Занимательно о бетоне [Лоренц Богданович Пирожников] (epub) читать онлайн

Книга в формате epub! Изображения и текст могут не отображаться!


 [Настройки текста]  [Cбросить фильтры]
  [Оглавление]

Редакция литературы по строительным материалам и конструкциям

Зав. редакцией П.И. Филимонов

Редактор И.Г. Захарова

Художник В.Г. Нагаев

Технический редактор Н.Е. Поплавская Корректор В.И. Галюзова

ИБ № 3711

Подписано в печать 22. 01. 86. Т - 11734. Формат 60x90 /16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 6,5. Усл. кр.-отт. 34,0. Уч.-изд. л. 7,6 1. Тираж 60 000 экз. Изд. № АХУ — 865. Зак. № 295. Цена 70 коп.

Стройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а

Минская фабрика цветной печати 220115 Минск, Корженевскаго, 20



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 1

Оглавление


  1. От редактора
  2. НЕОБЫКНОВЕННЫЙ КАМЕНЬ
    1. ДАВНО ЛИ ИЗВЕСТЕН ЛЮДЯМ БЕТОН?
    2. СВОЙСТВА БЕТОНА
    3. "ВООРУЖЕННЫЙ” БЕТОН

  3. РОЖДЕНИЕ БЕТОНА
    1. ИЗ ЧЕГО ДЕЛАЮТ БЕТОН?
    2. КАК ПРИГОТОВЛЯЮТ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?
    3. УКЛАДКА БЕТОННОЙ СМЕСИ
    4. РЕОЛОГИЯ ПОМОГАЕТ РАСКРЫТЬ ТАЙНУ
    5. ЗАЧЕМ ПОНАДОБИЛОСЬ ВИБРИРОВАТЬ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?
    6. СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ИНЫЕ СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ?
    7. СКОЛЬКО ДОЛЖЕН ТВЕРДЕТЬ БЕТОН?

  4. ДЕФОРМАЦИЯ БЕТОНА
  5. ВОПРЕКИ МОРОЖУ И ЖАРЕ
    1. СТРОИМ КРУГЛЫЙ ГОД, НЕВЗИРАЯ НА ПОГОДУ
    2. БОИТСЯ ЛИ БЕТОН МОРОЗА?
    3. ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ
    4. "ХОЛОДНЫЙ” БЕТОН
    5. БЕТОН-САМОГРЕВ
    6. НЕ БОИТСЯ ЛИ БЕТОН ЖАРЫ?
    7. БЕТОНИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА

  6. ТАЙНЫЕ ВРАГИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
    1. ХИМИЧЕСКИЕ АГРЕССИВНЫЕ СРЕДЫ
    2. КОРРОЗИЯ АРМАТУРЫ

  7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА
    1. ЧТО ТАКОЕ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА БЕТОНА?
    2. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА
    3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
    4. КАК ЛУЧШЕ ОПРЕДЕЛИТЬ ПРОЧНОСТЬ ГОТОВОГО БЕТОНА?
    5. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА
    6. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
    7. АТОМ НА СЛУЖБЕ СТРОИТЕЛЬСТВА
    8. МЫ ВИДИМ НЕВИДИМОЕ
    9. ЧТО ТАКОЕ ГОЛОГРАФИЯ?
    10. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТРОСКОПИЯ
    11. ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

  8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Пометки


  1. Обложка


Занимательно о бетоне
От редактора
НЕОБЫКНОВЕННЫЙ КАМЕНЬ
ДАВНО ЛИ ИЗВЕСТЕН ЛЮДЯМ БЕТОН?
СВОЙСТВА БЕТОНА
"ВООРУЖЕННЫЙ” БЕТОН
РОЖДЕНИЕ БЕТОНА
ИЗ ЧЕГО ДЕЛАЮТ БЕТОН?
КАК ПРИГОТОВЛЯЮТ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?
УКЛАДКА БЕТОННОЙ СМЕСИ
РЕОЛОГИЯ ПОМОГАЕТ РАСКРЫТЬ ТАЙНУ
ЗАЧЕМ ПОНАДОБИЛОСЬ ВИБРИРОВАТЬ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?
СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ИНЫЕ СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ?
СКОЛЬКО ДОЛЖЕН ТВЕРДЕТЬ БЕТОН?
ДЕФОРМАЦИЯ БЕТОНА
ВОПРЕКИ МОРОЖУ И ЖАРЕ
СТРОИМ КРУГЛЫЙ ГОД, НЕВЗИРАЯ НА ПОГОДУ
БОИТСЯ ЛИ БЕТОН МОРОЗА?
ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ
"ХОЛОДНЫЙ” БЕТОН
БЕТОН-САМОГРЕВ
НЕ БОИТСЯ ЛИ БЕТОН ЖАРЫ?
БЕТОНИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА
ТАЙНЫЕ ВРАГИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
ХИМИЧЕСКИЕ АГРЕССИВНЫЕ СРЕДЫ
КОРРОЗИЯ АРМАТУРЫ
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА
ЧТО ТАКОЕ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА БЕТОНА?
МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
КАК ЛУЧШЕ ОПРЕДЕЛИТЬ ПРОЧНОСТЬ ГОТОВОГО БЕТОНА?
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА
АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
АТОМ НА СЛУЖБЕ СТРОИТЕЛЬСТВА
МЫ ВИДИМ НЕВИДИМОЕ
ЧТО ТАКОЕ ГОЛОГРАФИЯ?
ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТРОСКОПИЯ
ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 2

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 3

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 4


Л. Б. ПИРОЖНИКОВ



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 5

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 6


2-е изд., дополненное

Под редакцией проф. А.Н. Попова

Москва Стройиздат 1986

ББК 38.33

ПЗЗ

УДК 691.32

Печатается по решению секции литературы по технологии строительных материалов редакционного совета Стройиздата.

Рецензент - д-р хим. наук проф. В.Б. Ратинов.

Пирожников Л.Б.

П 33 Занимательно о бетоне/Под. ред. А.Н. Попова. - 2-е изд., доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 104 с., ил.

Знаете ли Вы, что бетон ведет свою родословную со времен Древнего Рима, что бетонная конструкция может быть ’’прозрачной”, что бетон можно ’’выслушивать” как больного и ’’выжимать” как белье? Знаете ли Вы ’’врагов” и ’’друзей” бетона? Какова роль голографии, интроскопии и прикладной радиоэлектроники в исследованиях бетона? Ответы на эти и многие другие вопросы о рождении, жизни, службе бетона и составляют содержание книги. Популярная форма изложения и красочные карикатуры, иллюстрирующие текст, помогут читателю познакомиться с последними достижениями науки, исследующей этот замечательный материал.

Для широкого круга читателей.

© Стройиздат, 1976

© Стройиздат, 1986, с изменениями


От редактора

Первое издание книги было опубликовано в 1976 г. Книга имела большой успех у читателей и ее тираж разошелся в очень короткое время. Такой спрос на книгу можно объяснить актуальностью темы и значительным интересом к строительству вообще и, в частности, к самому распространенному строительному материалу, каким является бетон.

Наряду с этим читателей, по-видимому, также привлекала выбранная автором популярная форма изложения, сопровождаемая технической карикатурой.

А теперь несколько слов о самой тематике книги.

В настоящее время не существует ни одной области строительства, где бы не применялся бетон. Из него строят здания различного функционального назначения: жилые дома, объекты здравоохранения, административные здания, промышленные предприятия, ГРЭС, атомные электростанции, спортивные комплексы, мосты, эстакады, станции метро, телевизионные башни, аэродромы, речные и морские порты, автомобильные и шоссейные дороги, плотины и другие сооружения. Это далеко не полный перечень объектов строительства.

Главная особенность бетона заключается в том, что из него могут быть изготовлены в заводских условиях различные конструктивные элементы и смонтированы на месте строительства.

Возможность изготовлять из бетона целые части зданий и сооружений заводским способом позволила ввести широкую индустриализацию строительства. В свою очередь заводское изготовление бетона требует быстрых и надежных методов оценки качества бетона в изделиях и конструкциях. Такими методами являются неразрушающие методы.

За последние годы к бетону предъявляются повышенные требования, вызванные необходимостью строить в любых климатических условиях и к тому же круглодично. Это значит, что надо строить в мороз и в жару. Этого требует размах строительства в нашей стране и огромная территория Советского Союза. Это — веление времени!

Вопросы строительства живо интересуют читательские массы, так как ого результаты, видимые на каждом шагу, близки и понятны широкому кругу людей. Поэтому популярное изложение начальных сведений о бетоне, который в современном строительстве является материалом № 1, - чрезвычайно нужное дело!

Что же это за материал? Каковы его свойства? Как его изготовляют? Как определить прочность готового бетона? Эти вопросы интересуют многих читателей и особенно молодых строителей.

О бетоне написано много хороших и серьезных книг, в которых даны исчерпывающие ответы на эти вопросы. Но эти книги написаны с позиций специалистов, хорошо знакомых с теорией и практикой бетонных работ и только уточняющих отдельные, еще не до конца разработанные вопросы, или обсуждающих новые проблемы. Текст этих книг изобилует специальной терминологией, математическими формулами и рассчитан на специалистов.

Неоднократно возникал вопрос, можно ли в занимательной форме рассказать о таком ’’скучном” предмете, как бетон или другой строительный материал, изложив вопрос легким, простым языком, по возможности не пользуясь специальной терминологией и не загромождая текста сложными формулами? Как сделать такой рассказ занимательным и понятным каждому?

Такую задачу поставил перед собой автор книги ’’Занимательно о бетоне”. Он выбрал форму изложения, при которой текст сопровождается остроумными, веселыми и наглядными иллюстрациями. Они как бы снимают завесу ’’таинственности” с описываемой научной проблемы и облегчают ее понимание.

Сочетание популярного изложения с техническими карикатурами как литературный прием весьма эффективно: оно позволяет в самой простой форме объяснить сложные процессы, не поступаясь при этом серьезностью и точностью изложения. Подобный прием приобрел своих сторонников. Ведь удачно приведенная образная карикатура, так же как и образная техническая аналогия, сразу же привлекает внимание читателя, облегчает понимание материала книги или лекции и надолго запоминается.

Конечно, создание технических карикатур или подбор аналогий требуют предельно четкого понимания излагаемого материала. Только в этом случае техническая карикатура может быть выразительной и, следовательно, доходчивой!

В отечественной технической литературе по строительству подобный опыт популярного изложения предпринят впервые. Нечего и говорить, насколько трудна была задача автора.

Ведь говорить просто о сложном - это идти по канату: как только позволишь себе образное выражение, рискуешь ’’смазать” существо вопроса, выразиться строго научно - ’’засушить” этот самый вопрос. Автор удачно избежал и Сциллы и Харибды и с честью вышел из положения! Это подтверждается тем успехом, который имело первое издание у читателей.

Книга ’’Занимательно о бетоне” посвящена технологии бетона, его свойствам, производству бетонных работ в различных климатических условиях и новейшим методам испытаний готовых изделий из бетона и железобетона, получивших название неразрушающих. Она экспонировалась на Московских международных книжных выставках - ярмарках и привлекла внимание ряда зарубежных издательств. В 1979 г. книга была переведена и издана в Болгарии.

Книга, которую ты, читатель, держишь в руках, - простейшая в ряду тех, из которых можно почерпнуть начальные сведения о бетоне. Она позволит тебе ’’заглянуть” в науку о бетоне и познакомиться с царящими в ней законами. Чтение книги не требует знания математики или специальной подготовки по физике. Она одновременно и серьезна и занимательна. Читая ее, не следует ’’скакать” через страницы, надеясь дойти до чего-то ’’самого интересного”. Материал изложен так, что для любознательного читателя все окажется интересным. Сопровождающие текст образные, красочные карикатуры, выполненные художником В.Г. Нагаевым, очень удачно дополняют текст и позволяют лучше усвоить прочитанное.

Можно надеяться, что специалистам в области бетона тоже доставят удовольствие остроумные технические карикатуры, позволяющие в доходчивой форме объяснить некоторые технические вопросы.

Во втором издании более подробно рассмотрены проблемы бетонирования в зимних условиях и в районах с сухим жарким климатом, возможности применения в строительстве (и в частности, при изготовлении железобетонных изделий и конструкций и их контроле) инфракрасных лучей, тепловидения, интроскопии, голографической интерферометрии, радиовидения и акустических методов. Эти добавления эффективно обновляют текст книги.


Профессор А.Н. Попов


НЕОБЫКНОВЕННЫЙ КАМЕНЬ


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 7

ДАВНО ЛИ ИЗВЕСТЕН ЛЮДЯМ БЕТОН?

До нашего времени сохранились великолепные древние сооружения, прочные и долговечные. Раскопки показали, что кроме природных камней - известняка, базальта и мрамора в древних сооружениях применяли и бетон, причем античные строители использовали два его вида: ’’природный” и искусственный.

’’Природный ” бетон — это камни, образовавшиеся из частиц обломочных горных пород различного происхождения, связанных между собой каким-либо минеральным склеивающим веществом, например кремнеземом, кальцитом, гипсом, известью. Такие природные камни называют цементированными породами. К ним можно отнести конгломерат, песчаник и брекчию. Их строение (рис. 1, а) оказалось очень сходным со строением современного цементного бетона (рис. 1, б).

Но человек стремился получить материал, не уступающий по прочности природным материалам, и поэтому за образец брал именно их. И искусственные древние камни - это уже настоящий бетон с глиной, гипсом и известью в качестве вяжущего.

Простейший вид бетона — это твердый камневидный материал из смеси глины с соломой и песком. После просушки на солнце он становится достаточно прочным и пригодным для постройки жилищ. Такой бетон был назван глинобетоном. Если вместо глины применяются гипсовые вяжущие материалы - воздушные вяжущие материалы, получаемые на основе полуводного сульфата кальция либо безводного сульфата кальция (ангидритовые вяжущие), то бетон называется гипсовым бетоном или сокращенно - гипсобетоном. Если вместо гипсовых вяжущих материалов применяется известь, то бетон называется известковым бетоном.

Хотя эти бетоны и применялись в древних сооружениях, но все же не получили широкого распространения, так как глина, известь и особенно гипсовые вяжущие материалы боятся воды. Глина быстро разбухает под дождем, и глинобитные камни разрушаются. А гипсобетон и известковые бетоны твердеют и упрочняются только в воздухе. Под дождем они также постепенно разрушаются. Поэтому не случайно, что древние строители чаще применяли не ’’искусственные” камни - прототип нынешнего бетона, а блоки из ’’природного” бетона и естественных камней, высокопрочных и долговечных. Так, например, римский храм Пантеон, воздвигнутый в начале нашей эры, был покрыт бетонным куполом диаметром в 40 метров. А при императоре Калигуле близ Неаполя был построен из бетона мост, который сохранился до настоящего времени.

За последние годы в гипсобетон вводят добавки, замедляющие схватывание, а также повышающие его водо- и атмосферостойкость.

Однако строители не прекращали попыток создания прочного искусственного строительного материала. Нужно было новое вяжущее, которое не боялось бы воды. Уже в Древнем Риме при строительстве морских сооружений было замечено, что если известь смешать с тонко молотой обожженной глиной (бой кирпича и черепицы) или пуцциоланой �[’’Пуццолана” - рыхлая вулканическая порода, представляющая собой жаростойкие глинистые материалы, обожженные при вулканических извержениях. Название происходит от местечка Поццуоли близ Неаполя.�], то она не будет разрушаться от действия воды и, более того, твердеть в воде. Такая известь называется ’’гидравлической”.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 8


Русские строители в XVIII веке называли такое водостойкое вяжущее ’’цементом” и широко использовали его в строительстве. Известно, что Петр I для постройки верфей в Лодейном Поле требовал присылки не извести, а именно ’’цемента”. Правда, этот ’’цемент” мало чем был похож на современный цемент. Он был крайне неоднороден и имел низкую прочность.

В разных странах велись многочисленные научные исследования, чтобы изыскать полноценное гидравлическое вяжущее.

И успех пришел. Такое вяжущее было, наконец, найдено. Им оказался цемент, или каменный клей. Его получил русский строитель Е. Челиев в начале XIX века, обжигая смесь глины и извести до спекания, а затем ее размалывая. Одновременно цемент был изобретен англичанином Аспдином и назван ’’портландцементом” (по сходству в затвердевшем виде с известняками из каменоломен близ города Портланда). Позднее, уже во второй половине XIX века, способ производства цемента был усовершенствован профессором Петербургской военно-инженерной академии А.Р. Шуляченко. Его по справедливости считают отцом русского цементного производства. Под руководством А.Р. Шуляченко качество цемента было настолько улучшено, что отечественный цемент в России почти вытеснил иностранный портландцемент. В России были построены цементные заводы и цемент стал изготавливаться промышленным путем. Сейчас производство цемента в нашей стране достигло огромного размаха: в год его производится более 110 млн. т, больше, чем в любой другой стране мира!

В чем же секрет клеящей способности цемента? В высокой прочности и исключительном свойстве превращаться в камень не только на воздухе, но и в воде.

Как же образуется цементный камень? При смешивании цемента с водой начинается химическая реакция, в процессе которой одни минералы, входящие в состав цемента, распадаются на более простые химические соединения, присоединяя к себе воду. Другие цементные минералы соединяются с водой без химического разложения. На границе соприкосновения воды и зерен цемента образуются растворимые продукты реакции. Вода, воздействуя на цемент, все более и более проникает в глубь цементных зерен и обнажает следующий слой цементного зерна. Этот слой в свою очередь вступает во взаимодействие с ней. В результате образуются соединения, также растворимые в жидкости, окружающей цементное зерно. Процесс продолжается до тех пор, пока эта жидкость не превратится в насыщенный раствор. Получается густое и вязкое, как сметана, цементное тесто. Наконец, растворение продуктов реакции прекращается и вокруг каждого цементного зерна образуется студнеобразная клейковидная масса - гель. Он обладает склеивающей способностью, которая тем больше, чем он меньше разбавлен, т.е. разжижен водой. Гель склеивает между собой зерна цемента, а в смеси с заполнителями — и зерна песка, гравия, щебня.

Однако на этом процесс не останавливается. Ведь зерна цемента продолжают химически взаимодействовать с водой образованием геля, окружающего зерна. А это приводит к тому, что цементный "клей" густеет и теряет подвижность, как говорят строители, начинает "схватываться”. Затем начинается кристаллизация их раствора. Это значит, что гидроокись кальция — трехкальциевый гидроалюминат и другие новообразования создают структуру цементного раствора. Образующиеся в результате этого мельчайшие кристаллики все больше и больше пронизывают гель и срастаются. По мере сгущения цементного клея количество выпадающих в нем кристалликов увеличивается. Так, цементный клей превращается в прочный камень!

Пытаясь получить "искусственный камень”, строители смешивали разнообразные по форме камни и мелкий песок, а затем скрепляли их цементом, растворенным в воде, после чего всей смеси давали затвердеть. Новый материал по прочности не уступал природным конгломератам. Он был назван бетоном. Применение цемента для изготовления бетона сделало его незаменимым материалом в современном строительстве.


СВОЙСТВА БЕТОНА

Самым важным свойством бетона является его прочность, т.е. способность сопротивляться внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень, бетон лучше всего сопротивляется сжатию (рис. 2), поэтому за критерий прочности бетона строители приняли предел прочности бетона при сжатии. Чтобы определить прочность бетона, из него изготовляют эталонный кубик с ребром 200 мм. Затем на гидравлическом прессе такой кубик подвергают сжатию, доводя до разрушения. По этому, зная разрушающую нагрузку и площадь поперечного сечения образца, можно определить прочность. Например, если бетонный кубик с ребром 200 мм разрушился при нагрузке 800 кН (80 тонн), то предел прочности при сжатии будет равен 20 МПа (200 кгс/см2).



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 9


В зависимости от прочности на сжатие бетон делится на марки. Марку бетона строители определяют по пределу прочности эталонного кубика с ребром 200 мм. Так, в Советском Союзе в строительстве применяют следующие марки бетона: 600,500, 400, 300, 250, 150, 100 и ниже. Выбор марки определяется условиями, в которых будет работать бетон.

Прочность бетона зависит от прочности каменного заполнителя (щебня, гравия) и от качества растворенного в воде цемента: бетон будет тем прочнее, чем прочнее каменные заполнители и чем лучше они будут скреплены цементным клеем. Прочность природных камней не изменяется со временем, а вот прочность бетона со временем даже растет.

