Бетон и его свойства. Виды и классификация бетонов. Физико-химические основы прочности бетона

ТЕХНОЛОГИЯ БЕТОНА, ИЗДЕЛИЙ И КОНСТУКЦИЙ.

Бетон - это композиционный строительный материал (конгломерат), получаемый в результате затвердения правильно спроектированной, рационально подобранной, тщательно перемешанной и в достаточной степени уплотненной бетонной смеси, состоящей из вяжущего, мелкого и крупного заполнителей, активных минеральных и химических добавок и воды.

Бетоны классифицируются:

1) по средней плотности;

- особо тяжелые бетоны (ρ_ср > 2500 кг/м³) приготавливают на тяжелых заполнителях.

- тяжелые бетоны (обычные) ρ_ср -2300 - 2450 кг/м³.

- облегченные (ρ_ср =2000 - 2200 кг/м³).

- легкие бетоны на пористых заполнителях (ρ_ср < =2000 кг/м³).

2) по виду вяжущего:

- цементные бетоны,

- силикатные бетоны.

- магнезиальные.

- гипсобетоны.

- бетоны на специальных вяжущих (кислотостойкие, жаростойкие и др.) и т.д.

3) по виду заполнителя;

- на плотных заполнителях.

- на пористых заполнителях.

- на специальных заполнителях.

4) по крупности заполнителя;

- мелкозернистые (до 10 мм).

- крупнозернистые.

5) по условию твердения:

- естественного твердения,

- бетоны твердеющие Т.О. и атмосферном давлении и повышенном давлении пара.

6) по назначению:

- для промышленного и гражданского строительства,

- дорожного строительства.

- гидротехнического строительства.

- жаростойкие бетоны, химически стойкие бетоны.

- декоративные и т.д.

7) по структуре:

- с плотной структурой.

- крупнопористые.

- с поризованной растворной частью.

- бетон с ячеистой структурой.

Прочность - это свойство материала сопротивляться, разрушению от действия внутренних напряжений, возникающих в результате нагрузки или других факторов.

По характеру воздействия внешней нагрузки различают следующие виды прочности: на сжатие, растяжение, изгиб, срез, смятие, кручение.... Одной из важнейших характеристик бетона является его прочность при сжатии.

При сжатии обычного бетона первые трещины возникают вокруг крупною заполнителя. До некоторого напряжения R_т⁰ новые трещины не возникают. Структура уплотняется, и объем бетона несколько уменьшается. R_т^V - соответствует напряжению, при котором объем бетона минимальна. Наибольшее напряжение R_np ( предельное её напряжение в момент разрушения. R₂ зависят от механических свойств элементов структуры бетона. Плоскость разрушения в обычном тяжелом бетоне, где заполнитель прочнее цементного камня, проходит по цементному камню и контакту с заполнителем. В легком бетоне на пористых заполнителях разрушение но цементному камню и зерном заполнителя. В высокопрочных бетонов разрушение возможно по цементному камню, контактной зоне с заполнителем и по зернам заполнителя.

Прочность бетона определяется величиной химических связей и структурой. При идеальной структуре получается наибольшая теоретическая прочность, которая определяется только химическими связями. Теоретическая прочность:

Rт= (0.05...0.16)Е. В среднем R_T = 0,1 Е.

Теоретическая прочность бетона составляет 2400...4000 MПa для бетонов класса В15... В60 соответственно, и она в 1000... 1500 раз больше фактической.

- Бетоны низкой прочности имеют чётко выраженную и достаточно развитую нисходящую ветвь диаграммы.

- Для прочных бетонов характерен очень короткий участок кривой после максимальной.

- Для высокопрочных бетонов лот участок может отсутствовать, т.к. здесь идет хрупкое разрушение материала.

Класс бетона - это минимально возможная стандартная кубиковая прочность бетона в МПа с обеспеченностью 95%. Бетоны делятся на следующие классы В1; В1.5; 2; 2.5; 3,5; 5; 7.5; 10; 12.5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50; 55; 60, средняя прочность бетона каждою класса R_cp определяется по ГОСТ 25192.

где В - численное значение класса бетона в МПа;

0,0980665 - коэффициент перехода от MПa в кгс/см²:

1,64 - статический коэффициент при 95% обеспеченности:

0,135 - нормативный коэффициент вариации для Ж/Б.

При проектировании бетонных и ЖБК используют не нормируемую среднюю прочность бетона, расчетное сопротивление, учитывающие возможный разброс показателей прочности бетона и включающие, кроме того, определенные коэффициенты, гарантирующие безопасность работы конструкции:

Rрасч=Rн/К

где R_H - нормативное сопротивление бетона,

К коэффициент по безопасности бетона (1,3).

