Физико-механические свойства бетонов

Затвердевший бетон относится к материалам составного (конгломератного) типа, так как включает в себя заведомо раз­нородные компоненты — зерна заполнителей, скрепленные це­ментным камнем. Поэтому к важнейшим свойствам, опреде­ляющим качество цементного камня, относятся прочность и ад­гезия, т. е. способность к сцеплению с зернами заполнителя.

Основными показателями качества тяжелого бетона являют­ся прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость и водо­непроницаемость. Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют классами прочности на сжатие и осевое растяжение. Отличи­тельная особенность бетонных работ — значительная неоднород­ность получаемого бетона. Чем выше культура строительства, лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкции, тем меньше колебания прочности. Следовательно, важно не только получить бетон заданной средней прочности, но и обес­печить ее во всем объеме изготовляемых конструкций.

Показателем, который учитывает возможные колебания ка­чества, является класс бетона.

Класс бетона- численная харак­теристика какого-либо его свойства, 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 с учетом ее фактической или возможной вариации.

ГОСТ 26633-91 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; ВЗ0; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75 и В80. Класс бетона по прочности на сжатие обозначают ла­тинской буквой В, справа от которой приписывают его предел прочности в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочно­сти при сжатии — не ниже 15 МПа с гарантированной обеспе­ченностью 0,95.

В необходимых случаях устанавливают также классы бетона по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом Вt, и на растяжение при изгибе — Вtb.

На растяжение бетон работает намного хуже, чем на сжатие: предел прочности при растяжении в 10…20 раз меньше предела прочности при сжатии. Для повышения несущей способности, в особенности при изгибе и растяжении, бетон сочетают со сталь­ной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции.

Марка бетона - это чис­ленная характеристика какого-либо его свойства, рассчитывае­мая как среднее значение результатов испытания образцов. При определении марок по прочности, морозостойкости, водонепро­ницаемости принимают нижнее предельное значение свойств, а марку по средней плотности определяют по верхнему предель­ному значению. В отличие от класса марка бетона не учитыва­ет колебаний прочности во всем объеме бетонируемой конст­рукции.

Марка по прочности на сжатие — наиболее распространенная характеристика бетона. Марку определяют испытанием на осе­вое сжатие бетонных образцов-кубов размерами 15x15x15 см в установленном проектном возрасте (обычно 28 сут.). Полученный при испытании предел прочности при сжатии как среднее арифметическое значение по двум наибольшим (в серии из трех образцов), выраженный в кгс/см2, является численной характеристикой марки.

Установлены следующие марки тяжелого бетона по прочно­сти на сжатие: М50; М75; М100; М150; М200; М250, МЗОО; М350; М400; М450; М500; М550; М600; М700; М800; М900 и М1000. В обозначении используют индекс «М». Например, марка бетона М200 означает, что его предел прочности при cжатии не менее 200 кгс/см2 .

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 существенно увеличивается, если снижают коэффициент вариа­ции. Например, при марке по прочности на сжатие МЗ00 и ко­эффициенте вариации 18 % получают бетон класса В 15, а при коэффициенте вариации 5 % — класса В20, т. е. на целую ступень выше. Это подчеркивает необходимость тщательного выполне­ния всех технологических рекомендаций, повышения техниче­ского уровня и культуры производства бетонных работ.

Прочность— основная характеристика бетона как конструк­ционного материала. Числовое значение прочности определяется действием многих факторов. К важнейшим из них относятся качество применяемых материалов и пористость бетона.

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.

Таблица 1. Соотношение между марками и классами тяжелого бетона по прочности

Класс бетона	Средняя прочность бетона данного клас­са, кгс/см2	Ближайшая марка бетона	Отклонение средней прочности бетона дан­ного класса от марки, %
Сжатие
В3,5	45,8	М50	-9,2
В5	65,5	М75	-14,5
В7,5	98,2	М100	-1,8
В10	131,0	М150	-14,5
В12,5	163,7	М150	+8,4
В15	196,5	М200	-1,8
В20	261,9	М250	+4,5
В25	327,4	М350	-6,9
В30	392,9	М400	-1,8
В35	458,4	М450	+1,6
В40	523,9	М500	+5,0
В45	589,4	М600	-1,8
В80	654,8	М700	-6,9
В55	720,3	М700	+2,8
В60	785,8	М800	-1,8
В65	851,5	М900	-5,7
В70	917,0	М900	+1,8
В75	932,5	М1000	-1,8
В80	1048,0	М1000	+4,9
Осевое растяжение
Вt0.4	5,2	Рt5	+3,8
Вt0.8	10,5	Рt10	+4,8
Вt1.2	15,7	Рt15	+4,5
Вt1.6	20,9	Рt20	+4,3
Вt2.0	26,2	Рt25	+4,6
Вt2.4	31,4	Рt30	+4,5
Вt2.8	36,7	Рt35	+4,6
Вt3.2	41,9	Рt40	+4,5

Прочность Б. характеризуется их маркой (временным сопротивлением на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе). Марка по прочности на сжатие тяжёлых цементных, особо тяжёлых, лёгких и крупнопористых Б. определяется испытанием на сжатие бетонных кубов со стороной, равной 200 мм,изготовленных из рабочего состава и испытанных после определённого срока выдержки.

Для образцов монолитного Б. промышленных и гражданских зданий и сооружений срок выдержки при нормальном твердении (при температуре 20 град С и относительной влажности не ниже 90%) равен 28 сут. Прочность Б. в возрасте 28 сут R28 нормального твердения можно определять по формуле:

R28 = aRц (Ц/В — б),

где Рц - активность (прочность) цемента; Ц/В - цементно-водное отношение; а — 0,4-0,5 и б - 0,45-0,50 — коэффициенты, зависящие от вида цемента и заполнителей.

Для установления марки Б. гидротехнических массивных сооружений срок выдержки образцов равен 180 сут. Срок выдержки и условия твердения образцов Б. сборных изделий указываются в соответствующих ГОСТах. За марку силикатных и ячеистых Б. принимают временное сопротивление в кгс/см2 на сжатие образцов тех же размеров, но прошедших автоклавную обработку одновременно с изделиями (1 кгс/см2 «0,1 Мн/м2). Особо тяжёлые Б. имеют марки от 100 до 300 (~10-30 Мн/м2), тяжёлые Б. — от 100 до 600 (~10-60 Мн/м2).

Марки высокопрочных Б. — 800-1000 (~80-100 Мн/м2). Применение высокопрочных Б. наиболее целесообразно в центрально-сжатых или сжатых с малым эксцентриситетом колоннах многоэтажных промышленных и гражданских зданий, фермах и арках больших пролётов. Лёгкие Б. на пористых заполнителях имеют марки от 25 до 200 (~2,5-20 Мн/м2),высокопрочные Б. — до 400 (~40 Мн/м2),крупнопористые Б. — от 15 до 100 (~1,5-10 Мн/м2), ячеистые Б. — от 25 до 200(~2,5-20 Мн/м2), особо лёгкие Б. — от 5 до 50 (~0,5-5 Мн/м2). Прочность Б. на осевое растяжение ниже прочности Б. на сжатие примерно в 10 раз.

Требования по прочности на растяжение при изгибе могут предъявляться, например, к Б. дорожных и аэродромных покрытий. К Б. гидротехнических и специальных сооружений (телевизионные башни, градирни и др.), кроме прочностных показателей, предъявляются требования по морозостойкости, оцениваемой испытанием образцов на замораживание и оттаивание (попеременное) в насыщенном водой состоянии от 50 до 500 циклов.

К сооружениям, работающим под напором воды, предъявляются требования по водонепроницаемости, а для сооружений, находящихся под воздействием морской воды или др. агрессивных жидкостей и газов, — требования стойкости против коррозии. При проектировании состава тяжёлого цементного Б. учитываются требования к его прочности на сжатие, подвижности бетонной смеси и её жёсткости (технической вязкости), а при проектировании состава лёгких и особо тяжёлых Б. — также и к плотности. Сохранение заданной подвижности особенно важно при современных индустриальных способах производства; чрезмерная подвижность ведёт к перерасходу цемента, а недостаточная затрудняет укладку бетонной смеси имеющимися средствами и нередко приводит к браку продукции.

Подвижность бетонной смеси определяют размером осадки (в см)стандартного бетонного конуса (усечённый конус высотой 30 см, диаметром нижнего основания 20 см, верхнего — 10 см). Жёсткость устанавливается по упрощённому способу профессора Б. Г. Скрамтаева либо с помощью технического вискозиметра и выражается временем в сек,необходимым для превращения конуса из бетонной смеси в равновеликую призму или цилиндр. Эти исследования производят на стандартной лабораторной виброплощадке с автоматическим выключателем, используемой также при изготовлении контрольных образцов.
Выбор бетонной смеси по степени её подвижности или жёсткости производят в зависимости от типа бетонируемой конструкции, способов транспортирования и укладки Б. Наряду с ценными конструктивными свойствами Б. обладает также и декоративными качествами. Подбором компонентов бетонной смеси и подготовкой опалубок или форм можно видоизменять окраску, текстуру и фактуру Б.; фактура зависит также и от способов механической и химической обработки поверхности Б. Пластическая выразительность сооружений и скульптуры из Б. усиливается его пористой, поглощающей свет поверхностью, а богатая градация декоративных свойств Б. используется в отделке интерьеров и в декоративном искусстве.

Марка бетона по морозостойкости F определяется числом циклов попеременного замораживания и оттаивания испыты­ваемых в возрасте 28 сут. в насыщенном водой состоянии об­разцов, при котором допускается снижение прочности бетона на сжатие не более чем на 15 %.

Марку по морозостойкости назначают и контролируют для бетона гидротехнических сооружений, мостовых и дорожных покрытий и др. Установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости в циклах: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800,F1000.

Для приготовления морозостойких бетонов рекомендуется применять портландцемент и его разновидности: пластифициро­ванный, гидрофобный, быстротвердеющий и сульфатостойкий. Допустимое количество трехкальциевого алюмината С3А в клинкере для портландцемента в зависимости от марки бетона по морозостойкости должно составлять, %: для бетона марки F300 и выше — не более 5 %, для F200 — не более 7 %, для F100 -не более 10 %.

