Бетоны и их характеристики

Бетон – это искусственный камень, полученный путем равномерного перемешивания затворенной водой бетонной смеси, состоящей из цемента, щебня и песка подобранных в определенной пропорции до получения однородной смеси и под действием физико-механических процессов (процесс гидратации цементных частик) смесь превращается в искусственный камень (твердеет).

Таким образом, главные компоненты бетона это:

  • вяжущее (обычно цемент);
  • крупный заполнитель (щебень, гравий);
  • мелкий заполнитель (песок);
  • добавки;
  • вода.

На фото 1 приведена примерное соотношение между компонентами бетона, которое может изменяться в зависимости от назначения и требованиям к бетону.

Фото 1. Примерное соотношение между компонентами бетона

Классификация бетонов

 Бетоны классифицируются по следующим признакам, фото 2:

  1. По назначению, табл. 1:
  • бетоны специального назначения (изготавливаются для особых условий эксплуатации);
  • конструкционные бетоны (общего назначения, для производства ограждающих и несущих конструкций).
  1. По виду вяжущего, табл. 2:
  • цемент (цементные бетоны);
  • гипс (гипсовые бетоны);
  • полимеры (полимерные бетоны);
  • силикаты (силикатные бетоны);
  • полимер + цемент (полимерцементные бетоны);
  • шлакощелочные бетоны.
Фото 2. Классификация бетонов

Таблица 1Виды бетонов в зависимости от назначения

Название бетона

Главные особенности бетона

Применение

Конструкционные бетоны

Преимущества: 1. Достаточно высокие прочностные характеристики бетона. 2. Некоторые виды обладают высокой морозостойкостью. 3. Универсальность использования.

Недостатки: 1. Бетон не химически стойкий. 2. Не жаростойкий материал.

Бетоны общего назначения. Строительство всех ограждающих и несущих конструкций, фундаментов, колон, балок, пролетных строений мостов и т.д.

Гидротехнические бетоны

Преимущества:1. Повышенная плотность и прочность. 2. Повышенная водонепроницаемость. 3. Повышенная морозостойкость. 4. Высокая стойкость к постоянному или периодическому воздействию воды.

Недостатки: Высокая стоимость.

Для всех гидротехнических сооружений, облицовка каналов, шлюзов, плотин, канализационных и водопроводных сооружений.

Дорожные бетоны

Преимущества: 1. Высокая стойкость к истиранию (износоустойчивость). 2. Высокие прочностные и деформативные характеристики. 3. Высокая марка по морозостойкости.

Недостатки: Высокая стоимость.

Строительство автодорог и взлетно-посадочных площадок для самолетов.

Бетоны специального назначения

Стеклощелочные бетоны

В состав бетона вводят жидкое стекло, фосфатное вяжущее с кремнефтористым натрием. Отличается высокой прочностью.

Для изготовления конструкций эксплуатируемых в агрессивных средах.

Химически стойкие бетоны (соле-, кислото- и щелочестойкие бетоны)

В состав вводится смесь силиката натрия и 15% кремнефтористого натрия Na2SiFe6, в качестве крупного заполнителя применяют щебень из бештаунита, андезита или кварцита.

Преимущества: 1. Высокая прочность сцепления со стальной арматурой. 2. Высокая стойкость к воздействию кислот (серной, азотной, соляной).

Недостатки: 1. Не стойкий бетон к воздействия плавиковой кислоты. 2. Медленный набор прочности. 3. Бетон разрушается при длительном действии воды и слабых кислот.

Для изготовления конструкций в химической промышленности, облицовка специфической аппаратуры.

Жаростойкие

бетоны

Данный бетон способный при длительном воздействии высоких температур сохранять свои основные свойства. Могут использоваться различные вяжущие: портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, жидкое стекло. В качестве добавок или заполнителя применяют тонкомолотые хромитовые руды, шамотный бой, измельченный магнезитовый кирпич, андезит, гранулированный доменный шлак.

Преимущества: 1. Высокая стойкость к длительному воздействию высоких температур (в среднем до 1200°С, но на основании портландцемента выдерживает односторонний нагрев до 1700°С).

