёлый (плотность от 1800 до 2500 кг/м) - гравийный, щебёночный (базальтовый, известняковый, гранитный)
легкий (плотность от 500 до 1800 кг/м) — керамзитобетон, пенобетон, газобетон, арболит, вермикулитовый, перлитовый
особо лёгкий (плотность менее 500 кг/м)

По содержанию вяжущего вещества и заполнителей различают бетоны

тощие (с пониженным содержанием вяжущего вещества и повышенным содержанием крупного заполнителя)
жирные (с повышенным содержанием вяжущего вещества и пониженным содержанием крупного заполнителя),
товарные (c соотношением заполнителей и вяжущего вещества по стандартной рецептуре).

Свойства бетона

Бетон должен быть пластичным или полужидким, и как правило, его можно сформировать ладонью руки. Очень жидкая бетонная смесь также может быть сформирована, если не ладонью, то с помощью формы. В пластичной бетонной смеси все зерна песка и других заполнителей заключены и «подвешены» в цементной пасте. Ингредиенты не склонны разделяться при транспортировке, и когда бетон затвердеет, становятся однородной смесью всех компонентов. Правильно приготовленный бетон должен быть пластичным, не комковаться, а медленно перетекать без разделения на составляющие.

Рис. 3 Мера подвижности бетона (высокая осадка конуса по сравнению с низкой осадкой конуса)

Осадка используется как мера подвижности бетона (рис. 3). Измерение осадки представляет собой стандартный метод испытаний, который состоит из помещения образца свежего бетона в конусообразную форму и уплотнение бетона стержнем арматуры. Форма поднимается и бетон оседает. Расстояние по вертикали между бетоном, уложенным в форму и осевшим бетоном называется осадкой конуса бетона. Бетон с низкой осадкой имеет жесткую консистенцию, и чем выше осадка, там влажнее смесь. В строительной практике, тонкостенные бетонные элементы и густо армированные элементы часто требуют более высокой осадки (но никогда жидкой консистенции) смеси для удобства укладки.

Удобоукладываемость отражает простоту укладки, уплотнения, и отделки свежего бетона. С одной стороны, бетон должен быть в меру подвижным, а с другой, не должен разделяться на составляющие и чрезмерно выделять цементное молочко. Под выделением цементного молока понимают миграцию воды к верхней поверхности свежеуложенного бетона, вызванную осадкой твердых частиц (под действием вибрации и силы тяжести). Чрезмерное выделение цементного молочка увеличивает содержание воды в верхней поверхности бетона и делает верхний слой менее прочным и, если отделочные работы происходят в то время как на поверхности присутствует вода, менее износостойким. В связи с тенденцией свежего бетона к разделению и выделению воды, очень важно поместить каждую порцию бетона как можно ближе к месту укладки.

В обычном бетоне, надлежащее уплотнение достигается за счет механической вибрации, а также с помощью штыкования, если бетон достаточно подвижен. При правильном уплотнении могут быть использованы более жесткие смеси, которые повышают качество бетона и позволяют достичь экономии в работах. В процессе торкретирования надлежащее уплотнение достигается за счет напыления бетона на поверхность с большой скоростью.

Процесс твердения цементной пасты из-за химической реакции между цементом и водой, называется гидратацией. Продукт этой химической реакции - гидратированное цементное тесто, которое чаще называют просто тесто или паста, под которой понимают связующее (клей) в рецептуре бетона.

Различные химические вещества из которых состоит цемент по-разному реагируют друг от друга. Некоторые из них будут реагировать раньше и быстрее, в то время как другие требуют больше времени для активации, а затем будут реагировать медленно. Затвердевшее цементное тесто образует плотное соединение, которое связывает зерна песка и фрагменты крупного заполнителя цементирует все вместе. Бетон схватывается, твердеет и набирает прочность.

