6.4. Цементобетоны

Бетоном называют строительный материал, полученный в результате перемешивания, укладки, уплотнения и затвердевания рационально рассчитанной смеси щебня (или гравия), песка, цемента, воды и добавок. Смесь перечисленных компонентов до затвердевания называют бетонной смесью.

Основной квалификацией бетонов по структурным признакам является деление по объемной массе:

особо тяжелые с объемной массой более 2600 кг/м³ имеют сложную структуру и изготавливаются с применением заполнителей, например, стальных опилок, барита и др.;

тяжелые с объемной массой 2100...2600 кг/м³, у которых структура плотная, щебень из плотных и тяжелых горных пород или плотных металлургических шлаков, песок кварцевый;

облегченные с объемной массой 1800...2000 кг/м³ могут иметь плотную структуру, но с применением щебня из пород пониженной плотности или крупнопористую с применением щебня из плотных пород;

легкие с объемной массой 1000...1800 кг/м³, обладающие плотным или крупнозернистым строением, с применением пористого щебня и песка, шлаковой пемзы (термозита), кремнезита, перлита;

особо легкие с объемной массой менее 1000 кг/м³ с пористой структурой без щебня и песка (ячеистый бетон) или с применением пористого песка или пористого щебня в сочетании с поризованным цементным камнем.

Наибольшее распространение в строительстве получил тяжелый бетон. Его применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, пролетных строений и опор мостов, устройства дорожных покрытий и др.

Важной характеристикой бетона является пористость, которая в значительной степени определяет его свойства. С увеличением пористости заметно возрастают водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость, уменьшается прочность, морозостойкость и долговечность бетона.

Ориентировочно пористость бетонов можно определить по формуле

V_пор = (l - _о/).                                                                                                            (6.4.1)

где _о - объемная масса бетона, кг/м³;

 - плотность бетона, полученная как средневзвешенная величина от плотности щебня, песка и цементного камня, кг/м³.

Обычно пористость тяжелых бетонов составляет 10... 15 %, в отдельных случаях - 5...7 %.

Водопоглощение у тяжелых бетонов колеблется в пределах 2...4 % по массе (или 5...10 % по объему).

Водонасыщение несколько больше водопоглощения. Разница между водопоглощением и водонасыщением обусловлена объемом замкнутых пор в бетоне.

Показателем водонепроницаемости бетона служит гидростатическое давление, при котором вода не просачивается через образец, испытуемый по стандартной методике. По водонепроницаемости бетоны делят на несколько марок: W 2; W 4; W 6; W 10; W 12; W 14; W 16; W 18; W 20 (цифра обозначает величину гидростатического давления, при котором вода не просачивается).

Водопроницаемость, водопоглощение и водонасыщение бетона могут быть значительно снижены, если приготовить бетон с низким водоцементным отношением при достаточном качестве цементного теста, а также введении в бетон поверхностно-активных добавок. Они видоизменяют микроструктуру бетона за счет уменьшения водопотребности бетонной смеси, вовлечения некоторого количества воздуха в поры, которые блокируют сообщение между отдельными капиллярами и микрополостями.

Прочность бетона как материала конгломератного строения зависит от прочности отдельных его составляющих, прочности сцепления между ними, а также особенностей структуры бетона в целом.

Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемента (рис. 6.4.1). С понижением водо-цементного отношения до определенного предела прочность бетона данного состава и при данном способе уплотнения повышается.

Рис. 6.4.1. Зависимость прочности бетона от активности цемента и водо-цементного отношения

Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют классами прочности на сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе. Ведущим показателем прочности бетона и его механических свойств является класс бетона. Класс бетона характеризует предел прочности при сжатии бетонных кубов размером 151515 см в возрасте 28 суток при твердении в нормальных условиях (температура 18...20°С и относительная влажность окружающей среды 90...100 %). Для тяжелых (дорожных) бетонов стандартом установлены следующие классы по прочности на сжатие (табл. 6.4.1).

