Прочность, марка и класс бетона

Тяжелый бетон — основной конструкционный строительный материал, поэтому оценке его прочностных свойств уделяется большое внимание. Прочностные характеристики бетона определяют строго в соответствии с требованиями стандартов. Используется несколько показателей, характеризующих прочность бетона. Неоднородность бетона как материала учитывается в его основной прочностной характеристике — классе бетона.

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. В остальных случаях оговаривается вид прочности.

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.

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 х150 х150 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 условиями твердения. Все это приводит к разбросу значений 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, в данном случае 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; 1 5; 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 В 1 5 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 МЗОО и коэффициенте вариации 18 % класс бетона будет В 15, 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 таблице.

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

Класс бетона	Средняя прочность данного класса КГС/СМЛ	Ближайшая марка бетона	Класс бетона	Средняя прочность данного класса кг/см3	Ближайшая марка бетона
В3,5		М50	В30		М400
В5		М75.	В35		М450
В7,5		М100	В40		М550
В10		М150	В45		М600
В12.5		М150	ВЗО		М600
В15		М2СЮ	В55		М700
В20		М250	В60		М800
В25		М350

Соотношение между классом и марками бетона по прочности при нормативном коэффициенте вариации V = 13,5% следует принять Rб =В/0,778, например, для класса В5 средняя прочность будет R^ср_б = 6,43 МПа.

Свойства тяжелого бетона

К основным свойствам тяжелого бетона, кроме прочности, относят: пористость, деформативность (модуль упругости, ползучесть, усадку), водопроницаемость, морозостойкость, теплофизические свойства и др.

Деформатнвность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластичное тело. 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).

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

Ползучесть — склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном 'действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микротрещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер. 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 цементного камня при высыхании. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне. 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 30м 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.

Пористость. Как это ни покажется странным, бетон — плотный на вид материал имеет заметную пористость. Причина ее возникновения 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] х 100

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

Так, например, в возрасте 28 суток цемент связал 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бетоне — 180 кг, а цемента — 320 кг. Тогда пористость бетона будет;

П = [(180 х 0,17х320)/1000] х 100=1 2,6%.

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,

П_к = [(В – 2ω Ц)/1 000] х100.

В рассматриваемом случае объем 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 бетонных 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 привести 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, хлорное 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 W1.2. 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) °С и оттаивания в воде при (18 ±2 ) °С 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)°С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях является капиллярная пористость.

Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру.

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, достигается путем использования:

­­­ а) жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

б) 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.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, теплоемкость и температурные деформации.

Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика — около 1,2. ,.1,5 Вт/(м - К), т. е. в 1,5. ..2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны, в особенности ячеистые, имеют не высокую теплопроводность 0,1 — 0,5 Вт/(м К), и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материалов, находится в пределах

0,75 - 0,92 Дж (кг К); в среднем — 0,84 Дж (кг К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР тяжелого бетона (10... 12) – 10^-6 К^-1Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° (от -20° до +30 °С) расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэтому во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее растрескивание бетона из-за различного теплового расширения крупного заполнителя цементного камня.