Структура и свойства бетона

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. Макроструктуруоценивают 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 м³ бетона; а – степень гидратации цемента, определяемая химическим методом; Ц – расход цемента на 1 м³ бетона.

В зависимости от механизма образования поры цементного камня подразделяют на поры геля (0,002 – 0,004 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. Класс бетона определяют на образцах кубах, выдержанных 28 суток при влажности более 95 % и температуре 20 ± 5 ^оС (ГОСТ 18105-86).

Контроль прочности бетона в эксплуатируемых зданиях и сооружениях проводят на образцах правильной формы, выбуренных или выпиленныхиз 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, мм² (см²); a, b, l – соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами при изгибе, м (см); a, b, g, d – 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:

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

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

3. Применяемые методы не позволяют оценить однородность бетона в конструкции.

4. 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.

Механическиеоснованы 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 методамотносятся: 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: для сборных – при отпуске их потребителю и нормируемую, 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 (С) (ГОСТ 10180-90, СТ СЭВ 3978-83, ГОСТ 18105-86, СТ СЭВ 2046-79, СНБ 5.03.01-02).

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

Класс бетона по прочности(С) представляет собой количественную величину, соответствующую гарантированной прочности на осевое сжатие. Этот показатель качества бетона обозначают буквой С с числами, выражающими значение нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/м²(МПа), например, С 12/15. Перед чертой указывается нормативное сопротивление бетона осевому сжатию призм или цилиндров f_ск, определяемое при обеспеченности 0,95, которое допускается принимать равным f_ск = 0,8 f^G_{c, cube}. После черты ставится гарантированная производителем прочность бетона на осевое сжатие f^G_{c, cube}, определяемая при испытании кубов размером 150х150х150 мм с обеспеченностью 0,95.

Приняты следующие классы конструкционных бетонов:

а) тяжелые, в том числе напрягающие с С 8/10 до С 100/115;

б) мелкозернистые с С 8/10 до С 35/45.

В расчетах конструкций базовыми прочностными показателями являются нормативные сопротивления бетона осевому сжатию f_ск и осевому растяжению f_сtк.

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

R_Б = АR_ц(Ц/В±0,5),

где R_Б – гарантированная прочность бетона в проектном возрасте, Па (кгс/см²); качество вяжущего определяется его маркой R_ц – активностью, Па (кгс/см²), 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 приобретает следующий вид. Для бетонов с Ц/В = 1,4 – 2,5 R_б = А R_ц (Ц/В – 0,5); для высокопрочных 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 высокий класс бетона при равном расходе компонентов можно получить. Соотношение между классом бетона и маркой используемого цемента представлено в таблице 6.3.

Таблица 6.3