Качество бетона нельзя оценить только средней прочностью бетона. На практике всегда наблюдается отклонение от этой величины. Колебания активности цемента, по НГ. минералогическому составу, состав заполнителей и т.д. Вследствие этого отдельные объемы бетона могут отличаться друг от друга в большей или меньшей степени. Для по на практике используют Rрасч.

v^H коэффициент вариации, оценивающий колебания прочности бетона.

На результаты определения прочности бетона влияет много факторов. Если же имеются отклонения в методике испытания, то различия в прочности могут быть весьма значительные. На результаты испытаний будут влиять факторы, связанные с приготовлением образцов, их качеством, а также параллельность граней, их ровность и шероховатость, условия изготовления. Так при изготовлении образцов из пластичных бетонных смесей под зернами заполнителей возникают ослабленные места, которые имеют горизонтальное направление. При испытании заметное влияние на результаты будет оказывать расположение образца между плитами пресса. Наименьшие результаты получаются при сжатии образцов, положенных на бок, т.е. когда ослабленные плоскости совпадают с направлением усилия сжатия.

Конструкция и особенности пресса, размеры образца, условие взаимодействия образца и пресса все эти факторы могут оказать существенное влияние на окончательный результат- предел прочности бетона.

Также влияет и размер образца. При воздействии нагрузки происходит сжатие и расширение образца. За счет эффекта обоймы прочность образцов завышается на 20 — 30%. При уменьшении h/а (<1) эффект обоймы будет увеличиваться и прочность бетона будет повышаться. При соотношении h/a~ 3(4) практически исчезает влияние эффекта обоймы на прочность бетона.

За нормативную применяется прочность образца размером 15* 15*60 см с соотношением h/a= 4. призменная прочность бетона равна 0,75.. .0,77*Rкуб- для тяжелого бетона. Она зависит от величины сцепления заполнителя с цементным камнем, от прочности материала на растяжение.

Также на прочность бетона влияет состав бетонной смеси. Так при недостатке воды смесь становится неудобоукладываемой. т.е. увеличивается количество пор и пустот, ухудшается качество сцепления между цементным камнем и заполнителем, т.е. прочность уменьшается. При излишке воды начинается расслаивание и прочность опять же уменьшается. Т.е. для получения заданной прочности бетона необходим подбор оптимального В/Ц.

В тяжелом бетоне заполнитель всегда прочнее цементного камня, поэтому разрушение происходит по цементному камню и контактной зоной. В связи с этим прочность бетона определяется в основном активностью вяжущего; Ц,/В и прочность сцепления цементного камня с заполнителем:

Rб=A* R_ц *(Ц/В+Б),

где А и Б - опытные коэффициенты которые учитывают все неучтенные формулой факторы

. Зависимость прочности бетона от количества активной_гидравлической добавки Добавки всегда вводятся в оптимальном количестве. Для повышения прочности бетона используются ПАВ, более эффективнее из этой группы СП. Обычно вводятся в количестве 0,3...0,8% (1%) от массы вяжущего. Они гонким слоем покрывают всю твердую фазу и уменьшают внутренние трение в смеси, а следовательно и её вязкость. Минеральные и активные добавки вводятся с целью экономии вяжущего и уменьшают прочность бетона.

С увеличением количества песка до определенного предела, увеличивается прочность материала, т.к. часть излишней воды адсорбируется на поверхности песка и т.о. седиментация, а значит увеличивается прочность и плотность материала.

1 - при низких В/Ц, (=0,3), 2,3 - при более высоких В/Ц. С дальнейшим увеличением количества песка, прочность уменьшается. Раствор па дробленых песках имеет более высокую прочность, чем на естественных. Влияние крупного заполнителя более значительно. Чем ниже прочность заполнителя и чем больше такого заполнителя, тем ниже прочность.

При низких значениях В/Ц с увеличением количества цементного клея (ниже количества заполнителя) прочность выше(2). При высоких В/Ц наблюдается обратная картина, существует оптимальное В/Ц. при котором изменение расхода цементного камня или заполнителя не влияет на прочность бетона. Для увеличения прочности лучше использовать свежеприготовленный щебень, который бы поступал в смеситель из дробилки, тогда R увеличивается на 20 - 25%.

Длительная прочность бетона - что способность бетона сопротивляться разрушению при воздействии постоянной нагрузки в течение длительного расчетного времени. Для тяжелого бетона Rдл≈(0,75...0,85)*Rпр. На Rдл влияют: стандартная прочность бетона (с повышением Rст, повышается Rдл), возраст бетона (с возрастом Rдл понижается), деформативность материала.