Другим важным свойством бетона является средняя плотность — отношение массы материала ко всему его объему (выражается в кг/м3, г/см3 или процентах). Средняя плотность бетона всегда меньше 100%.

Средняя плотность сильно влияет на качество бетона, в том числе и на его прочность: чем выше средняя плотность, бетона, тем он прочнее. Поры в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении: в результате испарения излишней воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, при плохом перемешивании бетонной смеси и, наконец, при недостатке цемента.

Свойство, обратное средней плотности бетона, — пористость — есть отношение объема пор к общему объему материала, т.е. пористость "дополняет” среднюю плотность бетона до 100%. Как бы плотен ни был бетон, в нем всегда есть поры!

Водостойкость — это свойство бетона противостоять действию воды не разрушаясь (рис. 3). Чтобы определить водостойкость бетона, изготовляют два образца: один в сухом виде раздавливают на прессе и определяют его нормальную прочность. Другой образец предварительно погружают в воду, а после насыщения водой также разрушают на прессе. Из-за ослабления связей между частицами прочность образца уменьшается. Отношение прочности насыщенного водой образца к прочности в сухом виде называется коэффициентом размягчения материала. Для бетона он больше 0,8. Кроме того, на водостойкость бетона оказывают влияние гидратные новообразования, которые имеют очень низкую растворимость. Поэтому бетон является водостойким и может применяться для сооружений, подвергающихся действию воды — плотин, пирсов, молов.

Теплопроводность характеризует способность бетона передавать через свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на поверхностях бетона. Теплопроводность бетона почти в 50 раз меньше, чем у стали, но зато выше, чем у строительного кирпича.

Сравнительно невысокая теплопроводность обеспечивает бетону довольно высокую огнестойкость — способность материала выдерживать действие высоких температур. Бетон может выдержать в течение длительного времени температуру выше 1000°С. При этом он не разрушается и не трескается.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 10

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 11


Все знают, что если в поры камней проникает вода, то, замерзая, она расширяется и тем самым разрушает даже самые крепкие горные породы. Бетон же при насыщении водой может выдерживать многократное замораживание и оттаивание. При этом он не разрушается и почти не снижает своей прочности. Это свойство называется морозостойкостью.

Средняя плотность бетона может быть разной. Она зависит от заполнителей, которые используются в бетоне. По этому признаку бетоны делятся на три вида: тяжелый, легкий и особо легкий. Эта классификация зависит от массы заполнителя, применяемого при изготовлении бетона. Так, например, бетон на естественных заполнителях из гранита, известняка, доломита имеет среднюю плотность 2200—2400 кг/мЗ, а прочность его достигает 60 МПа (или 600 кгс/см2). Такой бетон называют тяжелым. А вот бетон на щебне из легких каменных пород (пемза или туф) имеет меньшую среднюю плотность — обычно 1600— 1800 кг/мЗ и называется легким бетоном. Если бетон изготовить на искусственных легких пористых заполнителях из обожженных до спекания глиняных материалов, как, например, керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, зольный гравий и т.п., то можно получить целую гамму легких бетонов с различной средней плотностью — до 1800 кг/мЗ. Их прочность колеблется от 7,5 до 40 МПа (75 до 400 кгс/см3).

Применение тяжелого или легкого бетона определяется типом конструкции и условиями ее эксплуатации.

По назначению бетоны подразделяются на бетон обычный — для изготовления колонн, балок, плит и тому подобных конструкций; бетон гидротехнический — для плотин, шлюзов, облицовки каналов; бетон для подземных сооружений — для изготовления труб колодцев, резервуаров; бетон для дорожных покрытий; бетоны специального назначения на специальных видах цемента — кислотоупорный, жаростойкий и т.п.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 12



"ВООРУЖЕННЫЙ” БЕТОН

Говоря о бетоне, мы не должны забывать и о железобетоне. Благодаря его исключительным качествам он широко используется в современном строительстве. Железобетон — это бетон, в который вводятся стальные стержни - арматура. Слово ’’арматура” - итальянское слово и в переводе на русский язык означает ’’вооружение”. Зачем же понадобилось ’’вооружать” или, как говорят специалисты, ’’армировать” бетон?

В сооружении на строительные конструкции действуют сжатие и растяжение, под влиянием которых конструкции деформируются. Очень наглядно можно представить обе силы, если взять обыкновенную резинку, положить ее на две опоры и нажать на нее в середине (рис. 4). Резинка сожмется в верхней части, но зато растянется в нижней. В средней же части длина резинки не изменится. Та условная линия, которая разделяет резинку на две части - сжатую и растянутую, называется нейтральной осью. При работе бетонной конструкции на изгиб получается аналогичная картина ее деформации.

Так как прочность бетона на растяжение невелика, то бетонные конструкции при изгибе разрушаются при очень малой нагрузке. Прочность же стального стержня на растяжение в 100 —200 раз выше, чем у бетона. Значит, если заставить оба материала (бетон и сталь) работать как одно целое, т.е. добиться одинаковой прочности в зоне сжатия и в зоне растяжения изгибаемой бетонной конструкции, то можно в несколько раз повысить прочность сооружения на изгиб. Для этого в растянутую часть вводят несколько стальных стержней (арматуру) определенного сечения. Теперь бетонная конструкция уже не ломается при изгибе и может выдерживать во много раз большую разрушающую нагрузку.

Как же могут совместно работать в одной конструкции два таких разнородных материала, как бетон и сталь?

Оказывается, этому помогают их свойства: большая прочность бетона на сжатие; высокая прочность арматурной стали на растяжение; большая сила сцеплений бетона со сталью; почти одинаковое изменение длины бетона и стали при изменении температуры.

Благодаря сцеплению бетона с арматурой, ее нельзя выдернуть из бетона. При твердении бетон уменьшается в объеме и обжимает арматуру, а значит еще прочнее сцепляется с ней. Сила сцепления бетона с арматурой будет возрастать со временем и тем больше, чем плотнее бетон и чем больше шероховатость поверхности арматуры.

Сравнительно малая теплопроводность бетона оказалась весьма полезной для железобетонных конструкций: бетон защищает стальную арматуру от резких изменений температуры.

Железобетон как строительный материал появился только в середине XIX века, но уже широко применяется во всех областях строительства. Железобетонные сооружения объединяют в себе высокую прочность, легкость и изящество. Ведь правда очень красив двухъярусный железобетонный метромост в Лужниках (Москва) (рис. 5)?


РОЖДЕНИЕ БЕТОНА


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 13



ИЗ ЧЕГО ДЕЛАЮТ БЕТОН?

Проектируя новую машину, конструктор решает, какую форму нужно придать тем или иным ее деталям. Он устанавливает заранее, какой должна быть прочность этих деталей. Но ведь прочность будет зависеть от материала! Значит, нужно подобрать соответствующий материал.

Точно так же обстоит дело в строительстве. Строителю необходимо предварительно знать, какими свойствами должен обладать изготовленный им бетон, какова будет его прочность, как на него будет действовать жара и мороз.

Но состав бетона не может быть универсальным. Его нельзя назначить по одному рецепту, который пригоден для всех случаев. Состав бетона, как и состав сплава в металлургии, должен быть запроектирован заранее. Он зависит от того, в каком сооружении будет применяться бетон.

Чтобы получать бетон заданного состава, нужно разработать его "рецептуру”. Советские ученые Н.М. Беляев, С.А. Миронов,. Н.А. Попов, Б.Г. Скрамтаев, Ю.М. Баженов и В.Г. Довжик разработали технологию бетона, благодаря которой стало возможным изготовлять бетон с заранее известными свойствами. Для этого нужно правильно подобрать наивыгоднейшие пропорции (количество) исходных материалов, входящих в состав бетона. Но прочность бетона зависит не только от того, в каких количествах взяты его составные части; большое значение будет иметь также качество исходных материалов — крупного каменного заполнителя, песка, цемента и воды (рис. 6). Их берут в определенных количествах, а затем перемешивают между собой. Какими качествами должны обладать эти исходные материалы?

Начнем с крупного заполнителя — гравия или щебня.

Гравий - это в различной степени обкатанные обломки самых прочных горных пород (гранита, диорита, базальта, темно-серого известняка) круглой или яйцевидной формы с гладкой поверхностью. Размер этих зерен от 5 до 70 мм. По своему происхождению различают гравий горный (отважный), речной и морской. В горном гравии обычно содержатся вредные примеси глины, пыли, песка, органических веществ, сернистых и сернокислых соединений. В речном и морском гравии примеси почти отсутствуют.

Щебень — это материал, который получают при дроблении горных пород или искусственных камней на куски размером также от 5 до 70 мм. Зерна щебня имеют неправильную форму, поверхность их шероховатая. Поэтому щебень прочнее сцепляется с цементным камнем, чем гравий. Прочность крупного заполнителя особенно важна, так как именно он образует скелет бетона. Поэтому крупный заполнитель должен быть, как правило, в два-три раза прочнее самого бетона.

Чтобы обеспечить высокое качество бетона, крупный заполнитель должен быть чистым и не содержать вредных примесей. В нем должно быть не более 15% (по массе) зерен, имеющих форму игл и пластинок. Крупный заполнитель не должен вступать в химические реакции с веществами, содержащимися в цементе. Чтобы уменьшить влияние вредных примесей, заполнители перед использованием промывают.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 14


К крупным заполнителям относятся и пористые заполнители — пемза, туф, вулканические шлаки. Эти заполнители благодаря своей структуре поглощают много воды. Отсасывая из бетона лишнюю воду, они способствуют его упрочнению. Недостатком пористых заполнителей является то, что для бетона с применением таких заполнителей требуется больше цемента, чем для бетона на плотных заполнителях.

К мелким заполнителям относятся различные пески. Песком называются рыхлые горные породы, которые состоят из зерен различных материалов (чаще всего кварца) размером от 0,1 до 5 мм. Пески бывают природными и искусственными. Оба эти типа пригодны для изготовления обычного тяжелого бетона.

Пески различаются по минералогическому составу и в зависимости от условий образования и места залегания. По минералогическому составу пески бывают кварцевые, полевошпатные, известняковые и доломитовые.

По условиям образования пески подразделяются на горные, овражные речные, морские, гравийные, валунные, дюнные и барханные. Они отличаются друг от друга только по структуре и форме. Зерна морского и речного песков округлой формы с гладкой поверхностью, зерна же горного песка, который чаще всего образуется при разрушении гранита и диорита, имеют угловатую форму и шероховатую поверхность. Зерна овражного песка также имеют угловатую форму, но по сравнению с зернами горного песка несколько сглаженную. Все пески содержат вредные для бетона примеси: уголь, пыль, глину, гипс, слюду, серный колчедан и различные органические примеси, которые оказывают влияние на цементный клей, понижая его прочность и в конечном счете вызывая разрушение бетона. Вредной примесью являются сульфаты, а также частицы гипса. Они образуют с частицами цемента особые соединения в виде тонких игл. Их часто образно называли ’’цементной бациллой”.

Под действием воды ’’цементная бацилла” превращается в дальнейшем в жидкую белую слизь, вытекающую из бетона. Такой ’’больной” бетон непригоден для эксплуатации.

Морской песок иногда содержит ракушки, состоящие в основном из известняка. Они ослабляют сцепление песка с другими составляющими бетона. Кроме того, в морском песке содержатся соли, выделяющиеся на поверхности бетона.

Наиболее чистый песок — речной. Но он не всегда удовлетворяет строителей, так как часто бывает очень мелким. А это при изготовлении бетона требует большого количества цемента.

Так же как и крупный заполнитель, песок перед употреблением должен быть обязательно промыт водой в машинах-пескомойках.

Чтобы получить высокую прочность бетона, надо правильно подобрать зерновой состав заполнителей. А это значит, что надо так составить из них смесь, чтобы между зернами было как можно меньше пустот, которые приходится заполнять цементным тестом. Песок одной крупности имеет в своем объеме около 45% пустот. Песок же, составленный из зерен разной крупности, гораздо плотнее.

Можно ли добиться наименьшей пустотности? Да, можно. Для этого вначале рассеивают крупный и мелкий заполнитель по размерам, или как говорят строители, на несколько фракций. Затем из них, по определенному правилу, составляют так называемую оптимальную зерновую смесь (в этой смеси все частицы так тесно примыкают друг к другу, что для цементного теста остаются только незначительные промежутки). Бетон, приготовленный на такой оптимальной смеси заполнителей, уже имеет высокую плотность и прочность. Расход вяжущего в этом случае очень небольшой.

Если же бетон изготовлять на случайном составе заполнителей, взятых из природных карьеров или полученных путем дробления камня, то большую плотность получить нельзя. В этом случае получается огромный перерасход цемента. Кроме того, на такой случайной смеси невозможно получить бетон высокой прочности.

Вода, необходимая для создания высокопрочного бетона, должна быть чистой и не кислой. Но даже условно чистая вода содержит различные примеси, вредно влияющие на процесс твердения бетона: органические кислоты, сульфаты, жиры и т.п.

Обычно на заводах железобетонных изделий и на строительных площадках для изготовления бетона используют питьевую воду. В ряде случаев приходится пользоваться грунтовой, болотной, торфяной или речной водой, но эти воды бывают насыщены органическими примесями. Иногда приходится применять сточные и промышленные воды, которые могут содержать значительные примеси серной кислоты или ее солей, гумусовой кислоты или гипса. Эти примеси вызывают разрушение бетона. Поэтому перед тем как использовать такие воды, их исследуют в химической лаборатории.

Поверхность бетона, приготовленного на морской воде или подверженного ее действию, покрывается пятнами в виде солевых налетов —  "выцветов”, которые значительно портят вид бетона. Кроме того, прочность такого бетона невысока. Поэтому при возведении из бетона стен жилых зданий морскую воду применять запрещается.

Цемент — это главная составная часть бетона. Бетон будет тем прочнее, чем выше клеящая способность цемента и чем сильнее он сцепляется с поверхностью заполнителей.

Цемент изготовляют из цементного клинкера, а его получают обжигом до спекания природного сырья или искусственной сырьевой смеси.

Такие смеси должны содержать примерно 3 части известняка и 1 часть глины. Иногда эти смеси встречаются в природном виде - это горная порода, называемая известняковым мергелем. Но так как месторождения этих мергелей встречаются редко, то на большинстве цементных заводов пользуются искусственными смесями известняка и глины. Вместо глины можно использовать диатомит, трепел и другие силикатные породы, близкие к глине по своему химическому составу. После обжига таких смесей образуется спекшаяся твердая масса — клинкер, состоящая из зерен темно-серого цвета размером с орех. Затем клинкер в шаровой мельнице измельчают в мелкий порошок. Чтобы улучшить качество цемента, при помоле клинкера добавляют до 3% гипса и до 15% диатомита, трепела, опоки — так называемых гидравлических добавок. Эти добавки улучшают качество цемента и удешевляют его производство. Вот теперь цемент готов!

Что же такое цемент? Это серый, очень мелкий порошок, напоминающий пудру. Чем тоньше он измельчен, тем выше его качество, тем большей склеивающей способностью он обладает. При сверхтонком помоле химические реакции ускоряются во много раз. Объясняется это тем, что цементный порошок всегда соединяется с водой по всей поверхности. Поверхность же зерен будет тем большей, чем выше тонкость помола. Так, например, удельная площадь поверхности зерен 1 грамма цемента составляет 2000—3000 см2, а в высокопрочных цементах около 6000 см2.

Для приготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций применяют различные цементы. Выбор вида цемента зависит от типа сооружения, для которого изготовляется бетон. В Советском Союзе выпускается свыше 30 видов цементов. Основные из них: портландцементы, шлакопортландцементы, пуццолановые портландцементы, глиноземистые цементы и др. Производству и изучению цемента в нашей стране уделяется большое внимание. В науку о цементе большой вклад внесли советские ученые А.А. Байков, В.А. Кинд, В.Н. Юнг, П.П. Будников и др.


КАК ПРИГОТОВЛЯЮТ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?

Изготовление бетона — долгий и трудный процесс. Сначала по рецепту лаборатории отмеривают в сухом виде требуемые количества цемента и заполнителей. Затем взвешенные составные части высыпают в бетономешалку и одновременно подают в нее воду. Бетономешалку приводят в движение с помощью электродвигателя.

Цель перемешивания — получение из зернистых материалов однородной смеси.

Продолжительность перемешивания устанавливают заранее. После перемешивания исходные материалы образуют пластичную смесь, похожую на тяжелую жидкость. Поэтому свежеприготовленный бетон называют не бетоном, а бетонной смесью. Лишь через некоторое время эта смесь затвердевает и превращается в камень, а окончательную прочность приобретает еще позже. Этот камень уже является бетоном.

Однородность бетонной смеси — одно из важнейших к ней требований. Если смесь будет неоднородной, бетон будет неодинаково прочным в различных участках конструкции и легко может разрушиться при нагрузке (рис. 7). Как же узнать, однородна полученная бетонная смесь или нет? Для этого из разных мест смеси берут несколько проб (рис. 8) объемом, превышающим размеры самого крупного зерна заполнителя. Если все пробы имеют один и тот же постоянный состав, т.е. одинаковое количество щебня или гравия, песка, цемента и воды, то бетонную смесь можно признать однородной.

После перемешивания бетонную смесь часто приходится транспортировать от бетономешалки к месту укладки; при этом очень важно, чтобы смесь сохранила свою однородность, так как при перевозке смеси угрожает расслаивание (рис. 9). Почему? Потому что зерна заполнителя в бетонной смеси стремятся перемещаться в направлении действия силы тяжести, т.е. чем тяжелее частицы заполнителя, тем глубже они стремятся опуститься. Установлено, что расслаивание будет тем больше, чем слабее сцепление между раствором и заполнителем. Расслаивания бетонной смеси при перевозке можно избежать, если продолжить перемешивание смеси во время движения в автобетономешалке.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 15

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 16



УКЛАДКА БЕТОННОЙ СМЕСИ

Итак, бетонная смесь готова. Теперь ее надо уложить в формы. Идеальным условием укладки бетонной смеси является заполнение смесью всего свободного пространства формы. Если в форме находятся арматурные стержни, то бетонная смесь должна обволакивать всю арматуру и равномерно, без зазоров, заполнять все свободное пространство между стенками формы и арматурой. При этом не должны образовываться каверны или раковины. В ряде случаев причиной образования каверн в бетоне может оказаться присутствие в бетонной смеси очень крупного заполнителя, который заклинивается между стенкой формы и арматурой (рис. 10). Поэтому очень важен постоянный контроль размера заполнителей. Арматура должна быть покрыта равномерным слоем бетона, который защищает ее от атмосферного влияния, иначе она будет окисляться и ржаветь, а иногда и разрушаться. Процесс ржавления называют коррозией арматуры.

При укладке бетонной смеси часто приходится сталкиваться с трудностями, которые связаны с пластичностью бетонной смеси. Если бы бетонная смесь обладала свойствами жидкости, то она в точности заполняла бы формы, в которые ее укладывают. Значит, нужно сделать бетон жидким, для чего в него нужно добавить большое количество воды. Но излишек воды губительно влияет на прочность бетона: ведь вся вода, которая не вступила в химическое соединение с цементом, остается в свободном состоянии внутри бетона. Она вытекает или высыхает, постепенно образуя в бетоне пустоты. Поэтому бетон получается пористым и непрочным. Значит, воды надо вводить мало! Но и при недостатке воды бетон будет непрочным!



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 17

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 18

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 19


Как же быть? Возникает противоречивая задача: чтобы легко уложить бетонную смесь в формы, необходимо ввести в нее очень много воды. С другойстороны, излишек воды скажется на прочности бетона. Значит, воды надо ввести настолько мало, чтобы получить наибольшую прочность бетона! Получается как в старой русской поговорке: ”нос вытащил, хвост увяз; хвост вытащил, нос увяз”.

Вот так перед строителями и возник вопрос о правильном подборе количества воды при изготовлении бетонной смеси.

Этот вопрос остается и сейчас очень важным. Количество воды, вводимой в бетонную смесь, должно быть строго определенным (рис. 11). Современная строительная наука дала в руки строителей обоснованные расчеты. Они позволяют получать бетонную смесь высокого качества при минимальном количестве воды.

Расход воды с учетом подвижности или жесткости бетонной смеси можно определять по графику проф. С.А. Миронова, в котором отражается зависимость водопотребности бетонной смеси от подвижности или жесткости.

