В данной статье мы постараемся коротко и доступно изложить, что нужно знать о бетонах.

     Бетон - это "искуственный" камень, структура которого непрерывно изменяется.

     Пуццолана - рыхлая вулканическая порода, представляющая собой рыхлые глинистые материалы, обожженые при вулканических извержениях. Название происходит от местечка Пуццоли близ Неаполя. (Уже в Древнем Риме при строительстве морских сооружений было обнаружено, что если известь смешать с тонкомолотой обожженой глиной (бой кирпича и черепицы) или пуцциоланой, то она не будет разрушаться от воздействия воды и, более того, твердеть в воде). Пуццолановый портландцемент за счет заполнения пор пуццолановыми добавками и их набухания повышает водонепроницаемость бетонов.

     Цемент (или каменный клей) был изобретен русским строителем Челиевым Е. в начале XIX века при обжиге смеси глины и извести до спекания с последующим размалыванием. Одновременно цемент был изобретен англичанином Аспдином и назван "портландцементом" (по сходству в затвердевшем виде с известняками из каменоломен близ города Портланда). Цемент изготавливают из цементного клинкера, а его получают обжигом до спекания природного сырья (известняковый мергель) или искустввенной сырьевой смеси. Такие смеси должны содержать примерно 3 части известняка и 1 часть глины (или диатомит, трепел, и другие силикатные породы, близкие к глине по химическому составу). При помоле клинкера также добавляют гидравлические добавки (до 3% гипса, и до 15% диатомита, трепела, опоки). От тонкости помола цемента зависит скорость реакции и прочность бетонной смеси (1 гр цемента имеет площадь частиц 2000-3000см2, в высокопрочных цементах до 6000см2)

     Образование цементного камня происходит в следствии химической реакции при смешивании цемента с водой. После прекращения растворения продуктов реакции вокруг каждого цементного зерна образуется студнеобразная клейковидная масса - гель. Клеящая способность  геля тем выше, чем об меньше разбавлен (разжижен) водой. Гель склеивает между собой зерна цемента, а в смеси с заполнителями - и зерна песка, гравия, щебня. В дальнейшем начинает кристализация раствора (раствор схватывается), то есть гидроокись кальция - трехкальциевый гидроалюминат и другие новообразования создают структуру цементного раствора.

На картинке схематически представлен процесс преобразований (1 - начальный период гидратации цементных зерен в воде; 2 - образование гелевой оболочки на цементных зернах, скрытый период гидратации; 3 - вторичный рост гелевой оболочки после осматического разрушения, образование волнистых и столбчатых структур на поверхности зерен и в порах цементного камня, третий период гидратации; 4 - уплотнение структуры цементного камня с последующей гидратацией цемента).

     Самым важным свойством бетона является его прочность на сжатие. Измерение производят при сжатии до разрушения эталонного кубика бетона с ребром 200мм. Например, если бетонный кубик с ребром 200мм разрушится при нагрузке 400кН (40 тонн), то предел прочности при сжатии будет равен 10МПа (100кгс/см2). Данный показатель (в примере для М100) и является "марочной" прочностью бетона (например М600, М500, М400, М300, М250, М150, М100 и ниже). Прочность бетона напрямую зависит от качества цемента и прочности каменного заполнителя (щебня, гравия). На растяжение бетон работает примерно в 15 раз хуже чем на сжатие.

     Средняя плотность бетона - это отношение массы материала ко всему его объему (кг/м2, гр/см3 или %). Средняя плотность бетона всегда меньше 100%. И чем выше средняя плотность бетона, тем он прочнее. Поры в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении: в результате испарения излишней воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, при плохом перемешивании бетонной смеси, и, наконец, при недостатке цемента. Как бы плотен не был бетон, в нем всегда есть поры! (поры дополняют среднюю плотность бетона до 100%). На среднюю плотность бетона влияют заполнители (по этому признаку бетоны разделяются на три типа: тяжелый 2200-2400кг/м3, лёгкий 1600-1800кг/м3 и особо лёгкий до 1800кг/м3).

     Водостойкость - это свойство бетона противостоять воздействию воды не разрушаясь. Чтотбы определить водостойкость бетона изготавливают два образца: один в сухом виде раздавливают на прессе и измеряют его нормальную прочность. Другой вымачивают до насыщения и тоже разрушают. Отношение прочности (уменьшается при насыщении водой) насыщенной водой образца к прочности в сухом виде называется коэффициентом размягчения материала. Для бетона он больше 0,8.

     Теплопроводность характеризует способность бетона передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разницы температур на его поверхностях. Теплопроводность бетона в 50 раз ниже чем у стали.

     Морозостойкость (F) - способность бетона выдерживать многократное замораживание и оттаивание без разрушения, и почти без изменения своих свойств.

