Бетоном называется искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения бетонной смеси, состоящей из вяжущего вещества (цемента), воды, мелкого заполнителя (обычно песка) и крупного заполнителя (чаще всего гравия или щебня). В технологии бетонов обычно пользуются следующей терминологией.

Таблица 6. Принятая терминология

Компоненты смеси	Наименование материала
	до отвердевания	после отвердевания
Цемент + вода Цемент + вода + песок Цемент + вода + песок + щебень	Цементное тесто Растворная смесь Бетонная смесь	Цементный камень Раствор (строительный) Бетон

1. Цемент

оглавление | следующий пункт

Портландцемент (без минеральных добавок и с добавками) обеспечивает бетонам более высокую морозостойкость, нежели шлакопортландцемент, поэтому его рекомендуется применять для изготовления бетона зоны переменного уровня воды, а также для наружных зон сооружений, подвергающихся систематическому попеременному замораживанию и оттаиванию или увлажнению и высыханию.

Шлакопортландцемент, в силу его повышенной водостойкости и пониженного тепловыделения по сравнению с портландцементом, целесообразнее использовать в подводном бетоне и бетоне внутренних зон массивных сооружений. Допускается применять шлакопортландцемент для бетона дорожных оснований.

Быстротвердеющие портландцемент и шлакопортландцемент отличаются от, обычных видов этих цементов более интенсивным нарастанием прочности в начальные сроки твердения. Быстротвердеющий портландцемент рекомендуется применять для сборных железобетонных конструкций, изготовляемых без тепловлажностной обработки.

Сульфатостойкий портландцемент (в том числе с минеральными добавками) предназначается для бетона наружных зон гидротехнических сооружений в тех случаях, когда бетон подвергается сульфатной агрессии и одновременно систематическому попеременному увлажнению и высыханию или систематическому замораживанию и оттаиванию.

Сульфатостойкие шлаковый или пуццолановый портландцементы целесообразно применять для бетона подводных и подземных частей сооружений, находящихся в условиях сульфатной агрессии. Пуццолановый портландцемент не допускается применять для производства сборных железобетонных конструкций без технико-экономического обоснования.

2. Вода

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Для приготовления бетонной смеси, поливки бетона и промывки заполнителей применяется без предварительного опробования питьевая вода; после опробования может применяться любая природная вода, имеющая водородный показатель не менее 4 и не более 12,5. Ограничивается общее содержание в воде растворимых солей, взвешенных частиц, а также ионов SO₄^2- и Сl^-.

3. Мелкий заполнитель (песок)

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

В качестве мелкого заполнителя для бетона применяют песок с зернами не крупнее 5 мм (зерна крупнее 5 мм относят к крупному заполнителю).

Нежелательными примесями в песке являются:

а) глина, ил и мелкие пылевидные частицы, определяемые отмучиванием; они увеличивают водопотребность бетонной смеси, снижают прочность и морозостойкость бетона; иногда они обволакивают зерна песка и препятствуют хорошему сцеплению его с цементным камнем;

б) сернистые (пирит) и сернокислые (гипс, ангидрит) соединения; они могут при твердении бетона образовать гидросульфоалюминат кальция (цементную бациллу);

в) слюда; тонкие листочки слюды из-за их гладкой поверхности плохо сцепляются с цементным камнем;

г) огранические примеси; они могут служить причиной значительного; снижения прочности бетона в начальные сроки твердения;

д) опал и другие аморфные видоизменения кремнезема; реагируя со щелочами цемента, они могут вызвать неравномерное изменение объема.

Загрязненность песка глинистыми, пылевидными и органическими примесями можно устранить во многих случаях промывкой.

По зерновому составу пески подразделяются на крупные (модуль крупности М_К = 3,5- 2,5), средние (М_К = 2,5-2,0) и мелкие (М_К = 2,0-1,5). Кривая просеивания песка должна находиться в пределах, ограничиваемых нижней и верхней стандартными кривыми.

В случае неоднородности зернового состава песка в карьере такой песок рекомендуется рассеивать на две фракции, каждая из которых дозируется в процессе изготовления бетонной смеси отдельно. Исходный песок разделяют на две фракции: 1) 1,25-5 мм и 2) менее 1,25 мм. Засоренность каждой фракции зернами другой фракции не должна превышать 5%.

4. Крупный заполнитель

оглавление | предыдущий пункт

Крупным заполнителем называют рыхлый материал с размером зерен от 5 до 150 мм. В качестве крупного заполнителя применяют либо гравий, получаемый рассевом природных гравийно-песчаных смесей, либо щебень, получаемый дроблением горных пород или крупного гравия. Применяют также смесь гравия и щебня.

