8.8 Разновидности бетонов

Современная гамма бетонов насчитывает десятки наименований и процесс создания бетонов завтрашнего дня еще интенсивно продолжается. В многообразии названий бетонов ярко проявились не только направления их применения, но и вся палитра строительно-технических свойств: особо высокопрочные, особо высокоплотные, особо быстротвердеющие, супердолговечные, суперлегкие, кислото- и жаростойкие, радиоэкранирующие и радиационно-изолирующие, электропроводящие, биостойкие, морозостойкие и многие другие.

Рассмотрим их отдельные разновидности.

Бетон для защиты от радиоактивного воздействия. Такие бетоны называют еще особо тяжелые (с плотностью более 2500 кг/м³), гидратные, радиационно-защитные и лученепроницаемые.

Из всех радиоактивных излучений наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи и нейтроны. Способность материалов поглощать γ-лучи пропорционально их плотности. А для ослабления потока нейтронов в материале, наоборот, должны присутствовать элементы с малой атомной плотностью, как, например, водород. Поэтому бетон является наиболее эффективным материалом для защиты от радиоактивного воздействия, поскольку в нем удачно сочетаются при сравнительно низкой стоимости высокая плотность и содержание достаточно большого количества водорода в химически связанной воде.

Для повышения плотности бетона в качестве заполнителей используют весьма тяжелые (с высокой плотностью) магнетит, лимонит, барит, серпентин, колеманит, обрезки железа, стальные гранулы и т.п. Мелкий заполнитель обычно составляют дробленый бурый железняк, кварцитовые «хвосты», чугунная дробь и др. Плотность бетона на металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м³.

Лучшими вяжущими в таких бетонах считаются те, которые связывают большее количество воды: алюмо-шлаковый, глиноземистый и гипсоглиноземистый, расширяющийся, пуццолановый и шлакопортландцемент, каустический магнезит. Иногда в их состав вводят добавки, улучшающие защитные свойства бетона, например, карбид бора и тетрабора, хлористый литий, сернокислый кадмий и др.

Гидротехнический бетон является разновидностью тяжелых конструкционных бетонов и должен обеспечивать длительную эксплуатацию сооружений, постоянно или периодически омываемых водой. По условиям эксплуатации различают бетон: подводный – постоянно находящийся в воде, надводный – подвергаемый лишь периодическому обмыванию водой и расположенный в зоне переменного уровня воды. Кроме того, различают бетоны наружной зоны, подвергающиеся непосредственному влиянию среды и внутренней зоны, защищенные наружным бетоном от воздействия среды. Главное требование к бетону внутренней зоны – минимальная величина тепловыделения при твердении, так как неравномерный разогрев массива может вызвать образование температурных трещин.

Помимо прочности к гидротехническому бетону предъявляются повышенные требования по плотности, водонепроницаемости, водо-, морозо- и коррозионной стойкости и др. По прочности на осевое сжатие их подразделяют на классы В10…В40 (табл.8.5), по водонепроницаемости и морозостойкости – на марки соответственно W2, W4, W6, W8 и F50, F75, F100, F150, F200, F250, F300. Причем прочность на сжатие и водонепроницаемость определяются в возрасте 180 суток.

В зависимости от условий эксплуатации для приготовления гидротехнического бетона применяют портландцемент, гидрофобный, пластифицированный, пуццолановый, сульфатостойкий и шлакопортландцемент.

Декоративные бетоны в зависимости от состава и назначения можно подразделить на цветные и имитирующие природные камни или сами по себе обладающие выразительной структурой. При необходимости поверхность таких бетонов подвергают специальной обработке или формуют изделия с рельефной поверхностью.

Для получения цветных бетонов применяют белые и цветные цементы, акриловые и карбомидные смолы, различные щелочестойкие минеральные и органические пигменты, декоративные заполнители. Расход цемента в цветных бетонах по сравнению с обычными следует принимать несколько выше – 400…500 кг. Это позволяет повысить плотность и улучшить цветовую выразительность поверхности бетона. Целесообразно в этом случае использовать мелкозернистые бетоны. Оптимальными с точки зрения получения хороших декоративных качеств являются составы 1:2…1:3. Расход воды в цветных бетонах определяется, как правило, предварительным испытанием и затем постоянно контролируется, поскольку даже небольшие изменения в расходе воды влекут за собой заметные изменения цвета бетона.

