История создания бетона

Глава 1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БЕТОНА

1.1 Основные этапы развития технологии бетона в Древнем Риме

Глава 2. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА

2.1 Силикатный бетон

2.2 Цементно-полимерный бетон

2.3 Фибробетон

2.4 Декоративный бетон

Глава 3. ТЕХНОЛОГИИ РАЗВИТИЯ БЕТОНА В ХХI ВЕКЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Бетон — один из древнейших строительных материалов. Из него построены галерей египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.

Однако использование бетона и железобетона для массового строительства началось только во второй половине XIX в., после получения и организации промышленного выпуска портландцемента, ставшего основным вяжущем веществом для бетонных и железобетонных конструкций. Вначале бетон использовался для возведения монолитных конструкций и сооружений. Применялись жесткие и малоподвижные бетонные смеси, уплотнявшиеся трамбованием. С появлением железобетона, армированного каркасами, связанными из стальных стержней, начинают применять более подвижные и даже литые бетонные смеси, чтобы обеспечить их надлежащее распределение и уплотнение в бетонируемой конструкции. Однако применение подобных смесей затрудняло получение бетона высокой прочности, требовало повышенного расхода цемента. Поэтому большим достижением явилось появление в 30-х годах способа уплотнения бетонной смеси вибрированием, что позволило обеспечить хорошее уплотнение малоподвижных и жестких бетонных смесей, снизить расход цемента в бетоне, повысить его прочность и долговечность.

В современных условиях получили большое развитие новые виды бетонов, и разрабатываются суперлегкие, прочные бетоны, которые получат распространение уже в ближайшем будущем.

Глава 1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БЕТОНА

Трудно точно сказать, где и когда появился бетон, так как начало его зарождения уходит далеко в глубь веков. Очевидно лишь то, что он не возник таким, каким мы его знаем сегодня, а, как большинство строительных материалов, прошел длинный путь развития.

Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами, можно отнести к 5600 г. до н. э. Он был найден на берегу Дуная в поселке Лапенски Вир (Югославия) в одной из хижин древнего поселения каменного века, где из него был сделан пол толщиной 25 см. Бетон для этого пола приготавливался на гравии и красноватой местной извести, доставлявшейся вверх по течению реки более чем за 400 км от места добычи.

История бетона неразрывно связана с историей цемента. Древнейшими вяжущими веществами, используемыми человеком, являлись глина и жирная земля, которые после смешивания с водой и высыхания приобретали некоторую прочность. Использование глины в строительстве восходит приблизительно к 10 тысячелетию до н. э. На основе глины и жирной земли приготавливались смеси типа растворов и бетонов, которые в те Далекие времена широко применялись при строительстве самых различных построек и сооружений; начиная от простейших глинобитных (землебитных) домов до громадных храмов — зиккуратов. Римский писатель и ученый Плиний Старший (23—79 гг. н. э.) в «Естественной истории» с восхищением пишет о виденных им в Африке и Испании «формованных» стенах таких построек. «…Веками стоят они, не разрушаемые ни дождем, ни огнем, более прочные, чем сделанные из бутового камня… В Испании, — пишет он, — до сего дня стоят сторожевые вышки и башни Ганнибала из глины, построенные на вершинах гор». Плиний недаром называл такие стены «формованными», так как они, действительно, изготавливались путем трамбования (формования) влажного грунта или глины с камнем, уложенных между деревянными щитами опалубки, и в этом смысле являлись прообразом современных монолитных бетонных стен. По мере развития и усложнения строительства возрастали требования, предъявляемые к вяжущим веществам. Считается, что более чем за 3 тыс. лет до н. э. в Египте, Индии и Китае начали изготавливать искусственные вяжущие, такие, как гипс, а позднее — известь, которые получали посредством умеренной термической обработки исходного сырья. Вместе с производством вяжущих расширялось применение растворов и бетонов. Вероятно, первыми шагами в освоении бетона было помимо полов сооружение траншей для фундаментов зданий, которые заполнялись галькой или обломками битого камня, затем заливались раствором глины, битума или извести с песком и превращались со временем в плотную и относительно прочную массу.

Отдельные примеры связывания мелких камней растворами или использование раствора с крупным заполнителем были известны в глубокой древности у египтян, вавилонян, финикийцев и карфагенян. Наиболее раннее применение бетона в Египте, обнаруженное в гробнице Тебесе (Теве), датируется 1950 г. до н. э. По сведениям Плиния Старшего, бетон был применен при строительстве галерей египетского лабиринта и монолитного свода пирамиды Нима задолго до нашей эры. Одним из первых начали применять бетон народы, населяющие Индию и Китай. Великая китайская страна, строительство которой было начато в 214 г. до н. э., сооружена в основном из бетона. Приготовление бетона и формование из него стен состояло в следующем. Вначале одна часть известкового теста тщательно перемешивалась с двумя частями песка и гравия или песка, строительного мусора и земли. Полученная сухая (очень жесткая) бетонная смесь с небольшим содержанием воды укладывалась слоями толщиной около 12 см между деревянными щитами опалубки и усиленно уплотнялась деревянными трамбовками. После такого уплотнения поверхность каждого слоя слегка увлажнялась водой и на него укладывался следующий бетонный слой. Процесс повторялся до полного возведения стены. Такой метод строительства довольно широко применялся в Китае еще в 20-х годах нашего века при строительстве домов, школ, бань и пагод.

Народы, жившие на островах Эгейского моря и в Малой Азии, начиная с VII—VI вв. до н. э. применяли растворы на жирной извести с гидравлическими добавками при строительстве отдельных зданий и гидротехнических сооружений. В Индии уже в наше время в храмах и дворцах знати были обнаружены хорошо сохранившиеся бетонные «набивные» полы (IV—V вв. До н. э.). Искусство производства бетона постепенно распространялось в Восточном Средиземноморье и примерно к 500 г. до н. э. достигло Древней Греции, где для покрытия стен, в том числе из необожженного кирпича, использовался мелкозернистый известковый бетон. Таким образом были отделаны дворцы царей Креза (560—546 гг. до н. э.) и Атталы. Впоследствии бетон стал применяться в виде бутовой кладки. Пространство между двумя рядами каменной стены заполнялось крупными камнями, а затем заливалось известковым раствором. Витрувий в своем трактате довольно подробно описал несколько видов такой кладки.

