Специальные бетоны. 
Строительное материаловедение

Специальными называют бетоны, используемые в специальных конструкциях или монолитных сооружениях. Для них выбирают наиболее целесообразные вяжущие вещества и заполнители, нередко изменяют традиционную технологию или отдельные технологические операции, параметры и режимы. Понятно, однако, что все разновидности специальных бетонов, независимо от их конкретного функционального назначения, не перестают оставаться представителями ИСК. При оптимальных структурах они показывают комплекс экстремумов свойств, сохраняют другие общие закономерности, а также подобие между собой. Вместе с тем каждая разновидность специальных бетонов отличается своими специфическими особенностями, которые должны учитываться при проектировании состава, обеспечении их оптимальной структуры, всегда действующей в определенных условиях изготовления и применения материала и изделий. Ниже рассмотрены некоторые виды специальных бетонов.

Дорожный цементный бетон относится к плотным тяжелым или легким бетонам, применяется для устройства автодорожных покрытий, оснований под асфальтобетонные покрытия, возведения мостовых конструкций и труб.

Маркировку дорожного бетона принято производить по прочности и морозостойкости. По пределу прочности при сжатии классы тяжелого бетона следующие: В5, В7,5, В10, В15, В20, причем для верхних слоев покрытий — классы В22,5 В25, В30, а для нижних слоев — не выше В15 и В20; для легкого бетона — В5, В7,5, В20. В железобетонных конструкциях мостов классы тяжелого бетона В15, В20, В30, В40 и В45. Верхние пределы этих классов применяют для мостовых конструкций из так называемого преднапряженного железобетона, а нижние пределы их — для массивных конструкций: опор, фундаментов, труб и др. По морозостойкости бетоны маркируют в пределах от 100 до 300 циклов замораживания. С целью повышения морозостойкости в бетон вводят добавки для вовлечения до 5—6% воздуха. Такой добавкой, в частности, может быть СНВ (на основе абиетиновой смолы), мылонафт и др. Воздушные пузырьки демпфируют давление льда в порах, что повышает эффект морозостойкости по количеству циклов испытания. Важным свойством бетона служит истираемость, характеризуемая потерей массы образца на 1 см² испытуемой поверхности; имитирует сопротивляемость бетонного покрытия воздействию сил, возникающих при проезде транспорта. Более полную характеристику качества материала дает испытание на износ, показателем которого служит потеря массы (%) образца (пробы материала) при испытании в стандартном полочном барабане. Повышение сопротивления истираемости и износу достигают как применением более твердых пород в заполнителе, так и втапливанием в верхний слой свежеуложенного бетона минеральных зерен размером до 5 мм из особо твердых материалов, например кварцита, иногда корунда и др. Стабильность бетонного элемента в известной мере может быть охарактеризована коэффициентом температурного расширения, величина которого с усреднением должна быть не более 10 • 10-⁶ на 1 °C.

Состав бетонной смеси определяют одним из известных методов, а также общим методом проектирования оптимального состава ИСК. На стадии отбора исходных материалов учитывают, что наилучшей разновидностью вяжущего для дорожного бетона являются портландцемент гидрофобный и пластифицированный, а также обычный, но с пониженным содержанием СзА (не более 10%), при классе В40 и выше для верхнего слоя покрытий. С уменьшением содержания цемента уменьшаются усадочные деформации, повышается при его оптимуме долговечность бетона. Для предварительных расчетов обычный расход цемента принимается равным 320—350 кг/м³. Щебень и гравий следует применять промытыми, чтобы снизить содержание глинистых примесей (не более 1% по массе) и исключить органические вещества. Пески желательно использовать крупнои среднезернистые, природные или полученные дроблением плотных горных пород.

Гидротехнический бетон также является разновидностью плотных тяжелых цементных бетонов; применяется для возведения сооружений, которые периодически или постоянно омываются водой.

Гидротехнический бетон должен обладать комплексом технических свойств — прочностью, характеризуемой восемью классами (от В7,5 до В40) по пределу прочности при сжатии, прочностью на растяжение, водостойкостью и водонепроницаемостью, морозостойкостью, характеризуемой семью марками от 50 до 500 циклов стандартного замораживания и оттаивания, малым тепловыделением при твердении и др. Особенно высокие показатели качества нормируют для бетонов, предназначенных для устройства конструкций и сооружений в зонах переменного уровня воды. Соответствующие требования устанавливаются и к качеству материалов для бетона. Так, для подводных зон целесообразно применять шлакопортландцемент и пуццолановый портландцемент, которые достаточно водостойки и низкотермичны. Для надводных зон применяют бетоны на основе гидрофобного и пластифицированного портландцемента. К бетонам в наружных частях гидротехнических сооружений предъявляют повышенные требования по прочности (не ниже В20), морозостойкости (не ниже марки 300), водонепроницаемости (не ниже W6 или W8). Повышены требования и к материалам — компонентам бетона. Так, например, портландцемент используется сульфатостойкий, крупный заполнитель должен обладать повышенной морозостойкостью (из плотных горных пород). К бетонам для внутренних частей массивных гидротехнических сооружений также предъявляются свои технические требования: применение шлакопортландцементов с малой и умеренной экзотермией, других портландцементов с активными минеральными добавками, марки бетонов возможны 100 и 150.

