|
Столетиями бетон использовали как долговечный строительный материал. В начале XX века, с появлением стального армирования, бетон становится наиболее широко применяемым строительным материалом в мире. Долговечный и малоподверженный коррозии бетон противостоит воздействию солнечных лучей, влаги, микроорганизмов и проникновению химических элементов. Бетон способен выдержать давление до 1000 кгс/кв. см, но при этом имеет относительно низкую прочность на разрыв и изгиб. В зависимости от доступности сырья и альтернативных строительных материалов бетон может быть относительно недорогим в производстве и технологичным при изготовлении сложных строительных конструкций.
Бетон состоит из портландцемента, мелкого и крупного наполнителя, воды, различных добавок и воздуха. Портландцемент получил свое название в Англии в начале XIX века ввиду сходства со строительным камнем, который использовали на острове Портланд близ Британского побережья.
Портландцемент изготовливают путем измельчения и смешивания известняка и глиносодержащих пород (глинозема, глинистого сланца, доменного шлака). Смесь равномерно обжигают до спекания в ротационной печи. Получаемый при этом продукт именуют клинкером. Его охлаждают и перемалывают в порошок, который и образует портландцемент. В процессе перемалывания в клинкер добавляют различные ингредиенты для получения разных типов цемента.
Цемент, смешанный с водой, образует вяжущее. Добавляя мелкий наполнитель в вяжущее, получают раствор, а добавляя крупный наполнитель в раствор, - бетонную смесь. В качестве мелкого наполнителя используют песок, крупного - щебень или гравий фракций от 5 до 40 мм.
При изготовлении бетона применяют специальные минеральные добавки - пуццоланы, которые представляют собой разновидности вулканических туфов. Цементирующими веществами в них являются пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла.
Для придания бетону определенных рабочих характеристик в него добавляют следующие компоненты:
· химически активные:
· влагоуменьшающие;
· замедляющие твердение;
· ускоряющие твердение;
· воздухововлекающие добавки:
· латексные модификаторы;
· акриловые модификаторы.
Добавки используют для снижения стоимости бетона и изменения таких его характеристик, как удобоукладываемость, сроки схватывания, плотность, пористость, долговечность и прочность.
Объемное содержание воздуха в бетонной смеси обычно составляет от 3 до 8 %. Воздушные полости образуются при использовании воздухововлекающих химических добавок для повышения морозостойкости бетона, а также при замесе бетона и во время его укладки.
Все упомянутые компоненты, смешанные вместе, затвердевают и образуют практически монолитную бетонную массу. Свойства и качество бетона в значительной мере зависят от типа и качества компонентов и отношения количества воды к содержанию цемента. Это водоцементное отношение (ВЦО) устанавливает прямую связь между количеством воды на весовую часть цемента и прочностными характеристиками бетона. Чем ниже ВЦО, тем выше прочность бетона.
Прочность на сжатие, разрыв и изгиб.
Наиболее часто упоминаемая характеристика бетона - предел прочности на сжатие. Несмотря на то, что этот показатель является важной структурной характеристикой, по сравнению с характеристиками прочности на разрыв и изгиб он менее всего влияет на полимерное покрытие, нанесенное на бетон. Обычно прочность на разрыв составляет около 10 % прочности на сжатие. Адгезия полимерных материалов к бетону ограничена его малой прочностью на разрыв. Именно этот недостаток бетона является основной причиной образования трещин во время его высыхания. Низкая прочность бетона на изгиб в свою очередь приводит к образованию трещин в бетоне под нагрузкой.
Усилие на отрыв большинства эпоксидных покрытий намного выше прочности бетона на разрыв. Например, эпоксидное покрытие на стали может иметь усилие на отрыв 85 кгс/кв. см, в то время как на бетоне марки М250 тот же материал может иметь усилие на отрыв всего лишь 25 кгс/кв. см (10 % от 250 кгс/кв. см - прочности на сжатие бетона марки М250). Из-за низкой прочности бетона на изгиб происходит его растрескивание, что почти всегда отражается на покрытии, если не принять предупредительные меры при проектировании бетона или полимерной системы.
