СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Свойства бетона

Деформативные свойства бетона

Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упру­гие материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.

Область условно упругой работы бетона — от начала нагруже­ния до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.

Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратко­временном нагружении для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины. Если напряжение превосходит 0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная (пласти-

268

ческая) деформация, и полную деформацию бетона можно предста­вить как сумму упругой и пластической деформации (єу

Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от порис­тости: увеличение пористости бетона сопровождается сниже­нием модуля упругости (рис.

10.12) . При одинаковой марке по прочности модуль упруго­сти легкого бетона на порис­том заполнителе меньше в 1,7—

2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упру­гими свойствами бетона мож­но управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона на сжатии и растяже­нии принимают равными меж­ду собой: Есж =ЕР =Е6.

Ползучестью называют явление увеличения дефор­маций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки (рис.

10.13) . Таким образом, пол­ная относительная дефор­мация бетона при длитель­ном действии нагрузки сла­гается из его начальной («мгновенной») упругой деформации и пластической деформации ползучести.

Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бе­тона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползу­честь наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя-щебня из изверженных горных пород. Порис­тый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны име­
ют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми. С увеличением В/Ц ползучесть бетона при прочих равных условиях возрастает, так как цементный гель становится менее вязким, а бетон — более по­ристым. При одинаковом В/Ц большая ползучесть наблюдается у бетона с более высоким содержанием цемента. В бетоне, нагружен­ном в раннем возрасте, проявляется гораздо большая ползучесть, чем в позднем возрасте.

На ползучести сказывается климат: замечено ее усиление в теп­лом и сухом воздухе. Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может также вызывать рост ползучести.

Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может иг­рать отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.

Усадка и набухание бетона

При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т. е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракци - онной составляющих. Влажностная усадка вызывается изменением распределения, перемещением и испарением влаги в образовавшем­ся скелете цементного камня. Эта составляющая играет ведущую роль в суммарной усадке бетона. Карбонизация содержащегося в цементном камне гидрата окиси кальция с переходом его в углекис­лый кальций также вызывает усадку, особенно заметную в ячеистых бетонах. Обычные измерения дают общую величину усадки бетона, слагающуюся из влажностной и карбонизационной составляющих. Контракционная составляющая усадки, вызванная уменьшением аб­солютного объема системы цемент-вода, невелика и составляет все­го около 10% от влажностной усадки.

Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конст­рукциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежа­ние появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооруже­нии длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в на­
ружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на кон­такте с заполнителем и в самом цементном камне.

Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитно­сти конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образу­ется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятст­вующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цемент­ного камня (рис. 10.14).

Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог пе­риодически увлажняется и вы­сыхает. Колебания влажности бетона вызывают поперемен­ные деформации усадки и на­бухания, которые могут вы­звать появление микротрещин и разрушение бетона. 3 — бетона

Морозостойкость бетона

Морозостойкость бетона определяют путем попеременного за­мораживания в холодильной камере при температуре от;17 до 20 °С и оттаивания в воде при температуре 15—20 °С бетонных образцов ку­бов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наиболь­шей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут вы­держивания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения.

За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое при испытании выдерживают образцы установленных размеров без снижения прочности на сжатие более 5% по сравнению с прочно­стью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте, а для дорожно­

го бетона, кроме того, без потери массы более 5%. Установлены мар­ки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800, F1000.

Морозостойкость бетона зависит от качества примененных ма­териалов и капиллярной пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостой­кость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.

Водонепроницаемость бетона

По водонепроницаемости бетон делят на марки W2, W4, W6, W8 и W12, W14, W16, W18, W20, причем марка обозначает давление воды (кгс/см2, при котором образец-цилиндр диаметром и высотой 15 см не пропускает воду в условиях стандартного испытания.

С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водо­непроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бе­тона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изго­товлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизи - рующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефте­продуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного порт­ландцемента применяют расширяющийся.

Теплофизические свойства бетона

Теплопроводность — наиболее важная теплофизическая харак­теристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих кон­струкциях зданий.

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии

1,75.. . 1,85 Вт/(м °С), т. е. она в 2-А раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тя­желого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.

Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах — 0,75-0,92 Вт/(м °С). Линейный коэффициент температурного рас­ширения бетона составляет около 1010'6оС. Следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно

272

0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой про­тяженности разрезают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различные коэффициенты температурного расширения и будут по - разному деформироваться при изменении температуры.

Большие колебания температуры (более 80 °С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещи­ны распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботить­ся о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Поэтому важнейшим требованием к составу бетона является ог­раничение величины В/Ц в зависимости от условий работы бетона в той или иной зоне сооружения: для бетона М500 рекомендуется принимать В/Ц не более 0,4; М400 —- не более 0,45; МЗОО — не бо­лее 0,5; М200 — не более 0,55.

Рекомендуется применять сульфатостойкий портландцемент, являющийся одновременно и морозостойким. В этом цементе со­держится лишь небольшое количество трехкальциевого алюмината (до 5%), снижающего морозостойкость. В него не вводят минераль­ные добавки (кроме гипса). Заполнители должны быть чистые: про­мытый кварцевый песок, щебень из плотных изверженных горных пород с водопоглощением не более 0,5% (по массе).

Для повышения морозостойкости и водонепроницаемости бето­на применяют добавки поверхностно-активных веществ.