1.3. Физико-механические свойства бетона: деление бетона по ряду признаков, структура бетона, усадка бетона.

Требования, предъявляемые к бетонам:

• прочность;

• хорошее сцепление с арматурой и плотность,

• деформативность;

• морозостойкость;

• водонепроницаемость;

• теплотехнические свойства.

Классификация бетонов осуществляется по следующим признакам:

1. По структуре бетона:

• плотная (все пространство между зернами заполнителями заполнено вяжущим);

• крупнопористая (беспесчаные или малоячеистые бетоны);

• поризованные (с искусственной или естественной пористостью заполнителя и цементного камня);

• ячеистые (с искусственными порами).

2. По средней плотности:

• особо тяжелые (ρ ≥ 2500 кг/м³);

• тяжелые (2200 ≤ ρ < 2500 кг/м³);

• мелкозернистые (1800 ≤ ρ < 2200 кг/м³);

• легкие (800 ≤ ρ < 1800 кг/м³).

3. По зерновому составу:

• крупнозернистые (содержащие зерна крупного и мелкого заполнителя);

• мелкозернистые (содержащие зерна только мелкого заполнителя).

4. По виду заполнителя:

• на плотных заполнителях;

• на пористых заполнителях;

• на специальных заполнителях.

5. По способу твердения:

• естественного твердения;

• искусственного (термовлажностная обработка при атмосферном давлении);

• автоклавного (автоклавная обработка при высоком давлении).

Структура бетона.

Структура бетона неоднородна и оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона.

Физико-механический процесс образования бетона выглядит следующим образом: при затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель – студенообразная 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 с течением времени соединяются в кристаллические сростки. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый бетон.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением В/Ц – отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси. Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы В/Ц  0,2. Однако для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси количество воды берут с некоторым избытком – подвижные бетонные смеси имеют В/Ц = 0.5  0.6, а жесткие – В/Ц = 0.3  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, а затем, постепенно испаряясь, освобождает их. С уменьшением водоцементного отношения пористость цементного камня уменьшается, и прочность бетона увеличивается.

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

Усадка бетона.

Под усадкой бетона понимают его способность уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде.

Усадку можно представить как сумму деформаций двух видов – собственно усадки и влажностной усадки. Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объема системы «цемент – вода» при гидратации.

Влажностная усадка связана с изменением влагосодержания бетона; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объема (усадка), а при достаточном притоке влаги – увеличение объема (набухание).

Деформации в результате влажностной усадки бетона в 10…20 раз превышают деформации собственно усадки, поэтому изменения влагосодержания бетона – основной источник усадочных деформаций.

Прирост деформаций усадки во времени происходит по затухающему закону, приблизительно пропорционально логарифму времени, и может продолжаться годами. Развитие влажностной усадки начинается с поверхности и постепенно по мере высыхания бетона распространяется вглубь. Это нередко приводит к растрескиванию поверхности бетона.

Усадка является причиной образования в бетоне «собственных» напряжений, которые понижают трещиностойкость и жесткость конструкций, а, следовательно, водонепроницаемость и долговечность сооружений. В предварительно напряженных конструкциях усадка бетона приводит к потерям предварительного напряжения.

Уменьшить величину усадки можно технологически за счет:

• рационального подбора состава;

• уменьшения количества воды;

• применения безусадочных цементов;

• конструктивно (армирование элементов и устройство усадочных швов).