Ввиду низкой прочности бетона на разрыв и изгиб его необходимо армировать. Сегодня наиболее широко применяют стальное армирование, а также объемное армирование волокнами, которые добавляют в бетон перед укладкой. Полимерные волокна обычно имеют диаметр несколько микрон и длину от 19 до 38 мм. Используют также металлическую стружку такой же длины и толщиной несколько миллиметров. Волокна позволяют повысить прочность бетона на разрыв и изгиб и, соответственно, снизить трещинообразование, особенно в период усадки.
Отделка бетонной поверхности
Отделку поверхности свежеуложенного бетона производят различными способами вручную или механически в зависимости от требований, предъявляемых к текстуре поверхности.
Плотную затирку стальным инструментом выполняют многократно, при этом поверхность бетона упрочняется и значительно уплотняется на глубину около 3 мм. Этот вид отделки позволяет получить гладко отшлифованную поверхность, особенно если операцию выполняют затирочной машиной (<вертолет>). Необходимо учитывать, что перед нанесением полимерного покрытия поверхность следует сделать немного шероховатой.
При помощи легкой затирки стальным инструментом проводят минимальную отделку поверхности. Эта процедура предваряет последующее нанесение полимерных материалов.
Заглаживание поверхности свежеуложенного бетона производят специальным мастерком (обычно из дерева или магния) для уплотнения поверхностного слоя и утапливания мелкого и крупного наполнителя. Поверхность при этом приобретает текстуру наждачной бумаги. В общем случае текстура зависит от материала, из которого изготовлен мастерок.
При отделке щеткой по поверхности еще пластичного бетона протаскивают широкую щетку (обычно со средней щетиной). Данную операцию выполняют после заглаживания. Получаемая текстура зависит от состава бетонной смеси, жесткости щетины, давления на щетку и времени выполнения операции. По этим причинам такую отделку проводят редко.
Одними из специальных материалов для отделки бетона являются сухие упрочнители бетона. Они состоят из минерального или металлического наполнителя, смешанного с цементом и специальными добавками. Смесь равномерно рассыпают по поверхности пластичного бетона во время операции машинной затирки. В результате поверхность приобретает высокую абразивную стойкость и плотность в два-три раза выше плотности обычного бетона. В зависимости от нормы расхода поверхность упрочняется на глубину от 1,5 до 3 мм. Ввиду высокой плотности и твердости сухих упрочнителей предъявляют особые требования к качеству отделки поверхности.
Твердение бетона
Из технических характеристик полимерных материалов и рекомендаций их производителей следует, что перед их нанесением на бетон должно пройти не менее 28 дней, чтобы бетон успел набрать прочность. Это условие связано с временной зависимостью процесса гидратации цемента (химическая реакция цемента с водой), который непосредственно соотносится с ростом прочности. Обыкновенная бетонная смесь набирает 80 % прочности в течение семи дней и 100 % расчетной прочности не более чем через 28 дней. Эти значения указывают на то, что цемент, используемый в бетонной смеси, в основном прошел процесс гидратации, хотя она может продолжаться и далее (в меньшей степени) в течение нескольких лет. Эти значения не позволяют определить соотношение возраста бетона и количества оставшейся в нем избыточной влаги.
Для полной гидратации цементу требуется не более 22-28 % воды от его веса, т.е., ВЦО, равное 0,22-0,28. Однако с таким количеством воды бетон пригоден только для сухой фасовки. Чтобы сделать смесь более пригодной для использования, добавляют еще некоторое количество воды.
Бетонная смесь марки М250 со стандартными воздухововлекающими и влагоуменьшающими добавками для получения ВЦО 0,40 содержит в 1 куб. м 278 кг цемента и 112 л воды. Избыточное ВЦО 0,15 (0,40 - 0,25) при весе цемента 278 кг дает 42 л избыточной воды, которая не будет использована в процессе гидратации. Этому излишку воды нужно позволить выйти, поддерживая при этом влажность, необходимую для процесса гидратации.
