Строительные материалы и изделия

Важнейшие свойства бетона

Прочность бетона при сжатии определяют по результатам ис­пытания серии образцов-кубов, твердевших в нормальных усло­виях (температура воздуха — (20 ± 2) °С; относительная влажность воздуха — не ниже 95 %) в течение 28 дней (для бетона речных сооружений — 180 дней).

За базовый образец принят куб с длиной ребра 150 мм. Проч­ность образцов иных размеров умножают на масштабный коэф­фициент (табл. 9.3).

При изготовлении образцов бетонную смесь укладывают в форму слоями высотой не более 100 мм. Каждый слой уплотняют штыко-

ванием стальным стержнем диаметром 16 мм с закругленным кон­цом. Число штыкований равно 0,Ы, где А — площадь грани об­разца, см2. При ОК < 10 см бетонную смесь дополнительно уп­лотняют вибрированием на стандартной виброплощадке до появ­ления цементного молока на поверхности смеси. При Ж < 11 с вибрирование производят с пригрузом, создающим давление (4 + 0,5) кПа. После уплотнения избыток бетонной смеси срезают вровень с краями формы и поверхность смеси заглаживают. Об­разцы хранят в течение 1...3 сут в формах, покрытых влажной тканью, в помещении с температурой воздуха (20 ± 2) °С. Затем их освобождают от форм, маркируют и выдерживают до испытания в камере с относительной влажностью воздуха не менее 95 % при температуре воздуха (20 ± 2) °С. При испытании образцы устанав­ливают так, чтобы заглаженная грань не прилегала к плитам пресса.

Предел прочности образца при сжатии определяют по формуле

R = aF/A{)s (9.2)

где а — масштабный коэффициент (см. табл. 9.2); F— максималь­ная нагрузка, МН; Ап — расчетная площадь образца, м2.

Прочность бетона вычисляют как среднее арифметическое зна­чение результатов испытаний (в серии из трех образцов — по двум, из четырех — по трем, из шести — по четырем наибольшим зна­чениям).

Прочность бетона зависит от следующих факторов:

1) вид и качество применяемых в бетоне цемента и заполните­лей;

2) состав бетона;

3) технологические факторы (возраст бетона, условия приго­товления, уплотнения, твердения).

При определении класса бетона по прочности влияние третьей группы факторов исключают, делая их стандартными.

Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемен­та Лц. Применение щебня вместо гравия или горного песка вместо морского повышает прочность бетона в среднем на 10 %. При этом снижается ОК, так что равноподвижные смеси дают примерно равнопрочные бетоны.

Из трех параметров состава (В/Ц, г, Ц) лишь водоцементное отношение существенно влияет на прочность бетона; от двух дру­гих параметров (г и Ц) прочность бетона почти не зависит. Это обстоятельство является настолько важным для проектирования состава бетона, что его назвали законом водоцементного отноше­ния, который формулируется следующим образом: прочность бе­тона, приготовленного из неизменных материалов, зависит толь­ко от водоцементного отношения и не зависит от остальных пара­метров состава. Таким образом, если цемент и заполнители одни и те же, то зависимость прочности от состава бетона превращает-
ся в однозначную: R28 = /(В/Ц). С увеличением водоцементного отношения прочность бетона снижается. Эта зависимость исполь­зуется при проектировании состава бетона для определения В/Ц по заданной в проекте сооружения прочности бетона (рис. 9.5, а).

Приближенно задача может быть решена с помощью эмпири­ческих формул, из которых наиболее широко применяется фор­мула швейцарского ученого Боломея:

Л28 =ЛЛц(Ц/В-0,5), (9.3)

где i?2s — прочность бетона в возрасте 28 дней; А — коэффициент, учитывающий вид и качество заполнителей; Rn — активность це­мента (прочность при сжатии половинок стандартных балочек из

Заменив В/Ц обратной величиной, Боломей аппроксимиро­вал зависимость R2$ =/(Ц/В) линейной функцией (рис. 9.5, б). Формула (9.3) применима для портландцементных бетонов с Ц/В - 1,25...2,50 (В/Ц = 0,8.„0,4).

В соответствии с формулой Боломея, чем выше активность це­мента, тем больше угол наклона прямой а и выше прочность бе­тона при том же значении Ц/В.

