Главная / Про Бетон / Бетоны структура и свойства бетонов к

Бетоны структура и свойства бетонов к

Структура тяжелого бетона. Структуру бетона изучают на различных уровнях. Макроструктуру наблюдают невооруженным глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь выделяют крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда удобно принимать макроструктуру, состоящую из двух элементов: крупного заполнителя и растворной части, в которой объединяются цементный камень и песок. Микроструктуру наблюдают при большом увеличении под микроскопом. Так изучают структуру цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, дисперсных частиц наполнителя, новообразований и микропор различных размеров. Большое значение для свойств бетона имеет различный характер микроструктуры цементного камня в объемном (в порах между зернами заполнителя) и пленочном (на их поверхности) состояниях. В межзерновом пространстве и крупных порах чаще появляются новообразования в кристаллическом виде. В оболочке новообразований вблизи границы с поверхностью заполнителя (контактной зоне), где возможности роста кристаллов ограничены, преобладают гелеобразные субмикрокристаллические продукты гидратации с повышенной связностью. Поэтому прочность цементного камня в пленочном состоянии выше, чем в объемном, и контактные зоны в бетоне имеют повышенную прочность, что благоприятно сказывается на прочности бетона в целом.

Поскольку бетон является типичным композиционным материалом, то в зависимости от относительного содержания его структурных элементов, которые функционально играют роль упрочняющего и матричного компонентов, получают порфировый, контактный и законтактный типы структур. При порфировой макроструктуре зерна заполнителя разделены толстыми прослойками цементирующего вещества, т.е. для первых характерно «плавающее» расположение в материале. Если зерна заполнителя контактируют через тонкие прослойки цементирующего вещества при сохранении ее непрерывности и сплошности, то такую структуру называют контактной. При непосредственном контакте зерен, когда вяжущего вещества недостаточно для сохранения своей непрерывности и сплошности, говорят о законтактной структуре. С учетом изложенных выше представлений о пленочном и объемном состояниях цементного камня становится очевидным, что оптимальным типом структуры бетона является контактный тип, так как в таком бетоне значительная часть цементирующего вещества находится в пленочном состоянии, что определяет более эффективное использование вяжущего вещества. Законтактный тип структуры характеризуется пониженной прочностью и проницаемостью для агрессивных веществ. Аналогичные типы структур можно выделить и на уровне связующего вещества. С оптимизацией структуры бетона на всех уровнях связано одно из приоритетных направлений развития технологии этого материала.

Свойства тяжелого бетона. Основными свойствами бетона являются прочность, деформативные свойства, водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к химической и другим видам коррозии.

Прочность бетона характеризуют классами по прочности на сжатие, изгиб, растяжение. Основная характеристика прочности тяжелого бетона –это класс по прочности на сжатие, который определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 95 % образцов бетона базового размера (кубов с ребром 15x15x15 см) в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15 – 20 °С, относительная влажность среды 90 – 100 %). Бетоны подразделяют на классы: В 3,5; В 5; В 7,5; В 10; В 12,5; В 15; В 20; В 25; В 30; В 35; В 40; В 45; В 50; В 55; В 60.

На производстве контролируют среднюю прочность бетона на сжатие или марку бетона по прочности на сжатие. Соотношение между классом бетона по прочности на сжатие и его средней прочностью на сжатие выражается уравнением

где В – класс бетона по прочности на сжатие, МПа; R – средняя прочность на сжатие, МПа; 1,64 – значение коэффициента Стьюдента для обеспеченности (уровня доверительной вероятности) 95 %; v – коэффициент вариации прочности бетона на производстве (в долях единицы).

Для перехода от класса бетона к средней прочности, контролируемой на производстве, при нормативном коэффициенте вариации (13,5 %) используют формулу R = В / 0,778. Например, для класса В 5 получим среднюю прочность 6,43 МПа, а для класса В 40 – 51,4 МПа.

Средняя прочность бетона на сжатие на производстве характеризуется марками по прочности на сжатие (в десятых долях МПа) – М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600 и выше.

Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог и аэродромов, устанавливаются классы и марки бетона по прочности при изгибе.

Прочность бетона зависит в основном от прочности (активности) цемента, качества заполнителей, водоцементного отношения В/Ц, времени и условий твердения. Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента, улучшением качества заполнителей, уменьшением водоцементного отношения.

Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры цементного камня и бетона и отражает по существу зависимость прочности бетона от его пористости. Указанная зависимость выполняется лишь в определенных пределах. При очень низких В/Ц не удается получить удобоукладываемые бетонные смеси и их уплотнить, поэтому с уменьшением В/Ц ниже определенного предела, зависящего от эффективности уплотнения смеси, прочность бетона резко падает. Для определения состава бетона применяют зависимость прочности бетона от цементно-водного отношения Ц/В (обратной величины В/Ц), которая для уплотненных смесей в определенном диапазоне изменения Ц/В является прямолинейной.

