Основы технологии бетона и железобетона

Технология бетона и железобетона ‑ наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления бетонных и железобетонных изделий, практическом их воплощении.

Бетон ‑ искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего вещества, заполнителей, специальных добавок и воды.

Железобетон - строительный материал, в котором соединены в монолитное целое затвердевший бетон и стальная арматура.

Бетонные и железобетонные изделия характеризуются достаточно высокой прочностью, которая зависит от вида используемого вяжущего вещества, заполнителя, добавок, качества используемой воды, степени уплотнения бетонной смеси, условий твердения.

Прочность железобетонных изделий более высокая, чем бетонных. Это обусловливается тем, что бетон при затвердевании прочно сцепляется со стальной арматурой, и под действием внешних сил оба материала работают совместно благодаря тому, что имеют близкие по значению коэффициенты температурного расширения в интервале температур до 100 °С. При этом бетон воспринимает сжимающие усилия, а арматура ‑ растягивающие.

Бетонные и железобетонные изделия отличаются также достаточно высокими морозостойкостью и водонепроницаемостью, огнестойкостью и долговечностью.

Пористость бетона может регулироваться благодаря использованию различных заполнителей, а также специальных добавок ‑ порообразователей (пено- и газообразующие добавки). Очевидно, что с пористостью непосредственно связаны плотность и теплопроводность бетона.

К недостаткам изделий из бетона и железобетона относят большую плотность (конструкции получаются достаточно массивными), повышенную по сравнению с другими строительными материалами тепло- и звукопроводность.

Тем не менее, бетон и железобетон достаточно технологичны, что обусловливает достаточно широкое применение этих материалов и изделий на их основе в строительном производстве. Основным показателем качества бетона является прочность при сжатии, по которой устанавливается марка бетона.

Бетон и железобетон являются сравнительно новыми строительными материалами, поэтому технология бетона и железобетона в последнее время бурно развивается в направлении создания бетонополимерных композиций (см. подробнее параграф 15.1), а также предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Основными классификационными признаками строительных бетонов являются назначение, вид вяжущего, плотность, размеры заполнителя, структура.

По назначению бетоны подразделяются на конструкционные (используемые при приготовлении строительных изделий и конструкций, работающих в обычных условиях) и специальные (гидротехнический, теплоизоляционный, жаростойкий, кислотоупорный, дорожный, декоративный и др.).

По виду вяжущего вещества бетоны могут быть цементными, известковыми (силикатными), гипсовыми, полимерными и др.

По плотности бетоны подразделяются на особо тяжелые (плотностью более 2500 кг/м³), тяжелые (плотностью 1800 ‑ 2500 кг/м³), легкие (плотностью 500 ‑ 1800 кг/м³) и особо легкие (плотностью менее 500 кг/м³).

По размерам заполнителя бетоны бывают крупнозернистые (размер частиц заполнителя свыше 10 мм) и мелкозернистые (размер частиц заполнителя менее 10 мм).

По структуре бетоны подразделяются на плотные, пористые, ячеистые.

Основными классификационными признаками железобетонных изделий являются вид армирования, внутреннее строение, плотность, назначение, конструктивные особенности.

По виду армирования железобетонные изделия подразделяются на изделия с ненапрягаемой и напрягаемой арматурой (предварительно напряженный железобетон). Предварительно напряженный железобетон имеет повышенные трещиноустойчивость и сопротивление динамическим нагрузкам. Он более долговечен, создает возможность снижения массы железобетонных конструкций.

По внутреннему строению железобетонные изделия могут быть сплошными и пустотелыми, однослойными и многослойными (для каждого слоя используются разные виды бетона).

По плотности железобетонные изделия подразделяются так же, как и бетонные.

По назначению железобетонные изделия делятся на изделия для зданий (жилых, общественных, промышленных) и сооружений (транспортного, гидротехнического, энергетического и других видов строительства).

В номенклатуру изделий для зданий входят элементы фундаментов, стеновые панели и блоки, междуэтажные перекрытия, колонны, лестницы, фермы и др.

Номенклатура изделий для сооружений включает сваи, шпалы, пролетные строения, плиты, столбы, опоры линий электропередач, мостов и др.

По конструктивным особенностям железобетонные изделия бывают следующих видов: монолитные, сборные, сборно-монолитные.

