Текст книги "Асбестоцементные строительные материалы и изделия"

БЕТОНЫ

В современном строительстве бетон является одним из важнейших материалов, так как используя компоненты соответствующего качества и применяя специальные способы механической и физико-химической обработки бетона, из него возможно изготавливать самые разнообразные по форме и размерам долговечные строительные конструкции и изделия. Бетон экономичен, работы с ним возможно полностью механизировать.

Бетон представляет собой искусственный каменный материал, получаемый в результате уплотнения и твердения подобранной пластичной смеси, состоящей из минерального вяжущего материала, добавок, воды и заполнителей. Минеральные вяжущие материалы являются основным компонентом любого вида бетона, так как обеспечивают заданную пластичность бетонной смеси, необходимую для получения изделий и конструкций определенной формы и размера, а также прочность и долговечность самой бетонной конструкции.

Каменную основу в бетоне составляют зерна песка и щебня. Цементное тесто, которое образуется после затворения бетонной смесью водой, обволакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и придает бетонной смеси свойства подвижности, текучести. Чтобы получить смесь и бетон высокого качества, обеспечивающих получение бетонных конструкций высокой прочности, необходимо знать их технологии, правильно подбирать составляющие качественные материалы в оптимальных пропорциях, знать режимы приготовления бетонной смеси, способы ее укладки, уплотнения в условиях твердения.

Бетоны классифицируют:

– по назначению (конструкционные, специальные);

– по виду вяжущего материала (цементные, известковые, силикатные, шлаковые, гипсовые и др.);

– по виду заполнителя (с плотным, пористым и специальным заполнителем);

– по структуре (плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые);

– по условиям твердения (для естественных условий, термовлажностного твердения, автоклавного твердения, твердения при отрицательной температуре и тепловой обработке без использования паровоздушной среды, контактирующей с бетоном). Важнейшими качествами бетона являются его прочность и долговечность.

В период эксплуатации зданий и сооружений бетон находится в различных условиях работы. При этом он испытывает растяжение, сжатие, скалывание, изгиб. Лучше всего бетон работает на сжатие. Этот показатель служит основной характеристикой механических свойств бетона. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, однако при одной и той же активности цемента можно получить бетон различной прочности в зависимости от изменения количества воды в смеси.

В значительной мере на прочность бетона влияют степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона. Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличие от гравия зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем. Бетон, приготовленный на щебне, как правило, имеет большую прочность, чем бетон на гравии. На скорость твердения бетона влияет минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси. Бетонные смеси с низким содержанием воды (жесткие) обеспечивают более быстрое твердение, чем подвижные.

В зависимости от плотности бетоны подразделяют на тяжелые (2000…2600 кг/см куб.) и легкие (200…2000 кг/м куб.)

Тяжелые бетоны. Тяжелые бетоны изготовляют на цементе и обычных твердых заполнителях. Они должны приобрести проектную прочность к определенному сроку и обладать другими качествами, соответствующими назначению изготовляемой конструкции – плотностью, водостойкостью, морозостойкостью и другими. Необходима также определенная подвижность бетонной смеси, которая бы соответствовала принятым способам укладки бетонной смеси.

К тяжелым бетонам относят:

– конструкционные цементные на плотных заполнителях бетоны;

– мелкозернистые бетоны, эксплуатируемые при систематическом воздействии температур от +50 до -70 0С;

– бетоны специального назначения.

Для изготовления конструкционного тяжелого бетона в качестве вяжущего материала применяют разнообразные клинкерные портландцементы (рядовой, шлаковый, пуццолановый). Заполнителями служат дробленые плотные горные породы или природные рыхлые зернистые материалы – кварцевый песок, щебень, гравий, гравийно-песчаная смесь.

Чтобы улучшить технологические свойства бетонной смеси и повысить долговечность бетонных и железобетонных конструкций, вводят соответствующие химические добавки – ускорители твердения: поверхностно-активные добавки, газообразователи, пенообразователи, специальные, комбинированные и др. К ускорителям твердения цемента, увеличивающим нарастание прочности бетона, относят хлористый кальций, хлористый натрий, соляную кислоту, сернокислый глинозем, нитрат кальция, поташ, хлорное железо. Ускорители твердения не рекомендуется применять в железобетонных конструкциях и предварительно напряженных изделиях с диаметром арматуры менее 5 мм, эксплуатирующихся в среде с влажностью более 60 %.