     Водонепроницаемость (W) - характеристика бетона (в кгс/см2, метрах или паскалях) показывающая при достижении каких значений гидростатического давления он теряет способность не впитывать и не пропускать через себя воду. По степени водонепроницаемости бетон подразделяют на марки W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18 и W20. Цифры 2-20 обозначают давление в кгс/см2, при котором стандартные бетонные образцы диаметром и высотой 15 см не пропускают через себя воду (Например, W4 - 4 кгс/см2, или 0,4 МПа, или около 40м водянного столба при +4 град.С). Теоретически W4 – это водонепроницаемый бетон. В реальности: Холодные швы, Деформационные швы, Трещины Контакт «стена-пол», Раковины, различные дефекты уплотнения бетона, Усадочные деформации, Коррозия бетона в процессе эксплуатации (бетон стареет, теряет прочность, крошится, в нем появляются трещины, начинает протекать вода, он разрушается и также проявляет свойства фильтрации через него грунтовых и иных вод).

     Железобетон - бетон, в который вводятся стальные стержни - арматура (в переводе с итальянского "вооружение"). Так как прочность бетона на растяжение не велика, то бетонные конструкции при изгибе разрушаются при очень малой нагрузке. Прочность же стального стержня в 100 - 200 раз выше, чем у бетона. При армировании у бетона появляется прочность на растяжение (притом коэффициенты линейных тепловых удлинений у бетона и стали примерно равны).

     Гравий - это в различной степени обкатанные обломки самых прочных горных пород (гранита, диорита, базальта, темно-серого известняка) круглой или яйцевидной формы с гладкой поверхностью. Размер фракции от 5 до 70мм. По своему происхождению различают гравий горный (отважный), речной и морской. В горном гравии обычно содержатся вредные примеси глины, пыли, песка, органических веществ, сернистых и сернокислых соединений. В речном и морском гравии примеси почти отсутствуют.

     Щебень - это материал, который получают при дроблении горных пород или искуственных камней на куски размером от 5 до 70мм. Зерна щебня имеют неправильную форму, поверхность их шероховатая. Щебень прочнее сцепляется с цементным камнем, чем гравий. Крупный заполнитель должен быть в 2-3 раза прочнее самого бетона, так как он образует скелет бетона.

     Мелкий заполнитель - различные пески. Песком называются рыхлые горные породы, которые состоят из зерен различных материалов (чаше всего кварца, а также полевошпат, доломит, известняк), размером от 0,1 до 5мм. Все пески содержат вредные для бетона примеси: уголь, пыль, глину, гипс, слюду, серный колчедан и различные органические примеси. Частицы гипса и сульфаты могут вызвать игольчатые соединения с цементом - "цементную бацилу", которая в дальнейшем превращается в белую слизь, и делает применение бетона невозможным. Песок одной крупности содержит около 45% пустот, потому нужно применять различные фракции песка для уменьшения расхода цемента.

     Что нужно знать при изготовлении и эксплуатации бетона:

     При изготовлении бетона нужно стремиться к отсутствию пустот и удалению излишков воды. Для этого применяют прессование, центрифугирование, вибрирование, вакуумирование. Благодаря вакуумированию возможно прирастить прочность бетона на 50-70%.

     После схватывания бетона требуется его увлажнение. При его увлажнении будут постоянно происходить химические процессы, которые превратят минералы цементных зерен в новые стабильные образования - гидросиликаты кальция.

     Контрольный срок твердения бетона 28-30 суток. 90-то суточная прочность бетона примерно на 20% выше чем через 28 дней.

     Высокая температура (80-90град.С) ускоряет химическую реакцию в бетоне. Если бетон пропарить (прогреть во влажной среде) в течении 12-16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65-70% бетона 28-ми суточного. 

     Избежать усадочных трещин можно увлажнением молодого бетона в течении 3-4 недель после укладки.

     При снижении температуры с +20 до +5град.С схватывание бетона замедляется в 2-5 раз. А при температуре ниже 0град.С схватывание прекращается.

     При замерзании в порах бетона вода увеличивает свой объем на 9%, создавая в нем большие напряжения приводящие к разрушению камня.

     Водоцементное отношение (В/Ц) - это отношение массы воды затворения к массе цемента (ГОСТ 30515-97. Цементы. Общие технические условия.). От его величины зависит непроницаемость бетона. Считается, что при отношении, равном 0,56-0,6, бетон имеет нормальную непроницаемость, 0,46 - повышенную непроницаемость, 0,45 - очень высокую непроницаемость.Количество воды, которое необходимо для протекания процесса образования бетона, соответствует оптимальному В/Ц отношению равному 0,25 (масса воды 25% от массы цемента, или 1/4). Лишняя вода не участвующая в процессе гидратации способствует порообразованию, следовательно, чем ниже В/Ц, тем бетон плотнее, следовательно, более водонепроницаем и меньше подвержен трещинообразованию. Слишком высокое содержание цемента в бетоне, кроме того, не только не экономично, но и невыгодно, потому что цемент при твердении усаживается. При этом повышается опасность ОБРАЗОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ ТРЕЩИН. Капилляры в бетоне вследствие высокого содержания воды и цемента ведут к уменьшению ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ затвердевшего бетона. Прибавляется также и его способность всасывать воду. Это приводит в железобетоне к ОПАСНОСТИ КОРРОЗИИ арматуры.

