Строительные материалы и изделия

Специальные виды бетонов

Гидротехнический бетон. Он предназначен для конструкций, постоянно или периодически контактирующих с водой. Требова­ния к гидротехническому бетону существенно различаются в за­висимости от зоны расположения бетона в конструкции (надвод­ной, подводной, переменного уровня воды, наружной, внутрен­ней); массивности конструкции; действующего на конструкцию напора воды и др. Например, бетон зоны переменного уровня воды должен обладать особенно высокой морозостойкостью, бетон мас­сивных конструкций должен иметь пониженное тепловыделение и отвечать требованиям термической трещиностойкости, бетон напорных сооружений должен обладать особенно высокими водо­стойкостью и водонепроницаемостью.

Бетон для защиты от радиоактивного излучения. При работе ста­ционарных ядерных реакторов, ускорителей частиц, радиохими­ческих и облучающих установок несущая бетонная конструкция выполняет также функцию защиты окружающей среды от радио­активного излучения и потока нейтронов. Защита сводится к ре­шению трех задач:

1) замедление быстрых нейтронов;

2) захват промежуточных и тепловых нейтронов;

3) поглощение всех видов у-излучения, включая рассеянное излучение и у-излучение захвата, образующиеся в бетоне при вза­имодействии с ним быстрых и медленных нейтронов.

При постоянной толщине защитной конструкции поглощение у-лучей практически пропорционально плотности независимо от рода вещества. Поэтому бетоны для биологической защиты имеют плотность до 5 000... 6 000 кг/м3, что достигается применением осо­бо тяжелых заполнителей, таких как магнетит Fe304; гематит Fe203 (р = 4 500 кг/м3), бурый железняк (лимонит) 2Fe203-3H20 (р = = 3 200...4000 кг/м3), баритовые руды, содержащие до 80 % BaS04 (р = 4 Ю0...4 700 кг/м3). При применении в качестве заполнителя металлических отходов (р = 7 850 кг/м3) масса бетона может быть существенно повышена. Железные заполнители типа стальной или чугунной дроби, отходов металлообработки довольно доро­ги. Как правило, они загрязнены масляными веществами, сни­жающими сцепление с цементным камнем, и должны подвер­гаться очистке.

Эффективность замедления нейтронов обратно пропорциональ­на массовому числу элемента. При не очень больших энергиях ней­тронов отличным замедлителем является водород, который со­держится в бетоне в составе воды. Вместе с тем эффективное сече­ние захвата нейтронов ядрами водорода мало, поэтому для замед­ления нейтронов высоких энергий нужна слишком большая тол­щина защитного слоя воды. Понизить энергию быстрых нейтро­нов в результате неупругого рассеяния могут элементы со средни­ми и большими массовыми числами, например железо, барий или свинец. Эти элементы благодаря высокой плотности одновре­менно являются эффективными поглотителями у-излучения. Каж­дый акт захвата нейтронов ядрами элементов сопровождается ис­пусканием у-квантов. При захвате нейтронов ядрами водорода энер­гия у-лучей составляет 2,2 МэВ, а ядрами железа — 7,6 МэВ, что является недостатком железа как поглотителя нейтронов, испус­кающего жесткие у-лучи захвата. Из легких элементов хорошим поглотителем нейтронов является бор, который при захвате не дает жесткого у-излучения.

Таким образом, бетон для защиты от радиоактивного излуче­ния должен содержать в необходимом количестве связанную воду, легкие и тяжелые элементы, а также по возможности включать в себя такие поглотители нейтронов, как бор и литий.

Связанная вода в бетоне подразделяется на несколько катего­рий.

1. Химически связанная вода, образующая молекулы вещества — гидроокисных и комплексных соединений (удаление воды из этих соединений приводит к образованию нового вещества).

2. Кристаллизационная вода, входящая в состав кристалличе­ской решетки вещества. Удаление этой воды не меняет названия вещества, но может изменить параметры кристаллической решет­ки.

3. Адсорбционная вода, удерживаемая на поверхности частиц силами молекулярного притяжения.

4. Капиллярная вода, удерживаемая поверхностным натяжени­ем.

