Столетиями бетон использовался как долговечный строительный материал. В начале 20 века, с появлением стального армирования, бетон становится наиболее широко применяемым строительным материалом в мире. Долговечный и стойкий к коррозии, бетон противостоит солнечным лучам и влаге, большинству микроорганизмов и проникновению химических элементов.
Бетон способен выдержать давление до 1000 кгс/кв.см, но при этом имеет относительно низкую прочность на разрыв и изгиб. В зависимости от доступности сырья и альтернативных строительных материалов бетон может быть относительно недорогим в производстве и технологичным при изготовлении сложных строительных конструкций.
Что такое бетон
Бетон - состав из портландцемента, мелкого и крупного наполнителя, воды, различных добавок и воздуха. Портландцемент получил свое название в Англии в начале 19 века благодаря своему сходству со строительным камнем с острова Портланд близ Британского побережья. Портландцемент изготовливается путем измельчения и смешивания известняка и глиносодержащих пород (глинозема, глинистого сланца, доменного шлака). Смесь равномерно обжигается до спекания в ротационной печи. Получающийся при этом продукт именуется клинкером. Клинкер охлаждается и затем перемалывается в порошок, который и образует портландцемент. В клинкер в процессе перемалывания добавляются небольшие количества ингредиентов для получения различных типов цемента.
Цемент, смешанный с водой образует вяжущее. Добавление мелкого наполнителя в вяжущее превращает его в раствор. Бетонная смесь образуется последующим добавлением крупного наполнителя в раствор. В качестве мелкого наполнителя используется песок, а крупного - щебень или гравий фракций от 5 до 40 мм.
При изготовлении бетона также используются специальные минеральные добавки, называемые пуццоланы. Пуццоланы добавляются в бетонную смесь и представляют собой разновидности вулканических туфов, цементирующим веществом в которых является пепел, кремнезем, глина и продукты разложения пепла.
Кроме того, для придания бетону определенных рабочих характеристик, в него добавляются химически активные компоненты:
влагоуменьшающие
замедляющие твердение
ускоряющие твердение
воздухововлекающие добавки: латексные и акриловые модификаторы
Добавки используются как для снижения стоимости бетона, так и для изменения таких его характеристик, как удобоукладываемость, сроки схватывания, плотность, пористость, долговечность и прочность.
Объемное содержание воздуха в бетонной смеси обычно составляет от 3 до 8%. Образование воздушных полостей происходит при использовании воздухововлекающих химических добавок для повышения морозостойкости бетона, а также при замесе бетона и во время его укладки.
Все упомянутые компоненты, смешанные вместе, затвердевают и образуют практически монолитную бетонную массу. Свойства и качество бетона значительно зависят от типа и качества компонентов и отношения количества воды к содержанию цемента. Эта отношение, называемое водоцементным (В/Ц), устанавливает прямую связь между количеством воды на весовую часть цемента и прочностными характеристиками бетона. Чем ниже водоцементное отношение, тем выше прочность бетона.
Прочность на сжатие, разрыв и изгиб
Наиболее часто упоминаемая характеристика бетона - предел прочности на сжатие. Тем не менее, хотя предел прочности на сжатие и является важной структурной характеристикой, по сравнению с характеристиками прочности на разрыв и изгиб он менее всего влияет на полимерное покрытие, нанесенное на бетон. Обычно прочность на разрыв составляет около 10 % прочности на сжатие. Адгезия полимерных материалов к бетону ограничена его малой прочностью на разрыв. Именно малая прочность на разрыв является основной причиной образования трещин во время высыхания бетона. Низкая прочность бетона на изгиб, в свою очередь, приводит к образованию трещин в бетоне под нагрузкой.
Усилие на отрыв большинства эпоксидных покрытий намного выше прочности бетона на разрыв. Например, эпоксидное покрытие на стали может иметь усилие на отрыв 85 кгс/кв.см, в то время как на бетоне марки М250 тот же материал может иметь усилие на отрыв всего лишь 25 кгс/кв.см. (10 % от 250 кгс/кв.см, прочности на сжатие бетона марки М250). Из-за низкой прочности бетона на изгиб происходит его растрескивание, что почти всегда передается на покрытие, если не предпринять предупредительных мер в проектировании бетона или полимерной системы.
