Свойства бетона

Де формативные 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 (пласти­ческая) деформация, и полную деформацию бетона можно предста­вить как сумму упругой и пластической деформации (sym> + £ пл)-

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 при сжатии и растяжении при­нимают равными между собой: Ее ж ~ Ей ⁼ Еь

Ползучестью называют явле­ние увеличения деформаций бе­тона во времени при действии постоянной статической нагрузки I 100 200 300 400 500 600 (рис. 10.13). Таким образом, пол- te; Время, сут пая относительная деформация

бетона при длительном действии Рис. 10.13. Развитие ползучести _{нагрузки слагаеТ}ся из его началь- бетона во времени _ной (" _{мгновен}ной^м) упругой де­

формации 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 име­ют 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 контракцион- ной 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. Кон- тракционная 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 наружных 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.

Морозостойкость бетона

Время твердения, сут О 30 60 90 Рис. 10.14. Кривые усадки: 1 - цементного камня; 2 - раствора; 3 - 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 дорожного бетона, кроме того, без потери массы более 5%. Установлены марки по морозостойкости: F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500.

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, причем марка обозначает давление воды (кгс/см²), при котором образец-цилиндр 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 гидрофобизую- щие 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 (хдорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного порт­ландцемента применяют расширяющийся.

Тепл офизичес к ие свойства бетона

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

Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1, 2 Вт/(м °С), т.е. она в 2-4 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 0, 5 мм/м, Во избежание растрескивания сооружений большой протяженности раз­резают температурно-усадочными швами.

Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют раз­личный коэффициент 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 суровости работы бетона в той или иной зоне сооружения: для бетона М500 рекомендуется при­нимать В/Ц не более 0, 4; М400 - не более 0, 45; М300 - 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.