Основным материалом, который традиционно применяют во всех областях строительства, является бетон. В настоящее время производство бетона и железобетона в Украине характеризуется коренным изменением инфраструктуры. Главная причина - переход от полносборного строительства из железобетонных изделий к сооружению объектов из монолитного бетона. Естественно, меняются требования к проектированию, обеспечению свойств бетонных смесей и бетонов с учетом влияния самых разнообразных технологических и климатических факторов.
Кроме того, за последнее десятилетие технология бетона обогатилась средствами регулирования, достижения и поддержания заданных свойств бетонных смесей и бетонов. Это, - прежде всего, высокоэффективные химические и минеральные добавки новой генерации, фибра, текstyless и так далее. С их применением исследованы и установлены новые закономерности в бетоноведении, созданы бетоны нового поколения. Такие бетоны с успехом применяются в разных странах при возведении высотных зданий, мостов, тоннелей, сложных объектов типа морских буровых установок и тому подобное. Достигнуты требуемая степень технологичности бетонных работ, сокращение трудозатрат, резкое снижение сложностей ухода за бетоном и очень высокие показатели прочности и долговечности.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ БЕТОНА
Бетон на неорганических вяжущих веществах представляет собой композиционный материал, получаемый в результате формования и твердения рационально подобранной бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, заполнителей и специальных добавок.
Состав бетонной смеси должен обеспечить бетону к определенному сроку заданные свойства (прочность, морозостойкость, водонепроницаемость и др.).
Преимуществами бетона и железобетона являются:
— низкий уровень затрат на изготовление конструкций в связи с применением местного сырья;
— возможность применения в сборных и монолитных конструкциях различного вида и назначения;
— механизация и автоматизация приготовления бетона и производства конструкций;
— при надлежащей обработке бетон позволяет изготавливать конструкции оптимальной формы с точки зрения строительной механики и архитектуры;
— бетон долговечен и огнестоек, а его плотность, прочность и другие характеристики можно изменять в широких пределах и получать материал с заданными свойствами.
Недостатком бетона - как и любого каменного материала, является низкая прочность на растяжение, которая в 10-15 раз ниже прочности на сжатие. Этот недостаток устраняется в железобетоне, когда растягивающие напряжения воспринимает арматура. Близость коэффициентов температурного расширения и прочное сцепление обеспечивают совместную работу бетона и стальной арматуры в железобетоне, как единого целого. Благодаря этому бетоны различных видов и железобетонные конструкции из них являются основой современного строительства.

КЛАССИФИКАЦИЯ БЕТОНОВ
По виду вяжущего выделяют:
— цементные (наиболее распространенные);
— силикатные (известково-кремнеземистые);
— гипсовые, смешанные (цементно-известковые, известково-шлаковые и т.п.);
— специальные - применяемые при наличии особых требований (жаростойкости, химической стойкости и др.).
По виду заполнителя бетоны делятся на:
— плотные;
— пористые;
— на специальных заполнителях, удовлетворяющих особые требования (защиту от излучений, жаростойкость, химическую стойкость и т.п.).
В правильно подобранной бетонной смеси расход цемента составляет 8-15%, а заполнителей - 80-85% (по массе).
В виде заполнителей используют местные каменные материалы: песок, гравий, щебень, а также побочные продукты промышленности (например, дробленные и гранулированные металлургические шлаки).
В зависимости от плотности различают бетоны:
— особо тяжелые - плотностью более 2500 кг/м³, изготовленные на особо тяжелых заполнителях (из магнетита, барита, чугунного скрапа и др.); эти бетоны применяют для специальных защитных конструкций;
— тяжелые - плотностью 2200-2500 кг/м³ на песке, гравии или щебне из тяжелых горных пород; применяют во всех несущих конструкциях;
— облегченные - плотностью 1800-2200 кг/м³; их применяют преимущественно в несущих конструкциях;
— легкие - плотностью 500-1800 кг/м³. К ним в свою очередь относятся:
а) легкие бетоны на пористых природных и искусственных заполнителях;
б) ячеистые бетоны (газобетон и пенобетон) из смеси вяжущего, воды, тонкодисперсного кремнеземистого компонента и порообразователя;
в) крупнопористые (беспесчаные) бетоны на плотном или пористом крупном заполнителе без мелкого заполнителя;
— особо легкие (ячеистые и на пористых заполнителях) - плотностью менее 500 кг/м³, используемые в качестве теплоизоляции.

МАРКИ И КЛАССЫ БЕТОНОВ
При проектировании бетонных и железобетонных конструкций назначают требуемые характеристики бетона: класс (марку) прочности, марки морозостойкости и водонепроницаемости.
За проектную марку бетона по прочности на сжатие принимают сопротивление осевому сжатию (кгс/см²) эталонных образцов-кубов.
За проектную марку бетона по прочности на осевое растяжение принимают сопротивление осевому растяжению (кгс/см²) контрольных образцов. Эта марка назначается тогда, когда она имеет первостепенное значение.
Проектная марка бетона по морозостойкости характеризуется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдерживает образцы в условиях стандартного испытания, и назначается для бетона, подвергающегося многократному воздействию отрицательных температур.
Проектная марка бетона по водонепроницаемости характеризуется односторонним гидростатическим давлением (кгс/см²), при котором образцы бетона не пропускают воду в условиях стандартного испытания, и назначается для бетона, к которому предъявляются требования по плотности и водонепроницаемости.
Проектную марку бетона по прочности на сжатие контролируют путем испытания стандартных бетонных образцов: для монолитных конструкций в возрасте 28 сут., для сборных конструкций - в сроки, установленные для данного вида изделий стандартом или техническими условиями.
Проектную марку бетона монолитных конструкций разрешается устанавливать при специальном обосновании в возрасте 90 или 180 сут. в зависимости от сроков загружения, что позволяет экономить цемент.
Прочность бетона определяют путем испытания образцов, которые изготовляют сериями; серия, как правило, состоит из трех образцов.
Предел прочности при растяжении возрастает при повышении марки бетона по прочности при сжатии, однако увеличение сопротивления растяжению замедляется в области высокопрочных бетонов. Поэтому прочность бетона при растяжении составляет 1/10-1/17 предела прочности при сжатии, а предел прочности при изгибе - 1/6-1/10.

Однородность прочности бетона
Бетон должен быть однородным - это важнейшее техническое и экономическое требование. Для оценки однородности бетона данной марки используют результаты контрольных испытаний бетонных образцов за определенный период времени.
Прочность бетона зависит от колебания в качестве цемента и заполнителей, точности дозирования составляющих, тщательности приготовления бетонной смеси и других факторов.
Для повышения однородности бетона необходимо применение цемента и заполнителей гарантированного качества, повышение уровня технологической дисциплины, автоматизация производства.
Следовательно, для нормирования прочности необходимо использовать стандартную характеристику, которая гарантировала бы получение бетона заданной прочности с учетом возможных ее колебаний. Такой характеристикой является класс бетона.
Класс бетона - это числовая характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью 0,95. Это значит, что установленное классом свойство обеспечивается не менее чем в 95 случаях из 100 и лишь в пяти случаях можно ожидать его не выполненным.
Бетоны подразделяются на классы: В1; В 1,5; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В40; В45; В50; В55; В60.
Соотношение между классом и марками бетона по прочности при нормативном коэффициенте вариации v= 13,5%.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

Теплофизические свойства бетона
Теплопроводность - наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, особенно при использовании в ограждающих конструкциях зданий.
Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), то есть она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона, поэтому панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.
Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах-0,75-0,92 Вт/(м.°С).
Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,0000ГС, следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Для избежания растрескивания сооружений большой протяженности бетон разрезают температурно-усадочными швами.
Крупный заполнитель и раствор, как составляющие бетона, имеют различный коэффициент температурного расширения и по-разному деформируются при изменении температуры.
Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона в результате различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если правильно подобрать составляющие бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Морозостойкость
Морозостойкость бетона определяется путем попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20 °С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов-кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.
Установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500

Водонепроницаемость
Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь вводят специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного применяют расширяющийся портландцемент.
По водонепроницаемости бетон делят на марки W2, W4, W6, W8 и W12, где марка обозначает давление воды (кгс/см²), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду в условиях стандартного испытания.

Деформативные свойства бетона
Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.
Область условно упругой работы бетона - от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.
Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.
Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7-2,5 раза тяжелого бетона. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру.
Ползучесть (увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки) зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя - щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми бетонами.
Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может вызвать рост ползучести.
Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения; в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.