Выносливость бетона - это способность его сопротивляться знакопеременным или много кратно повторяющейся нагрузке. Для оценки выносливости вводят понятие предел выносливости (максимальное напряжение, которое выдерживает бетон до разрушения при воздействии 2 млн. циклов знакопеременной нагрузки). Характеристикой цикла явл. ρ; ρ=Rmin/Rmax

Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкции, т. к. они влияют на качество и долговечность бетонной смеси. Характеристиками деформат. свойств явл. модуль упругости, предельная сжимаемость и растяжимость, усадка и ползучесть бетона.

Бетон явл. упруго-пластичным материалом. Модуль упругости:

Е_б=dR/dε. Еб=R_0,3/ε_0,3, R_0,3=0,3 от Rпр

Динамический модуль упругости:

Е_б=v_p² /q

Предельная сжимаемость (деформация при максимальной прочности бетона). Для обычных бетонов предельная сжимаемость равна 2…3 мм на м., и повышается с увеличением R материала. Предельная растяжимость значительно ниже и равна 0,1…0,15 мм/м.

Усадка бетона - это объемные деформации сжатия ненагруженного материалa вследствие протекания сложных процессов при твердении цементного камня, а также испарения из него влаги, если влажность бетона выше равновесной влажности окружающей среды. Усадка: влажностная, контракционная, карбонизационная.

Ползучесть бетона - это способность его претерпевать неупругие деформации при воздействии длительной постоянной нагрузки- ползучесть - полная ползучесть, замеренная в определенный момент времени t бетона, загруженного в возрасте τ. С- удельная деформация ползучести (деформация ползучести приходящейся на единицу напряжения), ε_п(t, τ)= (400...500) ∙ 10^-6 .

Физические свойства:

1) средняя плотность материала - это ρ_c =m/Vпop - масса единицы объема вместе с порами и пустотами;

2) истинная плотность - масса единицы объема без нор и пустот ρ=m/V;

3) пористость - степень насыщения материала порами (1- ρ_с./ ρ) ∙ 100=Пop;

4) водонепроницаемоеть - способность бетона препятствовать проникновению через него воды.

Теплофизические свойства:

1.Теплоёмкость способность бетона поглощать тепловую энергию при нагревании. Характеризуется удельной теплоёмкостью (с) - количество теплоты, который поглощает 1кг материала при нагревании на 1 °К. с [кДж/кг ∙К],

Q=cm ∙ ∆t - количество теплоты, необходимое для нагревания;

2.Теплопроводность – способность материала проводить теплоту.

3вида теплопереноса:

теплопроводность твердой фазы, конвекция, перенос за счет электромагнитных волн λ [кДж/м ∙К].

- количество тепловой энергии, проходящей через материал:

3. Коэффициент температуропроводности

Акустические свойства:

1. Звукопоглощение характеризуется коэффициентом звукопоглощения. Он зависит
от свойств материала и от частоты звука. Чем больше пористость (больше мелких открытых пор в материале, чем больше частота звука, тем больше коэффициент звукопоглощения).

2.Звукоизоляция.

Разновидности тяжелого бетона ( высококачественный , высокопрочный, мелкозернистый, тонкодисперсный. декоративный, гидротехнический, дорожный, жаростойкий бетон, напрягающийся бетон. Бетон для защиты от радиоактивного излучения, фибробетон, кислотостойкий бетон, бетонополимер, полимерцементный). Структура, свойства особенности технологии, рациональные области применения.

Жаростойкий бетон- бетон, который при длительном воздействии высоких температур сохраняет свои характеристики в заданных пределах. Изготовляют из вяжущего (по необходимости вводят тонкомолотую добавку), воды (или др. затварителя), жаростойких заполнителей.

В качестве вяжущих применяют портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент и жидкое стекло. Для улучшения структуры цементного камня вводят минеральные добавки (хромитовая руда, бой шамотного, магнезиального, обычного кирпича, андезит, пемзу, топливный шлак, золу - унос и др.).В качестве мелкого и крупного заполнителя используют хромитовую руду, бой шамотного, магнезиального, обычного глиняного кирпича, базальт, диабаз, туф и др.Максимальная крупность щебня не должна превышать 40 мм - для массивных конструкций, 20 мм - для остальных.

Ж./б делятся на особо плотные, тяжелые и легкие (средняя плотность ниже 200 кг/м³). Т.ж на высокоогнеупорные >1770 °С. Огнеупорные 1580..1770°С, жаростойкие 1500 °С.

