5. Структура и прочность бетона. Зависимость прочности бетона от различных факторов( времени, температуры, влажности). Формулы и графики. Понятие класса бетона по прочности

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию, частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов. В процессе перемешивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы постепенно соединяются в кристаллические сростки, растущие с течением времени. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый материал — бетон.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением W/C (отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси). Однако по технологическим соображениям — для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси — количество воды берут с некоторым избытком,. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют W/C=0,5...0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют W/C—0Д..0.4.

Избыточная, химически несвязанная вода частью вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя и стальной арматурой и, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований, поры занимают около трети объема цементного камня; с уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C. Бетоны из жестких смесей обладают большей прочностью, требуют меньшего расхода цемента и меньших сроков выдержки изделий в формах.

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.

Длительные процессы, происходящие в таком материале,— изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристаллических сростков — наделяют бетон своеобразными упруго-пластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.

Исследования показали, что теории прочности, предложенные для других материалов, к бетону неприменимы. Зависимость между составом, структурой бетона, его прочностью и деформативностью представляет собой задачу, над которой работают исследователи. Суждения о прочности и деформативности бетона основаны на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.

Прочность бетона.

В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основными факторами при этом оказываются активность цемента и водоцементное отношение. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны однако при одной и той же активности цемента можно получить бетон различной прочности в зависимости от изменения количества воду в смеси. Эта зависимость была установлена в 1895 г. проф. И. Г. Малюгой.

Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц = 0,4..,0,7, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, что ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Исходя из этого, прочность бетона можно повысить путем уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.

К высококачественным материалам относятся щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности (заполнители должны быть чистые, промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций) и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. К рядовым материалам относятся заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокопрочный шлакопортландцемент. Материал пониженного качества — крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, отвечающие пониженным требованиям, и цементы низкой активности.

Приведенные выше зависимости прочности бетона от различных факторов, выраженные в виде формул и графиков, позволяют определить ориентировочную прочность бетона в 28-суточном возрасте при известном водоцементном отношении, марке цемента и виде заполнители. Наряду с активностью и качеством цемента, водоцементным отношением и качеством заполнителей на прочность бетона в значительной степени влияют степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона.

Прочность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона до тех пор, пока она больше проектируемой марки бетона. Применение низкопрочных заполнителей с прочностью ниже требуемой марки бетона может существенно снизить прочность последнего или потребует высокого расхода цемента.

Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличие от гравия зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем, а бетон, приготовленный на щебне при прочих равных условиях, имеет большую прочность, чем бетон на гравии.

На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси. Последнее определяет подвижность (или жесткость) ее. Жесткие бетонные смеси (с низким содержанием воды) обеспечивают более быстрое твердение бетона, чем подвижные.

Прочность тяжелого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7... 14 сут прочность бетона растет быстро, затем к 28 сут рост прочности замедляется и постепенно затухает; во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения средняя прочность бетонных образцов в 7-суточном возрасте составляет 60...70% прочности 28-суточных образцов, в 3-месячном возрасте — на 25%, а в 12-месячном — на 75% выше, чем у образцов в 28-суточном возрасте.

Большое влияние на рост прочности бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха 90... 100% и температура (20±2) °С. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, что может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с ее понижением.

Качество бетона по прочности характеризуется его классом (маркой), который определяется величиной предела прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси после твердения их в течение 28 сут в нормальных условиях (МПа). Тяжелые бетоны подразделяют на классы (марки) В7,5(100); В12,5(150); В15(200); В25(300); В30(400); В40(500); В45(600). Превышение класса (марки) бетона от заданной проектной прочности свыше 15% не допускается, так как это влечет перерасход цемента. При испытании образцов в виде кубов размером 150X150X150 мм применяют щебень наибольшей крупности зерен 40 мм.

Класс (марка) бетона определяется также по пределу прочности на растяжение при изгибе образцов-балочек.

Качество бетона нельзя достаточно полно оценить по его средней прочности или марке. На практике имеет место отклонение от этой величины. Колебания в активности цемента, свойства заполнителей, дозировка материалов и другие факторы приводят к неоднородности структуры и к колебанию свойств бетона.

