ФАВОРИТ-СТРОЙ

Бетон как материал для железобетонных конструк­ций должен обладать вполне определенными, наперед заданными физико-механическими свойствами: необхо­димой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, до­статочной плотностью (непроницаемостью) для защиты. арматуры от коррозии.

В зависимости от назначения железобетонной конст­рукции и условий ее эксплуатации бетон должен еще удовлетворять специальным требованиям: морозостойко­сти при многократном замораживании и оттаивании (на­пример, в панелях наружных стен здании, в открытых со­оружениях и др.), жаростойкости при длительном воз­действии высоких температур, коррозионной стойкости ври агрессивном воздействии среды и др. Бетоны подразделяют по ряду признаков: а) структуре — плотной структуры, у которых прост­ранство между зернами заполнителя полностью занято "затвердевшим вяжущим; крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; поризованные, т. е. с заполнителями и ис­кусственной пористостью затвердевшего вяжущего; яче­истые с искусственно созданными замкнутыми порами; І б)средней плотности — особо тяжелые со средней Пилотностью более 2500 кг/м3; тяжелые — со средней плот­ностью более 2200 н до 2500 кг/м3; облегченные со сред - |Ней плотностью более 1800 и до 2200 кг/м3; легкие со Средней плотностью более 500 и до 1800 кг/м3; || в) виду заполнителей — на плотных заполнителях; пористых заполнителях; специальных заполнителях, удов­летворяющих требованиям биологической защиты, жа­ростойкости и др.;

Г) Зерновому составу - г - крупнозернистые с крупными н мелкими заполнителями; мелкозернистые с мелкими заполнителями;

Д) Условиям твердения — бетон естественного тверде­ния; бетон, подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении; подвергнутый автоклавной обработке при высоком давлении.

Сокращенное наименование бетонов, применяемых для несущих железобетонных конструкций, установлено сле­дующее:

Тяжелый бетон — бетон плотной структуры, на плот­ных заполнителях, крупнозернистый, на цементном вя­жущем, при любых условиях твердения;

Мелкозернистый бетон — бетон плотной структуры, тяжелый, на мелких заполнителях, на цементном вяжу­щем при любых условиях твердения;

Легкий бетон — бетон плотной структуры, на пори­стых заполнителях, крупнозернистый, на цементном вя­жущем, при любых условиях твердения.

В качестве плотных заполнителей для тяжелых бето­нов применяют щебень из дробленых горных пород — песчаника, гранита, диабаза н др. — н природный квар­цевый песок. Пористые заполнители могут быть естест­венными — перлит, пемза, ракушечник н др. — или искус­ственными — керамзит, шлак н т. п. В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлнтобетон н т. д.

Бетоны поризованные, ячеистые, а также на пористых заполнителях со средней плотностью 1400 кг/м3 н менее применяют преимущественно для ограждающих конст­рукций. Бетоны особо тяжелые применяют в конструк­циях для биологической защиты от излучений. Чтобы получить бетон, обладающий заданной прочностью н удов­летворяющий перечисленным выше специальным требо­ваниям, подбирают по количественному соотношению не­обходимые составляющие материалы: цементы различ­ного вида, крупные н мелкие заполнители, добавки различного вида, обеспечивающие удобоукладываемость смеси или морозостойкость, н т. п.

На прочность бетона оказывают влияние многие фак­торы: зерновой состав (его подбирают так, чтобы объем пустот в смеси заполнителей был наименьшим), проч­ность заполнителей н характер их поверхности, марка цемента н его количество, количество воды н др. При шероховатой и угловатой поверхности заполнителей повышается их сцепление с цементным раствором, поэтому батоны, приготовленные на щебне, имеют большую проч­ность, чем бетоны, приготовленные на гравии. Вопросы подбора состава бетона излагаются в курсах строитель­ных материалов.

Необходимая плотность бетона достигается подбором зернового состава, высококачественным уплотнением бе­тонной смеси при формовании, применением достаточно­го количества цемента, которое колеблется от 250 до 500 кг/м3. Повышение плотности бетона ведет и к повы­шению его прочности. Чтобы сократить расход цемента, марка его должна быть выше требуемой прочности бе­тона.

Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Чтобы уяснить этот вопрос, рассмотрим схему физико-химического про­цесса образования бетона. При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реак­ция соединения минералов цемента с водой, в результа­те которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в хи­мическую реакцию, частицами цемента и незначительны­ми соединениями в виде кристаллов. В процессе переме­шивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы постепенно соединяются в кристаллические сростки, рас­тущие с течением времени. Твердеющий гель превраща­ется в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый матери­ал— бетон.