Затвердевший бетон содержит мелкие поры наполненные водой и воздухом, которые не имеют прочности. Прочность можно наблюдать только в твердой части пасты. Чем меньше пор в затвердевшем цементном камне, тем прочнее долговечнее бетон. В приготовлении бетона должно быть воды не больше и не меньше, чем необходимо для придания бетону нужной пластичности и подвижности. Знание о том, что бетон в процессе гидратации выделяет тепло полезно при планировании строительства. Зимой гидратация в определенной степени может помочь защитить бетон от низких температур. Летом выделение тепла, может быть вредным. Необходимо соблюдать осторожность в жаркую погоду, так как в результате повышения температуры смеси, может ускориться реакция гидратации, тем самым уменьшая время схватывания и ограничивая подвижность бетонной смеси. Другие факторы, влияющие на скорость гидратации: включают температуру, количество воды, тип цемента и добавок, присутствующих в бетонной смеси.

Уход за бетоном

Так как гидратация это реакция между водой и цементом, которая генерирует клеящее вещество, важно, чтобы вода была доступна для набора требуемой прочности. Если обеспечить постоянное смачивание бетона или относительную влажность воздуха около 80% с надлежащей температурой воздуха, бетон продолжает набирать прочность с возрастом до тех пор, пока не гидратированный цемент по-прежнему присутствует. При относительной влажности, окружающего бетон воздуха, ниже 80% и температуре окружающей среды ниже нуля градусов, гидратация и набор прочности бетона останавливается.

Если бетон увлажняется после высыхания гидратация частично возобновляется и иногда можно наблюдать продолжение набора прочности, при условии что бетон не был заморожен. Лучше всего непрерывно ухаживать за бетоном с момента укладки до момента достижения желаемого качества. Правильный уход также снизит вероятность появления усадочных трещин.

Высыхание бетона

Бетон не становится прочнее при высыхании. Как указывалось ранее, бетон должен продолжать удерживать достаточное количество влаги в период созревания для того чтобы цемент гидратировал. В свежеприготовленном бетоне содержится больше влаги чем необходимо для гидратации, но по мере того как будет происходить высыхание от поверхности вглубь бетона, набор прочности остановится как только относительная влажность снизится ниже 80%. Распространенным примером этого может служить бетонный пол, который твердел при отсутствии достаточной влаги — т. к. бетон твердеет слишком быстро, поверхность становится слабой и пылит. Бетон усаживается при высыхании также как и дерево, бумага и глина. Усадка — первая причина трещин. Так как открытая поверхность бетона высыхает быстрее чем массивные элементы, форма элемента влияет на скорость высыхания бетона. Элементы с большой площадью поверхности по отношению к объему высыхают быстрее чем массивные элементы с малой площадью поверхности (как, например, мостовые балки)

Прочность

Уровень прочности бетона называется компрессионной прочностью (КП), показывающей какую нагрузку при раздавливании может нести тот или иной образец бетона (бетонный куб или цилиндр, раздавленный на лабораторном прессе после 28 дней созревания бетона). КП - основной показатель при расчете и проектировании сооружений из бетона (железобетона). КП бетона во многом зависит от количества воды и цемента в смеси (часто называемой водоцементным соотношением), возрастом бетона, уровня развития гидратации.

Масса (плотность)

Обычный бетон, как правило, используется для тротуаров, зданий и других сооружений, имеет вес около 2350 кг /м3. Специальные супертяжелые бетоны, применяемые в противовесах или для радиационной защиты весят до 3200 кг/м3. Удельный вес (плотность) бетона изменяется в зависимости от количества и удельного веса заполнителей, объема воздуха, который попадает в бетон, содержания воды и цемента, которое в свою очередь зависит от таких факторов, как максимальный размер заполнителя и используемых химических добавок. При проектировании железобетонных конструкций, предполагается что сочетание обычного бетона и арматуры имеет вес около 2350 кг/м3.