Более полное представление о качестве бетона можно получить при одновременном учете средней прочности бетона и его однородности, которая определяется на основе статистического анализа коэффициентом вариации v прочности. Он равен отношению среднего квадратического отклонения отдельных результатов испытаний прочности бетона к его средней прочности. Коэффициент вариации прочности бетона колеблется от 0,05 до 0,2. При хорошо налаженной технологии на предприятиях значение v не превышает 10%. При проведении статистического контроля качества бетона, где его прочность определяется большим количеством испытаний, расчет конструкций может проводиться не по средней, а по гарантированной прочности бетона.

Для конструкций прочность бетона характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95.

При переходе от класса бетона В к средней прочности бетона (МПа), контролируемой на производстве для образцов с ребром 150 мм (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%), можно применять формулу Rf = В/0,778.

Кроме прочности, необходимо рассмотреть и такое понятие, как класс бетона. Класс бетона по прочности - показатель, характеризующий прочность бетона, устанавливаемый техническими нормами в зависимости от основных эксплуатационных характеристик или свойств материалов.

Согласно СНИП 2.03.01-84, при проектировании строительных конструкций принимаются классы по прочности: В3,5 ; В5; В7,5 ; В10; В12,5; 815; 820; В25; ВЗО; В35; В40; 845; В50; 855; 860.

Классы характеризуются прочностью R, которая является исходной величиной для определения Re, Rb, Rbn, Rw, Rwn, Rbp и др. и исходной величиной для расчета состава бетонной смеси. Фактическая прочность бетона R должна соответствовать (но не равна) значению прочности заданного класса с определенной степенью обеспеченности, величина которой нормируется и, в соответствии с ГОСТ 25192 - 82,составляет 0,95.

Так, если из бетонной смеси, соответствующей классу 820 с Rbn=153 кг/см2, изготовить и после 28-дневного твердения испытать на сжатие три кубика размером 150x150x150 мм то результаты испытания могут быть равными 195 кг\см2 , 210 кг\см2, 215 кг\см2. Среднее значение Re = 208 кг\см2

Т.е. рассчитывать бетонную смесь нужно таким образом, чтобы была гарантирована проектная прочность с обеспеченностью не менее 0,95.

До 1985г. вместо классов при расчете строительных конструкций использовалось понятие "Марка бетона". Значение класса (марки) бетона принимается при проектировании строительных конструкций в зависимости от их назначения, условий эксплуатации, геометрических размеров и экономических соображений. Так, для плит перекрытий используется бетон 820, для колонн-В25, для свай – В30, при строительстве Останкинской башни применялся бетон 850.

По своей природе бетон является неоднородным материалом, и в одной конструкции прочность может изменяться в некоторых пределах.

6. Условное обозначение бетонной смеси и бетона. Свойства тяжелого бетона (прочность, морозостойкость, усадка, плотность, водонепроницаемость, устойчивость к высоким температурам и агрессивным средам и др.)

Помимо прочности к основным свойствам принять относить деформативность, морозостойкость и теплофизические свойства, которые во многом зависят от пористости и способности бетона поглощать воду в период эксплуатации.

Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки — сжатие гелевой составляющей при потере воды. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне. В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3...0,4 мм/м.

Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструкциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Водопоглощение и проницаемость. Благодаря капиллярно-пористому строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит, главным образом, от характера пор. Водопоглощение, как мы уже знаем, тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4...8 % по массе (10...20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона и его теплозащитных свойствах. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гцдрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемостью цементного камня и контактной зоны «цементный камень — заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние используются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2. Марка обозначает давление воды (МПА), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2)° С и оттаивания в воде при (18 ± 2)° С предварительно насы­щенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность одного цикла - 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания - оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000. Стандартом разрешается применять ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)° С.

Мы уже знаем, что причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость. Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Установлена зависимость марки по морозостойкости бетона от величины капиллярной пористости. Так, согласно этой зависимости бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, должен иметь морозостойкость F150...F200.

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше 6,5...6 %). Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

• пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетон-ных смесей без добавления воды. Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона - гидрофобизация (объемная или поверхностная); в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика — около 1,2... 1,5 Вт/(м • К), т. е. в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны, в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1...0,5 Вт/(м • К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах 0,75...0,92Дж/(кг • К); в среднем — 0,84 Дж/(кг • К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения тяжелого бетона (10...12)•10-6К-1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50°С расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя и цементного камня.