Можно предположить, что римские бетонные стены и другие подобные конструкции развились как раз из греческой бутовой кладки путем постепенного расширения бутобетонного ядра за счет уменьшения толщины каменных стен, которые из главного элемента кладки постепенно превратились в тонкую оболочку, играющую уже подсобную, второстепенную роль. Заметное применение бетона на территории древнеримского государства началось примерно с конца IV в. до н. э. и продолжалось около 700 лет. За это время в его развитии, как в живом организме, можно проследить четыре важных этапа: рождение, быстрый рост, зрелость и гибель этого материала.

Так, зарождение бетона, т. е. медленное и постепенное внедрение его в римскую строительную практику, длилось более двух столетий (до I в. до н. э.). Второй этап, продолжавшийся до II в. н. э., сопровождался ускоренным ростом и широким распространением объемов бетонного строительства по всей Римской империи и прилегающим к ней странам. На третьем этапе (в период так называемой зрелости) бетон развивался не так стремительно, но с заметным улучшением свойств, технологии изготовления и принятия новых конструктивных решений. Это был этап качественного роста и развития больших потенциальных возможностей, который продолжался с начала II в. и примерно до середины III в. н. э. Наконец, заключительный, четвертый этап, продолжался менее ста лет и закончился в начале IV века н. э.

Указанное деление эволюционного развития римского бетона на отдельные этапы довольно условно, но позволяет схематично показать весь путь, который прошел этот материал за семь веков своего существования Значко-Яворский И. Л. Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX в. М.— Л., 1963, С. 29−30.

1.1 Основные этапы развития технологии бетона в Древнем Риме

Бетон — один из древнейших строительных материалов. Из него построены галерей египетского лабиринта (3600 лет до н. э.), часть Великой Китайской стены (III в. до н. э.), ряд сооружений на территории Индии, Древнего Рима и в других местах.

Римляне, как уже было сказано, не были изобретателями бетона, так же, как не они первые обнаружили вяжущие свойства извести, не они придумали арку, свод, большинство строительных машин и оборудования. Они переняли все это у этрусков, греков и других народов. Однако массовое применение, или как говорят сегодня — внедрение, все это получило именно в Древнем Риме. Только там широкое применение получил и бетон. Только римляне сумели полностью использовать такие его свойства, как прочность, водонепроницаемость и экономичность, а с I в. н. э. бетон превратился в один из основных конструкционных строительных материалов.

Первые бетонные постройки Древнего Рима датируются II в. до н. э. Однако, несомненно, этот материал применялся в римском государстве намного раньше. Подтверждением служат многие работы археологов, в частности американского археолога Е. Ван Деман.

Бетон того далекого времени т. е. IV—III вв. до н. э., мало походил в качественном отношении на последующий римский, хотя принципиальное сходство между ними сохранилось. Недаром до наших дней почти не дошло ни одного сооружения из «старого» раннеримского бетона. Е. Ван Деман, посвятившая большую часть жизни изучению древнеримской архитектуры и строительства, назвала такой материал псевдоили квази (якобы) бетоном.

В качестве вяжущего в псевдобетоне использовалась воздушная известь, а заполнителем служили песок и камень с большим количеством грунта. Камни крупного заполнителя часто были размером более 40—60 см.

Археологические раскопки стен Помпеи показали, что римский псевдобетон представлял собой материал, напоминающий современную бутовую кладку, где в качестве сердечника, т. е. ядра кладки, выступали крупные битые камни или валуны, скрепленные известковым раствором, а в качестве облицовки—две параллельные стены из крупных естественных камней, также связанных раствором из песка и извести.

Подобную кладку в то время называли «опус инцертум» (pus incertum) или просто «инцерт», т. е. кладка камней, образующая на фасаде сооружения неправильный, нерегулярный рисунок. Бетон в ней был очень непрочен, и устойчивость таких стен достигалась не столько за счет связующей силы раствора, сколько за счет внутреннего давления, создаваемого массой заполненного облицовочная стенка, которая одновременно выполняла роль опалубки, хотя уже в то время были известны случаи возведения бетонных сооружений с разборной деревянной опалубкой Шуази О. Строительное искусство древних римлян. — М., 1938, С. 64−67.

Начиная со II в. до н. э. бетон употребляется при строительстве фундаментов и стен жилых домов, храмов и сооружений утилитарного значения, в частности дорог. Известно, что строительству дорог римляне придавали очень большое значение, так как это связано с их военной политикой и освоением захваченных территорий.

Одним из первых наиболее крупных бетонных сооружений в Риме, по дошедшим до нас сведениям, явился огромный продовольственный склад рода Эмилиев. Он был построен во II в. до н. э. из массивных бетонных стен, вытянутых на 500 м вдоль Тибра.

Примерно с первой четверти I в. до н. э. состав бетона меняется. Улучшается качество заполнителей за счет более разнообразного зернового состава, уменьшается наибольшая крупность камней до величины с «кулак», резко сокращается количество грунта в заполнителях. В связи с этим растет и прочность бетона. Постепенно на смену «инцерту» приходит «ретикулат» (opus' reticulatum); возведение опорной стенки из камней, имеющих правильный сетчатый рисунок.

На юге Италии, особенно в районе Путеол, вместо обычно применявшегося песка для раствора и бетона местные жители использовали залегающие здесь пуццоланы, сначала даже не подозревая, какими превосходными качествами эти добавки обладают. Подобные свойства имели и вулканические породы в окрестностях Рима. Отличались они от неаполитанских (путеоланских) только цветом, но строители Рима не знали этого и ввозили такие добавки до середины I в. до и. э. с юга страны. После того, как было обнаружено, что местные добавки обладают такими же свойствами, как и добавки из района Путеол, их стали повсеместно использовать в бетоне, на что указывает красноватый оттенок бетонных сооружений в Риме и его окрестностях.

