Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Специальные бетоны


Специальные бетоны

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, BIO, В15, В20, причем для верхних слоев покрытий — классы В22,5 В25, ВЗО, 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, ВЗО, В40 и В45. Верхние пределы этих классов применяют Для мостовых конструкций из так называемого преднапряженного железобетона, а нижние пределы их — для массивных конструкций: °П0р, фундаментов, Труб И Др.

руют в пределах от 100 до 300 циклов замораживания. С целью по вышения морозостойкости в бетон вводят добавки для вовлечени-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 • Ю-6 на 1°С.

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 крупно- и 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 сооружений в зонах переменного уровня воды. Соответствующие требования устанавливаются и к качеству материалов для бетона. Так, для подводных зон целесообразно применять шлакопортланд-цемент 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 сульфато-стойкий, крупный заполнитель должен обладать повышенной морозостойкостью (из плотных горных пород). К бетонам для внутренних частей массивных гидротехнических сооружений также предъявляются свои технические требования: применение шлако-портландцементов с малой и умеренной экзотермией, других порт-ландцементов 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 рН не менее 4 и не более 12,5. В ней ограничивается содержание солей, взвешенных пылевато-глинистых примесей, а также ионов SO42- и СЬ
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 футеро-вочный материал.

Обычный тяжелый бетон способен стабильно сохранять или Даже несколько увеличивать прочность при длительном нагревании До 100°С. 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 удалением цеолитной воды. И хотя с некоторым риском можно допустить кратковременное подогревание бетонных конструкций до 200°С, 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 (алю-мофосфатное, 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°С при сохранении прочности 2,5—5,0 МПа и средней плотности 600—800 кг/м3. Разработан состав особо легкого жаростойкого бетона, в который входят быст-ротвердеющий портландцемент, тонкомолотая силикат-глыба и легкие пористые и волокнистые заполнители. Этот бетон используют при температурах до 1000°С, а его средняя плотность в высушенном состоянии 300 кг/м3, прочность при сжатии 0,2 МПа. Теплопроводность при 20°С равна 0,09 Вт/(м-К), а при 600°С — 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°С. 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 цирконий содержащих вяжущих и с применением тугоплавких заполнителей. При температурах выше 1200°С прочность бетонов повышается за счет спекания смеси, особенно в области температур до 2000°С. 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 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.

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 (Na2SiF6), затворяемых водным раствором силиката калия или натрия, т. е. жидким стеклом. Вместо кремнефтористого натрия в качестве отвердителя могут быть применены более доступные вещества, например нефелиновый шлам, некоторые разновидности шлаков и др. К кислотостойким заполнителям относятся кварцевый песок и щебень из андезита, диабаза, базальта, кварцита и т. п.

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°С 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 быстросхватывающе-еся 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 толщу такого бетона при давлении воды до 2 МПа. Возрастают также моро-зо- и 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 р-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, шлакопорт-ландцемент, 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, резки железа и т. п. Песчаные фракции обычно составляют дробле-иьп* 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 гидроге-титом (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 Н — 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 свеже-отформованных 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.

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 стекло-пластиковой 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. Водо-поглощаемость 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 — 60—140 кВ/см и при переменном токе v 0 Гц) — 20—60 кВ/см; средней разрядной напряженностью на длине 1 м — около 3,0 кВ/см; удельным электрическим сопротивление при 20°С — объемное 109—10й Ом • м; тангенсом угла диэлектриче ских потерь (50 Гц, 20°С) — 0,05—0,20; диэлектрической проницаемо стью (50 Гц, 20°С) — 6—10; механической прочностью: при сжатии -40—150 МПа, при растяжении — 3—11 МПа; средней прочность 2000—2400 кг/м3; водопоглощаемостью (по массе) менее 1%; морозо стойкостью — не менее 100. Лучшими показателями обладают бетонь на основе портландцемента с добавлением микрокремнезема.

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.



Похожие статьи:
Строительные термины и определения

Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум