§ 48. Основные свойства бетона

К основным свойствам затвердевшего тяжелого бето- iia относят прочность, плотность, водонепроницаемость, Морозостойкость, усадку и расширение, стойкость против >оррозии, огнестойкость.

Прочность при сжатии является основным показате­лем механических свойств бетона. Она определяется Пределом прочности при сжатии стандартных образцов- 1»убов размером 150X150X150 мм, изготовленных из Лунной бетонной смеси и выдержанных до испытания в течение 28 сут в нормальных условиях¹. Можно опреде­лить предел прочности при сжатии бетона на образцах- 1,Убах с размером ребра 300, 200, 100 и 75 мм. Получен­ное результаты испытаний необходимо приводить к стан­дартным путем умножения на коэффициенты, равные со­ответственно 1,1; 1,05; 0,95; 0,85. При выборе размера образцов необходимо руководствоваться следующим ус-

Нормальные условия для хранения бетонных образцов создают в Социальных камерах, в которых поддерживают температуру 15— 2? “С и относительную влажность воздуха не менее 90 %

ловием: наибольшая круп­ность заполнителя бетона не должна превышать Уз величины размера гра­ни образца.

По пределу прочности при сжатии для тяжелых бетонов установлены сле­дующие марки (классы): М 100 (В 7,5), М 150

(В 10), М 200 (В 15), М 250 (В 20), М 300

(В 25), М 350 (В 27,5), М 400 (В 30), М 450 (В 35), М 500 (В 40), М 600 (В 45), М 700 (В 55), М 800 (В 60).

При бетонировании ряда конструкций, например бе­тонных дорожных покрытий, важно знать прочность бе­

тона при изгибе. Для этого испытывают образцы-балки размером 150X150X1200 или 150X150X550 мм.

Для обычных железобетонных конструкций широко применяют бетон марок М 200 и М 250, а для предвари­тельно напряженных железобетонных конструкций — бе­тон более высоких марок — М 300—М 600. Бетон марок М 100 и.М 150 используют для оснований, фундаментов и других массивных монолитных конструкций.

Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, соотношения массы воды и цемента, прочности и качества заполнителей, их зернового состава, длитель­ности твердения, температуры и влажности окружающей среды и др. Основные факторы, влияющие на прочность бетона, — активность цемента и соотношение массы во­ды и цемента в составе бетонной смеси (водоцементное отношение В/Ц или обратное ему цементоводное отноше­ние — Ц/В).

Еще в конце прошлого столетия проф. И. Г. Малюга, изучая влияние различных факторов на прочность бетона, установил, что с увеличением В/Ц прочность бетона снижается. Это объясняется тем, что для получения бетонной смеси необходимой подвижности в нее приходится вводить до 40—60 % воды по массе цемента, тогда как в химическое взаимодействие с цементом вступает всего 10—20 % во­ды. Избыточная вода со временем испаряется и образует в цемент-' ном камне поры, что снижает плотность и прочность бетона.

Последующими работами советских ученых была установлена четкая зависимость прочности бетона от активности цемента, водо­цементного отношения и качества заполнителей. Такая зависимость графически изображена в виде пучка прямых, каждая из которых соответствует определенной марке цемента (рис. 51), Зависимость прочности бетона от Ц/В и марки цемен­та в общем виде выражают формулой:

Я_б = AR_ц(Ц/в ±b),

где Ro — прочность бетона в возрасте 28 сут при твердении в нор­мальных условиях, МПа; Я_ц — активность цемента, МПа; А — коэффициент, учитывающий качество материалов, определяемый по табл. 10.

Характеристика заполнителей и вяжущего	А	А1
Высококачественные	0,65	0,43
Рядовые	0,6	0,4
Пониженного качества	0,55	0,37

Примечание. К высококачественным материалам относят щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности, портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки в его составе. Заполнители должны быть чистые, фракционированные с оптималь­ным зерновым составом смеси фракций. Рядовые материалы — за­полнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент. Ма­териалы пониженного качества — крупные заполнители низкой проч­ности и мелкие пески, цементы низкой активности.

Формулой прочности бетона можно пользоваться только применительно к плотным бетонам, изготовлен­ным на клинкерном цементе, воде и заполнителях удов­летворяющих требованиям стандартов.

