Тяжелый бетон

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Тяжелый бетон — это вид бетона на цементном вяжущем и плотных мелком и крупном заполнителях, имеющий среднюю плотность более 2000 до 2600 кг/м3 включительно[1],[2]. Данный материал является основным конструкционным материалом в современном строительстве, благодаря уникальному сочетанию высоких прочностных характеристик, долговечности и относительной экономической эффективности. В современной строительной индустрии тяжелый бетон составляет до 90% объема всех применяемых бетонных смесей, выступая основой для несущих конструкций зданий, мостов, плотин и других ответственных сооружений[3].

В советской и российской школе бетоноведения принято рассматривать бетон как материал, находящийся на разных стадиях формирования структуры: от бетонной смеси к твердеющему бетону и далее к затвердевшему бетону. Формально понятие "тяжелый бетон" относится к затвердевшему бетону.

Исторически развитие тяжелого бетона связано с изобретением портландцемента в XIX веке. Современная наука о бетоне рассматривает тяжелый бетон как композитный материал, свойства которого определяются не только характеристиками исходных компонентов, но и структурой цементного камня, а также контактной зоны «заполнитель — матрица». Понимание закономерностей формирования структуры позволяет целенаправленно управлять технологическими свойствами смеси и эксплуатационными характеристиками затвердевшего материала[4].

Классификация и нормативные требования

Согласно ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия» основным нормируемым показателем качества является класс или марка бетона по прочности на сжатие. В российской нормативной базе классы обозначаются буквой B (например, B15, B25, B40) и представляют собой гарантированную прочность образца-куба с ребром 150 мм в МПа с обеспеченностью 95%. По прочности на сжатие тяжелые бетоны подразделяются на[2]:

  • Бетоны малой прочности (от B3,5 до B7,5) — для неответственных и подготовительных конструкций;
  • Бетоны средней прочности (от B10 до B55) — основной объем монолитного и сборного строительства;
  • Бетоны высокопрочные (от B60 — B120) — для мостов, высотных зданий, предварительно напряженных конструкций, конструкций особо ответственных сооружений (по классификации [1]);
  • Бетоны сверхвысокопрочные (более В120) — для специальных сооружений.

Для бетонов, в конструкциях, где определяющей является не прочность на сжатие, а прочность на изгиб вводятся классы прочности на растяжение при изгибе от Btb1,2 до Btb10,0.

Помимо прочности, тяжелый бетон нормируется по следующим показателям: морозостойкость (марки F150 — F11000, F2100 — F2500), водонепроницаемость (марки W2 — W20), истираемость при испытании на круге истирания - марки G1, G2, G3.

Для ряда конструкций дополнительно нормируется средняя плотность, модуль упругости, ползучесть и усадка[5]. В европейской практике аналогичные требования предъявляет стандарт EN 206-1, где классы прочности обозначаются буквой C (например, C20/25, где первое число — прочность цилиндра, второе — куба).

Сырьевые компоненты и их влияние

Свойства тяжелого бетона определяются качеством, видом и соотношением его компонентов. Традиционная рецептура включает четыре основных составляющих: цемент, воду, крупный и мелкий заполнители. Химические добавки и минеральные модификаторы (микрокремнезем, зола-уноса) используются для придания специальных свойств или экономии ресурсов.

Вяжущие

Используются сульфатостойкие цементы по ГОСТ 22266, цементы общестроительные по ГОСТ 31108, цементы для бетона автомобильных дорог по ГОСТ 33174, цементы для транспортного строительства по ГОСТ Р 55224.

Основным вяжущим для тяжелого бетона является Портландцемент различных типов. Наиболее широко применяется портландцемент (ЦЕМ I), портландцемент без добавок (ЦЕМ I) и с минеральными добавками (ЦЕМ II).

От применяемого вяжущего зависят прочностные свойства бетона, а также в немалой степени его долговечность.

Заполнители

Заполнители занимают до 80-85% объема тяжелого бетона, являясь его скелетом, и оказывают решающее влияние на его плотность, модуль упругости, ползучесть, усадку и стоимость. В качестве крупного заполнителя применяют Щебень (дробленые горные породы — гранит, известняк, диабаз) или Гравий (окатанные зерна).

Основные требования к щебню[6]:

  • Морозостойкость — не ниже требуемой марки бетона по морозостойкости;
  • Содержание зерен пластинчатой (лещадной) и игловатой форм — не более 15-35% в зависимости от назначения (повышенная лещадность снижает прочность и увеличивает расход цемента);
  • Отсутствие вредных примесей (пирит, гипс, органические вещества).

