Бетоноведение. В двух томах. Том 2. Основные разновидности бетонов


Л. И. Дворкин








        БЕТОНОВЕДЕНИЕ

Монография В двух томах

ТОМ 2
ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ БЕТОНОВ









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 691.53
ББК 38.3
     Д24

Р е ц е и з е и т ы :
доктор технических наук, профессор А. В. Ушеров-Маршак (Харьковский национальный университет строительства и архитектуры);
кандидат технических наук В. А. Дорф (АО «Оргэнергострой», г. Москва)




    Дворкии, Л. И.
Д24    Бетоноведение : монография. В двух томах. Том 2. Основ    ные разновидности бетонов / Л. И. Дворкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 608 с. : ил., табл.
       ISBN 978-5-9729-0618-5
       ISBN 978-5-9729-0619-2 (Т. 2)

      Освещены основные разделы научного бетоноведения. Рассматриваются современные представления о составе и структуре цементного бетона, технологических методах управления ими. Освещаются свойства цементного бетона, факторы, влияющие на прочностные, деформативные и другие свойства, определяющие эксплуатационную надежность и долговечность бетона. Приведены основные расчетные зависимости для прогнозирования свойств и проектирования составов бетона с заданными свойствами. Кратко освещены особенности технологии, свойства, методики проектирования составов разновидностей бетонов с учетом особенностей их исходных материалов, свойств и области применения. Анализируются пути управления структурой, составами и свойствами бетонов различного назначения.
      Для широкого круга специалистов-строителей и технологов, а также студентов строительных специальностей высших учебных заведений.
                                                   УДК 691.53
                                                   ББК 38.3



ISBN 978-5-9729-0618-5     © Дворкин Л. И., 2021
ISBN 978-5-9729-0619-2 (Т. 2) © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Опыт, накопленный различными отраслями строительства, убедительно показывает, что бетон как композиционный материал конгломератной структуры на основе вяжущего вещества и минеральных или органических заполнителей является универсальным строительным материалом. Вместе с тем конкретные особенности эксплуатации конструкций и сооружений обусловливают специфичные требования к бетону и соответственно особенности его технологии.
     Термин «бетон» в настоящее время стал собирательным, он объединяет большую совокупность композиционных конгломератных материалов - бетонов, которые можно классифицировать по различным признакам. Одним из определяющих классификационных признаков для бетонов является основное назначение, определяющее область их применения. Наряду с общестроительными или т. н. конструкционными бетонами, предназначенными для изделий и конструкций наиболее массового применения, широко применяют специальные бетоны для определенных отраслей строительства и конкретных видов бетонных работ. Номенклатура специальных бетонов является достаточно обширной и по мере развития строительства включает все новые разновидности.
     В данной книге автор попытался осветить наиболее важные особенности, касающиеся специфических свойств и составов основных видов бетона, различающих составом, структурой, способом получения и назначением.
     В книге обобщены материалы многочисленных исследований, вт. ч. и результаты научных исследований автора.
     Автор отдает себе отчет в том, что книгу можно было бы существенно дополнить и углубить и будет признателен читателям за предложения в данном направлении. Автор признателен рецензентам книги, замечания которых учтены при ее подготовке.