Усадка и набухание бетона
При твердении на воздухе происходит усадка бетона, то есть бетон сжимается, и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. В результате усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами, чтобы избежать появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным.
Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение в бетон заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.
Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.

ОСНОВЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦВЕТНОГО БЕТОНА
Пигменты для окрашивания бетона (порошковые, жидкие или гранулированные), независимо от технологии процесса, должны отвечать определенным требованиям по щелочестойкости, светостойкости и смачиваемости, которые влияют на совместимость пигментов с другими компонентами бетонной смеси.
Содержание пигментов в бетоне ограничено 10% от веса портландцемента, зольной пыли и других вяжущих компонентов смеси. Уровень дозирования, выше которого пигмент не оказывает воздействия на цвет бетона, близок к 6% и зависит от типа и цвета пигмента. Многие популярные и экономные оттенки могут быть получены при дозировке близкой к 1%.Для получения оптимальной насыщенности цвета материал пигмента перемалывается до микроскопических частиц, нередко до 1/100 диаметра зерна портландцемента. Эти мелкие частицы смешиваются и скрепляются с цементным раствором, который затем перемешивается с песком и крупным наполнителем бетонной смеси.
Наиболее распространенным типом пигмента является окись железа. Пигменты на основе окиси железа экономичны, долговечны, не оказывают значительного влияния на экологию, безопасны для здоровья и широко доступны. Помимо минеральных (рудных) окисей железа, также используются синтетические.
Синтетические окиси обеспечивают хорошую насыщенность и равномерность цвета, и, обычно, имеют четыре "базовых" цвета: желтый, черный и два оттенка красного (с оттенком желтого или голубого). Для получения зеленого пигмента используется окись хрома, для голубого - кобальт. Двуокись титана может быть использована для осветления бетона, однако для этой цели чаще используют белый портландцемент. Получение широкого спектра цвета бетона достигается смешиванием базовых оттенков.
Кроме самих пигментов, на цвет бетона влияют цвет цемента, песка и наполнителей, водоцементное отношение, текстура поверхности, условия твердения и соблюдение технологии отделки поверхности.

ДОБАВКИ К БЕТОНАМ
Мировой опыт свидетельствует, что получить бетоны высокого качества без применения различных добавок невозможно. На рынке представлены различные типы добавок:
— суперпластификаторы
— пластификаторы
— воздухововлекающие добавки
— замедлители
— ускорители
— антифризы
— добавки, улучшающие перекачиваемость бетонной смеси.
Основным показателем, влияющим на механическую прочность бетона является водно-цементное соотношение (В/Ц). Чем этот показатель ниже, тем выше конечные механические характеристики прочности бетона. Но при снижении В/Ц без применения пластификаторов ухудшаются показатели подвижности бетона. Ухудшение подвижности, не позволяет качественно уложить бетонную смесь и требуются дополнительные энергозатраты для укладки такого бетона. Правильный подбор пластифицирующих добавок позволяет снизить количество воды в бетонной смеси без изменения ее удобоукладываемости. Следующей важной причиной использования суперпластификаторов является снижение расхода цемента. Использование добавок позволяет снизить потребление цемента в бетоне без изменения показателей конечной прочности бетона и подвижности укладываемой смеси. Снижение расхода цемента помимо экономического эффекта дает возможность снизить термальные нагрузки бетонной конструкции, приводящие в противном случае к образованию трещин и усадок.
На украинском рынке представлено много различных пластифицирующих добавок: от самых простых на основе лигносульфонатов, дающих минимальное снижение воды в бетонной смеси, до высокотехнологичных акриловых суперпластификаторов нового поколения с максимальным водопонижением смеси и абсолютно нейтральных к металлической арматуре.
Таким образом, использование современных высокотехнологичных добавок дает массу преимуществ:
— увеличение долговечности конструкции;
— отличные показатели ранней и конечной прочности;
— снижение водо-цементного соотношения при сохранении высокой подвижности смеси;
— снижение термических напряжений и микротрещин в результате исключения или сокращения пропарочной обработки;
— снижение температуры гидратации в массивных бетонных конструкциях и, как следствие, снижение усадок и трещинообразования;
— отсутствие каверн, раковин и пустот внутри и на поверхности бетона;
— улучшение показателей морозостойкости и водостойкости бетона;
— снижение энергозатрат на укладку бетона;
— оптимальное время выдержки;
— уменьшение расхода цемента.