14. Физические свойства бетона

1. Плотность бетона. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и затвердевшего бетона. Бе смесь м.б. почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом содержащей­ся в смеси воды), если она правильно рассчитана и плотно уло­жена. Плотность такой бе смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов м-лов, если она не содержит вовлеченного воздуха. Качество уплотнения бе смеси обычно оценивают коэф­фициентом уплотнения: где ρ’_д и ρ’_р — действительная и расчетная плотность бе смеси. Обычно стремятся получить коэффициент К_упл.≈1, но вследствие воздухововлечения в бе смесь при вибрации и др факторов К_упл. часто составляет 0,96...0.98.

В затвердевшем бе только часть воды находится в хими­чески связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остает­ся в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бе никогда не бывает абсолютно плотным. Пористость (в %) бе м. определить по формуле:

где В и Ц — расходы воды и цемента, кг/м³; ω — содержа­ние химически связанной воды, доли от массы цемента. Обычно для бе в возр 28 сут. принимают ω=0,15.

Плотность бе явл-ся его важнейшим св-вом, в зна­чительной степени определяющим прочность, непроницаемость и долговечность бе!!!

Относительная плотность бе м.б. повышена тща­тельным подбором зернового состава зап-лей, обеспечиваю­щим меньший объем пустот в смеси зап-лей, а следовательно, и минимальное содержание цем-го камня в бе. Кроме того, м. прим-ть ц-ы, присоединяющие при гид­ратации возможно больше воды (высокопрочный ПЦ, глиноземистый и расширяющиеся ц), или ц-ы, зани­мающие больший абсолютный объем (ППЦ). Плотность бе может быть повышена путем уменьше­ния В/Ц, что дости­гается введением в смесь спец добавок — пластификато­ров, уплотнением бе смеси вибрацией, центробежным или другим механизированным способом. Часть свободной воды из бе смеси м. при укладке удалить вакуумированием или прессованием.

2. Проницаемость бетона. Для бе гидротехнических и ряда других сооружений важ­ной характеристикой является его проницаемость. Она в извест­ной мере определяет способность м-ла сопротивляться воз­действию увлажнения и замерзания, влиянию различных атмос­ферных факторов и агрессивных сред. Для практики наибольшее значение имеет водопроницаемость бе, кот зависит от его пористости, структуры пор и капиляров, св-в вяжущего и зап-лей. Бе явл-ся капиллярно-пористым м-лом, как бы пронизанным тончайшей сет­кой пор и капилляров различных размеров. Мелкие поры и ка­пилляры (микропоры) размером менее 10^-6 см практически непроницаемы для воды. Макропоры (размером более 10^-6 см) доступны для фильтрации воды, которая происходит вследствие действия давления, градиента влажности или осмоти­ческого эффекта. Поэтому проницаемость бе зав-т от V и распределения макропор и капилляров в бе. Объем макропор в бе колеблется от 0 до 40%. Макропористость бе уменьшается при ↓ В/Ц, ↑ степени гидратации ц-а, ↓ воздухововлечения в бе смесь, применении хим добавок, уплотняющих структуру бе. С ↑ возраста бе изменяется характер его по­ристости, постепенно ↓ объем макропор, кот как бы зарастают продуктами гидратации ц-а, и в рез-те ↓ проницаемость бе.

Проницаемость бе м. оценивать коэффициентом про­ницаемости, кот измеряется кол-вом воды, прошедшей через 1 см² образца в теч 1 ч при пост-ом давлении: где A — площадь образца; t — время; (p₁—p₂) — градиент дав­ления, В – расход воды. В кач технич харкатеристики водопроницаемости бе принята обратная вел-на, т.е. водонепрониц-тью характ-мая маркой. Марка водонепрониц-ти – это минимальная вел-на давления воды, при кот при стандартных усл и на станд-х образцах отмечается проникновение воды (цилиндры d и h 15см). Марки уст-ны от W2 до W20 с интервалом = 2 ед. (2 атмосферы). От степени водонепрониц-ти зав-т коррозионная стойкость, мрз, долговечность (длительная прочн) бе.

