Основные свойства бетона и его виды

Бетон (от фр. beton) — строительный материал, получаемый в результате затвердевания рационально подобранной и уплотненной смеси вяжущего вещества (цемент или др.), заполнителей с водой. В ряде случаев может содержать специальные добавки. В наши дни бетон является наиболее широко используемым строительным материалом. Во всем мире около 1 тонны бетона производится каждый год на каждого живого человека на Земле. Это происходит потому бетон это наиболее доступный строительный материал в мире. Из всех известных строительных материалов, будучи доступным, бетон также очень прочен, долговечен, устойчив к воздействию воды, огня, а также легко может быть уложен в бесконечном разнообразии форм и размеров (что, к слову, является ключевым преимуществом для торкретирования).

Успех бетонного строительства напрямую зависит от того какие свойства заложил проектировщик на этапе проектирования сооружения, в основном это набор прочности и другие свойства.Прочность бетона, кроме прочего, напрямую зависит от рабочего на стройплощадке. Поэтому для того чтобы работать с бетоном, каждому рабочему очень важно понять некоторые важные факторы, влияющие на свойства бетона.

Бетон представляет собой смесь из двух компонентов: заполнителя и цементной пасты. Паста из портландцемента и воды, работает как клей, который связывает заполнитель (песок, гравий или щебень), благодаря химической реакции цемента и воды, при котором цементная паста затвердевает и превращается в цементный камень.

Рис 1 Отполированное сечение бетона. Паста из воды и цемента укрывает фрагменты заполнителя и заполняет все пространство между ним.

В основном, термин «цемент», используемый в строительстве относится к понятию портландцемент. Иногда считают, что смесь цемента, воды и заполнителя, это и есть цемент, но это технически неправильно, это бетон в г видное. Заполнители, как правило, разделены на две группы: мелкие и крупные. Мелкий заполнитель состоит из природного или искусственного песка с размером частиц до 5 мм, в крупных заполнителях большинство частиц превышает 5 мм и доходит до 150 мм (для мостовых балок, массивных фундаментов и пр.)

Рис. 2 Пропорции по весу материалов в типичной свежей смешанной бетонной смеси. В других смесях доля заполнителя может достигать от 70 до 80% от веса, а доля цемента 13 до 20% от веса

Качество бетона зависит в значительной степени от качества цементной пасты. В правильно приготовленном бетоне, каждая частица заполнителя полностью покрыта цементной пастой, также все пространство между частицами полностью заполнено пастой, как показано на рис. 1. Для любого конкретного набора материалов в рецептуре бетона и условий твердения бетона, качество бетона определяется количеством воды, используемой в отношении к количеству цемента.

Ниже приведены некоторые преимущества снижения содержания воды в бетоне:

• повышенная прочность на сжатие и изгиб;
• пониженная проницаемость воды и др. веществ;
• повышенная стойкость к погодным условиям;
• лучшая связь между слоями в бетоне и между бетоном и арматурой;
• меньшее изменение объема бетона от затворения до высыхания;
• снижение тенденции к трещинообразованию из-за усадки.

Другими словами, чем меньше воды используется в бетоне, тем лучше его качество

Виды бетона

По виду вяжущего вещества подразделяют на цементные, силикатные, гипсовые, шлакощелочные, асфальтобетон, пластобетон (полимербетон) и др. 

По назначению различают бетоны  обычные (для промышленных и гражданских зданий) и специальные — гидротехнические, дорожные, теплоизоляционные, декоративные, а также бетоны специального назначения (химически стойкие, жаростойкие, звукопоглощающие, для защиты от ядерных излучений и др.).

По объёмной массе бетоны подразделяют на

• особо тяжёлый с плотностью свыше 2500 кг/м — баритовый, магнетитовый, лимонитовый
• тяжёлый (плотность от 1800 до 2500 кг/м) — гравийный, щебёночный (базальтовый, известняковый, гранитный)
• легкий (плотность от 500 до 1800 кг/м) — керамзитобетон, пенобетон, газобетон, арболит, вермикулитовый, перлитовый
• особо лёгкий (плотность менее 500 кг/м)

По содержанию вяжущего вещества и заполнителей различают бетоны

• тощие (с пониженным содержанием вяжущего вещества и повышенным содержанием крупного заполнителя)
• жирные (с повышенным содержанием вяжущего вещества и пониженным содержанием крупного заполнителя),
• товарные (c соотношением заполнителей и вяжущего вещества по стандартной рецептуре).