Наибольший размер зерен крупного заполнителя D_наиб назначают исходя из размеров и других особенностей бетонных или железобетонных конструкций. Для обеспечения плотной укладки бетонной смеси необходимо, чтобы наибольшая крупность зерен заполнителей не превышала 1/4 наименьшего размера конструкции, и не была больше 3/4 наименьшего расстояния между прутьями арматуры в свету. В плитах, полах и покрытиях допускается увеличивать D_наиб до 1/2 толщины плиты. Заполнитель с завышенным значением D_наиб не обеспечит при укладке долж-ной плотности бетона, а заполнитель с заниженным значением D_наиб вызовет перерасход цемента.

Зерновой состав крупного заполнителя обеспечивают оптимальным за счет рассева на фракции и их раздельной дозировки при изготовлении бетонной смеси. Обычно крупный заполнитель рассеивают на следующие фракции: 5—10, 10—20, 20—40, 40—80, 80—120 (150) мм.

Нежелательными (вредными) примесями в крупном заполнителе (по тем же причинам, что и в песке) являются глинистые, илистые и пылевидные фракции, органические примеси, сернокислые и сернистые соединения и реакционноспособные (содержащие аморфный кремнезем) минералы и породы. Нежелательны также игловатые и лещадные зерна; они затрудняют плотную укладку бетонной смеси. В гравии, кроме того, нежелательными являются зерна слабых пород.

Морозостойкость крупного заполнителя должна быть не ниже нормированной марки бетона по морозостойкости.

Прочность крупного заполнителя должна обеспечить требуемый класс бетона по прочности.

Для обозначения состава бетона используют следующие способы.

1. Указывают количества (расходы) материалов в кг, необходимые для получения 1 м³ бетона:

Цемента …………………………………………. Ц = 250 кг/м³

Воды …………………………………………….. В = 150 кг/м³

Песка ….……………………………………….. П = 700 кг/м³

Крупного заполнителя …………………………. Кр = 1300 кг/м³

Всего (_о) ………………………………………… 2400 кг/м³

Однако при таком обозначении число величин, характеризующих состав, оказывается избыточным, так как они связаны зависимостью

_о = Ц + В + П + Кр,

где _о – объемная масса бетона.

2. Указывают соотношения между расходами материалов, принимая расход цемента за единицу и выделяя особо величину водоцементного отношения:

Ц/Ц : П/Ц : Кр/Ц =1 : 2,8 : 5,2; В/Ц = 0,60.

3. Состав бетона обозначают тремя параметрами: 1) расходом цемента Ц = 250 кг/м³; 2) водоцементным отношением В/Ц = 0,60; 3) относительным содержанием (долей) песка в смеси заполнителей r = П/(П+Кр) = 700/(700+1300) = 0,35.

Примеры расчета расходов материалов по заданному составу бетона

Пусть требуется расчитать расходы материалов: Ц, В, П и Кр, при этом состав бетона может быть задан либо в виде соотношения между расходами (I вариант), либо тремя параметрами (II вариант).

Применяются два способа расчета: 1) когда используют известное значение объемной массы бетона _о; 2) когда _о неизвестна.

Первый способ (_о известна). Допустим, что объемная масса бетона _о = 2400 кг/м³ (она может быть установлена пробными, замесами). Рассмотрим для бетона указанного выше состава два варианта расчета по этому способу.

Вариант I. Состав бетона определен тремя параметрами:

Ц = 250 кг/м³, В/Ц = 0,60, r = 0,35.

Расчет рекомендуется вести в следующем порядке:

Цемент Ц = 250 кг/м³

Вода В = Ц ·В/Ц = 250·0,60 = 150 кг/м³

(Тесто Т == 250 + 150 = 400 кг/м³)

(Заполнители 3 = _о - Т = 2400 - 400 = 2000 кг/м³)

Песок П = r ·3 = 0,35·2000 = 700 кг/м³

Крупный заполнитель Кр = (1 – r)·3 = 0,65·2000 = 1300 кг/м³

---

Всего 2400 кг/м³

Вариант II. Состав бетона задан в виде соотношения (по массе): 1 : 2,8 : 5,2; В/Ц = 0,60.

Тогда

Ц = 2400/(1+2,8+5,2+0,6) = 250 кг/м³,

В = 0,6 Ц = 150 кг/м³;

П = 2,8Ц = 700 кг/м³,

Кр = 5,2Ц = 1300 кг/м³.

 

Второй способ (_о не известна) называется методом абсолютных объемов. Абсолютный объем - это объем плотной части материала; его вычисляют делением массы материала m на его плотность , т.е. V=m/ .

Принимают, что в бетонной смеси пустоты между зернами гравия (или щебня) заполняются песком, пустоты между зернами песка заполняются цементом, оставшиеся пустоты заполняются водой и, следовательно, объем тщательно уплотненной бетонной смеси равен сумме абсолютных объемов составляющих ее материалов:

V_б = V_ц + V_в + V_п +V_кр .   (1)

Пусть объем бетона равен V_б = 1 м³, тогда масса каждого из компонентов бетона равна его расходу, и, с учетом формулы V=m/, можно записать

1 = Ц/_ц + В/_в + П/_п + Кр/_кр ,   (2)

где _ц, _в, _п, _кр – плотности соответственно цемента, воды, песка, крупного заполнителя. Следует отметить, что для крупного заполнителя объем V_кр вычисляют делением расхода Кр не на плотность (внутри зерен могут быть поры), а на объемную массу самих зерен. В среднем можно принять _ц = 3,10 г/см³; _в = 1,00 г/см³; _п = 2,60 г/см³; _кр = 2,60 г/см³.

