Основные физико-механические свойства бетона и арматуры

Бетон — это востребованный строительный материал, получаемый в процессе затвердевания компонентной смеси. Физико-механические свойства бетона зависят от заложенной рецептуры, технологии изготовления и напряженного состояния конструкций. Проверка бетона перед использованием позволяет определить его характеристики и избежать разрушений при дальнейшей эксплуатации.

Объемный вес

В зависимости от величины объемного веса различают бетоны

• тяжелые (2 200—2 400 кг/м3) и легкие (1 200—1 800 кг/м3).
• ячеистые бетоны имеют объемный вес от 300 до 1 000 кг/м3.

В зависимости от величины объемного веса бетоны являются теплопроводными («холодными») или малотеплопроводными («теплыми»). Чем больше объемный вес, тем бетон теплопроводней. т. е. «холодней».

Растворы разделяются по виду заполнителя. При применении тяжелого заполнителя, например песка, раствор получается тяжелым, т. е. «холодным», а при легком заполнителе (котельные или металлургические шлаки, легкие горные породы — трепел, пемза, туф) — легким, т. е. «теплым».

Истираемость

Истираемость – потеря массы в результате истирающих воздействий. Ее устанавливают по методикам измерений, описанным в ГОСТ 13087-2018. Бетоны по истираемости имеют три марки:

• G1: низкая истираемость. Подходит для использования в условиях интенсивного движения, например, для покрытия магистралей или аэродромов.
• G2: средняя истираемость. Применяют для создания лестниц или плит бетонных полов.
• G3: высокая истираемость. Все остальные условия.

Марка бетона

Марка бетона или раствора означает величину разрушающей нагрузки в килограммах, приходящейся на 1 см2 площади поперечного сечения испытываемого на сжатие стандартного образца (куба), изготовленного из данного бетона или раствора, и выражается в кг/см2. Для характеристики бетонов и растворов принимается прочность на сжатие в возрасте 28 дней.
Строительными нормами и правилами предусматриваются следующие марки:

• тяжелых бетонов — 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200. 300, 400, 500 и 600 кг/см2
• легких бетонов — 10, 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150 и 200 кг/см2
• растворов — 0, 2, 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200 кг/см2.

Марка раствора 0 установлена для определения прочности кладки на свежем, еще не окрепшем растворе и на свежеоттаявшем растворе при производстве кладки методом замораживания. Марки растворов 150 и 200 применяются для гидротехнических и лругих специальных работ.

Бетоны и растворы плохо сопротивляются растягивающим усилиям. Прочность бетонов и растворов на сжатие значительно (в 5—10 раз) превосходит их прочность на растяжение.

На прочность бетонов и растворов оказывают влияние:

• а) активность цемента или другого вяжущего; %
• б) качество заполнителей;
• в) количество воды;
• г) условия приготовления и выдерживания бетона;
• д) возраст.

Чем выше активность вяжущего, тем выше прочность бетона.

Большое значение имеют чистота заполнителей, отсутствие в них посторонних примесей (глины, ила и др.). При применении загрязненных заполнителей прочность бетона уменьшается.

В некоторых случаях примеси вызывают изменение объема затвердевшего бетона (например, глины, набухающие от воды) или образование таких соединений с цементом, которые разрушают бетон (например, сернокислые соединения).

Неправильная форма и шероховатая поверхность заполнителя обеспечивают лучшее сцепление его с цементным тестом и поэтому дают более высокую прочность, чем при заполнителях с круглой формой и окатанной поверхностью зерен.

Качество заполнителей характеризуется также крупностью зерен и соотношением между количествами частиц различной крупности (зерновой состав).

Заполнитель, состоящий из зерен одинакового размера, имеет наибольшую пустотность и наименьшую плотность, а состоящий из зерен заполнителя разного размера — наибольшую плотность.

Увеличение пористости (пустотности) влечет за собой уменьшение объемного веса материала и, наоборот, уменьшение пористости приводит к увеличению объемного веса. Например, 1 м3 песка с зернами диаметром 1 мм весит около 1400 кг, а с зернами от 0,15 до 5 мм —1600 — 1 700 кг.