Бетон на портландцементе содержит связанную воду в сум­марном количестве менее 10% по массе, т. е. менее 1,4- 1022 ато­мов водорода на 1 см3. По этой причине исследовались специаль­ные цементы, связывающие большое количество воды. Система MgO - г MgCl2 + Н20 позволяет получить вяжущее, связывающее воды в 3 раза больше, чем портландцемент. Однако из-за недоста­точной прочности этот цемент, как и другие, не нашел примене­ния и основными вяжущими в бетонах для защиты от радиоак­тивного излучения остаются портландцемент и шлакопортланд­цемент, а содержание связанной воды повышают за счет введе­ния таких заполнителей, как лимонит, содержащий около 10% кристаллизационной воды, и серпентинит, содержащий около 13 % воды.

Дисперсно-армированный бетон (фибробетон). Он содержит рас­пределенные по всему объему армирующие волокна (фибры), ко­торые могут быть стальными, минеральными (стеклянными, ба­зальтовыми, шлаковыми, асбестовыми) или органическими (син­тетическими, целлюлозными, сизалевыми, бамбуковыми, трост­никовыми, джутовыми). Методы дисперсного армирования позво­ляют получить направленную или хаотичную ориентацию волокон в бетоне. Возможность хаотичного расположения волокон ограни­чена действием силы тяжести или архимедовой силы, размерами и формой бетонируемого элемента, характером заполнителей. Направ­ленная ориентация получается при использовании непрерываю- щихся нитей, жгутов, тканых и нетканых сеток, а также при виб­рировании или вращении изделия. Короткие стальные волокна мо­гут быть ориентированы с помощью магнитного поля.

Вид и назначение фибробетона определяют характер дисперс­ного армирования. Например, легкий бетон нецелесообразно ар­мировать стальными волокнами, так как его теплоизоляционные свойства будут снижены из-за высокой теплопроводности стали. Стеклянные волокна обычного состава подвергаются коррозии в бетоне на портландцементе и практически не реагируют со сре­дой гипсовых вяжущих. Стальные волокна, наоборот, заметно корродируют в материалах на основе гипса, но достаточно стойки в среде портландцемента.

Дисперсное армирование, осуществляемое путем введения фибры непосредственно в бетоносмеситель, часто приводит к снижению затрат в результате исключения арматурных работ и отказа от применения дорогих арматурных сеток и каркасов.

Дисперсное армирование обеспечивает существенное повыше­ние прочности сжатых, растянутых и изгибаемых элементов кон­струкций, увеличивает их трещиностойкость и ударную вязкость.

Прочность фибробетона зависит от прочности самих волокон, их количества и ориентации. Размеры волокон выбирают так, что­бы отношение длины к диаметру равнялось отношению предела прочности волокна при растяжении к сопротивлению выдергива­ния волокна из матрицы. В этом случае равновероятен разрыв во­локна и нарушение его сцепления с цементирующим камнем.

Жаростойкий бетон. Обычный бетон на портландцементе мо­жет выдержать температуру до 200 °С. Однако при длительном воз­действии такой температуры прочность его снижается на 25...45 %. Это можно допустить, обеспечив необходимый запас прочности. При более высокой температуре применяют специальные бето­ны, которые подразделяются на жаростойкие (выдерживающие температуру до 1 580 °С) и огнеупорные (с огнеупорностью выше 1 580 °С). Их применяют в конструкциях агрегатов и оборудования предприятий черной и цветной металлургии, теплоэнергетики, химической промышленности, керамического производства.

Жаростойкость бетона зависит от вида вяжущего и природы заполнителей. При нагреве бетона до температуры 500 °С сниже­ние прочности происходит в основном в результате несовмести­мости температурных деформаций заполнителей и цементирую­щего камня и выделения кристаллизационной воды. При более высокой температуре наблюдаются полиморфные превращения и разложение химических соединений. Так, кристаллическая струк­тура кварца при 573 °С из тригональной переходит в гексагональ­ную, а при 870 °С кварц превращается в тридимит с ромбической сингонией решетки.