Сооружения, работающие в морских условиях, изготовляют из бетона на основе сульфатостойкого портландцемента. В подводных частях сооружений бетон должен надежно противостоять выщелачиванию гидроксида кальция. Этого достигают путем химического связывания его активным кремнеземом с образованием малорастворимых гидросиликатов кальция.

Для особо ответственных гидротехнических сооружений используют цементы, удовлетворяющие специальным техническим условиям.

Вода для затворения бетонной смеси используется в гидротехнических сооружениях с pH не менее 4 и не более 12,5. В ней ограничивается содержание солей, взвешенных пылевато-глинистых примесей, а также ионов SO*^2- и СН.

Жаростойкие бетоны сохраняют свои свойства при продолжительном воздействии высоких температур в тепловых агрегатах (футеровка туннельных печей и вагонеток, фундаменты под промышленные печи и трубы и т. п.) или кратковременном, ударном воздействии теплоты, сопровождающемся значительными температурными перепадами. Применяют как конструктивный и футеровочный материал.

Обычный тяжелый бетон способен стабильно сохранять или даже несколько увеличивать прочность при длительном нагревании до 100 °C. При дальнейшем повышении температуры может возникнуть явление постоянного упрочнения за счет ускорения процессов гидратации. Однако при температурах выше 140—150°С обычно отмечается снижение прочности с ухудшением других свойств, так как частично разрушаются кристаллические гидратные новообразования, а также гидросиликатная фаза, главным образом в связи с удапб лением цеолитной воды. И хотя с некоторым риском можно допустить кратковременное подогревание бетонных конструкций до 200 °C, все же дальнейшее повышение их температур в пределах 200—1700°С требует применения жаростойких (при температурах до 1580°С) или огнеупорных (1580—1770°С) бетонов.

Жаростойкие и огнеупорные бетоны могут быть особо тяжелыми, тяжелыми, легкими и облегченными, ячеистыми. Их получают на основе как гидравлических, так и воздушных вяжущих веществ: портландцемента, глиноземистого и высокоглиноземистого цементов, алюмофосфатного вяжущего, жидкого стекла с отвердителями, например кремнефтористым натрием (Na2SiF6), нефелиновым шламом, феррохромовым шлаком. В качестве заполнителей употребляют хромитовые руды, бой магнезита, щебень из базальтов и диабазов, шамотный кирпичный щебень (бой) и др. В жаростойкие бетоны на основе портландцемента добавляют тонкомолотые активные минеральные вещества, обладающие, как и крупные заполнители, высокой огнеупорностью. Для огнеупорных бетонов используют высокоглиноземистый цемент, который к тому же имеет незначительную усадку и малый коэффициент термического расширения. Хорошо зарекомендовали себя фосфатные связующие (алюмофосфатное, алюмосиликатофосфатное, хромофосфатное и др.). Они позволяют получать огнеупорные бетоны, в том числе легкие, с применением в них вермикулитового, перлитового, керамзитового заполнителей, боя легковесных огнеупоров и т. п.

В жаростойкие ячеистые бетоны, в частности газобетоны, кроме портландцемента и алюминиевой пудры вводят тонкомолотый шамот, золу-унос, керамзит и др. Эти бетоны могут эксплуатироваться в условиях температур до 1200 °C при сохранении прочности 2,5—5,0 МПа и средней плотности 600—800 кг/м³. Разработан состав особо легкого жаростойкого бетона, в который входят быстротвердеющий портландцемент, тонкомолотая силикат-глыба и легкие пористые и волокнистые заполнители. Этот бетон используют при температурах до 1000 °C, а его средняя плотность в высушенном состоянии 300 кг/м³, прочность при сжатии 0,2 МПа. Теплопроводность при 20 °C равна 0,09 Вт/(м К), а при 600 °C — 0,20 Вт/(м К).

Структурообразование жаростойких бетонов происходит на стадии изготовления изделий и в условиях воздействия высоких температур, хотя последние могут приводить к его упрочнению (например, за счет уплотнения геля) и деструкции (например, за счет дегидратации кристаллогидратов) при применении гидравлических вяжущих веществ.

