Вяжущие материалы. Бетон и железобетон

Вяжущие материалы — это минеральные и органические вещества, применяемые для изготовления бетонов и строительных растворов, скрепления (омоноличивания) отдельных элементов строительных конструкций, гидроизоляции (создания водонепроницаемых покрытий).

К минеральным вяжущим материалам относятся порошкообразные вещества, образующие при смешивании с водой пластичную массу, которая постепенно затвердевает, образуя прочное камне-видное тело. Различают гидравлические вяжущие — материалы, которые после смешивания с водой и предварительного затвердевания на воздухе сохраняют свою твердость и продолжают упрочняться («набирать» прочность) в воде — это разновидности цементов, гидравлическая известь. Воздушные вяжущие — это вещества, которые способны твердеть и сохранять прочность только на воздухе (гипс, воздушная известь, жидкое стекло).

В метростроении в основном применяют гидравлические вяжущие, чаще всего — цементы. Основой цементов является тонко раз-молотый цементный клинкер — обожженная до спекания смесь известняка или мергеля и глины. Добавка строительного гипса (получаемого обжигом природного гипса) позволяет получать цементы с уменьшенными сроками схватывания — портландцементы, добавкой шлаков получают шлакопортландцементы. Добавление к этим разновидностям цемента специальных минеральных добавок дает быстротвердеющие портландцемент и шлакопортландцемент, отличающиеся повышенной прочностью через трое суток твердения.

Показателем прочности цемента является его марка (чем выше марка, тем больше прочность). Выпускают портландцементы пяти марок: 300, 400, 500, 550 и 600.

На основе глиноземистого клинкера получают глиноземистый и гипсоглиноземистый цементы. Эти цементы используют для получения быстротбердеющих строительных растворов и бетонов. Глиноземистый цемент является продуктом тонкого помола клинкера, получаемого путем обжига до оглавления смеси бокситов и известняков. Его марки: 400, 500 и 600. Применяют этот цемент в случае, когда портландцемент не обеспечивает требуемой долговечности конструкций или необходим их быстрый ввод в эксплуатацию.

На основе глиноземистого цемента созданы быстротвердеющие гидравлические вяжущие вещества — расширяющиеся и безусадочные цементы (марки БУС), применяемые при чеканке швов сборной тоннельной обделки.

В метростроении для первичного нагнетания за тоннельную обделку используют цементно-песчаные (строительные) растворы — смеси цемента, песка и воды. Составы таких растворов (соотношение по массе количества цемента и песка, например, 1 : 2 или 1 : 4) принимают в зависимости от необходимой прочности и назначения раствора. Растворы, в которых имеются несколько различных вяжущих и введены добавки для улучшения технологических свойств,, называют смешанными (например, известково-цементно-песчаный).

Бетоном называют искусственный строительный материал, получаемый в результате твердения смеси из вяжущего, воды, заполнителей (песка, гравия или щебня) и в необходимых случаях — специальных добавок. Активными веществами в бетоне являются цемент и вода. Состав бетона условно можно обозначить соотношением: 1 : х : у. Это значит, что в состав бетона входят одна часть (по массе) цемента, к частей песка и у частей щебня или гравия. Прочность бетона зависит от прочности заполнителей, активности цемента и водоцементного отношения. Излишняя вода снижает качество бетона, так как при ее испарении образуются поры.

Прочность бетона определяют испытанием кубиков размерами 15×15 × 15 см через 28 сут твердения. Предел кубиковой прочности бетона определяет марку бетона. Бетон марок М50, М75 и М100 применяют для конструкций и сооружений с низкими напряжениями (фундаменты, внутренние массивы и т. д.). Для железобетонных конструкций в промышленном и гражданском строительстве используют бетоны более высоких марок: М200, М250 и МЗОО. В тоннельных конструкциях применяют бетоны марок от М200 до М400, в отдельных конструкциях — до М600. Так, для изготовления железобетонных шпал применяют бетон М500, а тюбингов обделки тоннеля — М600.

Железобетоном называют сочетание бетона и стальной арматуры, монолитно соединенных и работающих в конструкции как единое целое. Совместная работа материалов в железобетоне обеспечивается прочным сцеплением бетона с арматурой и близостью значений температурных коэффициентов линейного расширения обоих материалов. В этом материале бетон воспринимает сжимающие усилия, а арматура — растягивающие. Достоинства железобетона — высокая прочность, долговечность, простота формообразования. Термин «железобетон» иногда употребляют как собирательное название железобетонных конструкций и изделий.

В метростроении большинство сборных конструкций изготавливают из железобетона (это блоки и тюбинги тоннельной обделки, элементы цельносекционной обделки тоннелей мелкого заложения, колонны, плиты перекрытия и другие элементы станций, строящихся открытым способом).

К органическим вяжущим материалам относятся вещества органического происхождения, обладающие способностью под влиянием физических или химических процессов переходить из пластич-ного состояния в твердое или малопластичное (битум, асфальт и др.). Эти вещества в метростроении используются обычно для гидроизоляции конструкций.

Металлические изделия

В метростроении применяются в основном изделия из чугуна (тюбинги), стали (арматура, сваи, анкеры, элементы рельсового пути), алюминия (облицовочные элементы).

