Ч а с т и н а п е р ш а Матеріали для залізобетонних конструкцій

Р о з д і л 1

Основні фізико-механічні властивості бетонів

1.1. Бетон як матеріал для залізобетонних конструкцій

Бетон як матеріал для ЗБК повинен мати такі наперед задані фізико-механічні властивості: міцність, достатню густину (непроникність) для захисту арматури від корозії, добре зчіплюватися з арматурою під час тужавлення, а також інші властивості, що відповідають особливим умовам експлуатації ЗБК (наприклад, корозійна стійкість для конструкцій, що експлуатуються в агресивному середовищі тощо).

Бетони можна класифікувати за рядом ознак:

а) за структурою — щільної структури, в яких простір між зернами заповнювача зайнятий затверділою в’яжучою; крупнопористі малопісчані та безпісчані; поризовані, тобто з заповнювачами і штучною пористою затверділою в’яжучою; ніздрюваті з штучно створеними замкнутими порами;

б) за середньою густиною — особливо важкі (>2500 кг/м³); важкі (2200<<2500 кг/м³); полегшені (1800<<2200 кг/м³); легкі (500<<1800 кг/м³);

в) за видом заповнювача — на щільних заповнювачах; на пористих заповнювачах; на спеціальних заповнювачах;

г) за зерновим складом — крупнозернисті з крупним та дрібним заповнювачами; дрібнозернисті з дрібним заповнювачем;

д) за умовами тужавлення — бетони природного тужавлення; піддані тепловологісній обробці при атмосферному тискові; піддані автоклавній обробці при підвищеному тискові.

Згідно з діючими нормами проектування усі бетони для ЗБК поділяються на три групи:

важкий бетон — бетон щільної структури, на щільних заповнювачах, крупнозернистий, на цементній в’яжучій при будь-яких умовах тужавлення;

дрібнозернистий бетон — бетон щільної структури, важкий, на дрібних заповнювачах, на цементній в’яжучій при будь-яких умовах тужавлення;

легкий бетон — бетон щільної структури, на пористих заповнювачах, крупнозернистий, на цементній в’яжучій за будь-яких умов тужавлення.

Як щільний заповнювач для бетонів використовують щебінь з дроблених гірських порід (піщаник, граніт, діабаз) та природний кварцовий пісок. Пористі заповнювачі можуть бути як природні — перліт, пемза і ін., так і штучні — керамзит, шлак тощо. Залежно від виду пористого заповнювача розрізняють керамзитобетон, шлакобетон, перлітобетон тощо.

Бетони поризовані, ніздрюваті, а також на пористих заповнювачах використовують в основному для огороджувальних конструкцій, а дуже важкі бетони — для будівництва захисних споруд від дії радіаційного опромінення. Для звичайних ЗБК використовують важкий та дрібнозернистий бетони.

1.2. Структура бетону

Розглянемо схему фізико-хімічного процесу утворення бетону.

При переміщуванні бетонної суміші, що складається з заповнювачів, цементу та води, починається хімічна реакція з’єднання мінералів цементу з водою. В результаті цієї реакції утворюється гель — студнеподібна пориста маса, до складу якої входять мінеральні частинки цементу, що ще не вступили в реакцію, та незначні з’єднання у вигляді кристалів. Під час перемішування бетонної суміші гель обволікає окремі зерна заповнювачів, поступово тужавіє, його кристали об’єднуються між собою і збільшуються. Твердіючий гель перетворюється в цементний камінь, що скріплює зерна крупного та дрібного заповнювачів в монолітний твердий матеріал — бетон.

На структуру та міцність бетону суттєво впливає кількість води, що оцінюється водоцементним відношенням В/Ц. Для хімічного з’єднання з цементом достатнім є відношення В/Ц = 0,2, але з технологічних міркувань В/Ц приймають 0,3...0,6. Надлишкова вода частково вступає потім в хімічну реакцію з менш активними частинками цементу, а частково заповнює численні пори та капіляри в цементному камені і щілини між зернами заповнювачів та арматурою. З пор і щілин вода поступово випаровується і в готовому бетоні за рахунок цього утворюються повітряні пори та щілини. За даними досліджень пори займають приблизно третину об’єму цементного каменю. Із зменшенням В/Ц пористість цементного каменю зменшується, а міцність бетону зростає.

Таким чином, структура бетону дуже неоднорідна і являє собою просторову гратку з цементного каменю, заповнену зернами піску та щебеню і пронизану великою кількістю мікропор та капілярів. В ній міститься також хімічно незв’язана вода, водяна пара і повітря. З фізичної точки зору бетон — це капілярно-пористий матеріал, в якому одночасно присутні три фази речовини — тверда, рідка та газоподібна. Цементний камінь в свою чергу також має неоднорідну структуру і складається з пружного кристалічного матеріалу і в’язкої маси — гелю.

З часом під впливом зовнішніх факторів водний баланс в бетоні змінюється, зменшується об’єм твердіючого гелю і збільшується кількість пружного кристалічного матеріалу, що впливає на міцність і характер деформування бетону під навантаженням.