8.4. Основные свойства бетона

Тяжелый бетон получил наиболее широкое применение в строительстве. Свойства затвердевшего бетона как искусственного камня можно разделить на механические — прочность; физиче­ские — плотность, пористость, водонепроницаемость, морозостойкость, усадка и расширение; специальные — коррозионная стойкость, огне­стойкость, радиационная стойкость.

Прочность бетона — одно их главных строительных свойств, ха-рактеризз'ет его способность выдерживать внешние нагрузки, не разру­шаясь. В конструкциях зданий и сооружений бетон испытывает различ­ные деформации: сжатие, растяжение, изгиб и др. Лучше всего бетон сопротивляется (работает) сжатию, поэтому его прочность при сжатии является основной характеристикой механических свойств бетона.

Прочность бетона зависит от свойств составляющих его компо­нентов, его состава, условий приготовления, твердения, эксплуатации.

В рабочих чертежах конструкций или стандартах на изделия обычно указывают требования к прочности бетона, его класс или марку. В отличие от марки класс гарантирует не только прочность, но и однородность материала.

Согласно СТ СЭВ 1406—78 и СНиП 2.03.01—84 прочность бето­на для конструкций характеризуется классом. Класс бетона опреде­ляется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспе­ченностью 0,95. Для бетонов установлены следующие классы: В1 (М15); В1.5 (М25); В2 (М25); В2,5 (М35); В3,5 (М50); В5 (М75); В7,5 (М100); В10 (150); В12,5 (М150); В15 (М200); В20 (М250); В22,5 (М300); В25 (М300); В25 (М350); В27,5 (М350); ВЗО (М400); В35 (М700); В60 (М800). Класс бетона задан в МПа, а марка — кгс/см².

На производстве необходимо обеспечить марку бетона или среднюю прочность на сжатие, контролируемую на кубах размером 150x150x150 мм.

Классом бетона пользуются при проектировании и расчете кон­струкций, его указывают в проекте. Марку бетона используют при расчете состава и изготовлении бетона. Для тяжелого бетона (СНБ 5.03.01—02) установлена следующая шкала классов: C8/10 (B7,5; B10);

С12/15 (В12,5;В15); С16/20 (В20); С 20/25 (В22,5; В25); С25/30 (ВЗО); С% (В35); С 30/37 (В40; В45). Цифра в числителе означает нормативное со­противление бетона на сжатие, МПа, цифра в знаменателе — гаран­тированная прочность бетона, определяемая при испытании образ­цов — кубов, МПа.

Для обычных монолитных и сборных железобетонных конструкций в гражданском и промышленном строительстве применяют бетон классов В 25…В 45; для предварительно напряженных и специ­альных железобетонных конструкций — бетон классов В25...В45; для оснований фундаментов и массивных сооружений с невысокими рас­четными напряжениями — бетон классов В 7,5 и В10.

Основными факторами, влияющими на прочность бетона явля­ются прочность или активность цемента R и водоцементное отно­шение В/Ц (или цементоводное отношение Ц/В).

Профессор Б.Г. Скрамтаев расширил и дополнил выводы И.Г. Малюги о влиянии различных факторов на свойства бетона и вывел формулу для определения прочности бетона, которой можно пользоваться применительно к плотным бетонам, изготовленным на клинкерном цементе, воде и заполнителях, соответствующих требо­ваниям стандартов.

Для обычных бетонов с Ц/В < 2,5 (В/Ц > 4,0) формула имеет вид

R₆ = R_uA(Ц/В - 0,5).

Для высокопрочных бетонов классов В40...В60 с Ц/В > 2,5 (В/Ц < 4,0) формула имеет вид

R₆ = R_uA₁(Ц/В + 0,5).

где R_б — прочность бетона при сжатии в возрасте 28 сут, МПа; R_ц — активность цемента (марка), МПа; А, А₁ — коэффициенты, учиты­вающие свойства и качества применяемых материалов, определяемые по табл.

Примечания:

Высококачественные материалы — щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности, портландцемент высокой активности без добавок.

Рядовые материалы — заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности, высокомарочный шлакопорт-ландцемент.

Пониженного качества — крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески.

На прочность бетона заметное влияние, хотя и менее сущест­венное, чем R и В/Ц, оказывают виды цемента, форма заполните­лей, характер их поверхности, степень уплотнения бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона.

Большое влияние на рост прочности бетона оказывают условия твердения. Хорошо уплотненная бетонная смесь при благоприятных температурных и влажностных условиях непрерывно набирает проч­ность в течение ряда лет. В первые 7... 10 сут прочность бетона растет быстро, затем к 28 сут рост прочности замедляется, в возрасте 1 года постепенно затухает. В нормальных условиях бетонные образцы за 7 сут набирают 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. Твердение бетона ускоряется с по­вышением температуры и замедляется с ее понижением. Так, при температуре 80...90 °С прочность бетона в атмосфере насыщенного пара достигает 60...70% от марочной за 10... 12 ч твердения.

Рассмотрим физические и специальные свойства бетона.

Плотность бетона влияет на его стойкость к различным усло­виям эксплуатации. Обычный тяжелый бетон не является абсолютно плотным. Пористость в бетоне образуется из-за наличия воды в бе­тонной смеси. В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии, остальная испаряется и на ее месте образуются поры. Кроме этого поры могут образовываться вследствие неполного удаления воздушных пузырьков при уплотнении бетонной смеси. Пористость тяжелого бетона колеблется от 5 до 15%.

Плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей с целью уменьшения объема пустот в смеси; уменьшением водоцементного отношения, что достигается вве­дением в бетонную смесь специальных добавок-пластификаторов, ко­торые способствуют снижению водопотребности бетонной смеси при той же подвижности.

С повышением плотности бетона улучшаются его физико-механические свойства — повышается прочность, водонепроницае­мость, морозо- и коррозиестойкость и др.

Водонепроницаемость бетона зависит от его плотности и струк­туры. Плотный бетон мелкопористой структуры при толщине железо­бетонных конструкций более 200 мм практически водонепроницаем. Водонепроницаемость бетона характеризуется наибольшим давлени­ем воды, при котором она еще не просачивается через бетонный обра­зец. По водонепроницаемости бетон подразделяется на шесть марок: W2; W4; W6; W8; W10; W12. Цифра в обозначении марки указывает на величину давления соответственно 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 МПа. Водонепроницаемость бетона можно повысить, покрывая его поверх­ность плотным раствором, пленками из пластмасс, применяя расши­ряющиеся цементы.

Морозостойкость бетона характеризует его способность в на­сыщенном водой состоянии выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания и определяется числом циклов попере­менного замораживания и оттаивания, которые способны выдержать образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности при сжатии более чем на 25% и без потери массы более чем на 5%.

В ГОСТе на тяжелый бетон, в том числе и гидротехнический, установлены следующие марки морозостойкости: F50; F100; F150; F200; F300; F400; F500.

Высокой морозостойкостью обладают плотные бетоны, бетоны с высококачественным гранитным щебнем. Для обеспечения высокой морозостойкости бетона рекомендуется, чтобы В/Ц не превышало 0,5, а расход воды — 160 л/м³.

Усадка и расширение. Усадкой бетона называют уменьшение его объема в процессе твердения. Усадка происходит при твердении бетона на воздухе или при недостаточной влажности среды, способст­вующей высыханию бетона. Усадка цементного камня обычно равна 3...5 мм/м. У бетонов в связи с введением заполнителей она значи­тельно меньше и составляет 0,2...0,4 мм/м. Усадка увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении мелкозерни­стых и пористых заполнителей.

При водном твердении бетона объем бетона или совсем не из­меняется, или бетон незначительно разбухает.

Для понижения усадки бетона следует применять белитовые цементы или цементы более низких марок, избегать применения бе­тонов с большим расходом цемента, уменьшать количество воды за-творения, применять крупные заполнители рационального зернового состава, а также строго соблюдать влажный режим твердения бетона.

В первый период твердения может происходить расширение бе­тона от нагревания теплом, выделяющимся при взаимодействии це­мента с водой. Расширение бетона может вызвать деформации конст­рукций и появление трещин.

Для предотвращения трещин в массивных бетонных конструк­циях устраивают температурные швы и для уменьшения тепловыде­ления бетона применяют цементы с малым выделением тепла.

Коррозионная стойкость. Коррозия бетона вызывается глав­ным образом разрушением цементного камня, как наименее стойкого компонента затвердевшего бетона и сопровождается понижением прочности и водонепроницаемости, а также ухудшением сцепления бетона с арматурой.

Разрушение бетона от коррозии значительно ускоряется, если агрессивные вещества проникают в его толщу и постоянно фильтру­ются через его поры и трещины. Поэтому важными мерами повышения коррозионной стойкости бетона являются: применение цементов определенного состава и качества с малым содержанием трехкаль-циевого алюмината и минимальным выделением гидроксида каль­ция; тщательное уплотнение бетонной смеси после ее укладки с целью придания бетону большей плотности; правильное конструиро­вание элементов сооружений для обеспечения равномерной деформа­ции бетона в процессе твердения без образования трещин. Защитить поверхность бетона от проникновения агрессивных веществ можно облицовкой ее плотными керамическими плитками, обработкой спе­циальными веществами (жидким стеклом, кислотоупорным цемен­том), покрытием гидроизоляционными и пленкообразующими поли­мерными материалами.

Огнестойкость. Бетон — огнестойкий материал, способный при пожаре выдерживать высокие температуры. Однако длительное дей­ствие на бетон температур 150...250 °С снижает его прочность на 25%. Эта потеря прочности после ликвидации пожара не восстанавливает­ся. При длительном воздействии температуры 500 °С и последующем увлажнении бетон разрушается. Вначале разрушаются кристалличе­ские сростки цементного камня, а затем зерна кварца в песчаном за­полнителе и гранитном щебне переходят в другое состояние, вызы­вающее их расширение и растрескивание. При строительстве сооружений, подвергаемых в процессе эксплуатации длительному воздействию высоких температур (свыше 250 °С), применяют жаро­стойкий бетон.

Радиационная стойкость. Для защиты от радиоактивных из­лучений в качестве заполнителей для бетона используют материалы с высокой плотностью: магнетит, барит, металлический скрап, чугун­ную дробь и др. Для улучшения защитных свойств особо тяжелых и гидратных бетонов (содержат большое количество химически связан­ной воды) в их состав вводят добавки, содержащие легкие элементы (литий, кадмий, бор), такие, как карбид бора, хлористый литий, сер­нокислый кадмий и др.