Но что это за два новых термина ’’подвижность” и ’’жесткость” бетонной смеси? ’’Подвижность” — это способность бетонной смеси растекаться под собственной тяжестью или под действием вибрации, а ’’жесткость” — это сопротивление бетонной смеси своей подвижности. По степени подвижности бетонная смесь может быть жесткой, пластичной и литой. Для оценки качества бетонной смеси был предложен термин ’’удобоукладываемость”. Он характеризует способность бетонной смеси легко укладываться в форму при обеспечении получения бетона максимально возможной плотности. А максимальная плотность обеспечивает максимальную прочность и долговечность сооружения.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 20

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 21


Но этот термин оказался очень условным, так как он не объясняет физического смысла этого свойства.

Для экспериментального определения ’’удобоукладываемости” бетонной смеси было предложено множество способов. Наиболее распространены способ осадки конуса и способ вибростола. Первый способ заключается в следующем. Из бетонной смеси формуют образец в виде усеченного конуса определенных размеров. Так делают дети, которые ’’пекут куличи” из песка.

Строители используют для этого металлическую форму, которую заполняют бетонной смесью. Затем форму снимают и остается ’’кулич”. Освобожденная от формы бетонная смесь достаточно пластична, поэтому она оседает и несколько расплывается. Осадка ’’кулича” после снятия с него формы (рис. 12) и служит оценкой подвижности (или удобоукладываемости) бетонной смеси. Например, конус из жесткой смеси практически не оседает, подвижные пластические смеси дают осадку в 8—12 см, литые — больше 12 см.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 22


Осадка конуса зависит от сцепления материалов в смеси и внутреннего ее трений.

Опять новые физические понятия? Что же они означают? Каков их смысл? Вспомним механику.

Всякий предмет, лежащий на земле, в зависимости от своей массы создает определенное давление на землю. Чтобы его передвинуть, нужно приложить силу и тем большую, чем тяжелее предмет. Отношение между силой, приложенной горизонтально или параллельно плоскости перемещения предмета, и массой предмета называется коэффициентом трения. Такие же силы трения существуют между частицами бетонной смеси и между смесью и подставкой. Кроме того, бетонная смесь обладает некоторым сцеплением, т.е. внутренним сопротивлением деформации смеси. Оно позволяет свежеприготовленному бетону удерживаться в вертикальном положении после снятия формы.

Другим способом оценки ’’удобоукладываемости” является испытание бетонной смеси на встряхивающемся столе (рис. 13),

Для этого усеченный конус бетонной смеси освобождают от формы, измеряют диаметр конуса и сообщают конусу определенное число встряхиваний. После этого измеряют увеличение диаметра расплывшегося конуса по отношению к начальному.

Хотя оба описанных способа и имеют недостатки, они все же дают возможность оценить удобоукладываемость бетона. Они позволяют также установить относительное количество энергии, необходимой для того, чтобы бетонная смесь деформировалась и уплотнялась. Поэтому эти методы применяются в строительной практике.

И все же они окончательно выявляют поведение бетонной смеси при ее укладке в форму. Ведь бетонная смесь ведет себя в экспериментальном конусе и форме по-разному!


РЕОЛОГИЯ ПОМОГАЕТ РАСКРЫТЬ ТАЙНУ

Что же происходит при укладке бетонной смеси в форму? Отчего зависит расплыв конуса? От пластической деформации или разъединения частиц в поперечном направлении? Эти явления наблюдаются в одной и той же бетонной смеси при различном количестве воды. . . Не ясны причины большей или меньшей хрупкости бетонной смеси. Бетонная смесь упорно хранит тайну своего поведения при укладке формы.

Попытки разгадать эту тайну с помощью старых методов исследования кончались неудачами. Нужен был новый подход, новые критерии. И на помощь пришла физика, а точнее, один из ее разделов - реология. Только она смогла четко определить физическую сущность удобоукладываемости.

Итак, реология! Чем же она занимается? Это совершенно новое направление в механике, оно связано с развитием теории упругости. Она изучает поведение под нагрузкой влажных материалов, которые нельзя отнести ни к твердому телу, ни к жидкости. К таким материалам относится и бетонная смесь, представляющая собой так называемую упруговязкую среду.

Чтобы установить, как деформируется материал под нагрузкой, в механике используют структурные механические модели. Они позволяют имитировать внутреннюю структуру материала. Посмотрите на рис. 14, а. Так условно можно представить себе модель твердого тела. Человечки — это сосредоточения элементарных масс тела, пружины — упругие силы, связывающие эти массы.

Как работает структурная модель? Допустим, к твердому телу приложена нагрузка. Под ее воздействием в теле возникнут деформации (рис. 14, б). При этом пружины будут работать как упругие элементы. Это значит, что тело будет деформироваться пропорционально приложенной нагрузке (или закону пропорциональности напряжений и деформаций Гука). Как только нагрузка будет снята, тело восстановит свою первоначальную форму.

А как будет, если мы имеем дело с материалами, которые имеют сложные свойства и кроме упругих характеристик имеют еще неупругие? Здесь структурные механические модели уже непригодны. Они не позволяют точно имитировать внутреннюю структуру таких материалов.

Для этой цели потребуются другие механические модели, которые носят название реологических. Они отличаются тем, что состоят из комбинации двух элементов, которые имитируют два основных свойства твердого тела: упругость и вязкость. Самое простое тело — упругое. Зависимость деформаций и напряжений для него выражается одной кривой для процессов нагружения и разгрузки. Достаточно снять нагрузку и возникающие деформации полностью исчезают. Ну, а в идеально вязком теле? Ведь наличие вязкости материала приводит к остаточным деформациям, которые безгранично возрастают при уменьшении скорости нагружения. Для идеально вязкого элемента применим закон деформации вязкой жидкости.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 23


Для создания реологической модели пружину и ’’амортизатор” (модель упруговязкой деформации) можно комбинировать между собой последовательно или параллельно. Такие комбинации позволяют наилучшим образом имитировать механические свойства любых реальных материалов.

Реологические модели позволяют получить необходимую информацию об изменениях внутренней структуры реального тела под нагрузкой. К этой информации относятся характеристики внутреннего трения, вязкости и адгезии (сцепления).

Какова же реологическая модель бетонной смеси? Бетонная смесь является так называемым двухфазным материалом. Это значит, что она содержит в себе элементы двух фаз — твердой и жидкой. А если так, то как лучше отразить внутренюю структуру бетонной смеси?

Проведем некоторый анализ. Начнем с внутреннего трения. Это одна из важных характеристик упруговязкого тела. Внутреннее трение характеризует твердую фазу материала. Если же в материале внутреннее трение равно нулю, то его можно считать идеальной жидкостью. Бетонная смесь обладает внутренним трением. Казалось бы, по этому признаку ее можно отнести к твердому телу. Однако присутствие в ней воды делает ее все же промежуточным материалом между жидкостью и твердым телом. А если это так, то в реологической модели бетонной смеси должны участвовать как упругие, так и неупругие элементы.

Значит, реологическая модель бетонной смеси будет представлять собой ’’пружинящую” сплошную структуру, поры которой будут заполнены вязкой жидкостью (цементным тестом).

Наконец, последний вопрос. Как должны быть соединены между собой элементы? Так как бетонная смесь - это двухфазный материал, то лучшей имитацией ее будет комбинация обоих элементов.

Как будет имитировать реологическая модель бетонную смесь в процессе затвердевания? Пока бетонная смесь еще не затвердела, она представляет собой вязкую жидкость. В этой стадии в ней преобладает жидкая фаза. Но вот цементное тесто начинает твердеть. По мере нарастания прочности вязкость смеси уменьшается. Зато возрастает упругость, а вместе с ней и внутреннее трение. А раз появилось внутреннее трение, то это уже признак твердой фазы материала. Теперь создадим нагрузку. Под влиянием нагрузки в реологической модели будут происходить как обратимые, так и необратимые процессы, вызывающие соответствующие деформации. Под влиянием нагрузки какая-то часть механической энергии, воздействующей на бетонную смесь, будет превращаться в тепло. Это — следствие внутреннего трения. Тепло будет создаваться в пружинах, которые при сжатии будут нагреваться. Это тепло они будут выделять в окружающую среду. Что касается ’’амортизатора”, то в нем возникнут необратимые деформации. Под нагрузкой в результате вязкого трения ’’амортизаторы” будут также нагревать вязкую жидкость. Таким образом, характеристики бетонной смеси зависят от того, в какой фазе находится бетонная смесь.

Что же мы выяснили благодаря реологическим моделям? Во-первых, что поведение бетонной смеси зависит от таких упруговязких характеристик, как внутреннее трение, сцепление и работа разрушения при сдвиге. Эти физические характеристики расшифровывают понятие ’’удобоукладываемость”. Во-вторых, мы установили, что заполнители и цементное тесто, входящие в состав бетонной смеси, как правило, находятся на границе упруговязких и пластичных фаз. Поэтому различные соотношения заполнителя и цемента будут сказываться на свойствах различных бетонных смесей. В-третьих, мы получили возможность определять все физические характеристики бетонной смеси.

Например, внутреннее трение бетонной смеси можно определить по коэффициенту внутреннего трения. Оказалось, что для заполнителей, полученных дроблением, его значение больше, чем для заполнителей округлой формы. При повышении содержания раствора и увеличении количества воды затворения он уменьшается. Вязкость бетонной смеси прямо пропорциональна коэффициенту внутреннего трения и зависит от содержания воды.

Знание физических характеристик бетонной смеси расширяет смысл термина ’’удобоукладываемость”. Реологические свойства бетонной смеси, характеризующие удобоукладываемость, дополнили это понятие. Они дали возможность представить себе весь механизм укладки бетонной смеси.


ЗАЧЕМ ПОНАДОБИЛОСЬ ВИБРИРОВАТЬ БЕТОННУЮ СМЕСЬ?

От качества укладки бетона во многом зависит его прочность, а значит и долговечность сооружения. Качество же укладки, в свою очередь, зависит от удобоукладываемости бетонной смеси. А удобоукладываемость регулируется количеством воды в бетонной смеси и внутренним трением. Чтобы не вводить в смесь избыток воды, надо было разжижать смесь в момент укладки. Из многих предложенных способов эффективным оказалось вибрирование, уничтожающее внутреннее трение бетонной смеси.

Как же вибрация уничтожает внутреннее трение бетонной смеси? Проделаем такой эксперимент. Поставим на стол куб, изготовленный из бетона. Чтобы заставить этот куб скользить по поверхности стола, нужно приложить к нему такуюсилу, чтобы отношение ее к массе куба превысило коэффициент трения куба о поверхность стола (рис. 15,а). Если же этот стол вместе с бетонным кубом поставить на виброплощадку и сообщить ему импульсы-толчки, то куб начнет скользить по столу. Ведь сцепление куба с поверхностью стола при встряхивании ослабляется; значит, уменьшается коэффициент трения (рис. 15,6). Итак, вибрация позволила преодолеть массу тяжелого куба.

’’Механизм” вибрации довольно прост: под влиянием вибрации куб получает импульсы-толчки, которые подбрасывают его вверх. Отделяясь от поверхности стола на короткие промежутки времени, куб подскакивает словно кузнечик (рис. 16). Следовательно, его перемещение будет состоять из последовательных небольших скачков, при каждом из которых он сдвинется на некоторое расстояние.

Как же протекает процесс вибрирования? Посмотрите на рис. 17. На бетонный куб, поставленный на наклонную доску, действует сила трения, затрудняющая самостоятельное движение куба. Чтобы заставить куб скользить по поверхности доски, надо приложить некоторую силу или значительно увеличить угол наклона доски. Ну, а если привести доску в состояние вибрации, куб начнет подпрыгивать, а затем самостоятельно скользить даже при очень небольшом наклоне доски (рис. 18).



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 24

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 25

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 26


Вернемся снова к бетонной смеси. Что же происходит с ней при вибрации? Внутреннее грение в ней обусловлено тем, что поверхности заполнителей соприкасаются друг с другом. При перемешивании они трутся друг об друга и чем больше таких трущихся поверхностей, тем больше общий коэффициент внутреннего трения. Вибрация же бетонной смеси позволяет уменьшить или уничтожить эти контакты и ослабить внутреннее трение. Иными словами, вибрация ’’разжижает” бетонную смесь. И, значит, смесь приобретает способность легко заполнять формы и выдавливать содержащийся в ней воздух.

Надо сказать, большое значение имеет частота вибрации. Она может меняться в больших пределах и зависит от типа вибратора.

Частота вибрации по-разному воздействует на зерна заполнителя различной крупности. В бетонной смеси заполнители различной крупности окружены раствором и колеблются подобно маятнику с определенной собственной частотой колебаний. Частоту вибрирования бетона следует выбирать в зависимости от крупности заполнителей. Размером же заполнителя определяется и характер вибрации заполнителей различного размера при низкой и высокой частотах.

Наиболее целесообразно подвергать бетонную смесь действию нескольких вибраторов с разной частотой вибрации. В этом случае заполнители различных размеров будут двигаться с равной интенсивностью и бетон будет уплотняться равномерно.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 27

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 28



СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ИНЫЕ СПОСОБЫ УПЛОТНЕНИЯ БЕТОННОЙ СМЕСИ?

Много лет строители ищут наилучший метод укладки бетонной смеси при минимальном количестве воды затворения. Кроме вибрирования бетонной смеси имеются и другие эффективные методы ее уплотнения. Их называют методами механического обезвоживания. К ним относятся: прессование, центрифугирование и вакуумирование. У всех этих методов общий принцип: бетонную смесь замешивают на воде в количестве, достаточном для того, чтобы ее уклаДку можно было вести без всяких затруднений. А уже после укладки излишнюю для твердения воду тем или иным способом извлекают из бетонной смеси.

Самым простым методом обезвоживания является прессование. Его задача — выдавить из бетона излишек воды до того, как он будет уложен в дело. Для этого одну из стенок формы делают пористой, проницаемой для воды и непроницаемой для цемента. Пористая стенка должна обладать высокой прочностью. При высоком давлении на поверхность бетона вода отжимается сквозь поры стенки и бетон уплотняется. Этот процесс напоминает отжим белья в стиральной машине (рис. 19). Недостаток метода — его длительность.

А в чем заключается метод центрифугирования? По этому методу бетонную смесь помещают в цилиндрическую трубу, вращающуюся с большой скоростью. Центробежная сила отбрасывает заполнитель на стенку формы. Вода, как более легкая, попадает в центр формы, откуда и стекает. Бетон же располагается на внутренней стенке формы плотным слоем равномерной толщины с минимальным содержанием воды. Этот метод позволяет получать бетоны очень высокой прочности. При его помощи изготовляют бетонные трубы и столбы для линий электропередач.

Весьма совершенным способом механического обезвоживания является вакуумирование. Из уложенного бетона извлекают избыток воды через проницаемую стенку опалубки. На внешней поверхности опалубки создают вакуум.

Допустим, требуется изготовить плоскую горизонтальную бетонную плиту в опалубке. Вначале бетонной смесью с достаточным для легкой укладки количеством воды заполняют опалубку. На верхней свободной от опалубки поверхности свежеуложенного бетона устанавливают вакуум-щит, т.е. раму с укрепленной на ней прочной решеткой, металлической сеткой и хлопчатобумажным фильтром (рис. 20). Верхняя грань рамы герметически закрыта листовым металлом. Образованную таким образом полость присоединяют к вакуум-насосу. Щит сделан воздухонепроницаемым по линии соприкосновения его с поверхностью бетона. Для контроля разрежения к вакуум-проводке на некотором расстоянии от ввода у щита подключен манометр. К отводной трубе присоединен отстойный бак, в который поступает отсасываемая из бетона вода.

При вакуумировании из бетонной смеси высасывается избыток воды, смесь сжимается и уменьшается в объеме. В результате быстро растет механическая прочность бетона - приращение прочности бетона благодаря вакуумированию равно 50—70%.


СКОЛЬКО ДОЛЖЕН ТВЕРДЕТЬ БЕТОН?

Итак, бетон приготовлен, уложен в форму и обезвожен.

Теперь он должен затвердеть и набрать прочность. После того как бетон схватился, он уже является твердым телом, но недостаточно прочным.

Поместим его в воду или будем непрерывно увлажнять. И прочность бетона будет расти! Как это можно объяснить? А вот как. При увлажнении в нем будут йепрерывно происходить химические процессы. Они превратят минералы, из которых состоят цементные зерна, в новые стабильные образования — гидросиликаты кальция. Этот процесс преобразования очень длительный; он может совершаться годами. Но строителям столько ждать нельзя! Время не терпит!

Поэтому устанавливают определенный контрольный срок твердения бетона, после которого бетон можно подвергать расчетной нагрузке. Для бетона, изготовленного в условиях стройки и твердеющего в естественных условиях, такой срок равен 28—30 суткам.

В некоторых случаях можно допустить более долгий срок твердения бетона — при возведении морских сооружений, дамб, плотин, набережных, мостов и т.п. Они строятся очень медленно, а поэтому полная нагрузка к уложенному бетону может быть приложена через довольно долгое время. В этих случаях в расчетах можно учитывать 90-суточную прочность бетона; она примерно на 20% выше 28-суточной.

Но после установленного контрольного срока бетон продолжает твердеть и набирать прочность, правда, значительно медленнее. Этот процесс медленного твердения бетона в расчетах не учитывается. Прирост прочности бетона во времени, превышающем установленные контрольные сроки твердения, оказывается как бы гарантией надежности бетонных и железобетонных конструкций.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 29


Высокие температуры (порядка 80-90°С) ускоряют химические реакций в бетоне. Так, например, если бетон пропарить, т.е. прогреть во влажной среде при такой температуре в течение 12—16 часов, то можно получить бетон с прочностью, равной 65—70% прочности 28-суточного бетона. Именно так и поступают при заводском изготовлении железобетонных изделий.

А если еще больше повысить температуру? Ускорится ли твердение бетона? Да, и настолько, что при температуре 170—180°С за те же 12—16 часов прочность бетона так возрастет, что превысит годичный уровень прочности. Однако при таком сильном прогреве бетон очень быстро высыхает и перестает твердеть. Это объясняется интенсивным испарением заключенной в бетоне воды. Чтобы ’’затормозить” испарение воды, надо обеспечить в камере прогрева (автоклаве) высокое давление пара (порядка 0,8-1,2 МПа, или 8-12 атм). Такой процесс термовлажностной обработки называется запаркой под давлением, или автоклавной обработкой бетона. При этом цемент можно заменить известью, а крупный заполнитель — песком без ущерба для качества изделий.


ДЕФОРМАЦИЯ БЕТОНА


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 30

Итак, бетонная смесь, уложенная в форму, затвердела. Это соответствует тому моменту, когда содержащийся в ней цемент, как говорят строители, ’’схватился”. Теперь уже бетон можно рассматривать как твердое тело со стабильными свойствами. Но на самом деле это не так.

Бетон ведь ’’искусственный” камень, структура которого непрерывно изменяется. В нем все еще происходят реакции. Они протекают медленно, но играют еще очень большую роль. На бетон также влияют внешние условия, в которых он находится при эксплуатации сооружения, а также физико-механические воздействия.

С возрастом он упрочняется и как бы набирает силу. В зависимости от состава бетон обладает рядом как бы ’’прирожденных свойств” Другие свойства развиваются в процессе его созревания. Все это придает бетону сходство с живым организмом, который непрерывно развивается. В этом и заключается его отличие от природных камней!

Подобно всякому твердому телу бетон деформируется под нагрузкой. Он может подвергаться как упругому, так и пластическому деформированию. Но как только нагрузка устранена, обратимая часть деформации исчезает; зато необратимая деформация остается навсегда. А может ли бетон деформироваться без нагрузки? Да, может. Такая деформация называется самопроизвольной деформацией, или усадкой.

Усадка бетона возникает под влиянием температуры и влажности окружающей среды и сопровождается изменением объема бетона во времени. Различают положительную и отрицательную усадки. В первом случае объем бетона уменьшается, а во втором — увеличивается. Механизм усадки бетона заключается в том, что поры тела поглощают или испаряют воду и в них изменяется гидростатическое давление. При насыщении тела водой его объем увеличивается. Если тело высушить, его объем уменьшается. В этом отношении бетон напоминает губку, которая увеличивается в объеме и массе, когда намокает, и уменьшает объем и массу в высушенном состоянии (рис. 21).

Причина усадки бетона заложена в цементе. Она возникает главным образом в связи с миграцией содержащейся в цементе воды. Испарение воды, которое можно установить по потере массы бетона при взвешивании, сопровождается уменьшением объема бетона. Поглощение же воды, т.е. насыщение, влечет за собой увеличение в объеме, или набухание бетона.