Мелким заполнителем служит Песок с модулем крупности от 1,0 до 2,5. Очень мелкие пески (Мкр<1,5) требуют повышенного расхода цемента и приводят к увеличению усадки. Оптимальным является модуль крупности песка Мк=1,8-2,4.

Крупность и зерновой состав заполнителей подбирают так, чтобы получить минимальную пустотность (обычно 25-35%), что позволяет снизить расход цементного теста. Оптимальное соотношение между фракциями щебня и песка (доля песка в смеси заполнителей — r) рассчитывается по методикам, обеспечивающим получение плотной упаковки зерен[7].

Вода и водоцементное отношение

Вода затворения вступает в химическую реакцию с цементом с образованием гидросиликатов кальция и портландита, а также обеспечивает связность и удобоукладываемость смеси. К воде предъявляются требования на соответствие требованиям ГОСТ 23732 (отсутствие масел, сахаров, солей в концентрациях, нарушающих схватывание и прочность)[8].

Ключевым параметром является водоцементное отношение (В/Ц). Между прочностью бетона и В/Ц существует обратная зависимость, описываемая формулой Боломея-Скрамтаева: Rб = A·Rц·(Ц/В - 0,5), где A — коэффициент, учитывающий качество заполнителей. Снижение В/Ц — основной способ повышения прочности и плотности бетона, однако чрезмерное уменьшение (менее 0,3-0,35) делает смесь слишком жесткой, требующей интенсивного виброуплотнения или использования суперпластификаторов [9].

Химические и минеральные добавки

Современный тяжелый бетон немыслим без химических добавок. Основные виды добавок, применяемых в тяжелом бетоне[10]:

К минеральным добавкам, активно используемым в тяжелом бетоне, относятся микрокремнезём (повышает прочность и стойкость к сульфатной агрессии), зола-уноса (экономит цемент, снижает тепловыделение) и метакаолин (интенсивно повышает коррозионную стойкость). Введение микрокремнезема в количестве 5-10% от массы цемента позволяет получать сверхвысокопрочные бетоны с прочностью 150-200 МПа и более[11].

Свойства и показатели качества

Тяжелый бетон характеризуется комплексом взаимосвязанных свойств, которые определяют его поведение под нагрузкой и в условиях эксплуатации.

Механические свойства

Прочность бетона на сжатие является главной характеристикой. Для тяжелых бетонов на портландцементе с плотными заполнителями прочность на осевое растяжение составляет 5-12% от прочности на сжатие. Отношение призменной прочности (испытание образца-призмы) к кубиковой для бетонов класса B30 и ниже составляет 0,75-0,8, для высокопрочных бетонов — 0,85-0,9. Начальный модуль упругости тяжелого бетона возрастает с повышением прочности и жесткости заполнителя. Для бетонов класса B20-B40 модуль упругости составляет 24-35 ГПа, для высокопрочных бетонов (B60-B80) достигает 40-44 ГПа[12].

Ползучесть бетона — неупругая деформация под длительной нагрузкой — для тяжелого бетона зависит от В/Ц, возраста на момент нагружения, влажности окружающей среды. Специфической мерой ползучести является характеристика ползучести φ, входящая в расчетные формулы для железобетонных конструкций и учитывающая перераспределение усилий между бетоном и арматурой. Усадка бетона тяжелого бетона составляет в среднем (0,2-0,4) мм/м. Усадочные деформации могут приводить к образованию трещин, особенно в массивных конструкциях, поэтому для их компенсации используют расширяющие добавки или конструктивное армирование[13].

Эксплуатационные свойства

Морозостойкость бетона — способность выдерживать многократное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии — критически важна для наружных конструкций в России. Марка по морозостойкости (F) для тяжелого бетона колеблется от F50 (южные регионы) до F400 и выше (Крайний Север, мостовые сооружения). Морозостойкость тесно связана с В/Ц и структурой пор: бетон с В/Ц >0,55 при недостаточном воздухововлечении имеет низкую морозостойкость.

Водонепроницаемость бетона (марка W) определяется максимальным давлением воды, которое выдерживает образец. Для гидротехнических сооружений требуются марки W8-W20, что достигается снижением В/Ц до 0,4-0,45 и тщательным уплотнением смеси[14].