Раствор из цемента и песка с зернами разных размеров имеет большую плотность и прочность.

Кроме того, для изготовления такого раствора требуется меньше вяжущего, так как пустотность его ниже.

На качество бетона или раствора влияет также прочность заполнителя (в куске). Прочность заполнителей из твердых пород должна превышать требуемую прочность бетона не менее чем на 25—50%. Если в качестве заполнителя применяется материал (кирпичный щебень, шлак и т. п.) с низкой прочностью, то прочность бетона будет зависеть в значительной мере не только от марки цемента, а от прочности этих заполнителей.

Количество воды в бетонной смеси или растворе определяется водоцементным отношением (В/Ц), т. е. отношением веса воды к весу цемента. При этом учитывается только свободная (не поглощенная заполнителями) вода. Доказано, что с увеличением водоцементного отношения выше некоторого минимального предела прочность бетона понижается.

Объяснение этого явления заключается в том, что цемент соединяется с водой, составляющей всего 10—20% его веса.

Но если приготовить бетонную смесь с таким водоцементным отношением (в пределах 0,1— 0,2). то такая смесь будет почти сухой, ее трудно будет! хорошо перемешан, и плотно уложить и формы. Поэтому практически при приготовлении бетонных смесей и растворов приходится брать значительно больше воды. В жестких бетонных смесях В/Ц = 0,35—0,45, в пластичных—0,5—0,75.

Взаимодействие цемента с водой в бетоне начинается с поверхности цементных зерен, и только постепенно вода проникает внутрь их. Избыточная вода с течением времени испаряется, оставляя воздушные поры, и цементный камень в бетоне ослабляется. Поэтому прочность бетона (или раствора) будет тем меньше, чем выше пористость цементного камня, т. е. чем больше было взято воды для приготовления бетонной смеси.

В известковых и гипсовых растворах отношение количества воды к весу извести или гипса определяется водоизвестковым и водогипсовым отношением, которые играют сходную с водоцементным отношением роль.

Особое значение для прочности бетона имеют тщательность перемешивания и способ укладки бетонной смеси.

Только при механизированном перемешивании может быть достигнута необходимая однородная чость бетонной смеси. Укладывать ее следует при помощи вибраторов, это повышает прочность бетона на 20—30% по сравнению с бетонами, уложенными ручным способом.

На прочность бетона оказывают влияние так же условия выдерживания свежеуложенного бетона. Наиболее благоприятными являются влажные условия выдерживания при температуре от + 15 до+20°. Снижение температуры твердения бетона сильно замедляет процесс нарастания прочности бетона и раствора. При температуре 0° и ниже твердение бетона и раствора, приготовленных на чистой воде (без добавок солей), прекращается и возобновляется только после оттаивания. При этом происходит некоторая потеря бетоном прочности.

Выше было отмечено, что расчетная прочность бетонов и растворов принимается в возрасте 28 дней. Однако рост прочности бетонов и растворов продолжается и за пределами этого периода, но более замедленными темпами. В ряде случаев приходится предъявлять требования к прочности бетонов и растворов в более раннем возрасте. Примерный рост прочности бетона на портландцементе в зависимости от возраста показан в табл. 1.

Данные этой таблицы относятся к бетону, изготовленному на цементе средней активности, твердеющему в теплой и влажной среде. За 100% принята 28-дневная прочность.

Характеристики прочности

Прочность считается основной характеристикой бетона (измеряется в кгс/м2). И речь, прежде всего, о прочности на растяжение при изгибе. Прочность зависит от многих факторов, но значительную роль играет качество используемых материалов и пропорции. Рассчитывается прочность двумя методами:

1. Разрушающий метод контроля, когда берут высохший кубик бетона, ставят под пресс и сжимают до момента разрушения. Сила, потраченная на разрушение бетонного образца, и есть показатель прочности.
2. Неразрушающий метод. Используется постфактум, то есть при измерении прочностных характеристик уже готовой бетонной конструкции. Прочность измеряют либо молотком Физделя, либо молотком Кашкарова, либо пистолетом ЦНИИСК. Реже применяется методика скалывания ребра бетонной конструкции.