При температуре выше 500 °С Са(ОН)2 в цементном камне де­гидратируется с образованием СаО. Если после этого бетон будет увлажнен, то произойдет его разрушение вследствие увеличения объема извести при взаимодействии СаО с водой. Поэтому в жа­ростойких бетонах применяют портландцемент с активной мине­ральной добавкой, кремнезем которой при температуре 700... 900 °С связывает СаО в устойчивый силикат.

В качестве вяжущих для жаростойких бетонов применяют порт­ландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, жид­кое стекло, фосфатные вяжущие; в качестве заполнителей — ог­неупорные материалы: бой шамотного, магнезитового, динасо­вого или керамического кирпича, хромитовую руду, базальт, ди­абаз, андезит, доменный гранулированный шлак и др. При ис­пользовании пористых заполнителей (керамзита, вспученного перлита, вермикулита) получают легкий жаропрочный бетон с уб < 1 200 кг/м3.

Портландцемент с активной минеральной добавкой и шлако­портландцемент применяются до температуры 700... 900 °С. Высо­кой огнеупорностью обладает глиноземистый цемент (1 580 °С), а высокоглиноземистый цемент характеризуется огнеупорностью — 1 740... 1 770 °С.

Несмотря на низкую собственную огнеупорность жидкосте­кольной связки (около 800 °С) бетоны на ее основе могут вы­держивать температуру до 1 600 °С, что является результатом вы­сокотемпературного взаимодействия жидкого стекла с наполни­телем. На основе жидкого стекла изготавливают бетоны трех ви­дов: кремнеземистые (заполнителями и тонкомолотыми компо­нентами являются кварцит и динас), алюмосиликатные (с ша­мотными и муллитовыми заполнителями, обеспечивающими огнеупорность до 1 600 °С) и магнезиальные (на основе перик- лазовых, периклаз-шпинелидных и магнезиально-силикатных заполнителей).

Широко распространенной основой для получения жаростой­ких бетонов являются фосфатные вяжущие системы. Фосфатное связующее получают из двух компонентов: водного раствора (чаще всего — ортофосфорной кислоты или кислых фосфатов аммо­ния, алюминия, магния) и порошкообразного минерального ком­понента, проявляющего по отношению к раствору свойства осно­вания. Таким компонентом являются различные огнеупорные ма­териалы, которые одновременно применяются и в качестве круп­ного заполнителя.

На основе молотого динаса и концентрированной ортофосфор - ной кислоты готовят динасовый бетон с огнеупорностью 1 750 °С и прочностью при сжатии до 40 МПа. На основе кварцитов, квар­цевого песка и фосфатного затворителя получают кварцевый бе­тон, который уступает динасовому в прочности (до 25 МПа) из - за полиморфных превращений кварца. Из молотого шамота на фос­фатных затворителях, часто с добавкой глинозема, готовят связу­ющее для шамотного бетона, характеризующегося огнеупорнос­тью 1 660 °С и прочностью при сжатии 40 МПа и выше. Корунд - муллитовый фосфатный бетон, состоящий из корундмуллитового шамота (95 %), глины (5 %) и фосфорной кислоты, обладает ог­неупорностью до 1 850 °С и прочностью при сжатии до 80 МПа. Для отвердевания фосфатных бетонов требуется повышение тем­пературы до 100... 600 °С.

При обычной температуре отвердевает магнезиальный фосфат­ный бетон. В основе его твердения лежит реакция между оксидом магния и ортофосфорной кислотой, которая протекает интен­сивно с выделением значительного количества теплоты (105 Дж/ моль): MgO + Н3РО4 + 2Н20 -» MgHP04-3H20. Отличительной особенностью этого бетона является очень высокая прочность —

80.. . 120 МПа. Огнеупорность его составляет 1 650°С.

Асфальтовый бетон. Асфальтовый бетон (см. подразд. 13.10) получают в результате отвердевания смеси, состоящей из битума, минерального порошка, песка и щебня или гравия.

Полимербетон. Полимербетон (см. подразд. 14.15) в качестве связующего вещества содержит в основном термореактивные смо­лы.

Бетонополимер. Бетонополимер (см. подразд. 14.15) — это бе­тон, поры которого заполнены полимером.