Впоследствии все добавки подобного типа стали называть пуццоланами.

В I в. до н. э. во времена Юлия Цезаря, пуццоланы в бетонах все чаще используются непосредственно по своему назначению. Примерами могут служить ранние гидротехнические сооружения; некоторые из них сохранились до наших дней, в частности большой волнолом близ Неаполя, построенный в конце I в. до н.э. При этом толченый бой отходов кирпича и черепицы, который добавлялся также в качестве гидравлической добавки расширяется строительство инженерных сооружений из бетона. Однако особое место бетону, как и прежде, отводится при возведении общественных и жилых зданий, особенно при постройке так называемых инсул — многоэтажных домов. Среди них особое место занимает показательное строительство жилого комплекса с типовыми трех-четырех этажными инсулами в Остии.

Облицовка из плоского кирпича и черепицы в то время почти полностью вытесняет «ретикулат». Так выполнены термы Траяны, Торговые ряды Траяна в Риме и Вилла Адриана. Часть набережной Тибра в период правления этого императора также была изготовлена из бетона с облицовкой методом «ретикулат» и чередующимися рядами кирпича.

В 123 г. заканчивается в Риме строительство Пантеона, размер бетонного купола которого диаметром 43 м до XIX в. оставался рекордным для данного типа бетонных конструкций. Основные строительные работы по Пантеону были выполнены при императоре Адриане. Именно при нем строительство из бетона достигает своего наивысшего расцвета, начинается третий период его развития.

В Британии, Северной Африке, Германии, Испании — во всех римских провинциях прокладываются дороги, строятся многочисленные оборонительные сооружения, жилые и общественные здания. Бетонные своды этих построек имели несколько другое конструктивное решение, чем прежде. Они выполнялись не в виде кирпичных арок, заполненных бетоном, а в виде сплошного каркаса из кирпича, уложенного плашмя по деревянным доскам, на который поверху набрасывался бетон.

После смерти Адриана намечается постепенный спад бетонного строительства. Это было закономерно и связано с начавшимся политическим и экономическим кризисами, которые на протяжении последующих 2,5—3 столетий сотрясают древнеримское рабовладельческое государство.

На общем фоне упадка, несомненно, были отдельные периоды подъема строительного дела. В это время построены термы аракаллы и Домициана, где бетон был применен в стенах, сводах и бассейнах для купания. В 268 г. был закончен большой рам Минервы Врачевательницы (Minerva Medica). Ее сферический бетонный купол имеет весьма любопытную конструкцию. Каркас свода храма состоит, по мнению французского ученого Шуази, из меридиональных кирпичных арок, пространство между которыми заполнено бетоном. Бетон, хотя и в более ограниченном количестве, продолжал применяться вплоть до IV в. н. э. Наиболее выдающиеся сооружения этого периода условно — четвертого периода — термы Диоклетиана, базилика Максенция и трехпролетная арка Константина. Последние примеры использования бетона в античный период можно встретить в Константинополе, куда в начале IV в. н. э. переместилась столица римского государства. Так, в частности, нижние части сводов и арок знаменитого Софийского собора в Константинополе, построенного в 540 г., были сделаны из бетона. В последующий период строительство из бетона практически прекращается Кочетов В. А. Римский бетон. — М.: Стройиздат, 1991. — 27- 41. .

Глава 2. СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕТОНА

бетон постройка смесь селикатный

Сегодня в строительстве применяется более тысячи различных видов бетона, и процесс создания новых бетонов интенсивно продолжается. Бетон широко используется в жилищном, промышленном, транспортном, гидротехническом, энергетическом и других видах строительства

Наиболее полно современные возможности технологии бетона получили в создании и производстве высококачественных, высокотехнологичных бетонов (High Performance Concrete, HPC). Под этим термином, принятым в 1993 году совместной рабочей группой ЕКБ/ФИП, объединены многокомпонентные бетоны с высокими эксплуатационными свойствами, прочностью, долговечностью, адсорбционной способностью, низким коэффициентом диффузии и истираемостью, надежными защитными свойствами по отношению к стальной арматуре, высокой химической стойкостью, бактерицидностью и стабильностью объема.

Высококачественные бетоны, приготавливаемые из высокоподвижных и литых бетонных смесей с ограниченным водосодержанием, имеют прочность на сжатие в возрасте двух суток 30−50 Мпа, в возрасте 28 суток 60−150 Мпа, морозостойкость F600 и выше, водонепроницаемость W12 и выше, водопоглощение менее 1−2 процентов по массе, истираемость не более 0,3−0,4 г/см2, регулируемые показатели деформативности, в том числе с компенсацией усадки в возрасте 14−28 суток естественного твердения, высокую газонепроницаемость. В реальных условиях прогнозируемый срок службы такого бетона превышает 200 лет. Возможно получение и супердолговечных бетонов со сроками службы до 500 лет, что подтверждается исследованиями японских ученых.

Разработка специальных цементов для особовысокопрочных бетонов и новые технологии открывают принципиально новые возможности синтеза прочности. Уже первые опыты по оптимизации гранулометрического состава вяжущих в начале 70-х годов выявили значительные резервы снижения водоцементного отношения и интенсификации реакций гидратации. Вслед за получением цементных камней с прочностью на сжатие свыше 250 Мпа были получены так называемые DSP-композиты (уплотненные системы, содержащие гомогенно распределенные ультрамалые частицы). Эти материалы, включающие специально подготовленные цементы, микрокремнезем, специальные заполнители и микроволокна, за счет специальных технологических приемов при В/Ц=0,12−0,22 позволяют достичь прочности 270 Мпа при высокой стойкости к коррозионным воздействиям и истиранию.