Рассмотрим два варианта расчета применительно к тому же составу бетона.

Вариант I. Состав бетона задан тремя параметрами:

Ц = 250 кг/м³, В/Ц = 0,60, r = 0,35.

Подставим числовые значения величин в уравнение (2), учитывая, что В=Ц ·В/Ц, получим:

1000 = 250/3,10 + 0,60·250/1,00 + П/2,60 + Кр/2,60.   (3)

Здесь 1000 – это коэффициент перевода г/см³ в кг/м³ , его часто трактуют как объем бетонной смеси, выраженный в литрах (1 м³ = 1000 л). Для нахождения двух неизвестных П и Кр нужно составить систему двух уравнений, вторым из которых является

0,35 = П/(П+Кр)     (4)

Решая систему уравнений (3) и (4), получаем (в кг/м³): П = 700, Кр = 1300. Следовательно, для приготовления 1 м³ бетона необходимо брать (в кг): цемента 250, воды 150, песка 700 и крупного заполнителя 1300.

Вариант II. Состав бетона задан в виде соотношения (по массе):

1 : 2,8 : 5,2; В/Ц = 0,60.

Выразим из (2) расход цемента и вычислим его:

Затем находят расходы остальных материалов:

В = Ц·В/Ц; П = Ц·П/Ц; Кр = Ц·Кр/Ц.

Для нашего примера имеем:

В = 0,60·250 = 150 кг/м³, П = 250·2,8 = 700 кг/м³, Кр = 250·5,2 = 1300 кг/м³.

Важнейшими свойствами бетонной смеси являются в основном ее технологические свойства, такие как удобоукладываемость (подвижность), расслаиваемость и сохраняемость подвижности (так называемая жизнеспособность). Они характеризуют удобство работы с бетонной смесью, ее способность перемешиваться, укладываться, уплотняться, не разделяясь на составные части. Эти свойства должны удовлетворять требованиям проекта производства работ и назначаются с учетом массивности конструкции, густоты армирования, способов транспортирования, укладки и уплотнения бетонной смеси.

1. Расслаиваемость

оглавление | следующий пункт

Во время транспортирования, перегрузок, укладки и уплотнения бетонной смеси она должна сохранять связность и не расслаиваться. Применять бетонную смесь с недостаточной связностью нельзя, так как это приводит к дефектам в бетонируемой конструкции. Часто недостаточную связность бетонной смеси устраняют увеличением доли песка в массе заполнителей.

Расслаиваемость бетонной смеси характеризуют двумя параметрами: водоотделением и раствороотделением.

2. Водоотделение

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Рис. 7. Расслоение бетонной смеси

Водоотделение бетонной смеси имеет место в состоянии покоя, когда твердые частицы оседают вниз и уплотняются, а избыток воды вытесняется вверх и образует прозрачный слой над поверхностью бетонной смеси (рис. 7). Есть некоторый предел содержания воды в бетонной смеси, выше которого наблюдается водоотделение. Этот предел называется водоудерживающей способностью бетонной смеси. Водоудерживающая способность зависит от соотношения компонентов, их свойств, вида и количества введенных добавок. Для повышения водоудерживающей способности используют добавки-загустители, которые представляют собой высоковязкие эфиры целлюлозы.

Водоотделение сопровождается образованием сообщающихся капиллярных ходов в бетоне, что облегчает фильтрацию воды и снижает водонепроницаемость и морозостойкость бетона.

Для определения водоотделения бетонную смесь отстаивают в цилиндрическом сосуде в течение 1,5 ч, отбирают пипеткой выделившуюся воду и взвешивают. Водоотделение характеризуют массой воды в граммах, отнесенной к объему сосуда в литрах.

3. Раствороотделени

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Раствороотделение происходит при вибрировании, встряхивании и других способах уплотнения бетонной смеси. При этом зерна крупного заполнителя опускаются вниз, а растворная составляющая вытесняется в верхнюю область (см. рис. 7).

Для определения раствороотделения бетонную смесь укладывают в форму 200´ 200´ 200 мм и уплотняют на лабораторной виброплощадке. После вибрирования определяют процентное содержание растворной составляющей в верхней и нижней половине формы, для чего отобранную пробу взвешивают и отделяют от нее растворную часть на сите 5 мм, промывая струей воды. Оставшиеся на сите зерна заполнителей взвешивают. Показатель раствороотделения вычисляют по формуле

Р = (m_в – m_н)/(m_в + m_н),     (5)

где m_в и m_н - массы растворных составляющих в верхней и нижней половинах образца.