Огнестойкость бетона тяжелого бетона довольно высока. При нагреве до 500°C и выше в структуре цементного камня происходят необратимые изменения — дегидратация портландита и разложение гидросиликатов, что приводит к снижению прочности. При быстром нагреве (пожар) возможен сетчатый разрыв бетона из-за разницы температурных деформаций поверхности и ядра конструкции. В качестве огнезащиты для бетона применяют вспучивающиеся краски и штукатурки[15].

Технология изготовления и производства

Производство тяжелого бетона включает операции дозирования, смешивания, транспортирования, укладки, уплотнения и последующего ухода. На бетонных заводах (БСУ) применяют весовое дозирование компонентов с точностью ±2% для цемента и воды и ±3% для заполнителей[16].

На бетонных заводах как правило используют бетоносмесители принудительного действия. Время перемешивания бетонной смеси обычно составляет 45-120 секунд; при использовании поликарбоксилатных суперпластификаторов этот срок может увеличиваться до 180 секунд для достижения равномерного распределения добавки.

Свежеприготовленная бетонная смесь транспортируется к месту укладки автобетоносмесителями (миксерами). Максимальное время транспортировки без потери подвижности при нормальных условиях — 60-90 минут. Для продления этого срока применяют добавки-замедлители схватывания. Подача смеси на высоту производится автобетононасосами или стационарными бетононасосами. При перекачивании тяжелого бетона с крупным заполнителем важно контролировать подвижность (осадка конуса должна быть не менее 8-12 см) и максимальный размер зерен щебня (не более 0,33 минимального внутреннего диаметра трубопровода)[17].

Укладка и уплотнение бетонной смеси — ответственный этап. Основной метод — внутренняя вибрация глубинными вибраторами. При бетонировании густоармированных конструкций применяют наружную вибрацию (опалубочные вибраторы) или используют самоуплотняющиеся смеси, которые не требуют вибрирования. Сразу после укладки свежеотформованный бетон необходимо защищать от интенсивного испарения влаги, укрывая пленкой или нанося пленкообразующие составы. Открытые поверхности бетона должна быть защищены до набора бетоном прочности не менее 70%, в последующем необходимо поддерживать температурно-влажностный режим с созданием условий, обеспечивающих нарастание прочности бетона[18].

Зимнее бетонирование

При отрицательных температурах вода замерзает, и реакция гидратации цемента прекращается. Зимнее бетонирование требует специальных мер: обеспечение оптимальной температуры бетона с подогревом компонентов смеси (вода до 50-70°C, заполнители до 35-40°C), введение противоморозных добавок (поташ, ННХК), либо применение методов электропрогрева (греющие провода, электроды), парового прогрева или использование метода «термоса» (теплоизоляция опалубки и использование тепла экзотермии цемента). Критическая прочность для тяжелого бетона (прочность, по достижении которой замораживание не нарушает структуру) принимается по СП 70.13330.2012 "Несущие и ограждающие конструкции". Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87.

Области применения

Благодаря комплексу высоких физико-механических показателей тяжелый бетон является незаменимым материалом во многих секторах строительства.

  • Гражданское и промышленное строительство: монолитные и сборные каркасы зданий (колонны, балки, фермы), перекрытия, фундаменты, стены подвалов, лестницы, лифтовые шахты. Широко распространены каркасно-монолитная технология с использованием тяжелого бетона классов B20-B40.
  • Гидротехническое строительство: бетонные и железобетонные плотины, дамбы, каналы, лотки, водосбросные сооружения. Для этой сферы применяют гидротехнический бетон с повышенными требованиями по водонепроницаемости (W6-W12) и морозостойкости (F200-F500).
  • Транспортное строительство: опоры мостов, пролетные строения, цементобетонные покрытия автомобильных дорог и аэродромов. Дорожный бетон должен иметь высокую усталостную прочность и истираемость.
  • Специальные сооружения: атомные электростанции (радиационно-стойкий бетон на серпентините или барите), бункеры, резервуары для агрессивных жидкостей (химически стойкий бетон), сейсмостойкие конструкции.

Особое место занимает предварительно напряженный железобетон на основе высокопрочного тяжелого бетона классов B40-B60, в котором за счет натяжения арматуры создается обжатие бетона, компенсирующее растягивающие напряжения от внешней нагрузки. Это позволяет перекрывать пролеты до 30-40 метров без промежуточных опор при толщине плит 15-25 см[19].