Из побочных продуктов промышленности как компонентов жаростойких бетонов применяют наиболее перспективные, например алюмохромовый продукт — тонкодисперсный порошок отработавшего катализатора в нефтехимическом производстве. Он имеет развитую поверхность (до 5000 см² в 1 г вещества) и высокую огнеупорность (до 2000°С). Его содержание в вяжущем веществе, как показали исследования в НИИКерамзит, приводит к увеличению прочности и огнеупорности смешанного вяжущего на портландцементе и глиноземистом цементе при высоких температурах, например выше 1500 °C.

Исследования по жаростойким бетонам продолжаются (рис. 9.17). В частности, достигнуты успехи в области получения бетонов высшей огнеупорности, которые в зависимости от их состава сохраняют прочность и другие свойства в заданных пределах при температурах свыше 2000—2500°С. Их изготовляют на основе цирконийсодержащих вяжущих и с применением тугоплавких заполнителей. При температурах выше 1200 °C прочность бетонов повышается за счет спекания смеси, особенно в области температур до 2000 °C. Бетоны на цирконийсодержащих цементах являются перспективными для футеровки тепловых агрегатов, а также в других отраслях техники высоких температур в энергетической, металлургической, химической и ядерной промышленности. Жаростойкие газобетоны используют в виде крупных блоков и монолитных конструкций. Они в 2—3 раза дешевле фасонных огнеупорных изделий и, главное, позволяют индустриализировать строительство. Понятно, что при нагреве прочность бетона не остается постоянной и чем ближе температура к предельно допустимой, тем больше прочность бетона отклоняется от первоначальной (марочной). Однако она остается достаточной, чтобы сохранить структуру бетона, особенно.

Рис. 9.17. Изменение предела прочности при сжатии жаростойкого бетона на основе различных вяжущих:

1 — портландцемента. 2 — жидкого стекла с нефелиновым шламом, 3 — высокоглиноземнистого цемента, 4 — фосфатного связующего его матричной части, на необходимом уровне, обеспечивающем прочность в пределах требуемого минимума. Следует отметить, что алюмофосфатные вяжущие и жидкое стекло с отвердителями обеспечивают сохранение остаточной прочности бетона более высокой по сравнению с другими вяжущими веществами (рис. 9.17).

Кислотоупорный бетон — разновидность ИСК, получаемая на основе специального — кислотоупорного — цемента и с применением кислотостойких заполнителей. Его применяют для изготовления конструкций, которые контактируют с большинством известных кислот. Меньшую стойкость этот бетон проявляет к действию плавиковой кислоты, а также к слабым кислотам, воде и растворам щелочи. Эта разновидность кислотоупорного материала применяется не только в виде бетона, но и строительного раствора, мастики, т. е. без крупных заполнителей.

Кислотоупорный цемент состоит из смеси тонкоизмельченного кварцевого песка и кремнефтористого натрия (Na2SiF.

Отдозированные материалы-компоненты по рекомендуемому составу бетона перемешивают до однородного состояния с одинаковым содержанием каждой фракции в каждом микрообъеме смеси. После перемешивания смесь переводят в прессовый цех, где изготовляют штучные изделия — резервуары, трубы, химическую аппаратуру и др. Твердению изделий благоприятствует воздушно-сухая среда с температурой не ниже 10 °C и относительной влажностью воздуха не выше 70%. После затвердевания бетон характеризуется прочным сцеплением со стальной арматурой, но под влиянием кипящей воды, слабых кислот и щелочей, кремнефтористоводородной кислоты бетон, как отмечено выше, постепенно разрушается.

Гидроизоляционный бетон применяют для гидроизоляции шахт, подвалов, зачеканки швов, устройства гаражей, очистных сооружений, метротоннелей и в жилых зданиях, в случаях, когда требуется надежная гидроизоляция в гражданских и промышленных сооружениях. Для изготовления такого бетона (в том числе мелкозернистого, т. е. раствора) Используют гидравлическое быстросхватывающееся и быстротвердеющее вяжущее вещество, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера (65—70% по массе), алюминатных, сульфоалюминатных или сульфоферритных веществ (10—20%) и гипса (8—15%), более детально описанного выше как напрягающий цемент (см. 9.1.4), а также расширяющийся цемент. При твердении теста до образования цементного камня в бетоне оптимальной структуры происходит увеличение объема кристаллической фазы за счет образования в основном эттрингита. Дополнительная кристаллизация приводит к уплотнению структуры, которая к этому времени успевает получить некоторый объем усадочных деформаций (физических, контракционных) и поэтому нуждается в ее доуплотнении. Бетон становится практически водонепроницаемым, гидроизоляционным. Не наблюдается фильтрации через толшу такого бетона при давлении воды до 2 МПа. Возрастают также морозои износостойкость, стойкость к агрессивной среде.

