|
Свойства бетонной смеси и бетона.
Тяжёлый бетон должен приобрести проектную прочность к определённому сроку и обладать другими качествами, соответствующие назначению изготовляемой конструкции (водостойкостью, морозостойкостью, плотностью и т.д.). Кроме того, требуется определённая степень подвижности бетонной смеси.
Прочность бетона. В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Лучше всего бетон работает на сжатие, и этот показатель служит основной характеристикой механических свойств бетона.
По величине предела прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 20см, изготовленных из рабочей бетонной смеси, после твердении их в течении 28 суток в нормальных условиях определяют марку бетона. Допускается определение прочности на образцах 30х30х30, 15х15х15, 10х10х10 см. Результаты испытаний таких образцов приводятся нормальным умножением показателей на соответствующие коэффициенты 1,1; 0,9; 0,85. Отклонения от заданной проектной прочности допускаются только в сторону увеличения, но не более чем на 15%. Излишнее увеличение прочности бетона влечёт за собой перерасход цемента и, следовательно, удорожание бетона.
Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условия твердения. Основными факторами при этом оказываются активность цемента, водоцементное отношение. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, однако при одной и той же активности цемента можно получить бетон различной прочности в зависимости от изменения количества воды в смеси. Эта зависимость была установлена в 1895г. проф. И.Г. Малюгой.
Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц = 0,4-0,7, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нём поры, что ведёт к снижения плотности и соответственно прочности бетона. Прочность бетона можно повысить путём уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.
График зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения.
где Rб - предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут. нормального твердения, Rц - активность цемента.
где А и А1 коэф., зависящие от свойств и качества применяемых материалов.
К высококачественным материалам относятся щебень из плотных горных пород высокой прочности, песок оптимальной крупности, (заполнители должны быть чистые промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций) и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. К рядовым материалам относятся заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокопрочный шлакопортландцемент. Материалы пониженного качества - крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, заполнители, отвечающие пониженным требованиям и цементы низкой активности.
Прочность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона, пока она больше проектируемой марки бетона. Применение низкопрочных заполнителей с прочностью ниже требуемой марки бетона может существенного снизить прочность последнего или потребует высокого расхода цемента.
Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличии от гравия зёрна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем, а бетон, приготовленный на щебне при прочих равных условиях, имеют большую прочность, чем бетон на гравии.
Прочность тяжёлого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7-14 суток прочность бетона растёт быстро, затем к 28 сут рост прочности замедляется и постепенно затухает; во влажной тёплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения средняя прочность бетонных образцов в 7-суточном возрасте составляет 60-70% прочности 28-суточных образцов,
в 3-месячном возрасте - 25%, а в 12-месячном - на 75% выше, чем у образцов
28-суточном возрасте.
Большое влияние на прочность бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха 90-100% и температура 20±20С. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, что может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляет с её понижением. Для ускорения твердения бетона применяют добавки - ускорители твердения: хлористый кальций и хлористый натрий. Это имеет большое практическое значение при производстве бетонных работ в зимних условиях, так как эти добавки позволяют также получать бетоны, твердеющие на морозе.
Особые свойства бетона.
а) Плотность и непроницаемость.
Высокая прочность бетона достигается рациональным подборов зернового состава заполнителей (с минимальной пустотностью), применение бетонных смесей с низким водоцементным отношением, интенсивным уплотнением, введением в бетонную смесь пластифицирующих и гидрофобизующихок добавок.
Выполнение указанных мероприятий не даёт возможности получить абсолютно плотный бетон. Поры в бетоне образуются в результате испарения воды, не вступавшей в химическую реакцию с цементом при его твердении, а также в следствие неполного удаления воздушных пузырьков при уплотнении бетонной смеси. Для устранения этого недостатка на внутреннею поверхность сооружений наносят газонепроницаемые плёнки, например из пластмасс.
Плотный бетон при мелкопористой структуре и достачной толщине конструкции оказывается практически водонепроницаемым. Водонепроницаемость бетона характеризуется наибольшим давлением воды, при котором она ещё не просачивается через образцы. По водонепроницаемости бетон делят на 4 марки: В2, В4, В6, В6, выдерживающие соответственно давление 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 МПа.