Однако так ведет себя цемент, твердеющий в насыщенном водой состоянии. При твердении на воздухе его объем уменьшается и с течением времени уже не увеличивается. Небольшие объемы, например кубики 200x200x200 мм( при этом останутся плотными, а в более крупных изделиях неправильной формы образуется сетка трещин. Их появления можно избежать, постоянно увлажняя бетон в течение трех-четырех недель после укладки.

Деформация бетона под нагрузкой увеличивается в зависимости от продолжительности нагружения. Различают деформации мгновенные и пластические.

Мгновенную деформацию еще называют обратимой деформацией. Почему? Потому, что этот вид деформации наблюдается лишь в момент внешней нагрузки. Но вот нагрузка снята и тело вернулось в свое первоначальное состояние (рис. 22, а). Это свойство твердых тел называется упругостью; ею обладают в большей или меньшей степени все материалы. Ну, а чтобы разобраться в том, что представляет собой необратимая (пластическая) деформация, приложим к телу внешнюю нагрузку. Под ее влиянием тело деформируется. Теперь снимем нагрузку, но тело не вернется в исходное положение и не восстановит своей прежней формы. Оно останется деформированным (рис. 22, б), т.е. оно обладает пластичностью — способностью деформироваться без заметного увеличения нагрузки. Так деформируются глина, воск, металл в расплавленном состоянии. Пластические деформации необратимы.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 31

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 32


Если остаточная деформация значительна, то ее иногда можно заметить невооруженным глазом. В этом случае мы говорим, что твердое тело ’’течет”. Пластичность каменных материалов и бетона при длительном приложении нагрузки называют ползучестью.

Как текучесть, так и ползучесть не вызывает изменения первоначального объема материала и является результатом перераспределения молекул в теле. Полная деформация образуется из мгновенной (рис. 23, а) и пластической деформации, растущей в течение длительного времени, пока действует нагрузка (рис. 23, б). В бетоне деформации очень малы: их можно увидеть только при испытании на изгиб.

Если бетон подвергнуть сжатию или растяжению, то произойдет уменьшение или увеличение его линейных размеров, т.е. продольная и поперечная деформация бетона. Это легко проследить на ученической резинке. Если сжать резинку двумя пальцами по ее длине, то ее боковые стороны как бы раздуются и приобретут вид бочонка. Значит, линейные размеры уменьшаются, а поперечные увеличиваются. Между обоими видами деформации существует зависимость.

Отношение поперечной деформации к продольной в технике носит название коэффициента Пуассона. Его значение для бетона лежит в интервале 0,10—0,30. Оно тем выше, чем моложе бетон и чем ниже его прочность. Знание коэффициента Пуассона необходимо для расчета прочности бетона при неразрушающих испытаниях бетона в сооружениях.

А для расчета деформаций сооружений, происходящих под влиянием внешних нагрузок, например ветра, необходимо знать упругость бетона. Упругие деформации бетона характеризуют модулем упругости. Статический модуль — это отношение приложенного напряжения к значению деформации. Если же модуль упругости определяют с помощью динамических методов, т.е. мгновенного приложения нагрузки -удара, щелчка, то его называют динамическим модулем.

Статический модуль упругости непостоянен (от 8000 до 21000 МПа), он зависит от напряжения: чем оно выше, тем модуль ниже. Динамический же модуль постоянен и равен для бетонов различной прочности 20 000-60 000 МПа.

Бетон, как и любой строительный материал, имеет допустимые предельные значения нагрузок и деформаций. Если мы их превысим, то бетон начинает растрескиваться, распадаться на несколько кусков.

Разрушение может быть моментальным, или, как его называют, ’’хрупким” и пластическим. В первом случае на бетон в течение короткого времени действует предельная разрушающая нагрузка, и он сразу распадается на несколько кусков (рис. 24). Во втором случае на бетон действует постоянная нагрузка, вследствие которой он деформируется в течение длительного времени и в конце концов тоже растрескивается, а потом распадается на куски.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 33

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 34


Бетон является неоднородным телом. Он состоит из различных материалов с различной прочностью. Поэтому процесс разрушения в нем может проявляться в различных формах. Разрушение будет зависеть от действия внешних сил. Общим для любого вида разрушения является растрескивание бетона. Оно создает большое количество микротрещин в бетоне. Это начальная стадия разрушения; ее иногда называют ’’предразрушение”. Она возникает тогда, когда приложенная нагрузка не превышает 75% разрушающей. Микротрещины вызывают образование разрывов и отщепление кусков. При пластическом разрушении также возникают трещины, влияющие на прочность бетона, особенно при растяжении, и его водонепроницаемость. Однако для старого бетона тонкие трещины не опасны, так как они не пропускают воду. Помните, из треснутой фарфоровой чашки вода не вытекает даже через видимую трещину? На растяжение бетон работает плохо — раз в 15 хуже, чем на сжатие.


ВОПРЕКИ МОРОЖУ И ЖАРЕ


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 35

СТРОИМ КРУГЛЫЙ ГОД, НЕВЗИРАЯ НА ПОГОДУ

Рассказывая об укладке бетонной смеси в сооружение, мы всегда имели в виду, что строительные работы ведутся в нормальных условиях, т.е. до наступления зимних холодов или же при температурах, не превышающих + 35°C. В этом случае никаких дополнительных условий ухода за твердеющим бетоном не требуется. Правда, учитывая, что для твердения бетона необходима постоянная влажность, во избежание раннего высыхания даже при этих температурах его укрывают от прямых солнечных лучей.

Ну, а если климатические условия, где ведется строительство, существенно отличаются от нормальных?

Территория Советского Союза охватывает районы с очень разнообразной температурой наружного воздуха. Наряду с умеренными климатическими условиями имеются районы, в которых колебания температуры составляют от +50°С до — 50°С (иногда даже и до —70°С) Как же быть строителям в таких случаях?

Ответ на поставленный вопрос таков: надо строить круглогодично и независимо от климатических условий. Чем это вызвано? Основными причинами являются постоянное увеличение объемов жилищно-гражданского, промышленного, гидротехнического, дорожно-транспортного, сельского строительства и рост темпов производства строительных работ. Эти причины и породили два очень важных направления в строительной практике: зимнее бетонирование и бетонирование в условиях сухого жаркого климата.

Первое имеет в виду строительство зданий и сооружений при низких отрицательных температурах, а второе — строительство при высоких положительных температурах.

Как уже неоднократно говорилось, бетон давно завоевал пальму первенства среди строительных материалов. Области применения бетона и железобетона непрерывно расширяются. Поэтому необходимость строить в любых природных условиях в течение всего года и поставила перед учеными много проблем, связанных с поведением бетона при разных температурах наружного воздуха. О том, как были решены эти проблемы, мы и расскажем.

Начнем с первой проблемы. Однако, для того чтобы лучше понять причины ее возникновения, напомним, каковы были к этому предпосылки.

На сегодня зимнее бетонирование — одна из важнейших проблем в строительном производстве. И это нисколько не преувеличено. Достаточно напомнить, что в мире ежегодно укладывают около 1,5 млрд.мЗ бетона. Из них миллионы кубических метров бетона (примерно 75% общего объема) применяют в конструкциях и сооружениях в зимних условиях, т.е. при низких отрицательных температурах.

Проблема зимнего бетонирования возникла в нашей стране в годы первой пятилетки. Планы развития народного хозяйства выдвинули требование перейти от сезонного производства всех видов строительных работ к круглогодичному. Причем это касалось не только районов с умеренным климатом, но также и районов, где в зимние месяцы температура наружного воздуха понижается до —30° и даже до — 50°С, а число зимних месяцев в году достигает 6 или даже 8. Такая длинная и суровая зима и совсем короткое лето бывают на Крайнем Севере и в некоторых районах Сибири. Подобные природные условия неблагоприятны для строительства и относятся к суровым климатическим условиям. Однако суровые природные условия не пугают строителей. Мы строим города, дорожно-транспортные объекты, гидротехнические сооружения наперекор природе, не прекращая работы ни на один месяц.

Кстати, говоря о суровых климатических условиях, не следует забывать о вечной мерзлоте, которая сковывает почти четверть поверхности земного шара. А ведь в этих районах также ведется интенсивное строительство. ..

В странах Северной Европы зимнее строительство — дело обычное. Так, например, в Финляндии половина объема строительных работ приходится на зиму, т.е. на те месяцы года, когда средняя температура длительно держится намного ниже 0°С. Аналогичные работы по зимнему бетонированию проводятся и в других зарубежных странах, например в Скандинавских, США, Японии, Канаде.

Отечественный и зарубежный опыт послужил основой для разработки стандартов и рекомендаций по зимнему бетонированию.


БОИТСЯ ЛИ БЕТОН МОРОЗА?

Мы уже выяснили, что строить зимой надо как в умеренных, так и в очень суровых климатических условиях. Но при этом строить надо надежно. А это значит, что строители должны обязательно соблюдать правила и технические нормы по зимнему бетонированию. В настоящее время мы располагаем довольно стройной теорией зимнего бетонирования и необходимыми правилами и нормами. Это позволяет возводить здания и сооружения в районах с низкими отрицательными температурами и обеспечивает их долговечность. При разработке теории зимнего бетонирования неоднократно возникал целый ряд вопросов, решение которых позволило выбрать правильный режим укладки бетона при отрицательных температурах.

Прежде чем рассказать о различных способах зимнего бетонирования, выясним, боится ли бетон мороза? Это очень важный вопрос, так как он имеет прямое отношение к поведению бетона при отрицательных температурах. Ведь будучи уложенным в строительную конструкцию, бетон должен затвердеть, набрать при этом прочность и к тому же приобрести такое важное свойство, как морозостойкость. Что это за свойство? Морозостойкость — способность строительного материала выживать многократное попеременное замораживание и оттаивание в насыщенном водой состоянии без видимых признаков разрушения и допустимого понижения прочности. В ряде случаев при зимнем бетонировании в крайне суровых климатических условиях морозостойкость бетона оказывается очень важным свойством. Это можно подтвердить примером. Гидротехнические сооружения, построенные на Крайнем Севере, эксплуатируются в весьма неблагоприятных условиях. Учитывая очень низкие температуры окружающей среды и то, что применяемые конструкции тонкостенные, можно легко понять, почему в нашем примере определяющим требованием к бетону будет требование морозостойкости, влияющей на долговечность сооружения так же, как и прочность.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 36

А теперь ответим на поставленный вначале вопрос: боится ли бетон мороза?

Да, свежеуложенному бетону мороз опасен. И прежде всего из-за влияния низких температур на процессы схватывания и твердения цементов. Бетон очень чувствителен к холоду. Это сказывается прежде всего на времени схватывания и скорости твердения. Так, например, при снижении температуры с 20 до 5°С схватывание бетона замедляется в 2—5 раз. Но особенно резко проявляется это замедление при дальнейшем снижении температуры до 0°С. Однако если восстановить нормальную температуру выдерживания, то твердение вновь принимает обычные темпы.

А если температура бетона опустится ниже 0°С? Твердение прекратится полностью. Это объясняется тем, что при замерзании бетона происходит увеличение объема содержащейся в его порах свободной воды, которая замерзает (рис. 25).

Здесь уместно ввести такой термин, как льдистость. Что он означает? Льдистость — это отношение количества льда к массе химически несвязанной воды. У образцов, помещенных на мороз в первые часы после изготовления, большая часть воды переходит в лед при температуре ниже —2°С, а у помещенных на мороз через 24 часа нормального твердения — при температуре —5°С. Большое влияние на льдистость оказывают продолжительность твердения до начала замерзания, или, иначе говоря, степень гидратации цемента, активность цемента, водоцементное отношение. Чем выше прочность бетона до замерзания, чем больше в нем продуктов гидратации, тем больше количество незамерзшей воды. Пользуясь бинокулярной лупой, рассмотрим, что происходит при замерзании образцов бетона. Мы увидим равномерно распределенные по всему объему мелкие кристаллы льда. Можно также увидеть и места скопления ледяных линз в поверхностных слоях бетона глубиной 2—2,5 см. Это свидетельствует о сильной миграции влаги в поверхностные слои бетона.

В результате замерзания замедляется образование цементного камня. Почему? Потому, что происходит частичное или полное прекращение процесса гидратации цемента. Следовательно, прекращается и твердение бетона. Процессы гидратации протекают не полностью и бетон не успевает приобрести требуемые физико-механические свойства. Вследствие этого бетон получается с дефектной структурой.

А как ведет себя свободная вода в процессе замерзания? Оказывается, замерзая в бетоне, вода увеличивается в объеме на 9%. В результате этого в порах бетона развивается большое давление, которое вызывает разрушение структуры еще не затвердевшего бетона. Скопившаяся на поверхности зерен крупного заполнителя вода при замерзании образует тонкую ледяную пленку, которая отделяет поверхность заполнителя от соприкосновения с цементным тестом. В результате ухудшается монолитность бетона. Если заморозить бетон в раннем возрасте, то лед разрушит многие кристаллики цементного клея. Если затворение бетона было проведено до замораживания, а твердение бетона еще не началось, то оно не начнется и после замерзания. Но если твердение началось, то оно приостанавливается, пока свободная вода в бетоне будет оставаться в виде льда. При оттаивании бетона замерзшая свободная вода превращается в жидкость, и твердение бетона возобновляется. В нем происходят те же процессы, что и до замерзания, но уже при изменившейся структуре. Эти изменения в структуре бетона уменьшают его прочность и сцепление с арматурой. Конечная прочность бетона будет тем ниже, чем раньше бетон подвергся замораживанию.

Наиболее опасно замерзание бетона в период схватывания цемента. Для бетона также вредно и многократное замерзание и оттаивание его в начальный период твердения (оттепели и заморозки).

Итак, из всего сказанного следует, что зимнее бетонирование возможно, и это доказывают работы советских ученых С.А. Миронова, В.Н. Сизова, И.А. Киреенко, Б.Г. Скрамтаева, разработавших и внедривших в практику теорию и способы зимнего бетонирования.

Для того чтобы строить в зимних условиях, надо было создать такие методы, которые обеспечивали бы благоприятные условия для твердения бетона даже в самые сильные морозы.

Речь идет о создании нормальных условий твердения бетона зимой. Это значит, что в течение срока, который определяется достижением заданной прочности бетона, нужно поддерживать необходимые температуру и влажность, используя для этого внутреннее тепло бетона или дополнительно обогревать твердеющий бетон. Другими словами, понадобилось ускорить твердение бетона. А этого можно достигнуть, воздействуя на бетон теплом.

В СССР разработано и внедрено в практику несколько способов прогрева, используемых при зимнем бетонировании. Наиболее эффективными из них являются способы термоса, электронагрева и паропрогрева.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 37


Прежде чем о них рассказать, напомним, что, как всегда, все начинается с бетонной смеси. Очевидно, что приготовление бетонной смеси в зимних условиях является очень ответственной операцией. В первую очередь надо тщательно проверить качество и состояние сырьевых материалов. В зимнее время требования к ним намного выше, чем в летнее время. Большое значение имеет хранение исходных материалов. Так, например, песок, щебень и гравий не должны быть загрязнены и смешаны со снегом и льдом. Поэтому их складируют на сухих возвышенных местах, под навесами или в закрытых помещениях. Конечно, нельзя допускать, чтобы при хранении цемента в него попадал снег.

Готовить бетонную смесь надо в обогреваемых помещениях. Внутренний запас тепла в бетонной смеси создают, подогревая ее составляющие. Нагрев заполнителей может быть одноступенчатым, когда одновременно материалы оттаивают и подогревают; и двухступенчатым, когда на одних установках заполнители предварительно оттаивают, а на других — подогревают до расчетной температуры (400С). Одновременно в резервуарах паром нагревают воду до заданной температуры от 30 до 80°С. Цемент и тонкомолотые добавки подогревать запрещается (рис. 26).

Что касается арматуры, то она должна быть очищена от снега и льда и разогрета горячей водой или паром. Температура составляющих бе-

тонной смеси в момент загрузки в бетономешалку должна быть такой, чтобы обеспечить заданную температуру бетонной смеси при выходе из бетономешалки и укладке в форму, а именно — не ниже 5°С (рис. 27).

Итак, бетонная смесь готова. Но ее нужно транспортировать до места укладки с минимальными теплопотерями. Потери тепла при самой перевозке бетонной смеси меньше, чем при перегрузочных операциях. Поэтому в зимнее время ее доставляют к месту укладки без перегрузки. При этом надо следить, чтобытранспортная тара была утеплена или обогревалась. Если бетонная смесь транспортируется в кузове автосамосвала, то кузов укрывают брезентом или обогревают отработанными газами. При транспортировании бетонной смеси в бадьях и бункерах их накрывают деревянными утепленными крышками; снаружи утепляют войлоком и затем обшивают фанерой. При насосном транспорте бетона утепляют как помещения, где установлены бетононасосы, так и бетоноводы.


ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ

На месте бетонную смесь укладывают в опалубку из деревянных или металлических щитов, соответствующее форме будущей конструкции. В опалубку устанавливают стальной каркас-арматуру.

Укладывать бетонную смесь в формы желательно как можно быстрее и без перерывов.

Мы знаем, что твердение бетона зависит от химических реакций цемента с водой. Основную роль в этом будет играть тепло и вода! Поэтому в зимнее время при низких температурах опалубку утепляют, а сразу же после окончания бетонирования щитами и матами утепляют и верхнюю, открытую поверхность бетона.

А теперь расскажем о способах производства бетонных работ в зимних условиях с применением прогрева и обогрева конструкций. Одним из традиционных способов прогрева бетона является способ термоса. Он широко применяется в промышленном и гражданском строительстве.

По способу термоса бетон твердеет под "шубой” — слоем теплоизоляционных материалов (шлака, опилок, камышита и др.). Эти материалы плохо проводят тепло. Поэтому бетонная смесь почти не теряет тепло, которое она получила при изготовлении. Кроме того, при твердении цемент также выделяет тепло. Во многих случаях количество тепла оказывается достаточным, чтобы во время остывания бетон приобрел необходимую прочность. Эта прочность позволяет распалубливать конструкцию, уже не боясь замораживания. В этом случае после оттаивания бетон не разрушится. Способ термоса является наиболее экономичным и простым. Для его реализации не требуется специального оборудования. Но он применим только при бетонировании массивных конструкций, так как тонкостенные конструкции очень быстро остывают.

Можно ли его использовать в гидротехническом строительстве? Да, можно, и это подтверждает практика строительства Братской и Усть-Илимской ГЭС. А ведь климатические условия в районе стройки были суровыми: лето короткое, а зима длинная и холодная, с морозами, достигающими -40°С! По проекту надо было уложить около 9 млн.м3 бетона, из них более половины — в зимнее время. Это требовало прогрева. Оказалось, что в этих суровых климатических условиях, наиболее эффективен способ термоса. Он дает возможность укладывать бетон с минимальной положительной температурой. А это благоприятно сказывается на его термонапряженном состоянии и уменьшает количество трещин в бетоне.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 38


Способ термоса создает нормальные условия работы, практически не отличающиеся от летних. Это позволило увеличить интенсивность укладки бетона. По данным К.В. Алексеева (Братскстрой), интенсивность укладки зимой достигала 180 тыс.м3 в месяц и была меньше максимальной летней интенсивности всего на 20—25%.

Если в установленные сроки способом термоса нельзя достичь требуемой прочности, рекомендуется применять искусственный прогрев бетона электрическим током или паром. Высокотемпературное воздействие на бетон относится к наиболее эффективным способам ускорения твердения. Высокотемпературный прогрев бетона осуществляется в конструкции электрическим током. Этот способ характеризуется простотой подачи электрического тока к месту использования, легкостью регулирования и контроля, а также возможностью автоматизации процесса тепловой обработки бетона.

По классификации проф. Б.А. Крылова существуют три способа прогрева бетона: электродный прогрев (электропрогрев), электрообогрев с помощью электронагревательных устройств и индукционный прогрев (прогрев в электромагнитном поле). Конечно, каждый из этих способов не универсален и оказывается эффективным только для определенных конструкций и условий строительной площадки. Наиболее распространенными способами прогрева бетона являются электропрогрев и электрообогрев. Вот их мы и опишем.

Начнем со способа электропрогрева, который основан на принципе нагрева проводника при прохождении через него переменного тока. Постоянный ток для этих целей не подходит, так как при его применении происходит электролиз воды, коррозия и экранирование поверхности электродов выделяемыми газами.