Изготовляют гидроизоляционный бетон в следующей последовательности: напрягающий цемент смешивают насухо с заполняющей частью бетона (песок плюс щебень), а затем общую смесь затворяют необходимым количеством воды. Свежеприготовленный бетон в опалубке уплотняют глубинным или поверхностным вибратором, поддерживая затем поверхность конструкции во влажном состоянии до полного отвердевания и распалубки. Расход исходных материалов устанавливается общим методом проектирования состава, изложенного выше, то же — состава раствора при его использовании вместо бетона. Раствор наносят вручную или торкретированием.

Особо тяжелые и гидратные бетоны применяют в специальных сооружениях — ядерных реакторах, атомных электростанциях, рентгеновских кабинетах и т. п. для биологической защиты от радиоактивных (рентгеновских, у-, а-, и (5-лучей и др.) воздействий. Для особо тяжелых бетонов характерным свойством является большая средняя плотность, равная от 2,5 до 6,0 т/м³. Гидратные бетоны отличаются повышенным количеством химически связанной воды — более 3% по массе, а следовательно, и ядер водорода. Вследствие этого водород, обладая малой молекулярной массой, способствует захвату потока горячих нейтронов, у-лучей и др. Кроме того, эти бетоны обладают достаточно высокой теплостойкостью, теплопроводностью, малой усадкой, хотя полностью исключить усадку и появление трещин на границе контакта цементного камня и металлического заполнителя — задача сложная.

В качестве вяжущих веществ в особо тяжелых бетонах используют портландцемент, пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, гипсоглиноземистый (расширяющийся) цемент, в гидратных бетонах — глиноземистый, расширяющийся, быстротвердеющий, самонапрягаемый и др. Все они в той или иной мере способствуют максимальному химическому и адсорбционному удержанию воды в цементном камне и бетоне.

В частности, напрягающий цемент уплотняет структуру бетона, почти полностью исключает усадку. Зона контакта становится плотной и без трещин.

Заполнителями в особо тяжелых бетонах служат весьма тяжелые (с высокой плотностью) магнетит, гематит, барит, металлический скрап, обрезки железа и т. п. Песчаные фракции обычно составляют дробленый бурый железняк, кварцитовые «хвосты», «чугунная дробь» и др.

Повышают защитные свойства особо тяжелых бетонов введением дополнительных веществ, например карбида бора, хлористого лития, сернокислого кадмия и др., в которые входят соответствующие легкие элементы (бор, литий, кадмий и т. д.).

Заполнителями в гидратных бетонах служат лимонит с гидрогетитом (бурый железняк), серпентин и др., содержащие химически связанную воду, горные породы и минералы. Качество заполнителей для этих видов бетона контролируют по их плотности, минимальной прочности при сжатии, водопоглощению. Их показатели нормируются в определенных допускаемых пределах.

Оптимальные составы особо тяжелых и гидратных бетонов как типичных разновидностей ИСК проектируют общим методом. Были предложены также специальные методы. При проектировании оптимального состава важно обеспечить необходимые технические требования к составляющим материалам и бетону, особенно способность задерживать радиоактивные излучения. Это свойство оценивается толщиной слоя материала, при котором поток излучения ослабевает в 2 раза по сравнению с первоначальным. В связи с этим необходимо учитывать показатель средней плотности (ро) бетона, определять фактическое содержание химически связанной воды, что производится расчетом по формуле Яро, где Я — необходимое содержание водорода в бетоне. Учитывают также прочность бетона, которая должна находиться в пределах марок 100—300 (по сжатию).

Особо тяжелые и гидратные бетоны изготовляют по обычной технологии с применением бетоносмесителей для перемешивания отдозированных компонентов и вибраторов для уплотнения свежеотформованных бетонных изделий.

Архитектурные, или декоративные бетоны — разновидность специальных высококачественных ИСК, которые обладают повышенными декоративно-эксплуатационными характеристиками. Их используют в виде фасадных элементов, скульптурных горельефов и барельефов, других изделий архитектурного назначения. Наиболее часто в них используются белые и цветные цементы и строго ограниченной крупности зернистые заполнители, в том числе искусственного дробления мраморов, гранита, кварцита и других горных пород, добавки — отбеливающие, модифицирующие, пластичные и др. Бетонным смесям придают необходимую технологическую подвижность, оптимальные составы с получением оптимальных структур отвердевших и отработанных с поверхности конструктивных деталей^[1].

