Специални бетони

Бетонът се използва в строителството повече от 4000 години. Това е най-разпространеният строителен материал, състоящ се от пълнители, свързващи вещества и вода. През всичките години на използване на бетона неговият състав се е променял, за да се създаде днешното разнообразие от специални бетони. Специалните бетони са много видове и са предназначени за използване в области, където конвенционалната структура на бетона не може да осигури необходимите здравина, надеждност, естетика, икономичност, изолация и т.н. Всеки тип специален бетон превъзхожда обикновения в дадени насоки и има специфични области на приложение, в които развива потенциала си най-добре.

Днес съществува богато разнообразие от специални бетони. Някои от тях са разработени в последните години и са съвсем нови продукти, а други съществуват от десетилетия и са доказали качествата си в практиката. Специалните бетони се отличават от конвенционалните по своя състав, структура и експлоатационни характеристики. В състава на специалните бетони се използват редица различни добавки, значително подобряващи качествата на крайния продукт и разширяващи сферите му на приложение в специфични проекти и условия. Такива добавки може да увеличават или да намалят плътността на бетона, както и да забавят или ускоряват процеса на втвърдяване. Те могат да бъдат пластификатори, въздухопоглъщащи реактиви, оцветители, оптични фибри и дори органични включения и живи микроорганизми. Включването им в състава на бетона определя специфичните му характеристики. Ще разгледаме някои от специалните бетони.

Светлопропускливи бетони
Едно от най-новите попълнения в асортимента от специални бетони в света е прозрачният бетон. Такъв продукт се произвежда и предлага и в България през последните години. Той всъщност е полупрозрачен, тъй като пропуска светлината частично – от другата страна се различават само очертанията на предметите и общият цвят. Това свойство се проявява, само когато материалът се осветява отвътре или отвън от изкуствен или естествен източник на светлина. В противен случай изглежда като обикновен бетон.

Светлопропускливостта на този продукт се постига чрез заместване на част от агрегатите от конвенционалната бетонова смес с прозрачни и провеждащи светлината алтернативни материали. Така например в бетоновата смес могат да се включат пластични смоли, на които се дължи фината решетъчна структура на крайният бетонов продукт. Той е осеян с множество милиметрови дупчици, които пропускат светлината и в двете посоки. Такъв материал е по-лек и по-евтин от традиционния бетон, без това да намалява здравината му.

Прозрачният бетон първоначално е бил разработен през 2001 г. от унгарския архитект Арон Лосонзи чрез използване на стъклени фиброоптични влакна. Независимо дали са стъклени или от друг тип материал, тези оптични фибри, затворени в бетонните панели, предават светлината от всякакъв тип източници през целия обема на бетона. Основна причина за използване на оптични влакна в бетон е, че така той може да предава светлина дори от ъгъл на падане по-голям от 60. Дебелината на панелите не се отразява върху способността за предаване на светлина.

Използваните днес оптични влакна се състоят от три слоя – ядро, обвивка и покривен буфер или кожух. Светлината се предава през сърцевината на оптичното влакно. Около 4-5% от обема на полупрозрачния бетон се падат на оптичните влакна. Дебелина на оптичните влакна, може да варира между 2 микрона и 2mm, за да отговарят на специфичните изисквания на предаване на светлината. Прозрачен бетон се произвежда с помощта само на фини материали. Той не съдържа груби агрегати. Въпреки финия си състав, заради равномерното разпределение на фибрите, той има здравината на високоякостни бетони - около 70MPa (10000PSI) якост на натиск.

Тъй като само оптичните влакна са отговорни за предаване на светлината, няма изисквания към специален цимент за състава на светлопропускливия бетон. Използва се обикновен портланд цимент. Пясъкът за прозрачния бетон трябва да е фин – преминал през сито с размер на отворите 1.18mm. Пясъкът, освен това, трябва да бъде пречистен от всякакви примеси, като растителни остатъци, късове камъни и т.н. Водата, използвана за прозрачен бетон, трябва да бъде с качеството на питейната вода, без никакви примеси. Монтажът на плочите се извършва с рамкова конструкция и закрепване с анкери, със състави на варо-циментова основа или с лепилни смеси с епоксидни и кварцови пълнители.

Основното предимство на прозрачния бетон е, че той може да предава светлината и следователно може да се използва за фасади, стени и преградни стени в проектирането на пасивни „зелени” сгради. В тях той значително ще намали консумацията на електроенергия за осветление, тъй като по-пълно ще се използва и разпределя и естествената и изкуствената светлина. Освен това, прозрачният бетон може да се използва и за пасивно отопление, като предава слънчевата топлина в сградите и допълнително съкращава сметките.