Если рассматривать бетон и его свойства, то первым делом обращают внимание именно на прочность, которая выражается в кгс/м2.

Плотность

Под плотностью бетона понимается степень заполнения всего объема тверды ми веществами (отвердевшим цементным камнем и заполнителями). Часть объема бетона обычно состоит из заполненных воздухом пор, образовавшихся, как было отмечено выше, вследствие испарения воды, находившейся в бетонной смеси. Плотность бетона 0,85 означает, что 85% объема составляют входящие в него материалы, а . 15% — поры (пустоты).
Плотность бетона является одним из его важнейших свойств. От плотности зависят прочность, водонепроницаемость, морозостойкость, а следовательно, и долговечность бетона.

Для получения бетона с высокой плотностью необходимо, чтобы:

• а) в бетонной смеси было возможно меньше воды;
• б) заполнители состояли из зерен разной крупности;
• в) объем песчано-цементного раствора на 10— 15% превышал объем пустот в крупном заполнителе;
• г) было обеспечено хорошее механизированное перемешивание и тщательная укладка смеси.

Основные и второстепенные характеристики бетона

Характеристики бетона условно делят на основные и второстепенные, но многие считают, что все показатели в равной степени важны и необходимы. Характеристики бетона:

1. Прочность (особенно на растяжение при изгибе).
2. Плотность.
3. Усадка.
4. Структура (пористость).
5. Вес.
6. Водостойкость.
7. Морозостойкость и другие характеристики (звукоизоляционные свойства, теплопроводимость, устойчивость к агрессивным веществам, пожароустойчивость и т.д.)

Рассмотрим каждую характеристику бетона отдельно.

Водонепроницаемость

Водонепроницаемость — это свойство бетона не пропускать воду. Требование водонепроницаемости предъявляется к бетонам, которые применяются при строительстве резервуаров и гидротехнических сооружений. Бетонная смесь высокой плотности отвечает требованиям водонепроницаемости.
Абсолютной водонепроницаемости достичь , очень трудно, так как пустоты (поры) в бетоне соединяются в сквозные каналы, через которые вода будет просачиваться. Однако поры малого диаметра создают очень большое сопротивление движению воды, и бетон получается практически водонепроницаемым.

Водостойскость, морозостойкость и прочие характеристики бетона

Водостойкость или водонепроницаемость также считается одним из важных параметров, особенно при строительстве гидротехнических сооружений (бетонирование водных каналов, строительство плотин, пирсов, маяков, тоннелей и т.д.) Определяют уровень водостойкости с помощью теста, схожего с методом определения прочности. Вырезают два кубика бетона, один из них ставят под пресс, а второй помещают в воду, давая ему напитаться влагой, после чего тоже подвергают испытанию под прессом.

Морозостойкость – способность бетона длительное время выдерживать минусовые температуры или их перепады без деформирования и разрушения. На этот параметр частично влияет пористость. Есть и другие параметры, например:

• теплопроводность – свойство передавать тепло;
• звукоизоляционные свойства;
• устойчивость к кислотам и щелочам;
• пожароустойчивость и т.д.

Стоит ли использовать бетон, технические характеристики которого не отвечают значениям и стандартам, прописанным в проектной документации? Конечно же, нет, поэтому для усиления основных и второстепенных характеристик используют специальные добавки.

Морозостойкость

Морозостойкость — это способность материала не разрушаться под действием попеременного действия на него замораживания и оттаивания. Степень морозостойкости бетона измеряется количеством испытаний стандартных образцов-кубов на многократное замораживание и оттаивание.
Испытание проводится следующим образом проверяют все составляющие бетонную смесь материалы на соответствие государственным стандартам, затем из этих материалов приготовляется бетонная смесь заданного состава и из нее формируются шесть образцов-кубов размерами 20X20X20 см каждый. После 26-дневного нормального хранения три куба насыщают в течение двух суток при температуре от +10 до + 20° водой и затем подвергают их попеременному замораживанию (при температуре —15°) к оттаиванию в воде (при температуре от +10 до +15°) по 3 часа столько раз, сколько циклов предусматривается техническими требованиями к данному бетону.

