1.3 Свойства бетонной смеси и бетона

Бетонная смесьпредставляет собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из частичек вяжущего и новообразований, которые возникают при взаимодействии вяжущего с водой, зерен заполнителя, воды, вводимых в ряде случаев специальных добавок, а также вовлеченного воздуха. Из-за проявления сил взаимодействия между перечисленными компонентами эта система приобретает связность и может рассматриваться как единое тело с определенными физическими свойствами.

Структура бетонной смеси.Взаимодействие между твердыми частицами в бетонной смеси определяется наличием жидкой среды: только при добавлении к сухой смеси цемента и заполнителей воды эта смесь приобретает присущие ей свойства.

Силы межчастичного взаимодействия имеют разную физическую природу, и их влияние зависит как от размера частиц, так и от объема жидкой фазы, ее состава, величины поверхностного натяжения. Зерна щебня достаточно велики, удельная поверхность мала, и поэтому их поведение подчиняется в основном гравитационным силам и силам механического зацепления, а действие поверхностных сил практически ничтожно. Между частицами песка и особенно дисперсных компонентов (цемента, наполнителя) в полной мере действуют поверхностные силы: капиллярные, молекулярные, атомные. Следует отметить влияние капиллярных сил, действие которых в основном определяет пониженную удобоукладываемость жестких смесей и их повышенную пластическую прочность  после уплотнения.

Бетонная смесь содержит частицы различных размеров, и поэтому в ней проявляются все отмеченные выше силы. Характерными и важными процессами структурообразования являются осаждение и прилипание мельчайших частиц вяжущего и наполнителей к поверхности более крупных зерен. Возникновение сил капиллярного сцепления между тонкодисперсными и грубодисперсными частицами в жестких бетонных смесях, значительно превышающих по своей величине другие силы межчастичного взаимодействия, усиливает процесс прилипания частиц вяжущего к зернам заполнителя с образованием агрегатов-глобул, что приводит к формированию более плотных и прочных контактных зон в затвердевшем бетоне.

С точки зрения реологии, бетонная смесь является структурированной системой, обладающей предельным напряжением сдвига, эффективной (зависящей от приложенных напряжений) вязкостью, периодом релаксации.

В зависимости от состава и прежде всего количества жидкой фазы, смесь приобретает состояние жидкообразной (структурированной жидкости) или твердообразной среды.

Под действием внешних напряжений, например в результате вибрации, преодолевается предельное напряжение сдвига, система начинает течь с вязкостью, зависящей от внешних напряжений. После окончания их действия восстанавливается начальная структурная прочность смеси. Это явление получило название тиксотропии.

Тиксотропия – способность разжижаться при периодически повторяющихся механических воздействиях (например, вибрации) и вновь загустевать при прекращении этого воздействия.

Механизм тиксотропного разжижения заключается в том, что при вибрировании силы внутреннего трения и сцепления между частицами уменьшаются и бетонная смесь становится текучей. Это свойство широко используют при укладке и уплотнении бетонной смеси.

Технологические свойства.Для производства работ и обеспечения высокого качества бетона в конструкциях и изделиях необходимо, чтобы бетонная смесь имела консистенцию, соответствующую условиям ее укладки и уплотнения, т.е. определеннуюудобоукладываемость.

Под удобоукладываемостью понимают способность бетонной смеси под действием определенных приемов и механизмов легко укладываться в форму и уплотняться, не расслаиваясь.

Рисунок 4Определение удобоукладываемости бетонной смеси по осадке конуса: 1 - опоры; 2 - ручки; 3 - конус; ОК - осадка конуса

Это основное технологическое свойство бетонной смесиоценивают показателями:

- подвижности – характеристика удобоукладываемости пластичных смесей, способных деформироваться под действием собственного веса.

Характеризуется осадкой стандартного конуса, отформированногоиз испытуемой бетонной смеси (осадкой под действием собственного веса сформованного из бетонной смеси конуса ОК, в сантиметрах, рисунок 4);

- жесткости –характеристика удобоукладываемости бетонных смесей, у которых не наблюдается осадки конуса (ОК = 0), (временем вибрирования, в секундах, необходимым для требуемого растекания смеси при испытании на стандартном приборе, рисунок 5).

Ее определяют по времени вибрации (в секундах), необходимому для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса из бетонной смеси с помощью специального прибора (рис. 5), который представляет собой металлический цилиндр 2 диаметром 240 мм и высотой 200 мм со штативом и штангой 6 и металлическим диском 4 с шестью отверстиями.

Рисунок 5 Схема определения жесткости (Ж) бетонной смеси: а — прибор в начальном положении; б — то же в момент окончания испытаний; 1 — виброплощадка; 2 — цилиндрическая форма; 3 — бетонная смесь; 4 — диск с отверстиями; 5 — втулка; 6 — штанга; 7— бетонная смесь после вибрирования

Прибор закрепляют на стандартной виброплощадке, в него вставляют форму-конус 3. Конус заполняют бетонной смесью в три слоя, штыкуя каждый слой 25 раз. Затем форму - конус снимают и, поворачивая штатив, опускают металлический диск 4 на поверхность бетонной смеси. После этого включают вибратор. Время, в течение которого смесь распределится в цилиндрической форме 2 равномерно и хотя бы через два отверстия диска начнет выделяться цементное молоко, принимается за показатель жесткости смеси (Ж).

В зависимости от удобоукладываемости различают жесткие и подвижные бетонные смеси (табл. 1).

Жесткие бетонные смеси содержат небольшое количество воды и соответственно пониженное количество цемента в сравнении с подвижными смесями у бетонов равной прочности.

Жесткие смеси требуют интенсивного механического уплотнения: длительного вибри­рования, вибротрамбования и т. п.

Используют такие смеси при изготовлении сборных железобетонных изделий в заводских условиях (например, на домостроительных комбинатах); в построечных условиях жесткие смеси применяют редко.

Таблица 1Классификация бетонных смесей по удобоукладываемости

Марка по удобоукладываемости	Норма удобоукладываемости по показателю
	жесткости, с	подвижности, см
Ж4	31 и более	-
Ж3	21…30	-
Ж2	11…20	-
Ж1	5…10	-
П1	1…4	4 и менее
П2	-	5…9
П3	-	10…15
П4	-	16 и более

По этим показателям бетонные смеси подразделяют на группы:

- сверхжесткие,

- жесткие смеси (для которых ОК = 0),

- подвижные смеси (которые имеют осадку конуса),

- соответствующие марки.

Помимо удобоукладываемости бетонные смеси характеризуются также:  

- средней плотностью,

- объемом вовлеченного воздуха,

- расслаиваемостью,

- сохраняемостью во времени свойств:

• удобоукладываемости,

• расслаиваемости,

• объема вовлеченного воздуха.

Свойства бетонной смеси зависят от ее состава, вида и свойств отдельных компонентов.

Так, при увеличении содержания цементного теста и, соответственно, уменьшении содержания заполнителей смесь становится более пластичной. Аналогично влияет увеличение содержания в смеси воды, но это может вызвать расслоение смеси, а также падение прочности бетона.

Связность – способность бетонной смеси сохранять однородную структуру, т.е. не расслаиваться в процессе транспортирования, укладки и уплотнения. При механическом воздействии на бетонную смесь в результате ее тиксотропного разжижения часть воды как наиболее легкого компонента отжимается вверх.

Крупный заполнитель, плотность которого обычно больше плотности растворной части (смеси цемента, песка и воды), опускается вниз, (рисунок 6).

Рисунок 6 Схема расслоения бетонной смеси при длительных вибрационных воздействиях: а — свежеприготовленная смесь; б — расслоившаяся смесь; 1 — направление движения воды; 2— цементно-песчаный раствор; 3 - крупный заполнитель; 4— вода

Легкие заменители (керамзит и др.), наоборот, могут всплывать. Все это делает бетон неоднородным, снижая его прочностные показатели и морозостойкость.

Основными эксплуатационными свойствами бетона, обеспечивающим долговечность его службы, являются:

- прочность,

- деформативность,

- проницаемость,

- морозостойкость,

- стойкость к химической и другим видам коррозии.

Прочность. Как и у всех каменных материалов, предел прочности бетона при сжатии значительно (в 10... 15 раз) выше, чем при растяже­нии и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, работает на сжатие. Когда говорят о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажности рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость набора прочности со временем затухает (см. рис. 6).

Рисунок 6 Изменение прочности бетона во времени в условиях нормального твердения (R — марочная прочность бетона; n — время тверде­ния, сут.)

Прочность бетона принято оценивать по среднему арифметическо­му значению результатов испытания образцов данного бетона через 28 суток нормального твердения. Для этого используют образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 мм, изготовленные из рабочей бетонной смеси и твердевшие при (20 ± 2)°С на воздухе при относительной влажности 95% (или в иных условиях, обеспечивающих сохранение влаги в бетоне).

Методы определения прочности бетона регламентированы стандартом.

Марка бетона.

По среднему арифметическому значению прочности бетона устанавливают его марку — округленное значение прочности (причем округление идет всегда в нижнюю сторону).

Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см².

При обозначении марки используют индекс «М»; так, например, марка бетона М350 означает, что его средняя прочность не менее 35 МПа (но не более 40).

Отличительная особенность бетона — значительная неоднородность его свойств. Это объясняется изменчивостью в качестве сырья (песка, крупного заполнителя и даже цемента), нарушением режима приго­товления бетонной смеси, ее транспортировки, укладки (степени уп­лотнения) и условии твердения. Все это приводит к разбросу прочности бетона одной и той же марки. Чем выше культура производства (лучше качество подготовки материалов, приготовления и укладки бетона и т. п.), тем меньше будут возможные колебания прочности бетона.

Для строителя важно получить бетон не только с заданной средней прочностью, но и с минимальными отклонениями (особенно в низшую сторону) от этой прочности. Показателем, который учитывает возмож­ные колебания качества бетона, является класс бетона.

Класс бетона — это численная характеристика какого-либо его свойства (в том числе и прочности), принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное клас­сом свойство, например прочность бетона, достигается не менее чем в 95 случаях из 100.

Понятие «класс бетона» позволяет назначать прочность бетона с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше измен­чивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же средней прочности.

ГОСТ 26633—85 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 32,5; 40; 45; 50; 55 и 60.

Класс по прочности на сжатие обозначают латинской буквой В, справа от которой приписывают его гарантированную проч­ность в МПа.

Так, у бетона класса В15 предел прочности при сжатии не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95.

Соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемой с помощью коэффици­ента вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон.

Класс бетона одной и той же марки заметно увеличивается при снижении коэффициента вариации. Так, при марке бетона М300 и коэффициенте вариации 18% класс бетона будет В15, а при коэффи­циенте вариации 5% — В20, т. е. на целую ступень выше. Это пока­зывает, как важно тщательное выполнение всех технологических операций и повышение культуры производства. Только в этом случае достигается высокая однородность бетона и более высокий класс его прочности при неизменном расходе цемента.

Строительными нормами принят нормативный коэффициент ва­риации прочности бетона, равный 13,5% и характеризующий техно­логию бетонных работ как удовлетворительную.

Соотношение между классами бетона по прочности на сжатие и его марками при нормативном коэффициенте вариации, равном 13,5 %, приведено в табл. 2.

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластич­ное тело (рис. 7). При небольших напряжениях (не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется, как упругий материал.

При этом его начальный модуль упругости зависит от пористости и проч­ности и составляет для тяжелых бетонов (2,2...3,5)*10⁴ МПа (у силь­нопористых ячеистых бетонов модуль упругости около 1*10⁴ МПа).

