СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ 3 страница

Задача 3.4

Определить марку гипсового вяжущего, если при испытании стандартных образцов-балочек средняя разрушающая нагрузка при сжатии составила P. Размеры пластины соприкасающейся с образцом a × b.

4. БЕТОНЫ

Изучение данного раздела надо начинать с определения и класси­фикации бетонов. Следует усвоить понятия «бетонная смесь» и «бетон» и разобраться в требованиях к материалам для приготовления бетона: цементу, заполнителям, воде, а также к способам определения свойств бетонной смеси и бетона.

Важно знать, что бетоны классифицируются по виду вяжущего вещества, плотности, прочности, по виду заполнителей, назначению в строительстве и по другим признакам. Особое внимание необходимо уделить зависимости свойств бетона от свойств бетонной смеси (удобоукладываемости и связности).

Бетон – один из основных строительных материалов. Он ценен тем, что ему можно придавать самые разнообразные свойства, изменяя в широких пределах прочность, плотность, теплопроводность, и изготовлять из него сборные конструкции, изделия и монолитные сооружения различной формы и назначения.

Бетоном называется искусственный камневидный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка, щебня или гравия). До затвердевания эта смесь называется бетонной смесью. Состав бетонной смеси должен обеспечивать требуемые свойства бетона (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.) к определённому сроку в определённых условиях твердения. Получение бетона с заданными свойствами достигается расчётом состава бетона.

Бетоны классифицируют по следующим признакам, приведённым в таблице 4.

Таблица 4

Прочность бетона характеризует класс бетона – прочность, гарантированная с обеспеченностью 0,95 (т.е. с учётом неоднородности структуры бетона, проявляющейся в изменчивости его прочности). Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100.

Для бетонов установлены следующие классы по прочности на сжатие: В3.5; В5; В10; В12.5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80.Для бетонов конструкций, запроектированных до ввода в действие международного стандарта СТ СЭВ 1406, установлены следующие марки по прочности на сжатие: М50; М75; М100; М150; М200; М250; М300; М350; М400; М500; М600; М700; М800; М900; М1000.

Соотношение между классами и марками бетона по прочности на сжатие определяется по формуле:

где В – класс бетона; М – марка бетона; v – нормативный коэффициент вариации, равный 0,135.

Для бетонных конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают следующие марки бетона по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000.

Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости:W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20.

Требования к исходным материалам для тяжёлого цементного бетона.

Вода. В соответствии с требованиями ГОСТ 23732-79 для приготовления бетона разрешается использовать воду, водородный показатель (рН) которой не должен быть менее 4 и более 12.5. Вода не должна содержать органических примесей, жиров, масел, нефтепродуктов, взвешенных частиц пыли, глины и песка. Органические примеси, содержащие фенолы и сахара снижают гидратацию цемента.

Вяжущие материалы. В качестве вяжу­щих материалов применяют портландцементы и его разновидности. Вид и марку цемента следует выбирать в соответствии с назначением конструкций и условиями их эксплуатации, требуемого класса бетона по прочности, марок по морозостойкости и водонепроницаемости.

По экономическим соображениям активность цемента должна быть выше проектируемого класса (марки) бетона в 1.5...2.5 раза, то есть:

Крупный заполнитель. В качестве крупных заполнителей для тяжёлых бетонов используют щебень и гравий из плотных горных пород.

Гравий представляет собой зернистый сыпучий материал с зёрнами окатанной формы крупностью свыше 5 мм, получаемый рассевом природных гравийно-песчаных смесей.

Щебень, в отличие от гравия, получают дроблением горных пород. Форма щебня близка к кубу или тетраэдру и зависит от структуры горной породы и типа камнедробильной машины.

Крупный заполнитель в зависимости от предъявляемых к бетону требований выбирают по следующим показателям: зерновому составу и наибольшей крупности, содержанию пылевидных и глинистых частиц, прочности, содержанию зёрен слабых пород.