С 1667 года, когда Сорель открыл вяжущие свойства оксихлорида магния, хорошо изучены бетоны на магнезиальных вяжущих. Их многие свойства лучше, чем у бетонов на портландцементе: они не требуют влажного хранения при твердении, обеспечивают очень высокую огнестойкость и низкую теплопроводность, хорошие износостойкость, прочность при сжатии и изгибе. Такие бетоны легко получить с различными видами заполнителей — как неорганических (известняк и мраморная крошка, асбест, песок, дробленый камень и гравий, каолин, гранулированные шлаки, сульфат магния и пигменты), так и органических (опилки, стружка, резиновый дробленый материал, отходы пластмасс и картонажного производства, льняная костра, битумы и т. д.). Магнезиальные бетоны характеризуются эластичностью, высокой ранней прочностью, легкостью, стойкостью к действию масел, смазок, лаков и красок, органических растворителей, щелочей и солей, включая сульфаты, они обладают бактерицидными свойствами.

Сегодня такие бетоны широко применяются в качестве материала для полов в зданиях индустриального, торгового и жилищного назначения, а также стяжек под полы из ковровых материалов и линолеума. Их используют в качестве изоляционных составов и адгезивов, при изготовлении художественных изделий, для специальных штукатурок и легкобетонных стен.

К сожалению, масштабы применения магнезиальных бетонов пока еще ограничены, поскольку они неустойчивы к действию воды, что проявляется в потере прочности при длительном водном хранении. Искусственный камень на основе оксихлорида магния нестоек и к действию некоторых кислот и солей и сам может вызывать коррозию стали и алюминия. Однако превосходные характеристики бетонов поддерживают постоянный интерес к этому материалу. Растет число исследований с целью повышения его водостойкости как за счет модифицирования вяжущего, так и за счет пропитки. Все это может оказаться не только легко осуществимым, но и экономически оправданным за счет широкого использования разнообразных отходов в качестве компонентов вяжущего и заполнителей, а также применения широко доступного и дешевого доломита как материала для замены каустического магнезита Комар А. Г. Строительные материалы и изделия.- М., 1983, С. 182−184.

В последние десятилетия достигнуты значительные успехи в применении бетонов на фосфатных цементах. Благодаря очень коротким срокам схватывания их широко используют при ремонте многих объектов гражданского и промышленного строительства, прежде всего автострад, труб и сборных железобетонных изделий. Так, промышленно выпускаемые ремонтные составы на аммонийфосфатных цементах позволяют получать прочность на сжатие около 30 Мпа за 45 минут твердения, а бетоны на силикатно-фосфатных цементах схватываются за 30 минут и через 4 часа имеют прочность на сжатие свыше 50 Мпа.

Кислотостойкие бетоны обычно получают, используя в качестве связующего так называемое растворимое стекло — высоковязкий водный раствор силикатов натрия или калия с высоким силикатным модулем. Заполнители для таких бетонов должны обладать растворимостью в кислотах максимум 1 процент по массе, что прежде всего определяется их минералогическим составом и структурой. Как правило, используют плотные кварц, базальт или порфир, причем в отличие от цементных бетонов повышение доли тончайших фракций сказывается в высшей степени позитивно. Именно поэтому заполнители обычно содержат около 30 процентов частиц с крупностью меньше 0,25 мм. Растворимое стекло вводится при приготовлении бетона в количествах, необходимых для обеспечения нормальной удобоукладываемости (около 12 процентов). Иногда применяют порошкообразные отвердители для ускорения созревания (чаще всего фторсиликат натрия) и пластификаторы, поскольку перемешивание и уплотнение бетонных смесей весьма трудоемко.

Развитие атомной энергетики и необходимость надежной защиты персонала и окружающей среды от радиоактивного излучения дали мощный стимул совершенствованию технологии бетона и созданию радиоэкранирующих бетонов. Защитное экранирование — главное средство, с помощью которого можно максимально снизить дозу, а бетон сегодня — наиболее широко применяемый экранирующий материал.

В принципе материал, конструкция и толщина защитных экранов определяются конкретными условиями работы ядерного реактора или источника радиоактивного излучения: энергией и характером излучения, продолжительностью работы и т. д. Если защита от а-излучающих источников и b-частиц, как правило, не вызывает больших затруднений, для g-излучения и особенно для нейтронных источников используется сложная система комбинированной защиты.

Наиболее существенными требованиями к радиоэкранирующим бетонам являются высокая плотность, однородность, стойкость при воздействии радиоактивного флюэнса, в том числе стойкость к тепловым воздействиям, газонепроницаемость.

Поскольку g-излучение лучше всего ослабляется материалами с высоким атомным номером и высокой плотностью, наиболее часто для экранирования применяют особотяжелые бетоны, в которых в качестве заполнителей используют магнетит, лимонит, барит, металлический скрап и др.

В целях защиты от g-радиоактивного излучения используют и сверхособотяжелые бетоны. К их числу относится, например, разработанный CANMET (Канада) бетон на ильмените (удельная насыпная масса песка — 4,62, щебня — 4,76 т/м3) с объемной массой свыше 4000 кг/м3. Для обеспечения высокой однородности достаточно подвижной бетонной смеси (ОК=100 мм) используют повышенную дозировку суперпластификатора и увеличивают долю ильменитового песка (соотношение мелкий заполнитель: крупный заполнитель = 1,15). Объем вовлеченного воздуха не превышает при этом 3 процента.

Ярким примером развития технического прогресса являются разработанные в России и запатентованные в 1990 году бетоны на цементах (вяжущих) низкой водопотребности (ЦНВ, ВНВ).

ЦНВ получают по специальной технологии совместным помолом ингредиентов: клинкера или готового портландцемента и сухого модификатора, а также при необходимости активной минеральной добавки (золы-уноса, пуццоланы, шлака и т. п.) и/или наполнителя, а также гипсового камня (гипса). Механохимическая обработка позволяет усилить полезные свойства компонентов комплексного вяжущего: прочность цемента возрастает на 2−3 марки, а пластифицирующий эффект органического компонента модификатора увеличивается примерно в два раза. На практике это приводит к снижению водосодержания изопластичных бетонных смесей до 120−135 л/м3 и В/Ц до 0,25 -0,30 для подвижных смесей и до 0,20−0,25 — для жестких (под Ц здесь понимается расход вяжущего).