Электропрогрев бетона осуществляется следующим образом. В свежеуложенный бетон вводят металлические электроды, через которые пропускают переменный электрический ток (рис. 28). Электрическое сопротивление свежеприготовленного бетона, уложенного в опалубку, увеличивается по мере затвердевания бетона. Оказалось, что на ранней стадии твердения бетон обладает достаточно хорошей электропроводностью; его можно отнести к проводникам второго рода с ионной проводимостью. Включенный в электрическую цепь, он нагревается при Прохождении электрического тока. Какое влияние оказывает выделяющееся тепло? Оно способствует интенсификации химического взаимодействия воды с минералами цементного клинкера. А это вызывает твердение бетона. Значит электрический ток, протекающий по бетону, будет вызывать его нагревание и твердение? Да, и чем больше будет сопротивление, тем выше будет напряжение тока.

Однако значительное увеличение сопротивления бетона может сказаться на прогреве бетона. Каким образом? А вот так. При достижении им критического сопротивления происходит как бы самоотключение бетона. Как же это происходит? Очень просто. Ток используемого напряжения не в состоянии ’’преодолеть” это возросшее сопротивление, цепь прерывается и электрообогрев прекращается... Следовательно, надо обеспечить такой режим защиты бетона от влагопотерь, чтобы последний успел прогреться и набрать требуемую прочность.

Расход электроэнергии при электронагреве не превышает 80— 100 кВт*ч на 1 м3 бетона и зависит от температуры окружающей среды и продолжительности прогрева. Максимальная температура прогрева и его продолжительность зависят от вида применяемого цемента и требуемой прочности. Эта температура не должна превышать 60°С. Прогрев будет зависеть в значительной степени от размеров электродов. Каковы же должны быть оптимальные размеры электродов? Диаметр стержневых электродов должен быть не менее 5 мм, а ленточных — не менее 15 мм. Нагреваемые электроды создают температурное поле в бетоне. И очень важным условием получения нормального режима прогрева является равномерность температурного поля, а достигается она правильной расстановкой электродов.

Все, что говорилось о прогреве бетона, относилось, к неармированному бетону. При прогреве бетона в железобетонной конструкции надо обязательно учитывать характер и густоту армирования, расположение арматуры и ее диаметр. Оказывается, стальная арматура и хомуты влияют на формирование электрического поля и искажают его. А главное условие нормального электрообогрева — обеспечение равномерности и электрического поля в бетоне. Поэтому электроды надо располагать на возможно большем расстоянии от элементов арматуры. Иногда при прогреве железобетонных конструкций можно использовать арматуру в качестве одного из электродов. В качестве другого используют уложенные на поверхности бетона пластины. Это позволяет прогревать элементы с нормальным армированием, т.е. ненапрягаемой арматурой.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 39


В Советском Союзе электропрогрев стал одним из основных способов ускорения твердения бетона на зимних стройках. Подсчитано, что в настоящее время таким способом ежегодно прогревают свыше 12 млн.мЗ бетона. Его используют как в монолитных конструкциях, так и в заводском производстве сборного железобетона вместо пропаривания. Это один из самых экономичных способов тепловой обработки бетона.

Внедрению электропрогрева способствовали теоретические и экспериментальные исследования, выполненные советскими учеными (С.А. Мироновым,Б.А. Крыловым и др.).

А теперь расскажем о способе электрообогрева бетона. Этот способ относится к методам электротермообработки бетона в любых конструкциях независимо от их армирования, конфигурации, вида бетона и цемента.

О чем состоит принцип электрообогрева? В подведении тепла к бетону с поверхности; во внутренние слои оно переносится за счет теплопроводности. Нагрев внутренних слоев надо производить постепенно. Этому способствует и экзотермия цемента. Для обогрева массивных конструкций этот способ следует применять с осторожностью. Почему? Потому что внутренние слои прогреваются медленнее, чем поверхностные и между ними могут создаваться перепады температур, которые приведут к формированию в конструкции неблагоприятного термонапряженного состояния.

Какова же глубина эффективного прогрева бетона в конструкции при этом способе? Обычно порядка 20 см. Однако в случае одностороннего подвода тепла к конструкциям небольшой толщины глубина эффективного прогрева может уменьшиться до 15 см. Это будет зависеть (в зимнее время) от температуры наружного воздуха и теплозащиты необогреваемой поверхности конструкции.

Имеются ли разновидности способа электрообогрева? Да, имеются. В основном их две: обогрев высокотемпературными нагревателями (генераторы инфракрасного излучения) с температурой на их поверхности выше 250°С и низкотемпературными - с температурой до 250°С. Конечно, такое деление условно. Однако оно позволяет говорить о двух группах электронагревателей.

Как следует из самого названия, высокотемпературные нагреватели характеризуются высокой излучающей способностью. К ним относятся ламповые, газовые, селитовые и др.

Низкотемпературными называются такие нагреватели, которые имеют низкую излучающую способность. Это коаксиальные, трубчатостержневые, сетчатые, пластинчатые и струнные нагреватели.

Где применяется каждый тип нагревателей? Высокотемпературные используются чаще всего в заводских условиях при изготовлении сборных железобетонных изделий. Для прогрева бетона в монолитных конструкциях применяются редко. Низкотемпературные нагреватели используются в построечных условиях для обогрева бетона, причем электронагреватели монтируют в опалубку или изготовляют в виде греющих щитов.

Эффективность и экономичность электрообогревателей в значительной степени определяются их видом.

Для электрообогрева используют электрический ток напряжением 110-220 В с соблюдением требований технической безопасности. Примерный расход электроэнергии для зон с температурой наружного воздуха -20°С ориентировочно составляет 100-120 кВт ч и более на 1 м3 бетона.

Перейдем теперь к описанию прогрева бетона паром, который также является довольно эффективным способом и часто применяется на стройках и заводах железобетонных изделий.

Способ паропрогрева заключается в следующем. В опалубке с внутренней стороны вырезают каналы и через них пропускают пар. Можно также изготовить двойную опалубку и вводить пар в промежутки между стенками. Иногда пар пропускают по трубам, уложенным внутри бетона. Нагревают бетон до 50—80°С. Благодаря высоким температурам, которые создаются при паропрогреве бетона и при благоприятных влажностных условиях, твердение значительно ускоряется: например, через двое суток можно получить такую прочность, которую достигает бетон после 7-суточного твердения в нормальных условиях. Паропро-грев бетона требует больших Дополнительных затрат на оборудование. Это его недостаток. Способ паропрогрева рекомендуется главным образом для тонкостенных конструкций.


"ХОЛОДНЫЙ” БЕТОН

Все описанные способы требуют дополнительных затрат и оборудования. А нельзя ли обойтись без них? Можно ли заставить бетон твердеть в зимнее время, не подогревая его? Оказывается, можно, если ввести в бетонную смесь специальные добавки — химические ускорители твердения. Такими добавками являются хлористые соли (кальция и натрия), нитрит натрия, поташ, а также хлористый аммоний.

Какова роль этих добавок? Они понижают температуру замерзания воды и ускоряют гидратацию минералов, которые входят в состав цемента. Благодаря действию этих добавок созревание бетона ускоряется. При использовании химических ускорителей твердения бетона не требуется подогревать ни воду, ни заполнители. Поэтому такой бетон назвали холодным бетоном. Эти бетоны твердеют и приобретают прочность при отрицательных температурах. Некоторые добавки также повышают и морозостойкость бетонов. Это очень важно для дорожных покрытий. При правильной укладке бетона повышаются в 100-1000 раз их непроницаемость, долговечность и т.д. Противоморозные добавки принципиально изменяют процесс твердения при температуре — 20°С. Они не только сохраняют жидкую фазу, но также обеспечивают гидратацию при температуре —20°С за счет систематического таяния льда.

Фактически введение добавок в бетоны знаменует собой принципиально новую гидратацию твердения. Однако хлористые соединения вызывают коррозию арматуры. Поэтому холодные бетоны применяют только для бетонирования неармированных конструкций, дорожных покрытий, облицовки откосов и т.п. В конструкциях, работающих под динамическими нагрузками (фундаменты под молоты, копры и т.п.), применять холодный бетон запрещается!

Неужели нельзя защитить арматуру бетона от коррозии? Результаты многочисленных исследований влияния добавок на арматуру подтвердили перспективность применения для твердения железобетонных конструкций добавок типа ННХК (хлорид кальция, ингибированный нитрит-нитратом кальция) или ННХКМ (сочетание этого продукта с мочевиной). Если изменять соответствующим образом соотношение хлорида и нитрит-нитрата кальция в добавке ННХК или ННХКМ, то ее можно применять даже в качестве надежного ингибитора коррозии стали.

Итак, из всех видов существующих добавок только добавки ННХК и ННХКМ доказали свою универсальность: они могут применяться и как ускоритель твердения бетона, и как противоморозная добавка.

Практика зимнего бетонирования подтвердила, что холодные бетоны, так. же как и бетон, изготовляемый с подогревом, можно распалубливать только после окончания заданного срока твердения. Пока бетон не достиг 50% проектной прочности, его надо предохранять от замерзания.

Опять предохранять от замерзания! Значит, снова подогревать?!


БЕТОН-САМОГРЕВ

Но бетон готовил еще одну загадку: иногда он способен обогревать самого себя! Чему же обязан бетон этим удивительным свойством? Оказывается, цементу. При химическом взаимодействии цемента с водой происходят такие реакции, в результате которых выделяется значительное количество теплоты. Повышение температуры при образовании бетона зависит от вида цемента и его количества в бетонной смеси. Наибольшее количество тепла при твердении бетона выделяет глиноземистый цемент, минимальное — шлакопортландцемент. И вот если бетонной смеси много, а поверхность ее невелика, то бетон нагревается за счет этого тепла. Так бетон становится "самогревом”! Иногда этого тепла выделяется так много, что бетон может перегреться, он будет высыхать раньше, чем твердеть.

Бетон-самогрев может быть использован при зимнем бетонировании. Поэтому когда строят массивные бетонные конструкции, то в зимнее время воду и заполнители не подогревают и бетон не укутывают. Ему и так будет жарко! Но...


НЕ БОИТСЯ ЛИ БЕТОН ЖАРЫ?

Как быть, если термометр показывает выше 35°С? Как эта температура будет влиять на твердение бетона? Снова загадки, снова поиски ответа. Оказалось, бетон очень боится жары, так как при высокой температуре из него испаряется вода и прекращается твердение цемента. В результате в бетоне и образуются трещины. Одновременно снижается прочность. Кроме того, некоторые цементы (например, алюминатные) при температуре выше 35°С разлагаются; при этом прочность цементного камня уменьшается. Поэтому при бетонировании в южных районах Советского Союза при высоких плюсовых температурах окружающего воздуха для нормального твердения бетона необходимо поддерживать требуемую влажность и защищать бетон от перегрева.

Пока температура не превышает 20-25°С, бетону необходима лишь влага. Поэтому в первые две недели после укладки бетон поливают водой и закрывают от ветра рогожей или матами. Если солнце сильно печет, то рогожа и маты защищают бетон и от излишнего тепла. Если же температура воздуха повышается выше 35°С, то уже нужны срочные меры по защите бетона от лучей солнца. Только в этом случае можно обеспечить нормальные условия твердения бетона и получить заданную прочность!

Итак, мы выяснили — бетон боится жары. Однако это не должно служить основанием для прекращения строительства в южных районах нашей страны. Мы должны и будем строить! Это одно из требований научно-технического прогресса.

Знаете ли вы, что почти 25% общего объема сборного и монолитного бетона и железобетона, производимого и укладываемого в настоящее время в СССР, приходится на районы с сухим жарким климатом? В дальнейшем эта цифра будет непрерывно возрастать. Причиной этого является увеличение объемов строительных работ не только на территории южных районов нашей страны, но и в развивающихся зарубежных странах с сухим жарким климатом, которым СССР оказывает техническую помощь.

Необходимость строить при высоких положительных температурах (достигающих в летнее время 40—50°С) и при низкой влажности воздуха породила еще одно направление в строительстве, получившее название бетонирование в сухом жарком климате. Оно возникло сравнительно недавно, всего 10—15 лет назад. Производство строительных работ в подобных климатических условиях было для строителей необычным. Никакого опыта в те времена не было. Все надо было начинать сначала. В процессе строительства использовались общепринятые положения по технологии бетонных работ. По ходу работ корректировались технологические режимы, велись наблюдения за поведением бетона в необычных климатических условиях. Длительное время многое оставалось неясным, особенно все то, что касалось гидратации, структурообразования и твердения бетона в условиях сухого жаркого климата.

С годами опыт накапливался. Было установлено, что воздействие на бетон высоких положительных температур приводило к быстрому обезвоживанию готового бетона в раннем возрасте и создавало структурные нарушения. Более того, подобные климатические условия отрицательно сказывались на технологии бетона и на его физико-механических свойствах. Это сказалось также и на ослаблении прочности бетона, уложенного в конструкции и сооружения, что в значительной мере влияло на их долговечность.

Шли годы. Наряду с инженерами этой новой проблемой стали заниматься и ученые. Анализировались экспериментальные данные, делались научно обоснованные выводы. Так постепенно появилась теория, объясняющая явления, происходящие при производстве строительных работ в условиях сухого жаркого климата. Она позволяла, как говорится, строить ”по науке, а не на ощупь”, руководствуясь четкими данными о поведении бетона в этих климатических условиях.

А теперь перейдем непосредственно к самой проблеме бетонирования в условиях сухого жаркого климата.


БЕТОНИРОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ СУХОГО ЖАРКОГО КЛИМАТА

Вначале сделаем некоторые уточнения и определения по терминологии, касающиеся этой проблемы. Затем проанализируем особенности строительства в этих климатических условиях.

Начинаем с уточнений. Говоря о бетонировании в жаркое время года при низкой относительной влажности воздуха, мы имеем в виду два различных термина: ’’сухой жаркий климат” и ’’жаркая и сухая погода”. В чем между ними разница? По классификации, приведенной проф. С.А. Мироновым в его ’’Руководстве по производству бетонных работ в условиях сухого жаркого климата” (М., 1977), это различие таково.

Сухой жаркий климат характеризуется метеорологическими условиями, отличающимися продолжительным знойным летом (более 100 дней в году), высокими температурами воздуха - абсолютной максимальной, равной или превышающей 40°С, и средней максимальной самого жаркого месяца, равной или превышающей 30°С. При этом принимается, что средняя относительная влажность воздуха самого жаркого месяца составляет менее 50—55%. А вот понятие ’’жаркая и сухая погода” характеризуется температурой воздуха в 13 ч дня выше 25°С и относительной влажностью его менее 50%.

Как эти климатические районы распределяются по территории СССР?

Оказалось, что местности с жаркой и сухой погодой занимают гораздо большие площади на территории СССР, чем районы с сухим жарким климатом. Так, например, в летний период такая погода возможна не только в средней, но даже и в северной полосе страны, и тогда необходимо прибегать к специальным мерам защиты бетона от высыхания.

К районам с сухим жарким климатом в СССР относятся обширные территории, расположенные в Средней Азии, южных и центральных областях Казахстана, южных областях РСФСР и Украины, пустыни и полупустыни.

Каковы же там погодные условия? Самые разноообразные. Например, жаркая и сухая погода, жаркая и влажная погода, жаркая безветренная погода, жаркая погода с сильными суховеями, жаркая солнечная погода, жаркая пасмурная погода и, наконец, даже прохладная дождливая погода...

Мы уже говорили, что климатические условия Крайнего Севера относятся к суровым природным условиям. А вот куда следует отнести южные районы страны с сухим жарким климатом? Практика показала, что их правомерно отнести также к суровым климатическим условиям. Это не исключает того, что при производстве бетонных работ в условиях сухого жаркого климата можно руководствоваться общепринятыми положениями по технологии бетонных работ. Но не только ими. На помощь строителям приходят и нормативно-инструктивные документы, разработанные учеными совместно с инженерами. Они регламентируют правила производства строительных работ в этом климате.

И вот несмотря на сложные климатические условия, строительство в районах с сухим жарким климатом постоянно возрастает. Чем это объяснить? Прежде всего тем, что уже накоплен опыт, позволивший преодолеть климатические трудности.

Поясним на характерных примерах, как действуют климатические условия на производство строительных работ в районах с сухим жарким климатом или с жаркой и сухой погодой.

Допустим, что мы строим в районе с жаркой и сухой погодой. Чем она характерна? В основном тремя климатическими факторами: высокой температурой, пониженной относительной влажностью и интенсивной солнечной радиацией. Все они вместе влияют на технологию бетона. Причем их воздействие возрастает по мере увеличения скорости ветра.

Наиболее серьезными последствиями негативного влияния жаркой и сухой погоды являются: увеличение водопотребности бетонной смеси (как результат повышения ее температуры); быстрая потеря бетонной смесью подвижности в процессе ее транспортирования или в период ее выдерживания до укладки; интенсивное обезвоживание свежеуложенного бетона; значительное растрескивание твердеющего бетона; формирование неравномерного температурного поля в конструкциях под действием солнечных лучей. Это далеко неполный перечень отрицательных последствий погодных условий.

Необычное поведение бетонной смеси в жаркую и сухую погоду. Как известно, она быстро теряет со временем свою отпускную подвижность. Как это можно объяснить? Результаты исследований показали, что основным фактором, влияющим на быстрое изменение консистенции бетонной смеси, является ее повышенная температура (достигающая при выходе из бетоносмесителя 30°С) и связанное с ней ускорение гидратации и схватывания цемента. Влияет и интенсивное испарение воды затворения, которе в данном случае имеет подчиненное значение.

Изменение подвижности бетонной смеси приводит к тому, что требуемая при укладке подвижность смеси не обеспечивается. Кроме того, нарушаются принятые условия ее транспортирования и укладки, а также отделки поверхности конструкций. Поэтому по мнению ряда исследователей: С.А. Миронова, Е.Н. Малинского и Н.Р. Раджабова, при подборе состава бетона, приготовляемого в жаркую и сухую погоду, одной из основных особенностей является зависимость между температурой бетонной смеси и ее начальной подвижностью.

Как же получить равноподвижную бетонную смесь, если, например, в летний период года температура окружающего воздуха достигает 35°С, а температура бетонной смеси, как правило, превышает 30°С? С этой целью, в зависимости от требований к составу бетона, необходимо увеличить расход воды в пределах от 5 до 10%. Но увеличение расхода воды без изменения расхода цемента в жаркую погоду приводит к повышению водоцементного отношения (В/Ц) и, следовательно, к понижению прочности бетона. Поэтому для обеспечения в жаркую и сухую погоду отпускной и требуемой при укладке подвижности бетонной смеси, а также для обеспечения заданной марки бетона в этих условиях необходимо увеличение (до 10%) расхода цемента. А можно ли достигнуть требуемой отпускной подвижности бетонной смеси в условиях жаркого климата, не увеличивая расхода цемента? Да, можно. Это достигается путем снижения начальной температуры смеси до 10°С или же применения добавок ПАВ (поверхностно-активных, пластифицирующих, пластифицирующе-воздухововлекающих).

Другим примером влияния жаркой и сухой погоды на бетон является ее отрицательное влияние на физико-механические свойства и долговечность затвердевшего бетона.

А теперь перенесемся в район с сухим жарким климатом. Влияют ли суровые климатические условия на технологию бетонных работ? Да, влияют. Но наиболее отрицательно они сказываются на свойствах затвердевшего бетона конструкции. Конкретно это выражается в ряде факторов, главные из них: повышенная последующая влажностная усадка бетона, расшатывание его структуры, частое замораживание до небольших отрицательных температур и оттаивание открытых бетонных конструкций, значительная коррозия арматуры и т.п. Поясним их значимость при формировании свойств затвердевшего бетона, дадим некоторые определения и проанализируем причины их появления.

Итак, последующая влажностная усадка. Как следует из самого термина ’’последующая”, это та усадка, которая следует за ’’начальной”, протекающей от 1—3 суток до 1 месяца. Она характеризует появление и наличие усадочных напряжений в затвердевшем бетоне. Ее начинают определять в возрасте от 1—3 суток.

Расшатывание структуры бетона. Чем оно вызывается? Это очень серьезное последствие высоких температур. Всему виной — сильный циклический нагрев с суточным перепадом температур от -40 до +45°С и более. Все это и вызывает расшатывание структуры бетона. Ну, а коррозия арматуры? Коррозия арматуры происходит вследствие растрескивания бетона, увеличения его водонепроницаемости. Кроме того, в большинстве районов с сухим жарким климатом оказывается большое количество грунтовых вод, которые влияют на арматуру, вызывая ее коррозию. Все перечисленные факторы сильно влияют на свойства затвердевшего бетона конструкции.