2. Достаточная прочность на сжатие:

— на основании портландцемента и глинозема – прочность более В20;

— на основании жидкого стекла – прочность более В12,5.

Недостатки: 1. На основании портландцемента жаростойкие бетоны не применяются в среде воздействия кислых веществ.

2. На основании жидкого стекла жаростойкие бетоны не применяются в среде воздействия воды.

В промышленности, где различные конструкции и агрегаты могут подвергаться воздействию высоких температур.

Декоративные

бетоны

Введение в бетонную смесь щелочестойких и УФ-стойких пигментов (8…10% от массы цемента). Пигментами могут выступать охра, мумия, сурик. Получить декоративные бетоны можно применяя цветные цементы.

Декорирование зданий и сооружений.

Радиационно-защитные бетоны

В состав бетона в качестве заполнителя вводят материалы с высокой плотностью: барит, магнетит, лимонит, металлический скрап и стружка.

АЭС, установки, которые излучают радиационные волны

Высокопрочный бетон (прочность 60…100 МПа)

Изготавливается на основе цементов высоких марок и заполнителей высокого качества, В/Ц = 0,30…0,35, наличие суперпластификаторов.

Преимущества: 1. Высокая прочность. 2. Высокая скорость набора прочности. 3. Высокая марка по морозостойкости.

Изготовления ответственных конструкций, которые воспринимают высокие нагрузки

Теплоизоляционные бетоны. К ним входят легкие и ячеистые бетоны (плотность в пределах 200…2000 кг/м3)

Преимущества: 1. Относительно легкий материал.

2. Низкая теплопроводность. 3.Имеют высокие теплоизоляционные свойства по сравнению с обычным бетоном.

Недостатки: 1. Относительно низкая прочность и морозостойкость.

Применяется для изготовления ограждающих конструкций и внутренних стен и простенков

Газобетон (разновидность ячеистого бетона)

В основном изготавливается на основе портландцемента. Для процесса газообразования необходимо внести портландцемент + кремнезем + газообразователь (самый распространенный – алюминиевая пудра).

Преимущества: 1. Низкая плотность. 2. Низкая теплопроводность. 3.Имеют высокие теплоизоляционные свойства по сравнению с обычным бетоном.

Недостатки: 1. Относительно низкая прочность и морозостойкость.

Пенобетон (разновидность ячеистого бетона)

В основном изготавливается на основе портландцемента или цементно-известкового вяжущего. Получают путем смешивания устойчивой пены и цемента. Для пенообразования используют алюмо-сульфонафтенил и гидролизованная боенская кровь (ГК).

Преимущества: 1. Низкая плотность. 2. Низкая теплопроводность. 3. Имеют высокие теплоизоляционные свойства по сравнению с обычным бетоном.

Недостатки: 1. Относительно низкая прочность и морозостойкость.

Таблица 2Виды бетонов в зависимости от вяжущего

Название бетона (вяжущее)

Главные особенности бетона

Применение

Гипсовый бетон (гипс)

Преимущества: 1. Экологический материал. 2. Широко распространённый материал.

Недостатки: 1. Низкая прочность. 2. Низкая атмосферостойкость (водостойкость)

Малоэтажное строительство, внутренние перегородки в зданиях.

Цементный бетон (портландцемент и его разновидности)

Преимущества: 1. Достаточно высокие прочностные характеристики бетона. 2. Некоторые виды обладают высокой морозостойкостью. 3. Универсальность использования.

Недостатки: 1. Бетон не химически стойкий. 2. Не жаростойкий материал.

Имеет самое большое распространение в промышленном и гражданском строительстве при изготовлении различных строительных элементов.

Силикатный бетон (на основе известкового вяжущего)

Преимущества: 1. Водостойкий материал. 2. Стойкий к агрессивному воздействию.

Недостатки: 1. Только тепловлажностная обработка и автоклавное твердение.

Изготовление стеновых панелей и блоков, плит перекрытия, колон.

Бетоны с шлаковым вяжущим (шлакощелочные бетоны)

Изготавливается на основании молотых шлаков и зол с активаторами твердения.