Заметным преимуществом применения бетонов на ЦНВ является снижение температуры изотермического прогрева или полный отказ от тепловой обработки. Так, при изготовлении объемных блоков из мелкозернистого бетона при температуре прогрева 35−50 0С выявлена возможность сокращения ТВО в два раза, причем проектная прочность достигалась уже в возрасте 1 суток, а в возрасте 28 суток фактическая прочность превышала проектную на 50−70 процентов и более.

Наряду с этим эффективность использования ЦНВ обусловлена снижением расхода вяжущего при изготовлении 1 м³ равнопрочных бетонов: коэффициент использования вяжущего, по данным промышленной апробации, составляет 1,7−2,4 для тяжелого бетона и 1,3−1,4 — для мелкозернистого (коэффициент использования портландцемента — 0,6−0,9, т. е. каждому килограмму расхода портландцемента соответствует 0,06−0,09 Мпа прочности бетона).

Особенность ЦНВ — многовариантность составов и соответственно свойств вяжущих, дающая возможность наиболее полно реализовать потенциал портландцементного клинкера в зависимости от конкретных требований, предъявляемых технологией производства и условиями эксплуатации бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Известно, например, что использование на практике принципов механохимической активации позволило получить вяжущие, качество которых при содержании в них 50−70 процентов минеральных добавок не уступает качеству цементов марок 500−600 (класса 45 по EN). При замене гипса в ЦНВ на химические регуляторы схватывания и твердения, а также с применением специальных добавок, понижающих точку замерзания воды в бетоне, получена широкая гамма вяжущих для ведения бетонных работ при отрицательных температурах. Наконец, особого внимания заслуживают полученные по технологии ЦНВ новые гипсовые, гипсоцементопуццолановые и пробужденные безклинкерные вяжущие, бетоны на которых характеризуются повышенными по сравнению с аналогичными традиционными бетонами прочностью и стойкостью при воздействии внешних факторов.

Важно при этом подчеркнуть, что все бетоны на ЦНВ отличаются значительно меньшей энергоемкостью, а с экологической точки зрения новая технология позволяет почти вдвое сократить выбросы промышленных газов в цементной промышленности и вовлечь в производство огромное количество разнообразных техногенных отходов.

В ближайшем будущем будет происходить постепенное замещение обычных традиционных бетонов многокомпонентными бетонами. Как уже отмечалось, в последних используются химические кодификаторы структуры, свойств и технологических характеристик бетона, в том числе комплексные модификаторы, включающие порой несколько десятков индивидуальных химических добавок, активные минеральные компоненты различной дисперсности (от 2000 до 25 000 см2/г) и в ряде случаев композиционные вяжущие вещества, в том числе вяжущие низкой водопотребности, расширяющие добавки (неорганические и органические), дисперсные волокнистые наполнители (углеволокно, стекловолокно, полипропиленовая и кевларовая фибра, асбест, растительные волокна и т. д.), а также другие специальные компоненты. Многокомпонентность бетонной смеси позволяет эффективно управлять структурообразованием на всех этапах технологии и получать материалы с самым различным комплексом свойств.

Вместе с тем многокомпонентность системы повышает одновременно требования к дозированию материалов и перемешиванию бетонной смеси, так как часто требуется вводить модификатор (часто не один, а несколько) в очень небольших количествах и перемешивать высокодисперсные порошки (цемент + наполнитель) до получения однородной массы, что может быть обеспечено только за счет применения соответствующего оборудования Бужевич Г. А. Легкие бетоны на пористых заполнителях М., 1970, С.45−47.

2.1 Силикатный бетон

Силикатный бетон представляет собой бесцементный бетон автоклавного твердения Вяжущим в нем является смесь извести с тонкомолотым кремнеземистым материалом. В процессе автоклавной обработки известь вступает с кремнеземистым компонентом в химическую реакцию, в результате которой образуются гидросиликаты кальция, скрепляющие зерна заполнителя в прочный монолит. В зависимости от вида кремнеземистого компонента различают следующие виды вяжущего вещества: известково-кремнеземистые, состоящие из тонкомолотых извести и песка; известково-шлаковые, получаемые совместным помолом металлургического или топливного шлака и извести; известково-зольные, состоящие из тонкомолотых извести и топливных зол; известково-аглопоритовые, получаемые из извести и отходов производства искусственных пористых заполнителей, и известково-белитовые, состоящие из тонкомолотых продуктов низкотемпературного обжига известково-кремнеземистой шихты и песка или белитового (нефелинового) шлама и песка Соотношение извести и кремнеземистого компонента составляет от 30: 70 до 50: 50%. В качестве мелкого заполнителя применяют природные и дробленые пески, удовлетворяющие стандартным требованиям. В крупнозернистых бетонах используют щебень из плотных горных пород, щебень из гравия или доменного шлака размером не более 20 мм, а также различные пористые заполнители.

Наибольшее распространение получили мелкозернистые силикатные бетоны, заполнителем которых является обычный кварцевый песок. Песок обладает более высокой удельной емкостью и, следовательно, лучшей реакционной способностью, а также меньшей стоимостью, чем крупный заполнитель, поэтому мелкозернистые силикатные бетоны наряду с хорошими техническими свойствами имеют низкую стоимость.

Прочность силикатного бетона меняется в широких пределах: 5… 10 МПа в легких силикатных бетонах, 20… 50 МПа в тяжелых бетонах и 80 >100 МПа в высокопрочных бетонах. Из силикатного бетона производят плиты перекрытий, колонны, ригели, балки, ограждающие панели, стеновые блоки и другие детали.