Хотя армирование бетона здесь детально не рассматривается, необходимо отметить, что, ввиду низкой прочности на разрыв и изгиб, бетон необходимо армировать, и на сегодняшний день чаще всего применяется стальное армирование. Также применяется объемное армирование волокнами, добавляемыми в бетон перед укладкой. Полимерные волокна обычно имеют диаметр несколько микрон и длину от 19 до 38 мм. Используется также металлическая стружка толщиной несколько миллиметров и длиной такой же как у полимерных волокон. Волокна позволяют повысить прочность бетона на разрыв и изгиб, и, соответственно, снизить трещинообразование, особенно в период усадки.
Отделка бетонной поверхности
Отделка поверхности свежеуложенного бетона производится различными способами вручную или механически в зависимости от требований, предъявляемых к текстуре поверхности пола.
Плотная затирка стальным инструментом
Плотная затирка стальным инструментом выполняется как многократная операция, при которой поверхность бетона упрочняется и значительно уплотняется на глубину около 3 мм. Этот вид отделки позволяет получить гладкую отшлифованную поверхность, особенно, если операция выполняется затирочной машиной ("вертолетом"). При этом необходимо учитывать, что последующее нанесение полимерного покрытия требует поверхности с определенной шероховатостью.
Легкая затирка стальным инструментом
Легкая затирка стальным инструментом обеспечивает минимальную отделку поверхности и является предпочтительной для последующего нанесения полимерных материалов.
Заглаживание
Заглаживание поверхности свежеуложенного бетона производится специальным мастерком (обычно из дерева или магния) для уплотнения поверхностного слоя и "утапливания" мелкого и крупного наполнителя. Поверхность при этом имеет текстуру наждачной бумаги. В общем случае, текстура зависит от материала, из которого изготовлен мастерок.
Отделка щеткой
При этом виде отделки по поверхности еще пластичного бетона "протаскивается" широкая щетка (обычно, со средней щетиной). Данная операция выполняется после операции заглаживания. Получаемая текстура зависит от состава бетонной смеси, жесткости щетины, давления на щетку и времени выполнения операции. По этим причинам этот вид отделки обычно не рекомендуется.
Специальные материалы для отделки бетона
Сухие упрочнители бетона. Эти материалы состоят из минерального или металлического наполнителя, смешанного с цементом и специальными добавками. Смесь равномерно рассыпается по поверхности пластичного бетона во время операции машинной затирки. В результате поверхность приобретает высокую абразивную стойкость и плотность в 2 - 3 раза выше плотности обычного бетона. В зависимости от нормы расхода поверхность упрочняется на глубину от 1,5 до 3 мм. Высокая плотность и твердость сухих упрочнителей предъявляет особые требования к качеству отделки поверхности.
Твердение бетона
Технические характеристики полимерных материалов и рекомендации их производителей требуют для бетона как минимум 28 дней набора прочности до нанесения полимерного покрытия. Такое требование связяно с временной зависимостью процесса гидратации цемента (химической реакции цемента с водой), который непосредственно соотносится с ростом прочности. Обыкновенная бетонная смесь набирает 80 % прочности в течение 7 дней и 100 % расчетной прочности не более, чем через 28 дней. Эти значения указывают на то, что цемент, используемый в бетонной смеси, в основном прошел процесс гидратации, хотя гидратация может и далее продолжаться, но в меньшей степени, в течение нескольких лет. Эти значения, однако, не позволяют определить соотношение возраста бетона и количества оставшейся в нем избыточной влаги.
Для полной гидратации цементу требуется воды не более 22-28% от его веса, т.е водоцементное отношение равное 0.22-0.28. Однако, с таким количеством воды бетон будет полностью непригоден для чего-либо, кроме сухой фасовки. Поэтому к смеси добавляется еще вода, чтобы сделать смесь более пригодной к использованию.
Бетонная смесь марки М250 со стандартными воздухововлекающими и влагоуменьшающими добавками для получения В/Ц отношения 0.40 может содержать в 1 куб.м 278 кг цемента и 112 литров воды. Избыточное В/Ц отношение 0,15 (0.40 - 0.25) при весе цемента 278 кг дает 42 л избыточной воды, которая не будет потребляться в процессе гидратации. Этому излишку воды нужно позволить выйти, поддерживая при этом такую влажность, которая требуется для процесса гидратации.