Наиболее интенсивно процесс твердения протекает в первые семь дней и очень медленно — после 28 дней твердения. При низ­кой влажности воздуха вода затворения быстро испаряется из бето­на, что замедляет гидратацию цемента и твердение бетона. В рай­онах с сухим климатом твердеющий бетон поливают водой и ук­рывают пленкой, предотвращающей потерю влаги. Повышение температуры бетона при сохранении достаточной влажности ус-

Рис. 9.5. Графики зависимостей прочности бетона от водоцементного от-
ношения (а) и обратной ему величины (б)

коряет процессы гидратации цемента и нарастания прочности бетона. При температуре 70...90°С отпускную прочность бетона можно получить за 7...8 ч твердения. Твердение бетона ускоряют добавки неорганических солей (см. подразд. 9.8).

Прочность бетона при растяжении определяют на образцах - восьмерках квадратного сечения, сторона которого может быть равна 7, 10, 15 или 20 см. Предел прочности при растяжении вы­числяют по формуле (9.2), как и в случае центрального сжатия. Бетон хорошо сопротивляется сжатию и плохо сопротивляется растяжению.

Для обычных бетонов значения Ясж/Rp = 9...20. Поэтому бетон без армирования используют там, где нет растягивающих напря­жений.

В ГОСТ 26633 — 91 на сжатие установлены следующие классы бетона: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В65; В70; В75; В80. На растяжение уста­новлены следующие классы бетона: Bt0,4; Bt0,8; В, 1,2; В, 1,6; Bt2,0; Bt2,4; Bt2,8; Bt3,2; Bt3,6; Bt4,0.

Класс бетона — это нормируемая прочность бетона, МПа, с гарантированной обеспеченностью (доверительной вероятностью) Г* при стандартном испытании. Если, например, Р - 0,95, то уста­новленная классом прочность обеспечивается в 95 случаях стан­дартных испытаний из 100 и лишь в пяти случаях прочность мо­жет быть ниже нормируемой. Соотношение между классом В и средней прочностью бетона р, полученной на ограниченном числе образцов, составляет:

В = (1 -%Cv)/?cP,

где х — показатель надежности, зависящий от доверительной ве­роятности Я; Cv — коэффициент вариации прочности бетона.

В нормах проектирования железобетонных промышленных и гражданских зданий и сооружений принята Р = 0,95, чему соот­ветствует х = 1,64. Коэффициент вариации прочности бетона для данных условий строительства установлен опытным путем и со­ставляет Cv = 0,135. Таким образом, (1 -%CV) = 0,78.

Для массивных гидротехнических сооружений принято Р- 0,90, чему соответствует х - 1,3, а коэффициент вариации установлен равным 0,17, что также дает (1 - %CV) = 0,78.

Морозостойкость — это способность насыщенного водой бето­на выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание.

Заполняющая поры бетона вода, превращаясь в лед, увеличи­вается в объеме и вызывает микрорастрескивание бетона. С ростом числа циклов замораживания и оттаивания повреждения в бетоне накапливаются и его прочность снижается. Сильнее всего страдает бетон в зоне переменного уровня воды.

Морозостойкость бетона характеризуется его маркой: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000.

Марка означает число циклов замораживания и оттаивания, которое выдерживают образцы при стандартном испытании (проч­ность при сжатии снижается не более чем на 5 %).

Базовый метод определения морозостойкости заключается в следующем. Готовят 18 образцов-кубов (с длиной ребра 10, 15 или 20 см), из них 12 основных (подлежащих замораживанию —оттаи­ванию) и шесть контрольных. Все образцы выдерживают в камере нормального твердения в течение 24 сут, затем в течение 4 сут их насыщают водой. После этого контрольные образцы испытывают на сжатие, а основные подвергают попеременному заморажива­нию и размораживанию. Замораживают образцы в морозильной камере с температурой -(18 ± 2) °С в течение не менее 2,5, 3,5 или 5,5 ч соответственно размеру образца (с длиной ребра 10, 15 или 20 см). Оттаивание образцов происходит в воде при температуре (18 ± 2) °С в течение 2, 3 или 5 ч соответственно размеру образца (с длиной ребра 10, 15 или 20 см).

После проведения числа циклов, заданного маркой, образцы испытывают на сжатие. Прочность основных образцов должна со­ставлять не менее 95 % прочности контрольных образцов.

На морозостойкость бетона влияют следующие факторы.