2.2 Цементно-полимерный бетон

Цементно-полимерные бетоны — это цементные бетоны с добавками различных высокомолекулярных органических соединении в виде водных дисперсии полимеров — продуктов эмульсионной полимеризации различных полимеров: винилацетата, винилхлорида, стирола, латексов и других или водорастворимых коллоидов: поливинилового и фурилового спиртов и мочевиноформальдегидных смол. Добавки вводят в бетонную смесь при ее приготовлении. Использование в бетоне полимеров позволяет изменять его структуру и свойства в нужном направлении, улучшать технико-экономические показатели материала

Формы использования полимеров в бетоне многообразны Полимеры и материалы на их основе применяют в виде добавок в тонную смесь, в качестве вяжущего, для пропитки готовых бетонных и железобетонных изделий, для дисперсного армирования полимерными волокнами, в виде легких заполнителей или модификации свойств минеральных заполнителей, в качестве микронаполнителя Каждое из этих направлений имеет свои области применения и технологические особенности.

Здесь и далее рассмотрены бетоны, в которые вводится заметное количество полимеров, создающих в структуре материала полимерную фазу и существенно влияющих на его строение и свойства. В мировой практике для таких бетонов начали употреблять термин «П-бетоны». Подобные материалы можно подразделять на четыре группы: цементно-полимерные бетоны, полимербетоны, бетонополимеры и бетоны, содержащие полимерные материалы (заполнители, дисперсную арматуру или микронаполнители).

Цементно-полимерные бетоны характеризуются наличием двух активных составляющих: минерального вяжущего и органического вещества. Вяжущее вещество с водой образует цементный камень, склеивающий частицы заполнителя в монолит. Полимер по мере удаления воды из бетона образует на поверхности пор, капилляров, зерен цемента и заполнителя тонкую пленку, которая обладает хорошей адгезией и способствует повышению сцепления между заполнителем и цементным камнем, улучшает монолитность бетона и работу минерального скелета под нагрузкой. В результате цементно-полимерный бетон приобретает особые свойства: повышенную по сравнению с обычным бетоном прочность на растяжение и изгиб, более высокую морозостойкость, хорошие адгезионные свойства, высокую износостойкость, непроницаемость. В то же время особенности полимерной составляющей определяют и другие особенности цементно-полимерного бетона, в ряде случаев несколько повышенную деформативность, снижение показателей прочности при водном хранении.

Наиболее распространенными добавками полимеров в цементные бетоны являются поливинилацетат (ПВА), латексы и водорастворимые смолы. ПВА представляет собой смолу, свойства которой, как и всех высокомолекулярных соединений, зависят от степени полимеризации винилацетата, температуры и влажности. Обычно применяется ПВА в виде эмульсин, содержащей около 50% сухого вещества и некоторого количества поливинилового спирта как эмульгатора. После высыхания образуется твердая пленка, обладающая некоторым водопоглощением и набуханием. Влажное хранение ПВА сопровождается снижением прочности, а после высыхания прочность быстро нарастает Подобным же образом проявляет себя ПВА в бетоне.

Количество вводимой добавки полимерного материала устанавливают предварительными опытами. Основным фактором, определяющим влияние добавки на свойства цемент полимерного бетона, является полимерцементное отношение. Обычно оптимальная добавка ПВА составляет 20% массы цемента. При применении латекса, чтобы не было коагуляции полимера, вводят стабилизатор (казеинат аммония, соду и др.).

Введение

полимерных добавок увеличивает пластичность растворных смесей по сравнению с чисто цементными. Прочность увеличивается, если бетон выдерживается в воздушно-сухих условиях (влажность 40…50%); во влажных условиях (влажность 90… 1000%) прочность снижается. Сравнение свойств обычного и цементно-полимерного раствора 1:3 приведено в табл. 14.4. В сухих условиях особенно возрастает прочность на изгиб (в 1,5… 3 раза), прочность на сжатие увеличивается в меньшей степени.

Водорастворимые смолы вводятся в бетон в небольших количествах (приблизительно 2% массы цемента). Хорошие результаты получены при введении в бетон водорастворимых эпоксидных смол ДЭГ-1, ТЭГ-1 и полиамидной смолы № 89. Эти смолы, имея гидроксильную группу ОН~, характеризуются высокой адгезией к различным материалам, включая новообразования цементного камня, кварц, гранит и другие виды заполнителей. Смола № 89 полимеризуется в щелочной среде без введения инициатора. Смолы ДЭГ-1 и ТЭГ-1 вводят в воду затвердения вместе с отвердителем. Отверждение их в щелочной среде бетона происходит интенсивнее и цепи полимера обладают большой эластичностью.

Цементно-полимерные бетоны приготовляют по той же технологии, что и обычный цементный бетон. Наиболее целесообразно применять эти бетоны для тех конструкций и изделий, где можно использовать особенности их свойств, например для полов, дорог, отделочных составов, коррозионно-стойких покрытий.

2.3 Фибробетон

Фибробетон — это бетон, армированный дисперсными волокнами (фибрами). Фибробетон обладает повышенной трещиностойкостью, прочностью на растяжение, ударной вязкостью, сопротивлением истираемости. Для армирования бетона применяют различные металлические и неметаллические волокна. В качестве фибр обычно применяют тонкую проволоку диаметром 0,1 0,5 мм, нарубленную на отрезки 10 … 50 мм Лучшие результаты обеспечивают фибры диаметром 0,3 мм и длиной 25 мм При повышении диаметра фибр свыше 0,6 мм резко уменьшается эффективность влияния армирования на прочность бетона.

Из неметаллических волокон могут применяться стеклянные волокна, базальтовые, асбестовые и др. Стеклянные волокна обычно имеют диаметр порядка нескольких десятков микрометров в длину 20… 40 мм. Они обладают высокой прочностью на растяжение (1500…3000 МПа) и модуль деформации выше, чем у цементного камня. Температурный коэффициент линейного расширения стекловолокна близок к такому коэффициенту цементного камня. Однако стекло быстро разрушается под действием щелочной среды цемента, поэтому необходимо предусматривать применение вяжущих веществ или специальных мероприятий, предохраняющих разрушение стеклянных волокон в бетоне от коррозии. К этим мероприятиям можно отнести использование в бетоне глиноземистого цемента, добавки в бетон, связывающие щелочи, пропитку бетона полимером

Для армирования цементного камня хорошо известны и широко применяются асбестовые волокна. Этими волокнами армируют изделия, изготовляемые в заводских условиях по специальной технологии. Асбестовые волокна обладают рядом ценных свойств: высокой прочностью и огнестойкостью, стойкостью к агрессивным воздействиям щелочей, долговечностью. Материалы, армированные асбестовыми волокнами, получили название асбестоцемента.