Щебень и гравий выпускают в виде следующих основных фракций: от 5(3) до 10 мм; св.10 до 20 мм; св. 20 до 40 мм; св. 40 до 80(70) мм и смеси фракций от 5(3) до 20 мм.

Содержание зёрен слабых пород в щебне из природного камня не должно превышать, % по массе:

5 – для бетона классов В40 и В45

10 – для бетона классов В20; В22.5; В25 и В30

15 – для бетона классов В15 и ниже.

Марка щебня из изверженных пород должна быть не ниже 800, щебня из метаморфических пород – не ниже 600, осадочных пород не ниже 300.

Марки щебня из природного камня должны быть не ниже:

300 – для бетона класса В15 и ниже;

400 – для бетона класса В20;

600 – для бетона класса В22.5;

800 – для бетона классов В25; В30;

1000 – для бетона класса В40;

1200 – дли бетона классов В45 и выше.

Морозостойкость крупных заполнителей должна быть не ниже нормированной марки бетона по морозостойкости.

Мелкий заполнитель. В качестве мелких заполнителей для бетонов используют природный песок и песок из отсевов дробления горных пород.

Природный песок – неорганический сыпучий материал с крупностью зёрен до 5 мм, образовавшийся в результате естественного разрушения скальных горных пород и получаемый при разработке песчаных и песчано-гравийных месторождений.

В зависимости от минералогического состава пески бывают: полевошпатные, кварцевые, известковые и др. Лучшими для приготовления бетона являются кварцевые пески.

В зависимости от модуля крупности М_кр пески бывают: повышенной крупности с модулем 3…3,5; крупные – 2,5…3; средние – 2…2,5; мелкие – 1,5…2; очень мелкие – 1…1,5; тонкие – 0,7…1,5; очень тонкие – < 0,7.

Мелкие, очень мелкие, тонкие и очень тонкие пески обычно в бетонах не применяются, т.к. они содержат много пылевидных и глинистых частиц, которые требует большего расхода вяжущего вещества. Содержание пылевидных и глинистых частиц ограниченно и не должно превышать 2…5 %.

Зерновой состав мелкого заполнителя для бетонов должен соответствовать кривой просеивания области оптимального зернового состава песка.

Особо тяжёлые бетоны приготовляют на тяжёлых заполнителях – стальных опилках или стружках (сталебетон), железной руде (лимонитовый и магнетитовый бетоны) или барите (баритовый бетон).

Тяжёлые бетоны получают на плотных заполнителях из горных пород (гранит, известняк, диабаз).

Облегчённые и лёгкие бетоны получают на щебне из горных пород с плотностью 1600…1900 кг/м³ и на пористых заполнителях (керамзит, аглопорит, вспученный шлак, пемза, туф).

К особо лёгким бетонам относятся ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон), которые получают вспучиванием вяжущего, тонкомолотой добавки и воды с помощью специальных способов, и крупнопористый бетон на лёгких заполнителях.

Цементные бетоны приготовляют на различных цементах и наиболее широко применяют в строительстве. Среди них основное место занимают бетоны на портландцементе и его разновидностях (около 65 % от общего объёма производства), успешно используют бетоны на шлакопортландцементе (20…25 %) и пуццолановом цементе.

Силикатные бетоны готовят на основе извести. Для производства изделий в этом случае применяют автоклавный способ твердения.

Гипсовые бетоны готовят на основе гипса. Гипсовые бетоны применяют для внутренних перегородок, подвесных потолков и элементов отделки зданий. Разновидностью этих бетонов являются гипсоцементно-пуццолановые бетоны, обладающие повышенной водостойкостью.

Шлакощелочные бетоны делают на молотых шлаках, затворённых щелочными растворами.

Полимербетоны изготовляют на различных видах полимерного связующего, основу которого составляют смолы (полиэфирные, эпоксидные, карбамидные) или мономеры (фурфуролацетоновый), отверждаемые в бетоне с помощью специальных добавок. Эти бетоны более пригодны для службы в агрессивных средах и особых условиях воздействия (истирание, кавитация).