Морозостойкость

Бетон который используется в сооружениях, тротуарах, тоннелях, должен иметь длительный срок службы и низкие эксплуатационные расходы. Хорошая прочность бетона позволит противостоять влияниям окружающей среды. Одним из наиболее разрушительных факторов является воздействие атмосферы в виде замораживания и оттаивания во время того как бетон все еще влажен, особенно при наличии противообледенительных солей. Замерзание воды в цементном тесте, частиц заполнителя или того и другого является причиной быстрого износа бетона. При правильном вовлечении воздуха, бетон становится намного более устойчивым к износу вызванному циклами замерзания и оттаивания. Бетон с вовлеченным воздухом более морозоустойчив чем бетон без вовлеченного воздуха, бетон с низким водоцементным соотношением (В/Ц), более долговечен чем бетон с высоким В/Ц.

Водопроницаемость и водонепроницаемость

Бетон который используется в гидротехнических сооружениях или особо подвержен воздействию погодных условий или других тяжелых условий, должен быть настолько водонепроницаемым, насколько это возможно. Водонепроницаемость это способность бетона сдерживать или поглощать воду без видимых утечек. Под проницаемостью понимают количество воды проходящее через бетон, в случае, когда вода находится под давлением, или способность сопротивления бетона к проникновению воды или других веществ (жидкости, газа, ионов). Как правило, те же свойства бетона, которые делают бетон менее проницаемым также делают его более водонепроницаемым. Низкое В/Ц уменьшает расслоение, выделение цементного молочка и способствует увеличению водонепроницаемости. Чтобы для того чтобы сделать бетон водонепроницаемым, он должна быть без трещин, полостей и пазух.

Контроль образования трещин

Существуют две основные причины по которым появляются трещины в бетоне:

усилия вследствие пластичной усадки при высыхании или изменения температуры
усилия вследствие силовых нагрузок.

Пластичную усадку на поверхности свежего бетона можно наблюдать вскоре после укладки, если имеет место чрезмерное испарение воды затворения.

Колебания температуры могут привести к растрескиванию, особенно на раннем возрасте созревания бетона. Усадка бетона вследствии высыхания неизбежна, поэтому правильно расположенная арматурная сталь и формирование деформационных швов используется в монолитном железобетоне для уменьшения размера трещин.

Заполнители

Песок, гравий и щебень, которые смешиваются с цементом и водой, в производстве бетона, называются заполнителями. Эти материалы составляют от 70 до 80% веса бетона. Кубический метр тяжелого бетона может содержать от 1600 до 1800 кг мелкого и крупного заполнителя. Типичные заполнители должны соответствовать стандартам качества. Основные качества заполнителя, которые существенно влияют на качество бетона:

максимальный размер зерна
распределение размера зерен
форма зерен
твердость зерен
содержание влаги
количество крупных и мелких включений

Максимальный размер зерен в заполнителе

Наибольший размер зерна может быть выбран в зависимости его от размера и формы, расстояния между арматурными стержнями в бетоне, ограничений бетоноподающего оборудования (типом бетононасоса, диаметром шланга и т.д.). Обычно выбирают экономически доступный заполнитель с наибольшим диаметром частиц т. к. чем больше размер частиц заполнителя, тем меньше необходимо связующего (цемента) и меньше воды (уменьшение В/Ц и усадки)

Распределение размера зерен в заполнителе

Заполнитель состоят из частиц, которые различаются по размеру. Для того чтобы сделать замесы бетона одинаковыми, количество заполнителя и распределение в нем частиц должно быть также одинаковым. Для замера размера зерен заполнителя, просушенный образец заполнителя просеивают через ряд стандартных сит, начиная с сит с наибольшими отверстиями, заканчивая самыми мелкими ситами. Распределение размера зерен определяется по весу заполнителя, который остался в каждом из сит.

Есть несколько причин для необходимости определять распределение размеров частиц в заполнителе и определять максимальный размер частиц. Количество цемента и воды, которое необходимо для приготовления смеси нужной подвижности, строго зависит от размера частиц заполнителя. Например для приготовления бетона с максимальным размером частиц 25 мм необходимо меньше цемента и воды с определенной прочностью, чем для бетона с заполнителем 12.5 мм.