Недостатки:1. Не допускается для производства железобетонных конструкций.

Применяется для производства бетонных конструкций.

Полимербетоны

Изготавливается на основании полимерных смол, таких как эпоксидная, полиэфирная, фурановая.

Преимущества: 1. Высокая стойкость к агрессивным средам.

Для изготовления конструкций в цехах и других зданиях химической и легкой промышленности, изготовления емкостей для хранения кислот, разных веществ и жидкостей.

Полимерцементные бетоны (портландцемент М400, М500 + полимерное вещество)

Изготавливается на основании полимерных и водорастворимых добавок в виде порошков или жидкостей.

Преимущества: 1. Высокая стойкость к агрессивным средам. 2. Высокая стойкость к кавитации. 3. Стойкость к истиранию. 4. Высокие прочностные характеристики (ударопрочность, водонепроницаемость, прочность на изгиб и растяжение). 5. Высокая морозостойкость. 6. Химическая стоимость. 7. Высокая водонепроницаемость.

Недостатки: 1. Высокое значение ползучести. 2. Большая усадка.

Применяется для изготовления несущих конструкций. Изготовление теплоизоляционных, ограждающих, или декоративно-отделочных изделий.

  1. По плотности (в зависимости от плотности применяемого крупного заполнителя):
  • особо тяжелые бетоны (используют для приготовления бетона: стальные опилки или зерна, железные руды, гематит, барит, магнетит);
  • тяжелые бетоны (используют для приготовления бетона: щебень и гравий из плотных горных пород, таких как гранит, известняк, диабаз);
  • легкие бетоны (используют для приготовления бетона: шлак, пемза, туф);
  • особо легкие бетоны (используют для приготовления бетона: пенобетон, газобетон).
  1. По виду заполнителя. В зависимости от вида крупного заполнителя бетоны разделяются на:
  • бетоны с плотными заполнителями (плотные горные породы);
  • бетоны с пористыми заполнителями (пористые горные породы или искусственные строительные материалы (керамзит);
  • бетоны со специальными наполнителями, для создания бетонов со специфическими определенными свойствами (применяют чугунный скрап, шамот).
  1. В зависимости от пористости структуры бетоны разделяются на:
  • плотные (пустотность не более 6%);
  • крупнопористые бетоны (без мелкого заполнителя или применения их в очень малом количестве);
  • поризованные бетоны (поры заняты газом, вследствие введения в состав бетона газо- или пенообразующих добавок, в составе есть крупный и мелкий заполнитель);
  • ячеистые бетоны (без крупного заполнителя, высокая пористость до 80…90%, поры размером 2…3 мм, поры образуются вследствие введения газо- или пенообразующих добавок).
  1. В зависимости от прочности на сжатие бетоны разделяются на марки и классы.

Каждые разновидности бетонов имеет свои подвиды, так это мы можем проследить на примере легких бетонов, фото 3.

Фото 3. Классификация легких бетонов

Основным показателем качества бетона является марка или класс бетона.

Марка бетона – это средняя предельная прочность на сжатие бетонных образцов кубической формы 150×150×150 мм в возрасте 28 суток с момента затворения бетонной смеси водой, выраженная в кгс/см2, табл. 3.

Класс бетона – это прочность бетонных образцов кубической формы 150×150×150 мм в возрасте 28 суток с момента затворения бетонной смеси водой с гарантированной вероятностью 95%, выраженной в МПа.

Марка бетона может находиться в пределах М50…М1000, а класс бетона – В3,5…В80.

В разных странах класс бетона по прочности на сжатие обозначается по разному, может быть большая буква «С» или «В». В табл. 3 и табл. 4 приведены возможные классы и марки бетона, взаимосвязь между ними. В табл. 5 и табл. 6 приведены возможные марки портландцемента и рекомендуемые марки цемента для изготовления нужной прочности бетона.