3

ВВЕДЕНИЕ


     В XXI век бетон вошел как основной строительный материал, в значительной мере определяющий уровень современной цивилизации. Мировой объем применения бетона превысил 2 млрд м³. Преимущества бетона - неограниченная сырьевая база и сравнительно низкая стоимость, экологичность, возможность применения в различных эксплуатационных условиях и достижения высокой архитектурно-строительной выразительности, доступность технологии и возможность обеспечения высокого уровня механизации и автоматизации технологических процессов - обусловливают привлекательность этого материала и его ведущие позиции на обозримую перспективу. Достижения бетоноведения и технологии бетона позволяют к настоящему времени проектировать бетон, изделия и конструкции с требуемыми свойствами, прогнозировать и управлять его свойствами. Бетон относится к числу наиболее универсальных материалов, позволяющих интенсивно использовать его во всех отраслях строительства.
     Номенклатура бетонов, применяемых в современном строительстве, чрезвычайно обширна и постоянно расширяется. Этому в значительной мере способствует научно-технический прогресс в технологии вяжущих материалов, заполнителей и разнообразных добавок к бетону.
     Еще в начале 50-х годов прошлого столетия были созданы быстротвердеющие цементы, главным отличием которых являлась повышенная прочность цементного камня в ранние сроки твердения. Они стали эффективно использоваться развивающейся промышленностью сборного железобетона. Для решения задачи снижения материалоемкости при производстве ответственных железобетонных конструкций, уменьшения расхода цемента были разработаны высокопрочные цементы марок 600 и выше, сверхбыстротвердеющие цементы. Для повышения трещиностойкости бетонов, предотвращения усадочных деформаций созданы расширяющиеся цементы, цементы, способные напрягать арматуру в железобетоне. Были разработаны сульфатостойкие цементы, позволяющие защитить строительные кон

4

струкции от коррозии. Развитие металлургической, химической и других отраслей промышленности потребовало создания цементов высокой огнеупорности. В последние годы российскими учеными впервые в мире разработана технология цементов низкой водопотребности. Она открывает перспективы радикального энергосбережения в производстве цементов, направленного регулирования их свойств. Введение в эти цементы 50...70 % минеральных добавок позволяет снизить удельные затраты топлива на 80.100 кг на тонну цемента с сохранением его высокой активности. Наряду с портландцементами в этом направлении особенно перспективны гипсовые вяжущие нового поколения (гипсоцементнопуццолановые, композиционные вяжущие низкой водопотребности и др.), малоклинкерные и бесклинкерные шлаковые и зольные вяжущие, вяжущие автоклавного твердения с использованием разнообразного техногенного сырья и промышленных отходов.
     Новые возможности в создании бетонов с комплексом требуемых свойств представили синтетические полимеры. В настоящее время они широко применяются как модифицирующие добавки к бетону и как самостоятельные вяжущие.
     До 80 % объема бетона могут составлять заполнители, и их качество в значительной мере определяет качество бетона. В последние годы разработаны эффективные технологии обогащения, фракционирования и модифицирования природных заполнителей, получения заполнителей высокого качества из техногенного сырья. Разработаны и внедрены в практику технологии легких и сверхлегких заполнителей на основе природного сырья, шлаков, зол и других отходов промышленности.
     Наиболее универсальным и эффективным способом модифицирования структуры и регулирования свойств бетона является введение в бетонную смесь дополнительных компонентов - добавок. В настоящее время в экономически развитых странах весь выпускаемый бетон изготавливается с применением разнообразных добавок. Номенклатура известных добавок чрезвычайно многообразна. Добавки, как правило, оказывают полифункциональное воздействие на бетонные смеси и затвердевший бетон. Одни и те же добавки могут относиться к разным

5

видам в зависимости от цели, с которой они вводятся в бетонную смесь, дозировки и т. п.
     В технологии бетона широкое распространение получили суперпластификаторы (СП), обеспечивающие необходимую подвижность бетонной смеси при минимальном водосодержании, что позволяет улучшить ряд свойств бетонов - прочность, стойкость, непроницаемость и др.
     Добавки суперпластификаторов нового поколения обеспечивают увеличение осадки конуса бетонной смеси от 3 см до 21...24 см при дозировке всего 0,17...0,22 % массы цемента. Если бетонные смеси с добавками традиционных суперпластификаторов быстро теряют подвижность и недостаточно устойчивы, то смеси с добавками поликарбоксилатов находятся в пластичном состоянии 1,5...2 ч. Высокая сохраняемость бетонных смесей с суперпластификаторами делает их особенно привлекательными для монолитного строительства и при продолжительном транспортировании.
     Для экономии цемента и придания бетону специальных свойств широко применяются активные минеральные добавки. Большое распространение как активная минеральная добавка получила зола-унос, улавливаемая при сжигании на тепловых электростанциях каменного угля.
     В начале 50-х годов прошлого столетия в Норвегии, а затем и в других странах начали применять высокоактивную минеральную добавку - микрокремнезем (МК). Уникальная удельная поверхность (до 2000 м²/кг) в сочетании с аморфизованной структурой частиц, наличием таких примесей, как карбид кремния, которые обладают высокой поверхностной энергией, обусловливают высокую структурирующую и реакционную способность этого материала по сравнению с другими активными минеральными добавками. Содержание МК в бетонах рекомендуется в количестве 20...50 кг/м³. Микрокремнезем в силу чрезвычайно высокой дисперсности и аморфной структуры частиц вызывает существенное увеличение водопотребности бетонных смесей, поэтому его применяют в сочетании с суперпластификаторами.
     На основе микрокремнезема, суперпластификаторов и некоторых других добавок НИИЖБом предложены гранулиро