Для обычных бетонов с Ц/В —1,4...2,5 (ВЩ~^0,4) формула принимает вид:

R_в = A₁R_ц(4/Я - 0,5).

Для высокопрочных бетонов марок М 500—М 800, приготовленных с Ц/В>2,5 (В/Ц<0,4),

R_в = A₁R_ц(4/Я + 0,5),

Где A₁—коэффициент (см. табл. 10).

Приведенные выше формулы позволяют при извест­ных В/Ц, активности цемента и качестве заполнителей определять ориентировочную прочность бетона в возрас­те 28 сут или при заданной марке бетона и известной активности цемента рассчитывать состав бетона.

На прочность бетона определенное влияние оказывает и зерновой состав заполнителей. Наиболее прочные бетоны получают, используя заполнитель с крупными зер­нами. Зерна крупного заполнителя должны быть доста­точно прочными и иметь шероховатую поверхность, обеспечивающую хорошее сцепление цементного камня с заполнителем.

Прочность бетона зависит и от правильного пере­мешивания его составляющих в бетоносмесителе, когда все зерна заполнителя полностью покрыты слоем це­ментного теста.

Значительное влияние на прочность бетона оказыва­ют степень уплотнения бетонной смеси, продолжитель­ность и условия твердения бетона. Хорошо уплотнен­ный бетон в благоприятных температурных и влажно­стных условиях непрерывно набирает прочность в течение ряда лет. При этом в первые 7—10 сут прочность бетона растет довольно быстро, затем рост прочности к 28 сут замедляется и, наконец, в возрасте свыше 1 го­да постепенно затухает. Например, бетонные образцы при хранении в нормальных условиях в 7-суточном воз­расте имеют среднюю прочность, равную 60—70 % 28- суточной (марочной) прочности, в возрасте 180 сут, 1 года и 2 лет их прочность соответственно составляет 150, 175 и 200 % марочной прочности.

Для определения прочности бетона в любой срок, а также для решения вопроса о возможности распалубки монолитных железобетонных конструкций можно поль­зоваться приближенной эмпирической формулой:

Rn ⁼ R2S 02 я/1б2в) I где R_n — прочность бетона в возрасте п суток, МПа; Rn — то же, в возрасте 28 сут, МПа; п — число суток твердения бетона.

Данная формула применима для ориентировочного расчета прочности бетона на портландцементе средних марок в возрасте более 3 сут. Фактическую прочность бетона в конструкциях определяют испытанием конт­рольных образцов, изготовленных из той же бетонной смеси и твердеющих в условиях, аналогичных условиям эксплуатации конструкций.

Большое влияние на скорость нарастания прочности бетона оказывает температура окружающей среды. При 178— 85 °С в атмосфере насыщенного пара бетоны через 10—12 ч набирают прочность 60—70 % марочной. При низких положительных температурах (5—7°С) окружаю­щего воздуха скорость нарастания прочности бетона за­медляется, а при температуре ниже 0 °С твердение бетона прекращается и возобновляется вновь при установле­нии в окружающей среде устойчивой положительной тем­пературы.

Плотность. Обычный тяжелый бетон не является плотным материалом. Имеющиеся в бетоне поры образо­вались вследствие испарения излишней воды, а также не­полного удаления воздушных пузырьков при уплотнении бетонной смеси.

Плотность бетона повышается при тщательном под­боре зернового состава заполнителей, уменьшении водо­цементного отношения и применении пластификаторов, снижающих водопотребность смеси при той же подвиж­ности, а также за счет тщательного уплотнения бетонной смеси. С возрастанием плотности бетона повышаются его свойства — прочность, водонепроницаемость, морозо- и кор роз нестойкость и др. Особенно высокие требования по плотности бетонов предъявляют при возведении гид­ротехнических сооружений.

Водонепроницаемость. Плотный бетон при толщине железобетонных конструкций более 200 мм, как правило, оказывается водонепроницаемым. Это свойство бетона характеризуется степенью водопроницаемости, т. е. ве­личиной наименьшего давления воды, при котором она еще не просачивается через бетонный образец. По этому показателю бетоны разделяют на 12 марок: В2, В4, В6, В8, BIO, В12, В14, В16, В18, В20, В25 и В30, т. е. на бетоны, которые выдерживают давление соответственно не менее 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 и т. д. до 3 МПа.