Таблица 2 Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности при коэффициенте 13,5%

Класс бетона	Средняя прочность данного класса, кгс/см2	Ближайшая марка бетона	Класс бетона	Средняя прочность данного класса, кгс/см2	Ближайшая марка бетона
В3,5	46	М50	В30	393	М400
В5	65	М75	В35	458	М450
В7,5	98	М100	В40	524	М550
В10	131	М150	В45	589	М600
В12,5	164	М150	В50	655	М600
В15	196	М200	В55	720	М700
В20	262	М250	В60	786	М800
В25	327	М350	-	-	-

При больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микротрещин и пластических деформаций гелевой составляющей цементного камня.

Рисунок 7 Кривая деформирования бетона в координатах а — е

Ползучесть — склонность бетона к рост/пластических деформаций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микро-трещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер (рис. 8).

Рисунок 8 Развитие деформаций бето­на во времени: ε_нач - начальная деформация бетона в момент нагружения; ε_п - деформация ползучести

Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон на­гружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возника­ющие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напря­жения арматуры.

Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях.

Основная причина усадки — сжатие гелевой составляющей при потере воды. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетона (рис. 9).

В среднем усадка тяжелого бетона составляет 0,3...0,4 мм/м. Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конструк­циях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэтому элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин.

При усадке бетона 0,3 мм/м в конст­рукции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Усадочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом цементном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Рисунок 9 Кривые усадки при твердении на воздухе: 1 — цементного камня; 2 — раствора; 3 — бетона

Пористость. Как это ни покажется странным, такой плотный на вид материал имеет заметную пористость. Причина ее возникновения, как, это уже не раз говорилось, кроется в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки представляет собой плотное те­ло.

При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландцемента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры.

В этом случае пори­стость бетона можно определить по фор­муле:

П = [(В - ω * Ц)/1000]100,

Где, В и Ц — расходы воды и цемента на 1 м³ (1000 дм³ ); ω — количество химиче­ски связанной воды в долях от массы цемента.

Так, в возрасте 28 сут. цемент связывает 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бетоне - 180 кг, а цемента - 320 кг.

Тогда пори­стость этого бетона будет:

-

Это общая пористость, включающая микропоры геля и капилляр­ные поры (объем вовлеченного воздуха мы не рассматриваем). С точки зрения влияния на проницаемость и морозостойкость бетона важно количество капиллярных пор.

Относительный объем таких пор можно вычислить по формуле, %:

Для нашего случая количество капиллярных пор будет — 7,1 %.

Водопоглощение и проницаемость. Благодаря капиллярно-пористо­му строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельножидком состоянии; оно зависит, главным образом, от характера пор.

Водопоглощение тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максимальное водо­поглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях достигает 4...8% по массе (10...20% по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозостойкости бетона. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гидрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницаемо­стью цементного камня и контактной зоны «цементный камень — заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефекты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бетона может при­нести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять запол­нители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также ис­пользовать (специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, шорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние использу­ются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; W0,8 и Wl,2..

Марка обозначает давление воды (МПА), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долговеч­ность бетонных конструкций в нашем климате.

Морозостойкость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18 ± 2)⁰С и оттаивания в воде при (18 ± 2)⁰С предварительно насы­щенных водой образцов испытуемого бетона. Продолжительность од­ного цикла — 5... 10 ч в зависимости от размера образцов.

За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания — оттаивания», которое образцы выдерживают без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочно­стью контрольных образцов в начале испытаний.

Установлены следу­ющие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000.

Стандартом предусмотрены и ускоренные методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50 ± 5)⁰С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях явля­ется капиллярная пористость (рис. 10). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Так, бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, в соответст­вии с рис. 12.16 должен иметь морозостойкость F150...F200.

Рисунок 10 Зависимость морозо­стойкости от капиллярной пористо­сти:

____ - усредненная кривая; ------- - область возможных значений

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо добиваться минимальной капиллярной пористости (не выше 6,5...6 %).

Это возможно путем снижения содержания воды в бетонной смеси, что, в свою очередь, возможно путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

• пластифицирующих добавок, по­вышающих удобоукладываемость бе­тонных смесей без добавления воды.

Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона — гидрофобизация (объемная или поверхност­ная) - в этом случае снижается водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.