Поверхностно-активные добавки позволяют существенно улучшить удобоукладываемость бетонных смесей, уменьшить водоцементное отношение и сократить расход цемента без снижения прочности материалов и изделий. Эффективными разжижителями бетонной смеси являются суперпластификаторы, которые в основном представляют собой синтетические полимеры – производные меламиновой смолы и нафталинсульфокислоты. При введении в бетонную смесь суперпластификатора значительно увеличивается ее подвижность и текучесть.

Пенообразователи и газообразователи применяют для изготовления ячеистых бетонов. Комбинированные добавки способствуют экономии цемента. Специальные добавки обеспечивают получение водонепроницаемых растворов или бетонов, регулирующих сроки схватывания и др.

Тяжелый бетон применяют при сооружении монолитных гидротехнических сооружений, фундаментов, дорожных покрытий, твердеющих в естественных условиях и сборные, обычные и преднапряженные, подвергаемые термообработке (балки, плиты покрытий, фермы и др.).

Когда в качестве вяжущего материала применяют цементы, бетон набирает прочность в условиях естественного твердения или термовлажностной обработки при атмосферном давлении. Для приготовления тяжелых бетонов применяют портландцемент, пластифицированный портландцемент, быстротвердеющий портландцемент, шлакопортландцемент, портландцемент с гидравлическими добавками и др. Цемент выбирают с учетом требований, предъявляемых к бетону, – прочности, морозостойкости, химической стойкости, водонепроницаемости и других, а также технологии изготовления изделий, их назначения и условий эксплуатации. Марку цемента рекомендуется выбирать в зависимости от проектируемой марки бетона при сжатии.

Прочность бетона составляет 3,5…105 МПа. В благоприятных условиях температуры и влажности она непрерывно повышается. Если вяжущим материалом служит известь в сочетании с тонкомолотым кремнеземистым компонентом, например, кварцевым песком, золой, шлаком, то изделия выдерживают в автоклавах при высоких температурах (до 200 градусов) и повышенном давлении (до 1,6 МПа).

Силикатные бетоны. Силикатным называют бетон прочностью от 15 до 60 МПа, изготовленный на известковых вяжущих материалах в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами.

В состав мелкозернистых бетонов входит минеральное вяжущее вещество и мелкий заполнитель – песок определенной крупности. Эти бетоны обладают однородностью свойств, повышенной водонепроницаемостью, морозостойкостью, прочностью на изгиб и растяжение.

Применяют мелкозернистые бетоны для получения труб, дорожных покрытий, тротуарных плит, бортовых камней методом объемного сухого вибропрессования, а также для тонкостенных конструкций – перегородок, плит перекрытий и др. Используя сетчатое армирование, из них возводят пространственные армоцементные конструкции – оболочки сложных конфигураций для покрытий больших площадей.

Полимерсиликатные и полимерцементные бетоны. Полимерсиликатные и полимерцементные бетоны изготавливают на основе полимерных модифицирующих добавок и полноценных компонентов сложных по составу материалов. В качестве вяжущего материала используют композицию из органического полимера – фуранового, поливинилацетатного, кремнийорганического и неорганического вяжущего материала – гипса, жидкого стекла, портландцемента.

Вводя полимерные добавки, повышают водостойкость, износостойкость, трещиностойкость, растяжимость и коррозионную стойкость бетона.

Применяют полимерцементные и полимерсиликатные композиции для покрытия полов, дорог, в конструкциях, работающих на растяжение – балки, в том числе преднапряженные, при изготовлении панелей междуэтажных перекрытий химических предприятий и складов минеральных удобрений и т.д.

Полимербетоны. Все чаще в строительстве применяют балки, колонны, плиты перекрытия из полимербетона, армированного стальной арматурой (сталеполимербетоны), стеклопластиковой арматурой (стеклопластыбетоны) или дисперсной (фиброполимербетоны) арматурой, в которых в качестве вяжущих материалов используют полимерные смолы.

Полимербетоны от цементных бетонов отличаются повышенной прочностью при растяжении, высокой химической стойкостью, водонепроницаемостью. Недостатками полимербетонов являются усадка при твердении, ползучесть под нагрузкой, пониженная огнестойкость и теплостойкость.