Размер и распределение частиц заполнителя также влияют на удобоукладываемость, наличие пор, морозостойкость бетона, и его пригодность к перекачиванию, а также на ряд других характеристик. В добавок к проблемам с перекачиванием, нестабильное распределение частиц приведет к неоднородности и несхожести замесов бетона из одного того же заполнителя. Лучшие результаты по всем параметрам даст заполнитель (песок) при рассеве которого не будет избытка или недостатка на любом из сит т. е. частицы по размеру в заполнителе будут распределены равномерно.

Такие заполнители называют «с равномерной кривой рассева» или хорошо градуированным заполнителем (рис. 3 (а)).

Чем больше в бетоне хорошо градуированного заполнителя, тем меньше объем который необходимо заполнить вяжущим (цементной пастой), тем меньше площади поверхности заполнителя, который необходимо «склеить», таким образом требуется меньше воды и цемента. Нормальное распределение частиц заполнителя необходимо для эффективного и экономного использования цемента и воды. Распределение частиц с промежутками (рис.3 (б)) или равномерное распределение частиц (рис. 3 (с)) приведет к увеличению количества цементной пасты для заполнения образовавшихся пустот, и, если цементной пасты окажется недостаточно, могут появится проблемы с отвержением или перекачиванием бетона.

Рис 3 Хорошо градуированный заполнитель (а), распределение частиц с промежутками(б), равномерное распределение частиц (с)

Затворение водой

Качество воды является проблемой, потому что химические вещества, даже в очень небольших количествах, иногда могут существенно изменить время схватывания смеси или повлиять на свойства бетона в долгосрочном периоде.Практически любая питьевая вода может быть использована для затворения бетона. Морская вода может не навредить прочности бетона самого по себе, но существенно ускорить коррозию арматуры если используется железобетон. Вода, содержащая жир, соль, водоросли, грязь или сахар не должна использоваться для затворения бетона.

Добавки в бетон

Любые вещества, специально добавляемые перед или во время приготовления бетона, кроме цемента, дополнительных вяжущих веществ, воды, заполнителей и армирующих волокон (фибры), называется добавками. Характеристики свежего бетона могут быть изменены добавлением добавок в рецептуру бетона. как правило, в жидком виде, во время дозирования.

Добавки обычно используются для:

регулировки времени схватывания
сокращения В/Ц (водо-цементного соотношения)
увеличения подвижности
намеренного вовлечения воздуха в бетон
изменения других свойств.

Типы добавок:

Ускорители схватывания (используются в холодную погоду тк при низких температурах бетон схватывается медленно);
Замедлители схватывания (используются в жаркую погоду для того чтобы бетон не схватился до или в процессе укладки);
Уменьшающие В/Ц - повышают подвижность (усадку конуса);
Суперпластификаторы (добавки в бетон широкого спектра действия)
Воздухововлекающие добавки (увеличение морозостойкости и теплосопротивления)
Различные специальные добавки(цветные пигменты, ингибиторы коррозии, упрощающие перекачивание, латексные модификатороы и т.д.)

Рецептуры бетона (применительно к торкрет бетону)

Рецептура торкретбетона или торкрет смеси должна обеспечивать бетон с такими качествами: экономичный, удобно укладываемый (подвижный), легко транспортируемый (сухие смеси для сухого торкретирования), легко перекачиваемый (торкрет бетон для мокрого торкретирования), и легко напыляемый. Рецептура должна соответствовать требованиям проекта (осадка конуса затворенной смеси, содержание воздуха, прочность, долговечность). Для достижения этой цели нужно использовать хорошо градуированный (с правильным гранулометрическим составом) заполнитель и цементную пасту соответствующего высокого качества. Хорошо градуированный заполнитель (рис. 3 (а)), необходим для улучшения и облегчения торкретирования (лучшее уплотнение, меньший отскок, и т.д.).

Хорошее качество цементного теста определяется с помощью относительно низкого В/Ц.. В случаях, когда В/Ц выбран слишком низким, чтобы получить нужную подвижность, в бетон вводятся специальные добавки, таких как суперпластификаторы и / или добавски уменьшающие В/Ц. Эти мероприятия позволяет сохранить В/Ц низким при производстве и укладке высококачественного торкретбетона.