Серные бетоны — разновидность спецбетонов, получаемых на основе элементарной (технической) серы, полимерного компонента, минеральных заполнителей и наполнителей. В них отсутствуют неорганические вяжущие вещества и вода. Матричная часть бетонов представлена тесной смесью связующего и наполнителя, подобно тому, как в асфальтовых бетонах матрицей является асфальтовое вяжущее вещество (см. 10.3.1). В качестве полимерного вещества в серу добавляется дициклопентадиен или стирол, хлорпарафин и др. Вместо элементарной серы возможно использование серосодержащих отходов, нарпимер, хвостов отстоя (до 40% серы), золы отстоя (до 70% серы). Наполнителем служат микрокремнезем, маршаллит, андезитовая мука и некоторые другие порошкообразные минеральные материалы с удельной поверхностью равной 2700—3000 см²/г. Заполнителями в серном бетоне служат щебень горных пород различных фракций и кварцевые пески.

Технология получения этого бетона начинается с производства связующего компаунда путем сплавления серы с полимерным веществом в определенных соотношениях частей по массе при температуре 145—150°С. Бетонная смесь получается после тщательного перемешивания отдозированных минеральных компонентов (заполнителя и наполнителя) со связующим компаундом в барабанном смесителе в горячем состоянии (подобно асфальтобетону). Изготовленная бетонная смесь отправляется на формование и уплотнение, обычно вибрационное. Отвердевание происходит при остывании конструкции до эксплуатационной температуры, и бетон быстро набирает прочность. Возможно его армирование стальной или стеклопластиковой арматурой.

По средней плотности эта разновидность специального бетона разделяется на тяжелые (2300—2500 кг/м³), легкие (800—1600 кг/м³) и особо легкие — теплоизоляционные (300—400 кг/м³). Предел прочности при сжатии двух первых соответственно равен 60—80 и 50—60 МПа, а растяжение при изгибе 12—14 и 11—12 МПа. Водопоглощасмость за 24 ч составляет 0,05—0,07%. Бетон обладает высокой химической стойкостью. Используется в виде плит для полов на складах минеральных удобрений, в силосных башнях, дорожных и тротуарных плит, бортовых камней, в сборных конструкциях на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях.

Электроизоляционные бетоны являются специальной разновидностью бетонов, обладающей повышенными и стабильными диэлектрическими свойствами в течение длительных периодов эксплуатации высоковольтных воздушных линий электропередачи и подстанций в различных климатических зонах с сохранением необходимой механической прочности и долговечности соответствующих строительных конструкций. Основные свойства таких бетонов характеризуются следующими показателями: электрической прочностью в слое толщиной 1 см: импульсной (1 • КНс) — 60—140 кВ/см и при переменном токе (50 Гц) — 20—60 кВ/см; средней разрядной напряженностью на ддине 1 м — около 3,0 кВ/см; удельным электрическим сопротивлением при 20 °C — объемное 10⁹—10^й Ом • м; тангенсом угла диэлектрических потерь (50 Гц, 20°С) — 0,05—0,20; диэлектрической проницаемостью (50 Гц, 20°С) — 6—10; механической прочностью: при сжатии — 40—150 МПа, при растяжении — 3-—11 МПа; средней прочностью 2000—2400 кг/м³; водопоглощаемостью (по массе) менее 1%; морозостойкостью — не менее 100. Лучшими показателями обладают бетоны на основе портландцемента с добавлением микрокремнезема^[2].

Электроизоляционные бетоны подвергают армированию неметаллической арматурой в виде стеклопластиковых стержней с использованием способа предварительного напряжения. Возможно применение дисперсного армирования стеклянными и базальтовыми волокнами изделий из электроизоляционного бетона. Требования в отношении оптимизации структуры цементного камня, как матрицы, и бетона в полной мере сохраняются, как для других ИСК. Объемная пропитка мономерами и их полимеризация, а также вторичная просушка, активизация поверхности зернистого заполнителя являются эффективными мерами повышения диэлектрических свойств бетона.

• [1] Архитектурный бетон: комплексное управление эксплуатационными и декоративными характеристиками / Н. Ф. Башлыков, В. Р. Фаликман, Ю. В. Сорокин, В. В. Денискин: Сб. трудов I Всероссийской конференции по проблемам бетона и железобетона, Т. 2, М., 2001.
• [2] Бернацкий А. Ф. Электроизоляционный бетон для электроэнергетическогостроительства. Автореферат докт. диссерт. Новосибирский ГАСУ, 2001.