И все же главной причиной ухудшения свойств бетона является сильный циклический нагрев со значительным перепадом температур, который характерен для условий районов с сухим жарким климатом. Поэтому долговечность конструкций и сооружений в районах с сухим жарким климатом определяется не только прочностью, но и морозостойкостью бетона. А ведь повышение долговечности железобетонных конструкций является одной из наиболее актуальных проблем! Это она определяет эффективность капиталовложений в строительство. Выносливость (прочность) бетона в условиях сухого жаркого климата, связанная с многократным нагреванием и охлаждением, оценивается коэффициентом термостойкости, предложенным проф. Ю.М. Баженовым.

Исследования показали своевременность и целесообразность введения такого коэффициента, позволяющего учитывать комплексные воздействия климатических условий при оценке стойкости бетона. Знание такого коэффициента позволит значительно повысить качество и долговечность конструкций и сооружений в районах с сухим жарким климатом.


ТАЙНЫЕ ВРАГИ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 40

Главные вредители для железобетона - химически агрессивные среды, вызывающие коррозию (рис. 29). В результате их "дружной” работы конструкция разрушается, арматура оголяется, и стальные стержни покрываются ржавчиной. Такая железобетонная конструкция оказывается ослабленной и негодной к эксплуатации.

Чтобы бороться с этими врагами, надо знать эти химические вещества, как они могут попасть в бетон и какие меры защиты существуют.


ХИМИЧЕСКИЕ АГРЕССИВНЫЕ СРЕДЫ

К этим средам мы относим сульфаты кальция, магния, натрия, органические вещества и воду (морскую и грунтовую).

Каким образом образуются сульфаты в природе? Прежде всего из остаточных продуктов сгорания угля, из дыма фабричных и паровозных труб, гипсовых отложений, подземных вод и т.п. Так, например, дым паровозной трубы содержит сульфаты кальция, в грунтовых или сточных водах присутствуют сульфаты магния и натрия. Для нейтрализации действия сульфатов используют различные цементы, например гипсошлаковый, алюминатный, пуццолановый и другие.

Органические вещества — масла, бензол, гумусовые кислоты, глицерин — также весьма опасны для бетона. Для защиты от них надо максимально повышать однородность бетона. Защищать его поверхность окраской или применять цементы с малым содержанием кальция.

Действие морской воды, содержащей соли кальция, магния, натрия, на бетонные сооружения бывает физическим (кристаллизация солей на поверхности бетона) и химическим (в зависимости от наличия примесей) .

От химического воздействия морской воды бетон защищают, применяя цементы с минимальным содержанием свободной окиси кальция (извести).

Иногда и грунтовые воды содержат свободную окись кальция. Меры защиты от ее действия аналогичны защите от морской воды.


КОРРОЗИЯ АРМАТУРЫ

Коррозия— злейший враг металлов и металлических сплавов. Ее вызывает присутствие кислорода, входящего в состав воздуха, воды и земной коры. Коррозия, частным примером которой является ржавление, вызывается также химическими или электрохимическими реакциями, в которых участвует кислород. Потери металла за счет коррозии составляют около 1/3 всего количества выплавляемых металлов и сплавов. Это значит, что во всем мире ежегодно разрушаются десятки и сотни миллионов тон металла. Коррозия всегда начинается с поверхности металлического изделия и постепенно распространяется вглубь. При этом металлы изменяют свой внешний вид: теряют блеск, их гладкая поверхность становится шероховатой и покрывается бурым слоем ржавчины, состоящей из окислов железа. Затем ржавчина проникает на большую глубину и металл разрушается.

В железобетоне арматура покрыта тонкой эластичной пленкой цементного камня, защищающей ее от доступа воздуха и воды. Толщина защитного слоя обычно 1—2 см. Но если в защитном слое образуются раковины, то на этом участке бетон уже недостаточно защищен от атмосферного влияния, а при наличии трещин в цементной пленке при растяжении арматуры создаются благоприятные условия для ее коррозии.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 41


В воздухе находятся водяные пары, и если влажность воздуха высокая, то эти пары постепенно конденсируются на поверхности оголенной арматуры, вызывая ее ржавление. Особенно подвержена коррозии арматура в бетоне сооружений, расположенных в крупных промышленных районах, в которых воздух бывает загрязнен примесями окиси азота, сернистого газа и т.п. Эти газы растворяются в капельках влаги и, попадая на поверхность металла, сильно ускоряют процесс коррозии. Наиболее вредным для большинства металлов является сернистый газ. Он попадает в воздух вместе с дымом при сжигании каменного угля, обычно содержащего серу. Растворяясь в воде, сернистый газ образует серную кислоту. Подсчитано, например, что в воздухе над Лондоном ежедневно образуется несколько десятков тонн серной кислоты. Конечно, такая среда неблагоприятна для металлических изделий, в том числе и для арматуры в железобетонных конструкциях. Надежно защитить арматуру от такой активной коррозии могут специальные антикоррозийные покрытия, а чтобы предупредить коррозию, надо тщательно следить за трещинами и раковинами.


КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА


Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 42



ЧТО ТАКОЕ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА БЕТОНА?

Чтобы правильно ответить на этот вопрос, вначале определим, что такое "качество” бетона? ’’Качество” бетона — очень широкое понятие. В общем виде оно охватывает множество разнообразных свойств готового бетона. Сюда относятся в первую очередь прочность, средняя плотность, водостойкость, морозостойкость и водонепроницаемость. И все же наиболее важным свойством, которое характеризует качество готового бетона, является его прочность на сжатие.

На свойства (и на качество) готового бетона влияют свойства и качество составных частей бетона. Поэтому второй объект контроля — сырьевые материалы.

Кроме того, в задачу контроля качества бетона входит контроль точности дозирования сырьевых материалов, контроль качества перемешивания бетонной смеси, контроль качества укладки и уплотнения бетонной смеси, контроль отделки изделий и конструкций и соответствия их проектным размерам.

В строительстве применяют два вида контроля качества: пооперационный и приемочный.

Пооперационный контроль — это контроль, который проводится после каждой или нескольких операций. Он начинается с проверки качества исходных материалов и продолжается до момента изготовления готового бетона в виде изделий или конструкций. Приемочный контроль необходим тогда, когда бетон затвердел и набрал прочность. Его задача — определить прочность и среднюю плотность затвердевшего бетона и установить, соответствуют ли они проектным показателям. Объектами испытания готового бетона могут быть образцы, изделия, конструкции, а также целые сооружения.


МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА БЕТОНА

В настоящее время мы располагаем значительным арсеналом методов контроля качества бетона. Они предназначены для контроля как исходных материалов, так и параметров бетона на всех стадиях его изготовления. При контроле бетона применяют разные методы: физические, химические, металлографические, механические, неразрушающие, визуальные, геометрические, радиоэлектронные, радиометрические и т.п. Каждый из них пригоден для определенных целей. Так, например, параметры удобоукладываемости бетонной смеси можно определить физическими методами, средствами радиоэлектроники можно определить влажность песка и степень натяжения арматуры в изделиях и конструкциях, а также выявить однородность свойств бетона в изделиях и конструкциях; с помощью химических методов можно установить стойкость бетона в различных агрессивных средах. Применение металлографического контроля позволяет выявить состав и марки сталей. Механические методы дают возможность определить прочность готового бетона и стали. Для контроля готового бетона можно использовать неразрушающие методы.

Для внешнего осмотра изделий и конструкций применяют визуальный контроль. А когда речь идет о взаимозаменяемости изделий, то используют контроль геометрических размеров.


КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наиболее важными свойствами исходных материалов, подлежащими контролю, являются активность (способность прочно связывать материалы) и схватывание цемента, прочность щебня или гравия, влажность песка, наличие и характер примесей и загрязнений в заполнителе и песке, а также кислотность воды и особенно содержание в ней сернокислых солей и органических кислот.

Качество цемента с точки зрения правильности выбора его вида устанавливают в заводской или строительной лаборатории. При поступлении новой партии цемента на склад завода или на строительную площадку требуется знать, можно ли использовать полученный цемент для нужд данного строительства. Поэтому нужно определить активность цемента. Для этого из цементного раствора 1:3 на специальном песке изготовляют кубик-образец, который затем раздавливают на прессе. После этого вычисляют разрушающее напряжение, а значит и марку цемента.

Следующей важной характеристикой качества цемента является время "схватывания цемента”, т.е. условно определяемый момент времени, соответствующий загустению цементного теста. Время "схватывания” определяют в лабораторных условиях с помощью широкоизвестной иглы Вика. Сначала смешивают цементный порошок с водой и получают цементное тесто. Если в это цементное тесто опустить иглу, то она не встретит никакого препятствия. Затем часа через два цементное тесто начинает густеть, становится более плотным и теряет свою подвижность. Игла в такое тесто входит с трудом. Такое состояние цементного теста и называют ’’началом схватывания” цемента. Далее цементное тесто густеет еще больше, а игла все с большим трудом проникает в него. А уже часов через 10 цементное тесто затвердеет настолько, что игла входит в него всего на 1 мм. Это называется ’’концом схватывания” цемента. В этот период бетонные изделия можно транспортировать. Кроме того, в лаборатории определяют прочность на сжатие и разрыв раствора в возрасте 7, 28 и 90 суток. Полученные данные позволяют решить, где следует использовать испытываемый цемент.

Чтобы крупный заполнитель (гравий или щебень) мог быть использован в бетонной смеси, его качество должно соответствовать предъявленным требованиям. Основными характеристиками крупного заполнителя являются прочность на сжатие, отсутствие органических примесей и минимальное содержание пылевидных и глинистых частиц. Прочность щебня (гравия) определяют, раздавливая пробу в цилиндре. В зависимости от прочности гравий (щебень) подразделяют на марки. Как правило, прочность заполнителя должна быть выше марки бетона не менее чем в 1,5-2 раза.

Содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне (гравии) определяют методом отмучивания. Он заключается в следующем. Пробу высушивают до постоянной массы, помещают в сосуд и заливают водой. Уровень воды в сосуде должен быть несколько выше пробы. Затем сосуд энергично встряхивают и оставляют в покое на 2 минуты, после чего мутную воду сливают, оставляя в сосуде лишь незначительное ее количество. Затем пробу вновь заливают водой до прежнего уровня, и все повторяется снова. Пробу щебня (гравия) промывают до тех пор, пока вода не станет прозрачной. Тогда промытую пробу снова высушивают до постоянной массы и вычисляют содержание отмученных пылевидных и глинистых частиц. Количество их в гравии не должно превышать 1, а в щебне — 2%.

При колориметрической пробе на органические примеси гравий или щебень обрабатывают раствором едкого натра. После такой обработки раствор не должен темнеть.

Самыми важными характеристиками качества песка являются влажность песка и содержание глинистых и пылевидных частиц. Обычно при расчете и подборе состава бетона исходят из того, что как песок, так и заполнители являются сухими. Но в действительности они имеют некоторую влажность. Ее надо учитывать при определении количества воды затворения и песка. Простейшим методом измерения влажности песка является метод высушивания. Он заключается в том, что пробу, или, как ее называют, ’’навеску” песка предварительно взвешивают на весах, а затем высушивают. В процессе высушивания из песка испаряется вода. Затем навеску опять взвешивают. По разности массы навески до и после высушивания определяют влажность песка. Сушка навески песка в сушильном шкафу продолжается примерно 5—6 часов. Но часто бывает необходимо срочно уточнить, какова влажность песка. В этом случае используют экспресс-методы, основанные на радиоэлектронике и инфракрасной технике.

Содержание в песке глинистых, илистых и пылевидных примесей определяют методом отмучивания.

Согласно стандарту, содержание этих примесей в песке не должно превышать 3—15%, в том числе глины 1—2%. Что касается содержания органических примесей, то, так же как и для заполнителей, степень загрязненности песка определяют по колориметрической пробе.

Вода, применяемая для затворения бетонной смеси, не должна содержать примесей, задерживающих твердение цемента или ухудшающих качество затвердевшего бетона. Она должна быть чистой и не кислой. Кислотность воды определяют следующим образом. В чистую, тщательно вымытую дистиллированной водой пробирку вливают испытуемую воду. Затем в нее опускают полоску синей лакмусовой бумаги и выдерживают там в течение одного-полутора часов. Если за это время лакмусовая бумажка станет розовой, то это будет показателем повышенного содержания в воде кислоты. Вода также не должна содержать более 2,7 г/л сульфатов или более 5 г/л всех солей.

Если контроль составляющих бетонной смеси показал их соответствие требуемым нормам, их можно использовать для приготовления бетонной смеси.


КАК ЛУЧШЕ ОПРЕДЕЛИТЬ ПРОЧНОСТЬ ГОТОВОГО БЕТОНА?

Наконец, наступил последний этап контроля качества бетона — определение его прочности.

Самым простым методом является испытание бетонного изделия или конструкции в условиях, приближающихся к действительным. А так как бетонная конструкция или сооружение в процессе эксплуатации подвержены действию нагрузок, то прочность можно определить механическими методами путем приложения контрольных нагрузок. Но эти методытребуют полного или частичного разрушения испытуемого изделия или конструкции, после чего изделие или конструкция уже непригодны к эксплуатации. В условиях завода или строительной площадки количество изготовленных изделий или конструкций может достигнуть нескольких сотен, а иногда и тысяч штук. Чтобы быть уверенным в качестве изделий или конструкций, нужно проверить прочность каждого из них. Значит, нужно применить сплошной контроль всей партии всех без исключения изделий или конструкций. Значит, вся партия изделий придет в негодность!

Как же быть? В таком случае применяют выборочный контроль. Из партии выбирают не более 2-3% любых изделий или конструкций. Затем их испытывают. Полученные значения прочности относят ко всему объему бетона, из которого изготовлена партия. Так, все остальные изделия и конструкции этой партии условно получают ту марку, которая получилась в результате испытаний нескольких изделий и конструкций.

Таким образом, при выборочном контроле мы пожертвовали частью продукции и сохранили в целости остальную. Конечно, нет никакой гарантии того, что среди оставшихся, не испытанных изделий и конструкций данной партии не окажутся несколько, качество которых не будет соответствовать условно присвоенной прочности. Прочность бетона в изделиях и конструкциях можно также определить косвенным путем, который заключается в следующем. Одновременно с изготовлением всей партии изделий из бетонной смеси того же состава изготовляют контрольные образцы-кубики. Полученная в результате испытаний кубиков на гидравлическом прессе ’’кубиковая прочность” будет характеризовать прочность всей партии изделий или конструкций.

Но соответствует ли прочность кубика действительной прочности представляемых им изделий? Ведь в этом случае нарушаются условия моделирования! К сожалению, нет, не отвечает. И виной этому неоднородность сырьевых материалов и различие в размерах кубика и изделия. Значит, кубик не является "полномочным представителем” испытуемого изделия или конструкции? Но тогда нужны новые методы испытания прочности непосредственно в изделии или конструкции!

В 60-х годах нашего века после многочисленных сравнительных испытаний были разработаны неразрушающие методы, которые после длительной практической проверки получили апробацию строителей.


НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ГОТОВОГО БЕТОНА

Эти методы испытания бетона основаны на применении акустики, радиоэлектроники, а также интроскопии и голографии.


АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Акустическими методы называются потому, что основаны на использовании звуковых и ультразвуковых колебаний, которые характеризуются длиной волны, частотой и скоростью. Длина волны может изменяться от нескольких километров до долей миллиметров.

Разница между звуком и ультразвуком определяется только частотой колебаний. Звуковые колебания лежат в пределах слышимости человеческого уха; их частота находится в пределах от 16 до 16 000 Гц. Звук, частота которого выше 16 000 Гц, уже ультразвук.

Как звук, так и ультразвук — упругие колебания (упругие волны).

Существуют два типа упругих волн: продольные и поперечные. В чем разница между ними? Если частицы при колебании движутся в направлении движения волны как волны в воде, то такая волна называется продольной. Если движение частиц перпендикулярно распространению волны, то волна называется поперечной. Скорость распространения продольных волн примерно в два раза выше, чем поперечных.

Ультразвук свободно может проникать через такие твердые тела, как металл и бетон. В настоящее время ультразвук широко применяется в науке, технике и медицине.

Ультразвук требуемой частоты можно получить при помощи ультразвуковых — электронных генераторов, снабженных преобразователями для передачи и приема ультразвука. Электронный генератор — это прибор, который преобразует колебания электрического тока промышленной частоты в механические колебания высокой частоты. Название этих генераторов определяется типом включенных на выходе генератора преобразователей (излучателей) - пьезоэлектрических или магнитострикционных. Термин ’’пьезоэлектрический” происходит от свойств некоторых кристаллов, например кварца, сегнетовой соли, титаната бария. Это свойство заключается в том, что если пластинку, вырезанную определенным образом из этих кристаллов, сжимать или разжимать, то на ее гранях будут возникать электрические заряды, противоположные по знаку. Чем сильнее сжатие или растяжение, тем больше будет заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях пластинки под влиянием давления называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, прямым пьезоэффектом.

Но пьезоэффект обратим. Если к такой пластинке подвести электрический заряд, то она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Значит, если напряжение изменяется с ультразвуковой частотой, то пластинка начнет колебаться с такой же частотой.

Если приложенное переменное электрическое напряжение изменяется с частотой, которая равна собственной частоте колебаний кристалла, то в пластинке возникнет явление резонанса, и она будет совершать механические колебания. Колебание кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называют обратным пьезоэлектрическим эффектом, или, сокращенно, обратным пьезоэффектом. Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, называют пьезокристаллами.

Для изучения ультразвука используют обратный пьезоэффект, для приема — прямой пьезоэффект.

Принцип работы пьезоэлектрического генератора заключается в следующем (рис. 30). К пьезоэлектрической пластинке присоединены электроды электронного генератора высокой частоты. В такт изменениям частоты будет колебаться пластинка и в окружающей среде (например, твердое тело) будут возникать ультразвуковые волны. Если на пути их распространения расположить приемную пластинку, то в ней возникнут электрические заряды.

Заряды затем усиливаются обычным радиоусилителем и регистрируются на индикаторном приборе.

Магнитострикционный генератор ультразвука отличается от пьезоэлектрического генератора частотой и тем, что на его выходе вместо пьезоэлектрического преобразователя присоединен магнитострикционный преобразователь ультразвука. Если частота пьезоэлектрического генератора 100 кГц и выше, то частота магнитострикционного генератора от 12 до 150 кГц.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 43


Термин магнитострикционный происходит от двух слов; греческого ’’магнит” и латинского "стриктус” - сжатый. Итак, ’’магнитострикция” - это явление, при котором ферромагнитные материалы, такие, как, например, никель и т.п., помещенные в магнитное поле, изменяют свои геометрические размеры по длине.

Если сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного материала, то его магнитные свойства будут изменяться. Если намотать на него обмотку и продолжать его сжимать и растягивать, то в результате деформаций стержня будет изменяться его магнитное поле, а в обмотке возникнет переменный ток. Если же по обмотке стержня пропустить переменный ток, то в ней возникает переменное магнитное поле и стержень в такт с колебаниями тока будет периодически сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания, преимущественно в продольном направлении. Торец стержня при таких колебаниях излучает ультразвуковые волны.

Магнитострикционный эффект аналогично пьезоэффекту обратим. На его принципе изготовляют магнитострикционйые преобразователи (излучатели и приемники).

Контроль качества бетона. По принципу измерения акустические методы могут быть следующих видов: резонансный, ультразвуковой импульсный и ударный. Они основаны на косвенном определении прочности бетона в зависимости от скорости распространения в нем звука (ультразвука).

Как говорит само название, резонансный метод основан на явлении резонанса. Для использования его при контроле качества бетона был разработан прибор — резонансный модулемер. Он позволяет определить резонансную частоту бетонного образца, по которой вычисляют динамический модуль упругости. Этот модуль и характеризует прочность бетона в испытуемом образце.

Как же устроен резонансный модулемер? Посмотрите на рис. 31. На нем показаны и составные части модулемера и принцип его работы. Модулемер состоит из звукового генератора, электродинамического громкоговорителя (его в обиходе называют ’’динамиком”), звукоснимателя (адаптера) и электронного осциллографа.