Для армирования ячеистых бетонов, гипсобетонов и других материалов с низким модулем упругости используют полимерные волокна. Модуль упругости их меньше, чем у цементного камня, температурный коэффициент линейного расширения в 3 — 9 раз выше. Многие из этих волокон недостаточно хорошо сцепляются с цементным камнем, что вынуждает применять специальные фибры периодического профиля или наносить на волокна покрытие. В качестве полимерных материалов используют полиэфиры, полиакрилаты, полипропилен и т. д. Прочность этих материалов составляет 60… 100 МПа Полимерные волокна используются также для тонкостенных изделий, подвергающихся ударам или эксплуатирующихся в условиях, в которых стальные волокна быстро разрушаются от коррозии

Стальными или неметаллическими волокнами армируют, как правило, мелкозернистые бетоны, иногда цементный камень. Эффективность применения волокон в бетоне зависит от их содержания и расстояния между отдельными волокнами. Дисперсное армирование обычно достаточно эффективно приостанавливает развитие волосяных трещии лишь при расстоянии между различными волокнами не более 10 мм, поэтому применение в бетоне крупного заполнителя, не позволяющего расположить дисперсные волокна достаточно близко друг к другу, снижает эффективность подобного армирования

Стальные фибры вводят в бетонную смесь обычно в количестве 1 2,5% объема бетона (3. 9% по массе, что составляет 70… 200 кг фибры на 1 м³ смеси). В этом случае повышаются прочность бетона на растяжение на 10−30%, сопротивляемость бетона ударам и его предел усталости и износостойкость

Стеклянные волокна вводят в бетонную смесь в количестве 1…4% объема бетона. Они, как и стальные волокна, обладая высоким модулем упругости, обеспечивают повышение прочности бетона на растяжение и его трещиностойкость.

Дисперсная арматура в бетоне достаточно хорошо защищена от коррозии плотным цементным камнем, однако в некоторых случаях, особенно когда возможно воздействие на фибробетон агрессивных сред, стальные фибры защищают специальными покрытиями, которые обычно не только повышают стойкость фибровой арматуры к коррозии, по и способствуют улучшению сцепления между фибрами и бетоном и тем самым на 20−40% улучшают прочность бетона на растяжение и его трещиностойкость Баженов Ю. М. Технология бетона: Учебное пособие для технологич. специальностей, 2-е изд., перераб. — М.: Высш. Шк., 1987.-286−311.

2.4 Декоративный бетон

Декоративный бетон готовят, используя белые и цветные цементы и специальные заполнители. В зависимости от состава и назначения декоративные бетоны можно подразделить на цветные бетоны и бетоны, имитирующие природные камни или сами по себе обладающие особо выразительной структурой. При необходимости поверхность бетона подвергают специальной обработке, чтобы получить ее выразительную декоративную фактуру. Пластичность бетонной смеси позволяет придавать бетонным изделиям различную конфигурацию, формовать изделия с рельефной поверхностью, изготовлять различные декоративные элементы зданий и сооружений.

Пигменты позволяют получить широкую гамму цветов от красного. (оксид железа) и зеленого (оксид хрома) до фиолетового (оксид марганца) и черного (перекись марганца). К белым пигментам относится мел или известняк, к черным — сажа, к желтым — охра, представляющая собой смесь белой глины (каолина) с оксидом железа. Применяя смешанные пигменты, можно получить бетоны разной расцветки.

В последнее время появились различные органические пигменты и красители (анилиновые и др.), которые дают интенсивное окрашивание бетона при введении их в количестве всего 0,1 …0,2% массы цемента и отличаются высокой светои щелочестойкостью.

Для получения достаточной плотности и хорошей цветовой выразительности поверхности бетона по сравнению с обычным бетоном несколько повышают расход цемента. При крупности заполнителя до 10 мм расход цемента составляет 450… 500 кг/м3. В качестве цветных бетонов широко используют мелкозернистые бетоны.

Расход воды в цветных бетонах определяют предварительными испытаниями и затем постоянно контролируют, так как даже небольшие отклонения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона. Для формования изделий из цветных бетонов используют пластичные достаточно жирные бетонные смеси, которые хорошо формуются и менее подвержены расслоению.

Для сокращения расхода воды и цемента и повышения долговечности изделий используют пластификаторы и суперпластификаторы, а также комплексные добавки на их основе. Для повышения долговечности-материала и борьбы с высолами, которые могут появляться на поверхности цветных бетонов в период их эксплуатации в результате сложных физико-химических процессов и воздействия попеременного увлажнения и высыхания, применяют гидрофобизаторы, тонкомолотые добавки, способствующие связыванию гидрата оксида кальция, выделяющегося при твердении цемента, или пропитывают цветные бетоны полимерами Для получения равномерной окраски бетона используют специальные добавки-выравниватели (ОП-7 и др.).

Хорошие результаты получают, применяя заранее приготовленные в смесителях цветные смеси, в которые входят пигменты, часть воды затворения и добавки. В цветных бетонах используют чистые кварцевые пески желательно светлых оттенков без примеси частиц из оксидов железа, которые окрашивают пески и бетоны в серый цвет. В качестве крупных заполнителей могут применяться светлый известняк и доломит. Широко используют также отходы камнедробления, дробленые пески и щебень из мрамора, высевки гранита, туфа и др. Крупный заполнитель обычно не придает особого цвета бетону. На цвет бетона влияют мелкие частицы заполнителя, размер которых не превышает 0,3 мм. Чтобы уменьшить расслоение цветного бетона и добиться равномерности окраски, используют воздухововлекающие добавки, а также вводят в небольших количествах тонкие фракции некоторых материалов: жирной извести, тонкомолотого известняка и др.

