Бетон является одним из самых распространенных и важнейших строительных материалов. Он представляет собой смесь вяжущего материала (цемента) с мелким заполнителем (песком), крупным заполнителем (гравием, щебнем, рваным камнем и т. п.) и водой. Заполнитель при затвердении бетона образует своеобразный каркас, не позволяющий бетону оседать. При строительстве предпочтение отдается природным заполнителям, таким, как щебень, гравий, рваный камень и т. п. К ним предъявляются следующие требования: они должны быть твердыми, долговечными и не должны содержать большого количества глины, суглинка, ила, слюды, сланца, щелочей и органических веществ. Однако не исключено и использование искусственного заполнителя, в качестве которого выступает, например, шлак доменных печей.
Заполнители классифицируются и по крупности зерен. Так, предпочтение отдается крупному песку перед мелким. Но есть и более удачный вариант: использование смешенного песка, где размер зерен варьируется от крупных до умеренно мелких. При этом определяющим критерием остается вид тот вид работ, где будет бетон использоваться. Если это тонкие стены, то необходимо использовать заполнитель с небольшим размером зерен (то же самое при использовании цемента вблизи арматурных стержней), а вот в массивном бетоне допустимо использование заполнителя с зернами до 15 - 20 мм.
Вода делает смесь пластичной и удобной в применении, а так же она вступает в связь с портландцементом, который придает бетону большую прочность. Для изготовления бетона используется несоленая (чтобы не возникла угроза коррозии стали в железобетоне) и обязательно чистая. К тому же именно вода, а точнее её количество, определяет прочность и многие другие качества бетона. Так, на мешок цемента, масса которого составляет 43 кг, идет от 15 до 23 л воды (точное количество будет зависеть от влажности используемого песка, от требуемой прочности и стойкости). Причем чем меньше воды будет использовано, тем более прочным будет бетон.
Для возведения особо ответственных конструкций используют так называемый торкрет-бетон. Благодаря своей повышенной плотности и водонепроницаемости он становится необходимым элементом при ремонте и усилении любых конструкций, возведении тонкостенных железобетонных конструкций, устройстве покрытий и водонепроницаемых обделок. Производство торкрет-бетона происходит следующим образом: с помощью так называемой цемент-пушки раствор и бетонную смесь разбрызгивают под давлением сжатого воздуха на поверхность конструкций в виде торкрет-бетона (дальность подачи раствора по горизонтали достигает 70 м). Загрузка сухой смеси песка и цемента в цемент-пушку происходит непрерывно, что позволяет максимально оптимизировать весь процесс.
Благодаря своему тестообразному состоянию (до затвердевания) бетон может быть использован в конструкциях разного типа, для этого должна быть использована специальная форма (опалубка), которую не удаляют до полного схватывания бетонной смеси. Если же в конструкции предусмотрены растягивающие или изгибающие напряжения, то бетон армируют сталью.
Бетон является огнестойким материалом и обладает низкой теплопроводностью. По коэффициенту теплового расширения он схож со сталью. Это гарантирует его надежность и безопасность.
Виды бетона
Существуют следующие виды бетона: неармированный бетон, железобетон, бетон с волокнистым заполнителем (фибробетон) и предварительно напряженный бетон. Он может быть изготовлен с одним из пяти типов цемента: тип I - цемент общего назначения (обычный портландцемент); тип II - модифицированный портландцемент, умеренно сульфатостойкий для сооружений в грунте; тип III - быстротвердеющий; тип IV - с низкой экзотермией; тип V - сульфатостойкий для неблагоприятных грунтовых условий.
Заполнители: щебень, гравий и другие
Обычно при строительстве предпочитают природные заполнители, такие, как щебень, гравий, рваный камень, но используются и искусственные заполнители, например шлак доменных печей. Природные заполнители бетона должны быть долговечными, твердыми и без излишнего количества глины, суглинка, ила, слюды, сланца, черта (кремнистого сланца), щелочей и органических веществ. Заполнитель должен тщательно выбираться. Крупный песок лучше мелкого, а песок с разными зернами от крупных до умеренно мелких более предпочтителен, нежели однородно крупный или однородно мелкий. Заполнители разделяют по крупности зерен. Максимально допустимый размер зерна зависит от рода работ. В тонких стенах, а также вблизи арматурных стержней размер зерна должен быть небольшим, но в массивном бетоне допустимы зерна размером до 15-20 см.
