Основные свойства бетонной смеси

Основными свойствами бетонной смеси, важными с точки зрения технологии изготовления конструкций и их качества, являются следующие:
— удобоукладываемость, т. е. способность бетонной смеси заполнять форму бетонируемого изделия и уплотняться в ней под внешним механическим воздействием;
— удобоукладываемость главным образом оценивают по показателям жесткости и подвижности. Удобоукладываемость должна соответствовать принятым методам формирования и интенсивности уплотнения бетонной смеси. Необходимой удобоукладываемости бетонной смеси достигают, в первую очередь, содержанием воды в смеси;
— связность и однородность, достигаемая соответствующим содержанием вяжущего и мелких фракций заполнителя, оптимальным соотношением крупных фракций заполнителя в составе бетона и надлежащим перемешиванием смеси. Достигнутые при перемешивании однородность и связность бетонной смеси должны сохраняться при ее транспортировании, перегрузках, укладке и уплотнении в бетонируемом изделии;
— водоудерживающая способность, т. е. способность смеси удерживать содержащуюся в ней воду без водоот-деления на поверхности изделия и на границах раздела между цементным тестом и крупным заполнителем. Она достигается ограничением количества воды в бетонной смеси, а для смесей большой подвижности — повышенным содержанием тонкодисперсных составляющих (вяжущие, мелкие фракции заполнителя) и введением водоудерживаю-щих добавок (тонкомолотые добавки, поверхностно-активные вещества);
— прочность и деформативность в свежеотформованном состоянии, т. е. способность смеси сохранять приданную ей форму после удаления формообразукшей оснастки. Необходимая прочность бетонной смеси в свежеотформованном состоянии достигается в первую очередь выбором соответствующей ее жесткости и предельным уплотнением.

Факторы, влияющие на удобоукладываемость

Главный фактор — это содержание воды в смеси, выраженное в килограммах на кубический метр бетонной смеси. Можно приближенно принять, что для данного типа и гранулометрического состава заполнителя и удобоукладываемости бетона содержание воды не зависит от отношения заполнитель: цемент. На основании этого можно определять составы бетонных смесей с различным расходом цемента. В табл. 4.1 даны типичные значения содержания воды при различной осадке конуса и максимальной крупности заполнителя.

Эти значения применимы только к бетону без воздухововлекающих добавок. Если в бетоне имеется воздух, то содержание воды может быть снижено в соответствии с данными, представленными на рис. 4.2. Так как влияние вовлеченного воздуха на удобоукладываемость зависит от состава бетонной смеси, приведенные на рис. 4.2 величины являются приближенными.

Если содержание воды и других компонентов смеси фиксировано, то удобоукладываемость регулируется максимальным размером заполнителя, его гранулометрическим составом, формой и текстурой. Однако гранулометрический состав и водоцементное отношение следует рассматривать совместно, так как гранулометрический состав, дающий наиболее удобоукладываемый бетон при данной величине водоцементно-го отношения, может не оказаться наилучшим для другой величины этого отношения. В частности, чем больше водоцементное отношение, тем более мелкий гранулометрический состав необходим для получения наибольшей удобоукладываемости. Практически для данной величины водоцементного отношения имеется одно значение отношения крупный: мелкий заполнитель (при применении данных материалов), которое дает наибольшую удобоукладываемость. Для данной удобоукладываемости имеется только одно значение отношения крупный: мелкий заполнитель, которое требует наименьшего содержания воды.

Следует, однако, помнить, что при рассмотрении гранулометрического состава заполнителя, необходимого для получения смесей с достаточной удобоукладываемостью, состав выражается в весовых соотношениях — это относится только к заполнителям с постоянным удельным весом. Практически удобоукладываемость регулируется объемными соотношениями частиц разного размера, так что при применении заполнителей с разным удельным весом (например, в случае легких заполнителей или смесей обычных и легких заполнителей) пропорции смеси следует оценивать на основании абсолютного объема каждой фракции. Это приложимо также к бетону, содержащему вовлеченный воздух, так как этот воздух ведет себя как невесомые легкие частицы. Влияние свойств заполнителя на удобоукладываемость уменьшается по мере увеличения жирности смеси и, возможно, полностью исчезает, когда отношение заполнитель: цемент снижается до 2,5 или 2.