Таблица 3Возможные марки и классы бетона по прочности, взаимосвязь между ними

М50

М100

М150

М200

М250

М300

В3,5

В5

В7,5

В10

В12,5

В15

В20

М400

М450

М500

М600

М700

М800

В25

В35

В40

В45

В50

В55

В60

Таблица 4Возможные марки и классы тяжелого бетона по прочности на сжатие

Класс прочности бетона

на сжатие

Прочность,

определенная на образцах-цилиндрах, МПа

Прочность,

определенная на

образцах-кубах, МПа

С8/10

8

10

С 12/15

12

15

С 16/20

16

20

С 20/25

20

25

С 25/30

25

30

С 30/35

30

35

С 32/40

32

40

С 35/45

35

45

С 40/50

40

50

С 45/55

45

55

С 50/60

50

60

С 55/67

55

67

С 60/75

60

75

С 70/85

70

85

С 80/95

80

95

С 90/1 05

90

105

С 100/115

100

115

 Таблица 5 – Марки портландцемента

Марка

портландцемента

Прочность на:

изгиб, МПа

сжатие, МПа

400

5,5

40

500

6,0

50

550

6,2

55

600

6,5

60

 Таблица 6 – Рекомендуемые марки цемента

Прочность бетона, кгс/см2

100

150

200

300

400

500

600

Марка цемента

300

300

400

400

500

550-600

600

 Виды наполнителей для бетонов

 В состав бетона вводят крупный и мелкий заполнитель.

Крупный и мелкий заполнитель вводят в состав бетона из следующих соображений:

  • экономия вяжущего вещества;
  • создание прочного структурного каркаса (скелета), снижающего величину усадочных процессов во время схватывания и твердения и ползучести во время эксплуатации бетонной конструкции.
  • увеличение прочностных характеристик бетона.

Все заполнители, которые используются для приготовления бетона разделяются на:

  • природные (дробленные и просеянные высокой прочности горные породы);
  • искусственные (производятся специально на заводах, например, это керамзит, термолит);
  • отходы промышленной отрасли (шлаки).

Мелкий заполнитель предназначенный для заполнения пустот между зернами крупного заполнителя. К мелкому заполнителю бетона относят:

  • кварцевый песок;
  • известняковый песок;
  • доломитовые песок.

В зависимости от месторождения песок бывает:

  • морской;
  • речной;
  • овражный (горный).

В зависимости от размера частиц песка для приготовления бетонной смеси используют следующие группы песка, табл. 7.

Таблица 7 — Определение группы песка за крупностью в зависимости от модуля крупности и полному остатку на сите № 063

Группа песка

Полный остаток на сите № 063, по массе

Модуль крупности Мк

Повышенной крупности

65…75

3…3,5

Большой

45…65

2,5…3

Средний 

30…45

2…2,5

Мелкий

10…30

1,5…2

Очень мелкий

менее 10

1…1,5

Для бетона рекомендуется применять песок с модулем крупности Мк=2…3 (пески большие и средние).

В зависимости от происхождения пески бывают:

  • природные;
  • искусственные (путем дробления горных пород).

Требования к песку:

  • не допускается наличие частиц крупнее 1 мм;
  • не допускаются наличие частиц размером менее 0,14 мм в количестве более 10% (по массе);
  • наличие частиц крупнее 0,16 мм – не более 10%;
  • не допускается содержание пылеватых, илистых, глинистых и органических примесей более 3% в природном песке и более 5% – в искусственных песках.

Самим распространенным крупным заполнителем бетона является, табл. 8, фото 4:

  • щебень, фракции 5…10 мм, 10…20 мм, 20…40 мм и 40…70 мм (максимальный производимый размер зерен щебня составляет 120 мм);
  • гравий, фракция 5…70 мм;
  • известняк.

Требования к крупному заполнителю:

  1. качество заполнителя, т.е. отсутствие пылеватых, глинистых и органических частиц;
  2. наличие пылевидных и глинистых частиц в щебне из изверженных и метаморфических пород не более 1% по массе;
  3. наличие пылевидных и глинистых частиц в гравии и в щебне из гравия не более 2…3% по массе;
  4. наличие глинистых частиц не более 0,25% по массе;
  5. прочность заполнителя должна быть больше в 2 раза прочности цементного камня;
  6. оптимальная форма крупного заполнителя это малоокатанная (шереховатая) кубическая или тетраэдральную форма зерен щебня;
  7. для строительства применяют заполнитель, с классом по морозостойкости не ниже F300;
  8. предельно допустимый размер зерен заполнителя (щебня, гравия) не должен превышать ¼ минимального размера сечения конструкции или превышать шаг расположения арматуры;
  9. марка по прочности щебня, полученного из природного камня должна быть не ниже:
  • М300 – для бетона класса С15 и ниже;
  • М400 – для бетона класса С20 и ниже;
  • М600 – для бетона класса С22,5 и ниже;
  • М800 – для бетона классов С25; С27,5; С30 и ниже;
  • М1000 – для бетона класса С40 и ниже;
  • М1200 – для бетона класса С45 и выше.

Таблица 8 — Основные виды крупного заполнителя для бетона

Название

крупного

заполнителя

Особенности

Назначение

Щебень (гранит)

1. Прочность до М1400.

2. Низкое водопоглощение материала.

3. Высокая марка по морозостойкости.

4. Высокая степень сцепления с цементным камнем.

Для изготовления тяжелых бетонов высокой прочности. Строительство автодорог и других ответственных сооружений.

Гравий

1. Прочность М800…М1000.

2. Низкий радиационный фон (относительно гранита).

Для изготовления бетона марок М100…М400.

Известняк

1. Прочность М500…М600 (М800).

2. Низкая морозостойкость.

Для изготовления бетона марок М100…М350.


Фото 4. Заполнители бетона: а) разные виды песка (по крупности); б) щебень разлиных фракций; в) гравий; г) вулканический шлак; д) керамзит; е) отвальный шлак; ж) полистирольная крошка

Не рекомендуется применять следующие крупные заполнители, так как в противном случае резко снизиться прочность бетона и его долговечность:

  • присутствие окатанной формы щебня более 15% по массе;
  • присутствие пластинчатой формы щебня более 25% по массе;
  • присутствие иглообразной формы зерен щебня более 35% по массе.

Следует помнить, что лучшим выбором для приготовления тяжелого бетона в качестве крупного заполнителя является гранитный щебень, так как он имеет лучшее сцепление с цементным камнем и высокую прочность, морозостойкость.

Как выше уже отмечалось, бывают и множество других видов крупных заполнителей, которые применяются для предания особых свойств бетону, фото 5:

  • пемза – природный заполнитель, состоит из вулканического стекла с пористой структурой. Применяется для теплоизоляционных и легких бетонов;
  • вулканический шлак и туф – природный заполнитель с пористой структурой;
  • керамзит и шунгизит, вспученный трепел – искусственный заполнитель, применяется для теплоизоляционных и легких бетонов.
  • гранулированный шлак – производится путем быстрого охлаждения расплавов шлаков.

Для предания теплоизоляционных свойств бетону применяют полистирольную крошку и древесные опилки. Данные заполнители позволяют снизить вес, повысить теплоизоляционные свойства. Применяется для возведения стен и устройства полов.

Фото 5. Схема заполнителей для легких бетонов

Вода для бетона

 Для приготовления бетона допускается применять следующую воду:

  1. Питьевая вода;
  2. Техническая вода, которая не содержит вредных веществ для твердения и эксплуатации бетона, а именно:
  • кислоты;
  • сульфаты (в перерасчете на ионы SO4 более 2700 мг/л);
  • жиры и растительные масла;
  • сахар;
  • различные соли (более 5000 мг/л).
  1. Морская вода с содержанием минеральных солей не более 2%.

Не допускается применять следующие разновидности воды:

  • болотные воды;
  • сточные воды;
  • вода с водородным показателем ниже рН4.

В табл. 9 приведены ориентировочные значения расхода воды на 1 м3 бетонной смеси в зависимости от заполнителя и подвижности бетонной смеси.

