Бетон

Бето́н (от фр. béton) — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотнённой бетонной смеси из минерального (например, цемент) или органического вяжущего вещества, заполнителей (крупного и/или мелкого), воды. В ряде случаев может иметь в составе специальные добавки, а также не содержать воды (например, асфальтобетон).

В строительстве наиболее широко используют бетоны, изготовленные на цементах или других неорганических вяжущих. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителя в монолит.

На органических вяжущих веществах (битум, минеральные смолы, синтетические связующие) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов. В данном материале асфальтобетон и пластбетоны не рассматриваются.

Для традиционных бетонов на цементных вяжущих следует различать понятия "бетонная смесь" и "бетон".

История

Наиболее ранний бетон, обнаруженный археологами при раскопках в поселке Лепенски Вир (Сербия), можно отнести к 5600 году до н. э. В одной из хижин древнего поселения из бетона, замешанного на гравии и местной извести, был изготовлен пол толщиной 25 см.

Широко бетон использовался в Древнем Риме. Италия — вулканическая страна, в которой легко доступны компоненты, из которых может быть приготовлен бетон, включая пуццоланы и лавовый щебень. Римляне использовали бетон в массовом строительстве общественных зданий и сооружений, включая Пантеон, купол которого до сих пор является наиболее крупным в мире выполненным из неармированного бетона. При этом в восточной части государства эта технология не получила распространения, там в строительстве традиционно использовался камень, а затем и дешёвая плинфа — род кирпича.

Вследствие упадка Западной Римской империи широкомасштабное строительство монументальных зданий и сооружений сошло на нет, что сделало использование бетона нецелесообразным и в сочетании с общей деградацией ремесла и науки привело к утрате технологии его производства. В период раннего Средневековья единственными крупными архитектурными объектами были соборы, которые возводились из природного камня.

Патент на «римский цемент» получил в 1796 году Джеймс Паркер. В первой половине 19 века многими исследователями и промышленниками был разработан портландцемент современного типа. Патент на портландцемент получил в 1824 году Джозеф Аспдин, в 1844 году И. Джонсон улучшил портландцемент Аспдина. В 1817 году Вика изобрёл цементный клинкер, в 1840 — портландцемент. Параллельно росту производства портландцемента происходило расширение использования цементных растворов и бетонов в строительстве.

Мировыми лидерами в производстве бетона являются Китай (430 млн м³ в 2006 г.) и США (345 млн м³ в 2005 г. и 270 млн м³ в 2008 г.). В России в 2008 г. было произведено 52 млн м³ бетона.

Классификация и виды бетона

Согласно ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования» классификация бетонов (за исключением бетонов на битумных вяжущих - асфальтобетонов) производится по следующим признакам (жирным шрифтом выделены виды бетона принятые в редакции ГОСТ 25192-82):

- основное назначение;

- стойкость к видам коррозии;

- вид вяжущего;

- вид заполнителей;

- структура;

- условия твердения;

- прочность;

- темп набора прочности;

- средняя плотность;

- морозостойкость;

- водонепроницаемость;

- истираемость.

1. По основному назначению различают:

• конструкционные;
• конструкционно-теплоизоляционные;
• теплоизоляционные;
• специальные (например, радиационностойкие, радиационно-защитные, химически стойкие, жаростойкие, гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, звукопоглощающие, теплоизоляционные и др.).

2. По стойкости к видам коррозии бетоны подразделяют на следующие виды:

А - бетоны, эксплуатируемые в среде без риска коррозионного воздействия (ХО);

Б - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием карбонизации (ХС);

В - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием хлоридов (XD и XS);

Г - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей коррозию под действием попеременного замораживания и оттаивания (XF);

Д - бетоны, эксплуатируемые в среде, вызывающей химическую и биологическую коррозию (XA);

Е - бетоны, эксплуатируемые в среде с различной влажностью (W0, WF, WA, WS).

3. По виду минерального вяжущего вещества различают

• цементные;
• известесодержащие (известковые), в том числе силикатные;
• гипсовые;
• щелочной активации (шлакощелочные и др.), в том числе геополимерные;
• специальные (полимербетоны, бетоны на магнезиальном вяжущем, бетоны на серном вяжущем).

4. По виду заполнителей различают бетоны на плотных, пористых или специальных заполнителях (например, металлическая дробь, вспененный гранулированный полистирол).

5. По структуре различают бетоны плотной, поризованной, ячеистой (ячеистый бетон) или крупнопористой структуры.

6. По условиям твердения бетоны подразделяют на твердеющие:

• в нормальных условиях;
• в естественных условиях
• в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении;
• в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (бетоны автоклавного твердения).