Вода
Вода для бетонной смеси должна быть чистой и несоленой. Морская вода вызывает коррозию стали и поэтому не должна применяться для изготовления железобетона. Вода служит смазкой между зернами заполнителя, делая смесь пластичной и удобоукладываемой, а также реагирует с портландцементом.
Состав бетонной смеси
Прочность и другие желательные свойства бетона определяются количеством воды в бетонной смеси. Чаще всего на мешок цемента массой 43 кг добавляется 15-23 л воды в зависимости от влажности используемого песка и от требуемой прочности и стойкости бетона, причем меньшее количество воды дает более прочный бетон.
Огнестойкость
Бетон - это материал с высокой огнестойкостью и низкой теплопроводностью. Он особенно подходит для защиты стальных конструкций, поскольку его коэффициент теплового расширения (около 0,00001 на 1° C для обычных смесей) почти такой же, как и у стали.
Испытания бетона
Испытания на сжатие проводятся с цилиндрическими образцами диаметром 15 см и высотой 30 см. Равномерно нагружаемый цилиндр при разрушении обычно образует двойной конус с общей вершиной в средней точке цилиндра. Прочность на сжатие имеет важное значение при проектировании массивных сооружений. При проектировании дорожных и защитных покрытий важна прочность на изгиб, которая определяется путем нагружения модельных балок.
Торкрет-бетон
При помощи т.н. цемент-пушки раствор и бетонная смесь разбрызгиваются под давлением сжатого воздуха на поверхность конструкций и сооружений в виде торкрет-бетона. Цемент-пушка непрерывно загружается сухой смесью песка и цемента; дальность подачи раствора по горизонтали достигает 70 м. Торкрет-бетон отличается высокой плотностью и водонепроницаемостью; он применяется при возведении ответственных тонкостенных железобетонных конструкций, ремонте и усилении конструкций, устройстве покрытий и водонепроницаемых обделок (например, тоннелей).
Декоративный бетон
Для декоративной отделки в бетон вводят окрашивающий заполнитель - молотый мрамор или молотое стекло.
Терраццо - это декоративный бетон из цветных цементов и дробленого мрамора, формуемый на месте в стенах и особенно в полу. Из декоративного бетона можно изготавливать облицовочные детали любой формы и любых размеров, чем они выгодно отличаются от изделий из керамики и естественного камня.
Бетон с воздухововлекающими добавками. Вовлечение воздуха повышает долговечность бетона, в частности его стойкость к замерзанию-оттаиванию и крошению. Это особенно важно для дорожных покрытий и панельных конструкций, подвергающихся воздействию неблагоприятных погодных условий. Промышленность выпускает много различных воздухововлекающих добавок, а также воздухововлекающий цемент.
Тяжелый бетон.
Тяжелый бетон применяется в качестве биологической защиты от гамма-излучения ядерных реакторов. Из такого бетона выполняются, например, стены, окружающие активную зону реактора. Для тяжелого бетона используются заполнители с высокой относительной плотностью (вплоть до стальных отходов штамповки с магнетитом) и цемент, не вовлекающий воздуха, причем обязательно производится виброуплотнение бетонной смеси после укладки.
Специальные бетоны.
Поскольку прочность на растяжение обычного бетона значительно меньше, чем на сжатие, разработан фибробетон - бетон с волокнистым заполнителем. При его изготовлении в бетоносмеситель вводится стальное, углеродное, стеклянное, асбестовое, полипропиленовое или бамбуковое волокно. Волокно повышает прочность бетона на растяжение и на изгиб, а также ударную прочность. К специальным бетонам относятся также бетоны, пропитываемые полимером после удаления влаги (с последующим отверждением), получаемые добавлением мономера или полимера в бетоносмеситель, и бетоны с полной заменой цемента полимером. Они применяются для ямочного ремонта и нанесения покрытий.
Предварительно напряженный железобетон.
В предварительно напряженном железобетоне растягивающие напряжения от нагрузки устраняются путем предварительного создания напряжений сжатия. При изготовлении железобетона прокладывается арматура из стали с высокой прочностью на растяжение, затем сталь натягивается механическим устройством и заливается бетонной смесью. После схватывания сила предварительного натяжения освобожденной стальной проволоки или троса передается окружающему бетону, так что он оказывается сжатым. Предварительное напряжение железобетона может производиться не только до, но и после схватывания бетонной смеси.