Путем обобщения опытных данных получены две эмпирические формулы, отражающие зависимости прочности бетона от указанных выше факторов:

а) для обычного бетона при В/Ц ³ 0,4 (Ц/В£2,5)

;

б) высокопрочного бетона при В/Ц 2,5)

где – прочность бетона в возрасте 28 суток после твердения при нормальных условиях, МПа; А и А₁ – коэффициенты, зависящие от качества заполнителей; – активность цемента, МПа.

Со временем при благоприятных условиях твердения прочность бетона растет. Для ее ориентировочного определения в разном возрасте бетона используют формулу

где , – пределы прочности бетона на сжатие в возрасте п и 28 суток.

Эта формула дает удовлетворительные результаты при п > 3 суток для бетонов, приготовленных на рядовых портландцементах и твердеющих при температуре 15 – 20 °С во влажной среде.

Высыхание бетона приводит к прекращению твердения, поэтому для набора его прочности требуется достаточная влажность окружающей среды (или принятие мер по предотвращению испарения влаги из бетона). При понижении температуры окружающей среды прочность бетона нарастает медленнее, чем при нормальной. При замерзании бетона его твердение прекращается, при этом замерзание в раннем возрасте вызывает резкое снижение прочности после оттаивания, что недопустимо. Повышение температуры среды по сравнению с нормальной активизирует взаимодействие цемента с водой и рост прочности бетона. На этом основан способ ускорения твердения бетона с помощью тепловой обработки при условии сохранения влажности окружающей среды.

Среди деформативных свойств бетона выделяют усадку, деформации при кратковременном и длительном (ползучесть) нагружениях, температурные деформации. Усадка бетона – это уменьшение его объема за счет действия капиллярных и молекулярных сил, проявляющееся со временем при недостаточной влажности среды, способствующей высыханию бетона. При твердении в воде или во влажных условиях усадка резко уменьшается. Быстрое высыхание бетона, особенно в раннем возрасте, приводит к значительной и неравномерной усадке, что вызывает появление усадочных трещин и ухудшение всех качественных показателей материала.

Водонепроницаемость бетона зависит от его пористости и ее характера. Бетон мелкопористой структуры, тщательно уплотненный и затвердевший, обладает определенной водонепроницаемостью в слоях достаточной толщины. Для бетонов конструкций, к которым предъявляются требования ограничения проницаемости или повышенной плотности и коррозионной стойкости, назначают марки по водонепроницаемости. Марки тяжелого бетона по водонепроницаемости: W 2; W 4; W 6; W 8; W 10; W 12; W 16; W 18; W 20. Эта характеристика определяется специальными испытаниями и показывает, до какого давления воды (в десятых долях МПа) бетон является для нее непроницаемым.

Морозостойкость бетона зависит от его структуры и прежде всего количества капиллярных открытых пор. Капиллярная пористость бетона уменьшается, а его морозостойкость увеличивается при меньших значениях В/Ц и достаточном сроке твердения. Для бетонов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации попеременному замораживанию и оттаиванию, назначают марки по морозостойкости: F 50; F 75; F 100; F 150; F 200; F 300; F 400; F 500; F 600; F 800; F 1000.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

В настоящее время в строительстве применяется много различных видов бетонов. Но для выполнения несущих конструкций зданий и сооружений наиболее широко используется тяжёлый бетон на цементном вяжущем и крупном плотном заполнителе из песчаника, гранита, диабаза и т. п. материалов со средней плотностью в пределах 2200 3 . Его свойства и рассматриваются ниже.

Структура бетона оказывает большое влияние на его прочность и деформативность. Чтобы уяснить это, вспомним схему физико-химического процесса получения бетона.

Для приготовления бетона берут в определённых пропорциях заполнители (песок, щебень или гравий), вяжущее (цемент) и воду. Кроме того, для придания бетону различных свойств (например, морозостойкости) дополнительно в небольших количествах могут вводиться различные добавки. Смесь заполнителей и вяжущего заливают водой. После затворения этой смеси начинается химическое взаимодействие между частицами цемента и водой (гидратация) в результате чего образуется цементное тесто. При перемешивании такой смеси цементное тесто обволакивает зёрна заполнителей и, постепенно затвердевая, превращает всю массу в монолитное твёрдое тело, способное нести нагрузку.

Следовательно, бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал. Следует обратить внимание на то, что даже сам затвердевший цементный раствор (цементный камень) имеет также неоднородную структуру и состоит из упругого кристаллического сростка, растущего с течением времени, и наполняющей его вязкой студенистой массы (геля), количество которой постепенно уменьшается.

