Строительные материалы и изделия

ПРОЧНОСТЬ, МАРКА И КЛАСС БЕТОНА

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

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 (см. рис. 12.11).

Прочность бетона принято оценивать по среднему арифметическо­му значению результатов испытания образцов данного бетона через

28 сут нормального твердения. Для этого используют образцы-кубы размером 150 х 150 х 150 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 условии твердения. Все это приводит к разбросу 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, например 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; 15; 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 В15 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 M300 и коэффициенте вариации 18 % класс бетона будет В15, 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 табл. 12.2.

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

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластич­ное тело (рис. 12.13). 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-Ю4 МПа).

При больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микро - 240

на во времени:

— начальная деформация бетона в момент нагружения; еп — деформация ползучести

трещин 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 микро - трещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер (рис. 12.14). 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 при потере воды. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетона (рис. 12.15). 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 30 м 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, такой плотный на вид материал имеет заметную пористость. Причина ее возникновения,
как,- это уже не раз говорилось, кроется 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 — со • Ц)/1000] 100,

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

Так, в возрасте 28 сут цемент связывает 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бетоне — 180 кг, а цемента — 320 кг. Тогда пори­стость этого бетона будет:

П = [(180-0,17-320)/1000]100= 12,6%.

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, %:

____________________ Пк= [(В —2тЦ)/1000]100.________ ,

Для нашего случая количество капиллярных пор будет — 7,3 %.

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 капельно-жидком 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 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 использу - ются для устройства бетонней-гидреизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W2; W4; W6; W8 и W12. Марка обозначает давление воды (кгс/см2), 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 следу-

ішдис марки истина ПлЭ МОрОоОСТОИКОСТИ 1 1 L J 1 J J Г JKJу Г /

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 (рис. 12.16). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Так, бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, в соответст­вии с рис. 12.16 должен иметь морозостойкость F150...F200.

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, возможно путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при укладке;

• пластифицирующих добавок, по­вышающих удобоукладываемость бе­тонных смесей без добавления воды.

Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона — гидрофо - бизация (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 ве-

в 1,5...2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелый бетон в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теп­лоизоляцией. Легкие бетоны (см. § 12.7), в особенности ячеистые, имеют невы­сокую 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 тяжелого бетона (10...12) • Ю ДС1. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° 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 и цементного камня.