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, B15, 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: опор, фундаментов, труб и др. По морозостойкости бетоны маркируют в пределах от 100 до 300 циклов замораживания. С целью по­вышения морозостойкости в бетон вводят добавки для вовлечения 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∙10^-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 С₃А (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 и 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 сульфатостойкий, 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 портландцементов 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 SO₄^2- и Сl^-.

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 футеровочный 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 (алюмофосфатное, 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 цир-конийсодержащих 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 (рис. 9.17).

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 быстросхватывающееся 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, γ-, α-, и β-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, γ-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, обрезки железа и т. п. Песчаные фракции обычно составляют дробле­ный 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 гидрогетитом (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 (ρ₀) бетона, определять фактическое содержание химически связанной воды, что производится расчетом по формуле Нρ₀, 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 свеже­отформованных 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[42]. 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. Водопоглощаемость 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 1 см: импульсной (1∙10^-6 с) — 60—140 кВ/см и при переменном токе (50 Гц) — 20—60 кВ/см; средней разрядной напряженностью на длине 1 м — около 3,0 кВ/см; удельным электрическим сопротивлением при 20°С — объемное 10⁹—10¹¹ Ом∙м; тангенсом угла диэлектриче­ских потерь (50 Гц, 20°С) — 0,05—0,20; диэлектрической проницаемо­стью (50 Гц, 20°С) — 6—10; механической прочностью: при сжатии -40—150 МПа, при растяжении — 3—11 МПа; средней прочностью 2000—2400 кг/м³; водопоглощаемостью (по массе) менее 1%; морозо­стойкостью — не менее 100. Лучшими показателями обладают бетоны на основе портландцемента с добавлением микрокремнезема[43].

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.