Нормативные документы

Основными нормативными документами (актуальными на 2026 год), регламентирующими производство и применение тяжелого бетона в Российской Федерации, являются:

  • ГОСТ 7473-2010 "Смеси бетонные. Технические условия".
  • ГОСТ 10181-2014 "Смеси бетонные. Методы испытаний".
  • ГОСТ 18105-2018 "Бетоны. Правила контроля и оценки прочности".
  • ГОСТ 23732-2011 "Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия".
  • ГОСТ 25192-2012 "Бетоны. Классификация и общие технические требования"
  • ГОСТ 26633-2015 "Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия".
  • СП 28.13330.2017 "Защита строительных конструкций от коррозии".
  • СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции" (актуализированная редакция СНиП 52-01-2003).
  • СП 70.13330.2012 "Несущие и ограждающие конструкции". Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87
  • EN 206-1 "Concrete — Specification, performance, production and conformity"
  • Eurocode 2 (EN 1992-1-1) — нормы проектирования железобетонных конструкций.
  • ACI 318 "Building Code Requirements for Structural Concrete"

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 ГОСТ 25192-2012 "Бетоны. Классификация и общие технические требования"
  2. ↑ 2,0 2,1 ГОСТ 26633-2015 "Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия"
  3. ↑ Баженов Ю.М. Технология бетона. Изд-во АСВ, 2002. 500 с. ISBN 5-93093-138-0
  4. ↑ Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. Стройиздат, 1979. 344 с.
  5. ↑ Дворкин Л.И., Гоц В.И., Дворкин О.Л. Испытания бетонов и растворов. Проектирование их составов. Инфра-Инженерия, 2016. 432 с. ISBN 978-5-9729-0080-0
  6. ↑ Ицкович С.М., Чумаков Л.Д., Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. Высш. шк., 1991. 272 с.
  7. ↑ Сторк Ю. Теория состава бетонной смеси. Стройиздат, 1964. 238 с.
  8. ↑ ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия.
  9. ↑ Шестоперов С.В. Технология бетона. Высш. шк., 1977. 432 с.
  10. ↑ Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. Добавки в бетон. Справочное пособие. Стройиздат, 1988. 575 с. ISBN 5-274-00208-0
  11. ↑ Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. АСВ, 2006. 368 с. ISBN 5-93093-422-3
  12. ↑ Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции. Высш. шк., 1987. 384 с.
  13. ↑ Шейкин А.Е., Добшиц Л.М. Цементные бетоны высокой морозостойкости. Стройиздат, 1989. 128 с. ISBN 5-274-00343-5
  14. ↑ Дворкин Л.И. Оптимальное проектирование составов бетона. Вища школа, 1981. 160 с.
  15. ↑ Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. Стройиздат, 1998. 304 с. ISBN 5-274-01695-2
  16. ↑ ГОСТ 7473-2010 "Смеси бетонные. Технические условия"
  17. ↑ Евдокимов Н.И., Мацкевич А.Ф., Сытник В.С. Технология монолитного бетона и железобетона. Высш. шк., 1980. 335 с.
  18. ↑ СП 70.13330.2012 "Несущие и ограждающие конструкции". Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87
  19. ↑ Михайлов В.В. Предварительно напряженные железобетонные конструкции. Стройиздат, 1978.

Литература

//

  • Баженов Ю.М. Технология бетона. Изд-во АСВ, 2002. 500 с. ISBN 5-93093-138-0
  • Шестоперов С.В. Технология бетона. Высш. шк., 1977. 432 с.
  • Баженов Ю.М., Демьянова В.С., Калашников В.И. Модифицированные высококачественные бетоны. АСВ, 2006. 368 с. ISBN 5-93093-422-3
  • Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. 1998. 768 с.
  • Дворкин Л.И., Гоц В.И., Дворкин О.Л. Испытания бетонов и растворов. Проектирование их составов. Инфра-Инженерия, 2016. 432 с. ISBN 978-5-9729-0080-0
  • Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. Стройиздат, 1975. 700 с.
  • Шейкин А.Е., Чеховский Ю.В., Бруссер М.И. Структура и свойства цементных бетонов. Стройиздат, 1979. 344 с.
  • Рамачандран В.С., Фельдман Р.Ф., Коллепарди М. Добавки в бетон. Справочное пособие. Стройиздат, 1988. 575 с. ISBN 5-274-00208-0
  • Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Портландцемент (минералогический и гранулометрический составы, процессы модифицирования и гидратации). Стройиздат, 1974. 328 с.
  • Невилль А.М. Свойства бетона. Издательство литературы по строительству, 1972. 344 с.

//

Категории

Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Тяжелый_бетон&oldid=3413»