Свойства бетона

Основными свойствами тяжелого бетона являются прочность, плотность, морозостойкость, водонепроницаемость, усадка и расширение, стойкость против коррозии.

3.3.1. Прочность. Бетон работает под нагрузкой как единый композиционный материал, и в формировании его прочности участвуют цементный камень, зерна заполнителя и контактный слой между ними, то есть прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителей в тяжелом бетоне должна быть выше заданной марки бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

· прочностью затвердевшего цементного камня;

· прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от его активности (марки) и отношения В/Ц. Чем прочнее цементный камень, тем при прочих равных условиях выше марка цемента.

Зависимость прочности цементного камня от В/Ц объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает не более 20-25 % воды от своей массы. Но для обеспечения необходимой удобоукладываемости цементного теста необходимо брать 40-80 % воды. Вода необходима еще для смачивания поверхности заполнителей; большая удельная поверхность которых требует большего расхода воды. Поэтому, чем больше в бетоне свободной (химически не связанной воды), тем больше впоследствии будет пор в цементном камне и соответственно ниже станет его прочность.

С другой стороны, если не обеспечить необходимую удобоукладываемость бетонной смеси, то из-за недоуплотнения в бетоне появятся крупные пустоты, что приведет к резкому снижению прочности бетона. На рис. 3.3 представлена зависимость прочности бетона от количества воды затворения.

Рис. 3.3. Кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при неизменном расходе цемента и способе уплотнения):

1 – слишком жесткие недоуплотненные бетонные смеси; 2 – смеси с оптимальным количеством воды затворения; 3 – подвижные смеси;

4 – литые бетонные смеси

Левая часть кривой соответствует недоуплотненным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения бетонная смесь укладывается плотнее, уменьшается объем пустот, а прочность бетона повышается. При оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую прочность и плотность, что соответствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение воды разжижает бетонную смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается цементом, а избыток ее образует в бетоне поры. В результате прочность бетона понижается, что соответствует правой части кривой.

Для каждой бетонной смеси существует оптимальное количество воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон с минимальной пористостью и наибольшей прочностью.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителем определяется качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителей должна быть чистой и шероховатой. Например бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии, а на дробленом песке выше, чем на природном. В обобщенном виде этот показатель называется коэффициентом качества заполнителей (А), его численные значения приведены в работе [3].

Зависимость прочности бетона от Ц/В, марки цемента и качества заполнителей можно описать уравнением вида:

R_Б = АR_Ц (Ц/В ± 0, 5).

Приведенная формула предложена И. Боломеем и уточнена Б.Г. Скрамтаевым, она выражает основной закон прочности бетона и используется для определения состава бетона по заданным параметрам.

Для обычных бетонов (марок ниже М500) и при В/Ц более 0, 4 формула имеет вид:

R_Б = АR_Ц (Ц/В – 0, 5),

а для высокопрочных бетонов при В/Ц менее 0, 4

R _Б = АR_Ц (Ц/В + 0, 5).

Прочность бетона оценивают по среднему арифметическому значению результатов испытания образцов данного бетона через 28 суток нормального твердения. Для этого используют образцы-кубы размером 150× 150× 150 мм, изготовленные из бетонной смеси. Особенности приготовления и методы определения прочности бетона регламентированы стандартом и изложены в работе [1].

Марка бетона – округленное (всегда в меньшую сторону) значение прочности. Для тяжелого бетона установлены следующие марки по прочности на сжатие: 50, 75, 100, 150, 200, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800 кгс/см². Например, если средняя прочность 33 МПа, то марка бетона М300.

Прочность бетона при нормальных условиях твердения повышается приблизительно пропорционально логарифму времени:

R₂₈ = R_n lg28/lg n,

где R₂₈ – прочность бетона в возрасте 28 суток; R_n – прочность бетона в любой срок; lg n – десятичный логарифм возраста бетона, выраженного в сутках.

Эта формула применима только для обычного портландцемента средних марок и дает удовлетворительные результаты, начиная с n > 3.

3.3.2. Класс бетона – это численная характеристика прочности, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0, 95). Это значит, что установленная классом прочность достигается не менее чем в 95 случаях из 100.

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. Обозначают класс бетона буквой В, справа от которой ставят прочность в МПа.

Между классом бетона В и его средней кубиковой прочностью R_Б имеется зависимость:

В = R_Б (1– t С_В),

где t – коэффициент, характеризующий принятую обеспеченность класса бетона. При обычно принимаемой обеспеченности 0, 95, t = 1, 645;

С_В – коэффициент вариации бетона, %.

Соотношение между классами и марками неоднозначно и зависит от однородности бетона, которая оценивается коэффициентом вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки заметно увеличивается при снижении коэффициента вариации. Строительными нормами принят нормативный коэффициент вариации прочности бетона, равный 13, 5 % и характеризующий технологию бетонных работ как удовлетворительную.

3.3.3. Плотность и пористость. Бетон, плотный на вид, имеет заметную пористость. Причина ее возникновения кроется в избыточном количестве воды затворения. Общая пористость включает микропоры геля и капиллярные поры и может составлять 12-19 %. Большое влияние на проницаемость и морозостойкость бетона оказывает количество капиллярных пор.

Высокая плотность бетона достигается при тщательно подобранном зерновом составе заполнителей, оптимальном количестве цементного теста, снижении водоцементного отношения, тщательном уплотнении, пониженном количестве воды затворения, оптимальных условиях твердения, а также при введении в бетонную смесь пластифицирующих добавок.

3.3.4. Водопроницаемость бетона. По водонепроницаемости тяжелый бетон делят на марки: W2, W4, W6, W8, W10, W12, W16, W18, W20. Марка обозначает давление воды (кгс/см²), при котором образец–цилиндр высотой 15 см пропускает воду при стандартных испытаниях.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители высокого качества, а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо).

3.3.5. Морозостойкость – главный показатель, определяющий долговечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостойкость бетона оценивают путем попеременного замораживания при минус (18±2) ⁰С и оттаивания в воде при (18±2) ⁰С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. За марку по морозостойкости принимают наибольшее число циклов «замораживания – оттаивания», в течение которых прочность на сжатие снижается не более чем на 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов. Установлены следующие марки бетона по морозостойкости: F25, F35, F50, F75, F100…F1000. Предусмотрены методы испытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до минус (50±5) ⁰С.

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 возможно при использовании:

· жестких бетонных смесей, интенсивно уплотняемых при укладке;

· пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетонных смесей без добавления воды;

· гидрофобизации (объемной или поверхностной) бетона. В этом случае снижается водопоглощение бетона и повышается его морозостойкость.

Контрольные вопросы

1. Что относят к крупным и мелким заполнителям?

2. Чем щебень отличается от гравия?

3. Какие основные свойства щебня?

4. Какие функциональные назначения крупного и мелкого заполнителя?

5. Для каких материалов определяют модуль крупности?

6. Расскажите о составе бетона.

7. Расскажите о свойствах бетонной смеси? Каковы физико-механические свойства бетона?

8. Как оценивают прочность бетона?

9. Чем отличается класс бетона от его марочной прочности?

10. Как подбирают состав бетона?

11. Как происходит твердение бетона?

12. Почему бетон всегда имеет некоторую пористость?