Таким образом, структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня (включающего кристаллический сросток, гель и большое количество пор и капилляров, содержащих воздух, водяной пар и воду), в котором хаотично расположены зёрна песка и щебня (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Структура бетона: 1 — цементный камень; 2 — щебень; 3 — песок; 4 — поры, заполненные воздухом и водой

Процесс твердения бетона при благоприятных температурно-влажностных условиях может длиться годами и носит затухающий характер. Этот процесс является экзотермическим, т. е. он идёт с выделением большого количества тепла.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С — отношение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и твердения цементного камня необходимо, чтобы W/C ≥ 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси приходится принимать W/C = 0,35. 0,7, т. е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё порами или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона примерно 25. 40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60. 80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3. 0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Процессы постепенного уменьшения объёма геля, кристаллообразования, испарения избыточной воды, происходящие в бетоне в течение длительного времени, обусловливают ряд его специфических свойств: изменение его прочности во времени, усадку, ползучесть.

источник

Виды бетона и предъявляемые к нему требования

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕТОНА

1. Виды бетона и предъявляемые к нему требования.

2. Структура (строение) бетона.

3. Усадка бетона и начальные напряжения

7. Модуль деформаций бетона

Бетон искусственный камневидный материал получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего, воды и заполнителей.

Бетон как материал для железобетонных конструкций должен обладать определёнными, наперёд заданными физико-механическими свойствами: прочностными, деформативными и физическими свойствами.

хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью (непроницаемостью) для защиты арматуры от коррозии и др. Деформативность бетона не должна быть слишком большой.

Под прочностными свойствами бетона понимают нормативные и расчетные характеристики при сжатии и растяжении, сцепление бетона с арматурой.

Под деформативными свойствами понимают сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой, ползучесть и усадку, набухание и температурные деформации.

К физическим свойствам относят водонепроницаемость, морозо- и жаростойкость, коррозионную стойкость, огнестойкость, тепло- и звукопроводность и т.п.

Для изготовления бетонных и железобетонных конструкций предусмотрены следующие виды бетонов:

— тяжёлый средней плотности свыше 2200 до 2500 кг/м 3 (на плотных заполнителях);

— мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м 3 (на мелких заполнителях);

— лёгкий плотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях);

— ячеистый автоклавного и неавтоклавного твердения и др.

В качестве плотных заполнителей применяют щебень из дроблёных горных пород (песчаника, гранита, диабаза и др.) и кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть естественными (перлит, пемза, ракушечник) или искусственными (керамзит, шлак и т. п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон и т. д.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С — отношение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и твердения цементного камня необходимо, чтобы W/C ≥ 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси приходится принимать W/C = 0,35. 0,7, т. е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё порами или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона примерно 25. 40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60. 80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3. 0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

источник

Условия твердения, вид и качество минерального вяжущего, заполнителей, воды и добавок предопределяют структуру и свойства бетона. Образование этого искусственного каменного монолитного материала происходит за счет сцепления цементного камня с зернами заполнителя. Прочность полученного контактного слоя зависит от пористости заполнителя и его способности к химическому взаимодействию с вяжущим веществом. Следовательно, бетон состоит из цементного камня, зерен заполнителя, контактного слоя между ними и пор: воздушно-замкнутых, образованных за счет вовлечения воздуха в бетонную смесь при перемешивании, и капиллярно-открытых, полученных в результате испарения воды, не участвующей в гидратации.

Различают макро- и микроструктуру бетона. Макроструктуру оценивают визуально или при небольшом увеличении. Элементами структуры являются крупный заполнитель, песок, цементный камень, поры различного характера.

Микроструктуру, которая включает непрореагировавшие зерна цемента, кристаллические новообразования, микропоры различного размера, изучают при большом увеличении под микроскопом (до 30000 раз). Свойства бетона в большей степени зависят от состава и микроструктуры цементного камня, а также от состава и строения контактного слоя. Свойства цементного камня определяются степенью гидратации минерального вяжущего, прочностью и долговечностью образованных кристаллических продуктов, наличием и размером микропор. Установлено, что пористость тяжелого бетона на плотном заполнителе обусловлена в основном пористостью цементного камня

П_общ = ,

где П_общ – общая пористость цементного камня, %; В – расход воды на 1 м 3 бетона; а – степень гидратации цемента, определяемая химическим методом; Ц – расход цемента на 1 м 3 бетона.

В зависимости от механизма образования поры цементного камня подразделяют на поры геля (0,001 – 0,001 мкм), контракционные (0,01 – 0,1 мкм) и капиллярные (более 0,1 мкм). Наиболее опасны открытые капиллярные поры, доступные для воды при обычных условиях водонасыщения и фильтрации под давлением. Наличие капиллярных пор снижает морозостойкость, водонепроницаемость, долговечность бетона.

Монолитность, проницаемость и стойкость бетона в значительной степени определяются качеством контактного слоя между заполнителем и цементным камнем. От его ширины, плотности и прочности зависит, будет ли бетон работать как единое целое. На ширину контактного слоя, которая составляет 30 – 180 мкм, влияют следующие факторы: пористость и шероховатость поверхности заполнителя, его химический состав, вид и активность цемента, водосодержание смеси и условия твердения бетона. Тепловая обработка, как правило, увеличивает в 2 – 3 раза ширину контактного слоя, который по своему составу и свойствам отличается от цементного камня в объеме. Это связано с тем, что заполнитель, как правило, не является инертным компонентом бетона, а взаимодействует с цементным камнем, образуя новые кристаллические соединения. Пористые заполнители вследствие проникновения цементного теста в поры зерен обладают большей прочностью сцепления с цементным камнем, чем плотные. Состав, структура, прочность цементного камня и контактного слоя предопределяют основные эксплуатационные свойства бетона.