Большая часть избытка воды будет выходить благодаря капиллярному действию, просачиваться на поверхность до тех пор, пока пластичный бетон схватывается и поверхность подвергается отделке. Образование капилляров является причиной высокой пористости и проницаемости бетона, которые будут рассмотрены ниже.
Эффективная защита бетона в период набора прочности требует, чтобы для достижения желаемых физических свойств бетона влага удерживалась в затвердевшем бетоне в зависимости от температуры, влажности, типа цемента и типа используемых добавок в течение 3 - 7 дней. Обычно считается, что бетон требует защиты от выхода влаги до тех пор, пока он не набрал 80% расчетной прочности. Защита от выхода влаги выполняется одним из следущих способов:
заливка водой
периодическое поливание из шланга
покрытие мокрой мешковиной
покрытие листовой мембраной(пленкой), удерживающей влагу
обработка жидким мембранным материалом
При использовании жидких мембранных материалов на поверхности бетона образуется пленка или остается затвердевший материал. В случае последующего нанесения полимерных материалов на поверхность бетона, эти остатки должны быть удалены механическим способом, например, пескоструйной, дробеструйной или другой абразивной обработкой.
Уязвимость бетона
Проницаемость бетона
Бетон представляет собой щелочной материал с pH 12 - 13 и, как таковой, чувствителен к воздействию химикатов с pH менее 7, т.е. кислот. В кислотной среде степень деградации бетона непосредственно связана с его проницаемостью (пористостью) и реактивностью. Реактивность определяет степень воздействия на бетон различных химикатов. Составляющими реактивности являются:
Влажность. Сухие химикаты редко воздействуют на сухой бетон. Влага в самом бетоне или снаружи, как правило, увеличивает реактивность химикатов.
Температура. Повышение температуры на 10оС удваивает химическую реактивность.
Концентрация. Увеличение концентрации химикатов увеличивает химическую реактивность.
Проницаемость также является переменной, которая определяет в какой степени химикаты проникают или пропитывают бетон. Проницаемость зависит от следующих факторов:
Температура. Влага и жидкие химикаты скапливаются на участках с пониженной температурой.
Водоцементное отношение. В/Ц определяет избыточное количество воды, которое должно высвободиться (см.раздел 1.4).
Фракции наполнителей. Используемые наполнители определяют размеры и количество пустот, которые должны быть заполнены связующим, что непосредственно влияет на плотность и, следовательно, проницаемость бетона.
Химические добавки. Тип и количество используемых химических добавок непосредственно влияет на эффективность процесса гидратации портландцемента. Повышение эффективности гидратации приводит к росту кристаллических образований, уплотняющих бетон. Правильно подобранные и использованные, химические добавки могут уменьшить проницаемость бетона.
Воздушные полости. Причины образования воздушных полостей в бетоне, влияющих на проницаемость, следующие: (1) Использование воздухововлекающих добавок. Превышение нормы таких добавок может явиться причиной повышенного содержания воздуха, и, соответственно, повышенной проницаемости. (2) Захват воздуха при замесе и укладке бетона. Чрезмерное перемешивание и чрезмерное формование бетона могут стать причиной увеличения количества вовлеченного воздуха и повышенной проницаемости.
Проблема проницаемости бетона важна как в производстве, так и в применении полимерных покрытий. Во-первых, из-за проницаемости бетона в него проникает влага, химикаты и различные загрязнения, что вызывает необходимость в использовании защитных покрытий. В свою очередь, выход влаги и загрязнений из бетона влияет на качество уже нанесенных покрытий.
Проблемы, связанные с влажностью
Значительная часть всех строительных претензий так или иначе связана с разрушающим действием влаги. По этой причине важно выяснить, каковы источники влаги в бетоне.
Один очевидный источник - наличие видимой влаги на поверхности бетона перед нанесением материалов на полимерной основе. Независимо от того, имеет или не имеет данный материал способность твердеть в присутствие влаги, его адгезия к поверхности будет ослаблена по сравнению с адгезией к поверхности сухого бетона. Ввиду пористости бетона, рекомендуется применять проникающие праймеры (грунтовки). На насыщенном влагой бетоне полимерный праймер должен иметь способность вытеснять влагу или уменьшать ее проникновение.