6

ванные модификаторы (МБ). Они значительно упрощают получение бетона с высокими техническими свойствами, позволяют уменьшить расход СП, повысить сохранность консистенции бетонных смесей во времени и обеспечить ряд других преимуществ по сравнению с раздельным введением добавок.
     Наряду с МК в качестве эффективных модификаторов бетона при определенных условиях (высокая дисперсность, сочетание с суперпластификаторами и др.) могут служить и другие минеральные материалы - метакаолин, цеолиты и др.
     Существенно повысить удельную прочность бетонов, в особенности на растяжение при изгибе, трещиностойкость, стойкость к ударным и вибрационным воздействиям, сопротивление истиранию позволяет дисперсное армирование короткими отрезками различных волокон-фибры. Находит применение стальная, стеклянная, полипропиленовая, асбестовая и другие виды фибры. Разработаны высокопрочные фибробетоны (High Performance Fiber Reinforced Concrete - HPFRC), отличающиеся повышенным содержанием волокон. Прочность при сжатии таких композитов может превышать 200 МПа, прочность при растяжении - 30 МПа.
     Наряду с выбором исходных материалов и добавок современная технология бетона широко использует для регулирования свойств бетона возможности, которые открывает целенаправленное проектирование составов бетонных смесей. Расширяется использование эффективных способов обработки и уплотнения бетонных смесей, твердения бетона. В этом плане перспективными являются различные физические, физико-химические и химические способы активации как отдельных компонентов, так и их композиций, приводящие к интенсификации процессов стуктуро-образования, модифицированию структуры и свойств бетонов. Положительные результаты, в частности, достигнуты при активации цементов и цементных систем с применением вибрационных, акустических и электромагнитных воздействий, турбулентного перемешивания, основанного на создании высоких градиентов скоростей, интенсивной раздельной технологии.
     Развиваются исследования по электромагнитным методам активации, направленным на интенсификацию гидратации от

7

дельных клинкерных минералов, регулированию основности гидросиликатов с помощью воздействия переменным или постоянным электрическим полем определенной частоты.
      Интересные результаты получены при активации цементного теста источниками высоких энергий, аэрогидродинамиче-скими излучателями, а также при магнитомеханических, элек-трогидравлических и термоэлектрических воздействиях на растворы и бетоны.
      Перспективны исследования по активации воды затворения бетонной смеси. Эффективно затворение бетонной смеси деаэрированной водой, в том числе омагниченной, что сопровождается активизацией поверхности клинкерных минералов за счет разрушения адсорбционных пленок, интенсификацией физико-химического взаимодействия и повышением прочности бетонов в среднем на 30...40 %.
      Достижение необходимых качественных показателей бетона возможно лишь при тщательном уплотнении бетонных смесей. Основные способы механического воздействия на бетонную смесь с целью ее уплотнения и формования изделий можно разделить на 3 группы:
      - статические (прессование, укатка, вакуумирование),
      - динамические (вибрирование, трамбование),
      -       комбинированные (вибропрессование, вибровакуумирование, виброштампование и др.).
      Более 90 % всех бетонных изделий изготовляется с помощью вибрирования. В настоящее время для уплотнения подвижных смесей с предотвращением их расслаиваемости получает распространение вибрационное оборудование, обеспечивающее эффективные низкочастотные симметричные режимы с уменьшением уровня шума. Время уплотнения и показатель раствороотделения бетонных смесей при низких частотах в 1,5...2 раза меньше по сравнению с частотой 50 Гц. Для уплотнения жестких и сверхжестких смесей предложены эффективные низкочастотные ударно-вибрационные режимы с частотой 15...30 Гц.
      В современных условиях при массовом применении су-перпластифицирующих добавок все большее распространение