К основным эксплуатационным свойствам бетона, обеспечивающим долговечность его службы в конструкции, относятся прочность, деформативность, проницаемость, морозо- и коррозионная стойкость.

Прочность – способность материала воспринимать действие нагрузок без разрушений. Бетон представляет собой хрупкий искусственный композиционный каменный материал, поэтому на сжатие он работает в 10 – 20 раз лучше, чем на изгиб. Как правило, строительные конструкции эксплуатируют в сложных условиях нагружения, когда сжимающие нагрузки сочетаются с изгибающими и растягивающими (балки, фермы), поэтому при проектировании нагрузки распределяют и рассчитывают таким образом, чтобы сжимающие воспринимал бетон, а изгибающие и растягивающие — арматура. В связи со спецификой бетона, этого прочного, относительно хрупкого конструкционного материала, его основной характеристикой является прочность на сжатие. В зависимости от конкретных условий эксплуатации конструкции дополнительно проводят испытания на осевое растяжение при изгибе и раскалывании. Контроль прочности бетона проводят разрушающими методами с использованием специально отформованных контрольных образцов или полученных выпиливанием (выбуриванием) из бетона конструкций, а также неразрушающими – непосредственно в изделиях. Контрольные образцы изготавливают из бетонной смеси формуемой конструкции и направляют вместе с ней на твердение в естественных условиях, пропарочную камеру или автоклав. Проектную марку и класс бетона определяют на образцах кубах, выдержанных 28 суток при влажности более 95 % и температуре 20  5 о С (ГОСТ 18105-86).

Контроль прочности бетона в эксплуатируемых зданиях и сооружениях проводят на образцах правильной формы, выбуренных или выпиленных из конструкции (ГОСТ 28570-90). Для определения прочности на сжатие и растяжение при раскалывании используют образцы кубы и цилиндры, осевое растяжение – призмы квадратного сечения и цилиндры, а при изгибе – призмы квадратного сечения.

В зависимости от максимального размера крупного заполнителя (от 20 до 100 мм) наименьший размер образца (ребра куба, стороны сечения призмы или диаметра цилиндра) может изменяться от 100 до 300 мм. За базовый при всех видах испытаний следует принимать образец с размером рабочего сечения 150х150 мм.

Для приведения прочности бетона образцов других размеров к базовому используют масштабные коэффициенты.

Прочность бетона рассчитывают по следующим формулам (ГОСТ 10180-90):

на сжатие ;

на осевое растяжение ;

на растяжение при раскалывании ;

на растяжение при изгибе ,

где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); А – площадь рабочего сечения образца, мм 2 (см 2 ); a, b, l – соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами при изгибе, м (см); , , ,  – масштабные коэффициенты; K_W – поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Методы контроля прочности путем испытания бетонных образцов, изготавливаемых отдельно от конструкции, имеют существенные недостатки. К ним, в частности, относятся:

Условия укладки, уплотнения и твердения бетона в образцах и сооружениях или конструкциях различны.

Так как объем испытываемых образцов в 1000 – 10000 раз меньше объема бетонируемой конструкции, то надежность контроля невелика.

Применяемые методы не позволяют оценить однородность бетона в конструкции.

При испытании образцов нельзя проконтролировать изменения прочности, происходящие в процессе эксплуатации конструкции.

Непосредственно в изделиях и сооружениях контроль прочности бетона проводят с использованием механических и физических неразрушающих методов испытаний.

Механические основаны на вдавливании штампа в бетонную поверхность под действием удара, который наносят либо с помощью специальной пружины, либо выстрела или вручную специальным молотком. По диаметру отпечатка на бетонной поверхности, используя тарировочные кривые, определяют прочность бетона (ГОСТ 28570-90, ГОСТ 22690-88). Этот метод целесообразно использовать при оценке качества эксплуатируемого бетона в неармированных и малоармированных конструкциях дорожных и аэродромных покрытий, фундаментах, гидротехнических сооружениях, а также при периодическом контроле прочности железобетонных конструкций на заводе-изготовителе.