4. Удобоукладываемость

оглавление | предыдущий пункт

Удобоукладываемостью называется способность бетонной смеси растекаться под действием собственного веса или механических воздействий (например, вибрации). Удобоукладываемость характеризуют показателями подвижности (осадкой конуса) и жесткости.

Определение осадки конуса

Рис. 8. Определение удобоукладываемости бетонной смеси

Для определения осадки конуса (ОК) пользуются конусом Абрамса - металлической формой в виде полого усеченного конуса (рис. 8а). Для бетонных смесей с наибольшей крупностью зерен заполнителя D_наиб не более 40 мм применяют нормальный конус, размеры которого в мм указаны на рис. 8а. Для смесей с D_наиб > 40 мм применяют увеличенный конус, высота которого составляет 450 мм, диаметры оснований - 150 и 300 мм.

Конус ставят на площадку, не впитывающую воду (площадка и внутренняя поверхность конуса предварительно протираются влажной тканью) и заполняют бетонной смесью в три слоя. Каждый слой в нормальном конусе уплотняют штыкованием металлическим стержнем 25 раз, а в увеличенном конусе - 56 раз. Штыкуют равномерно по всей поверхности слоя на всю его глубину до нижележащего слоя. Поверхность бетонной смеси заглаживают, конус снимают, устанавливают рядом с осевшей бетонной смесью и измеряют осадку бетонной смеси с точностью до 1 см.

Осадку конуса бетонной смеси, определенную при помощи увеличенного конуса, приводят к осадке нормального конуса умножением на коэффициент 0,67.

Определение показателя жесткости

Способ определения осадки конуса не позволяет различать жесткие бетонные смеси, у которых осадка конуса близка или равна нулю, такие смеси характеризуют показателем жесткости. Показатель жесткости определяют с помощью прибора Вебе, изображенного на рис. 8б.

Прибор Вебе устанавливают и закрепляют на стандартной виброплощадке. Внутрь цилиндрической формы прибора помещают конус Абрамса и заполняют его бетонной смесью так, как это описано выше. После снятия конуса на бетонную смесь опускают диск с отверстиями (поз. 5) и включают одновременно виброплощадку и секундомер. Вибрирование продолжают до тех пор, пока не начнется выделение цементного теста из любых двух отверстий диска (поз. 6). Полученное время в секундах является показателем жесткости бетонной смеси.

При упрощенном определении жесткости в установленную на виброплощадку форму-куб с ребром 20 см помещают конус, диаметр нижнего основания которого 196 мм, заполняют его бетонной смесью так, как это описано ранее, затем снимают конус и включают виброплощадку. Время в секундах, необходимое на заполнение формы и получение горизонтальной поверхности бетонной смеси, умноженное на коэффициент 0,7, является показателем жесткости.

По подвижности бетонные смеси делят на следующие группы и марки.

Таблица 7. Классификация бетонных смесей по подвижности

Марка бетонной смеси по подвиж-ности	Группа бетонной смеси	Показатель подвижности
		жесткость, с	Осадка конуса, см
1	2	3	4
Ж4	Жесткие	31 и более	-
Ж3		21 - 30	-
Ж2		11 - 20	-
Ж1		5 - 10	-
П1	Пластичные	1 - 4	4 и менее
П2		-	5 - 9
П3	Литые	-	10 - 15
П4		-	16 - 20
П5		-	21 - 25

Бетонные смеси марок Ж1-Ж4 имеют ОК=0, а бетонные смеси марок П2 - П5 имеют показатель жесткости Ж=0, т. к. оседают и заполняют форму без включения виброплощадки.

Влияние на удобоукладываемость различных факторов

Влияние вида цемента. Чем меньше водопотребность цемента, тем более подвижной оказывается бетонная смесь. Пуццолановый портландцемент, имеющий повышенную водопоьребность, придает бетонной смеси меньшую подвижность, чем портландцемент или шлакопортландцемент.

Влияние вида заполнителя. Заполнители с окатанными, гладкими зернами (речные, морские пески, гравий) придают большую подвижность бетонной смеси, чем заполнители с угловатыми, шероховатыми зернами (искусственные пески, щебень).

Влияние состава бетона. При одних и тех же материалах подвижность бетонной смеси зависит от всех трех параметров состава бетона ОК = f(В/Ц, Ц, r).

Влияние водоцементного отношения. При постоянном расходе цемента и неизменном зерновом составе заполнителей подвижность бетонной смеси возрастает с увеличением В/Ц (рис. 9а). Такой характер зависимости обусловлен тем, что с увеличением В/Ц снижается вязкость цементного теста, выполняющего роль смазки в бетонной смеси.

Рис. 9. Влияние параметров состава бетона на подвижность бетонной смеси

Влияние расхода цемента. При постоянном водоцементном отношении и неизменном зерновом составе заполнителей подвижность возрастает с увеличением расхода цемента (рис. 9). Это объясняется тем, что с увеличением расхода цемента при постоянном В/Ц количество теста (пластичной составляющей) увеличивается при неизменной его вязкости.

