Основные направления следующие:

-разработка и организация производства эффективных видов вяжущих веществ, в том числе композиционных, арматурной стали, качественных заполнителей, различных видов химических добавок и их комплексов, активных минеральных компонентов;

-разработка и внедрение в строительство новых прогрессивных видов изделий и конструкций с использованием разнообразных бетонов и совместного использования бетона и других материалов, в том числе слоистых, гибридных и композиционных изделий и конструкций;

дальнейшее совершенствование технологии производства сборных и монолитных бетонных и железобетонных изделий и конструкций путем внедрения более эффективных и интенсивных технологических процессов, высокопроизводительного и надежного оборудования, системы контроля и управления технологией и качеством готовой продукции, в том числе с широким использованием компьютеров и автоматизированных систем управления производством;

-развитие способов прогнозирования свойств и проектирования многокомпонентных бетонов с целью обеспечения их высокого качества, в том числе способов компьютерного проектирования бетона;

-применение ресурсосберегающих и безотходных технологий, расширение использования вторичных продуктов и отходов промышленности и энергетики, а также материалов от разборки зданий и сооружений;

-более широкое применение ячеистых бетонов и композитов, в первую очередь с целью повышения теплозащиты зданий и сооружений;

-расширение производства разнообразных сухих смесей различного назначения, использование всех достижений строительного материаловедения и резервов производства с целью экономии материальных, энергетических и трудовых ресурсов и создания конкурентоспособной отечественной продукции для замещения импортных аналогов.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ

В настоящее время в строительстве используют различные виды бетона. Разобраться в их многообразии помогает классификация бетонов. Бетоны классифицируют по средней плотности, виду вяжущего вещества, структуре, технологическим особенностям и назначению.

Многие свойства бетона зависят от его плотности, на величину которой влияют плотность цементного камня, вид заполнителя и структура бетонов. По плотности бетоны делят на особо тяжелые с плотностью более 2500 кг/м³; тяжелые - 1800…2500; легкие - 600...1800; особо легкие - менее 600 кг/м³.

Особо тяжелые бетоны приготовляют на тяжелых заполнителях - стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон).

В строительстве наиболее широко используют тяжелый бетон с плотностью 2100...2500 кг/м³ на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз и др.). Облегченный бетон с плотностью 1800...2000 кг/м³ получают на щебне из горных пород с плотностью 1600...1900 кг/м³ или без песка (крупнопористый бетон).

Легкие бетоны изготовляют на пористых заполнителях (керамзит, аг-лопорит, вспученный шлак, пемза, туф и др.). Применение легких бетонов уменьшает массу строительных конструкций.

К особо легким бетонам относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием смеси вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на легких заполнителях. В ячеистых бетонах заполнителем по существу является воздух, находящийся в искусственно созданных ячейках.

Главной составляющей бетона, во многом определяющей его свойства, является вяжущее вещество, по виду которого различают бетоны цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, полимербетоны, полимерцементные и специальные.

Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65% от общего объема производства), применяемые для различных видов конструкций и условий их эксплуатации, успешно используются бетоны на шлакопортландцементе (около 20...25%) и пуццолановом цементе. К разновидностям цементных бетонов относятся: декоративные бетоны, изготовляемые на белом и цветных цементах, бетоны для самонапряженных конструкций - на напрягающем цементе, бетоны для специальных целей, получаемые на особых видах цемента - глиноземистом, безусадочном и т. д.

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

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

Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворенных щелочными растворами. Эти бетоны еще только начинают применяться в строительстве.

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

Полимерцементные бетоны изготовляют на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества. В качестве полимера используют, например, водорастворимые смолы и латексы.

Свойства бетонов на неорганических вяжущих можно улучшать путем пропитки мономерами с последующим их отверждением в порах и капиллярах бетона. Подобные материалы называют бетонопопимерами.

Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное, магнезиальное и другие связующие. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые, стеклощелочные и др., полученные из отходов промышленности, что имеет важное значение для экономии цемента и охраны окружающей среды.

В зависимости от особенностей структуры различают крупнозернистый бетон слитной структуры, мелкозернистый бетон (без щебня), малощебеночный, в котором уменьшено содержание щебня, крупнопористый или беспесчаный, ячеистый, в структуре которого имеется большое количество воздушных или газовых пузырьков.