После последнего цикла кубы выдерживают двое суток на воздухе в сухом помещении и испытывают на сжатие. Одновременно испытываются на сжатие оставшиеся три куба, которые не подвергались испытанию. При этом прочность бетона не должна снизиться более чем на 25%, а потеря веса образца не должна превышать 5%.

Такие испытания являются обязательными при возведении бетонных и железобетонных конструкций, эксплуатация которых будет проходить в условиях попеременного увлажнения и замораживания. В зависимости от будущей области применения бетоны испытываются на 10, 15, 25, 35, 50, 150 и 200 циклов замораживания.

Деформируемость бетона. Виды деформаций

В бетоне есть два основных типа деформации:

• объемные, развивающиеся во всех направлениях под действием усадки, перепадов температуры и влажности
• сила, развивающаяся преимущественно по направлению действия сил. Некоторые поперечные деформации соответствуют силовым продольным деформациям; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v = 0,2 (коэффициент Пуассона).

Бетон характеризуется нелинейной деформацией. Начиная с малых напряжений, в нем, помимо упругих деформаций, развиваются неупругие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и продолжительности ее действия делятся на три типа: при однократном нагружении с кратковременной нагрузкой; длительное действие нагрузки; повторяющееся действие нагрузки.

Свойства бетона, характеризующиеся увеличением неупругих деформаций со временем при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона.

Свойство бетона, характеризующееся уменьшением напряжений с течением времени при постоянной начальной деформации, называется релаксацией напряжений.

Ползучесть и релаксация имеют общую природу и существенно влияют на характеристики железобетонных конструкций под нагрузкой.

Характер ползучести бетона объясняется его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при затвердевании цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений от структурного компонента геля, испытывающего вязкое течение, к кристаллическому срастанию и зернам наполнителя. В то же время развитию деформаций ползучести способствуют капиллярные явления, связанные с перемещением избытка воды в микропорах и капиллярах под нагрузкой. Со временем процесс перераспределения напряжений затухает и деформация прекращается.

Ползучесть делится на линейную, при которой зависимость между напряжениями и деформациями приблизительно линейна, и нелинейную, которая начинается с напряжений, превышающих границу образования структурных микротрещин.

Усадка бетона (раствора)

Твердение бетона (раствора) всегда сопровождается изменением его объема: при твердении на воздухе он высыхает и дает усадку, а при твердении в воде он немного разбухает. Так как высыхание бетона (раствора) снаружи происходит быстрее, чем внутри, получается неравномерная усадка, вызывающая иногда появление мелких трещин Усадка бетона (раствора) тем больше, чем больше в нем цемента.

Значительное уменьшение усадки бетона (раствора) может быть достигнуто путем применения жестких бетонов с малым В/Ц.

Конструкционная оценка железобетона

Ж. – ос­нов­ной и уни­вер­саль­ный стро­ит. ма­те­ри­ал, из ко­то­ро­го из­го­тов­ле­но ок. 85% всех стро­ит. кон­ст­рук­ций. Столь ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние Ж. обу­слов­ле­но в пер­вую оче­редь прак­ти­че­ски не­ис­чер­пае­мы­ми за­па­са­ми сы­рья для вя­жу­щих ма­те­риа­лов и за­пол­ни­те­лей бе­то­на, а так­же воз­мож­но­стью варь­и­ро­вать со­став Ж. для по­лу­че­ния ма­те­риа­ла с тре­буе­мы­ми фи­зи­ко-ме­ха­нич. свой­ст­ва­ми. Дос­то­ин­ст­ва­ми Ж. яв­ля­ют­ся: хо­ро­шая со­про­тив­ляе­мость ди­на­мич. и виб­ра­ци­он­ным на­груз­кам; вы­со­кая дол­го­веч­ность; эко­но­мич­ность в экс­плуа­та­ции; ог­не­стой­кость (до 500–600 °C); стой­кость про­тив ат­мо­сфер­ных воз­дей­ст­вий; воз­мож­ность из­го­тов­ле­ния кон­ст­рук­ций лю­бой кон­фи­гу­ра­ции; спо­соб­ность за­дер­жи­вать ра­дио­ак­тив­ное из­лу­че­ние. К не­дос­тат­кам Ж. от­но­сят­ся: боль­шой собств. вес; боль­шая те­п­ло- и зву­ко­про­вод­ность; низ­кая тре­щи­но­стой­кость (за ис­клю­че­ни­ем пред­на­пря­жён­но­го Ж.) и, как след­ствие, воз­мож­ность кор­ро­зии ар­ма­ту­ры.