Полимерцементные бетоны получают на смешанном связующем, состоящем из цемента и полимерного вещества (водорастворимые смолы и латексы).

Специальные бетоны готовят с применением особых вяжущих веществ. Для кислотоупорных и жаростойких бетонов применяют жидкое стекло с кремнефтористым натрием, фосфатное связующее. В качестве специальных вяжущих используют шлаковые, нефелиновые и стеклощелочные, полученные из отходов промышленности.

Вопросы для проверки

1. Что такое бетон и бетонная смесь?

2. Приведите классификацию бетонов.

3. Приведите примеры бетонов на цементных, гипсовых и известковых вяжущих. Каковы области их применения?

4. Приведите примеры облегчённых, лёгких и особо лёгких бетонов. Какова область их применения?

5. Какие пористые заполнители применяют для приготовления лёгкого бетона?

6. Приведите примеры бетонов с ячеистой и крупнопористой структурой. Каково назначение данных бетонов?

7. Что такое тяжёлый бетон? Расскажите об исходных материалах, применяемых для приготовления тяжёлого бетона.

8. Что такое марка, класс бетона? Назовите марки тяжёлого бетона.

9. Назовите и охарактеризуйте основные свойства тяжёлого бетона.

10. Требования, предъявляемые к вяжущим для цементных бетонов?

11. Какие требования предъявляются к крупным заполнителям для тяжёлого бетона?

12. Какие требования предъявляются к мелким заполнителям для тяжёлого бетона?

13. Как определяется зерновой состав заполнителей? Зачем предъявляются требования к зерновому составу?

14. Перечислите и кратко охарактеризуйте специальные виды тяжёлых бетонов.

15. Охарактеризуйте основные свойства и укажите области применения лёгких бетонов на пористых заполнителях.

16. Что такое пенобетон (пеносиликат) и газобетон (газосиликат)?

17. Какие бетоны набирают прочность в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше атмосферного (автоклавного твердения)?

Номер варианта задачи выбирается в соответствии с порядковым номером в журнале.

Задача 4.1

Какую пористость П имеет бетонный куб с размером рёбер a, массой m, плотностью ρ?

Задача 4.2

При испытании образцов-кубов бетона на морозостойкость прочность их после испытания составила R_мрз, до испытания прочность на сжатие образцов в водонасыщенном состоянии R_нас. Установить, морозостоек ли бетон?

Задача 4.3

Установить класс бетона по прочности на сжатие, если марка бетона М, а нормативный коэффициент вариации, равен v.

Задача 4.4

Определить коэффициент размягчения образца бетонного кубика с размером рёбер a, если разрушающая сила равна P₁ при испытании в сухом состоянии и P₂ при испытании в насыщенном водой состоянии.

5. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ

Железобетон – композиционный строительный материал, в котором сталь и бетон работают совместно, при этом в материале происходит перераспределение нагрузок за счёт различия в модулях упругости стали и бетона. Основа взаимодействия бетона и арматуры – наличие сцепления между ними.

При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения – растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам (рис. 1).

Рис. 1 – Схема работы балки при изгибе

а – бетонной; б – железобетонной

Изучение железобетона основано на знании темы «Бетоны» и начинается с изучения классификации железобетонных изделий и конструкций. Классификация изделий даётся главным образом по виду бетона, объёмной массе, назначению железобетона, виду армирования и внутреннему строению. Необходимо уяснить понятия «монолитный и сборный железобетоны».

Сборный железобетон – это такие детали и конструкции, которые в готовом виде поступают на строительную площадку, где из них монтируется здание или сооружение. Применение таких изделий и конструкций существенно сокращает сроки строительства, механизирует строительные процессы, улучшает качество изделий и экономит цемент.

Сборный железобетон широко применяется в гражданском и промышленном строительстве, в мостостроении и в железнодорожных сооружениях.

