Сила и слабость бетона

С начала XX века, с появлением стального армирования, бетон — наиболее широко применяемый строительный материал в мире. Долговечный и стойкий к коррозии, он противостоит солнечным лучам и влаге, большинству микроорганизмов и химических элементов. Бетон способен выдержать высокое давление, но при этом имеет относительно низкую прочность на разрыв и изгиб.

Что такое бетон

Бетон — это состав из портландцемента, мелкого и крупного наполнителя, воды, различных добавок и воздуха. Портландцемент получил свое название в Англии в начале XIX века из-за сходства со строительным камнем с острова Портланд. Изготавливается он путем измельчения и смешивания известняка и глинозема. Смесь равномерно обжигают до спекания в ротационной печи. Образующийся при этом продукт — клинкер охлаждают и затем перемалывают в порошок. Это и есть портландцемент. Добавляя небольшое количество ингредиентов, получают различные типы цемента. Цемент смешивают с водой и мелким наполнителем (песок). Из этого раствора после последующего присоединения к нему крупного наполнителя, щебня или гравия образуется бетонная смесь. В бетонную смесь вводят специальные минеральные добавки - пуццоланы, представляющие собой разновидности туфов, цементирующими веществами в которых являются пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла. Определенные рабочие характеристики бетону придают химически активные модификаторы, замедляющие или ускоряющие твердение. Добавки используются как для снижения стоимости бетона, так и для изменения его характеристик, например плотности, пористости, прочности. В бетонной смеси обычно содержится 3-8% воздуха, который появляется там 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. Прочностные свойства бетона во многом зависят от типа и качества компонентов и от соотношения количества воды к массе цемента. Чем меньше это отношение, называемое водоцементным (В/Ц), тем выше прочность бетона.

Прочность на сжатие, разрыв и изгиб

Наиболее часто упоминаемая характеристика бетона — предел прочности на сжатие. Хотя это и важная характеристика бетона, показатели прочности на разрыв и изгиб имеют не меньшее значение при дальнейшей эксплуатации бетонного покрытия. Обычно прочность на разрыв составляет около 10% прочности на сжатие. Невысокий показатель прочности на разрыв является основной причиной образования трещин во время высыхания бетона. Невысокий показатель прочности бетона на изгиб, в свою очередь, приводит к образованию трещин в бетоне под нагрузкой. Необходимо отметить, что для увеличения прочности на разрыв и изгиб бетон необходимо армировать. Применяется стальное армирование (чаще всего), а также объемное армирование волокнами, добавляемыми в бетон перед укладкой. Полимерные волокна обычно имеют диаметр несколько микрон и длину 19-38 мм. Используется также металлическая стружка толщиной несколько миллиметров и длиной такой же, как у полимерных волокон. Волокна позволяют повысить прочность бетона на разрыв и изгиб, соответственно снизить трещинообразование, особенно в период усадки.

При устройстве наливных промышленных полов показатели прочности на разрыв и изгиб непосредственно влияют на качество и срок службы полимерного покрытия нанесенного на бетон. Усилие на отрыв большинства эпоксидных покрытий намного выше прочности бетона на разрыв. Например, эпоксидное покрытие на стали может иметь усилие на отрыв 8,3 МПа, в то время как на бетоне марки М250 усилие на отрыв того же материала всего лишь 2,45 МПа (10% от 24,5 МПа - прочности на сжатие бетона марки М250). Поэтому, появление трещин в бетонном основании всегда передается на наливное покрытие, если не предпринять предупредительных мер в проектировании бетона или полимерной системы.

Отделка бетонной поверхности

В зависимости от требований, предъявляемых к текстуре пола, отделка поверхности свежеуложенного бетона производится различными способами, вручную или механически.

Плотная затирка специальным инструментом — это многократная операция, при которой поверхность бетона упрочняется и значительно уплотняется на глубину около 3 мм. При этом получают гладкую отшлифованную поверхность, особенно если используют затирочную машину («вертолет»).

Легкая затирка стальным инструментом обеспечивает минимальную отделку и является предпочтительной для последующего нанесения полимерных материалов.

Заглаживание поверхности свежеуложенного бетона выполняют специальным мастерком (обычно из дерева или магния) для легкого уплотнения поверхностного слоя.

Специальные материалы для отделки бетона, состоящие из минерального или металлического наполнителя, смешанного с цементом и специальными добавками, равномерно рассыпают по поверхности пластичного бетона во время машинной затирки. В результате обеспечивается высокая абразивная стойкость и плотность в 1,5-2 раза выше, чем у обычного бетона. В зависимости от нормы расхода поверхность упрочняется на глубину 1,5-3 мм.

Твердение бетона

Бетон достигает необходимой прочности, как минимум через 28 дней, с момента заливки. Это связано с временной зависимостью процесса гидратации цемента (химическая реакция цемента с водой), который непосредственно соотносится с ростом прочности. Обыкновенная бетонная смесь приобретает 80% прочности в течение 7 дней и 100% — не менее чем через 28 дней. Эти цифры указывают на то, что цемент, используемый в бетонной смеси, в основном прошел процесс гидратации, хотя она может и далее продолжаться (но в меньшей степени) в течение нескольких лет.

Бетонная смесь марки М250 со стандартными добавками для получения В/Ц- отношения 0,40 может содержать в 1 м3 278 кг цемента и 112 л воды. Избыточное В/Ц- отношение дает лишнее количество воды, которое не нужно для процесса гидратации. Этому излишку воды нужно позволить выйти, поддерживая при этом необходимую для процесса гидратации влажность. Большая часть воды будет выходить благодаря капиллярному действию, просачиваясь на поверхность до тех пор, пока бетон схватывается и поверхность подвергается отделке. Образование капилляров является причиной высокой пористости и проницаемости бетона.