В более тонких конструкциях добиваются высокой водонепроницаемости бетона использованием гидрофобного цемента, а также применением водоизоляционных покрытий, наносимых на поверхность пневматическим способом (торкретированием).
Плотный бетон может быть непроницаем не только для воды, Нои для жидких нефтяных продуктов вязкой консистенции - мазута, тяжёлой нефти.
Лёгкие средние нефтяные фракции, например бензин и керосин, проникают через бетон легче, чем вода. С целью защиты бетонных и железобетонных сооружений, предназначенных для хранения нефтепродуктов, поверхности сооружений покрывают жидким стеклом, а от проникания лёгких и жидких нефтяных продуктов (бензина, керосина и др.) применяют специальные бензинонепроницаемые мембраны, поверхностные покрытия - плёнки из пластмасс или изготавливают бетон на непроницаемом для указанных жидкостей расширяющемся цементе.
Морозостойкость является одним из главных требований, предъявляемых к бетону гидротехнических сооружений, дорожных покрытий, опор мостов и других подобных конструкций. Морозостойкость бетона характеризуется наибольшим числом циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые способны выдержать образцы 28-суточного возраста без снижения предела прочности при сжатии более чем на 25% и без потери в массе более 5%.
ГОСТ 10060-76 на тяжёлый бетон, в том числе и на гидротехнический, устанавливают 5 марок по морозостойкости: Мрз50, 100, 150, 200 и 300. Марку бетона по морозостойкости выбирают в зависимости от климатических условий (числа перемен уровня воды на омываемой поверхности бетона или числа смен замораживания и оттаивания на зимний период). Морозостойкими оказываются, как правило бетоны, высокой плотности. Не менее важную роль в морозостойкости бетона играет морозостойкость заполнителей. Марка заполнителя по морозостойкости должна быть не ниже этого показателя для бетона.
Деформативные свойства бетона.
Бетон под нагрузкой ведёт себя иначе, чем сталь и другие упругие материалы.
Область упругой работы бетона идёт от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по границе сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины, при дальнейшем нагружении микротрещины образуются уже в цементном камне и возникают пластические неупругие деформации бетона. Развитию пластических деформаций бетона также способствует глеевая составляющая цементного камня. Бетон ведёт себя как упруговязкопластическое тело.
Опытами установлено, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружении для бетона характерна упругая деформация. Если напряжение превосходит 0,2 от предела прочности, то наблюдается заметная остаточная (пластическая) деформация (рис.). Полную деформацию можно представить как сумму упругой и пластической деформации (Епл + Еупр). Поэтому диаграмма деформирования (зависимость напряжения σ от относительной деформации Е) не прямолинейна, для каждого напряжения существует свой модуль упругости. Принято за начальный модуль упругости бетона при сжатии и растяжении применять отношение нормативного напряжения к относительной деформации при величине напряжения к относительной деформации при величине напряжения не более 0,2 от предела прочности.
Следовательно , начальный модуль упругости представляет собой тангенс угла наклона касательной ОА и, следовательно, Еп = 0,2R/ε0,2R . Для других точек кривой, лежащих за указанной границей, модуль деформаций является переменной величиной, равной отношению соответствующего напряжения к полной деформации.
Начальный модуль упругости растёт при увеличении прочности бетона и уменьшается с увеличением пористости бетона. При одинаковой марке бетона модуль упругости лёгкого бетона на пористом заполнителе в 1,7-2.5 раза меньше тяжёлого бетона. Модуль упругости ячеистого бетона ещё ниже. Модули упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой.
Коэффициент Пуассона μ бетон изменяется в довольно узких пределах 0,13-0,22 и в среднем равен 0,167. Модуль деформации лёгких бетонах напористых заполнителях примерно в два раза меньше, чем у равнопрочных тяжёлых бетонах, повышение предельной деформации бетона увеличивает его трещиностойкость.
Ползучесть - явление увеличения деформации бетона во времени при действии постоянной нагрузки. Полная относительная деформация бетона при длительном действии нагрузки слагается из его начальной упругой и пластической деформации ползучести. Ползучесть проявляется при всех видах деформаций. Ползучесть бетона объясняют пластическими свойствами влажного цементного геля, а также возникновением и развитием микротрещин. Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, водоцементного отношения, влажности и условия твердения. Меньшая ползучесть у бетона на высокомарочных центах и плотных заполнителях. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях имеют большую ползучесть, чем тяжёлые.