Монолитные железобетонные конструкции возводят непосредственно на строительных площадках. Обычно их применяют в зданиях и сооружениях, трудно поддающихся членению, при нестандартности и малой повторяемости элементов и при особенно больших нагрузках (фундаменты, каркасы и перекрытия многоэтажных зданий, гидротехнические, транспортные и другие сооружения).

Железобетонные изделия и конструкции классифицируют по следующим признакам.

По основному назначению железобетонные изделия и конструкции подразделяют на три группы:

– для жилых и общественных зданий;

– для промышленных зданий;

– для инженерных сооружений.

В свою очередь, изделия для жилых, общественных и промышленных зданий подразделяют на изделия для фундаментов, каркасов зданий, стен, перекрытий и покрытий, лестниц и санитарно-технические.

По виду армирования железобетонные изделия подразделяют на:

– предварительно напряжённые;

– с обычным армированием.

По внутреннему строению изделия и конструкции могут быть:

– сплошными и пустотелыми;

– однослойными и многослойными.

Номенклатура основных изделий и конструкций из железобетона.

Элементы нулевого цикла:

– сваи забивные железобетонные;

– фундаментные блоки под колонны стаканного типа;

– блоки фундаментные марки ФБС;

– плиты железобетонные для ленточных фундаментов.

Панели стеновые железобетонные:

– панели наружных стен, однослойные и многослойные;

– панели навесные однослойные и многослойные;

– панели внутренних стен, однослойные.

Конструкции для каркасных одноэтажных и многоэтажных зданий:

– колонны стыковые многоэтажной и одноэтажной разрезки;

– ригели, прогоны, балки;

– фермы и арки.

Элементы перекрытий и покрытий:

– плиты перекрытий многопустотные;

– панели перекрытия крупноразмерные сплошные «на комнату»;

– плиты покрытия ребристые.

Перемычки для перекрытия оконных и дверных проёмов:

– перемычки брусковые;

– перемычки плитные;

– перемычки балочные с отформованной четвертью.

Элементы лестниц:

– лестничные марши и площадки;

– проступи накладные и ступени.

Кроме этого, промышленность выпускает большое число других различных видов сборных железобетонных изделий и конструкций:

– изделия для дорожного строительства, аэродромных покрытий и элементы благоустройства;

– изделия для инженерных сооружений и коммуникаций;

– объёмные элементы (блок-комнаты и блок-квартиры) и санитарно-технические кабины.

Железобетонные изделия и конструкции изготавливают по различным схемам производства:

– стендовым производством в стационарных формах;

– агрегатно-поточным производством;

– конвейерным способом;

– в кассетах (разновидность стендового способа).

Одной из важнейших операций при изготовлении деталей и конструкций из железобетона является формование изделий. Основные операции при формовании железобетонных изделий:

– установка форм и формообразующих элементов;

– установка арматурных сеток и каркасов, натяжение арматуры;

– укладку бетонной смеси, её распределение в форме;

– уплотнение бетонной смеси и заглаживание открытой поверхности;

– извлечение формообразующих элементов.

Уплотнение бетонных смесей осуществляют следующими способами: вибрирование, прессование, прокат, трамбование, центрифугирование, торкретирование и литье. Наиболее широко применяется вибрационный метод, часто с силовой статической нагрузкой (виброштампование, вибропрокат, вибропрессование) или с ваккуумированием (вибровакуумирование). Виброобработка позволяет применять жёсткие бетонные смеси, полнее механизировать процесс формования и повысить производительность труда.

С целью ускорения твердения применяются такие меры, как повышение температуры в сочетании с обработкой паром, электропрогрев, химические ускорители твердения и др.

Изготовление монолитных железобетонных конструкций экономически целесообразно при использовании индустриальных методов строительного производства и широком применении инвентарной металлической или деревянной опалубки. Отличительная особенность изготовления монолитного железобетона заключается в том, что основные технологические операции – монтаж опалубки, укладка арматуры и бетонной смеси в опалубку, уплотнение бетонной смеси, твердение отформованных изделий и уход за бетоном – производят на месте строительных работ.