Чугунные тюбинги отливают из серого чугуна, обладающего высокой устойчивостью против коррозии. При отливке тюбингов завод ставит на каждом из них свой знак, номер плавки, а также марку тюбинга, указывающую его место в кольце обделки. Знак ставят на внутренней поверхности спинки тюбинга вблизи от отверстия для нагнетания.

Стальную арматуру гладкого и периодического профиля применяют для армирования железобетонных конструкций. Кроме толстой стержневой арматуры, используют арматурную проволоку диаметром от 3 до 8 мм. Из арматурной стали периодического профиля изготавливают также анкеры.

Из стального проката изготовляют изделия различного профиля: «уголки», двутавровые балки, швеллеры, железнодорожные рельсы.

Для устройства временного крепления вертикальных стен котлованов используют сваи из стальных двутавровых балок или шпунтовые сваи (сваи плоского, корытообразного или Z-образного профиля, длинные кромки которых выполнены в виде «замка» с пазом). При соединении таких свай образуется сцлоЩная свайная стенка без зазоров. Для распорок (расстрелов) используют стальные трубы.

В качестве металлической изоляции ответственных подземных сооружений в местах высокого напора подземных вод применяют листовую сталь толщиной 8-12 мм.

Из стали изготавливают также бурильный инструмент, кузнечные изделия (скобы, хомуты, накладки) для устройства временной деревянной крепи и других конструкций, подвески трубопроводов.

Металлические конструкции, особенно стальные, подвержены коррозии, этот процесс особенно усиливается во влажных условиях, поэтому на поверхность металлических конструкций наносят лакокрасочные покрытия в два слоя.

В последние годы все более широкое применение при строительстве метрополитенов находят алюминиевые сплавы, которые обладают высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью, а потому не требуют окраски. Профили из алюминиевых сплавов используют для устройства подвесных потолков в эскалаторных тоннелях и на станциях («зонтов»), облицовки путевых стен и колонн.

Лесоматериалы

Материалы из древесины, сохранившие ее природную физическую структуру, называют лесоматериалами и подразделяют на необработанные и обработанные. Необработанные лесоматериалы (круглый лес) получают из спиленных деревьев после очистки их от ветвей и распиливания поперек ствола на части требуемой длины. В строительстве применяют круглый лес, освобожденный от коры.

Круглый лес хвойных пород в метростроении, как правило, применяют в качестве материала для устройства крепи, предохраняющей верх (кровлю) и стенки выработок от вывала горных пород. Деревянные крепи просты по конструкции, удобны в установке, но недолговечны и огнеопасны.

Круглый крепежный лес применяют для изготовления рамной крепи вспомогательных выработок, венцовой крепи неглубоких вертикальных выработок прямоугольного сечения, при сооружении тоннелей и камер с разработкой забоя по частям (способы опорного ядра, опертого свода и т. д.).

В зависимости от диаметра ствола круглый лес подразделяют на: бревна (диаметром 16-24 см — средние, диаметром более 24 см — крупные), подтоварник (диаметром от 8 до 13 см), жерди (диаметром от 3 до 7 см).

При установке рамной крепи штолен используют: для верхня-ков бревна диаметром 20-30 см, для стоек бревна диаметром 18— 26 см, для лежней бревна диаметром 16-26 см.

Применяемый для крепления круглый лес должен быть ошкурен (освобожден от коры) и иметь опиленные перпендикулярно оси бревен концы.

Рис. 6. Пиломатериалы:
а-в — пиленый лес; а-лежни (бревна, опиленные на два канта); б-брусья (бревна, опиленные на четыре канта); в — пластины (бревна, распиленные пополам); г — схема распила бревна на доски; 1 — горбыль; доски: 2 — необрезная; 3 — полуобрезная; 4 — обрезная

К обработанным лесоматериалам относятся пиломатериалы (рис. 6), получаемые путем продольной распиловки бревен.

Пиломатериалы разделяют:

по размерам поперечного сечения — на доски (их ширина более двойной толщины), бруски (их ширина не более двойной толщины), брусья (их толщина и ширина более 100 мм);

по толщине — на тонкие (толщиной до 32 мм), толстые (толщиной 40 мм и более);

по характеру обработки — на обрезные (все четыре стороны пропилены), полуобрезные (широкие поверхности — пласти — пропилены, а кромки пропилены частично), необрезные (пласти пропилены, а кромки не пропилены).

Для крепления горных выработок применяют обапол и доски хвойных пород. Обапол — пиломатериал, полученный из боковой части бревна, разделяют на горбыльный (с выпуклой поверхностью, непропиленной или пропиленной частично) и дощатый (если выпуклая поверхность спилена более чем наполовину).

Пиломатериалы применяют в тоннеле— и метростроении при устройстве затяжки (заборки), настилов, лесов и т. д.

На линиях метрополитенов в путь укладывают сосновые обрезные шпалы-коротыши длиной 900 мм или шпалы стандартной длины.

Полуфабрикаты и строительные детали и изделия получают при последующей обработке пиломатериалов. Строганые и шпунтованные доски применяют для устройства полов, перегородок, обшивки стен и т. д. Шпунтованные доски и бруски на одной стороне имеют шпунт (выемку), а на другой — гребень (выступ).

Контрольные вопросы

Какие каменные материалы применяют в метростроении?

Какие материалы называют вяжущими и каковы их основные свойства?

Перечислите метадлические изделия, применяемые в метростроении.

Перечислите группы лесоматериалов.