Однако низкое В/Ц существенно снижает пластичность бетонной смеси и как следствие этого ее удобоукладываемость. Плохая удобоукладываемость бетонной смеси приводит к образованию раковин, полостей и других дефектов, которые снижают, при том существенно, эксплуатационные характеристики бетонной конструкции, она вообще может перестать быть монолитной. Для того чтобы повысить пластичность бетонной смеси при ее изготовлении или на строительной площадке существенно увеличивают В/Ц отношение, доводя его до значений 0,5 – 0,6. Эти мероприятия приводят к перерасходу цемента, увеличивают усадку бетонной смеси при образовании цементного камня, что приводит к образованию трещин, делают бетон менее плотным, что снижает его прочность и водонепроницаемость.

 

     Наиболее важными свойствами исходных материалов, подлежащими контролю, являются активность (способность прочно связывать материалы, для определения которой изготавливают кубик-образец из цементного раствора 1:3 на специальном песке и раздавливают на прессе) и схватывание цемента, прочность щебня или гравия, влажность песка, наличие и характер примесей и загрязнений в заполнителе и песке, а так же кислотность воды и особенно содержание в ней сернокислых солей и органических кислот.

     В холодное время года бетон можно заставить твердеть, если ввести в бетонную смесь добавки - химические ускорители твердения (хлористые соли кальция и натрия, нитрит натрия, поташ, а так же хлористый аммоний). Они снижают температуру застывания воды и ускоряют гидротацию минералов, которые входят в состав цемента. Бетон с такими добавками называют холодный бетон. Однако хлористые соединения вызываю коррозию арматуры, потому применяются для неармированных бетонов.

    В жаркую погоду бетон обязательно нужно защищать от потери влаги, чтобы не прекратился процесс твердения (а некоторые цементы, например алюминатные, при температуре выше +35град.С разлагаются). Стоит обратить внимание на 4 фактора обезвожживания бетона: высокая температура, солнечная радиация, влажность воздуха, скорость ветра. При температуре окружающего воздуха +35град.С и температуре смеси +30град.С (бетон самонагревается при твердении) кол-во воды в бтонной смеси увеличивают на 5-10% от норматива, а цемента на 10% (для недопущения потери прочности при изменении отношения В/Ц), или снижают начальную температуру смеси до +10град.С, или вводят добавки ПАВ (поверхностно-активные, пластифицирующие, пластифицирующие-воздухововлекающие).

    В южных климатических зонах велико отрицательное воздействие условий климата на затвердевший бетон (повышенная последующая влажностная усадка бетона, расшатывание его структуры из-за сильного циклического перепада суточной температуры, частое замораживание до небольших отрицательных температур и оттаивание бетонных кострукций, значительная коррозия арматуры вследствии растрескивания и грунтовых вод и т.п.).

    Химически агрессивные среды.

    К этим средам относятся сульфаты кальция, магния, натрия, органические вещества и вода (морская и грунтовая).

    Органические вещества - масла, бензол, гумусовые кислоты, глицерин - так же весьма опасны для бетона. Для защиты от них нужно максимально поднимать однородность бетона. Защищать его поверхность окраской или применять цементы с малым содержанием кальция.

    Действие морской воды, содержащей соли калия, магния, натрия, на бетонные сооружения бывает физическим (кристаллизация солей на поверхности бетона) и химическим (в зависимости от наличия примесей).

    Коррозия арматуры.

    Коррозия - злейший враг металлов и металлических сплавов. Её вызывает присутствие кислорода, входящего в состав воздуха, воды и земной коры. Коррозия, частым примером которой является ржавение, вызывается также химическими и электрохимическими реакциями, в которых тоже участвует кислород.

    В железобетоне арматура покрыта тонкой эластичной пленкой цементного камня, защищающей её от доступа воздуха и воды. Толщина защитного слоя обычно 1-2 см. Но если в защитном слое образуются раковиты, то на этом участке бетон уже недостаочно защищён от атмосферного влияния, а при наличии трещин в цементной плёнке при растяжении арматуры создаются благоприятные условия для её коррозии.

    В воздухе находятся водянные пары, и если влажность воздуха высокая, то эти пары постепенно конденсируются на поверхности оголённой арматуры, вызывая её ржавение. Особенно подвержена коррозии арматура в бетоне сооружений, расположенных в крупных промышленных районах, в которых воздух бываетзагрязнен примесями окиси азота, сернистого газа и т.п. Надёжно защитить арматуру от активной коррозии могут специальные антикоррозионные покрытия (См. Антикоррозия).

 

Так же будет полезно ознакомиться со статьей "Влияние нефтепродуктов на прочность бетона".