Другой, менее очевидный источник влаги - ее образование на поверхности при температуре "точки росы". Точка росы - температура, при которой влага конденсируется на поверхности. Когда теплый окружающий воздух в условиях высокой относительной влажности контактирует с более холодной поверхностью бетона, на ней будет собираться влага, которую нелегко обнаружить, пока результат ее действия не станет очевиден. В таких условиях нанесение полимерного материала следует производить при понижающейся температуре окружающего воздуха.
В бетоне могут иметь место следующие явления, связанные с влагой:
гидростатическое давление
капиллярные явления
испарение
газовыделение
Гидростатическое давление. Явный напор воды, оказывающий давление на структуру бетона. Вес воды создает давление (положительное или отрицательное), зависящее от высоты водяного столба. Примером может служить бетонная структура ниже нулевой отметки, на которую попадает дождевая вода. Другим примером могут быть грунтовые воды, давящие снизу на бетонную плиту.
Капиллярные явления. Влага, проникающая сквозь бетон под давлением, возникающим, когда источник влаги контактируют с микроскопическими волосяными полостями в пористой бетонной поверхности.
Испарение. Переход воды в паро- или газообразное состояние - результат естественного процесса и может не иметь явного источника влаги. Именно за счет испарения бетон "дышит" и выпускает влагу.
Газовыделение. Временное состояние, обычно возникающее при нанесении полимерных покрытий, как правило, полиуретановых и метакрилатных, когда компоненты покрытия несовместимы с влагой внутри или на поверхности бетона. Возникает химическая реакция, при которой образуется углекислый газ, поднимающийся на поверхность незатвердевшей жидкой смолы. Газовыделением часто неверно называют образование воздушных пузырьков в праймере или покрытии, вызванном замещением воздуха в бетоне или выпуском воздуха, захваченном при перемешивании полимерного материала.
Рассмотренные выше явления, связанные с влагой, проявляют себя в виде пузырей на поверхности покрытия. Эти пузыри могут явиться причиной расслоения поверхности, которое часто прогрессирует, и затем полного разрушения напольной системы. Химикаты, которые проникли в бетон до нанесения покрытия, могут вызвать проблемы с адгезией сразу же или выходить на поверхность в течение нескольких недель после нанесения.
Обнаружение избытка влаги
Обнаружение избытка влаги или вредных химикатов в бетоне довольно затруднительно и, как правило, не предполагает получение абсолютных величин. Тем не менее, имеются методы, дающие некоторые результаты.
Одним из методов обнаружения капиллярной влаги в бетоне является метод "пластиковой пленки". Для этого используется лист полиэтилена приблизительно 45 х 45 см, толщиной 0,15 мм или более, которым накрывают бетон по крайней мере на 16 часов. Затем на нижней стороне листа визуально определяется наличие влаги. Таким способом проверяются каждые 50 кв.м поверхности.
Применяются также тестеры, например, такие, в которых для количественной оценки испарения влаги из бетона используется хлорид кальция. Таким тестером проверяются каждые 100 кв.м поверхности.
Обнаружение химических загрязнений
Обнаружение химических загрязнений в бетоне может быть как относительно простой, так и сложной дорогостоящей процедурой, в зависимости от степени загрязнения и важности по отношению к покрытиям.
ЛАКМУСОВЫЙ ТЕСТ. Лакмусовая бумага, наложенная на влажную поверхность бетона, позволяет определить его рН. Показатель рН ниже 10 будет указывать на кислотное загрязнение. Чем ниже значение, тем выше степень загрязнения.
ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. Для проведения лабораторного титриметрического анализа на наличие специфических загрязнений бетон размельчается и смешивается с дистиллированной водой.
СПЕКТРОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. Использование спектрографического анализа для изучения бетона может дать не только точную информацию о загрязнениях, но и позволяет определить первоначальный состав бетонной смеси и вероятные причины дефектов бетона.
ПАЯЛЬНАЯ ЛАМПА. Обычная паяльная лампа может быть использована для выявления масляных загрязнений вблизи поверхности бетона. Лампа ставится на расстоянии 60 см на 8 часов. Появление загрязнений на поверхности спустя указанное время будет свидетельствовать об их наличии в бетоне.
ПРОВЕРКА ВОДОЙ. Вода, нанесенная на поверхность бетона, содержащего растворимые загрязнения, будет скапливаться в виде луж или капель. На незагрязненной поверхности вода впитывается, на что указывает потемнение бетона.