Таблица 6.4.1

Требования к дорожному бетону [65]

Дорожные покрытия	Класс бетона по прочности
	на растяжение при изгибе	на сжатие
Однослойные и верхним слон	4,0; 4,5; 5,0; 5,5	30, 3, 40 и 45
Нижний слой двухслойных покрытий и оснований	3,5; 4,0; 4,5	25, 30 и 5
Основания усовершенствованных капитальных покрытий	2,0; 2,5; 3,0; 3,5	10, 15, 20 и 25

При расчете бетонных покрытий и оснований в качестве расчетной прочности бетона принимают предел прочности на растяжение при изгибе. Марка бетона при изгибе определяется прочностью при изломе неармированных бетонных балочек размером 151550 см сосредоточенными силами.

Предел прочности при изгибе R_изг и предел прочности при сжатии R_сж связаны зависимостью

                                                                                                                   (6.4.2)

где  = 0,6...0,7.

Соотношение  колеблется в пределах 6...10.

Деформация бетона. Бетон является упруго-вязко-пластичным материалом, вследствие этого, при некоторой длительности действия механической нагрузки, в образце, наряду с упругими, возникают и вязко-пластические деформации.

Упругие деформации характеризуются полной упругой деформацией, а также модулем упругости

                                                                                                           (6.4.3)

где R_сж - предел прочности бетона при сжатии, МПа.

С изменением влажности бетон претерпевает объемные изменения, если постоянно бетон находится во влажной среде, постепенно увеличивается его объем - набухание. И, наоборот, с уменьшением влажности происходит усадка. Повышенная усадка характерна для бетонов с большим содержанием цемента и водоцементным отношением (В/Ц > 0,6).

Коэффициент температурного расширения при сжатии изменяется в зависимости от состава бетона и его влажности. Для практических целей можно принять коэффициент температурного расширения бетона равным 10·10^-6 на 1°С. При оценке температурных деформаций в больших массивах обычно принимают половину значения указанного коэффициента, полагая, что остальная часть компенсируется ползучестью бетона. Температурные деформации бетона создают напряжения в плитах дорожных одежд и могут вызвать трещины. Для устранения этого явления в бетонных покрытиях устраивают температурные швы.

Долговечность и морозостойкость характеризуют длительность воздействия погодно-климатических, физико-химических и механических факторов, при которых свойства бетона не ухудшаются больше допустимых пределов. К бетонным элементам конструкций предъявляют требования по морозостойкости, которую определяют путем замораживания образцов до -15...-20°С и последующего оттаивания в воде при 15...20°С. Образцы испытывают после 28 суток после пропаривания.

За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором прочность образцов уменьшается не более чем на 15 % по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте и без потери по массе более 5 %. По показателям морозостойкости бетоны делятся на марки F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400 и F500.

Бетон - пористый материал, и, если все поры в нем будут заполнены водой, он разрушится уже при первом цикле замораживания вследствие возникновения больших растягивающих напряжений из-за образования льда, объем которого на 9 % больше объема воды.

Морозостойкость бетона зависит от водо-цементного отношения, вида и активности цемента, условий твердения и возраста бетона к моменту замораживания, плотности бетона, качества песка и щебня. Для морозостойких бетонов водо-цементное отношение принимают не более 0,5 и применяют портландцементы с содержанием алюмината С₃А меньше 8 %. Повышают морозостойкость гидрофобные воздухововлекающие добавки, способствующие образованию условно-замкнутых пор с гидрофобной поверхностью, которые в обычных условиях не заполняются водой и служат резервными порами, куда отжимается вода при замораживании бетона.

Бетон разрушается и под влиянием физико-химического воздействия факторов среды. Коррозия зависит главным образом от коррозийной стойкости цементного камня. Чем больше поверхность (внешняя и внутренняя) бетона, соприкасающаяся с агрессивной газообразной или жидкой средой, тем энергичнее коррозия бетона. Электрический ток разрушает влажный бетон, вызывая электролиз составляющих цементный камень.

Для придания коррозийной стойкости бетону необходимо применять цементы, соответствующие агрессивности среды: шлаковый сульфатостойкий или глиноземистый, а в отдельных случаях кислотоупорный. Следует придавать большую плотность бетону, защищать его поверхность от проникновения газов и воды с растворенными агрессивными веществами, затирая поверхность изделия раствором жидкого стекла с последующей обработкой хлористым кальцием и покрывая эту поверхность битумом или дегтем, пленкообразующими или высокомолекулярными веществами.