Влияние зернового состава смеси заполнителей. При постоянных В/Ц и Ц вязкость и количество теста в бетонной смеси остается неизменным. Однако изменение зернового состава заполнителей, а следовательно, размеров и суммарной поверхности их зерен приведет к изменению условий “смазки” зерен. Это, разумеется, отразится на подвижности бетонной смеси.

Рис. 10. Влияние расхода цемента Ц на rопт (Ц1>Ц2>Ц3)

Наиболее существенно влияет на подвижность бетонной смеси изменение относительного количества песка в смеси заполнителей как материала с более развитой поверхностью по сравнению с крупным заполнителем. Характер этого влияния представлен на рис. 9в. Максимальному значению ОК соответствует оптимальное значение доли песка r, при котором необходимые свойства бетонной смеси и бетона достигаются при минимальном расходе цемента. Дальнейшее увеличение доли песка снижает подвижность бетонной смеси, так как при этом увеличивается суммарная поверхность заполнителей. При малом содержании песка в бетонной смеси она оказывается неудобообрабатываемой, обладающей недостаточной связностью.

Значение оптимальной доли песка r_опт уменьшается с увеличением расхода цемента (рис. 10).

Влияние добавок ПАВ. Из поверхностно-активных веществ существует целый ряд таких, которые увеличивают подвижность бетонной смеси на 5-30 %. Эти добавки называют пластификаторами, а особенно эффективные из них – суперпластификаторами.

Бетон лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению. Поэтому бетон используют в конструкциях, преимущественно работающих на сжатие, и основной характеристикой прочностных свойств бетона является его прочность при сжатии.

К числу важнейших свойств гидротехнического бетона относятся также морозостойкость и водонепроницаемость.

1. Прочность бетона при сжатии

оглавление | следующий пункт

Методика определения

Предел прочности бетона при сжатии определяют по результатам испытания образцов-кубов, твердевших в нормальных условиях (температура 20±2 ^ОС; относительная влажность воздуха не ниже 95 %) в течение 28 или 180 дней.

Срок твердения образцов для обычных тяжелых бетонов и бетонов морских гидротехнических сооружений устанавливается равным 28 дням, а для бетонов речных гидротехнических сооружений – 180 дням. Прочность бетона в возрасте 28 дней обозначается R₂₈, а в возрасте 180 дней – R₁₈₀.

За базовый образец принят куб с ребром 150 мм. Прочность образцов иных размеров и формы пересчитывается с помощью масштабных коэффициентов. При определении прочности бетона в конструкции, из последней выбуривают керны цилиндрической формы, которые служат образцами для испытаний.

Размер образцов выбирают в зависимости от наибольшей крупности зерен заполнителя Д_наиб.

Наибольшая крупность зерен заполнителя, мм	10	20	40	70	100
Размер ребра куба или диаметра цилиндра, мм	70	100	150	200	300

При изготовлении образцов бетонную смесь укладывают в форму, установленную на стандартной виброплощадке, и уплотняют вибрированием до появления цементного молока на поверхности смеси. После этого избыток бетонной смеси срезают вровень с краями формы и поверхность смеси заглаживают. Образцы хранят в течение 1–3 суток в формах, покрытых влажной тканью, в помещении с температурой воздуха (20± 2) ° С, затем их освобождают от форм, маркируют и выдерживают до момента испытания в камере с относительной влажностью воздуха не менее 95 % при температуре (20± 2) ° С. Испытывают образцы на сжатие на гидравлическом прессе, устанавливая их так, чтобы шероховатая (заглаживаемая) грань при испытании не прилегала к плитам пресса.

Предел прочности при сжатии вычисляют для каждого образца по формуле

где P – разрушающая нагрузка, Н; S₀ – расчетная площадь образца, см².

Прочность при сжатии бетона вычисляют с точностью до 0,1 МПа как произведение масштабного коэффициента a на среднее арифметическое значение всех результатов испытаний, если отклонение наибольшего и наименьшего результатов составляет не более 15 % среднего результата. В противном случае наибольший и наименьший результаты не принимаются во внимание, и прочность бетона определяется как произведение коэффициента a на средний результат.

Масштабный коэффициент a учитывает влияние формы и размеров образца на получаемый результат. Значения этого коэффициента приведены в табл. 1.

Таблица 8. Значение масштабного коэффициента

Форма образца	Размеры образца (ребро куба или диаметр цилиндра), см	Значение коэффициента a
Куб	7	0,85
	10	0,95
	15	1,00
	20	1,05
	30	1,10
Цилиндр (h = 2d)	7 и 10	1,16
	15	1,20
	20	1,24
	30	1,28

Таким образом, при испытании разных по форме и размерам образцов для сопоставления бетонов по прочности, необходимо полученные результаты приводить к прочности базового образца (куба с ребром 15 см).

Во многих странах прочность бетона принято определять на образцах не кубической, а цилиндрической формы. В нормах Европейского комитета по бетону в качестве основного стандартного образца принят цилиндр диаметром 15 см и высотой 30 см.