Усадка и расширение бетона.
В процессе твердения происходят объёмные изменения бетона. Твердение бетона на воздухе, за исключением бетона на безусадочном и расширяющемся цементах, сопровождается уменьшением объема, т.е. усадкой. Пи твердении бетона в воде вначале объём несколько увеличивается и воздушно - сухих условиях бетон даёт усадку. Значительную усадку имеют бетоны из жидких смесей ( с большим расходом цемента, а также водоцементном отношении) . Наибольшая усадка в бетоне происходит в начальный период твердения - за первые сутки она составляет до 60-70% от величины месячной усадки. Объясняется это тем , что в указанный период особенно интенсивно обезвоживается тесто в следствии испарения и поглощения влаги гидратирующимися зернами цемента. В результате обезвоживания частицы сближаются между собой, и цементный камень даёт усадку.
Объёмные изменения в бетоне в первый период твердения вызываются расширением от нагревания (иногда до 500С внутри массивных конструкций) в результате экзотермических реакций цемента с водой. Объёмные изменения бетона могут вызвать значительные деформации конструкций и даже появление трещин. Для предотвращения их массивных бетонных конструкциях устраивают специальные температурные швы. Чтобы уменьшить экзотермию бетона, применяют цементы с малым выделением тепла. Величина усадки бетона на портландцементе зависит от минералогического состава и тонкости помола цемента. Усадка бетона возрастает с увеличением тонкости помола цемента.
Агрессивная среда и меры защиты от неё. Практика эксплуатации водопроводно-канализационных бетонных сооружений показала, что ряде случаев под влиянием физико-химического действия жидкостей и газов бетон может разрушатся. Коррозия бетона вызывается главным образом разрушением цементного камня. Коррозия бетона возникает в результате проникания агрессивного вещества в толщу бетона, и особенно интенсивно при постоянной фильтрации такого вещества через трещины или поры бетона. Поэтому основной мерой предохранения бетона от коррозии является придания ему возможно большей плотности и правильное конструирование элементов сооружений, обеспечивающие равномерную (без образования трещин) деформацию бетона в процессе твердения.
Для предохранения бетона от коррозии следует применять цементы с минимальным выделением гидрооксида кальция и малым содержанием трёхкальциевого алюмината. К таким цементам относятся портландцементы с гидравлическими добавками, шлакопортландцемент, глиноземистый цемент, сульфатостойкие цементы. С целью устранения пор в поверхностных слоях бетона применяют импрегнирование в бетон цементного раствора, силикатирование, флюатирование. Защитить бетон проникания агрессивных веществ можно с помощью поверхностных покрытий, облицовки их плотными керамическими плитками или камнями, вылложеными на кислотоупорном цементе, созданием водонепроницаемой оболочке вокруг бетона из слоя жирной утрамбованной глины, покрытия гидроизоляционными битуминозными материалами и др.
Отношение к действию высоких температур. Бетон - огнестойкий материал выдерживающий высокие температуры во время пожара. Огнестойкость бетона позволяет применять его для устройства дымовых труб, промышленных печей, их фундаментов. В последние годы бетон специального состава всё смелее применяют футеровки тепловых аппаратов, работающих при температуре 10000С и выше.
Огнестойкость бетона зависит не только от вида цемента, но и природы заполнителей. Если в качестве заполнителей применяют горную породу, в состав которой входит кристаллический кварц то при температуре около 6000С в бетоне могут появится трещины в следствии значительного увеличения объёма кварца.
При проектирование бетонных конструкций подвергающихся длительному воздействию температур, необходимо учитывать, что при температуре 150-2500С прочность бетона на портландцементе снижается на 25%. При нагревание бетона выше 5000С и последующем увлажнении он разрушается. Вначале происходит дегидратация гидрооксида кальция Са(ОН)2 →СаО + Н2О , а затем при последующем увлажнении образовавшееся СаО гасится с увеличением в объёме, что приводит к разрушению цементного камня и бетона.
Для строительных конструкций, подвергающихся длительному воздействию высоких температур (свыше 2500С), применяют специальный жаростойкий бетон.
|
