Номенклатура и свойства бетона

Бетон – сложный конструкционный материал. Бетон состоит из вяжущего (цемент, полимеры) и заполнителей, мелкого (песок) и крупного (щебень, гравий). Механические и архитектурно-конструктивные свойства бетона во многом зависят от его состава и технологии. Цемент определяет силу сцепления между зернами заполнителя, а также между бетоном и арматурой в железобетоне. Поэтому важную роль играет прочность цемента, в большой мере определяющая прочность бетона и его марку. Для бетона требуется производство большого количества цемента. На изготовление 1 м3 бетона приходится в среднем 400 кг цемента (для сборного железобетона) и 380—390 кг (для монолитных конструкций). Поэтому развитию производства цемента в СССР уделяется большое внимание. В 1974 г. СССР вышел на первое место в мире по производству цемента на душу населения. К 1980 г. производство цемента должно составить около 115 млн. т. Цементная промышленность выпускает около 50 видов и марок цементов, в том числе марки 400—60%, марки 500—20%, марки 300—17%. В 1977 г. объём производства высокопрочных цементов составил 24 млн. т, декоративных — 560 тыс. т, напрягающих — 50 тыс. т. Производство высокопрочных цементов потребовалось увеличить в 2,5—5 раз, чтобы производить их в 1980 г. около 30 млн. т. Повышение прочности цементов обеспечивает уменьшение массы конструкций.

Основная характеристика цемента, определяющая его эффективность,— срок достижения марочной прочности. Поэтому особое значение приобретает выпуск быстротвердеющих цементов. НИИ цемента и НИИ железобетона Госстроя СССР разработали и внедряют сверхбыстротвердеющие цементы, позволяющие резко сократить сроки изготовления на заводах сборного железобетона. По ГОСТ 10178—76 предусмотрен выпуск чистоклинкерных, высокопрочных (марки 550 и 600), быстротвердеющих и шлакопортландце-ментов (марки до 500). Особое значение для архитектурных качеств бетона и железобетона имеет производство белого и цветных цементов. Белый цемент выпускают марок 300, 400 и 500. Для получения цветных цементов белый цемент смешивают с красителями.

Основными свойствами цемента, определяющими качество бетона и железобетона, являются объёмная масса, прочность, скорость схватывания и твердения, структура порового пространства. Большинство этих свойств поддаются проектированию.
В качестве заполнителей для бетона применяются естественные материалы — песок (мелкий заполнитель), щебень, гравий (крупный заполнитель) и искусственные — зольный гравий, пемза, шлаки (доменные, угольные, энергетические, фосфорные), керамзит, аглопорит, перлит, шунгизит и др. Песчаный бетон без крупного заполнителя используется для получения нового вида железобетона — армоцемента. Его применяют преимущественно в тонкостенных конструкциях.
Крупный заполнитель в значительной мере определяет массу изделия. Применение легких пористых заполнителей позволяет снизить массу бетона соответственно с 2200—2400 кг/м³ (тяжелый бетон) до 1600—1800 кг/м³ (легкий бетон) при сохранении необходимой прочности. Легкий бетон рекомендован для массового применения в районах, обеспеченных сырьем для него.
В зависимости от легких заполнителей получают название новые виды бетона — керамзитобетон, шлакозолобетон, перлитобетон, шунгизитобетон и др. По данным НИИЖБ, их производство к 1980 г. возрастет до 56 млн. мА Применение легких бетонов позволяет снизить массу сооружений на 30—35%, уменьшить размеры деталей, улучшить теплотехнические и акустические качества ограждающих конструкций, снизить стоимость на 3,5—4%.

Расширяется производство легких заполнителей и легких бетонов и за рубежом. Например, в США выпуск их за 1970—1975 гг. удвоился, освоен новый вид легкого бетона «термократ» с объёмной массой 1600 кг/м³, керамзитобетон (марки 350—400) применяется для строительства большепролетных покрытий (90—120 м). Из легкого бетона возводятся здания в 20—50 этажей, например конторское здание в Хьюстоне, 60-этажные башни «Марина-сити» и 16-этажные жилые дома в Чикаго. Применение легкого бетона в этих зданиях позволило значительно снизить массу и стоимость изделий. Эта экономия становится особенно ощутимой при высоте здания более 10 этажей. Ряд специалистов указывает на эффективность использования легких бетонов в сейсмостойких конструкциях.
В то же время в несущих конструкциях рекомендуется применять тяжелые бетоны с объёмной массой более 1800 кг/м³ и высокой прочностью — марки 700—900 (колонны многоэтажных зданий, перекрытия и покрытия). Возможности снижения массы тяжелых бетонов заключаются прежде всего в повышении марок цемента и заполнителей. Основные характеристики и области применения бетонов в зависимости от их объёмной массы приведены в таблице.

Наряду с обычными цементными бетонами, виды и свойства которых определяются цементом и заполнителями, в последнее время разработаны новые разновидности бетонов. Так, например, силикатный бесцементный бетон получается в результате автоклавной обработки известково-песчаной смеси при температуре 170—180° С и давлении пара 0,8—1,2 МПа. Силикатобетон, несмотря на относительно высокие капиталовложения в его производство, экономичнее других бетонов, так как для его изготовления используются дешевые и распространенные материалы.

В результате работ, проведенных в НИИ новых строительных материалов, НИИЖБе, а также в некоторых учебных институтах Москвы (МИИТ) и Воронежа, была сделана попытка улучшить свойства цементного бетона, устранив некоторые его органические недостатки. Так были созданы, например, цементный бетон с полимерным покрытием, полимерцементный и полимерный бетоны. Бетонные изделия с полимерным покрытием обладают повышенной стойкостью в агрессивной среде. Тонкая полимерная пленка (1—2 мм) является хорошим защитным покрытием, которое может иметь различную окраску и с успехом заменять тяжелую и дорогую керамическую плитку, применяемую для облицовки панелей наружных стен. Полимерцементный бетон изготовляется при помощи добавки в обычную смесь полимеров по весу до 20%, которые увеличивают сопротивление разрыву в 3—2 раза, ударной нагрузке в 10—15 раз, а износостойкость в 10—20 раз. Последнее обстоятельство особенно важно при сооружении лестниц, открытых террас, полов, которые требуют облицовки метлахской плиткой.

Полимербетон является новым материалом, основанным на замене цемента полимерными вяжущими. При дальнейшем увеличении производства полимеров такой бетон будет успешно конкурировать с цементным, поскольку он обладает более высокой прочностью при изгибе и растяжении. Пока что стоимость полимербетона в 2—10 раз выше, чем обычного. В то же время в сильно нагруженных конструкциях, а также в конструкциях, работающих в агрессивных средах (например, фундаментах), его использование целесообразно. В ряде стран применяют фибробетон.

Вид бетона может определяться не только его составляющими, но и технологией изготовления. Например, в зависимости от пластичности смеси и способов уплотнения и твердения различают: литой бетон, вибробетон, ударный бетон и др. В процессе твердения бетона, а также при работе под нагрузкой проявляются некоторые отрицательные свойства, которые архитектору следует знать и учитывать, в том числе уменьшение объёма при твердении на воздухе (усадка) и увеличение объёма при твердении в воде (набухание).

Источник: В.Е. Ясиевич. Бетон и железобетона в архитектуре. М. Стройиздат 1980 г.