Разница между нормальными и естественными условиями не раскрывается в ГОСТ 25192-2013, однако по СН 386-74

 2.14 ... твердение сборных бетонных и железобетонных изделий в нормальных температурно-влажностных условиях (в специально оборудованных камерах или в естественных условиях) происходит при температуре плюс 15-25°С...

по СНиП 5.01.23-83:

 2.19 ... твердение сборных бетонных и железобетонных изделий в нормальных температурно-влажностных условиях происходит при температуре 18-22°С...
 
 4.15 ... твердение бетона монолитных конструкций происходит в нормальных температурно-влажностных условиях (естественное твердение при температуре 16-22°С с предотвращением влагопотерь)...

по ГОСТ 24544-2020:

 4.2.6 После распалубки все образцы одной серии (включая образцы-кубы) должны храниться вплоть до начала испытаний в одинаковых, как правило, нормальных температурно-влажностных условиях, исключающих возможность испарения влаги из бетона, согласно ГОСТ 10180.

7. По технологии формования бетоны подразделяют на бетоны, изготовленные:

• виброуплотнением из подвижных и растекающихся бетонных смесей;
• из самоуплотняющихся бетонных смесей;
• вибропрессованием;
• центрифугированием;
• торкретированием;
• экструзией;
• прокаткой (вибропрокаткой);
• трамбованием (вибронабивкой);
• раздельным бетонированием.

8. По прочности бетоны подразделяют на бетоны:

• малой прочности (класс прочности при сжатии В < В10);
• средней прочности (класс прочности при сжатии В10 ≤ В < В60);
• высокопрочные (класс прочности при сжатии В60 ≤ В ≤ В120);
• сверхвысокопрочные (класс прочности на сжатие В > В120).

Легкие бетоны относят к высокопрочным бетонам при следующем условии:

R/ρ>25,

где R - прочность бетона на сжатие, Н/мм²;

ρ - плотность бетона в сухом состоянии, кг/дм³.

9. По скорости набора прочности в нормальных условиях твердения бетоны подразделяют на:

• быстротвердеющие;

• медленнотвердеющие.

За критерий оценки скорости набора прочности принимают отношение R₂/R₂₈, приведенное в таблице:

Вид бетона	R2/R28 *
Быстротвердеющий	Более 0,4
Медленнотвердеющий	≤ 0,4
* R2 - прочность бетона в возрасте 2 суток; R28 - прочность бетона в возрасте 28 суток

10. По средней плотности бетоны подразделяют на бетоны:

• малой плотности (от D150 ≤ D < D250) (эта категория появилась в редакции ГОСТ 25192-2015, ранее не было);

• пониженной плотности (от D250 ≤ D < D800) (в редакции ГОСТ 25192-2012 - особо легкие) — полистиролбетон

• легкие (марки по средней плотности от D800 до D2000) - керамзитобетон, пенобетон, газобетон, пемзобетон, арболит, вермикулитовый, перлитовый;

• тяжелые (марки по средней плотности более D2000 до D2600) (в предыдущей редакции ГОСТ 25192-2012 - до D2500);

• особо тяжелые (марки по средней плотности более D2600) (в предыдущей редакции ГОСТ 25192-2012 - более D2500) — баритовый, магнетитовый, лимонитовый;

11. По морозостойкости бетоны подразделяют на бетоны:

• низкой морозостойкости (марки по морозостойкости F₁50 и менее);

• средней морозостойкости (марки по морозостойкости более F₁50 до F₁300);

• высокой морозостойкости (марки по морозостойкости более F₁300).

12 По водонепроницаемости бетоны подразделяют на бетоны:

• низкой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости менее W4);

• средней водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости от W4 до W10);

• высокой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости от W10 до W14);

• особо высокой водонепроницаемости (марки по водонепроницаемости от W16 до W20).

13 По истираемости бетоны подразделяют на бетоны:

• низкой истираемости (марка по истираемости G1);

• средней истираемости (марка по истираемости G2);

• высокой истираемости (марка по истираемости G3).

Производство бетона

См. также Бетоносмеситель, Бетоносмесительный завод, Гравитационный бетоносмеситель

В процессе изготовления и твердения бетона можно выделить два периода, когда материал характеризуется различными свойствами и состоянием:

- до схватывания цемента и превращения бетона в твердое тело — бетонная смесь;

- период твердения и эксплуатации материала, обладающего всеми признаками твердого тела — бетон.