Бетонную смесь предохраняют от загрязнения при приготовлении, транспортировании и укладке в формы Продолжительность перемешивания смесей для цветных бетонов обычно несколько больше, чем обычных Формы для изготовления изделий из цветных бетонов должны быть химически нейтральными, жесткими, чистыми и водонепроницаемыми. Чаще всего применяют стальные формы или пластиковые, позволяющие получать изделия с высокой сложностью рельефа

При формовании изделий используют глубинное вибрирование, обеспечивающее хорошее заполнение форм даже сложной конфигурации и способствующее получению гладких лицевых поверхностей, так как при глубинном вибрировании уменьшается воздухововлечение в бетонную смесь на границе бетона и формы. Для изготовления изделий используют также ударное формование и низкочастотную вибрацию. В ряде случаев в формы устанавливают специальные вкладыши из нержавеющей стали, полимерных материалов, обеспечивающих получение рельефа и высокого качества лицевой поверхности изделия. При бетонировании изделия из цветных бетонов необходимо применять специальные смазки, например на основе парафина или воска, которые не загрязняют лицевую поверхность бетона.

При тепловой обработке может происходить некоторое изменение цвета пигментов, что необходимо учитывать при подборе состава краски. При хранении на складе и при транспортировке готовых изделий необходимо защищать их поверхность от загрязнения и ударов, которые могут привести к ее повреждению. В некоторых случаях изделия из цветных бетонов покрывают пленкоизделий специального назначения. Иногда детали из декоративного бетона сочетают с другими материалами: камнем, эмалированной сталью, пластиком.

При изготовлении изделий с использованием цветных и декоративных бетонов часто применяют слоистые конструкции, в которых верхний лицевой слой выполняется из цветного или декоративного бетона, а основные несущие слои конструкции — из обычного бетона. Это позволяет сократить расход цветных и декоративных бетонов при изготовлении ограждающих конструкций зданий, облицовочных и тротуарных плит и др.

Широкое применение декоративных бетонов предусматривается в перспективных планах развития сборных железобетонных изделий и конструкций Горчаков Г. И., Баженов Ю. М. Строительные материалы. — М., 1986, С.15−18.

Глава 3. ТЕХНОЛОГИИ РАЗВИТИЯ БЕТОНА В ХХI ВЕКЕ

В XXI в. бетон получит развитие как один из основных материалов для строительства. Уже сегодня применяются более тысячи видов различных бетонов — от особо легких с плотностью 100 кг/м3 — до особо прочных с прочностью более 100 МПа — и большое разнообразие специальных бетонов с разными комплексами свойств.

Сравнительная простота и доступность бетонной технологии, широкая возможность использовать местное сырье и вторичные отходы промышленности и энергетики, низкая энергопотребность производства, доступная стоимость и широкая возможность в воплощении самых разных архитектурно-строительных решений — все это является гарантией широкого применения бетона в строительстве.

Сегодня под термином «бетон» /

подразумевают широкую гамму различных строительных композитов гидратационного и других видов твердения. Здесь и обычный тяжелый бетон, и легкие ячеистые бетоны, и мелкозернистые бетоны, растворы, мастики, и фибробетоны, и специальные бетоны, в том числе с использованием полимерных компонентов и самых различных вяжущих веществ. Многообразие видов бетона обусловливает его успешное применение в условиях рыночной экономики и технического прогресса.

В современных условиях бетоны становятся многокомпонентными, при их приготовлении широко используются химические модификаторы структуры и свойств, активные минеральные ультрадисперсные компоненты и ряд других эффективных добавок.

В строительстве наряду с традиционными обычными тяжелыми бетонами с прочностью 10 — 50 МПа для различных видов конструкций получают применение новые эффективные виды бетонов: высокопрочные бетоны, бетоны повышенной долговечности, безусадочные, расширяющиеся и напрягающие бетоны, бетоны, приготовленные из литых бетонных смесей, специальные бетоны, в том числе на новых композиционных вяжущих, новые виды легких бетонов и ряд других.

Достижения строительного материаловедения позволили объединить в единый комплекс положительные свойства разных групп бетонов. Так появился новый класс бетонов — высококачественные бетоны. Это многокомпонентные бетоны, в которых используются композиционные вяжущие вещества, химические модификаторы структуры, свойств и технологии, активные минеральные компоненты и расширяющие добавки. Многокомпонентность системы позволяет управлять структурообразованием на всех этапах технологии. Высококачественные бетоны — это не только высокие показатели свойств, но и высокая технология, гарантирующая получение материала высокого качества.

Композиционные вяжущие представляют собой продукт механохимической активации в регламентированных условиях портландцемента или другого вяжущего с химическими модификаторами, содержащими водопонижающий компонент, и минеральными добавками. Современная технология бетона предлагает строителям широкое многообразие бетонов, различного назначения и технологии. В ближайшие годы это многообразие еще увеличится.

На основе новых видов вяжущих и модификаторов получат распространение особобыстротвердеющие бетоны с прочностью через 3…4 часа 40…50 МПа и выше, что обеспечит значительную экономию энергоресурсов в строительстве, бетоны твердеющие при отрицательной температуре до -30C, бетоны со специальными свойствами: защитные, электротехнические, антибактерицидные, жаростойкие и др. Увеличивая разнообразие и объемы применения П-бетонов, в которых сочетание минеральной и органической структур открывает возможности получения материалов с самыми различными свойствами и назначением. Для получения полимер-цементных бетонов для бетонополимеров и бетонов с полимерными заполнителями, наполнителями и волокнами будут использованы новые мономеры и полимеры, новые вяжущие и композиции составляющих, новые технологии получения материалов.

С целью ресурсосбережения и улучшения теплотехнических свойств материала получат большое развитие воздухонаполненные бетоны и изделия. При этом будет увеличиваться степень воздухонаполнения и повышаться качество материалов. Ячеистые бетоны различных способов получения, легкие бетоны на пористых заполнителях, в том числе безобжиговых и полимерных, изделия с сотовой и другими системами сложения дадут возможность использовать более совершенные технологии изготовления, большее разнообразие и многокомпонентность состава и сырья.