К физическим методам относятся: резонансный, импульсный, радиометрический и метод волнового удара. Для контроля нарастания прочности бетона в условиях тепловой обработки используют электрический метод измерения электросопротивления. Для контроля интенсивности твердения бетона в конструкции, а также при проведении исследовательских работ по изучению морозо- и коррозионной стойкости, влияния добавок и технологии производства на прочность бетона используют импульсный ультразвуковой метод (ГОСТ 17624-87). Он основан на фиксировании скорости прохождения ультразвука с частотой более 20 кГц через бетон. По скорости ультразвука, замеряемой специальным прибором, и тарировочной кривой определяют прочность бетона. Тарировочные кривые строят на основании большого объема данных, полученных разрушающим и неразрушающим методами контроля. В зависимости от способа изготовления конструкции прочность контролируют так: для сборных – при отпуске их потребителю и марочную, монолитных – в промежуточном возрасте 1, 3, 7 суток при работе с быстротвердеющими цементами и добавками – ускорителями твердения и проектную в 28 суток естественного твердения, равную классу (В) или марке (М) (ГОСТ 10180-90, СТ СЭВ 3978-83, ГОСТ 18105-86, СТ СЭВ 2046-79).

При возведении массивных монолитных сооружений на медленно твердеющих цементах – пуццолановом и шлакопортдандцементе контроль прочности проводят в 60, 90 и 180 суток.

Класс бетона (В) отличается от марки (М) тем, что в первом случае показатель прочности принимают с гарантированной обеспеченностью 0,95, в то время как марка бетона представляет собой среднее арифметическое трех экспериментально полученных величин, имеющих определенные допустимые отклонения от среднего показателя. Между классом бетона и его средней прочностью – маркой имеется следующая зависимость

В = ,

где В – класс бетона по прочности, МПа; – средняя прочность бетона в проектном возрасте (как правило, 28 суток естественного твердения), МПа;

V_m – коэффициент вариации прочности бетона; t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона.

При обеспеченности класса бетона 95 % коэффициент t = 1,64. Для бетонов согласно СТБ 1310-2002 установлены следующие классы:

по прочности на сжатие от В0,35 до В105;

по прочности на осевое растяжение от В_t 0,4 до В_t 4,8;

по прочности на растяжение при изгибе от В_t 0,4 до В_t 8,0.

При значении класса по прочности В45 и выше бетоны называют высокопрочными.

На основании установленных зависимостей прочности бетона от качества применяемых материалов и пористости цементного камня выведен основной закон прочности (уравнение Скрамтаева – Баломея)

где R_Б – средняя прочность бетона в проектном возрасте (марка), Па (кгс/см 2 ); качество вяжущего определяется его маркой R_ц – активностью, Па (кгс/см 2 ), заполнителя – коэффициентом (А), изменяющимся в пределах 0,37 – 0,65 и Ц/В характеризует фактически объем открытых, капиллярных пор – структуру бетона.

Формула расчета в зависимости от Ц/В и проектируемой марки бетона приобретает следующий вид. Для бетонов низких и средник марок (М200 – М4ОО) с Ц/В = 1,4 – 2,5; R_б = А R_ц(Ц/В – 0,5) для высокомарочных бетонов с Ц/В > 2,5; R_б = А, R_ц (Ц/В + 0,5), при значении коэффициента А = 0,37 – 0,50 и А₁ = 0,51 – 0,65.

Чем выше активность цемента, тем более высокую марку (класс) бетона при равном расходе компонентов можно получить. Соотношение между классом бетона и маркой используемого цемента представлено в табл. 6.3.

Зависимость марки цемента от проектируемого класса бетона

Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значительному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повышенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая капиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций из него. Поэтому максимальная норма расхода ограничена 600 кг/м 3 бетона.

Использование высокомарочных цементов в бетоне низких марок, с одной стороны, не позволяет полностью использовать их активность, с другой – расход цемента, рассчитанный по формуле, настолько мал, что полученного цементного теста не хватает для обволакивания и скрепления зерен заполнителя, получения однородной удобоукладываемой смеси. В связи с этим минимальный расход составляет для бетонных конструкций 180 кг/м 3 , железобетонных – 220 кг/м 3 .

Большое влияние на прочность бетона оказывает качество применяемых заполнителей. Так, недостаточная прочность заполнителя, повышенное содержание слабых включений (лещадных, игловатых), увеличение объема пылевидных и глинистых частиц, низкий модуль крупности песка приводят не только к перерасходу воды и цемента, но и к снижению прочности бетона в целом. Поэтому для получения бетонов высоких марок необходимо применять крупноразмерный многофракционный щебень, марка которого в 2 раза превышает марку проектируемого бетона, обладающего за счет шероховатости поверхности повышенной прочностью сцепления с цементным камнем. Для бетонов марки МЗОО и выше эффективно использовать средние и крупные пески с пониженной водопотребностью. Жесткие требования предъявляют по ограничению содержания пылевидных, илистых и глинистых частиц, уменьшающих прочность сцепления заполнителей с цементным камнем и требующих для получения заданной удобоукладываемости повышенного расхода воды. Высокая водопотребность приводит к формированию дефектной структуры бетона, снижению его долговечности. Таким образом, высокомарочные бетоны можно получить, используя комплекс технологических приемов. Основными из них являются следующие: максимальное снижение водоцементного отношения с одновременным введением пластификаторов и суперпластификаторов, применение эффективных способов уплотнения бетонной смеси в формах, использование высокомарочных цементов и мытых фракционированных заполнителей высоких марок.