Для достижения желаемых физических свойств бетона требуется, чтобы влага удерживалась в затвердевшем бетоне в течение 3-7 дней, в зависимости от температуры, влажности, типа цемента и используемых добавок. Обычно считается, что делать это надо до тех пор, пока бетон не набрал 80% расчетной прочности. Для поддержания нужной влажности используется один из следующих способов: заливка водой, периодическая поливка из шланга, покрытие мокрой мешковиной, покрытие листовой мембраной (пленкой), удерживающей влагу, обработка жидким мембранным материалом. При использовании жидких мембранных материалов на поверхности бетона образуется пленка или остается затвердевший материал. Перед последующим нанесением полимерных материалов на поверхность бетона эти остатки должны быть удалены механическим способом, например пескоструйной, дробеструйной или другой абразивной обработкой.

Уязвимость бетона

Проницаемость бетона. Бетон представляет собой щелочной материал с рН=12-13, и, следовательно, он чувствителен к воздействию химикатов с рН менее 7, то есть кислот. В кислотной среде степень деградации бетона непосредственно связана с его проницаемостью (пористостью) и реактивностью. Реактивность определяет степень воздействия на бетон различных химикатов. Повышению реактивности способствуют следующие условия:

  • влажность: наличие влаги в самом бетоне или снаружи (сухие химикаты редко воздействуют на сухой бетон);
  • температура: повышение ее на 10°С удваивает химическую реактивность;
  • концентрация химикатов;
  • проницаемость: определяет степень проникновения химикатов в бетон.

Проницаемость бетона имеет большое значение. Во-первых, из-за нее в бетон проникают влага, химикаты и различные загрязнения, что вызывает необходимость использования защитных покрытий. В свою очередь, выход влаги и загрязнений из бетона влияет на качество уже нанесенных покрытий.

Проблемы, связанные с влажностью. Значительная часть претензий к бетону, так или иначе, связана с разрушающим действием влаги. Поэтому важно знать признаки ее присутствия в бетоне. Очевидный признак — видимая влага на поверхности бетона перед нанесением материалов на полимерной основе. Независимо от способности полимерного материала твердеть в присутствии влаги, его адгезия к поверхности будет ослаблена по сравнению с адгезией к поверхности сухого бетона. Ввиду пористости бетона рекомендуется применять проникающие праймеры (грунтовки), которые должны вытеснять влагу из бетона или уменьшать ее проникновение. Менее очевидный признак - образование влаги на поверхности при температуре точки росы (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 нелегко обнаружить, пока результат ее действия не станет очевиден.

Наливные покрытия - это достаточно надежный материал для устройства прочного и красивого пола, однако срок службы такого пола во многом зависит от качества бетонного основания, на которое наносится покрытие. Существует несколько видов покрытий для пола, которые называются наливными:

  1. Метилметакрилатные (из метилметакриловых смол);
  2. Эпоксидные (из эпоксидных смол);
  3. Цементно-акриловые;
  4. Полиуретановые (на основе полиуретана).

Если основание не отвечает особым требованиям, говорить о сроках службы наливного пола очень сложно. Так, например, если бетонное основание не достаточно прочное (прочность на сжатие < 25 МПа) полимер может отслоиться вместе со слоем бетона. При вероятности поднятия грунтовых вод, давление, создаваемое на большой площади, может оторвать покрытие или способствовать его разрушению (образованию трещин). Поэтому прежде чем приступать к устройству наливного пола, сначала нужно убедиться, что технические характеристики бетонного основания соответствуют необходимым требованиям:

  1. Бетонное основание должно соответствовать требованиям СНиП с обязательной гидроизоляцией от грунтовых вод.
  2. Бетонное основание пола должно иметь прочность на сжатие не менее 25 МПа и толщину не менее 80 мм.
  3. Поверхность бетона должна быть ровной, без трещин, раковин, выбоин и наплывов. Перепад уровня поверхности пола не должен превышать 2-5 мм на длине 2 м.
  4. На поверхности пола не должно быть цементной пленки, жировых и прочих загрязнений.
  5. Поверхность пола должна быть сухой. Влажность на глубине до 20 мм не должна превышать 6 %.
  6. Не допускается присутствие в бетоне известковых материалов.
  7. Устройство бетонного основания пола должно быть завершено не позднее, чем за 28 суток до начала работ по устройству наливного покрытия.
  8. Температура поверхности пола на объекте не должна опускаться ниже +15°С, а относительная влажность воздуха должна быть не выше 75 %.
  9. К началу проведения работ по устройству наливного покрытия объект должен быть освобожден от загромождающего оборудования и закрыт для проникновения посторонних в процессе работы, а также в период выдержки (полимеризации) покрытия -7 дней после его заливки.
  10. Устройство наливных полов производится после окончания всех сварочных, монтажных и всех видов отделочных работ в помещении.

Если бетонное основание не отвечает вышеуказанным требованиям, то необходимы дополнительные работы по ремонту бетонного основания или полная его замена.

Сравнительные показатели прочности материалов

Материал Плотность г/см3 Модуль упругости МПа Прочность МПа
на изгиб на растяжение
Бетон естественного твердения
М200(В15) – М400(В30)
1,6 – 2,2 23,0 – 32,5 1,8 – 2,2 2,0 – 2,5
Плиты пвх REPLAST
толщина 22мм, 43мм
1,62 59,0 – 82,0 2,5 – 3,1 3,0 – 4,1