Технология изготовления изделий и конструкций предъявляет к бетонной смеси и бетону свои требования, для обеспечения которых необходимы соответствующий выбор сырья и состава бетона. В зависимости от используемой технологии различают бетоны из жестких бетонных смесей, позволяющие, как правило, немедленную распалубку изделий, литые бетоны для изготовления изделий и конструкций способом литья в форму, безусадочные, быстротвердеющие, пропаренные, автоклавные бетоны для зимнего бетонирования, твердеющие при отрицательных температурах, и ряд других.

В многокомпонентных бетонах наряду с цементом и заполнителем используют комплексы химических добавок различного назначения, активные минеральные наполнители, расширяющиеся компоненты. Широкая сы­рьевая база позволяет получать бетоны различной структуры, свойств и назначения. В наибольшей степени возможности многокомпонентных бетонов реализуются в так называемых высококачественных бетонах, приготавливаемых на композиционных вяжущих веществах с использованием низких значений водоцементного отношения, специальных комплексов добавок, особо тонких минеральных наполнителей, расширяющихся компонентов и интенсивной регулируемой технологии. Эти бетоны отличаются высокой прочностью, долговечностью и эксплуатационной надежностью.

Бетоны применяют для различных видов конструкций, как изготовляемых на заводах сборного железобетона, так и возводимых непосредственно на месте эксплуатации. В зависимости от области применения различают:

-обычный бетон для железобетонных конструкций (фундаментов, колонн, балок, перекрытий, мостовых и других типов конструкций);

-гидротехнический бетон для плотин, шлюзов, облицовки каналов, водопроводно-канализационных сооружений и т. д.;

-бетон для ограждающих конструкций (легкий);

-бетоны специального назначения, например, жароупорный, кислотостойкий, для радиационной защиты, бетон для полов, тротуаров, дорожных и аэродромных покрытий и др.

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

К бетонам специального назначения предъявляются требования, обусловленные особенностью их службы.

Общие требования ко всем бетонам и бетонным смесям следующие: до затвердевания бетонные смеси должны легко перемешиваться, транспортироваться, укладываться (обладать подвижностью и удобоукладываемос-тью), не расслаиваться; бетоны должны иметь определенную скорость твердения в соответствии с заданными сроками распалубки и ввода конструкции или сооружения в эксплуатацию; по возможности расход цемента и стоимость бетона должны быть минимальными.

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

Если вид и требования к свойствам бетона устанавливают в зависимости от вида и особенностей конструкции и условий ее эксплуатации, то требования к бетонной смеси определяются условиями изготовления конструкции, ее технологическими особенностями (густотой армирования, сложностью формы и др.), применяемым оборудованием.

Особенностью изготовления бетонных и железобетонных конструкций является то, что о качестве материала нельзя судить заранее. Необходимые свойства бетон приобретает в процессе изготовления конструкции. Отсюда важное значение имеют правильный выбор материалов, проектирование состава бетона с учетом принятой технологии изготовления конструкций, соблюдение технологических режимов, пооперационный контроль производства.

До 10 декабря 2018 г

ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Для приготовления бетона строительных конструкций наиболее широко используют неорганические вяжущие вещества. Эти вещества при смешивании с водой под влиянием внутренних физико-химических процессов способны схватываться (переходить из жидкого или тестообразного состояния в камневидное) и твердеть (постепенно увеличивать свою прочность). Различают неорганические вяжущие вещества водного (цементы) и воздушного (известь, гипс и др.) твердения.

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне. Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях объем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

Основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая . Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкую прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы.

Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала. Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшей - с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.

Рис. 4. Основные типы макроструктуры бетона, а - плотная, б - плотная с пористым заполнителем, в - ячеистая, г - зернистая. R_б - средняя прочность структуры; R₁ и R-2 - прочности составляющих бетона

Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда для анализа и построения технологических расчетов условно принимают макроструктуру, состоящую из двух элементов, крупного заполнителя и раствора, в котором объединяются цементный камень и песок. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителем). Проф. В. Н. Юнгом подобная структура была образно названа «микробетоном».

Цементный камень является основным компонентом бетона, определяющим его свойства и долговечность. Основной составляющей микроструктуры цементного камня являются гидросиликаты кальция.

В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указывают требования к прочности бетона, его класс или марку. При проектировании конструкций прочность бетона на сжатие характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяют на классы; В1; В1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В35; В40; В50; В55; В60.

На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона. Между классом бетона и его средней прочностью имеется зависимость

,

где В - класс бетона по прочности, МПа; R - средняя прочность, которую следует обеспечить при производстве конструкций, МПа; t - коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона;  - коэффициент вариации прочности бетона.

Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (МПа), контролируемой на производстве для образцов 15x15x15 см (при нормативном коэффициенте вариации 13,5% и t = 0,95) следует применять формулу . Например, для класса В5 получим среднюю прочность  = 6,43 МПа, а для' класса В40 -  = 51,4 МПа. Средняя прочность или марка тяжелого бетона определяется преде­лом прочности (МПа) при сжатии стандартных бетонных кубов 15x15x15 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15...20 °С, относительная влажность окружающего воздуха 90...100%). В строительстве используют следующие марки: М50, М75, М100; Ml 50, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600 и выше (через Ml 00). На производстве необходимо обеспечить среднюю прочность или заданную марку бетона. Превышение заданной прочности допускается не более чем на 15%, так как это ведет к перерасходу цемента.

Кубы размером 15x15x15 см применяют в том случае, когда наибольшая крупность зерен заполнителя 40 мм. При другой крупности заполнителя можно использовать кубы иных размеров, однако размер ребра контрольного бетонного образца должен быть примерно в три раза больше максимальной крупности зерен заполнителя. Для определения марки бетона на кубах с другими размерами вводят следующие переходные коэффициенты, на которые умножают полученную в опытах прочность бетона:

Размер куба, см    7x7x7 10x10x10  15x15x15 20x20x20

Коэффициент         0,85      0,85             1             1,05

На практике наблюдаются значительные отклонения от приведенных выше коэффициентов, так как их значение зависит от жесткости опорных плит пресса, марки бетона и других факторов. Для получения более достоверных результатов необходимо, чтобы толщина опорных плит пресса была не менее половины величины ребра испытываемого куба. В этом случае действительные переходные коэффициенты могут оказаться выше рекомендованных и проектирование бетона с использованием последних повышает запас прочности конструкции.

Среднюю прочность легкого бетона определяют также при сжатии кубов 15x15x15 см. При испытании кубов других размеров переходный коэффициент не вводится. Для легких бетонов установлены классы: В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12.5; В15; В20; В25; ВЗ0, В35; В40.

Для правильного определения состава бетона важно знать, как зави­сит его прочность от качества цемента и заполнителей, соотношения между составляющими и прочих факторов. Прочность бетона в определенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от прочности (активности) цемента и водоцементного отношения.

Под водоцементным отношением понимают отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, причем учитывают только свободную, не поглощенную заполнителем воду Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента или уменьшением водоце­ментного отношения. Эта зависимость может быть выражена формулой

,

где R _б - прочность бетона после 28 суток нормального твердения; R _ц -активность цемента; А - коэффициент, учитывающий влияние других факторов; В/Ц - водоцементное отношение.

Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры бетона и графически изображается в виде гиперболических кривых (рис.5).

Рис.5. Зависимость прочности бетона от В/Ц и R ц; 1:п i - отношение массы цемента к массе заполнителя;

Как известно, цемент при твердении в зависимости от качества и срока твердения присоединяет всего 15...25% воды от массы цемента. Вместе с тем для придания бетонной смеси пластичности в бетон добавляют воды значительно больше (40...70% от массы цемента, В/Ц = 0,4...0,7), так как при В/Ц = 0,2 бетонная смесь является почти сухой и ее нельзя качественно перемешать и уложить. Избыточная вода, не вступающая в химические реакции с цементом, остается в бетоне в виде водяных пор и капилляров или испаряется, оставляя воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор, и чем больше их, т.е. чем больше В/Ц, тем ниже прочность бетона. Таким образом, закон водоцементного отношения по существу, выражает зависимость прочности бетона от его плотности или пористости.

Зависимость прочности бетона от его водоцементного отношения выполняется лишь в определенных пределах. При очень низких водоцемент-ных отношениях, даже при повышенных расходах цемента и воды, не удается получить удобообрабатываемые бетонные смеси и необходимую плотность бетона, поэтому зависимость  нарушается: с дальнейшим уменьшением В/Ц прочность бетона не увеличивается, а затем даже начинает уменьшаться (левая ветвь кривых на рис. 1). Определенную роль в снижении прочности бетона в этом случае играет и тот факт, что для гидратации цемента необходим некоторый избыток воды (в 2...3 раза) по сравнению с тем количеством, которое непосредственно вступает во взаимодействие с цементом. Резкое уменьшение этого избытка влечет за собой замедление гидратации и, следовательно, понижение прочности бетона.