Указания по применению бетонов (цементобетонов) при строительстве автомобильных дорог и инженерно-дорожных сооружений

УКАЗАНИЯ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ БЕТОНОВ (ЦЕМЕНТОБЕТОНОВ) ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И ИНЖЕНЕРНО-ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Определение, основные технические требования и классификация

Бетоном называют строительный материал, полученный в результате перемешивания, укладки, уплотнения и затвердения рационально рассчитанной смеси из щебня (или гравия), песка, цемента, воды и добавок. Смесь перечисленных компонентов до затвердения называют бетонной смесью.

Бетон является основным строительным материалом, его производят более 250 млн. м год. Бетоны широко применяют в промышленных, гражданских, гидротехнических и других сооружениях, из них выполняют монолитные (изготовляемые на месте строительства), сборные (изготовляемые индустриальным способом на заводах, полигонах) элементы сооружений (фундаменты, колонны, перекрытия и др.), дорожные и аэродромные покрытия. Бетон можно применять в машиностроении для изготовления массивных деталей машин. Широкое применение бетона объясняется тем, что изделию из него можно придавать требуемые свойства, размеры, вид поверхности; бетонные работы можно выполнять в короткие сроки и в любое время года. Выбирая составляющие и применяя рациональную технологию производства бетонных смесей, управляя процессами структурообразования бетона, его физико-механические свойства (плотность, прочность, долговечность и др.) можно регулировать в широких пределах и заданном направлении. Возможность полной механизации и автоматизации технологических процессов - существенная положительная характеристика бетона как прогрессивного строительного материала.

Вместе с тем бетон имеет и недостатки, главнейшим из которых является сравнительно малая прочность при изгибе (растяжении). Для устранения указанного недостатка в бетонные элементы в необходимых случаях вводят металлические стержни, сетки (арматуру). Вследствие длительного твердения бетонов конструкции из них нельзя вводить в эксплуатацию непосредственно после укладки смеси; за твердеющим бетоном необходим тщательный уход.

Научно обоснованное решение вопросов технологии позволяет устранять и такие отрицательные свойства бетона, как недостаточная устойчивость в агрессивных средах, деформация при усадке и набухании, недостаточная жаростойкость и др.

Свойства бетонов определяются качеством составляющих и в значительной степени их структурой (строением). Правильно выбирая материалы, регулируя структуру бетонов при одних и тех же составляющих, можно в широких пределах изменять их свойства. Структура бетона определяется крупностью, гранулометрическим составом, формой зерен и количественным соотношением его компонентов, их взаиморасположением и структурными связями, а также наличием пор и дефектов. Структура неоднородна вследствие различных свойств компонентов (щебня, песка, цементного камня). Кроме того, в структуре бетона имеется много дефектов (микротрещин, пор), возникающих в процессе изготовления бетонных изделий. Это является причиной возникновения в бетоне внутренних напряжений с высокой степенью концентрации на границах раздела фаз, что существенно влияет на его механические свойства.

Для установления основных закономерностей влияния структуры на свойства бетонов целесообразно выделить следующие ее разновидности: макроструктуру, которая определяется крупной составляющей - щебнем (гравием) и строительным раствором (смесью песка, цемента и воды); мезоструктуру, которая формируется песком и затвердевшим цементом; микроструктуру - цементным камнем.

Макро- и мезоструктуры определяются количеством, крупностью, формой зерен щебня (гравия) и песка. В зависимости от соотношения составляющих можно выделить базальную, поровую и контактную макро- и мезоструктуры. В бетоне с базальной макроструктурой зерна щебня не образуют взаимных контактов, вследствие чего свойства бетона обусловливаются преимущественно свойствами раствора.

При постепенном насыщении макроструктуры щебнем до состояния взаимного контактирования зерен создается поровая структура, при которой образуется компактный щебенистый каркас, способный воспринимать значительные внешние усилия. При дальнейшем увеличении содержания щебня возникает контактная макроструктура, характерная для крупнопористых бетонов.

Основной классификацией бетонов по структурным признакам является деление по объемной массе:

особо тяжелые с объемной массой более 2600 кг/м имеют сложную структуру и изготовляются с применением заполнителей, защищающих от рентгеновских и гамма-лучей (например, стальные опилки, барит и др.);

тяжелые с объемной массой 2100-2600 кг/м, у которых структура плотная, щебень из плотных и тяжелых горных пород или плотных металлургических шлаков, песок кварцевый;

облегченные с объемной массой 1800-2000 кг/м могут иметь плотную структуру, но с применением щебня из пород пониженной плотности или крупнопористую с применением щебня из плотных пород;

легкие с объемной массой 1000-1800 кг/м, чаще 1300-1500 кг/м, обладающие плотным или крупнозернистым строением, с применением пористого щебня и песка, шлаковой пемзы (термозита), керамзита, перлита;

особо легкие с объемной массой менее 1000 кг/м, чаще 500-800 кг/м, с пористой структурой без щебня и песка (ячеистый бетон) или с применением пористого песка или пористого щебня в сочетании с поризованным цементным камнем.

Микроструктура цементного камня представляет неоднородную капиллярно-пористую коагуляционно-кристаллическую структуру, образующуюся в результате взаимодействия цемента с водой. Свойства микроструктуры зависят от минералогического состава цементного клинкера, добавок, тонкости помола цемента, количества воды затворения, условий твердения и пр. Рациональное сочетание указанных факторов позволяет регулировать формирование микроструктуры цементного камня, придавать ему определенные свойства.

Наряду с делением бетонов по структурным признакам их классифицируют по виду компонентов (различают цементный, известковый, гипсовый, керамзитовый, термозитовый бетон и т. д.). По назначению и условиям применения бетоны разделяют на:

- обычный - для изготовления фундамента, колонн, блоков зданий, пролетных строений мостов;

- дорожный - для устройства дорожных и аэродромных покрытий;

- гидротехнический - для возведения плотин, шлюзов и прочих гидротехнических сооружений;

- специальный - теплоизоляционный, жароупорный, кислотостойкий и др. Иногда делят бетоны и по технологическим признакам (вибрированный, трамбованный, вакуум-бетон и др.).

Свойства бетонных смесей

Формирование оптимальной структуры бетона тесно связано с технологическими свойствами бетонной смеси, в первую очередь с такими физическими константами, как сопротивление сдвигу и вязкости. Однако их определение, особенно в строительных лабораториях, чрезвычайно затруднено, так как бетонная смесь является грубодисперсной. Ее свойства изменяются во времени и для нее характерна ярко выраженная тиксотропность - способность обратимо восстанавливать первоначальную структуру и свойства после снятия механического воздействия, например вибрационного (рис.1).