Теплопроводность

Теплопроводностью называется способность материала проводить тепло.
Чем материал плотнее по своей структуре, тем он теплопроводнее или «холоднее»; чем он более порист, тем он «теплее». Теплопроводность материала зависит также от влажности материала. Вода, заполняющая поры или пустоты в материале, проводит тепло, поэтому влажный материал является более теплопроводным.

Исходя из таких соображений, обычный бе юн не годится для применения в качестве стенового материала в жилищном строительстве. В строительной технике для этих целей применяются бетоны, отличающиеся пористой структурой. Они характеризуются меньшей теплопроводностью и потому могут применяться в качестве материалов для стеновых ограждений. К таким бетонам относятся:

• а) бетоны на легких заполнителях (металлургических и котельных шлаках, керамзите, пемзе и т. п.);
• б) крупнопористые (беспесчаные) бетоны, получаемые из вяжущего, воды и крупного заполнителя— легкого или обыкновенного;
• в) ячеистые бетоны, которые характеризуются наличием распределенных по всей массе материала замкнутых воздушных пор, что обусловливает малый объемный вес и высокие теплоизоляционные свойства изделий из ячеистого бетона.

Наиболее распространены следующие основные способы получения ячеистых бетонов:

• а) применение газообразующих веществ (газобетон) ;
• б) использование предварительно взбитой пены (пенобетон, пеносиликат, пеногипс, пеношлак и др.);
• в) введение в смесь избыточного количества воды с последующим ее испарением.

За рубежом преобладает способ производства ячеистых материалов на основе газообразующих веществ (алюминиевый порошок). В России широко применяется способ, основанный на смешивании цементного теста с предварительно взбитой пеной.

Ячеистый бетон на основе пены получается в результате отвердевания массы, приготовленной из вяжущего вещества, наполнителя, воды и пенообразователя. Для получения такой массы строительный раствор или тесто должны быть взяты литой консистенции; смешивание должно быть произведено тщательным образом.

Для приготовления ячеистых бетонов применяют пенобетономешалки.

Применяются различные пенообразователи — клееканифольный, сапониновый и смолосапониновый, алюмосульфонафтеновый, ГК, казеино-канифольный, жидкостекольный и др.

К наиболее распространенным видам ячеистых материалов относятся:

• пенобетон, получаемый смешиванием цементного теста или раствора с отдельно приготовленной пеной;
• пеносиликат, получаемый при смешивании известково-песчаного раствора с пеной.

Аналогично указанному при смешивании известково-песчаного раствора с газообразующими веществами можно получить газосиликат.

По аналогии с бетонами растворы, приготовленные на пористом заполнителе (шлаке и др.), относятся к теплым растворам.

Структура

Согласно п. 2.6 ГОСТ 25192-2012 по структуре бетон подразделяют следующим образом:

• Плотный. Почти все пространство бетона заполнено веществом.
• Поризованный. Мелкий заполнитель отсутствует. Пространство между крупным пористым заполнителем заполнено вяжущим веществом, которое в результате применения добавок тоже имеет пористую структуру.
• Ячеистый. Искусственно поризированный за счет газо-, пенообразования или аэрирования.
• Крупнопористый. «Капсулированный» бетон изготовлен без применения песка и с незначительным количеством вяжущего, которое не заполняет полностью пустоты между зернами крупного заполнителя.