На практике следует с осторожностью прогнозировать влияние состава смеси на удобоукладываемость бетона, так как из трех факторов — водоцементное отношение, отношение заполнитель: цемент и содержание воды — только два являются независимыми. Например, если отношение заполнитель: цемент уменьшается, а водоцементное отношение остается постоянным, то содержание воды возрастает, а следовательно, увеличивается и удобоукладываемость. Если же содержание воды остается постоянным при уменьшении отношения заполнитель: цемент, то водоцементное отношение уменьшается, а удобоукладываемость почти не изменяется.

Вопрос № 41

Понятие о строении бетона

Строение бетона - количественное содержание отдельных структурных составляющих, а также характер их распре-деления в каждом данном объеме бетона. Строение бетона (структура) является результатом не только состава бетона и характеристик исходных материалов, но и технологиче-ской обработки исходных материалов бетонной смеси и последующего ухода за твердеющим бетоном. Поэтому можно изменять в широких пределах свойства бетонов, приготовляемых из одних и тех же материалов

Пористость бетона Пористость бетона складывается из пористости зерен заполнителя и межзерновой пористости. При приготовлении бетонной смеси цементное тесто частично проникает в открытые поры зерен заполнителя. Кроме того, вся поверхность зерен пористого заполнителя покрывается цементной пленкой, и потому большая часть пор внутри зерен оказываются замкнутыми.

Причина пористости бетона Однако, с еще одной причиной развития пористости бетона эти методы бороться не в состоянии. Состоит эта причина в наличии в бетонной смеси избытка водорастворимого гидроксида кальция (свободной извести). Вода, проникающая в имеющиеся поры материала, вымывает ее из толщи конструкций, способствуя развитию пористости материала, снижению его плотности, прочности и долговечности. Для защиты бетонных сооружений от воздействия влаги и повышения их срока службы, применяют поверхностную и проникающую гидроизоляцию. Однако, эти меры не могут решить проблему в полном объеме, ввиду недостаточных долговечности и прочности соединений, применяемых для поверхностной гидроизоляции, а также непредсказуемости результатов проникающей гидроизоляции на бетонах различных возрастов и марок.

Виды пористости(может неправильно)

Свойства пористого тела:

• пористые строительные элементы более легкие, но не такие прочные, как непористые;

• чем меньше пор имеет строительный элемент и чем они меньше, тем меньше теплопроводность этого элемента. Такие строительные элементы имеют хорошую теплоизолирующую способность;

• если поры в строительном элементе содержат влагу вместо воздуха, то теплопроводность элемента увеличивается, снижается его теплоизолирующая способность.

В строительных материалах различают:

• ПОРИСТОСТЬ НАСЫПИ = пространства между гранулами строительного материала.

• СОБСТВЕННАЯ ПОРИСТОСТЬ ЗЕРЕН = пустоты в гранулах материала.

• ПОРИСТОСТЬ НАСЫПИ и СОБСТВЕННАЯ ПОРИСТОСТЬ ЗЕРЕН = этот строительный материал содержит как пустоты в гранулах материала, так и пустоты между гранулами

Влияние пористости бетона на прочность при растяжении оказывается в значительно большей степени, чем на прочность при сжатии. Этим определяется необходимость более тщательного уплотнения бетонной смеси с минимально возможным водосодержанием и низким водоцементным отношением при стремлении получить бетон с высоким пределом прочности при растяжении.

Роль крупности зерен проявляется в том, что с увеличением размера зерен уменьшается площадь контакта их с цементным камнем, а также возрастает степень неоднородности структуры конгломерата и отрицательно влияет на прочность его при растяжении. Вследствие этого мелкозернистые бетоны отличаются более высоким отношением Rpacт: Rсж по сравнению с крупнозернистыми. Из этого следует также особое значение равномерного распределения в бетоне зерен заполнителей по их крупности.