Применяют полимербетоны при возведении несущих и самонесущих химически стойких конструкций на предприятиях цветной металлургии, химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности. Из сталеполимербетона изготавливают шахтные стойки, перемычки для крепления шахтных выработок, коллекторные кольца, опоры линий электропередач, железнодорожные шпалы. Кроме этого, полимербетон применяют для водосборов ирригационных плотин, лотков, канализационных труб и колодцев, дорожных плит и покрытый пола промышленных зданий, опорных плит для крепления технологических коммуникаций.

Шлакощелочные бетоны. Шлакощелочные бетоны получают после формования и последующего твердения смеси крупного и мелкого заполнителей, молотого шлака и раствора щелочного компонента. Тяжелые бетоны на шлакощелочном вяжущем материале относятся к конструкционным бетонам. Прочность шлакощелочных бетонов зависит от изменения плотности щелочного компонента, степень влияния которого зависит от его природы. На повышении прочностных характеристик наиболее значительно сказывается применение растворимых силикатов натрия.

Для получения шлакощелочных бетонов применяют высокоактивный бесклинкерный шлакощелочной цемент, который получают на основе доменных гранулированных шлаков и едких щелочей.

Шлакощелочной цемент обладает в три раза большей по сравнению с портландцементом прочностью при сжатии и растяжении, что позволяет получить бетоны прочностью 1000…1400 кгс/см кв. повышенной солестойкости, водонепроницаемости и морозостойкости (до F1000). Щелочи в бетоне обеспечивают ему твердение при отрицательной температуре. Для получения этого вида цемента можно использовать добавки стекловидных отходов различных производств – доменных, сталелитейных и других, выход которых в настоящее время составляет более 80 миллионов тонн в год. Щелочным компонентом бетона могут быть не только специальные щелочные вещества, но щелочесодержащие отходы суперфосфатного, фенольного, целлюлозно-бумажного и других производств.

В качестве заполнителей при изготовлении шлакощелочных бетонов могут служить пески, мелкозернистые грунты, супеси, легкие суглинки. В этом бетоне песчаные частицы создают жесткий каркас в цементном камне аналогично крупному щебню и гравию в обычных бетонах. Пылевые частицы заполняют межзерновые пространства между песчаными и способствуют уплотнению бетона. Глинистый компонент, взаимодействуя со щелочами, является дополнительным вяжущим, цементирующим пылевые и песчаные составляющие.

Использовать шлакощелочной бетон можно во всех ответственных строительных конструкциях, однако большей частью его используют в гидротехнических и иных сооружениях, т.е. там, где необходима высококоррозионная стойкость.

Бетон на напрягающем цементе. При производстве преднапряженного железобетона особое место занимает бетон на напрягающем цементе. Этот вид вяжущего материала обеспечивает интенсивное расширение цементного камня и самонапряжение железобетона при формовке в ограниченном объеме за счет использования специального сульфоалюминатного клинкера или добавок сланцевых зол ТЭС.

Чтобы достигнуть больших величин самонапряжения необходимо использовать бетонные смеси с минимальным водоцементным отношением, что усложняет технологию получения изделий. Кроме того, такой цемент обладает короткими сроками схватывания. Эти свойства привели к новым разработкам получения изделий. Так, напорные трубы формуют способом торкретирования, путем подачи бетонной смеси под давлением на гладкий металлический сердечник. Применяя этот способ, получают трубы высокой плотности, с идеально гладкой внутренней поверхностью.

При изготовлении самонапряженных труб малого диаметра применяют технологию вибропродавливания. Используют напрягающий цемент для изготовления аэродромов, покрытия дорог, в подземных сооружениях, гидротехнических сооружениях, а также в тех случаях, когда предъявляются высокие требования по трещиностойкости.

Стеклоцементные композиционные материалы. Стеклоцементные композиционные материалы получают на основе цемента и стекловолокна. Для получения высокопрочных композиций необходимо, чтобы армирующие волокна были одинаковыми по прочности. Предел прочности армированных материалов при осевом растяжении, независимо от вяжущего вещества и волокон, возрастает по мере увеличения содержания стекловолокнистой арматуры. С увеличением содержания армирующих волокон прочность композиции при растяжении увеличивается по сравнению с прочностью неармированного бетона более чем в два раза. Применяемые при изготовлении материалов стеклянные волокна обладают прочностью в 1,5 выше прочности стали и плотностью в 2 раза ниже плотности алюминиевых сплавов.