Влияние на прочность бетона качества материалов и состава бетона

Прочность бетона зависит от двух групп факторов: 1) качества применяемых материалов и состава бетона; 2) технологических факторов (условий приготовления, уплотнения и твердения). При стандартных испытаниях бетона (определении класса или марки) исключают влияние второй группы факторов, делая их неизменными во всех случаях. Поэтому нас в первую очередь будут интересовать факторы первой группы и, особенно, параметры состава бетона, которые позволяют управлять его маркой или классом.

Рассмотрим зависимость прочности бетона от каждого из этих факторов, приняв при этом неизменными все остальные.

1) Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемента R_Ц.

2) Индивидуальные особенности заполнителей могут вызывать изменение прочности бетона не более чем на 10 %. Применение щебня вместо гравия обычно увеличивает прочность бетона.

3) Из трех параметров состава (В/Ц, ЗС, Ц) лишь водоцементное отношение, существенно влияет на прочность бетона; от двух других параметров (ЗС и Ц) прочность бетона практически не зависит. Это обстоятельство является настолько важным для проектирования состава бетона, что его назвали законом водоцементного отношения и сформулировали следующим образом: прочность бетона, приготовленного из неизменных материалов, зависит только от водоцементного отношения и не зависит от остальных параметров состава. Таким образом, если цемент и заполнители одни и те же, то зависимость прочности от состава бетона превращается в однозначную: R₂₈ = f(В/Ц).

С увеличением водоцементного отношения прочность бетона снижается (рис. 11а).

Для прочности бетона предложен ряд эмпирических формул. Наиболее удобной для практического использования оказалась формула, предложенная швейцарским ученым Боломеем и модифицированная Б. Г. Скрамтаевым применительно к нашим условиям испытаний:

где R₂₈ - прочность бетона в возрасте 28 дней; R_Ц – активность цемента (прочность при сжатии половинок стандартных балочек из раствора 1:3 в возрасте 28 дней); A –коэффициент, учитывающий качество заполнителей и принимающий следующие значения:

Крупный заполнитель – щебень. Заполнители промытые и фракционированные	- А = 0,65
Крупный заполнитель – гравий. Заполнители промытые и фракционированные	- А = 0,60
Заполнители непромытые и нефракционированные	- А = 0,55

Рис. 11. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения (а) и обратной величины (б)

В формуле Боломея водоцементное отношение заменено обратной величиной Ц/В, что позволило с достаточно хорошим приближением описать зависимость R₂₈ = f(Ц/В) линейной функцией, аппроксимировав кривую прямой линией (рис. 11б). Формула применима для бетонов, изготовляемых на портландцементе, при значениях Ц/В в пределах от 1,25 до 2,5 (В/Ц = 0,8…0,4). Указанный интервал В/Ц охватывает большинство составов бетона, встречающихся на практике.

Рис. 12. График R28=f(Ц/В) при трех различных активностях портландцемента

Для бетонов, приготовленных на цементах с разной активностью, в соответствии с формулой Боломея получаем пучок прямых, отражающих влияние качества цемента на прочность бетона (рис. 12). При этом, чем выше активность цемента, тем больше будет угол наклона прямой и тем выше прочность бетона при том же значении Ц/В.

Влияние на прочность бетона технологических факторов

К числу технологических факторов, влияющих на прочность бетона, относятся степень уплотнения бетонной смеси при укладке, условия и продолжительность твердения и др.

В зависимости от мощности виброуплотняющих устройств степень уплотнения может быть разной. Опытами установлено, что увеличение объемной массы бетона на 1 % повышает его прочность примерно на 5 %.

Нормальными принято считать условия твердения бетона, при которых температура воздуха близка к 20 ° С, а относительная влажность воздуха – к 100 %. При этих условиях процесс твердения может продолжаться многие годы. Наиболее интенсивно он протекает в первые семь дней и очень медленно – после 28 дней твердения. Рост прочности бетона ориентировочно принимают пропорциональным логарифму времени твердения

где Rt - прочность бетона в испытуемом возрасте, R₂₈ – прочность бетона в возрасте 28 сут, t - возраст бетона. Эта формула применима только для бетона на портландцементе и дает удовлетворительные результаты, начиная с t 3 сут.

Резкое снижение влажности воздуха при твердении бетона вызывает интенсивное испарение воды, что замедляет процессы гидратации цемента и твердения бетона. Поэтому в районах с сухим климатом необходимо поливать поверхность бетона и укрывать ее, чтобы предотвратить потерю влаги. Повышение температуры бетона при сохранении достаточной влажности ускоряет процессы гидратации цемента и нарастания прочности бетона. При температуре 70-90 ^оС отпускную прочность бетона можно получить за 7 – 8 часов твердения.

Твердение бетона ускоряют добавки неорганических солей, таких как хлориды (CaCl₂); сульфаты (K₂SO₄); нитриты [Ca(NO₂)₂]; нитраты [Ca(NO₃)₂] и другие соединения.