Бетонные смеси для формования изделий должны использоваться достаточно пластичные или жирные, которые хорошо формуются и мало подвержены расслоению, т. н. самоуплотняющиеся бетоны. Для сокращения расхода воды и цемента используют пластификаторы, суперпластификаторы и комплексные добавки. Чтобы уменьшить расслоение цветного бетона и добиться равномерности окраски, используют воздухововлекающие добавки, а также вводят в небольших количествах тонкие фракции жирной извести, известняка и др.

В настоящее время у архитекторов и дизайнеров имеются все возможности получать любые цвета и оттенки поверхности бетонов, в т.ч. самые редкие или даже не встречающиеся в природе. Например, бетонные панели для внутренней и фасадной отделки могут обладать столь изящными рельефными и цветовыми рисунками, что их с трудом можно отличать от мраморных или гранитных работ скульпторов. При этом текстура поверхности рельефнодекоративного бетона визуально и осязаемо может напоминать шелк, глянцевую бумагу, венецианские обои и подобного рода другие изделия.

Для повышения художественной выразительности декоративных бетонов применяют специальные технологические приемы, позволяющие обнажить заполнители и выявить структуру бетона. Для обнажения заполнителя используют различные замедлители твердения. Выявление структуры бетона достигается шлифовкой и полировкой поверхности бетона, обработкой пневматическим молотком, пескоструйным аппаратом и др. Для получения настенных облицовочных плит с декоративной поверхностью используют также специальные формы из полиуретановой резины. Они позволяют с микронной точностью воспроизводить мельчайшие детали рельефа поверхности. Конечно, многие технологии получения таких изделий в большинстве своем засекречены и вероятно связаны с обработкой бетонных поверхностей так называемыми термальными или плазменными станками с программным обеспечением и другие приемы.

Оригинальная технологическая и дизайнерская идея воплощена в создании и так называемых светящихся и «лучезарных» бетонов. Светящиеся композиты созданы на базе обычного цементного бетона и стеклянных оптических волокон, уложенных определенным образом в «теле» бетонных изделий. При определенном соотношении компонентов и характеристик стекловолокна можно добиться поразительного эффекта свечения, например, наружных ограждающих конструкций или внутренних перегородок различными цветами, оттенками и узорами. «Лучезарные» бетоны могут быть полупрозрачными с видимыми контурами предметов интерьера с внешней стороны стены, что создает совершенно необычное визуальное ощущение от архитектурного ансамбля в целом.

Таким образом, в результате научных разработок, создания и применения современных материалов и технологий в конце ХХ столетия появилась новая разновидность декоративных бетонов – «архитектурный» - с повышенными декоративными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Высокопрочные бетоны имеют прочность на сжатие не менее 60 МПа. Однако пределы прочностных характеристик таких бетонов чисто условны, поскольку больше связаны с уровнем развития науки и техники в области производства цемента, бетона и химических добавок.

Основными условиями получения высокопрочных бетонов являются применение высокоактивных модифицированных вяжущих типа ВНВ, а, следовательно, низких В/Ц отношений (0.20…0,30), использование плотных высокопрочных заполнителей, добавок пластификаторов и в частности суперпластификаторов и гиперпластификаторов, комплексных добавок, тщательное перемешивание и уплотнение бетонной смеси, создание наиболее благоприятных условий твердения и др. Способствуют повышению прочности бетона также высокий предельно допустимый расход цемента, максимально возможное насыщение его крупным заполнителем за счет подбора состава оптимального зернового состава и создание высокоплотной упаковки мелкого и крупного заполнителя.

Высокая прочность таких бетонов часто достигается за счет применения специальных или новейших технологических приемов: сухого бетонирования, оптимизации гранулометрического состава вяжущих, каландирования цементов в присуствии суперпластификаторов и гелеобразователей, за счет регулирования процессов гидратации и кристаллообразования на наноуровне, особо тонкой гранулометрии заполнителей и многокомпонентности бетонной смеси, включающей различные добавки и присадки, формования смесей под высоким давлением и др. Так, например, немецким ученым удалось разработать многокомпонентные бетоны с прочностью 500…800 МПа, что намного превышает даже прочность стали.