Используемый в качестве гидрозащитного покрытия тепловой изоляции трубопроводов и оборудования текстолитовый стеклоцемент представляет собой рулонный материал, изготовляемый путем пропитки армирующего стекловолокнистого материала водоцементной или водополимерцементной суспензией. В качестве основы используют глиноземистый цемент и его разновидности, в качестве арматуры применяют стекловолокнистые рулонные материалы из бесщелочного стекла.

Стеклоцементные композиционные материалы не горючи, не токсичны, не подвержены биологической агрессии. Кроме цемента, в таких композициях можно использовать гипсовые, магнезиальные вяжущие вещества. Армирующим составляющим наряду со стеклянными, базальтовыми, полимерными могут быть также стальные волокна.

Изготовление строительных конструкций с применением стеклоцементных композиций вместо железобетонных дает возможность снизить стомость конструкции почти в три раза, массу уменьшить в 10 раз, полностью исключить расход металла, мелкого и крупного заполнителя, сократить в 4 раза расход цемента. Эти строительные материалы выгодно изготавливать для применения в тонкостенных несущих конструкциях типа оболочек, коробчатых и гофрированных наружных панелей и перегородок, резервуарах, для производства сборных железобетонных конструкций с комбинированным армированием.

Фибробетон и сталефибробетон. Для получения фибробетона бетон армируют равномерно рассредоточенными искусственными волокнами (фибрами). Для дисперсионного армирования используют различные неметаллические и металлические волокна минерального или органического происхождения в виде сеток, тканей, и других рулонных материалов. Дисперсное армирование может осуществляться одним видом фибр или смесью фибр разной длины и разного состава.

Армирование бетона путем введения стальных фибр позволяет повысить трещиностойкость, сопротивление ударным и сейсмическим нагрузкам, водонепроницаемость, морозостойкость, износостойкость. В настоящее время в строительстве применяют способ получения объемных тонкостенных конструкций методом сгиба с виброукатыванием фиброармированной смеси. При этом угол сгиба не должен превышать 20 градусов.

Таким образом, можно получать сферические сталефибробетонные оболочки для создания домов нестандартной архитектуры, крупноразмерные элементы облицовки стеновых панелей, безрулонные покрытия домов, объемные блоки для жилищного строительства и др. Армирование вяжущих материалов волокнами позволяют значительно повысить прочность бетона при растяжении, изгибе и сжатии. Кроме этого, повышается ударная вязкость, сопротивление истиранию, стойкость против замораживания и оттаивания.

Штампованный и декоративный бетоны. Штампованный бетон получают при нанесении на поверхность свежеуложенного бетона пигментированного порошкообразного материала с последующим вдавливанием текстурных штампов различного рисунка. После снятия штампов и твердения бетона с целью повышения износостойкости, морозостойкости и коррозионной стойкости наносят высоконаполненные акриловые композиции.

Полученный таким образом штампованный бетон имеет декоративную поверхность под природный пиленый или рваный камень, кирпич, плитняк и т.д. Для получения плит из декоративного бетона применяют также метод монолитного литья с имитацией поверхности камня, сланца или дерева. В результате получается многоцветная фактура, создаваемая за счет введения красителей, взаимодействующих с минералами цемента. Изготовленными материалами отделывают стены, полы, тротуары. Для повышения долговечности материалы сверху покрывают прозрачным покрытием.

Для работы в особых условиях применяют специальные виды тяжелого бетона:

– жаростойкие,

– химически стойкие;

– радиационнозашитные и др.

Жаростойкие бетоны. В жаростойких бетонах вяжущие материалы применяют в зависимости от максимальной температуры применения. При максимальных температурах от 50 до 300 0С применяют портландцемент;

– при максимальных температурах от 300 до 700 0С применяют шлакопортландцемент в сочетании с термостойкими наполнителями – шлак, базальт, бой керамического кирпича;

– при максимальных температурах от 700 до 1000 0С применяют жидкое стекло с КФН, термостойкие наполнители и заполнители – базальт, шлак, шамот, вермикулит, керамзит;

– при температурах от 1000 до 1400 0С в качестве вяжущих веществ применяют глиноземный цемент с термостойкими наполнителями и заполнителями.

Жаростойкие бетоны применяют для возведения дымовых труб, резервуаров, фундаментов, сводов тепловых агрегатов, а также при выполнении покрытий пола в горячих цехах.