Если рассмотреть в общем виде работу строительной конструкции, например, простейшей балки, то можно сделать вывод, что в процессе эксплуатации она воспринимает как сжимающие напряжения в верхних слоях бетона, так и растягивающие в нижних. Следовательно, выполнение этой конструкции только из высокомарочного бетона не обеспечит ее надежную работу в целом, т.к. в нижней зоне бетона начнется процесс трещинообразования. Для компенсации этих напряжений и создания условий долговременной эксплуатации конструкции в растягиваемую зону бетона при изготовлении конструкций и изделий вводят стальную или стеклопластиковую арматуру – в случае изготовления специальных кислотостойких бетонов. Бетон и арматура вследствие высокой прочности сцепления обеспечивают монолитность конструкции и ее работу как единого целостного материала. Защиту стальной арматуры от коррозии при действии окружающей среды обеспечивает защитный слой бетона, который должен быть не менее 2 – 3 см. Так как бетон является относительно пористым материалом, пропускающим влагу, то его основное защитное действие по отношению к металлу арматуры определяется не надежной изоляцией от внешних воздействий, а содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи – гидроксида кальция, продукта гидратации алита, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации в результате фильтрации воды или взаимодействия с агрессивными средами приводит сталь в неустойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объемных продуктов взаимодействия (ржавчины) на поверхности контакта сталь – бетон. Возникает отслоение защитного слоя бетона и, как следствие, разрушение конструкции в целом.

С целью повышения сопротивляемости искусственного камня растягивающим и изгибающим напряжениям применяют также дисперсное армирование, представляющее собой равномерное распределение по всему объему эластичных, коротких (10 – 50 мм), тонких (0,1 – 0,5 мм) волокон-фибр, которые могут быть стеклянными, металлическими, базальтовыми, полимерными. Фибробетон – так называют этот материал – обладает также повышенной прочностью на удар и истирание.

Деформативные свойства бетона зависят от его структуры, состава, свойств составляющих, условий твердения бетона и эксплуатации конструкций. Деформации в бетоне условно можно разделить на собственные, механические и температурные. Собственные деформации наблюдаются в бетоне при твердении и изменении его влажности. Уменьшение объема затвердевшего бетона происходит в результате испарения воды и химического взаимодействия минералов цемента с водой, т.к. кристаллические продукты гидратации занимают меньший объем, чем сумма объемов веществ, вступающих в реакцию (контракционная усадка). Вследствие взаимодействия в поверхностных слоях бетона гидроксида кальция, продукта гидратации трехкальциевого силиката, с углекислым газом воздуха в порах бетона образуется крупнокристаллический карбонат кальция, вызывающий карбонизационную усадку. Влажностные изменения могут сопровождаться расширением цементного камня при насыщении водой и усадкой – в результате ее испарения.

Контракционная и карбонизационная деформации увеличиваются с повышением содержания цемента и воды в бетонной смеси, при применении высокоактивных цементов, гидратация которых проходит в более короткие сроки с большим тепловыделением.

Определяющее влияние на величину контракционной усадки оказывают условия твердения бетона. Снижение влажности окружающей среды менее 90 % в первые сутки твердения вызывает появление поверхностных микротрещин, ухудшающих эксплуатационные свойства бетона. Деформации можно уменьшить за счет обеспечения нормальных температурно-влажностных условий твердения бетона в первые 7 суток при получении монолитных конструкций на строительной площадке или соблюдения режимов ТВО особенно в период предварительной выдержки, подъема температуры и остывания бетона при изготовлении сборных конструкций. Влажностные деформации зависят от содержания цементного камня в бетоне, так как именно он при насыщении водой склонен к набуханию в отличие от жесткого плотного заполнителя и последующей усадке при ее испарении. Для повышения трещиностойкости бетона в конструкциях эффективна их пропитка на определенную глубину высокомолекулярными горячими смолами в специальных герметичных камерах под давлением (получение бетонополимерных конструкций) и применение дисперсного армирования. В первом случае заполнение капиллярных пор полимерным пластичным материалом по отношению к хрупкому искусственному камню позволяет поверхностному слою бетона воспринимать собственные деформации без нарушения его целостности; во втором – изгибающие и растягивающие напряжения берет на себя равномерно распределенная по всему объему бетона эластичная дисперсная арматура.

В зависимости от длительности действия нагрузки бетон ведет себя по-разному. При небольшом кратковременном нагружении он проявляет свойства упругого тела. Если напряжение превосходит 0,2 предела прочности на сжатие, то наблюдаются остаточные пластические деформации, связанные с появлением микротрещин как в самом цементном камне, так и в контактном слое. На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды. Чем меньше скорость подачи нагрузки, тем больше деформации в бетоне, увеличение деформаций на 10 % наблюдается при испытании горячего бетона и бетона в водонасыщенном состоянии. С уменьшением размера образцов вследствие повышения их однородности снижается скорость нарастания деформаций, поэтому при испытании в этом случае вводят поправочные коэффициенты, величина которых меньше единицы.