Не менее эффективные результаты достигнуты при использовании в бетонах сверхпрочных микрофибр: углеродных нанотрубок, «усов» сапфира, вольфрамовых волокон и др. Изготовленная с применением таких микроволокон бетонная продукция может превышать прочность стали в 5…10 раз.

Получение таких бетонов и технологий позволяет осуществить любые фантазии и реальные проекты, в которых предъявляются повышенные требования по архитектонике. Уже сегодня можно создать «дом ХХ1 века», в котором высокопрочный каркас из бетона долговечностью более 200 лет станет сочетаться с эффективными ограждающими конструкциями из суперлегкого и декоративного бетонов и с периодически обновляемыми инженерными сетями и отделкой, что даст возможность получить архитектурно выразительное быстровозводимое и легко трансформируемое комфортабельное жилье, а также объекты социальной сферы, подземные «мини-города», специальные и другие сооружения.

Легкие бетоны в соответствии с СТБ 1187 и 1310 это бетоны на пористом крупном и пористом или плотном мелком заполнителе со средней плотностью в сухом состоянии в пределах до 2000 кг/м³ (по международной терминологии – бетон низкой плотности). По типу образующейся структуры они могут быть плотные, поризованные и крупнопористые. По назначению их подразделяют на теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные, конструкционные и специальные.

В качестве заполнителей для таких бетонов используют природные пористые (пемзу, вулканический туф, известняк-ракушечник и др.) и искусственные (керамзит, аглопорит (СТБ 1217), перлит, вермикулит, шлаковую пемзу, гранулированные металлургические и топливные шлаки, золу и др.). Названия такие бетоны получают, как правило, в зависимости от вида крупного пористого заполнителя (керамзитобетон, перлитобетон, аглопоритобетон, полистиролбетон, шлакобетон, бетон на зольном гравии, арболит).

Важнейшими свойствами пористых заполнителей являются плотность, пористость и прочность, которые и определяют соответствующие свойства легких бетонов. По качеству пористого заполнителя ориентировочно можно судить о плотности и прочности легкого бетона.

Пористые заполнители вследствие особенностей своей структуры имеют невысокую плотность и прочность, обычно ниже прочности цементного камня, и поэтому чем больше содержание в бетоне заполнителя и ниже его плотность, тем ниже средняя плотность и прочность бетона. Для снижения плотности легкого бетона на пористых заполнителях без снижения его прочности целесообразно применять высокопрочные цементы.

Особенностью таких бетонов является и то, что их прочность зависит не только от активности цемента, но и от его количества. С увеличением расхода цемента растут его плотность и прочность.

Качество легкого бетона на пористых заполнителях оценивается в основном двумя показателями: классом по прочности и маркой по плотности. Классы по прочности на сжатие по ГОСТ 26633 составляют от В0.35 до В50. Марка бетона по плотности в соответствии с СНБ 5.03.01-02 отвечает гарантированному значению объемной массы бетона в кг/м³, обозначается буквой D и числом, выражающим значение объемной массы (плотности) бетона и устанавливаемой в соответствии с требованиями стандартов (от500 до 2000 с шагом 100кг/м³).

Согласно Европейскому стандарту ЕН 206-1 для легкого бетона установлены классы:

• прочности на сжатие - LС8/9, LС12/13, LС16/18, LС20/22, LС25/28, LС30/33, LС35/38, LС40/44, LС45/50, LС50/55, LС55/60, LС60/70, LС70/77, LС80/88;

• плотности – D1,0 (плотность – 800…1000 кг/м³); D1,2 (1000…1200 кг/м³); D1,4 (1200…1400 кг/м³); D1,6 (1400…1600 кг/м³); D1,8 (1600…1800 кг/м³); D2,0 (1800…2000 кг/м³).

Поризованные легкие бетоны. Для улучшения теплофизических свойств легкого бетона на пористых заполнителях можно применять поризацию растворной части, или заменить ее поризованным цементным камнем. Поризация таких бетонов оправдана в том случае, если отсутствуют пористые мелкие заполнители или свойства заполнителей не позволяют получать легкий бетон заданной плотности. Осуществляют поризацию легких бетонов либо предварительно приготовленной пеной, либо за счет введений газообразующих или воздухововлекающих добавок. В зависимости от вида заполнителя и способа поризации такие бетоны получают названия – керамзитопенобетон, керамзитогазобетон, керамзитобетон с воздухововлекающими добавками и др.

