Свойства бетона.

Прочность — важнейший показатель качества конструк­ционных бетонов.

Бетон хоро­шо работает на сжатие и значительно хуже на растяжение. Поэто-му в конструкциях его используют прежде всего для вос­приятия сжимающих нагру-зок. Основной характеристикой прочности бетона является прочность на сжатие R_сж, которая контролируется для всех конструкционных бетонов. Прочность на рас-тяжение R_p и растяжение при изгибе R_и определяется только в некоторых случа-ях.

Фактическая прочность бетона при сжатии определяется испытанием конт-рольных образцов, изготовленных из той же бетонной смеси, что и конструкция, и твердевших в одинако­вых с ней условиях. Величина прочности рассчитывается как среднее арифметическое результатов испытаний серии, состо­ящей из нескольких образцов. Прочность на сжатие определя­ют испытанием образцов-кубов, с разме-ром ребра 15 см на одноосное сжатие на гидравлическом прессе. Допускается ис­пользовать кубы других размеров, но при этом результат сле­дует умножать на соот-ветствующие переходные коэффициен­ты, для учета масштаба образцов.

Прочность на растяжение при изгибе определяют путем испытания балочек квадратного сечения. Размеры образцов за­висят от наибольшей крупности зерен за-полнителя. Испыта­ния производят по схеме балки на двух опорах, с приложени­ем двух сосредоточенных сил на 1/2пролета. Прочность на ра­стяжение при изгибе яв- ляется одним из показателей назначе­ния (показателей качества) бетона для дорож-ных и аэродром­ных покрытий.

Прочность на осевое растяжение определяют испытани­ем образцов-«вось-мерок» на разрывной машине. Прочность бе­тона на осевое растяжение в 15-20 раз меньше, чем прочность на сжатие, и связана с прочностью на растяжение при из-гибе соотношением: R_р = 0, 58R_и.

Для оценки прочности бетона используют его класс или мар­ку. Бетоны подраз-деляют на марки по прочности на сжатие: М50, М75, М100, M15O, M200, M250, М300, М400, M450, M500 и выше с интервалом от 100 до М1000. Марка тяже-лого бетона определяется по средней прочности стандартных контрольных образ-цов, через 28 суток нормального твердения (при температу­ре 20+2 °С и относи-тельной влажности воздуха не менее 90%). Бетон характеризуется неоднородно-стью структуры, что приводит к неоднородности его свойств. На этом основании по-казатели свойств бетона можно считать величинами случайными. Для оценки слу-чайных величин используются статистические ха­рактеристики: среднее арифмети-ческое, среднеквадратическое отклонение S и коэффициент вариации . Послед-ние две ха­рактеристики S и v используются для оценки однородности свойств бетона и зависят от разброса, т.е. отклонения данных от среднего значения. Чем больше разброс данных относи­тельно среднего, тем больше значения S и v, тем меньше од­нородность бетона. Среднеквадратическое отклонение рассчи­тывается по формуле:

где — прочность i-ro образца;

— количество образцов;

— среднее значение прочности, равное

Коэффициент вариации вычисляется по формуле:

Марка бетона не учитывает фактическую неоднородность прочности, а это может привести к тому, что прочность бе­тона в некоторых конструкциях ока-жется намного ниже тре­буемой по расчету, тогда как в других будет неоправданно завышена.

В связи с этим используется другая оценка прочности бе­тона — класс бето-на по прочности В. Бетоны по прочности на сжатие подразделяются на следую-щие классы: В3, 5; В5; В7, 5; В10; В12, 5; В15; В20; В22, 5; В25 - В80. Класс бетона по проч­ности определяет величину прочности, гарантированную с обес­печенностью 0, 95. Это означает, что прочность бетона при боль­шом числе испытаний в 95% случаев будет равна или больше гарантированной, а в 5% — меньше.

Класс бетона и средняя прочность , при которой будет обеспечена гаран-тированная прочность, связаны зависимостью:

где t — статистический критерий, зависящий от обеспечен­ности: при обеспе-ченности 0, 95 t = 1, 64. Значение v определяется при статистическом контроле проч­ности на предприятии, а при отсутствии данных принимается равным норма-тивному: v ^н = 0, 135 (13, 5%). При этом средняя прочность составит:

В процессе производства контролируется величина сред­ней прочности. Для обеспечения этой прочности проектирует­ся состав бетона. Если при расчете средней прочности исполь­зовать фактическое значение коэффициента вариации, то ее зна-чение будет различным при одном и том же классе проч­ности: чем меньше v, тем меньше требуемая средняя проч­ность и наоборот. Снижение величины средней прочности по­зволяет снизить расход цемента, повышение величины сред­ней проч-ности связано с увеличением расхода цемента (Ц/В увеличивается при постоянном расходе воды). Следователь­но, надо стремиться к снижению коэффициента вариа-ции (повышению однородности бетона) за счет строгого соблюдения технологичес-ких режимов, учета изменчивости свойств мате­риалов, правильной организации ко-нтроля в целом, за счет повышения культуры производства. Учет неоднородности прочности бетона при переходе от марки к классам не только повышает надежность конструкций, но и способствует эконо­мии цемента при хорошо отлаженной техно-логии.