Бетон производится путем смешивания заполнителей и вяжущего вещества. Так, цементный бетон (цементобетон) производится смешиванием цемента, песка и щебня и воды, а также небольших количеств добавок (пластификаторы, гидрофобизаторы, и т. д.). Цемент является вяжущим веществом, в смеси с водой образует цементное тесто, обеспечивающее связывание крупного и мелкого заполнителя в единую массу - бетонную смесь.

Для бетонов, изготавливаемых на распространенных стандартных материалах известного качества допустимо использовать базовые рецептуры приведенные в соответствующих справочниках . Состав бетона возможно подобрать (рассчитать) по ряду методик, обеспечивающих получение как бетонной смеси так и бетона заданного качества .

Компоненты бетона

Цемент

Наибольшее применение в технологии бетона получил портландцемент - гидравлическое вяжущее вещество, обеспечивающее твердение бетона как в воде, так и на воздухе.

Соотношение воды и цемента («водоцементное соотношение», «водоцементный модуль», «В/Ц», а также обратная величина "Ц/В") — важная характеристика бетона. От этого соотношения напрямую зависит прочность бетона: чем меньше В/Ц, тем прочнее бетон. Теоретически для гидратации цемента достаточно В/Ц = 0,2, однако у такой бетонной смеси слишком низкая подвижность, поэтому на практике используются бетонные смеси с В/Ц = 0,3—0,5 и выше. Распространённой ошибкой при кустарном производстве бетона является чрезмерное добавление воды, которое увеличивает подвижность бетона, но в несколько раз снижает его прочность, потому очень важно точно соблюсти водоцементное соотношение, которое рассчитывается по таблицам в зависимости от используемой марки цемента.

Заполнители

В качестве заполнителя могут использоваться природные или искусственные сыпучие каменные материалы. Занимая в бетоне до 80—85 % его объёма, заполнители образуют жёсткий скелет бетона, уменьшая усадку и предотвращая образование усадочных трещин.

В зависимости от размера зёрен заполнитель делят на мелкий (песок) и крупный (щебень и гравий).

Для приготовления бетона лучше использовать природный песок от среднего до крупного. Крупность песка и его соотношение с крупным заполнителем (щебнем или гравием в тяжёлом бетоне, керамзитом- в лёгком) в составе бетонной смеси влияет на подвижность бетонной смеси и необходимое для достижения заданной прочности количество цемента. Чем мельче песок, тем больше требуется минерального заполнителя и воды. Важнейшим ограничением при использовании природного песка является ограничение на наличие в составе песка глины или глинистых частиц. Песок должен удовлетворять условиям, определяемым так называемой стандартной областью просеивания.

Добавки

Применение добавок позволяет существенным образом влиять на смеси, бетоны и растворы придавая им специфические свойства. ГОСТ 24211-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия» предлагает следующую классификацию добавок:

1. Добавки, регулирующие свойства бетонных и растворных смесей:
   • пластифицирующие добавки повышают подвижность бетонной смеси, тем самым позволяя получить заданную консистенцию при меньшем расходе воды;
   • водоредуцирующие добавки позволяют получить высокоподвижные смеси с низким водосодержанием, следовательно, с относительно небольшим объёмом цементного камня;
   • стабилизирующие добавки обеспечивают сохранность консистенции, тем самым предотвращая расслоение смеси при укладке и уплотнении;
   • добавки регулирующие сохраняемость подвижности смеси востребованы в жаркое время года, при необходимости длительной транспортировки смеси;
   • добавки увеличивающие воздухо- (газо) содержание смеси или воздухововлекающие добавки повышают морозостойкость, водонепроницаемость и устойчивость к коррозии, но несколько снижают прочность будущей конструкции;
2. Добавки, регулирующие свойства бетонов и растворов:
   • регулирующие кинетику твердения бетона:
     • замедлители применяют, когда возникает необходимость увеличить время до начала схватывания бетонной смеси в случае длительной транспортировки;
     • ускорители сокращают время твердения бетона;
   • повышающие прочность бетона — добавки этого типа увеличивают стойкость бетона к истиранию, ударам и раскалыванию;
   • снижающие проницаемость — вещества, повышающие плотность структуры бетона;
   • добавки повышающие защитные свойства по отношению к стальной арматуре применяют для предотвращения коррозии при непосредственном контакте бетона с арматурой в железобетонных конструкциях;
   • добавки повышающие морозостойкость увеличивают количество циклов попеременного замерзания и оттаивания бетона без потери прочностных свойств;
   • добавки повышающие коррозионную стойкость бетона в условиях среды, вызывающей ухудшение свойств материала;
   • расширяющие добавки применяют с целью компенсировать усадку бетона в процессе эксплуатации конструкции;
3. Добавки, придающие бетонам и растворам специальные свойства:
   • противоморозные добавки при растворении в воде сильно понижают температуру замерзания смеси, предотвращая её замерзание при транспортировке, а также препятствуют промерзанию свежеуложенного бетона в холодное время года;
   • гидрофобизирующие добавки придают стенкам пор бетона водоотталкивающие свойства, увеличивая водонепроницаемость бетона, а также препятствует возникновению капиллярного эффекта;
   • фотокаталитические добавки придают бетону свойства самоочищаться, в результате такой реакции происходит разложение практически любых встречаемых на стенах всякого сооружения загрязнений — пыли, плесени, бактерий, частиц выхлопных газов и т. д.
4. Минеральные добавки для бетона:
   • тип I — активные минеральные:
     • обладающие вяжущими свойствами (например, микрокремнезем, метакаолин);
     • обладающие пуццолановой активностью;
     • обладающие одновременно вяжущими свойствами и пуццолановой активностью.
   • тип II — инертные минеральные.