Монолитные железобетонные конструкции получают непосредственно на строительной площадке с выполнением операций по установке опалубки, монтажу арматурных каркасов и укладке бетонной смеси. После приобретения бетоном достаточной прочности (не менее чем через неделю) опалубку разбирают и в случае необходимости наращивают.

Сборные железобетонные конструкции изготовляют на специализированных заводах, затем из них на строительной площадке монтируют здания или сооружения.

Сборно-монолитные конструкции представляют собой сочетание первых двух видов изделий. Их используют главным образом при возведении массивных конструкций или индивидуализации строительных конструкций, выполненных из типовых стандартизированных элементов.

Как отмечалось ранее, основными сырьевыми материалами для изготовления железобетонных изделий являются вяжущее вещество, заполнители, специальные добавки, арматура и вода.

В качестве вяжущих материалов наиболее широко используют портландцемент, известь, гипс. Вяжущее вещество предопределяет в первую очередь прочностные свойства изделия.

В качестве заполнителей наиболее широко применяют песок, гравий, щебень, аглопорит, металлургические шлаки, керамзит и др. Выбор заполнителя зависит главным образом от назначения и вида железобетонной конструкции. Использование заполнителей в общем случае уменьшает стоимость и прочность готовых изделий.

Специальные добавки придают железобетонному изделию особые потребительские свойства или облегчают процесс его получения. Наиболее распространенными добавками являются пластификаторы, красители, ускорители твердения, газообразователи, воздухововлекающие, гидрофилизирующие, гидрофобизирующие и др.

Для армирования железобетонных конструкций используется стержневая и проволочная арматура. Стержневая арматура изготовляется из углеродистых и низколегированных горячекатаных и термически упрочненных сталей. Арматурная проволока подразделяется на два вида: для ненапрягаемых железобетонных (низкоуглеродистая сталь) и предварительно напряженных конструкций (углеродистая сталь).

К воде, используемой при приготовлении бетонной смеси, предъявляются особые требования. В частности, она не должна содержать механических примесей, примесей масел, солей, кислот.

Таким образом, свойства железобетонного изделия (требуемая прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость и др.) предопределяются правильным подбором состава бетона, а именно, определением оптимального соотношения массовых долей составляющих бетонной смеси при наименьшем расходе вяжущего вещества.

Вне зависимости от вида и назначения железобетонных изделий в технологии железобетона выделяют следующие основные стадии:

• изготовление и подготовка форм;

• изготовление и подготовка арматуры;

• приготовление бетонной смеси;

• установка арматуры в формы;

• формование изделия;

• твердение бетонной смеси;

• тепловлажностная обработка;

• выемка готового изделия из формы;

• отделка поверхности изделия.

Форма воспроизводит наружные очертания железобетонного изделия, она должна быть прочной, жесткой и использоваться многократно. Формы бывают разборными или неразборными, их изготовляют, как правило, из стали обыкновенного качества, а также из древесины или пластмасс. При многократном использовании для изготовления каждого последующего изделия форма должна быть подготовлена, т.е. собрана (если она разборная), очищена от прилипших остатков бетонной смеси и смазана специальным составом (водомасляной эмульсией), препятствующим прилипанию бетонной смеси к форме.

При изготовлении и подготовке арматуры подбираются стержни и проволока требуемого диаметра сечения. Они очищаются от окалины и ржавчины, режутся на заданные мерные длины, выпрямляются или изгибаются в зависимости от конструкции железобетонного изделия и скрепляются (сваркой или с помощью монтажных петель, хомутов и др.), формируя арматурный каркас или сетку. Кроме того, на поверхность арматуры наносится антикоррозионная обмазка.

Приготовление бетонной смеси является ключевой стадией изготовления железобетонных изделий. Оно состоит из стадий

дозировки исходных материалов и их перемешивания. Точность дозировки компонентов смеси является основным условием получения бетона с заданными свойствами. Дозировка производится с помощью дозаторов (мерников) непрерывного или периодического действия. Перемешивание бетонной смеси осуществляют в специальных бетоносмесителях непрерывного или периодического действия с принудительным или гравитационным (при свободном падении смеси) перемешиванием. Продолжительность перемешивания зависит от состава бетонной смеси и емкости смесителя.

Установка арматуры в заранее подготовленные формы производится в соответствии с чертежами железобетонного изделия.

