Специальные виды бетона

    Требования  к гидротехническому бетону достаточно высоки, так что изготовление полностью монолитных конструкций было бы дорого. Чаще всего, при строительстве одного объекта используются три разных типа гидротехнического бетона. Первый тип — подводный бетон — находится под водой всё время эксплуатации, в качестве вяжущего для этого бетона используются портландцементы, шлакопортландцементы или пуццолановые цементы. В самых сложных условиях находится бетон переменного уровня воды, он, будучи постоянно влажным, подвергается многократным перепадам температуры — замерзает и оттаивает, высыхает и снова намокает. Этот участок гидротехнической конструкции готовится из наиболее ответственных материалов: применяется только качественный портландцемент или шлакопортландцемент с обязательным введением в состав пластифицирующих добавок. Надводный бетон с водой не контактирует, так что может быть изготовлен на любых видах цемента.

    Массивные гидротехнические конструкции не обязательно  монолитно-бетонные, часто бетонной является только оболочка (мощность которой  достигает трёх метров), а внутренний слой может заливаться менее ответственными бетонами или заполняться отсыпкой с уплотнением.

    Морозостойкость гидротехнического бетона допустима в диапазоне от F50, до F300 (и выше). В лабораторных условиях морозостойкость рассчитывается таким образом: образцы бетона замораживаются (до – 15°C) и оттаивают (+5 - + 20°C). После завершения испытания образцы проверяются механической нагрузкой, успешный бетонный кубик должен утратить не более 15% от изначального показателя по прочности.

    Водонепроницаемость гидротехнического бетона допустима от W2 до W12. Показатель водонепроницаемости зависит от того, какое давление воды способен выдержать образец бетона, прежде чем пропустить воду.

    Назначение марки бетона по водонепроницаемости

    Химическая стойкость бетона не имеет единиц измерения. Так как для гидротехнических бетонов этот показатель крайне важен, при их производстве используются сульфатостойкие цементы со специальными добавками.

    Жаростойкие бетоны. Чаще всего применяются при возведении промышленных объектов и агрегатов: при футеровке печей, облицовке котлов, при возведении дымовых труб ТЭЦ, в металлургическом производстве и т.д. При воздействии сверхвысоких температур в структуре бетона происходит ряд химических процессов, результатом которых становится обезвоживание кристаллогидратов и разложение гидроскида кальция, в результате реакции образуется СаО (оксид кальция). По мере остывания, влага снова приникает в объём бетона и оксид кальция гидратируется с резким увеличением объёма, структура бетона при этом разрушается, образуются многочисленные трещины. Наиболее эффективное средство предотвращения такого сценария — приготовление раствора бетона на тонкоизмельчённых материалах с добавлением активного кремнезёма.

    В качестве огнеупорных бетонов применяются  различные составы. Большое распространение получили бетоны на основе портландцемента с активными минеральными добавками (пемза, доменные гранулированные шлаки, зола). Целесообразно использование шлакопортландцемента, который изначально содержит некоторые из перечисленных добавок. Компоненты такого бетона широко распространены, что положительно сказывается на стоимости. С другой стороны, использование портландцементов в качестве жаростойких связано с некоторыми ограничениями. Во-первых, предел температуры, которую способен переносить такой бетон — 700°C. Во-вторых, бетоны на основе портландцементов подвергаются кислотной коррозии (источником которой может стать сернистый ангидрит в дымовых трубах).

    Бетоны на жидком стекле напротив отлично переносят воздействие кислот. Их температурный предел достигает 1000°С.

    Высокоглинозёмный цемент также может использоваться при производстве жаропрочного бетона. Содержание глинозёма в таком бетоне должной быть не ниже 65% (лучше 80%), также рекомендуется уделять внимание материалу заполнителя. Бетон на высокоглинозёмном бетоне может выдержать до 1580°С, а при использовании огнеупорного заполнителя — до 1700°С.

    Отлично зарекомендовали себя бетоны на основе фосфатных связующих. Помимо высокого температурного предела (1700°С) они имеют высокую устойчивость к истиранию. Следует учитывать небольшую усадку этих бетонов после первого прокаливания.

    Большое значение при производстве огнеупорного бетона имеет заполнитель. При этом важна равномерность температурного расширения заполнителя во всём объёме конструкции.

    При температуре менее 700°С допустимо использовать бескварцевые и пористые горные породы (габбро, сиенит, диорит, пемзу и ли туфы).

    При расчете на температурный потолок  до 900°С в качестве крупного заполнителя выступают стабильные доменные шлаки или бой глиняного кирпича.

    Специализированные  огнеупорные материалы входят в  состав наиболее стойких бетонов, рассчитанных на температуру до 1700°С. Крупным заполнителем в таких бетонах является хромированная руда, бой шамотных, хроммагнезитовых и прочих огнеупорных изделий.

    Кислотоупорный бетон. Наиболее популярным вяжущим веществом при производстве кислотоупорных бетонных смесей является жидкое стекло (силикат натрия или калия) в сочетании со специальными отвердителями (кремнефтористый натрий). Для повышения плотности в состав смеси вводятся минеральные порошки (молотый андезит, базальт, кварц и другие измельчённые кислотостойкие породы). В качестве мелкого заполнителя применяются кварцевые пески, крупный заполнитель — гранитный щебень.

    Технология  укладки кислотостойкого бетона несколько сложнее в сравнении с обычными цементными бетонами. Сначала отвердитель смешивается с минеральным порошком, затем вводятся заполнители, последним добавляется вяжущее. Твердение должно происходить в тёплой и сухой воздушной среде (не ниже 10°С), желательно смесь прогреть при температуре не менее 80°С в течении 5-8 часов. Рекомендуется окислить конструкцию после окончательного затвердения — смочить раствором соляной или серной кислоты.