Благодаря капиллярному процессу в бетоне большая часть избытка воды будет выходить на поверхность до тех пор, пока пластичный бетон схватывается и поверхность подвергают отделке. Образование капилляров является причиной высокой пористости и проницаемости бетона, которые будут рассмотрены ниже.
В соответствии с условиями эффективной защиты бетона в период набора прочности для достижения им требуемых физических свойств влага должна удерживаться в затвердевшем бетоне (в зависимости от температуры, влажности, типа цемента и используемых добавок) в течение трех-семи дней. Считается, что бетон требует защиты от выхода влаги до тех пор, пока он не набрал 80 % расчетной прочности. Эту защиту выполняют одним из следующих способов:
· заливкой водой;
· периодическим поливанием из шланга;
· покрытием мокрой мешковиной;
· покрытием листовой мембраной (пленкой), удерживающей влагу;
· обработкой жидким мембранным материалом.
При использовании жидких мембранных материалов на поверхности бетона образуется пленка или остается затвердевший материал. В случае последующего нанесения полимерных материалов на поверхность бетона эти остатки удаляют механическим способом, например при помощи пескоструйной, дробеструйной или другой абразивной обработки.
Уязвимость бетона
Проницаемость
Бетон представляет собой щелочной материал с pH 12-13, поэтому чувствителен к воздействию химикатов с pH менее 7, т. е. кислот. В кислотной среде степень деградации бетона непосредственно связана с его проницаемостью (пористостью) и реактивностью. Реактивность определяет степень воздействия на бетон различных химикатов. Составляющими реактивности являются:
· влажность. Сухие химикаты редко воздействуют на сухой бетон. Влага в самом бетоне или снаружи, как правило, увеличивает реактивность химикатов;
· температура. Повышение температуры на 10 °С удваивает химическую реактивность;
· концентрация. Увеличение концентрации химикатов увеличивает химическую реактивность;
· проницаемость также является той переменной, которая определяет степень проникновения химикатов в бетон или его пропитки ими. Проницаемость зависит от следующих факторов:
· температуры. Влага и жидкие химикаты скапливаются на участках с пониженной температурой;
· ВЦО. Оно определяет избыточное количество воды, которое должно высвободиться;
· фракции наполнителей. Используемые наполнители определяют размеры и количество пустот, которые должны быть заполнены связующим, что непосредственно влияет на плотность и, следовательно, проницаемость бетона;
· химических добавок. Тип и количество используемых химических добавок непосредственно влияет на эффективность процесса гидратации портландцемента. Повышение эффективности гидратации приводит к росту кристаллических образований, уплотняющих бетон. Правильно подобранные и использованные химические добавки могут уменьшить проницаемость бетона;
· воздушных полостей. Причины образования воздушных полостей в бетоне, влияющих на проницаемость, следующие:
1. Использование воздухововлекающих добавок. Превышение нормы таких добавок может явиться причиной повышенного содержания воздуха и, соответственно, повышенной проницаемости;
2. Захват воздуха при замесе и укладке бетона. Чрезмерное перемешивание и формование бетона могут стать причиной увеличения количества вовлеченного воздуха и повышенной проницаемости.
Решить проблему проницаемости бетона важно еще при его производстве. Из-за этого недостатка бетона в него проникает влага, химикаты и различные загрязнения, что вызывает необходимость применения защитных покрытий. В свою очередь выход влаги и загрязнений из бетона влияет на качество уже нанесенных покрытий.
Влажность
Значительная часть всех строительных претензий так или иначе связана с разрушающим действием влаги. По этой причине важно выяснить, каковы источники влаги в бетоне.
Очевидный источник - видимая влага на поверхности бетона перед нанесением материалов на полимерной основе. Независимо от того, имеет ли данный материал способность твердеть в присутствии влаги, его адгезия к поверхности будет ослаблена по сравнению с адгезией к поверхности сухого бетона. Ввиду пористости бетона рекомендуют применять проникающие праймеры (грунтовки). На насыщенном влагой бетоне полимерный праймер вытесняет влагу или уменьшает ее проникновение.