2. Прочность бетона при растяжении

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Cопротивление бетона растяжению значительно меньше сопротивления сжатию. Для тяжелых бетонов значения R_сж/R_р находятся в пределах от 15 до 20.

Для испытания на растяжение применяют образцы-восьмерки с квадратным сечением, сторона которого может быть равна 7, 10 ,15 или 20 см (рис. 13а). Предел прочности при растяжении вычисляют как частное от деления разрушающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца.

Прочность бетона на растяжение часто оценивают по прочности раскалывания бетонных образцов. Испытывают на раскалывание образцы (кубы или цилиндры) тех же размеров, что и при испытании на сжатие. Образец-куб испытывают с помощью двух полуцилиндров диаметром 150 мм, а образец-цилиндр помещают между плитами пресса (рис. 15б).

Рис. 13. а) образцы восьмерки для испытания бетона на осевое растяжение б) схема испытаний на раскалывание бетонных образцов (куба и цилиндра)

Предел прочности на растяжение при испытании кубов вычисляют по формуле

(где P_max - разрушающая нагрузка; а – длина ребра куба), а при испытании цилиндров – по формуле

где d – диаметр цилиндра; - длина цилиндра.

Масштабный коэффициент a в формулах (22) и (23) определяются экспериментально или по таблицам стандарта.

Классы бетона по прочности

В зависимости от назначения бетонных и железобетонных конструкций и условий их эксплуатации устанавливают показатели прочности бетона, основными из которых являются:

• Класс по прочности на осевое сжатие B; указывают в проекте во всех случаях как основную характеристику;
• Класс по прочности на осевое растяжение B_t; назначают в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве.

Заданный класс бетона обеспечивают соответствующим составом бетонной смеси с последующим испытанием контрольных образцов.

Класс по прочности на осевое сжатие. По прочности при сжатии в соответствии с ГОСТ 26633-94 установлены следующие классы В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15;В 20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В65; В70; В75; В80.

Класс бетона – это нормируемая прочность бетона в МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95 при стандартном испытании. Это значит, что установленная классом прочность обеспечивается в 95 случаях из 100 и лишь в пяти случаях прочность может быть ниже нормируемой. Соотношение между классом В и маркой бетона по прочности при сжатии можно принять

где - средняя прочность бетона или его марка по прочности при сжатии.

В строительстве используют в основном бетоны классов от В7,5 до В60, что соответствует маркам от М100 до М800.

Класс по прочности на осевое растяжение характеризует прочность бетона на осевое растяжение с учетом статистической изменчивости прочности. По прочности при растяжении стандартом установлены следующие классы: B_t 0,4; B_t 0,8; B_t 1,2; B_t 1,6; B_t 2,0; B_t 2,4; B_t 2,8; B_t 3,2; B_t 3,6; B_t 4,0.

Для конструкций промышленно-гражданского строительства нормативная прочность бетона вычисляется по следующей формуле:

3. Морозостойкость

оглавление | предыдущий пункт | следующий пункт

Морозостойкость – это способность насыщенного водой бетона выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание. Заполняющая поры бетона вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме (примерно на 9 %) и вызывает расширение бетона с образованием трещин. С ростом числа циклов замораживания и оттаивания повреждения в бетоне накапливаются и проявляются в снижении его прочности.

В наибольшей степени страдает бетон в зоне переменного уровня воды.

Морозостойкость гидротехнического бетона оценивается его маркой по морозостойкости: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; F600; F800; F1000.

Число в марке обозначает число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которое выдержали образцы, т. е. их прочность при сжатии снизилась по сравнению с контрольной партией образцов не более, чем на 5 % .

Базовый метод определения морозостойкости

Для определения морозостойкости готовят 18 образцов-кубов (с размером ребра 100, 150 или 200 мм), из них 12 основных (подлежащих замораживанию – оттаиванию) и 6 контрольных. Все образцы выдерживают в камере нормального твердения в течение 24 суток, затем в течение 4 суток насыщают водой. После этого контрольные образцы испытывают на сжатие, а основные подвергают циклам замораживания и оттаивания. Один цикл испытания включает:

• Замораживание образцов в морозильной камере с температурой минус (18± 2) ° С в течение не менее 2,5, 3,5 и 5,5 ч, соответственно размеру образцов 100, 150 и 200 мм (чем крупнее образец, тем больше времени требуется на его замораживание).
• Оттаивание образцов в воде при температуре (18± 2) ° С в течение, соответственно, 2, 3 или 5 ч.

После проведения определенного числа циклов (число циклов обычно равно заданной марке бетона по морозостойкости) образцы испытывают на сжатие и сравнивают прочность основных образцов с прочностью контрольных.

Прочность образцов, подвергавшихся замораживанию, должна составлять не менее 95 % прочности контрольных образцов.