Таблица 9 — Ориентировочные значения расхода воды на 1 м3 бетонной смеси в зависимости от заполнителя

 

Показатель

 

Жесткость, с

 

Осадка

конуса, см

Затрата воды, (л/м3) при крупности,

гравия

щебня

10

20

40

70

10

20

40

70

V0

≥31

150

135

125

120

160

150

135

130

V1

30…21

160

145

130

125

170

160

145

140

V2

20…11

165

150

135

130

175

165

150

155

V3

10…6

175

160

145

140

185

175

160

155

S1(V4)

5…3

<4

190

175

160

155

200

190

175

170

S2

5…9

200

185

170

165

210

200

185

180

S3

10…15

215

205

190

180

225

215

200

190

S4

16…21

225

220

205

195

235

230

215

205

                         

Виды добавок в бетон

Для изготовления бетона применяют следующего рода добавки:

  • неорганические добавки;
  • органические добавки.

Добавки позволяю регулировать процессы твердения бетона, изменять его свойства (подробнее о добавках в бетон здесь).

Все добавки, вводимые в бетон, разделяются на определенные группы, которые приведены в табл. 10.

Таблица 10 — Добавки для бетона

Название группы добавок

Свойства

1. Добавки, регулирующие реологические свойства бетонных смесей.

— увеличивают пластичность бетонной смеси;

— увеличивают подвижность бетонных смесей;

— предупреждающие расслоение бетонной смеси;

-увеличиваю водоудерживающую способность бетонной смеси.

2. Добавки, регулирующие сроки схватывания и твердение бетонных смесей.

— замедляют схватывание;

— ускорители схватывания (более чем на 25% при температуре +20 ± 2°С, повышают прочность бетона более 20% в возрасте 1 суток нормального твердения). Например, хлорид кальция, сульфат натрия, нитрит-нитрат-хлорид кальция;

— замедлители схватывания (более чем в 2 раза при температуре +20 ± 2°С, снижают прочность бетона на 30% и более в возрасте 7 суток). Например, сахарная патока, СДБ, ГКЖ-10, ГКЖ-94;

— противоморозные добавки. Например, поташ, хлорид натрия, хлорид кальция.

3. Добавки, увеличивающие пористость бетона.

— воздухововлекающие добавки;

— газообразующие добавки;

— пенообразующие добавки.

4. Добавки, уменьшающие пористость бетона.

— добавки-уплотнители (воздухоудаляющие);

— добавки-уплотнители (кольматирующие поры бетона)

5. Добавки, придающие особые свойства бетону.

— гидро-фобизующие добавки (уменьшают смачивание бетона, снижают водопоглощение бетона в 2…5 раз);

— повышающие противорадиационную стойкость бетона;

— повышающие жаростойкость;

— повышающие стойкость в агрессивных средах;

— добавки, повышающие бактерицидные свойства бетона.

5. Добавки многофункциональные (улучшающие сразу несколько параметров бетона).

— одновременно пластифицируют и вовлекают воздух в бетонную смесь;

— пластифицируют бетонную смесь и повышают прочность бетона;

— пластифицируют бетонную смесь и вызывают процесс газообразования.

При добавлении суперпластификаторов в состав бетонной смеси увеличивается ее подвижность и снижают водопотребность на 20…25%. К таким суперпластификаторам можно отнести С-3, 10-03, 40-03 и др. Обычно добавки вводятся в бетон в небольшом количестве, которое составляет всего лишь 0,2…3% от массы цемента.

Бетон маркируется по следующим параметрам:

  1. Марка бетона – «М». Например, М200, М400. Показывает предел прочности бетона на сжатие (кг/см2).
  2. Класс бетона – «В» или «С». Например, В40 или С35. Показывает прочность бетона на сжатие (МПа).
  3. Подвижность бетонной смеси – «П» — определяется по осадке конуса. Например, П3, П4.
  4. Класс бетона по водонепроницаемости – «W». Например, W8, W6. Показывает значение давления, при котором вода не проникает сквозь бетон (при этом давлении бетон не пропускает воду).
  5. Класс бетона по морозостойкости – «F». Например, F400, F500. Цифры показывают количество циклов заморозки и оттаивания бетонных образцов, при которых не снижаются прочностные характеристики бетона.

 Автор публикации – эксперт GIDproekt

Конев Александр Анатольевич


Если у вас нет времени почитать наши публикации прямо сейчас, подпишитесь на обновления, и мы будем высылать извещения о новых заметках вам на почту