Другой источник - влага на поверхности, образующаяся при температуре точки росы. Это температура, при которой влага конденсируется на поверхности. Когда теплый окружающий воздух в условиях высокой относительной влажности контактирует с более холодной поверхностью бетона, на ней собирается влага, которую трудно обнаружить, пока результат ее действия не станет очевиден. В таких условиях нанесение полимерного материала следует производить при понижающейся температуре окружающего воздуха.
В бетоне могут происходить следующие процессы, связанные с влагой:
· Гидростатическое давление. Это явный напор воды, оказывающий давление на структуру бетона. Вес воды создает давление (положительное или отрицательное), которое зависит от высоты водяного столба. В качестве примеров можно привести бетонную структуру ниже нулевой отметки, на которую попадает дождевая вода, или бетонную плиту, на которую давят снизу грунтовые воды;
· Капиллярные явления, или влага, проникающая сквозь бетон под давлением, которое возникает, когда источник влаги контактирует с микроскопическими волосяными полостями в пористой бетонной поверхности;
· Испарение, т. е. переход воды в паро- или газообразное состояние. Это результат естественного процесса, и явного источника влаги может не быть. Именно за счет испарения бетон <дышит> и выпускает влагу;
· Газовыделение. Временное состояние, обычно возникающее при нанесении полимерных покрытий, как правило полиуретановых и метакрилатных, когда компоненты покрытия несовместимы с влагой внутри или на поверхности бетона. Возникает химическая реакция, при которой образуется углекислый газ, поднимающийся на поверхность незатвердевшей жидкой смолы. Газовыделением часто неверно называют образование воздушных пузырьков в праймере или покрытии, вызванное замещением воздуха в бетоне или выпуском воздуха, захваченного при перемешивании полимерного материала.
В результате вышеописанных явлений на поверхности покрытия образуются пузыри. Зачастую они становятся причиной расслоения поверхности, которое, прогрессируя, приводит к полному разрушению напольной системы. Химикаты, попавшие в бетон до нанесения покрытия, вызывают проблемы с адгезией сразу или в течение нескольких недель после нанесения.
Обнаружение избытка влаги
Обнаружение избытка влаги или вредных химикатов в бетоне довольно затруднительно и, как правило, не предполагает получение абсолютных величин. Тем не менее некоторые методы дают положительные результаты.
С помощью метода пластиковой пленки определяют капиллярную влагу в бетоне. Бетон накрывают листом полиэтилена (площадью 45 х 45 см и толщиной 0,15 мм и более) по крайней мере на 16 часов. Затем на нижней стороне листа визуально определяют наличие влаги. Таким способом проверяют каждые 50 кв. м поверхности.
Для обнаружения избыточной влаги применяют также тестеры, например такие, в которых для количественной оценки испарения влаги из бетона используют хлорид кальция. Таким тестером проверяют каждые 100 кв. м поверхности.
Обнаружение химических загрязнений
Обнаружение химических загрязнений в бетоне может быть как относительно простой, так и сложной дорогостоящей процедурой, в зависимости от степени загрязнения и важности по отношению к покрытиям.
При лакмусовом тесте на влажную поверхность бетона накладывают лакмусовую бумагу, которая позволяет определить рН бетона. Показатель рН ниже 10 означает наличие кислотного загрязнения. Чем ниже значение, тем выше степень загрязнения.
Для проведения лабораторного титриметрического анализа на наличие специфических загрязнений бетон размельчают и смешивают с дистиллированной водой.
Использование спектрографического анализа для изучения бетона не только может дать точную информацию о загрязнениях, но и позволяет определить первоначальный состав бетонной смеси и вероятные причины дефектов бетона.
Обычная паяльная лампа может быть использована для выявления масляных загрязнений вблизи поверхности бетона. Лампу ставят на расстоянии 60 см от поверхности на 8 часов. По истечении этого времени визуально определяют наличие загрязнений на бетоне.
Вода, нанесенная на поверхность бетона, содержащего растворимые загрязнения, скапливается в виде луж или капель. На незагрязненной поверхности вода впитывается, на что указывает потемнение бетона. | 