Цветни бетони
Свикнали сме да свързваме изделията от бетон със сивия цвят. Днешните технологии, обаче, правят възможно оцветяване на бетон в различни цветове. Цветни бетони могат да бъдат произведени с добавяне на цветни агрегати, цветни пигменти, оцветяващи бои или комбинации от тези методи. Методът с добавяне на цветни пигменти към бетоновия разтвор по време на смесване се приема за най-качествен, защото при тази технология бетонната смес се оцветява напълно и продуктите запазват цвета си дълго време. Когато се използват включения от оцветени инертни материали в бетонната смес, те трябва да бъдат изложени на повърхността на бетона, за да се виждат.

Това може да се направи като сместа се лее във форма, като се забавят цветните агрегати и остават на повърхността. Друг метод включва премахване на повърхностния пласт, за да се покажат цветните включения, чрез пясъкоструене или с химично действащ състав и последващо измиване. Цветните агрегати, включени в бетонната смес за получаване на цветен бетон, могат да бъдат естествени скални видове като кварц, мрамор и гранит, или керамични материали, които се боядисват в последствие.

Има и начин за получаване на цветен бетон, като към вече готовия краен продукт или стоманобетоннна монолитна структура, се поставят специални бои. Те импрегнират бетона, а пигментите им го оцветяват. Такива бои могат да бъдат маслени, алкидни, нитро- и акрилни. За да се получи качествен цветен бетон първоначално се извършва защитно импрегниране с водоотблъскващи средства – безцветен грунд или лак.

Пигментите за оцветяване на бетон трябва да бъдат чисти минерални оксиди, които се смилат по-фино от цимент. Минералните оксиди се срещат в природата, а също така могат да се произведат и синтетично. Синтетичните пигменти обикновено дават по-еднородни резултати. Количеството на цветни пигменти, прибавяни към бетонната смес не трябва да бъде повече от 10% от масата на цимента. Необходимото количество зависи от вида на пигмента и желания цвят. Колкото по-фини са фракциите на багрилата, толкова по-добри са багрилните им способности. Времето за смесване тук трябва да бъде по-дълго от нормалното, за да се осигури еднаквост. Особеност на цветните пигменти за бетон е, че запазват цвета си дори при дълго излагане на слънце.

Високоякостни бетони
Съвременните условия позволяват получаване на високоякостни бетони с якост на натиск 50-100MPa, както и на бетони с особено висока якост – над 100MPa. В практиката най-широко приложение намират бетоните с якост на натиск 50-80MPa. За получаване на висока якост е необходимо създаване на тежки, плътни и здрави монолитни бетонни конструкции. Това може да стане при изпълнение на редица условия, свързани с физическите особености на структурообразуване на бетона. Такива условия са: използване на високоякостни цименти и пълнители; пределно ниско съотношение вода/цимент; висок пределно допустим разход на цимент; използване на суперпластификатори, които стимулират производство на плътна конструкция; много добро смесване и уплътняване на бетоновата смес и създаване на най-благоприятни условия за втвърдяване на бетона.

Високоякостните бетони с добавки от суперпластификатори влизат в употреба в края на 60-те години на миналия век. Те са отговор на необходимостта от подобряване на технологията на приготвяне на бетон за появяващите се нови строителни мащабни проекти, като дългите висящи мостове, които се строят в Китай и Япония, или комплексните транспортни и хидротехнически съоръжения в Холандия. В изграждането на структури от този вид разливните смеси се използват в много големи количества, а освен това строителните обекти често се намират на значително разстояние от мястото, където се произвежда бетона, а понякога и в морето, на голямо разстояние от брега. Така възниква и необходимост и от намаляване на труда, увеличаване на отвореното време за работа и съкращаване на времето за уплътняване на сместа. Изследванията през последните десетилетия са дали резултати в тази насока под формата на развитие на състави за самоуплътняващ се бетон.

Самоуплътняващи се бетони
Този тип бетон е оптимално подходящ за изграждане на голямо разнообразие от съоръжения, включително тунели и подземни сводове, арки на мостове, магистрали и т.н. Всъщност, основната особеност на тези смеси е ясна от името им - самоуплътняващият се бетон е супер пластична смес, която не се разслоява и има способността да се уплътнява под влияние на собственото си тегло. Така изпълва изцяло формата, дори при голям процент на армиране. Основно качество е сцеплението на сместа с армировката в стоманобетонните конструкции, което се дължи на хомогенността. Липсва сегрегация, а водоотделянето в процеса на втвърдяване е минимално.