Прочность бетона при растяжении возрастает с увеличением относительного содержания цементного камня. В отличие от абсолютно упругих заполнителей цементный камень способен к некоторым пластическим деформациям вследствие наличия в нем незакристаллизованной части — геля, продуктов гидрации цемента. В результате под действием растягивающей нагрузки цементный камень разрушается не мгновенно, как это свойственно абсолютно упругим телам, а после некоторой пластической деформации.

Таким образом, чем больше будет в бетоне цементного камня и толще прослойка его между зернами заполнителя, тем больше окажется абсолютная величина пластической деформации бетона и выше будет прочность его при растяжении.

Вопрос № 42

Прочность бетона

Так как бетон представляет собой неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное состояние. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения концентрируются на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости, вследствие чего по плоскостям соединения этих частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между частицами. В то же время в местах, ослабленных порами и пустотами, происходит концентрация напряжений. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, наблюдается концентрация сжимающих и растягивающих напряжений; последние действуют по площадкам, параллельным сжимающей силе. Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у одного отверстия или поры накладываются на соседние. В результате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, возникают продольные сжимающие и поперечные растягивающие напряжения (вторичное поле напряжений).

Разрушение сжимаемого образца, как показывают рпыты, возникает вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещинки отрыва. С ростом нагрузки трещинки отрыва соединяются, образуя видимые трещины, направленные параллельно или с небольшим наклоном к направлению действия сжимающих сил. Затем трещины раскрываются, что сопровождается кажущимся увеличением объема. Наконец, наступает полное разрушение.

Разрушение сжимаемых образцов из различных материалов, обладающих высокой сплошностью структуры, наблюдается вследствие разрыва в поперечном направлении. В бетонных же образцах это явление развивается еще и под влиянием вторичного поля напряжений. Граница образования структурных микроразрушений бетона под нагрузкой может определяться по результатам ультразвуковых измерений. Скорость ультразвуковых колебаний v, распространяющихся поперек линий действия сжимающих напряжений, уменьшается с развитием микротрещин в бетоне. Сжимающее напряжение в бетоне, при котором начинается образование микротрещин, соответствует началу уменьшения скорости ультразвука на кривой. По значению напряжения судят о прочностных и деформативных свойствах бетона.

Отсутствие закономерности в расположении частиц, составляющих бетон, в расположении и крупности пор приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают неодинаковые показатели прочности — разброс прочности. Прочность бетона зависит от ряда факторов, основньши из которых являются: 1) технологические факторы, 2) возраст н условия твердения, 3) форма и размеры образца, 4) вид напряженного состояния и длительные процессы. Бетон при разных напряжениях — сжатии, растяжении и срезе — имеет разное временное сопротивление.

Классы и марки бетона. В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются:
класс бетона по прочности на осевое сжатие В; указывается в проекте во всех случаях; класс бетона по прочности на осевое растяжение назначается в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве;
марка бетона по морозостойкости должна назначаться для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания (открытые конструкции, ограждающие конструкции и т. п.);
марка по водонепроницаемости W; назначается для конструкций, к которым предъявляют требования непроницаемости (резервуары, напорные трубы и т. п.); марка по плотности D; назначается для конструкций, к которым кроме требований прочности предъявляются требования теплоизоляции, и контролируется на производстве.