Для повышения водонепроницаемости бетона приме­няют специальные покрытия, например пленки из пласт­масс или уплотняющие добавки. Значительно возрастает водонепроницаемость бетона при применении расширяю­щихся цементов.

Морозостойкость. Долговечность бетонных и железо­бетонных конструкций, подвергающихся при эксплуата­ции постоянному воздействию воды и отрицательных тем­ператур, зависит от морозостойкости бетона.

Тяжелые бетоны по степени морозостойкости делят на марки Мрз 50, 75, 100, 150, 200 и т. д. до Мрз 700 (циф­ры показывают количество циклов замораживания и от­таивания). Марка бетона по морозостойкости назначает­ся в зависимости от вида конструкции, класса сооруже­ния и условий его эксплуатации. Морозостойкость бетона для жилых и промышленных зданий обычно характеризуется маркой Мрз 50. Однако к морозостойкости бето­нов, используемых в гидротехнических сооружениях, опорах мостов и др., предъявляют более высокие требо­вания.

Морозостойкость бетона зависит от вида применяемо­го цемента, водоцементного отношения, качества запол­нителей, плотности бетона и других факторов. Высокой морозостойкостью обладают бетоны с плотной структу­рой на низкоалюминатном портландцементе и высокока­чественном гранитном щебне.

Усадка и расширение. Бетоны на гидравлических вя­жущих, за исключением бетонов на безусадочном и рас­ширяющемся цементах, претерпевают объемные измене­ния. При твердении на воздухе бетон дает усадку, а при твердении во влажных условиях он или совсем не изме­няется в объеме, или разбухает незначительно. Величина усадки тяжелого бетона обычно около 0,15 мм на 1 м длины бетонного сооружения. Усадка бетона может по­влечь за собой образование трещин в массивных и боль­шеразмерных конструкциях, что, в свою очередь, нару­шит монолитность бетона, снизит его прочность и долго­вечность.

Для уменьшения усадки бетона следует избегать при­менения бетонов с большим расходом цемента, при этом необходимо использовать крупные заполнители хорошего зернового состава и обеспечивать влажный режим твер­дения бетона.

При бетонировании массивных конструкций в первый период твердения бетона возможно его расширение от нагревания теплотой, выделяющейся при взаимодействии цемента с водой. С целью уменьшить тепловыделение бе­тона необходимо применять цементы с малой экзотерми- ей, а также устраивать температурные швы.

Каррозиестойкость. Коррозией бетона называют раз­рушение его под воздействием физико-химических факто­ров окружающей среды. Коррозия бетона происходит в результате разрушения цементного камня (как наименее стойкого компонента затвердевшего бетона) и обычно сопровождается понижением прочности и водонепрони­цаемости, а также ухудшением его сцепления с армату­рой. Физико-химические процессы, происходящие при коррозии цементного камня, подробно изложены в гла­ве 7.

Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивного вещества в толщу бетона и значительно ус­коряется при постоянной фильтрации вещества через трещины и поры бетона.

Повышение коррозионной стойкости бетона достига­ется увеличением плотности бетона за счет тщательных подбора состава бетона, укладки и уплотнения бетонной смеси, применением специальных цементов, например пуццоланового портландцемента, кислотостойкого и гли­ноземистого цементов.

Для защиты бетона от коррозии поверхности конст­рукций, соприкасающихся с агрессивными средами, об­лицовывают плотными керамическими плитками, обраба­тывают специальными веществами (жидким стеклом с кремнефтористым натрием), покрывают гидроизоляцион­ными битуминозными и пленкообразующими полимерны­ми материалами.

Огнестойкость. Бетон является огнестойким материа­лом. При кратковременном воздействии огня в условиях пожара в связи с малой теплопроводностью он хорошо сохраняется. Однако продолжительное воздействие тем­ператур в интервале 160—200°С снижает прочность бе­тона на 25—30 %. При нагревании свыше 500 °С вследст­вие обезвоживания гидроксида кальция и разложения других продуктов твердения цемента бетон разрушается. Таким образом, бетонные конструкции, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию высоких темпера­тур (более 200 °С), следует защищать теплоизоляцион­ными материалами или выполнять их из жаростойкого бетона.