3. Морозостойкость бетона. Под мрз бе понимают его способность в на­сыщенном водой состоянии выдерживать многократное поперемен­ное замораживание и оттаивание. Основной причиной, вызываю­щей разрушение бе в этих усл, явл-ся давление на стенки пор и устья микротрещин, создаваемое замерзающей во­дой. При замерзании вода увеличивается в объеме более чем на 9%. Расширению воды препятствует твердый скелет бе, в ко­тором могут возникать очень высокие напряжения. Повторяе­мость замерзания и оттаивания приводит к постепенному раз­упрочнению структуры бетона и к его разрушению. Критерием мрз бе явл-ся кол-во цик­лов, при кот потеря в массе образца менее 5%, а его проч­н снижается не более чем на 25%. Это кол-во циклов оп­р-т марку (11шт) бе по мрз: для тяж бе и мзб F50-F1000, кот. назнач-ся в зав-ти от усл эксплуатации к-ции. Существует два различных способа повышения морозостойко­сти бетона: I) повышение плотности бетона, уменьшение объема макропор и их проницаемости для воды, н-р за счет сниже­ния В/Ц, применения добавок, гидрофобизирующих стенки пор, или пропиткой специальными составами (кольматация – наполнение пор опр-ми составами); 2) создание в бе с пом. спец воздухововлекающих до­бавок резервного объема воздушных пор (более 20% от объема замерзающей воды), не заполняемых при обычном водонасыщении бе, но доступных для проникания воды под давлением, возникающем при ее замерзании. Воздушные поры должны быть возможно меньшего размера, т.к. это позволяет ↓ их общий V и способ-т ↑ мрз бе при наименьшем снижении его прочности вследствие воздухововлечения.

4. Теплофизические св-ва: а) Теплопроводность – это св-во м-ла передавать тепло от одной пов-ти к др. Она хар-ся кол-вом теплоты, проходящей ч/з стенку толщиной 1м и S=1м² при перепаде t на противоположных пов-тях в 1°С в теч 1 часа. Ед. измерения λ – Вт/м°С. Зав-т от стркутуры бе, его ρ, пор-ти, влаж-ти и t. Структ. Бе включ-т тв фазу и си воз=х пор. Теплопров-ть тв фазы λ=1,2-1,4; воздуха λ=0,023. Поэтому чем б. воздушная пор-ть бе (или ниже его ρ), тем м. его λ. При заполнении пор влагой λ бе ↑, т.к. λ воды=0,58, т.е. в 25 раз выше λ воздуха. При замораживании бе его λ ↑ еще в бОльшей степени, т.к. λльда=2,3, т.е. в 4 раза выше λ воды. С ↑ t – λ бе несколько ↑. Бе с оч мелкими закрытыми порами имеет более низкую λ, чем с крупными порами (отсутствие эффекта конвекции в мелких порах).

б) Теплоемкость – это физ св-во, характ-щееся способностью м-ла аккумулировать теплоту при нагревании, и оценивается уд-ой теплоемкостью, кот обознач-т кол-во теплоты, необх-ое для нагрев-ия 1 кг м-ла на 1°С. Уд теплоемкость (или коэф. теплоемкости) обознач-ся «С» (Дж/кг°С) и опр-ся: где Q – кол-во теплоты, затраченное на нагревание м-ла, Дж; m – масса м-ла, кг; (t₂-t₁)-разность t до и после нагрев-ия. Теплоемкость бе, исп-мая в технич-х расчетах, зав-т от его состава, структуры и ρ, и меняется в пределах (0,75-1,1)10³

Вода имеет более высокую С=4,19*10³. Поэтому с ↑ содерж-ия воды или влажности бе см, их С ↑.

в) Температурные деформации. Бе расширяется при нагревании и сжимается при охлажд. В ср коэф линейного расширения бе α=10*10^-6. С ↑ содерж-ия ц-го камня, α ↑. Зап-ли ↓ α. t-ые деформ бе близки к t-ым деформ стали.Что обесп-т их надежную, совместную работу в ЖБ при различных t окр. ср. При замерзании влажного бе существ-ое влияние на его деформ оказ-т образ-ие льда в порах и капилярах и вместо деформ сжатия наблюд-ся деформ расширения, вызываемое давлением образующегося льда.

г) Огнестойкость – это сопротивляемость бе кратковременному действию огня при пожаре. Бе отн-ся к числу огнестойких м-лов. Вследствие сравн-но малой λ бе кратковременное возд-ие высоких t не вызыв-т значит-ое нагревания бе и нах-ся под защитным слоем, арм-ры. Значит-но опаснее поливка смесью разогретого бе холодной водой при тушении пожара. Она неизбежно вызывает образ-ие трещин, разруш-ие защ-го слоя и обнажение арм при продолжающемся действии высоких t.

д) Жаростойкость – это стойкость бе при длит-ном и пост-м дейтсвии высоких t в усл-х эксплуатации тепловых агрегатов (жароупорный бе). В таких усл обычный бе на ПЦ непигоден к эксплуатации при t>250°С, т.к. при t=250-300° происх-т ↓ прочн из-за разложения Са(ОН)₂ и разруш-ия струк. ц-го камня. При t>550°С зерна кварца в песке и гранитном щебне нач-т растрескиваться вследствие перехода кварца в др модификацию (тридимит), что связано со значит-м ↑ V зерен кварца и образований микротрещин в местах соприкосн-ия зерен зап-ля и ц-го камня.