Формование железобетонного изделия заключается в укладке бетонной смеси в форму, уплотнении смеси и выравнивании поверхности изделия. При укладке бетонной смеси должно быть обеспечено равномерное (без воздушных пузырей) заполнение всего объема формы (особенно суженных мест и углов). Уплотнение бетонной смеси осуществляют вибрированием, прессованием, прокаткой, центрифугированием, вакуумированием или сочетанием вышеперечисленных методов (например, вибропрессование).

Твердение железобетонного изделия представляет собой физико-химический процесс. Сроки схватывания бетонной смеси зависят от вида вяжущего, его марки и состава, а также массового соотношения вяжущего, заполнителей, добавок и воды. С повышением температуры и влажности окружающей среды скорость твердения бетона возрастает. Поэтому процесс твердения может длиться от нескольких часов до нескольких суток, при этом марочная (окончательная) твердость бетона достигается по прошествии как минимум месяца со дня формования.

Тепловлажностная обработка при прочих равных условиях позволяет значительно ускорить процесс твердения бетонной смеси. Различают обработку при нормальном давлении и температуре 80‑100 °С (пропаривание в камерах, контактный обогрев, электроподогрев и др.) и повышенном давлении и температуре 170‑200 °С (автоклавная обработка и др.).

Выемку готового изделия в зависимости от его размеров и конструкции осуществляют с помощью грузоподъемных механизмов при полной или частичной разборке формы.

Отделка поверхности железобетонного изделия заключается в придании поверхности требуемых свойств (главным образом защитных, декоративно-эстетических) и осуществляется посредством облицовки (керамической плиткой, мраморной крошкой, боем стекла и др.), шпатлевания или покраски.

* Таким образом, процесс производства железобетонных изделий включает практически все разновидности (за исключением биологических) базовых процессов промышленного.

Производство железобетонных изделий в заводских условиях может быть организовано по двум схемам: в неподвижных формах (стационарно-поточное производство) и в подвижных (прерывно-поточное и непрерывно-поточное производство).

При стационарно-поточном производстве изделия в течение всего технологического процесса находятся на одном месте, а технологическое оборудование и обслуживающий персонал перемещаются относительно формы. Это производство имеет две разновидности ‑ стендовое и кассетное. Стендовый способ характеризуется изготовлением только одного изделия (как правило, массивного), в то время как при кассетном способе одновременно изготавливается несколько изделий в кассете ‑ форме с несколькими отсеками. В данном случае стационарны не только изделия, но и основное оборудование, а перемещается лишь обслуживающий персонал. Стационарно-поточное производство характеризуется невысокой степенью механизации и автоматизации и значительным удельным весом живого труда. Оно целесообразно на предприятиях небольшой мощности в условиях единичного производства.

При прерывно-поточном производстве все технологические операции осуществляются на стационарных специализированных постах, при этом формы перемещаются от одного рабочего поста к другому. Такое производство целесообразно в тех случаях, когда длительность операций производства железобетонных изделий различна. Для перемещения форм применяется пульсирующий (периодически останавливающийся) конвейер. Продолжительность остановки форм определяется временем, необходимым для выполнения отдельной операции, и может быть различной. Прерывно-поточное производство характеризуется большей степенью механизации и автоматизации, а также более высокой производительностью труда. Оно целесообразно в условиях серийного производства.

При непрерывно-поточном производстве передача форм с одного поста на другой осуществляется непрерывно с помощью конвейера, при этом все операции полностью синхронизированы. Такое производство отличается строгой ритмичностью выпуска продукции и высокой производительностью, в случае экономической целесообразности оно может быть полностью автоматизировано. Однако по такой схеме может выпускаться только одна разновидность железобетонных изделий. При переходе на выпуск других изделий необходима переналадка конвейера. Непрерывно-поточное производство целесообразно в условиях массового производства железобетонных изделий.

Необходимо отметить, что на крупных заводах по производству железобетонных изделий могут одновременно использоваться все формы организации производства, при этом выбор соответствующей формы организации процесса производства железобетонных изделий должен быть технически обеспечен и экономически обоснован.

Основными направлениями развития технологии железобетонных изделий являются следующие:

• улучшение технологии производства железобетонных изделий за счет совершенствования процессов приготовления бетонной смеси, разработки эффективных методов формования и тепловлажностной обработки, использования новых составов бетонных смесей и видов армирующих каркасов и сеток, мало отходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии);

• увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству железобетонных изделий (эволюционное развитие технологии);

• повышение уровня механизации и автоматизации трудоемких стадий производства железобетонных изделий (рационалистическое развитие технологии).