8

получают укладка и уплотнение литых и самоуплотняющихся бетонных смесей. Такая технология предполагает применение бетонных смесей с ОК = 18...26 см и более, укладываемых под действием сил гравитации без или с применением непродолжительного виброуплотнения.
     Применение высокоподвижных смесей с добавками суперпластификаторов позволяет сократить время уплотнения до 20...50 % времени, необходимого для уплотнения обычных бетонов. При виброуплотнении таких смесей эффективно применение виброплощадок с низкочастотными (до 25 Гц) режимами виброколебаний, снижающих расслоение бетонных смесей.
     При использовании бетононасосов применение литых смесей с суперпластификаторами снижает сопротивление перекачиванию на 25...70 %, повышает коэффициент заполнения транспортных цилиндров на 5...6 %. Это позволяет снизить потребляемую бетононасосом мощность на 8...10 % или увеличить напор по сравнению с работой на обычных бетонных смесях (ОК = 8...10 см).
     Достижение необходимой прочности и обеспечение других строительно-технических свойств бетона возможно при соответствующих температурно-влажностных условиях. В заводских условиях изготовления железобетонных изделий основным способом обеспечения необходимых показателей проектных свойств бетона в приемлемые сроки является тепловлажностная обработка при нормальном давлении - пропаривание. При этом важное значение имеет оптимизация режимов пропаривания: длительности предварительной выдержки, скорости подъема температуры и охлаждения, температуры и длительности изотермической выдержки.
     В настоящее время важнейшее значение для экономии топливно-энергетических ресурсов приобретает развитие энергосберегающих технологий: применение высокопрочных и быстротвердеющих цементов, введение химических добавок, снижение температуры и продолжительности нагрева, нагрев бетона электричеством и в среде продуктов сгорания природного газа, применение безобогревных методов и т. д.
     Возможность существенного сокращения продолжительности тепловой обработки изделий и улучшения их качества

9

доказана при совмещении интенсивных механических и тепловых воздействий на бетон (динамотермическая обработка). При этом способе тепловой обработки деструктивные явления, развиваемые при быстром разогреве бетонной смеси, в значительной мере устраняются механическим уплотняющим воздействием, отпадает необходимость в предварительной выдержке смеси. Приложение в определенный период механических воздействий способствует направленному структурообразованию бетона и улучшению его свойств.
     Наиболее существенными дефектами структуры бетона, значительно снижающими его физико-механические свойства, являются открытые поры и капилляры, образуемые при уплотнении бетона и при его твердении. В значительной мере ослабить негативное влияние пор и капилляров на свойства бетона удается при пропитке предварительно высушенных изделий и конструкций специальными составами (петролатумом, серой, битумом, синтетическими смолами). Наиболее значительный эффект достигается при пропитке бетона жидкими мономерами (метилметакрилатом или стиролом) с последующей их полимеризацией, а также различными полимерами (эпоксидными, полиэфирными смолами идр.).
     В настоящее время нет единой общепринятой классификации бетонов. Укрупненная классификация бетонов предложена в ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования». Она предлагает классифицировать бетоны по основному назначению, виду вяжущего, виду заполнителей, структуре и условиям твердения (табл. 1.1).
     Наиболее массовое применение имеют конструкционные бетоны - бетоны, применяемые в несущих и ограждающих конструкциях зданий и сооружений, определяющими требованиями к качеству которых являются требования по физикомеханическим характеристикам.
     Специальными бетонами называют бетоны, к которым предъявляют специальные требования в соответствии с их назначением. Развитие строительства приводит к расширению сферы применения бетонов и увеличению количества специальных бетонов.

10