1. Вид цемента. Наиболее морозостойкий бетон получается на портландцементе. На шлакопортландцементе и особенно на пуц - цолановом портландцементе получаются неморозостойкие бето­ны.

2. Минералогический состав цемента. Повышенное содержание С3А в цементе снижает морозостойкость бетона.

3. Структура пористости. Морозостойкость бетона тем выше, чем меньше объем сообщающихся открытых для воды пор и чем меньше их размеры. Рост замкнутой пористости не оказывает от­рицательного влияния на морозостойкость.

4. Добавки к бетону. Для повышения морозостойкости в бетон вводят воздухововлекающие добавки. Несмотря на то что истин­ная пористость при этом увеличивается на 3...5 %, водопоглоще - ние снижается на 10... 15 %, так как уменьшается доля открытых пор.

5. Состав бетона. Из трех параметров состава бетона наиболь­шее влияние на морозостойкость оказывает водоцементное отно­шение: чем оно выше, тем ниже морозостойкость бетона (рис. 9.6). Зависимость F=/(В/Ц) используется при проектировании соста­ва бетона для определения В/Ц по заданной морозостойкости бе­тона Fw.

Водонепроницаемость бетона характеризуется его маркой по водонепроницаемости (ГОСТ 26633 — 91): W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18 и W20. Число в марке обозначает наиболь­
ший перепад давления воды, кгс/см2, который выдерживают бетонные образцы.

Для испытаний изготавлива­ют шесть образцов-цилиндров диаметром 150 мм и высотой не менее 100, 50 или 30 мм при наи­большей крупности зерен соот­ветственно 20, 10 и 5 мм.

Образцы после 28 сут тверде­ния в нормальных условиях в те­чение суток выдерживают на воз­духе в лаборатории, а затем зак­лючают в стальную обойму. За­зор между образцом и обоймой заливают парафином или воском.

Подготовленные образцы (рис. 9.7) устанавливают в гнездах ис­пытательной установки и снизу подают воду под давлением, ко­торое повышают ступенчато по 0,2 МПа до появления мокрого пятна на верхней торцевой по­верхности образцов. Время вы­держки на каждой ступени зави­сит от высоты образцов h и со­ставляет 16, 12, 6 и 4 ч (при h соответственно 150, 100, 50 и 30 мм). Водонепроницаемость бе­тона характеризуют наибольшим перепадом давления воды, при котором четыре образца из шес­ти еще не имели мокрого пятна.

На водонепроницаемость ока­зывают влияние следующие фак­торы.

1. Вид цемента. Пуццолановый портландцемент дает более водо­непроницаемый бетон, чем шла­копортландцемент и портландце­мент.

2. Вид добавок. Поверхностно­активные добавки повышают во­донепроницаемость бетона, так как создают в основном замкну­тые поры.

3. Водоцементное отношение. Чем выше В/Ц, тем ниже водо­непроницаемость (рис. 9.8). По зависимости W=f{В/Ц) определя­ют В/Ц, обеспечивающее заданную водонепроницаемость бетона W

гг зад*

4. Степень уплотнения. Чем сильнее уплотнена бетонная смесь в процессе укладки, тем выше водонепроницаемость бетона.

5. Режим твердения. Оптимальный тепловлажностный режим твердения благоприятно отражается на водонепроницаемости бе­тона.

Тепловыделение бетона обусловлено экзотермической реакцией между водой и цементом. В результате происходит саморазогрев бетонных конструкций при твердении. В, центральной части мас­сивных бетонных блоков температура может достигать 60...80°С, в то время как температура поверхности за счет охлаждения воз­духом значительно ниже. Саморазогрев бетона может вызвать тер­мические напряжения и образование трещин. Для снижения тем­пературы саморазогрева уменьшают тепловыделение бетона, ох­лаждают заполнители и воду перед затворением бетонной смеси, применяют охлаждение бетона водой, пропускаемой по заделан­ным в бетоне трубам. Для снижения тепловыделения применяют цемент с пониженной экзотермией (малым содержанием С3А и C3S) и сокращают его расход в бетоне.

Саморазогрев бетона играет положительную роль при тепло­вой обработке изделий (пропаривании, электропрогреве), уско­ряющей твердение бетона, а также в зимних условиях, когда теп­лота необходима для поддержания положительной температуры бетона при твердении. Тепловыделение, являясь в обоих случаях дополнительным источником энергии, позволяет сократить энер­гозатраты.