Заданные класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последующим испытанием контрольных образцов. Высокое сопротивление бетона сжатию — наиболее ценное его свойство, широко используемое в железобетонных конструкциях. По этим соображениям основная характеристика — класс бетона по прочности на сжатие указывается во всех случаях.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 15 см, испытанных через 28 дней хранения при температуре 20±2°С по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности. Сроки твердения бетона устанавливают так, чтобы требуемая прочность бетона была достигнута к моменту загружения конструкции проектной нагрузкой. Для монолитных конструкций на обычном портландцементе этот срок, как правило, принимается равным 28 дням. Для элементов сборных конструкций заводского изготовления отпускная прочность бетона может быть ниже его класса; она устанавливается по стандартам и техническим условиям в зависимости от условий транспортирования, монтажа, сроков загружения конструкции и др. Классы бетона по прочности на сжатие для железобетонных конструкций нормами устанавливаются следующие: для тяжелых бетонов В7,5; В10; В12,5; В15; В20; ВЗО; В35; В40; В45; В50; В55; В60; для мелкозернистых бетонов вида А на песке с модулями крупности 2,1 и более — в том же диапазоне до В40 включительно; вида Б с модулем крупности менее 1 — в том же диапазоне до ВЗО включительно; вида В, подвергнутого автоклавной обработке — в том же диапазоне до В60 включительно; для легких бетонов — в том же диапазоне до В40 включительно.

Классы бетона по прочности на осевое растяжение ВД8; В 1,2; В 1,6; В2; В2.4; В2,8; В,3,2 характеризуют прочность бетона на осевое растяжение (МПа) по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности.
Марки бетона по морозостойкости от F25 до F500 характеризуют число выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.

Марки бетона по водонепроницаемости от W2 до W12 характеризуют предельное давление воды, при котором еще не наблюдается просачивание ее через испытываемый образец.

Марки бетона по плотности от D800 до D2400 характеризуют среднюю плотность (кг/м3).

Оптимальные класс и марку бетона выбирают на основании технико-экономических соображений в зависимости от типа железобетонной конструкции, ее напряженного состояния, способа изготовления, условий эксплуатации и др. Рекомендуется принимать класс бетона для железобетонных сжатых стержневых элементов не ниже В15. Для конструкций, испытывающих значительные сжимающие усилия (колонн, арок и т.п.), выгодны относительно высокие классы бетона — В20—ВЗО; для предварительно напряженных конструкций в зависимости от вида напрягаемой арматуры целесообразны классы бетона В20—В40; для изгибаемых элементов без предварительного напряжения (плит, балок) применяют класс В15.

Легкие бетоны на пористых заполнителях и цементном вяжущем при одинаковых классах и марках по морозостойкости и водонепроницаемости применяют в сборных и монолитных железобетонных конструкциях наравне с тяжелыми бетонами. Для многих конструкций они весьма эффективны, так как приводят к снижению массы.

Влияние времени и условий твердения на прочность бетона. Прочность бетона нарастает в течение длительного времени, но наиболее интенсивный ее рост наблюдается в начальный период твердения. Прочность бетона, приготовленного на портландцементе, интенсивно нарастает первые 28 суток, а на пуццолановом и шлаковом портландцементе медленнее — первые 90 суток. Но и в последующем при благоприятных условиях твердения — положительной температуре, влажной среде — прочность бетона может нарастать весьма продолжительное время, измеряемое годами. Объясняется это явление длительным процессом окаменения цементного раствора — твердением геля и ростом кристаллов. По данным опытов, прочность бетонных образцов, хранившихся в течение 10 лет, нарастала в условиях влажной среды вдвое, а в условиях сухой среды — в 1,4 раза; в другом случае нарастание прочности прекратилось к концу первого года. Если бетон остается сухим, как это часто бывает при эксплуатации большинства железобетонных конструкций, то по истечении первого года дальнейшего нарастания прочности ожидать уже нельзя.

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают тепловой обработке при температуре до 90 °С и влажности до 100 % или же специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить бетон прочностью ~70% проектной. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.

Кубиковая прочность бетона при сжатии. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие вазрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения, которые развиваются на контактных поверхностях — между подушками пресса и гранями куба. Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям куба и создают эффект обоймы. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцовых граней куба уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму усеченных пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Если при осевом сжатии куба устранить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы, а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое. Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки контактных поверхностей.