Чтобы определить резонансную частоту бетона, берут образец в виде призмы (балочки) и помещают его на эластичную подставку. Перед одним концом балочки помещают ’’динамик”. На второй конец устанавливают звукосниматель так, чтобы иголка упиралась в бетон. Адаптер преобразует механические колебания в электрические. "Динамик” включен на выход звукового генератора, а адаптер соединен со входом электронного осциллографа, служащего индикатором. Включим звуковой генератор и подадим в ’’динамик” звуковые колебания определенной частоты. При этом механизм ’’динамика” будет колебаться в такт с колебаниями, поступающими со звукового генератора, преобразуя электрические колебания в механические, которые будут воздействовать на бетон. Эти механические колебания и возбудят колебания, в бетонном образце. Чтобы выявить эти механические колебания, необходимо их преобразовать в электрические. Эту задачу выполняет адаптер. Электрические колебания, преобразованные адаптером из механических, попадают на усилитель электронного осциллографа, усиливаются и поступают на вертикально-отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа. Изменяя частоту звукового генератора, можно добиться того, чтобы какая-либо из частот, наконец, совпала бы с частотой собственных колебаний образца. Это будет зафиксировано на шкале звукового генератора в момент, когда на экране осциллографа амплитуда будет иметь максимальное значение, что будет свидетельствовать о наступлении резонанса. Так определится резонансная частота испытуемого бетонного образца.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 44


А дальше что? Какая зависимость и связь между резонансной частотой и прочностью? Прямой зависимости нет. Но если проверить резонансную частоту у целого ряда образцов и определить их модуль упругости, а затем разрушить их, определить их прочность, можно установить косвенную корреляционную связь между этими параметрами. И в дальнейшем можно определять только резонансную частоту, не разрушая образцы.

Определяя резонансную частоту других образцов или изделий, можно только определить, совпадет ли она с каким-либо значением полученной табличной зависимости и таким образом узнать, какая прочность соответствует этой частоте.

Недостатком метода является то, что период колебаний, соответствующий резонансу, зависит от размеров образца. Поэтому табличные данные пригодны только для образцов такого размера.

Ультразвуковой импульсный метод получил свое название от способа создания колебаний в испытуемом бетонном образце: при ультразвуковом импульсном методе с помощью пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора создаются ультразвуковые колебания, при ударном методе возбуждаются звуковые колебания. Принимают колебания соответственно пьезоэлектрическим или магнитострикционным преобразователем. Принцип действия этих приборов основан на измерении времени (а значит и скорости) распространения звука (или ультразвука) в бетоне. В высококачественном бетоне эта скорость составляет для ультразвука 4500 - 4800 м/с.

При измерении времени распространения ультразвука (звука) в бетоне нам приходится иметь дело с очень малыми промежутками времени — микросекундами, т.е. миллионными долями секунды. Этот промежуток времени очень мал: представьте себе, что автомобиль, мчащийся со скоростью 120 км/ч, успевает пройти за одну микросекунду путь, равный всего лишь 0,03 миллиметра..., т.е. толщине тончайшей папиросной бумаги!

Как же измерить микросекунды. Ведь обычные часы для этого не подойдут. И поэтому в качестве ’’часов” применяют электронно-лучевую трубку, такую же, как в телевизоре. Широкое дно баллона служит экраном, на котором возникают изображения переданного и принятого ультразвуковых импульсов, а также шкалой электронного циферблата. В узкой части трубки помещена так называемая ’’электронная пушка”, создающая электронный луч, который ударяется об экран. Но летящие электроны невидимы. Однако существуют вещества, которые светятся под ударами электронов. Таким веществом является, например, сернистый цинк; он дает зеленое свечение. Им и покрыто дно трубки. Поэтому там, где оканчивается электронный луч, образуется маленькое светящееся пятнышко.

Электронным лучом можно управлять с помощью двух пар электрически заряженных пластин. Одна пара расположена вертикально, а другая — горизонтально. Благодаря им можно заставлять электронный луч отклоняться влево или вправо, вверх или вниз. При перемещении электронного луча световой ’’зайчик” на экране тоже будет передвигаться. Так как электроны очень подвижны, то они реагируют на необычайно короткие и быстро следующие друг за другом электрические импульсы. В этом и заключаются исключительные свойства электроннолучевой трубки! Раз мы имеем возможность управлять движением электронного луча, то можно заставить его двигаться по экрану слева направо в течение определенного времени, например 1000 микросекунд, а затем возвращаться в исходное положение за 1 микросекунду. Затем снова он начнет плавно двигаться слева направо в течение того же времени и вновь возвратится в исходное положение и т.д. Таким образом, электронный луч и его кончик — светлое пятно на экране — будет много раз проходить по одному и тому же пути наподобие стрелки часов. Только в отличие от ’’настоящих часов” электронный луч движется не по кругу, а по прямой линии вдоль шкалы циферблата, снабженного метками времени. С их помощью можно непосредственно отсчитать время между переданным и принятым ультразвуковым импульсами, изображения которых возникают над циферблатом. Но в ультразвуковой импульсный прибор кроме электронного микросекундомера входят еще генератор ультразвуковых импульсов, усилитель и передающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи — передающий и приемный щупы. На рис. 32 изображен процесс испытания бетона в конструкции с помощью этих приборов. Ультразвуковой генератор создает ультразвуковые колебания, которые через передающий щуп А подаются в бетон в виде механических колебаний. Пройдя через толщу бетона, эти колебания достигают приемного щупа Б, преобразующего механические колебания в электрические. Затем колебания подаются в усилитель, усиливаются и поступают на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Одновременно с посылкой импульса в щуп А такой же импульс через специальное устройство поступает на горизонтальные пластины электронно-лучевой трубки. На экране этой трубки появится изображение двух импульсов: переданного непосредственно на ее отклоняющие пластины и прошедшего через бетон и принятого приемным щупом. Эти оба импульса будут находиться над шкалой наших электронных ’’часов”. Благодаря меткам времени на циферблате мы можем непосредственно отсчитать время прохождения ультразвуковых импульсов с одного конца изделия до другого конца.

В отличие от ультразвукового импульсного метода при ударном методе импульс создается электрическим молотком. Удар о поверхность бетона вызывает два вида звуковых волн — продольные и поперечные. Они могут быть восприняты приемниками звуковых колебаний. Чаще всего используют для этого магнитострикционные преобразователи. Время, в течение которого вызванный ударом импульс пробегает определенное расстояние, определяют по электронным ’’часам” — индикатору. Далее скорость распространения звука находят расчетным путем. В зависимости от того, испытывается ли конструкция по длине или по отдельным участкам, приемный и передающие щупы можно располагать по длине, толщине и по поверхности.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 45


Итак, мы умеем определить скорость звука (или ультразвука) в бетоне. А нам нужно знать прочность!

Наблюдая за изменением скорости распространения ультразвука (звука) в бетоне, строители обнаружили одну важную особенность: чем больше прочность бетона, тем выше скорость распространения ультразвука (звука) в нем. Значит, скорость может быть критерием качества бетона! А как же ее связать с прочностью? В простейшем случае достаточно провести замеры скорости звука (ультразвука) в бетонах различных марок и составить таблицу приблизительной оценки качества бетона. Например, бетон, в котором скорость звука (ультразвука) выше 4500 м/с, признается отличным, т.е. высокопрочным; если эта скорость оказывается ниже 2000 м/с, то бетон считается плохим, т.е. имеющим низкую прочность. Можно, подвергая механическому испытанию кубики, предварительно испытанные ультразвуковыми методами, составить приближенную таблицу соответствия каждого значения скорости прохождения в бетоне звука (или ультразвука) его прочности. Конечно, такая классификация сугубо ориентировочная. Но тем не менее она может помочь предварительно установить, к какому диапазону прочностей можно отнести подлежащий испытанию бетон, не разрушая его.

Однако можно определить зависимость ’’скорость — прочность” не вообще для бетона, а для конкретных условий изготовления изделий и конструкций. Кривую такой зависимости можно построить по результатам ультразвуковых и механических испытаний контрольных образцов из бетона того же состава, изготовленного по той же технологии и при том же режиме тепловлажностной обработки, что и изделия или конструкции, подлежащие контролю. Затем образцы хранят до момента испытания в таких условиях, как сами изделия. Когда кубики-образцы готовы к испытаниям, то прежде чем раздавить на гидравлическом прессе, их ’’прозвучивают” с помощью ультразвукового импульсного аппарата и измеряют скорость распространения ультразвука в бетоне. После ультразвуковых испытаний акустическими методами кубики-образцы подвергают разрушению на прессе, а затем строят Кривую’’скорость—прочность”. По этой кривой возможно по измеренной скорости определить прочность бетона в контролируемых участках изделий и конструкций, измеряя скорость распространения ультразвука на этих участках. Значит, в условиях завода, сочетая механические методы с акустическими, можно производить сплошной контроль изделий и конструкций по ’’кубиковой” прочности. Совместное использование обоих методов контроля прочности бетона сделало контроль качества бетонных изделий и конструкций более надежным и не причиняющим вреда испытуемому изделию и конструкции. Их надо только ’’выслушать” (рис. 33), и испытание закончено.

А как быть с готовыми сооружениями, когда никаких кубиков нет! Можно ли непосредственно контролировать их прочность акустическими методами? Да, можно. В этом и заключается преимущество неразрушающих методов. В этом случае прочность в сооружениях определяют по скорости распространения звука, вычисляя динамический модуль упругости и учитывая объемную массу и возраст бетона. Точность таких измерений составляет ±18%.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 46


Дефектоскопия бетона. Акустическими методами можно также выявить наличие трещин и пустот в бетоне исследуемых изделий и конструкций.

Для этого передающий и приемный щупы надо поставить на обе стороны испытуемого объекта. Переданный ультразвуковым генератором импульс будет распространяться по телу бетона с определенной скоростью. Если на своем пути он не встретит препятствия в виде трещины или раковины, то он с той же скоростью дойдет до приемного пункта. Это будет зафиксировано индикатором времени. Если же на пути следования импульса окажутся препятствия, то импульс вынужден будет его обойти, а значит затратит больше времени! Увеличение времени распространения импульса будет сигналом наличия дефекта.

Чтобы определить однородности испытуемого изделия, т.е. нарушение сплошности, изделие разбивают на участки и устанавливают щупы по поверхности или с обеих сторон изделия. Затем измеряют время распространения звука (ультразвука) на этих участках. Большая продолжительность прохождения волн будет характеризовать плохое качество бетона в тех участках, которые мы измеряем. Резкие изменения результатов измерений времени и скорости позволяют судить о неоднородности, а постоянство показателей скорости - о равномерном качестве испытуемого бетона.


АТОМ НА СЛУЖБЕ СТРОИТЕЛЬСТВА

Уже много лет наряду с рентгеновским просвечиванием в строительстве применяется метод гамма-дефектоскопии. Он используется для выявления раковин, пустот, трещин или участков неравномерной плотности бетона, для выявления правильности расположения арматуры и ее диаметра в железобетонных изделиях, а также для измерения толщины защитного слоя. Атомными методами можно также определить среднюю плотность и влажность готового бетона.

Общим для этих методов является использование жесткого проникающего излучения, взаимодействие этого излучения с веществом и способ регистрации частиц проникающих излучений. В качестве проникающих излучений применяют гамма-лучи и быстрые нейтроны. Источником гамма-лучей служат естественные и искусственные источники излучений. Естественные источники излучения - радий, родон, уран, протактиний и др. - очень трудно добываемые и дорогие вещества. Поэтому они применяются главным образом в научных исследованиях, которые ведутся в лабораториях. А для массовых промышленных целей используют искусственные радиоактивные изотопы.

Изотопы — это химические элементы с одинаковым порядковым номером, следовательно, и одинаковыми химическими свойствами, но различными атомными массами. Важнейшее свойство многих изотопов — их радиоактивность, т.е. способность самопроизвольно распадаться с испусканием частиц (излучений). Главная характеристика изотопа — период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина имеющегося радиоактивного вещества. Так, например, период полураспада висмута-210 равен 5 суткам. За это время от 100 граммов висмута останется 50 граммов. Еще через 5 суток оставшееся количество висмута снова уменьшается наполовину и будет уже равно 25 граммам и т.д. Период полураспада одних изотопов равен микросекундам, часам и дням, а других — годам и даже миллиардам лет. Поэтому в зависимости от периода полураспада изотопы делятся на долгоживущие и короткоживущие. В приборостроении применяют изотопы. В настоящее время известно более 800 радиоактивных изотопов. Среди них изотоп кобальта, цезий 137, таллий 204, стронций 90 и т.п. Искусственные радиоактивные изотопы оценивают по активности, которую сравнивают с радием. Единица, активности — грамм-эквивалент радия (г-экв радия). Активность в 1 г-экв радия означает активность, соответствующую активности 1 г радия. Чем выше активность изотопа, тем меньшее его количество необходимо для получения такого же ионизирующего действия, как у 1 г радия. В приборостроении используют очень малые количества изотопов из-за опасности радиации для персонала.

Второй характеристикой радиоактивных изотопов является энергия излучения. Она характеризует проникающую способность этого излучения. В атомной физике она выражается единицей, называемой электрон-вольт, т.е. энергией, приобретаемой частицей, несущей элементарный заряд, при разности потенциалов, равной 1 вольту. В промышленных целях обычно Используют изотопы с энергией излучения 0,1-3,5 Мэв. Такая энергия безопасна для обслуживающего персонала.

Гамма-лучи способны проходить через большую толщу материала, но при прохождении через какой-либо материал гамма-лучи ослабляются и тем больше, чем выше плотность материала и чем больше будет толща материала. На степень ослабления интенсивности гамма-лучей совершенно не влияют температура, степень измельчения и физическое состояние материала. Лучшим поглотителем гамма-лучей является свинец; поэтому его часто используют в качестве защитного экрана от действия гамма-лучей. На свойствах гамма-лучей поглощаться и рассеиваться в материале, в частности в бетоне, основаны приборы для определения средней плотности и толщины изделия.

Вторым видом проникающего излучения, применяемого в строительстве, являются нейтроны, которые не несут электрического заряда, но обладают высокой проникающей способностью. Их взаимодействие с веществом имеет характерные особенности: когда нейтроны высокой энергии попадают в вещество и сталкиваются с ядрами атомов, то они передают им часть своей энергии и замедляются. Наиболее эффективно нейтроны замедляются водородом. На этом принципе построены влагомеры — приборы для определения влажности материалов.

Источником нейтронов служит смесь радиоактивных элементов радия с полонием или бериллием. Обычно в технике измерений используют источник с интенсивностью около 105 нейтрон/с.

Как определить среднюю плотность бетона в готовом изделии или конструкции? Прежде всего уточним, зачем нужно определять среднюю плотность готового бетона. Знание средней плотности необходимо при вычислении прочности бетона по динамическому модулю упругости �[Величина модуля упругости, получаемая при динамических испытаниях бетона.].�

Ну, а без знания средней плотности, достигаемой при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, нельзя получить заданную прочность всего сооружения. Чтобы измерить среднюю плотность, нам понадобится источник излучения гамма-лучей и регистрирующее устройство интенсивности гамма-лучей со счетчиком частиц; шкала счетчика отградуирована в единицах плотности. В качестве источника гамма-лучей применяют радиокобальт (С 60) или цезий 137 (С 137).

Схема расположения всех приборов, входящая в состав радиоактивного объемомера или плотномера, такова: источник гамма-излучения и регистрирующее устройство со счетчиком ставят с противоположных сторон контролируемой конструкции. При прохождении гамма-лучей через материал они взаимодействуют с атомами материал а, которые находятся на пути распространения (рис. 34) и частично поглощаются ими. Взаимодействие между излучением и атомами материала будет тем сильнее, чем плотнее материал. Это значит, чем плотнее материал, тем меньше гамма-фотонов пройдет через него. Поглощение проникающего излучения в теле материала будет зависеть от средней плотности материала.

Количество гамма-фотонов, зарегистрированное счетчиком, и будет характеризовать среднюю плотность бетона.

А как быть, если измерения средней плотности надо вести в монолите? В этом случае как источник гамма-лучей, так и регистрирующее устройство со счетчиком монтируют в зонде: сверху находится регистрирующее устройство, а внизу - источник излучения. Счетчик вынесен наружу. Чтобы не происходило прямого излучения в регистрирующее устройство, между источником излучений и регистрирующим устройством располагают свинцовый экран определенной толщины. В испытуемом изделии пробуривают шпур и в него устанавливают зонд с приборами и экраном (рис. 35). Средняя плотность монолита определится также количеством гамма-фотонов, зарегистрированных счетчиком.

Как определить среднюю плотность бетонной смеси? Все рассуждения, касающиеся бетона, будут справедливы для бетонной смеси. Можно также использовать и зонды. Зонд устроен так. Очень небольшой источник цезия-137 активностью 2-5 мг-экв радия помещен в острие Т-образного зонда диаметром 20 мм, который погружают в бетонную смесь. Степень поглощения гамма-лучей фиксируют счетчиком, отградуированным в единицах средней плотности. Значения средней плотности отсчитывают непосредственно по шкале прибора.

Радиоактивный контроль за качеством укладки бетона уже много лет применяется в гидротехническом строительстве, например при сооружении Бухтарминской и Братской ГЭС.

Как определить среднюю плотность бетонной плиты или дорожного полотна, когда доступ к ним возможен только с одной стороны?

Существующие методы вырубки проб ослабляют конструкцию и, кроме того, это связано с отбором множества проб на большой площади, например в условиях дороги. Это очень трудоемкая задача, не всегда обеспечивающая достоверный контроль однородности покрытий.

И здесь нам помогают радиоизотопные методы. Интенсивность поглощения и рассеяния гамма-лучей при одностороннем доступе к конструкции (рис. 36) фиксируют следующим образом. Пучок гамма-лучей от источника излучения под определенным углом направляют на бетонную плиту, дорожное покрытие, массив. Отраженные лучи улавливают регистрирующим устройством со счетчиком, также расположенным под определенным углом. Как источник излучений, так и регистрирующее устройство со счетчиком помещены в свинцовые контейнеры. Между ними находится толстый свинцовый поглотитель. Среднюю плотность бетона определяют по индикатору счетчика. Если сделать несколько измерений, то общая точность оценки средней плотности будет достаточно высокой. Прибор обеспечивает точность до 0,3 г/см3.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 47

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 48

Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 49


Как определить влажность готового бетона, не беря при этом проб? Нейтронным методом! Этот метод отличается от описанных радиоизотопных методов тем, что в качестве источника излучения предусматривает поток быстрых нейтронов. Принцип нейтронного влагомера заключается в том, что когда быстрые нейтроны, излучаемые сплавом полоний-бериллий, проходят через влажный материал, они сталкиваются с водородом, содержащимся в молекулах воды (рис. 37), и замедляются, так что их скорость становится близкой к скорости движения молекул при воздействии тепла. Такие нейтроны уже называют медленными или тепловыми нейтронами. Вот эти медленные нейтроны и регистрируются счетчиком. Влажность будет тем большей, чем больше образуется тепловых нейтронов. Конструктивно нейтронный влагомер выполнен в виде зонда. В конце зонда установлен источник нейтронов (сплав полоний-бериллий). Затем в зонд помещают свинцовый экран, в котором находится счетчик медленных нейтронов. Он регистрирует количество нейтронов по шкале прибора, проградуированной в % влажности. Точность измерения равна 2%.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 50



МЫ ВИДИМ НЕВИДИМОЕ

Большинство окружающих нас тел и сред непрозрачны. Причиной этого является то, что природа ’’обидела” человека, наделив его способностью видеть только в очень узком участке спектра. Так как видимая область спектра очень мала по сравнению с остальной частью спектра, то прозрачных тел оказалось в природе очень мало. Их буквально можно пересчитать по пальцам: воздух, вода, кварц, каменная соль, флюорит, слюда, стекло, светлые пластмассы, спирт, бензин, ацетон, уксус и т.п.

Значит, большая часть известных человеку сред и материалов непрозрачна! Но человек всегда хочет знать больше, чем он знает сейчас. Много веков он мечтал видеть сквозь непрозрачные предметы. И человек решил: чтобы заглянуть внутрь непрозрачных тел и сред, их надо сделать прозрачными! И появилось ’’волшебное око” — интроскопия с ее блестящими возможностями.

Что же такое интроскопия? Создателем этого направления в науке является советский ученый проф. П.К. Ощепков. Термин ’’интроскопия” происходит от латинского слова ’’интро” - внутри и греческого слова ’’скопио” - вижу. В самом общем смысле интроскопия означает непосредственное видение внутри непрозрачных тел и сред. Это достигается благодаря использованию универсального преобразователя, который позволяет превращать любые невидимые излучения в оптически видимые. Приборы, использующие средства интроскопии, называются интро-скопами.