Марку ж.б. определяют пределом прочности при сжатии кубов 10x10x10 см, умноженным на коэффициент 0,85. Образцы испытывают после твердения в течение 7 сут - для бетонов на ПЦ и 3 сут. - на глиноземистом цементе и жидком стекле. Образцы на ПЦ и глиноземистом цементе выдерживают во влажных условиях, на жидком стекле - воздушно - сухих условиях при Т = 18 °С. Перед испытанием высушивают при Т = 100..110 °С, в течение 32 ч, затем охлаждают. Для ж.б с предельной температурой службы свыше 600 °С определяю остаточную прочность при сжатии после нагрева.

Шлакопортландцемент можно применять в ж.б предназначенных для службы при Т < 700 °С. Если содержание шлака менее 50 % вводят тонкомолотую добавку 30 % от массы шлакопортландцемент. Тонкомолотую добавку вводят, если температура эксплуатации ниже 350°С . Ж/б на портландцементе не применяют при воздействии на конструкцию кислой агрессивной среды. В этом случае используют ж.б на жидком стекле (для обеспечения твердения добавляют кремнефтористый натрий), если нет воздействия воды и пара.

Для затворения ж.б. обычно требуется воды 170.. 190 л/м³. Плотность бетона в высушенном состоянии меньше, чем в свежеуложенном состоянии, примерно на 150..200 кг/м³. Примерный состав для ж.б. на 1 м³, температура службы 900 °С:

Жидкое стекло 1,38 г/см³

Тонкомолотый шамот 500

Кремнефтористый натрий 40

Шамотный песок 500

Шамотный щебень 750

Предназначены для промышленных и строительных конструкций, подвергающиеся длительному воздействию высоких температур - печи, блоки и др.

Напрягающийся бетонприготавливают на основе напрягающих цементов НЦ 10, 20, 40. Экзотермия такого цемента в 1,5 раза выше, чем у обычного (тепловыделение при твердении) температура изотермического прогрева снижается с 85 до 55 °С. Напряжение происходит при твердении за счет образования гидросульфоалюмината кальция, кристаллизация которого происходит с увеличением в объеме кристаллов в 4...8 раз, что вызывает напряжение. Эффекта расширения можно добиться введением добавок типа ИР - , т.ж. введение алюминиевой пудры, СаС1₂ ,ПАВ. Расширение происходит т.ж. за счет накопления внутри бетона водорода при достаточно прочной его структуре. Он длительное время увеличивает свою прочность, через 180 суток на 40 % . Такие бетоны в состав которых входят противоморозные добавки можно применять при зимнем бетонировании.

Материалы. НЦ, пластифицирующие добавки (суперпластификатор), заполнители, удовлетворяющие ГОСТ из доменного гранулированного шлака, отвального шлака.

При производстве используют смесители гравитационного или принудительного действия.

Способ приготовления б.с. 1. В смеситель подается песок, влажностью 4..6 %, цемент и перемешивают 2 мин. Затем вводят крупный заполнитель, масса перемешивается 1 мин. и подается вода, перемешивают 2 мин.

2. В смеситель подаются все компоненты песок, цемент, перемешивают 2 мин, затем вводят 60 % воды от требуемой перемешивают 1 мин, остальную воду с добавкой, перемешивание 2 мин.

ТО выдержка 4 часа, нагрев до 50..60 °С 1,5..2 часа, выдержка 6..8 часов, охлаждение. Освобождается от форм и укладывается в водный бассейн на 1..2 суток.

Применяют для несущего каркаса - колонн, стоек, балок, плит, стеновых панелей, покрытий и перекрытий, мостовые конструкции и др.

Бетон для защиты от радиоактивного излучения.Для защиты людей, обслуживающего персонала АЭС, ядерных реакторов и др. Особотяжелые и гидратные бетоны должны быть стоики и долговечны в таких условиях. Чем тяжелее бетон, толще конструкция, тем в большей степени защищают от радиации, средняя плотность 2500... 5000 кг/м³.

Вяжущие: портландцемент, шлакопортландцемент глиноземистый, гипс глиноземистый цемент, напрягающийся цемент, которые связывают большое количество воды.

Добавки: бор, корбит бора, хлористый литий, шлаки цветной металлургии. Заполнители: для особо тяжелых бетонов: хромитовые, гемотитовые, магнетитовый, стальной скрап и лом, чугунная дробь и др. Минимальная прочность 200 МПа. При производстве необходимо соблюдать следующие условия: перемешивание не менее 2 мин, объем замеса уменьшается с увеличением плотности. Уплотняют смеси только вибраторами.

Тонкодисперсный бетон