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если временное сопротивление сжатию бетона для базового куба с ребром 15 см равно R, то для куба с ребром 20 см оио уменьшается и равно приблизительно 0,93 R, а для куба с ребром 10 см увеличивается и равно ~1,1 R.

Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его торцами. Призменная прочность бетона при сжатии. Железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов конструкции. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах с размером стороны основания а и высотой h показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и что она уменьшается с увеличением отношения h/a.

В качестве характеристики прочности бетона сжатой зоны изгибаемых элементов также принимают Rb, при этом вместо действительной криволинейной эпюры напряжений бетона сжатой зоны в предельном состоянии принимают условную прямоугольную эпюру напряжений.

Прочность бетона при растяжении зависит от прочности цементного камня при растяжении и сцепления его с зернами заполнителей. Согласно опытным данным, прочность бетона при растяжении в 10—20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность прн растяжении уменьшается с увеличением класса бетона. В опытах наблюдается еще больший по сравнению со сжатием разброс прочности. Повышение прочности бетона при растяжении может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением W/C, применением щебня с шероховатой поверхностью.

Вследствие неоднородности структуры бетона эта формула не всегда дает правильные значения Rbt. Значение Rbt определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерки, на раскалывание образцов в виде цилиндров, на изгиб — бетонных балок.

Прочность бетоиа при срезе и скалывании. В чистом виде явление среза состоит в разделении элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом сопротивление срезу зерен крупных заполнителей, работающих как шпонки в плоскости среза, оказывает существенное влияние. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается равномерным.

В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием продольных сил. Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин. Скалывающие напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опытным данным, в 1,5—2 раза больше.

Прочность бетона при длительном действии нагрузки. Согласно опытным данным, при длительном действии нагрузки и высоких напряжениях под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и структурных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию Rb. Если при эксплуатации конструкции в благоприятных для нарастания прочности бетона условиях уровень напряжений постепенно уменьшается, отрицательное влияние фактора длительного загружения может и не проявляться.

Прочность бетона при многократно повторных нагрузках. При действии многократно повторных нагрузок с повторяемостью в несколько миллионов циклов временное сопротивление бетона сжатию под влиянием развития структурных микротрещии уменьшается. Предел прочности бетона при многократно повторных нагрузках или предел выносливости бетона Rr, согласно опытным данным, зависит от числа циклов нагрузки и разгрузки и отношения попеременно возникающих минимальных и максимальных напряжений или асимметрии цикла р. На кривой выносливости по оси абсцисс отложено число циклов п, а по оси ординат — значение изменяющегося периодически предела выносливости бетона Rr. С увеличением числа циклов п снижается Rr; напряжение на горизонтальном участке кривой называют абсолютным пределом выносливости.

Практический предел выносливости Rr зависит от характеристики цикла р почти линейно, его наименьшее значение Rr = 0,5 Rb.

Наименьшее значение предела выносливости, как показывают исследования, связано с границей образования структурных микротрещин. Такая связь между Rr и Rcr позволяет находить предел выносливости по первичному нагружению образца определением границы образования структурных микротрещин ультразвуковой аппаратурой.

Значение Rr необходимо для расчета на выносливость железобетонных конструкций, испытывающих динамические нагрузки, — подкрановых балок, перекрытий некоторых промышленных зданий и т. п.

Динамическая прочность бетона. При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности, развивающейся вследствие ударных и взрывных воздействий, наблюдается увеличение временного сопротивления бетона — динамическая прочность. Чем меньше время от нагружения бетонного образца заданной динамической нагрузкой (или, что то же самое, чем больше скорость роста напряжений МП а/с), тем больше коэффициент динамической прочности бетона.

Этот крэффициент равен отношению динамического временного сопротивления сжатию Rd к призменной прочности. Например, если время нагружения динамической разрушающей нагрузкой составляет 0,1, то коэффициент ka=l,2. Это явление объясняют энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течение короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой только упруго.