Длительное действие нагрузки, постоянной по величине и направлению, вызывает в бетоне увеличивающиеся деформации, которые затухают только через несколько лет эксплуатации конструкции. Это явление называется ползучестью. Основная причина ползучести объясняется пластическими свойствами цементного камня в начальные сроки твердения, когда он еще не полностью закристаллизовался, не приобрел достаточной прочности и жесткости. Поэтому ползучесть увеличивается при повышении расхода цемента, водоцементного отношения, уменьшении крупности заполнителя и повышении его деформативности (легкий заполнитель). Снизить ползучесть бетона можно путем ограничения расхода цемента и увеличения объема крупного плотного заполнителя в составе бетонной смеси. С увеличением времени твердения бетона процесс этот стабилизируется.

Температурные деформации в бетоне возникают вследствие разных коэффициентов температурного расширения его составляющих. Температура от 0 до 50 °С не вызывает значительных деформаций в сухом бетоне. Колебания температуры особенно при наличии влаги в порах приводят к микроразрушениям. Рост деформаций связан при отрицательной температуре с льдообразованием, сопровождающимся увеличением объема льда по отношению к замерзающей воде, и переходом воды в пар с увеличением объема последнего при нагревании. В первом случае используют технологические приемы по повышению морозостойкости бетона: увеличение плотности, создание микропористой замкнутой структуры. Во втором, касающемся в большей степени технологии получения сборного железобетона с использованием термообработки, – применение мягких режимов с медленным нарастанием и снижением температуры. Для уменьшения температурных деформаций в бетонных конструкциях с большим модулем поверхности устраивают температурные швы, которые заполняют герметизирующими упругими прокладками или мастиками, воспринимающими и гасящими возникающие деформации.

Для таких изделий, как напорные железобетонные трубы, емкости для хранения жидких продуктов, а также гидротехнических сооружений – дамб, мостов, условия эксплуатации которых связаны с односторонним действием жидкостей под давлением, проницаемость является важнейшим свойством бетона. Основное влияние на проницаемость оказывают показатели структуры: общий объем пор, содержание замкнутых и капиллярных пор, их форма и размер. Чем больше возраст бетона, тем проницаемость ниже, так как образующиеся в процессе гидратации кристаллические продукты заполняют пустоты и поры, повышая его плотность (см. рис. 6.6). Водоотделение и недоуплотнение бетонной смеси, появление микротрещин вследствие усадки бетона при действии нагрузки, попеременного увлажнения с последующим замораживанием или высыханием могут существенно снизить непроницаемость бетона. Свойство это оценивают по коэффициенту фильтрации, который равен количеству воды, прошедшей через бетон толщиной 1 м, площадью в 1 м 2 в течение одного часа при постоянном перепаде давления

где V_B – количество прошедшей воды, м 3 ; S – площадь поверхности, м 2 ; t – время, ч; (р₁ – р₂) – перепад давления, Па.

В строительстве проницаемость бетонов оценивают маркой по водонепроницаемости W2, W4…W20 (ГОСТ 12730). Цифры обозначают наибольшее давление в Па, при котором бетон не фильтрует воду. Повысить водонепроницаемость бетона можно за счет подбора состава заполнителей, обеспечивающих их плотную упаковку с минимальным объемом пустот, заполняемых для обеспечения монолитности цементным тестом; сокращения расхода воды в сочетании с применением добавок пластификаторов, суперпластификаторов и интенсивным способом уплотнения бетонной смеси; использования расширяющегося цемента и уплотняющих добавок; пропитки и защиты бетонной поверхности полимерными составами.

Способность бетона сохранять свою прочность при попеременном замораживании и оттаивании в воде называют морозостойкостью (ГОСТ 10060). Это свойство оценивают маркой F15, F25. F1000, в которой цифры показывают количество циклов замораживания при температуре минус 16 °С и оттаивания в воде при плюс 18  2 °С без снижения прочности на сжатие более 5 % и потери массы более 3 %. Время выдерживания в воде и на морозе примерно одинаково, зависит от размеров испытываемых образцов и составляет от 2,5 до 5 часов. Основными причинами, вызывающими разрушение бетона, являются давление замерзающей и увеличивающейся в объеме воды на стенки пор и микротрещин, а также различные коэффициенты температурного расширения цементного камня, заполнителей и льда. Повторяемость замерзания и оттаивания приводит к постепенному разупрочнению структуры бетона, его разрушению и оголению арматуры в железобетонных конструкциях. Сначала начинают крошиться углы и выступающие грани изделий, концентрирующие напряжения, затем поверхностные слои покрываются сетью волосяных трещин и постепенно разрушение распространяется по всему объему материала. Испытания бетона на морозостойкость проводят на образцах кубах. Недостаток стандартных базовых испытаний (ГОСТ 10060.1-95), методика которых была в основном разработана профессором Н.А. Белелюбским в 1887 г., – их длительность. В настоящее время применяют ускоренные методы (ГОСТ 10060.2-95, ГОСТ 10060.4-95), которые можно классифицировать следующим образом:

Методы, основанные на ускорении развития деструктивных процессов в бетоне за счет использования вместо воды раствора сульфата и хлорида натрия или путем замораживания водонасыщенных образцов при температуре минус 50 °С. Ускорение разрушения в первом случае достигается за счет дополнительного образования при замораживании кристаллов соли и увеличения за счет этого суммарного кристаллического давления. Во втором случае вода дополнительно замерзает в микропорах, увеличивая тем самым общее напряжение в бетоне.

Расчетные методы, основанные на взаимосвязи между показателями структуры бетона и его морозостойкостью.

Белорусскими учеными под руководством проф. Н.П. Блещика на основании результатов исследований была установлена взаимосвязь межу морозостойкостью бетона и температурными деформациями цементного камня в первый цикл замораживания-оттаивания. По величине деформаций, замеряемых специальным индикатором, рассчитывают деформационный критерий морозостойкости, который является основной экспериментальной величиной в эмпирической формуле. Проведенные сравнительные испытания по основному (базовому) циклическому методу и разработанному структурно-механическому по деформационному критерию показали хорошую сходимость результатов, ускорив определение морозостойкости в 20 раз, значительно сократив при этом энерго- и трудозатраты. Основы метода заложены в разработанный стандарт РБ «Бетоны. Ускоренный структурно-механический метод определения морозостойкости при однократном замораживании и оттаивании».

Контроль морозостойкости экспресс-методом особенно важен для таких изделий и конструкций, как наружные стены, покрытия дорог и аэродромов, тротуарные плиты, бордюрные элементы, стойки систем наружного освещения и линий электропередач, у которых морозостойкость является основным фактором долговечности.

Повысить морозостойкость можно или за счет повышения его плотности и снижения объема открытых капиллярных пор, или путем увеличения замкнутых воздухонаполненных резервных пор до 4 – 6 %, которые гасят возникающее при замерзании воды давление льда (рис. 6.10). Для повышения объема закрытых пор применяют воздухововлекающие добавки, пенящую способность которых используют при перемешивании бетонной смеси. В качестве добавки этого типа наиболее широкое применение нашла смола нейтрализованная воздухововлекающая (СНВ), получаемая из древесной смолы, которую вводят в бетон в количестве 0,01 – 0,03 % от массы цемента. С этой целью могут быть использованы также побочные продукты нефтеперерабатывающей промышленности.

Рис. 6.10. Влияние воздухововлечения на морозостойкость бетона в условиях попеременного замораживания-оттаивания: N – число циклов [1]

От состава и характера структуры бетона зависит его коррозионная стойкость, так как чем больше пористость материала, тем глубже проникают жидкие и газообразные агрессивные среды, вызывая серьезные разрушения в бетоне, приводящие к потере несущей способности конструкции. При твердении и эксплуатации в бетоне протекают как процессы, повышающие его прочность, – гидратация цемента, так и снижающие ее в результате перекристаллизации и разрушения уже образованных соединений. С учетом временного фактора была спрогнозирована прочность бетона в 100-летнем возрасте (рис. 6.11). Из графика видно, что твердение бетона после достижения им марки в условиях действия агрессивных сред разной степени активности приводит к снижению прочности уже в год эксплуатации, к десяти годам этот процесс интенсифицируется, и в возрасте 100 лет бетон фактически теряет свои конструктивные свойства [15].

Рис. 6.11. Кривые долговечности бетона:

1 – во влажной среде; 2 – в воздушной среде; 3, 4, 5 – в коррозионной среде различной интенсивности [15]

Агрессивные среды могут быть жидкими, газообразными и твердыми. Степень агрессивности по отношению к бетонным конструкциям для жидких сред определяется наличием и концентрацией агрессивных веществ, температурой, величиной напора или скоростью движения жидкости по отношению к бетонной поверхности; для газовых сред – концентрацией газов, растворимостью их в воде, влажностью и температурой окружающей среды. К твердым агрессивным средам относятся химические удобрения, гербициды, краски. Коррозионные процессы в твердых средах не происходят, поэтому опасность по отношению к конструкциям порошкообразных веществ определяется степенью их увлажнения, растворимостью и зависит от влажности воздуха в помещении. Агрессивность воздействия на бетон оценивают специальными нормами по антикоррозионной защите строительных конструкций (СНиП 2.03.11-85). В зависимости от глубины разрушения бетона при коррозии различают слабо-, средне- и сильноагрессивные среды (табл. 6.4).

Допустимая глубина (см) разрушения бетона

за 50 лет эксплуатации конструкции

Глубина коррозии (см) в зависимости от вида конструкции

источник

12 Июл 2019 admin 14