После разработки рецептуры смеси, которая будет соответствовать всем требованиям конкретного проекта, рецептура торкретсмеси может быть похожа на пример в таблице 1.

Таблица 1 Типичная рецептура торкрет-смеси

Железобетон

Железобетон - это сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединённых и совместно работающих в конструкции. Термин "Железобетона" нередко употребляется как собирательное название железобетонных конструкций и изделий. Идея сочетания в двух крайне различающихся своими свойствами материалов основана на том, что прочность бетона при растяжении значительно (в 10—20 раз) меньше, чем при сжатии, поэтому в железобетонной конструкции он предназначается для восприятия сжимающих усилий. Сталь же, обладающая высоким временным сопротивлением при растяжении и вводимая в бетон в виде арматуры, используется главным образом для восприятия растягивающих усилий.

Взаимодействие столь различных материалов весьма эффективно: бетон при твердении прочно сцепляется со стальной арматурой и надёжно защищает её от коррозии, т. к. в процессе гидратации цемента образуется щелочная среда; монолитность бетона и арматуры обеспечивается также относительной близостью их коэффициентов линейного расширения (для бетона от 7,5•10-6 до 12•10-6, для стальной арматуры 12•10-6); в пределах изменения температуры от -40 до +60°С основные физико-механические характеристики бетона и арматуры практически не изменяются, что позволяет применять железобетон во всех климатических зонах.

Основа взаимодействия бетона и арматуры — наличие сцепления между ними. Значение сцепления или сопротивления сдвигу арматуры в бетоне зависит от следующих факторов: механического зацепления в бетоне специальных выступов или неровностей арматуры, сил трения от обжатия арматуры бетоном в результате его усадки (уменьшения в объеме при твердении на воздухе) и сил молекулярного взаимодействия (склеивания) арматуры с бетоном; определяющим является фактор механического зацепления. Применение арматуры периодического профиля сварных каркасов и сеток, устройство крюков и анкеров увеличивают сцепление арматуры с бетоном и улучшают их совместную работу.

Нарушение структуры и заметное снижение прочности бетона наступает при температуре свыше 60°С; при кратковременном воздействии температуры в 200°С прочность бетона снижается на 30%, а при длительном - на 40%.

Температура в 500-600°С является для обычного бетона критической, при которой он разрушается в результате обезвоживания и разрыва скелета цементного камня. Поэтому обычный железобетон рекомендуется применять при температуре не выше 200°С. В тепловых агрегатах, работающих при температурах до 1700°С, используется жаростойкий бетон. Для предохранения арматуры от коррозии и быстрого нагревания (например, при пожаре), а также надёжного её сцепления с бетоном в железобетонных конструкциях предусматривается устройство защитного слоя бетона толщиной от 10 до 30 мм; в агрессивной среде толщина защитного слоя увеличивается.

Широкое распространение железобетона в современном строительстве обусловлено его большими техническими и экономическими преимуществами по сравнению с другими материалами. Сооружения из железобетона огнестойки и долговечны, не требуют специальных защитных мер от разрушающих атмосферных воздействий; прочность бетона со временем увеличивается, а арматура не поддаётся коррозии, будучи защищенной окружающим её бетоном. Железобетон обладает высокой несущей способностью, хорошо воспринимает статические и динамические (в т. ч. сейсмические) нагрузки. Из железобетона относительно легко создавать сооружения и конструкции самых разнообразных форм, достигающих большой архитектурной выразительности. Основной объём железобетона составляют повсеместно распространённые материалы - щебень, гравий, песок. Применение сборного железобетон позволяет значительно повысить уровень индустриализации строительства; конструкции изготовляются заранее на хорошо оснащенных заводах, а на строительных площадках выполняется только монтаж готовых элементов механизированными средствами. Тем самым обеспечиваются высокие темпы возведения зданий и сооружений, а также экономия денежных и трудовых затрат.