Интроскопия базируется на самом широком использовании различных видов проникающих излучений. Чтобы заглянуть внутрь различных непрозрачных тел и сред, необходимо правильно подобрать вид излучения и длину его волны. Оказалось, что одни тела пропускают инфракрасные лучи, другие ультразвук, третьи радиоволны, четвертые становятся прозрачными в магнитных и электрических полях и тд. В зависимости от того, какой вид проникающего излучения мы используем, понятие прозрачности становится условным. Например, чистая вода прозрачна? Да, но только для световых волн. Если же изменить длину волны, например до 2-2,5 мкм, то чистая вода станет такой же непрозрачной, как мрамор. Кристаллы кремния непрозрачны для видимого света, а прозрачны для инфракрасных лучей. Бетон непрозрачен для видимого света, но прозрачен для ультразвука и радиоволн. Интроскопия использует все виды проникающих излучений: инфракрасные лучи, ультразвуковые волны, радиоволны, рентгеновы и гамма-лучи и т.п. В каком случае следует применять тот или иной вид проникающего излучения — зависит от физических свойств исследуемого материала.

Наше знакомство с интроскопией начнем с инфракрасной интроскопии. Если посмотреть на шкалу электромагнитного спектра, то мы увидим, что инфракрасные лучи расположены между радиоволнами и видимым светом. Они охватывают значительный диапазон от 0,75 до 500 мкм и разделяются на ближнюю, дальнюю и сверхдальнюю зоны.

Особенностью инфракрасных лучей является то, что они формируются по тем же законам геометрической оптики, что и видимые лучи. А это означает, что можно формировать ифракрасные изображения обычными оптическими средствами. Для этой цели служат электроннооптические приборы, которые позволяют преобразовывать инфракрасные изображения в видимые. Благодаря этому была решена проблема ’’внутривидения” в инфракрасных лучах. В настоящее время существует два основных направления инфракрасной интроскопии: прямое оптическое видение внутри непрозрачных тел и сред, которые оказываются "прозрачными" для инфракрасных лучей, и термоинтроскопия (тепловидение). Ее задача — получение картины распределения температуры в непрозрачных для видимого света объектах (изделиях, конструкциях). Такая ’’тепловая” картина позволит получить информацию о внутреннем состоянии изделия или конструкции, установить наличие возможных теплопотерь в ней, а также выявить дефекты и их размеры. Для этого используются термоинтроскопы или "тепловизоры”, а для инфракрасной интроскопии — инфракрасные интроскопы.

Все интроскопы независимо от проникающего излучения, работают на общем принципе. Этот принцип заключается в преобразовании этих излучений сначала в скрытое электрическое изображение, а затем — в зримое. Поэтому ’’сердцем” любого интроскопа служат преобразователи невидимого излучения в видимое. В инфракрасном интроскопе таким преобразователем служит электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

Электронно-оптический преобразователь представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находится вакуум. В этот баллон помещены две параллельные стеклянные пластины. Они обращены друг к другу своими поверхностями, на которые нанесен тонкий слой особого вещества. Первая по ходу лучей пластина называется фотокатодом, а вторая — флуоресцирующим экраном. Фотокатод чувствителен к лучам определенной волны.

Под действием инфракрасных лучей из него вылетают электроны. Если между фотокатодом и флуоресцирующим экраном поместить поле высокого напряжения, то вылетающие с фотокатода электроны ускоряются, приобретают большую скорость и попадают на флуоресцирующий экран. Под ударами электронов экран начинает светиться, и скрытое электронное изображение становится видимым.

Условием прозрачности тел и жидкостей для инфракрасного интроскопа является высокий коэффициент пропускания в инфракрасном участке спектра, причем если это твердое тело, то оно напоминает собой прозрачный кристалл, а если жидкость - то воду или какую-либо светлую жидкость.

А как быть, если нужно выявить очень малые дефекты или примеси в телах, не различимые глазом при обычном свете? Если эти тела прозрачны для инфракрасных лучей, то используют инфракрасный микроскоп. Он отличается от обычного микроскопа тем, что в нем вместо электролампочки, излучающей световые волны, применяют источник инфракрасных лучей. Для преобразования этих лучей в видимые используют ЭОП, чувствительный к данному диапазону инфракрасных волн. Такой инфракрасный микроскоп позволяет выделять исследуемые неоднородности на требуемой глубине. Первые шаги инфракрасной интроскопии, позволившей заглянуть в непрозрачное, подтвердили ее неограниченные возможности. Оказалось, что она с успехом может быть использована во многих отраслях науки и техники, в том числе и в строительстве.

А термоинтроскопия? Чтобы узнать, нагрет ли предмет, мы используем осязание. Так, например, чтобы установить, не повышена ли у нас температура, мы ощупываем рукой лоб. А в технике, чтобы выявить плохую изоляцию между металлическими пластинами электрического генератора, его нагревают токами Фуко. Затем ощупывают в поисках горячих участков, что является признаком плохой изоляции между пластинами.

Значит, осязание помогает нам судить о степени нагретости тела. Но насколько это чувство беднее зрения! Давно люди стремились найти средства, позволяющие точно определить температуру. Уже не удовлетворяют потребности науки и производства даже самые точные и быстродействующие термометры и другие приборы, измеряющие температуру в отдельных точках. Нужно иметь наглядную картину окружающего пространства со всеми оттенками и переходами. И на помощь ученым пришла термоинтроскопия. Она позволила видеть тепло.

Для этого надо превратить тепловое излучение в электрические сигналы. Затем эти сигналы усилить и подать в электронно-лучевую трубку, похожую на телевизионную. На экране этой трубки возникает картина распределения тепловых полей. Изображение на экране можно сфотографировать, а можно заставить электронный луч рисовать инфракрасные образы прямо на электрохимической бумаге. Так работает тепловизор. Теперь там, где господствовало осязание, включен могучий ’’зрительный” аппарат — инфракрасное око. Тепловизоры уже разработаны в СССР и за рубежом. Область их применения огромна — техника, медицина. В строительстве тепловидение может быть использовано для оценки изоляции и определения теплопотерь в строительных конструкциях. Кроме того, термоинтроскопия позволит получать информацию о внутреннем состоянии сооружений и обнаруживать дефекты в конструкциях (рис. 38).

Другой очень интересной для строителей областью интроскопии является радиоинтроскопия, диапазон которой примыкает к инфракрасному диапазону. За субмиллиметровым диапазоном инфракрасных волн находятся миллиметровые волны. Это уже радиоволны. Радиоинтроскопия очень перспективна для контроля качества строительных изделий и конструкций.

Давайте немного пофантазируем. Как было бы хорошо, если бы можно было непосредственно видеть в строительных конструкциях или сооружениях самые скрытые дефекты (каверны, трещины), увидеть состояние арматуры, проверить ее расположение, закладные детали и т.п. Но это равносильно тому, если бы мы захотели увидеть сквозь стену. А ведь это возможно! Раньше такое утверждение вызвало бы улыбку недоверия, а само заявление об этом могло принадлежать только писателю-фантасту. Но время летит, и современная техника, как добрая фея, дарит нам свои свершения, которые совсем недавно были только мечтой. Так произошло и в данном случае.

Для радиоволн оказались прозрачными каменные, железобетонные и деревянные стены. Радиоинтроскоп позволяет видеть объект, находящийся за стеной (рис. 39). Значит, в ближайшее время строительство получит надежный способ контроля.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 51



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 52


И еще один вид интроскопии - ультразвук. При описании ультразвуковых методов контроля качества строительных изделий и конструкций мы отмечали, что на экране электронно-лучевой трубки ультразвукового прибора появляются условные электрические сигналы. По этим сигналам оператор может судить о наличии в изделии дефектов. Но гораздо лучше увидеть на экране не сигнал, а сам дефект (раковину, трещину), его форму и размеры. Это позволяет ультразвуковая интроскопия. А разве можно видеть ультразвук? Да, можно. В ультразвуковых интроскопах имеется электронно-акустический преобразователь (ЭАП) типа ”Уникон-55”, разработанный советскими учеными П.К. Ощепковым, Л.Д. Розенбергом и Ю.Б. Семенниковым. В этом приборе ультразвуковые сигналы преобразуются в оптически видимое изображение. На экране телевизионной трубки, с которой соединен ЭАП, получается четкое изображение дефекта, находящегося внутри исследуемого объекта.

Но интроскопы все же дают только плоское изображение, что не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к контролю особо ответственных изделий и конструкций. Получить объемное изображение того, что находится в толще материала?! Ну это уже из области научной фантастики! Нет, это реальность.

Такую возможность дает голография. Она позволяет получить высококачественное объемное изображение, которое воспринимается как материально ощутимый предмет.


ЧТО ТАКОЕ ГОЛОГРАФИЯ?

Название голография происходит от греческих слов: ’’голос” — полный, ’’графия” — пишу, т.е. полная запись. Естественно, напрашивается вопрос: полная запись чего? Имеется в виду полная запись о предмете, т.е. информация, необходимая для воспроизведения предмета, который являетсятрехмерным (рис. 40).

А что же такое голография? Это фотографический метод записи и воспроизведения пространственного изображения с помощью лазера, при котором фиксируется не само изображение предмета, а волновая картина отраженного (рассеянного) им света.

Как понять "волновая картина предмета”? Если мы осветим предмет, то отраженные от него световые волны пройдут путь от предмета до приемника света, например глаза. Все отраженные световые волны образуют волновую картину предмета, или волновое поле. Волновое поле предмета упрощенно можно изобразить в виде извилистых линий, характеризующих подробности его строения. Форма этих линий будет зависеть от формы предмета. Чем сложнее его конфигурация, тем более сложную форму приобретут условные линии, изображающие структуру отраженной волны. Волновое поле содержит всю информацию о предмете. Если же записать каким-либо образом такое волновое поле, а затем воспроизвести его со всеми подробностями, то глаз наблюдателя не сможет отличить восстановленного поля от первоначального. Наблюдатель увидит изображение предмета, которое ничем не будет отличаться от оригинала, так как оно будет обладать всеми характеристиками оригинала, создавая тем самым полную иллюзию присутствия предмета.

Вот в задачу голографии и входит — записать всю информацию о предмете, а затем восстановить его изображение. Так как запись волновой картины производится на фотопластинку с помощью лазера, то иногда голографию называют фотографированием в лучах лазера. Формально такое определение правильно. Ведь голография и фотография — способы записи световой информации об объекте, которую видит наблюдатель. В обоих случаях изображение регистрируется на фотопластинке. Это как бы роднит фотографию с голографией. Однако эти способы имеют принципиальные различия. Различны и результаты записи. В голографии такая запись называется голограммой, а в фотографии — фотоснимком. Голограмма отличается от фотоснимка тем, что на ней записывается не изображение, сфокусированное в светочувствительном слое, а интерференционная картина, определяемая этим изображением. Голограмма отражает все стороны наблюдаемого предмета, в том числе и его объемность (глубину). На фотографии мы получаем плоскостное изображение, вследствие чего глубина реальных предметов не видна. Объемные изображения, получаемые с помощью голографии, настолько реальны, что зрительное восприятие голограммы аналогично восприятию объемного изображения реального предмета. Это значит, что наблюдатель может фокусировать глаз на любую точку изображения, смещая голову, наблюдать параллакс, видеть игру бликов.

А если это так, то, разглядывая голограмму, можно заглянуть за предметы, находящиеся на переднем плане, и увидеть ту их часть, которая как бы закрыта предметами, расположенными ближе к наблюдателю. Такого эффекта средствами обычной фотографии получить нельзя.

Действительно, попытайтесь, рассматривая обычную фотографию, заглянуть за предметы, находящиеся на переднем плане. Вам это, конечно, не удастся. Ведь фотография — это плоское изображение объемного предмета или группы предметов под определенным углом зрения.

На голограмме изображение настолько совершенно и правдоподобно, что наблюдатель воспринимает его как материально ощутимый предмет. Невольно возникает желание приблизиться к нему и даже потрогать его. Тянешься к нему рукой, но пальцы как бы ’’натыкаются” на пустоту. . . Оказывается, голографическое изображение можно отчетливо видеть, но не осязать. Почему? Потому что на голограмме мы видим не материальный предмет, а его ’’призрак” . ..

Внешне голограмма напоминает засвеченный фотографический негатив. На ней никаких признаков ’’фотографируемого” предмета. Однако стоит только осветить голограмму лучом лазера, и она как бы оживает. Создается впечатление, будто кто-то неожиданно поднял занавес, скрывавший от нас окно, ведущее в объемный мир. Там за ’’окном”, появляется объемное изображение, ранее ’’сфотографированное” лучом лазера. Роль такого окна играет фотопластинка, которая как бы обрамляет объемное изображение. Предметы находятся в глубине фотопластинки, как отражение в зеркале. Голограмма отличается от обычной фотографии, как скульптура от картины.

Здесь нельзя не упомянуть советского ученого, члена-корреспондента АН СССР Юрия Николаевича Денисюка, благодаря работам которого появилась возможность получения высококачественных голограмм.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 53


Голография еще сравнительно молодая наука. За последние годы она широко используется в различных областях техники, строительстве, архитектуре, медицине. Это далеко неполный список областей ее возможного применения.

Чем же объяснить стремительное развитие голографии? Прежде всего тем, что в ряде отраслей техники голография открыла такие перспективы решения научно-технических проблем, которые нельзя решить никакими известными техническими средствами.


ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТРОСКОПИЯ

Ценность голографии заключается в том, что она может легко взаимодействовать с традиционными методами исследований. В результате этого расширяются возможности человеческого познания. Так, например, сочетая методы голографии и интроскопии, можно исследовать картину любых волновых полей, сделать зримой всю информацию, получаемую с помощью таких невидимых волн, как акустические и инфракрасные. Благодаря этому можно создать системы звуковидения и радиовидения.

Это значит, что голографическая интроскопия позволит техническими средствами создать принципиально новый орган восприятия и даст возможность увидеть невидимое невооруженным глазом. Можно будет наблюдать и быстропротекающие процессы и явления, например схватывание цемента.

Что может дать голографическая интроскопия в строительстве? Она позволит обнаруживать в изделиях раковины, трещины, наблюдать за состоянием закладных деталей, арматуры и т.п. Можно также будет видеть, что происходит с бетонной смесью при вибрировании. Это далеко неполный перечень возможностей голографической интроскопии.

Большие возможности у голографической интроскопии для контроля качества готовых изделий из бетона и железобетона. Имеется в виду использование тепловидения и радиовидения. Уже имеются практические результаты. Такой контроль повысит надежность и долговечность конструкций. И это дело недалекого будущего.


ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

За последние годы в практику строительства начинает внедряться сочетание голографии с интерферометрией — голографическая интерферометрия.

Классическая интерферометрия возникла давно. Она использовалась в оптике, металлографии, физике. Однако имела ряд существенных ограничений, которые не допускали ее широкого применения в технике. В основном эти ограничения сводились к требованию, чтобы у образца, подлежащего испытанию, была зеркальная тщательно отполированная поверхность и, кроме того, образец должен был иметь правильную геометрическую форму. Окончательные результаты измерений можно было получить только после дополнительных расчетов. Поэтому классические интерференционные методы относились к пассивным лабораторным методам.

Так продолжалось вплоть до 1947 г., т.е. до момента изобретения голографии. Дальнейшее ее развитие и послужило основанием для создания голографической интерферометрии.

Чем же она отличается от классической интерферометрии? Для того чтобы это понять, напомним, что означает термин волновой фронт. Волновым фронтом в оптике называется такая поверхность, которая образована в пространстве точками, расположенными на одном и том же расстоянии от источника света и на которой фаза постоянна.

Единственной существенной разницей между голографией и обычной интерферометрией является то, что в основе голографии - запись волновых фронтов, тогда как интерферометрия используется для их сравнения. Это создает большие преимущества голографической интерферометрии. Техника голографической интерферометрии добавляет к уже известным возможностям обыкновенной интерферометрии дополнительные возможности исследования таких явлений, которые раньше считались недоступными для наблюдения, например, деформаций равномерно движущегося объекта, вибраций, рельефа сложных поверхностей и т.п.

Особенностью голографической интерферометрии является возможность исследования предметов неправильной формы и даже диффузно отражающих предметов, а также исследования процессов, происходящих в закрытом объеме.

Перейдем теперь к принципу интерферометрии и голографической интерферометрии.

Принцип классической интерферометрии заключается в сравнении двух волновых фронтов, из которых один создан исследуемым предметом, а другой — эталонным предметом. В результате интерференции получается интерференционная картина, по которой судят об отличии исследуемого волнового фронта от эталонного.

Принцип голографической интерферометрии заключается в регистрации на голограмме амплитуды и фазы световой волны. Известно, что голографическое изображение формируется с помощью когерентного света. Голограмма регистрирует всю информацию, содержащуюся в волновом фронте от объекта, и даже мельчайшие детали его поверхности. Интерференция между восстановленным волновым фронтом голограммы и волновым фронтом деформированного объекта дает общую картину, как изменялся объект в целом.

Что нового в классическую интерферометрию внесла голографическая интерферометрия? Прежде всего — это интерферометрия пространственных предметов, позволяющая установить различие форм сложных трехмерных объектов. Во-вторых, возможность исследования объектов не только с поверхностями оптического качества, но и любыми другими. В-третьих, возможность воспроизвести форму зарегистрированной волновой поверхности в те моменты времени, когда предмет уже может не существовать. Это обычно делается так. Голограмму помещают на то место, где она экспонировалась, а предмет убирают. Сразу же восстановится световая волна, рассеивающая предмет во время экспозиции.

Существует несколько способов голографической интерферометрии. Самый простой — это способ двойной экспозиции. Сначала получают голограмму исследуемого объекта в первоначальном состоянии, т.е. не нагруженного, не нагретого и не деформированного. Затем объект подвергают внешним воздействиям. На фотопластинку записывается голограмма измененного состояния объекта.



Занимательно о бетоне . Лоренц Пирожников. Иллюстрация 54


При восстановлении изображения объекта с двукратноэкспонированной голограммы наблюдается результат интерференции полей, существовавших в разные моменты времени: во-первых, волнового поля, несущего информацию о первоначальном состоянии объекта, во-вторых, волнового поля, несущего информацию об измененном состоянии объекта. В результате на изображение объекта накладывается сеть интерференционных полос, по которым определяют происшедшие с ними изменения.

Способ двойной экспозиции применяют для излучения поверхностной деформации непрозрачных тел под влиянием нагрузки, тепла или холода, а также для обнаружения трещин и раковин в этих телах (рис. 41).

Другой практический способ голографической интерферометрии -это способ реального масштаба времени. Он аналогичен способу двойной экспозиции. Разница между ними лишь в том, что при использовании способа реального масштаба времени вместо второй голограммы голографическое изображение непосредственно интерферирует с предметом, с которого получена голограмма. При восстановлении опорный пучок освещает голограмму и предмет, с которого получена голограмма. Отраженные волны интерферируют между собой. Благодаря этому способу можно сравнивать реальный предмет с ’’идеальным”, представляемым, например, голограммой, синтезированной на ЭВМ. Очень часто в строительной технике необходимо испытать сложнейшие гидротехнические сооружения. Нужно, например, выявить внутренние напряжения, которые возникают в процессе эксплуатации плотины. С помощью голографии это можно сделать еще до начала строительства плотины на ее модели. С модели снимают голограмму, которая становится своего рода шаблоном. Затем прилагают к наиболее ответственным участкам модели нагрузку и снова делают голограмму. При сравнении обеих голограмм способом двойной экспозиции выявляют созданные нагрузкой деформации и определяют опасные места. При сооружении плотины эти места усиливают.

Метод голографической интерферометрии для обнаружения воздействия нагрузки и температуры на бетон был применен впервые проф. Ю.М. Баженовым.

Таковы некоторые возможности голографической интерферометрии. За последние годы голографическая интерферометрия начала широко применяться в строительстве и уже в ряде случаев ее результаты превзошли результаты исследования конструкций, которые до сих пор велись методом фотоупругости.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вот мы и закончили наш рассказ о бетоне, этом замечательном строительном материале.

Мы старались изложить материал книги в популярной форме, так, чтобы читатель понял довольно серьезные вопросы, касающиеся технологии бетона и контроля его качества.

Хочется надеяться, что это нам удалось и книга понравится читателю. Другой целью этой книги было желание помочь нашему молодому читателю выбрать себе строительную профессию. Если обе поставленные задачи оказались выполненными, то это будет лучшей оценкой скромного труда автора.