Вода

см. Вода затворения

Подбор состава бетона

Подбор состава бетона заключается в определении рационального соотношения между компонентами (цемент, заполнители, вода и, при необходимости, добавки), обеспечивающего заданные свойства бетонной смеси (удобоукладываемость, связность) и затвердевшего бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость) при минимальном расходе цемента. Основой для расчёта служит зависимость прочности бетона от активности цемента и водоцементного отношения (В/Ц): снижение В/Ц повышает прочность, но уменьшает подвижность смеси, требуя применения пластификаторов или увеличения расхода цемента.

На практике проектирование состава ведётся в несколько этапов. Сначала по эмпирическим формулам (например, формулам Боломея — Скрамтаева) определяют водоцементное отношение, исходя из требуемой марки бетона и марки цемента. Затем, руководствуясь необходимой подвижностью (осадкой конуса или жёсткостью), устанавливают ориентировочный расход воды, после чего вычисляют расход цемента. Далее рассчитывают количество крупного и мелкого заполнителей, исходя из их пустотности и коэффициента раздвижки зёрен. Полученный лабораторный состав корректируют на влажность реальных заполнителей и проверяют опытными замесами: при отклонении свойств смеси вносят поправки в пропорции. Окончательный состав утверждают по результатам испытаний контрольных образцов по всем заданным в техническом задании нормируемым параметрам.

Смешение компонентов

Перемешивание компонентов бетонной смеси — ключевой технологический этап производства бетонной смеси, целью которого является получение однородной массы с равномерным распределением компонентов, без комков, с полным смачиванием поверхности заполнителей цементным тестом. Качество перемешивания напрямую влияет на прочность, долговечность и однородность затвердевшего бетона: недостаточное смешение приводит к местным ослаблениям структуры, снижению морозостойкости и расслоению смеси. Оптимальное время перемешивания зависит от типа смесителя (гравитационный или принудительного действия), подвижности смеси и свойств компонентов, обычно составляя от 30 секунд до 3 минут; чрезмерно долгое перемешивание может вызвать испарение воды, нагрев смеси и нежелательное раннее схватывание смеси.

На современных заводах бетонных смесей (БСУ) применяют два основных типа бетоносмесителей. Гравитационные смесители (барабанного типа) эффективны для подвижных смесей с крупным заполнителем и цементом средней активности, тогда как смесители принудительного действия с лопастными валами или роторами обеспечивают высокое качество для жёстких, мелкозернистых и лёгких бетонов, а также при использовании фибры или химических добавок. Последовательность загрузки компонентов варьируется, но типичный порядок в смесителях принудительного действия таков: предварительное смешение цемента с песком и щебнем, затем добавление воды с химическими добавками. После завершения перемешивания бетонную смесь проверяют на визуальную однородность (отсутствие непромесов, комков и оголённых зёрен щебня). В случае использования сухих смесей, доставляемых на стройплощадку, перемешивание осуществляется в бетоносмесителях на шасси автомобиля непосредственно перед укладкой.

Испытания бетонной смеси

Испытания бетонной смеси проводят для контроля её технологических свойств, которые определяют способность смеси к укладке, уплотнению и последующему формованию изделий. Основным контролируемым параметром является удобоукладываемость — интегральная характеристика, включающая подвижность, связность и водоудерживающую способность. Для её оценки наиболее распространены два метода: определение осадки стандартного конуса (ОК) для пластичных смесей и определение жёсткости по виброплощадке (измеряемой в секундах) для жёстких смесей с низким содержанием воды. Осадку конуса измеряют по осадке сформованного бетонного конуса после снятия формы. Дополнительно для высокоподвижных и самоуплотняющихся смесей используют расплыв конуса, оценивая диаметр расплыва.