Ячеистые бетоны (СТБ 1570) характеризуются значительным количеством искусственно созданных и условно замкнутых пор размером 0,5…2 мм. Мелкие воздушные поры равномерно распределены по всей массе бетона и разделены тонкими и прочными перегородками из отвердевшего вяжущего камня. В результате образуется достаточно прочный пространственный каркас. В таких бетонах отсутствует крупный и практически мелкий заполнители. В состав ячеистых бетонов входят лишь вяжущее, тонкомолотый кремнеземистый компонент, вода и порообразователь.

В зависимости от способа образования пористой структуры такие бетоны подразделяют на:

• газобетоны, если в смесь вводится газообразователь;

• пенобетоны, если смесь смешивается с устойчивой технической пеной.

В качестве газообразователей применяют алюминиевый порошок с содержанием активного алюминия 82 % и тонкостью помола 5000…6000 см²/г и др. Для получения пены используют клееканифольный, смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый и синтетические пенообразователи.

Вяжущим в ячеистых бетонах служат портландцемент и его разновидности, известь, гипс. В качестве кремнеземистого компонента используются молотые кварцевый песок и гранулированный доменный шлак, зола-унос ТЭЦ и др. Кремнеземистый компонент уменьшает расход вяжущего и усадку бетона, а также повышает качество изделий.

Технология производства ячеистых бетонов включает подготовку сырьевых материалов, приготовление бетонной смеси, формование изделий и, как правило, тепловлажностную обработку. Его изготовляют как в стационарных условиях производственного цеха, так и непосредственно на строительной площадке с помощью современного мобильного оборудования.

Основными показателями качества ячеистых бетонов являются плотность, пористость и прочность.

Плотность ячеистых бетонов колеблется в пределах от 200 до 1200 кг/м³ и косвенно характеризует пористость, которая составляет соответственно 85…60%. В настоящее время возможно получение суперлегкого пенобетона с содержанием в его структуре до 96% воздушных пор, с пониженной плотностью и соответственно низкой теплопроводностью. Легкой разновидностью ячеистого силикатного бетона является «теплопор» плотностью 100…200 кг/м³ и прочностью на сжатие – 0,1…0,5 МПа.

На плотность и пористость влияют главным образом расход порообразователя и степень использования его порообразующей способности. Определенное влияние на них оказывают температура смеси и количество воды затворения. По плотности ячеистые бетоны подразделяются на марки D250… D800 с интервалом 50 кг/м³ и D900… D1200 с интервалом в 100 кг/м³.

На прочностные характеристики и другие технические свойства ячеистых бетонов наряду с общей пористостью влияют также характер распределения пористости и степень равномерности этого распределения по крупности. По прочности ячеистые бетоны подразделяются на классы В0,35…В12,5 (табл.8.6).

Таблица 8.6 Соотношение классов по прочности на сжатие и марок по средней плотности ячеистого бетона

Класс по прочности	Марка по средней плотности
В0.35 и В0.75	D250 и D300
В1.0	D350…D450
В1.5	D350…D700
В2.0	D400…D700
В2.5	D450…D900
В3.5	D500…D1000
В5.0	D600…D1000
В7.5	D700…D1000
В10 и В12.5	D1000 и D1100

Применяют ячеистые бетоны для изготовления тепло- и звукоизоляционных изделий, легких железобетонных конструкций и в качестве отделочного материала. Из них изготовляют панели наружных стен и покрытий зданий, неармированные стеновые и теплоизоляционные блоки, камни для стен и другие изделия. В настоящее время на основе пенобетона создан новый материал под условным названием «Пенодекор». Он предназначен для реконструкции (санации) старых зданий и строительства новых. Теплосопротивление стен в них обеспечивается за счет применения суперлегкого теплоизоляционного пенобетона с последующей отделкой выразительными архитектурными покрытиями.

Республика Беларусь является бесспорным лидером на постсоветском пространстве по производству ячеистого бетона, в т.ч. на душу населения. На одну тыс. жителей Республики Беларусь в год выпускается 200 м³ ячеистого бетона, что сопоставимо с производством европейских стран (100…200 м³) и более чем в 10 раз превышает этот показатель для России. Причем из общего объема продукции 50% составляют изделия плотностью 400 кг/м³. Осваивается также производство ячеистого бетона плотностью 250 кг/м³ и прочностью 0,7 МПа.