Химически стойкими бетонами являются бетонополимер, полимербетон, полимерцементные, шлакощелочные, сульфатостойкие, кислотостойкие.

Бетонополимер. Используемые материалы: бетонные и железобетонные конструкции и изделия, пропитанные мономерами или полимерами. Обладает высокой коррозионной стойкостью по отношению к щелочам, солям, кислотам. Кроме этого, обладает повышенной прочностью к истиранию и ударам. Бетонополимер используют в несущих конструкциях, а также трубах (диаметр 300…1200 мм) и полах на химических предприятиях, к которым предъявляют повышенные требования по коррозионной стойкости.

Полимербетоны. В полимербетонах используются химически стойкие полимерные связующие – фенольные и эпоксидные, а также минеральные заполнители, наполнители, отвердители и модифицирующие добавки без использования минеральных вяжущих веществ и воды. Полимербетоны обладают высокой коррозионной стойкостью по отношению к щелочам, солям, кислотам, повышенной прочностью на удар, истирание, трещиностойкостью. Обычно их используют при изготовлении несущих конструкций, полов на химических предприятиях, труб с диаметром от 300 до 1200 мм, к которым предъявляются требования по коррозионной стойкости.

Полимерцементные бетоны. В полимерцементных бетонах применяют минеральные вяжущие – цемент в сочетании с полимерной добавкой. В качестве добавок чаще всего применяют поливинилацетат (ПВА), латексы и водорастворимые смолы. Полимерные добавки значительно улучшают свойства бетона. Полимерцементные бетоны обладают повышенной водостойкостью, коррозионной стойкостью, трещиностойкостью, износостойкостью. Используют полимерцементные бетоны при изготовлении монолитных и сборных железобетонных конструкций, при изготовлении фундаментов, свай, стеновых блоков, труб, а также полов на химических предприятиях.

Шлакощелочные бетоны. В шлакощелочные бетоны добавляют шлаковые вяжущие, затворяемые щелочными растворами – активизаторами твердения. Бетоны обладают высокой коррозионной стойкостью, водостойкостью, морозостойкостью и жаростойкостью.

Используют шлакощелочные бетоны в фундаментах, гидротехнических сооружениях, дорожных покрытиях и др. Твердеют в естественных условиях, ТВО и при отрицательных температурах.

Сульфатостойкие бетоны. По мере увеличения концентрации сульфатов в агрессивной среде в них применяют следующие вяжущие материалы: шлаковый портландцемент, пуццолановый портландцемент, глиноземистый цемент, сульфатостойкий портландцемент, шлакопортландцемент.

Бетоны обладают высокой сульфатостойкостью, а также высокой морозостойкостью при использовании сульфатостойкого и глиноземного цемента.

Используются при изготовлении гидротехнических сооружений, фундаментов при наличии минерализированных вод, а также в несущих конструкциях на химических предприятиях.

Кислотостойкие бетоны. При изготовлении кислотостойких бетонов в качестве вяжущих веществ используют жидкое стекло с добавкой кремнефтористого натрия, кислостойкие заполнители и наполнители, стеклопластиковую арматуру. Твердение кислотоупорного бетона должно происходить, в отличие от обычного бетона, в сухой теплой среде. Бетоны обладают прочным сцеплением со стальной арматурой, высокой кислотостойкостью и пониженной водостойкостью. Применяются на химических предприятиях при выполнении полов и несущих конструкций.

Радиационнозащитные бетоны. Степень защиты от радиоактивного излучения определяется толщиной ограждения и его плотности. Для защиты от радиоактивных излучений используют особо тяжелые и гидратные бетоны. К особо тяжелым относятся бетоны плотностью более 2500 кг/м куб, к гидратным – бетоны, содержащие большое количество химически связанной и полусвязанной воды.

При изготовлении радиационнозащитных бетонов используют цементные вяжущие вещества с особоплотными заполнителями: железосодержащими и баритовыми рудами с добавлением чугунного скраба и введением специальных химических добавок, а также портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент. В гидратных бетонах используют глиноземистый цемент, в качестве заполнителей применяют серпентинит и лимонит. Полученные бетоны обладают способностью поглощать радиационное излучение. Используются при изготовлении защитных сооружений ядерных реакторов и атомных электростанций.