Здравината на материала достига 100MPa якост на натиск. Предимствата на смесите от този тип са много. Отвореното допустимо време за работа е увеличено, което дава повече възможности пред транспорта и позволява увеличаване на разстоянията между производствената площадка и строителния обект. Отпада необходимостта от използване на вибрационни компактори. Не е нужна допълнителна обработка на повърхността за повишаване на качеството. Елиминира се шумът от вибрациите за обработка, което е от съществено предимство за строителството в градски условия. Намалява се времето за строителство и се съкращават разходите за труд, поради повишената производителност на труда в сравнение с конвенционалните бетони.

Сферата на приложение на самоуплътняващи се бетони се разширява постоянно. Използването им е подходящо за високоякостни монолитни безшевни подове и в производството на сглобяеми бетонови елементи, с цел укрепване и възстановяване на структурите. У нас самоуплътняващ се бетон се използва от 13 години основно за усилване на дефектирали стоманобетонови елементи.

Важен компонент на тези смеси е поликарбоксилатът. Той е високо ефективен химичен модификатор със сложна структура. Съвременните високоефективно суперпластификатори, разработени на базата на модифицирани поликарбоксилати имат значителни разлики от използваните по-рано молекули. В предишните състави пластификацията се обезпечаваше чрез силите на електростатично отблъскване, а новите полимери допълнително включват сила на пространствено отблъскване. Полимерите от предишните поколения, освен това, бързо се адсорбират по повърхността на цимента и остават там постоянно. Поликарбоксилатните добавки работят по различен начин и не се блокират от циментовите гранули. Свойствата на тези полимери могат да бъдат променяни чрез вариации на молекулната структура.

Самовъзстановяващи се бетони
Рано или късно под действие на различни фактори и най-добрите бетони могат да се напукат. Повече от 7% от глобалните емисии на CO2 са от производството на цимент, така че всяко средство за удължаване живота на материала ще помогне за намаляване на емисиите на парникови газове, а освен това ще намали необходимостта от ремонт и ще съкрати разходите за възстановяване на бетонни съоръжения. Вече има решения, с които това е възможно и това са най-новите разработки при бетоните – самовъзстановяващо се или биобетони. Изследователи от Кеймбридж, университетите в Кардиф и Бат, както и технологичния университет Делфт, вече са създали самовъзстановяващ се бетон. Такъв материал е в състояние да се възстановява сам с помощта на бактерии, затворени в микрокапсули и включени в състава на бетона. В капсулите освен бактерии се съдържа и хранителна добавка за тях – калциев лактат. Когато бетонът се напука и в пукнатините попадне вода, капсулите и хранителните вещества се разтварят и бактериите започват да се хранят. Така те раста, а продукт от жизнените им реакции е варовик, който запълва пукнатините.

Самовъзстановяващите се бетони имат потенциала да удължат живота на бетонови покрития и съоръжения с 50%, като елиминират нуждата от ръчни ремонти. Изследователите са били изправени пред редица предизвикателства в усилията си да намерят подходящи бактерии за новия си материал. Бетонът е силно алкална среда за виреене на бактерии. Освен това те трябва не само да оживеят, но и да произвеждат голям брой спори. Тук е ключово и определянето на размера на порите на бетона, така че да не са смажат капсулите. Въпреки предизвикателствата засега изследователите са успели да получат такъв продукт с биокомпонент пръчковидна бактерия от род Bacillus. Тази нова форма на армиране на бетон може да направи бетонните конструкции по-малко уязвими на въздействие на кислород, вода, корозия и пукнатини.

Арболит
Наричан още дървобетон, арболитът е лек тип бетон, който се използва като градивен елемент за изграждане на нискоетажни сгради (до три етажа) за жилищни, търговски или промишлени цели. Произвежда се от органични пълнители и свързващо вещество. В качеството на органични пълнители се използват отпадни дървесни стърготини от дърводобива и дървопреработването, оризова слама или памучни стъбла. Свързващото вещество е с минерален състав, най-често портланд цимент. Това е продукт, който предлага съчетание на предимствата на бетона и дървесината като градивен елемент в едно. Благодарение на цимента, арболитът има удовлетворяваща за приложението си якост, а наличието на органични влакна съхранява топлината и регулира влажностния режим в помещенията.

Органичните агрегати с течение на времето може да изпускат вещества, които влияят неблагоприятно на хидратацията на цимента. За да се компенсира това, се използват специални добавки, като например калциев хлорид. А органичните влакна, преди употреба трябва да се съхраняват най-малко един месец, без достъп на влага. Освен това, органичните пълнители, при определени условия могат да изгният или да са изложени на биоразграждане. За да се избегнат тези явления, арболитът се използват за изграждане на помещения с относителна влажност не повече от 60%. В материала може да се въведат и други добавки като пенообразуващи материали за контролиране на порьозността или хидрофобни състави за подобряване на влаго- и мразоустойчивостта. От външната страна арболитът трябва да се покрие с материал, който го защитава от атмосферната влага.