Для характеристики упругих свойств бетона определяют начальный модуль упругости Е_н. Бетон является упругоплас-тическим материалом, в котором упру-гие деформации, изме­няющиеся по линейному закону, развиваются только при крат­ковременном действии нагрузки. Измерить упругие деформа­ции можно только сра-зу после приложения нагрузки, так как при относительно длительном действии на-грузки, например в течение 1 ч, к упругим деформациям добавляются пластичес­кие. Начальный модуль упругости определяется по величине относительной Дефо-рмации при напряжениях не более 0, 3 от величины разрушающих напряжений. Модуль упругости яв­ляется важной характеристикой деформативности бетона и учи­тывается наряду с прочностью в расчетах несущих конструк­ций. При повышении концентрации прочного крупного запол­нителя и снижении водоцементного отноше-ния модуль упру­гости увеличивается.

Ползучесть — это способность к увеличению пластичес­ких деформаций в течение длительного времени при постоян­ной нагрузке. Ползучесть бетона обусло-влена наличием в це­ментном камне гелевой составляющей, которая удерживает бо-льшое количество адсорбционно связанной воды. В течение длительного времени под действием нагрузки эта вода как бы выжимается из гелевых пор, при этом бе-тон деформируется.

Результатом ползучести является релаксация напря­жений. Релаксация — это самопроизвольное снижение внут­ренних напряжений при условии, что нача-льная величина де­формаций остается постоянной. Благодаря релаксации значите-льно снижа­ются напряжения в элементах статически неопределимых кон­струкций. В то же время процесс релаксации может приво­дить к нежелательным явлениям, например к потере напря­жений в предварительно напряженной арматуре.

Усадка — уменьшение первоначального объема бетона вследствие изме-нения его влажности и физико-химических процессов твердения. Усадка бетона складывается из влажностной, контракционной и карбонизационной. Для уменьше-ния опасности появления усадочных трещин необходимо обеспечить правильный уход за твердеющим бето­ном.. Для уменьшения напряжений от деформаций усадки в протяженных конструк­циях их разбивают по длине усадочными швами.

Водопоглощение — способность бетона впитывать и удер­живать воду. Оно определяется количеством воды, поглощен­ной сухим материалом при полном пог-ружении в воду. Водо­поглощение определяется в процентах от Массы W_мили объе­ма W_о сухого материала. Для обычного бетона водопоглоще­ние составляет 4-8% по массе или 10-20% по объему, для бетона на пористых заполнителях этот показатель значитель­но выше. Водопоглощение бетона определяет его открытая ка­пиллярная пористость, так как насыщение водой происходит через систему сооб-щающихся капиллярных пор.

Водопроницаемость зависит главным образом от структу­ры бетона. Проник-новение воды в бетон происходит через мак­ропоры цементного камня с радиусом более 0, 1 мкм, седиментационные поры бетона, дефекты уплотнения и в некото­рых конструкциях возможно через крупные сквозные каналы в теле бетона. Плот-ные бетоны обычно непроницаемы для воды, действу­ющей без напора.

Для оценки водонепроницаемости бетона используют марки от W2 до W20. Марка по водонепроницае­мости определяется испытанием стандартных об-разцов под давлением и показывает величину давления, при котором бе­тон еще не пропускает воду. Например, бетон марки W12 вы­держивает без фильтрации да-вление воды до 1, 2 МПа.

Морозостойкость — способность бетона в насыщенном во­дой состоянии выдерживать многократное попеременное за­мораживание и оттаивание. В первую очередь она определяет­ся характером пористости бетона: объемом, размером и стро­ением пор и его плотностью. Увеличение общей пористости бетона и, как следст-вие, уменьшение его плотности приводят к снижению морозостойкости. Наиболь-шую опасность с точ­ки зрения морозостойкости представляют сообщающиеся ка­пиллярные поры, доступные для проникновения воды. Имен­но объем этих пор оп-ределяет величину водонасыщения бето­на и при замерзании воды — величину внутренних напряже­ний. Поэтому снижение открытой капиллярной пористости — необходимое условие получения морозостойкого бетона.

Микропоры цементного камня с радиусом менее 0, 1 мкм не оказывают за-метного влияния на морозостойкость бетона, так как эти поры всегда заполнены связанной поверхностны­ми силами водой, которая не замерзает даже при темпера-туре ниже -70 °С.

В открытых порах температура замерзания воды зависит от их размеров: чем меньше размер пор, тем ниже температура замерзания в них воды. Например, в порах с радиусом 0, 08 мм вода переходит в лед при температуре -14, 6°С, а в порах с ра­диусом 0, 03 мм — при температуре -18°С. По морозостойкос­ти бетон под-разделяется на марки: F50, F75, F100 до F1000.

Морозостойкий бетон характеризуется высокой плотностью структуры, кото-рая обес­печивается уменьшением В/Ц за счет применения пластифици­рующих доба-вок, использования более интенсивных способов уплотнения и материалов с неболь-шой водопотребностью. Обыч­но для морозостойких бетонов В/Ц < 0, 5.

Эффективным способом повышения морозостойкости явля­ется введение в состав воздухововлекающих добавок для со­здания «резервной пористости». Объем воздухововлечения со­ставляет 4-6% от объема бетона и более 20% от объема за-мер­зающей воды.