27. 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.

28. Одна из основных причин объемных изменений бетона - усадка, под которой понимается совокупность изменений, обусловленных процессами гидратации цемента и изменениями влагосодержания бетона при твердении на воздухе.

Усадку бетона можно представить как сумму деформаций двух видов - собственно усадки и влажностной усадки. Собственно усадка происходит в результате уменьшения истинного объема системы цемент - вода при гидратации. Она может развиваться при полной изоляции образца от внешней среды и всегда ведет к необратимому уменьшению первоначального объема. Влажностная усадка связана с изменением влагосодержания бетона; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит уменьшение объема (усадка), а при достаточном притоке влаги - увеличение объема (набухание). Деформации в результате влажностной усадки бетона в 10-20 раз превышают деформации собственно усадки, поэтому изменения влагосодержания бетона - основной источник усадочных деформаций.

Величина усадки (набухания) зависит от вида цемента, состава бетона, способов укладки и ухода за бетоном, температурно-влажностных условий среды и др. и колеблется в широких пределах; средние значения для бетона могут быть приняты равными: усадка 0,3 мм/м, набухание 0,10 мм/м.

Прирост деформаций усадки во времени происходит по затухающему закону, приблизительно пропорционально логарифму времени, и может продолжаться годами (рис. 2.6). Развитие влажностной усадки начинается с поверхности и постепенно по мере высыхания бетона распространяется вглубь. Это нередко приводит к растрескиванию поверхности бетона, наблюдаемому при быстром высыхании (например, под действием солнечных лучей).

Попеременное увлажнение и высыхание бетона приводит, в свою очередь, к попеременному набуханию и усадке, причем деформация набухания значительно меньше деформации усадки. Эти процессы наблюдаются в результате объемных изменений цементного камня. Усадка бетона складывается из контракционной, влажностной и карбонизационной составляющих. Контракционная происходит в результате уменьшения объема цемента и воды при их взаимодействии. Она невелика и приводит, в основном, к изменению поровой структуры материала. Влажностная происходит при испарении воды из бетона и уменьшении толщины водных пленок. Она является основным видом усадки. Карбонизационная связана с уменьшением объема при взаимодействии Са(ОН)2 цементного камня с углекислым газом духа и образованием СаСО3.

29. Плотность бетона заметно влияет на его стойкость в различных условиях эксплуатации. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и плотность затвердевшего бетона. Бетонная смесь может быть почти совершенно плотной (имеется в виду плотность с учетом воды, содержащейся в смеси), если она правильно рассчитана и плотно уложена. Плотность такой бетонной смеси довольно точно совпадает с теоретической, рассчитанной по сумме абсолютных объемов материалов, если бетонная смесь не содержит вовлеченного воздуха. В затвердевшем бетоне только часть воды находится в химически связанном состоянии. Остальная (свободная) вода остается в порах или испаряется. Поэтому затвердевший бетон никогда не бывает абсолютно плотным.

Пористость бетона можно опредить по формуле, %:

где В и Ц -расход воды и цемента на 1 м3 бетона (1000 дм); w - количество химически связанной воды в долях от массы цемента.

В возрасте 28 сут цемент связывает приблизительно 15% воды от своей массы. Например, если в 1 м3 бетонной смеси содержится 320 кг цемента и 180 л воды, то пористость бетона будет:

Поры в тяжелом бетоне, образовашиеся на месте избыточной воды, располагаются в цементном камне и подразделяются на поры геля и капиллярные поры. Если в бетоне содержится вовлеченный воздух, то суммарная пористость возрастает:

Псум = П1 + П2

где П2 - объем вовлеченного воздуха, %.

Плотность бетона может быть повышена тщательным подбором зернового состава заполнителей, дающим уменьшение объема пустот в смеси заполнителей, а следовательно, и содержания цементного камня в бетоне. Кроме того, можно применять цементы, присоединяющие возможно больше воды (высокопрочный портландцемент, глиноземистый цемент, расширяющийся цемент), или цементы, занимающие больший абсолютный объем (пуццолановый портландцемент). Плотность бетона может быть повышена путем уменьшения водоцементного отношения, что достигается введением в бетонную смесь специальных добавок - пластификаторов, уплотнением бетонной смеси вибрацией, центробежным или другим механизированным способом. Часть свободной воды из бетонной смеси при укладке можно удалить вакуумированием.

Бетон представляет собой сложную многофазную систему, состоящую из цементного камня с равномерно распределенными в нем включениями в виде зерен песка и крупного заполнителя, а также более или менее мелких пор, заполненных водными растворами минеральных веществ и воздухом. Однородным можно назвать такой бетон, в котором его разнородные компоненты и все три фазы —твердая, жидкая и газообразная — распределены равномерно.

Наличие жидкой и газообразной фаз объясняется пористостью бетона; последняя является следствием как самой природы цементного камня, так и принятой технологии изготовления бетона. В отдельных случаях создается искусственная пористость путем введения в бетонную смесь газообразующих и воздухововлекающих добавок, пенистой массы и т. п, В нормально плотных бетонах степень пористости в значительной степени зависит от величины водо-цементного отношения, принятого при затворении бетонной смеси.

По классификации Н. А. Мощанского, в зависимости от происхождения поры и другие неплотности в цементном камне и бетоне можно разделить на следующие виды: поры геля; размер их колеблется в пределах от 25 до 1000 А (0,0025—0,1 мк); поры эти в основном замкнутые; капиллярные поры, образующиеся в результате испарения и миграции влаги. Размер их колеблется в довольно широких пределах— от 0,1 мк и менее (микрокапилляры) до 10—50 мк (макрокапилляры); эти поры в основном открытые и сообщающиеся между собой; открытые трещины и микротрещины температурно-усадочного происхождения. Толщина их может достигать нескольких мм; воздушные поры, образовавшиеся в результате преднамеренного вовлечения воздуха в бетонную смесь при приготовлении ячеистых бетонов, применения воздухововлекающих добавок при приготовлении и укладке бетонной смеси.