Существенно важным фактором, влияющим на струк­туру и прочность бетона, является количество воды, при­меняемое для приготовления бетонной смеси, оценивае­мое водоцементным отношением W/C (отношением взве­шенного количества воды к количеству цемента в едини­це объема бетонной смеси). Для химического соединения с цементом необходимо, чтобы W/C«0,2. Однако по технологическим соображениям — для достижения до­статочной подвижности и удобоукладываемости бетон-

Ной смеси — количество воды берут с некоторым избыт­ком, Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие фор­му ЦОД влиянием текучести, имеют W/C=0,5...0,6, а жест­кие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют W/C=0,3...0,4.

Избыточная, химически несвязанная вода частью вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет мно­гочисленные поры и капилляры в цементном камне и по­лостях между зернами крупного заполнителя и стальной арматурой и, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований, поры занимают около трети объе­ма цементного камня; с уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона уве­личивается. Поэтому в заводском производстве железо­бетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C. Бетоны из жестких смесей обладают большей прочно­стью, требуют меньшего расхода цемента и меньших сро­ков выдержки изделий в формах.

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами пес­ка и щебня различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пори­стый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая и газо­образная. Цементный камень также обладает неоднород­ной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.

Длительные процессы, происходящие в таком матери­але— изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристалличес­ких сростков — наделяют бетон своеобразными упругопластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды.

Исследования показали, что теории прочности, пред­ложенные для других материалов, к бетону непримени­мы. Зависимость между составом, структурой бетона, его прочностью и деформативностью представляет собой за­дачу, над которой работают исследователи. Суждения о прочности и деформативности бетона основаны на боль­шом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.

Усадка бетона и начальные напряжения

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при затвердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набухание бетона). Бетоны, приготовленные на специальном це­менте (расширяющемся или безусадочном^, не дают усадки. Усадка бетона, как показывают опыты, зависит от ряда причин: 1) количества и вида цемента — чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка, при этом высокоактивные и глиноземистые це­менты дают большую усадку: 2) количества воды — чем больше W/C, тем больше усадка; 3) крупности заполни­телей — при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше.

Влияние заполнителей на уменьшение усадки тем сильнее, чем выше их способность сопротивляться дефор­мированию, т. е. чем выше их модуль упругости. При разной крупности зерен заполнителей и меньшем объеме пустот меньше и усадка. Различные гидравлические до­бавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку.

Обычно усадка бетона происходит наиболее интенсив­но в начальный период твердения и в течение первого года, в дальнейшем она постепенно затухает. Скорость усадки зависит от влажности окружающей среды — чем меньше влажность, тем больше усадочные деформации и выше скорость их роста. Усадка бетона под нагрузкой при длительном сжатии ускоряется, а при длительном растяжении, наоборот, замедляется.

Усадка бетона связана с физико-химическими про­цессами твердения и уменьшения объема цементного ге­ля, потерей избыточной воды на испарение во внешнюю среду, на гидратацию с еще непрореагировавшими час­тицами цемента. По мере твердения цементного геля, уменьшения его объема и образования кристаллических сростков усадка бетона затухает. Капиллярные явления в цементном камне, вызванные избыточной водой, также влияют на усадку бетона — поверхностные натяжения

Менисков вызывают давление на стенки капилляров, и" происходят объемные деформации.

Усадке цементного камня в период твердения бетона ' препятствуют заполнители, которые становятся внутрен­ними связями, вызывающими в цементном камне началь­ные растягивающие напряжения. По мере твердения геля образующиеся в нем кристаллические сростки становят­ся такого же рода связями. Неравномерное высыхание бетона приводит к неравномерной его усадке, что в свою очередь, ведет к возникновению начальных усадочных напряжений. Открытые, быстрее высыхающие поверхно­стные слои бетона испытывают растяжение, в то время как внутренние, более влажные зоны, препятствующие усадке поверхностных слоев оказываются сжатыми. Следствием таких начальных растягивающих напряже­ний являются усадочные трещины в бетоне.

Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки бетона, не учитывают непосредственно в расчете прочности железобетонных конструкций; их учитывают расчетными коэффициентами, охватывающими совокуп­ность характеристик прочности, а также конструктивны­ми мерами— армированием элементов. Уменьшить на­чальные усадочные напряжения в бетоне можно техно­логическими мерами — подбором состава, увлажнением среды при тепловой обработке твердеющего бетона, ув­лажнением поверхности бетона и др., а также конструк­тивными мерами— устройством усадочных швов в кон­струкциях.

вернуться к статьям