Бетон и железобетон
Бетон – это искусственный камневидный материал, получаемый в результате твердения смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Заполнители в бетонах образуют жесткий скелет и позволяют придавать заданные физико-механические свойства материалу. Состав бетонной смеси выражают в виде соотношения масс цемента, песка и щебня или гравия с указанием водоцементного соотношения В/Ц. Количество цемента при этом принимается за единицу, например, 1 : 2,4 : 4,5 при В/Ц = 0,65.
В зависимости от средней плотности бетоны подразделяют на особо тяжелые (более 2500 кг/м³), тяжелые (1800-2500 кг/м³), легкие (500 – 1800 кг/м³) и особо легкие (менее 500 кг/м³). Бетоны имеют значительную прочность при сжатии и позволяют изготовлять широкий ассортимент огнестойких конструкций. В зависимости от величины предела прочности при сжатии образцов в виде кубов размеров 20 Х 20 Х 20 см после 28-суточного твердения установлены следующие марки бетона: 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600.
Наряду с естественными заполнителями для приготовления бетонных смесей используют целый ряд искусственных заполнителей, получаемых в основном из природных материалов путем термической обработки. К числу искусственных заполнителей бетонов относятся керамзитовый гравий, шлаковая пемза, аглопорит, кирпичный бой, вспученный перлит, термовермикулит, терлит, шлак и др.
Керамзитовый гравий – искусственный гранулированный вспученный материал, получаемый путем ускоренного обжига легкоплавких глин.
Шлаковая пемза получается из доменного шлака в результате интенсивного охлаждения с помощью сжатого воздуха или пара высокого давления.
Аглопорит – окомкованная тонкодисперсная зола из теплоэлектроцентралей, подвергнутая обжигу в агломерационной машине.
Вспученный перлит получают путем обжига природного перлита при температуре 900-1000°С. Природный перлит представляет собой вулканическое стекло, содержащее 72-76% кремнезема и 2-6% химически связанной воды. При нагревании объем перлита увеличивается в 5-10 раз, а пористость зерен составляет 86-88%.
Термовермикулит – продукт термической обработки вермикулита, который представляет собой разновидность слюды. Обжиг измельченного вермикулита осуществляется при температуре 700-900°С, в результате чего происходит увеличение в объеме исходного материала в 20 раз.
Терлит представляет собой ячеистый материал. Исходным материалом для его получения является зола. Используя специальные технологические приемы в совокупности с подбором исходного состава смеси, получают пенобетон и газобетон.
Пенобетон изготавливают из портландцемента марки не ниже 300 в смеси с молотым песком. Пенообразователем служат канифольное мыло и животный клей. Смесь перемешивают в пенобетономешалке и разливают в формы. Пенобетон имеет малый коэффициент теплопередачи и используется в качестве тепловой изоляции.
Газобетон приготовляют из цементного теста, к которому добавляют молотый песок, шлак и другие заполнители. Для генерации газа в цементное тесто вводят известь-пушонку и алюминиевый порошок. По своим свойствам и области применения газобетон аналогичен пенобетону.
Характер поведения бетона при нагревании зависит от вида цемента и заполнителя, водоцементного отношения, температуры и продолжительности нагревания. Наиболее интенсивное уменьшение прочности бетона начинается при температуре 500°С и выше. При нагревании из цементного камня происходит удаление свободной и химически связанной влаги, что приводит к его усадке. Заполнитель же под действием тепла расширяется. В результате этого возникают внутренние напряжения в бетоне, которые являются причиной снижении я прочности. При быстром нагревании тяжелого бетона с влажностью более 3% может происходить взрывообразное разрушение под давлением интенсивно образующегося пара.
Прочность бетона при растяжении в 10-15 раз меньше его прочности при сжатии. Поэтому даже при малых растягивающих напряжениях начинается раскрытие трещин, а при дальнейшем увеличении нагрузки наступает разрушение. Этот недостаток ликвидируется при совместной работе бетона и стали в железобетонных конструкциях.
Железобетон представляет собой изделие, состоящее из бетона и стальной арматуры, работающих совместно. Сталь и бетон имеют примерно одинаковые коэффициенты линейного расширения. При твердении бетон прочно сцепляется с поверхностью стальной арматуры и надежно защищает ее от коррозии и высокой температуры. Сталь отличается высокой прочностью при растяжении, а бетон, в свою очередь, хорошо сопротивляется сжатию. Таким образом, совмещение стали и бетона позволяет создавать разнообразные прочные строительные конструкции.
Арматурой в железобетонных конструкциях могут служить отдельные стальные стержни гладкого, периодического или сплющенного профиля, а также пространственные каркасы. Арматуру располагают как можно ближе к поверхности конструкции, однако для обеспечения ее надежного сцепления с бетоном, защиты от коррозии и высоких температур должен создаваться защитный слой бетона, величина которого определяется применительно к назначению и условиям работы конструкций.
Поведение железобетона в условиях пожара обусловлено поведением его составляющих – бетона и арматуры. Однако следует отметить, что при высоких температурах силы сцепления бетона с арматурой уменьшаются и нарушаются условия их совместной работы. Это способствует образованию трещин и необратимых деформаций, а также ускоряет потерю конструкциями несущей и ограждающей способности.