В цемент не рекомендуется вводить активные минеральные добавки, которые повышают водопотребность вяжущего в бето­не. Для сокращения водопотребности бетонной смеси и умень­шения доли микропор в бетоне следует использовать добавки поверхностно-активных веществ, оказывающих воздухововлекающее, микрогазообразующее, гидрофобизирующее или пла­стифицирующее действие на бетонную смесь. Для гидротехни­ческих сооружений с нормируемой морозостойкостью F200 и выше объем вовлеченного воздуха при максимальной крупности заполнителя 20 мм и В/Ц = 0,41…0,5 должен быть 2…4 %.

Морозостойкий бетон может быть получен при обеспечении точной дозировки составляющих материалов, тщательного пе­ремешивания, уплотнения и надлежащего ухода за твердеющим бетоном. При этом необходимо следить, чтобы не возникали деструктивные процессы при тепловой обработке бетона, кото­рые связаны с тепловым расширением составляющих, а также воды и воздуха в свежеуложенном бетоне.

При изготовлении бетонных и железобетонных конструкций повышенной морозостойкости (F200) для твердения бетона предпочтительны естественные условия при положительной температуре и сохранение одновременно его влажностного со­стояния в течение 10 дней.

Марку по водонепроницаемости назначают для бетона конструкций, которые должны обладать ограниченной прони­цаемостью при одностороннем давлении воды. За марку по во­донепроницаемости принимают наибольшее давление воды (кгс/см), которое выдерживают бетонные образцы диаметром и высотой 150 мм при испытании по установленной методике. Ут­верждены следующие марки бетона по водонепроницаемости (кгс/см2): W2,W4, W6,W8, W10, W12, W14, W16,W18, W20.

Необходимо разделять факторы, определяющие водонепро­ницаемость бетона на стадии приготовления смеси, укладки и твердения бетона, и способы повышения водонепроницаемости затвердевшего материала.

Активность цемента. Замена цемента, имеющего активность 400 кгс/см2, цементом с активностью 500 кгс/см2 позволя­ет получить бетон с высокой степенью водонепроницаемости даже при увеличении на 15…20 % значения В/Ц и снижении на 7… 10 % расхода цемента.

Водоцементное отношение. С увеличением значения В/Ц качество цементного теста снижается, в твердеющем бетоне создается развитая система пор и капиллярных каналов. Так, при повышении В/Ц от 0,4 до 0,8 коэффициент фильтрации цемент­ного камня увеличивается в 10…20 раз.

На величину В/Ц при данной подвижности влияет расход цемента. Согласно СНиП 5.01.23-83, для бетона водонепрони­цаемостью W8 при формовании из бетонной смеси ОК = 5…9 см расход цемента должен составлять 475 кг/м3; В/Ц такого бетона не должно превышать 0,45.

Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя. Зна­чения коэффициента а раздвижки зерен для водонепроницаемо­го бетона значительно выше соответствующих значений а, оп­ределенных из условия получения бетонов наибольшей прочно­сти. Это означает, что оптимальный по условию наибольшей водонепроницаемости состав бетона должен содержать меньше крупного заполнителя и больше растворной части, чем обычный бетон.

Условия твердения. Для водонепроницаемого бетона на обычных цементах наилучшие условия создаются при водном твердении, наихудшие — при воздушно-сухом. При этом способ­ность бетона пропускать воду может изменяться в сотни раз.

Возраст бетона. С увеличением возраста бетона изменяется характер его пористости: постепенно уменьшается объем макропор, которые как бы зарастают продуктами гидратации це­мента. Например, в возрасте 90 сут. водонепроницаемость бето­на возрастает в два раза по сравнению с маркой в 28 сут. Для гидротехнических сооружений в зависимости от условий работы марку бетона по водонепроницаемости определяют в возрасте 60, 90 или 180 сут.

Деформативность 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 высокопористых 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.

Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит усад­ка бетона — сокращение линейных размеров до 0,3…0,5 мм на 1 м длины. Большие усадочные деформации — одна из причин образования трещин в бетоне. Особенно значительна усадка в начальный период твердения: в первые сутки она достигает 70 % от месячного значения.

Усадка бетона вызвана усадкой цементного камня, которая в свою очередь является следствием меньшего объема веществ, образовавшихся в результате гидратации цемента, чем началь­ный суммарный объем цемента и воды; сжатия цементного кам­ня капиллярным давлением, возникающим при испарении воды из бетона; уменьшения объема геля при его обезвоживании.

Усадка бетона увеличивается при повышении содержания цемента и воды, применении высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей.

Огнестойкость. Под огнестойкостью бетона понимают его способность сохранять прочность при кратковременном воздей­ствии высоких температур, например при пожаре. При кратко­временном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в нем вода (в том числе и кристаллизационная) испаряется, пони­жая температуру бетона. При длительном воздействии высоких температур в бетоне происходят необратимые химические изме­нения, сопровождающиеся потерей им прочности.