Факторы, влияющие на морозостойкость

Рис. 14. Влияние В/Ц на морозостойкость

В тяжелом бетоне, приготовленном на плотных заполнителях, наиболее пористой, а следовательно, и влагоемкой составляющей является цементный камень. Поэтому морозостойкость бетона определяется в основном морозостойкостью цементного камня и зависит от следующих факторов.

1. Вид цемента. Наибольшую морозостойкость имеют бетоны, приготовленные на портландцементе, наименьшую – на пуццолановом портландцементе. Бетоны на шлакопортландцементе занимают промежуточное положение. Поэтому для бетона зоны переменного горизонта воды необходимо использовать только портландцемент.
2. Минералогический состав цемента. Повышенное содержание С₃A в цементе снижает морозостойкость бетона.
3. Структура пористости цементного камня. Морозостойкость бетона тем выше, чем меньше объем сообщающихся открытых для воды пор и чем меньше их размеры. Рост замкнутой пористости не оказывает отрицательного влияния на морозостойкость.
4. Добавки к бетону. Для повышения морозостойкости в бетон вводят воздухововлекающие добавки. Несмотря на то, что истинная пористость при этом увеличивается на 3-5 %, водопоглощение снижается на 10-15 %, т.к. уменьшается доля открытых пор.
5. Состав бетона. Из трех параметров состава бетона наибольшее влияние на морозостойкость оказывает водоцементное отношение. Чем выше В/Ц, тем ниже морозостойкость бетона (см. рис. 14).

4. Водонепроницаемость

оглавление | предыдущий пункт

В бетоне фильтрация воды осуществляется через сообщающиеся капилляры размером более 1 мкм, а также микрополости в местах контакта цементного камня с заполнителем. Такие капилляры и полости образуются в результате внутреннего водоотделения, усадочных и иных явлений.

Водонепроницаемость оценивается маркой бетона по водонепроницаемости. ГОСТ 26633 – 91 устанавливает следующие марки: W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18 и W20. Число в марке обозначает наибольшее давление (в кгс/см²) воды, которое выдерживают бетонные образцы.

Методика определения водонепроницаемости

ГОСТ 12730.5-84 предусматривает определение водонепроницаемости по “мокрому пятну” и по коэффициенту фильтрации.

Для определения водонепроницаемости изготовляют 6 образцов-цилиндров диаметром 150 мм и высотой не менее 100, 50 и 30 мм при наибольшей крупности зерен соответственно 20, 10 и 5 мм.

Перед испытанием образцы в течение суток выдерживают на воздухе в помещении лаборатории, а затем заключают в стальную обойму. Зазор между образцом и обоймой заливают парафином или воском.

Подготовленные образцы (рис. 15) устанавливают в гнездах испытатальной установки и снизу подают воду под давлением ступенями в 0,2 МПа. Время выдержки на каждой ступени зависит от высоты образцов h и составляет 16, 12, 6 и 4 ч (при h соответственно 150, 100, 50 и 30 мм).

Рис. 15. Схема испытания бетона на водонепроницаемость

Например, первые 16 ч (h=150 мм) поддерживают давление воды 0,2 МПа, следующие 16 ч – 0,4 МПа и так далее до появления мокрого пятна на верхней торцевой поверхности образца.

Водонепроницаемость бетона характеризуют наибольшим давлением воды, при котором четыре образца из шести не имели мокрого пятна или росы.

При определении коэффициента фильтрации воду, прошедшую через образец (фильтрат) собирают и взвешивают каждые 30 мин. Коэффициет фильтрации К_ф (см/с) определяют по формуле

К_ф = h Qd /St p,     (13)

Где Q – вес фильтрата, Н; d - толщина образца, см; S – площадь образца, см²; t - время испытания, с; p – избыточное давление, МПа; h - коэффициент, учитывающий вязкость воды (при t = 20⁰С, h =1,0).

Факторы, влияющие на водонепроницаемость

1. Вид цемента. При прочих равных условиях более водонепроницаем бетон, приготовленный на пуццолановом портландцементе. Бетоны на шлакопортландцементе и на портландцементе обладают меньшей водонепроницаемостью.

Рис. 16. Влияние В/Ц на водонепроницаемость бетона

2. Вид добавок. Поверхностно-активные добавки и особенно воздухововлекающие добавки повышают водонепроницаемость бетона, так как создают замкнутые микропоры, которые блокируют ходы сообщения между отдельными капиллярами и понижают фильтрационную способность бетона.
3. Водоцементное отношение. Чем выше водоцементное отношение, тем ниже водонепроницаемость (рис. 16).
4. Режим уплотнения. Высокая степень уплотнения бетонной смеси в момент ее укладки в конструкцию способствует повышению водонепроницае-мости.
5. Режим твердения. Оптимальный тепловлажностный режим твердения бетона благоприятно отражается на водонепроницаемости бетона. Отсутствие температурных и влажностных перепадов в сечениях конструкции позволяет уменьшить или избежать образования температурных трещин или направленной пористости, возникающей от перемещения воды под действием градиентов температуры и влагосодержания.