Свойства бетона 

Бетон должен быть пластичным или полужидким, и как правило, его можно сформировать ладонью руки. Очень жидкая бетонная смесь также может быть сформирована, если не ладонью, то с помощью формы. В пластичной бетонной смеси все зерна песка и других заполнителей заключены и «подвешены» в цементной пасте. Ингредиенты не склонны разделяться при транспортировке, и когда бетон затвердеет, становятся однородной смесью всех компонентов. Правильно приготовленный бетон должен быть пластичным, не комковаться, а медленно перетекать без разделения на составляющие.

 Рис. 3 Мера подвижности бетона (высокая осадка конуса по сравнению с низкой осадкой конуса)

Осадка используется как мера подвижности бетона (рис. 3). Измерение осадки представляет собой стандартный метод испытаний, который состоит из помещения образца свежего бетона в конусообразную форму и уплотнение бетона стержнем арматуры. Форма поднимается и бетон оседает. Расстояние по вертикали между бетоном, уложенным в форму и осевшим бетоном называется осадкой конуса бетона. Бетон с низкой осадкой имеет жесткую консистенцию, и чем выше осадка, там влажнее смесь. В строительной практике, тонкостенные бетонные элементы и густо армированные элементы часто требуют более высокой осадки (но никогда жидкой консистенции) смеси для удобства укладки.

Удобоукладываемость отражает простоту укладки, уплотнения, и отделки свежего бетона. С одной стороны, бетон должен быть в меру подвижным, а с другой, не должен разделяться на составляющие и чрезмерно выделять цементное молочко. Под выделением цементного молока понимают миграцию воды к верхней поверхности свежеуложенного бетона, вызванную осадкой твердых частиц (под действием вибрации и силы тяжести). Чрезмерное выделение цементного молочка увеличивает содержание воды в верхней поверхности бетона и делает верхний слой менее прочным и, если отделочные работы происходят в то время как на поверхности присутствует вода, менее износостойким. В связи с тенденцией свежего бетона к разделению и выделению воды, очень важно поместить каждую порцию бетона как можно ближе к месту укладки.

В обычном бетоне, надлежащее уплотнение достигается за счет механической вибрации, а также с помощью штыкования, если бетон достаточно подвижен. При правильном уплотнении могут быть использованы более жесткие смеси, которые повышают качество бетона и позволяют достичь экономии в работах. В процессе торкретирования надлежащее уплотнение достигается за счет напыления бетона на поверхность с большой скоростью.

Процесс твердения цементной пасты из-за химической реакции между цементом и водой, называется гидратацией. Продукт этой химической реакции — гидратированное цементное тесто, которое чаще называют просто тесто или паста, под которой понимают связующее (клей) в рецептуре бетона.

Различные химические вещества из которых состоит цемент по-разному реагируют друг от друга. Некоторые из них будут реагировать раньше и быстрее, в то время как другие требуют больше времени для активации, а затем будут реагировать медленно. Затвердевшее цементное тесто образует плотное соединение, которое связывает зерна песка и фрагменты крупного заполнителя цементирует все вместе. Бетон схватывается, твердеет и набирает прочность.

Затвердевший бетон содержит мелкие поры наполненные водой и воздухом, которые не имеют прочности. Прочность можно наблюдать только в твердой части пасты. Чем меньше пор в затвердевшем цементном камне, тем прочнее долговечнее бетон. В приготовлении бетона должно быть воды не больше и не меньше, чем необходимо для придания бетону нужной пластичности и подвижности. Знание о том, что бетон в процессе гидратации выделяет тепло полезно при планировании строительства. Зимой гидратация в определенной степени может помочь защитить бетон от низких температур. Летом выделение тепла, может быть вредным. Необходимо соблюдать осторожность в жаркую погоду, так как в результате повышения температуры смеси, может ускориться реакция гидратации, тем самым уменьшая время схватывания и ограничивая подвижность бетонной смеси. Другие факторы, влияющие на скорость гидратации: включают температуру, количество воды, тип цемента и добавок, присутствующих в бетонной смеси.