В зависимости от конфигурации бетонируемой конструкции используют различные виды опалубки: стационарную, разборно-переставную, скользящую, перемещаемую в горизонтальном направлении и др.

Армируют железобетонные конструкции стальной арматурой в виде стержней и проволоки. Арматуру для бетона классифицируют по следующим признакам:

– технологии изготовления – горячекатаная стержневая арматура и холоднотянутая проволочная арматура; к стержневой арматуре относят сталь любого диаметра и профиля независимо от того, поставляется ли она в виде прутков или в мотках;

– профилю поверхности – арматура периодического профиля и гладкая;

– условиям применения – арматура для армирования обычных железобетонных конструкций и арматура для предварительно напряжённых конструкций (напрягаемая арматура).

Стержневая арматурная сталь, выпускается диаметром от 6 до 80 мм, делится на горячекатаную гладкую класса А-I (А240)и горячекатаную периодического профиля классов А-II (А300); А-III (А400); А-IV (А600); А-V (А800); А-VI (А 1000).

Холоднотянутую проволочную арматуру по форме сечения выпускают круглой гладкой классов В-I и В-II и периодического профиля – холодно сплющенную – классов Вр-I и Вр-II; буква «р» в обозначении указывает, что проволока рифлёная.

Арматурные канаты изготавливают из высокопрочной холоднотянутой проволоки. Для лучшего использования прочностных свойств проволоки в канате шаг свивки принимают максимальным, обеспечивающим нераскручиваемость канатов, обычно в пределах 10-16 диаметров каната.

По своему назначению в бетоне арматура подразделяется на рабочую и монтажную. Рабочая воспринимает нагрузки, монтажная необходима для обеспечения правильного расположения рабочей арматуры. Для улучшения свойств арматуры её иногда подвергают упрочнению. Упрочнение может достигаться вытяжкой, протяжкой, обжатием, посредством нагревания и охлаждения (термически упрочнённая арматура).

Железобетонные изделия армируются плоскими гнутыми и пространственными сетками и каркасами. Изготовление арматурных элементов включает механическую обработку арматурных сталей, сварку сеток и плоских каркасов, сборку из них пространственных каркасов.

В обычных случаях стальная арматура в железобетонных конструкциях размещается в зонах повышенных растягивающих усилий, но в современном строительстве она, кроме того, подвергается предварительному натяжению путём приложения сил по её растяжению. Такие железобетонные конструкции становятся предварительно напряжёнными. В них стальная арматура, оставаясь в пределах упругих деформаций, стремится вернуться в своё недеформированное состояние после отпуска натяжных приспособлений. Это стремление выражается в обжатии зон бетона, в которых под воздействием внешних сил возникли растягивающие усилия. Обжатие упрочняет бетон на растяжение и изгиб (рис. 2), что благоприятствует упрочнению всей конструкции.

Предварительное натяжение арматуры осуществляют либо до бетонирования конструкции или изделия, либо после этого.

Рис. 2 – Схема работы балки с предварительно напряжённой арматурой

а – до нагружения; б – после нагружения

Способы натяжения арматуры следующие:

– механический, с помощью натяжных машин или гидравлических домкратов;

– электрический, при котором арматурные стержни нагревают электрическим током с целью получения определённого удлинения. Уложенные в таком состоянии в форму на упоры они при остывании укорачиваются и в них возникают необходимые натяжения;

– электромеханический является совокупностью первых двух. Этот способ применяют преимущественно при армировании высокопрочной проволокой непрерывной навивкой при натяжении на затвердевший бетон изделия, например труб;

– химический, путём применения напрягающих бетонов, которые расширяясь в процессе твердения, напрягают арматуру.

Для фиксации предварительно-напряжённой арматуры используют анкеры и зажимы.