Помимо удобоукладываемости, в лабораторных и производственных условиях контролируют расслаиваемость (склонность смеси к разделению на цементное тесто и крупный заполнитель при транспортировке или вибрации), воздухововлечение (для морозостойких бетонов) и сохраняемость свойств во времени (потерю подвижности из-за начала гидратации цемента). Отбор проб для испытаний производят непосредственно из бетоносмесителя после завершения перемешивания или из автобетоносмесителя после выгрузки замеса бетонной смеси. Результаты испытаний служат основанием для корректировки состава. В заводских условиях данные испытаний фиксируют в журналах испытаний, а также документах о качестве на каждую партию бетонной смеси.

Укладка и уплотнение бетонной смеси

Укладка бетонной смеси — процесс заполнения ею опалубочной формы (опалубки) с последующим распределением и уплотнением, обеспечивающим получение монолитного плотного бетона без пустот и раковин. Перед укладкой проверяют состояние опалубки (герметичность стыков, чистоту поверхности, наличие смазки) и правильность установки арматуры. Смесь подают в опалубку непрерывно, с высоты не более 1,5–2 м (для предотвращения расслаивания), предпочтительно с помощью бетононасосов, бетоноукладчиков или скиповых подъемников. При больших перепадах высоты используют виброхоботы или наклонные желоба, при этом свободное сбрасывание смеси не допускается, так как удар о дно или арматуру вызывает сегрегацию — оседание крупного заполнителя и вытекание цементного теста вверх.

Уплотнение бетонной смеси — обязательная операция, которая удаляет вовлечённый воздух и обеспечивает плотную упаковку зёрен заполнителя. Основным методом является вибрация: внутренние (глубинные) вибраторы применяют для массивных конструкций (фундаменты, стены, колонны), погружая их в смесь через интервалы, равные 1,5–2 радиуса их действия; наружные (крепящиеся к опалубке) вибраторы эффективны для тонкостенных и густоармированных изделий. Длительность вибрации подбирается опытным путём (обычно 20–60 секунд) до прекращения выделения крупных пузырей воздуха, появления цементного молока на поверхности и визуальной однородности. Переуплотнение опасно расслаиванием смеси, а недовибрация ведёт к образованию пустот, снижению прочности и водонепроницаемости. Для малоподвижных и жёстких смесей дополнительно применяют вибропрессование или трамбование. После уплотнения поверхность выравнивают и при необходимости заглаживают (например, для полов или дорожных покрытий). Завершённой укладку считают только после финишной отделки открытых поверхностей и защиты свежеуложенного бетона от обезвоживания и температурных воздействий.

Уход за твердеющим бетоном

Уход за твердеющим бетоном — совокупность мероприятий, направленных на создание условий, благоприятных для протекания реакций гидратации цемента, обеспечивающих набор проектной прочности, предотвращение усадочных трещин и достижение заданных эксплуатационных свойств (морозостойкости, водонепроницаемости). Начальный период твердения (первые 3–7 суток) является критическим: недостаток влаги, резкие перепады температуры или механические повреждения в это время приводят к необратимому снижению качества бетона. Основная цель ухода — минимизировать испарение воды с открытых поверхностей, поскольку при высыхании прекращается гидратация цемента и развиваются усадочные деформации.

Способы ухода зависят от условий твердения и требуемой ответственности конструкции. Наиболее распространены следующие методы: укрытие влагонепроницаемыми плёнками или брезентом, систематическое увлажнение (для горизонтальных поверхностей — устройство луж, для вертикальных — непрерывное опрыскивание), нанесение плёнкообразующих составов (битумных эмульсий, латексных или акриловых пропиток), использование влагоёмких покрытий (мешковина, опилки, песок, поддерживаемые во влажном состоянии). В зимних условиях дополнительно применяют электропрогрев, паровой обогрев, термоактивные опалубки или противоморозные добавки, чтобы обеспечить твердение при положительных температурах. Длительность ухода составляет от 7 до 28 суток (до достижения марочной прочности), однако в жарком и ветреном климате полив начинают сразу после схватывания и продолжают не менее 14 суток. Контроль качества ухода осуществляют визуально (отсутствие трещин, равномерное увлажнение) и при помощи инструментальных методов (измерение температуры и влажности в зоне твердения). Прерывание ухода до истечения нормативного срока не допускается.