    Примерные составляющие кислотоупорного бетона

    При правильном подборе компонентов, кислотоустойчивые  бетоны могут достигать по прочности  на сжатие 200 кг/см². Правильно приготовленный кислотоупорный бетон стоек к  воздействию концентрированных  кислот (кроме НF), а вот вода способна привести изделие из такого бетона в негодность в течение 5-10 лет, щелочные растворы справятся с этой задачей ещё быстрее. 
В промышленности кислотоупорные бетоны применяются как альтернатива более дорогим материалам: свинцовым пластинам, тёсанному природному камню, кислотоупорной керамике. Применяется для защиты конструкций и сооружений от воздействия агрессивных сред, часто металлические и железобетонные конструкции покрываются слоем кислотоупорного бетона. Привычная сфера применения — строительство ёмкостей и резервуаров в химической промышленности, из кислотостойкого бетона изготавливается специализированная облицовочная плитка.

    Бетон, предназначенный для защиты от радиоактивного воздействия. Как и все виды бетонов, ориентированных на возведение защитных конструкций, он должен обладать высокими показателями по прочности (не только на сжатие, но и на растяжение). Также важны высокая плотность и содержание водорода (в виде воды, связанной с вяжущим).

    В качестве вяжущего для бетонов этого  класса себя превосходно зарекомендовал портландцемент (допустимо применение шлакопортландцемента). Учитывая, что  конструкции для защиты от излучения  компактными не бывают, необходимо чтобы используемый цемент выделял как можно меньше тепла при твердении.

    На  роль заполнителя в этом случае претендует широкий список тяжёлых материалов, точный состав устанавливается специалистами  при расчете каждой индивидуальной конструкции. Для особенно тяжёлых  растворов заполнителем могут служить насыщенные железные руды (магнетит или гематит с содержанием Fe не менее 60%). Если необходимо повысить содержание связанной воды в составе, используется бурый железняк (лимонит). В качестве мелкого заполнителя могут фигурировать баритовые руды или барит (содержание сульфата бария не менее 80%).

    Нередко применение металлических заполнителей — лимонитового или кварцевого песка, а также чугунной и свинцовой  дроби. Свинцовая дробь дорогая, применяется чаще всего при заделке  отверстий в конструкциях и на участках, где требуется повышенная защищённость. Плотность бетона на металлическом заполнителе доходит до 6000 кг/м³.

    Эксплуатация  бетонных защитных сооружений сопряжена  с воздействием высоких температур. Неравномерный прогрев вызывает напряжения внутри конструкции, чтобы сдерживать их используемый бетон должен иметь высокую марку по прочности на растяжение, а вот усадку напротив минимальную. Бетонные конструкции, расположенные в непосредственной близости от работающего ядерного реактора должен обладать большим потенциалом жаропрочности, поскольку функционирование реактора в аварийном режиме сопряжено с выделением экстремальных температур.

Специальные бетоны. Часть 1

Эти бетоны предназначаются  для особых конкретных условий эксплуатации и выпускаются в виде отдельных конструкций или используются в монолитных сооружениях. К специальным бетонам относятся: дорожный цементный, высокопрочный, гидротехнический, жаростойкие, кислотоупорные, особо тяжелые, серный, фибробетоны, бетоны на шлакощелочных вяжущих веществ. Для изготовления специальных бетонов выбирают определенные сырьевые материалы (вяжущие вещества, заполнители, добавки) и технологии, которые обеспечивают по своим свойствам и параметрам получение бетонов со специфическими свойствами: с повышенными прочностью, жаростойкостью, стойкостью в кислотных средах и т. п. Эти бетоны также являются типичными ИСК и на них распространяются общие закономерности теории ИСК: закон прочности оптимальных структур, закон створа, закон конгруэнции и др.

Высокопрочные бетоны имеют марки по прочности на сжатие М600... М1000. Они являются бетонами нового поколения; они были разработаны  в НИИЖБ, где получены бетоны с  пределом прочности на сжатие до 200 МПа, морозостойкостью F1000 и водонепроницаемостью W20 и выше. Для изготовления этих бетонов применяют высокомарочные портландцементы, песок и щебень марок по прочности на сжатие М1200-М1400, не содержащие вредных примесей. Для освобождения заполнителей от органических, пылевидных, глинистых и других примесей заполнители промывают.

Бетонные смеси  имеют низкие соотношения В/Ц (0,27 - 0,45); перемешивание сырьевых материалов осуществляется в бетоносмесителях принудительного действия, например турбинных, обеспечивающих качественное перемешивание малоподвижных и  жестких смесей. В целях более эффективного перемешивания и уплотнения в бетонные смеси вводят суперпластификаторы, не понижающие прочность бетонов. Формование изделий и конструкций осуществляется при интенсивном уплотнении бетонных смесей: вибрированием с пригрузом, двойным вибрированием, прессованием под большим давлением.

Высокопрочные бетоны быстро твердеют, поэтому их тепло-влажностная  обработка может осуществляться за более короткие сроки. Использование  новых особобыстротвердеющих цементов позволяет исключить тепловлажностную обработку, так как в этом случае бетон быстро твердеет при температуре 20 - 25 ºС. Применяя высокопрочные бетоны в железобетонных конструкциях, можно сэкономить расход арматурной стали на 10-12%, а за счет повышения несущей способности конструкций сократить расход бетона до 30 % (по объему).