Прочность свежеотформованной бетонной смеси

Прочность свежеотформованной бетонной смеси, т.е. способность сохранять форму после удаления формообразующей оснастки, необходима при бетонировании конструкций с немедленной распалубкой и зависит от ее жесткости. Малоподвижные смеси не обладают этим свойством.

В качестве примера можно привести пустотелые плиты перекрытий. Они формуются из бетонных смесей марки по удобоукладываемости Ж2. После удаления пустотообразователей из отформованной плиты она не разрушается.

Свойства бетона

Свойства бетона зависят от его строения. Они оцениваются следующими показателями: прочностью при сжатии, растяжении, растяжении при изгибе, срезе и смятии усадкой и набуханием, водонепроницаемостью, морозостойкостью тепловыделением, теплоемкостью; акустическими свойствами, – коррозионной стойкостью и др.

Строение бетона

Бетон представляет собой композиционный материал, состоящий из зерен заполнителей, цементного камня (матрицы) и контактного слоя между ними. Цементный камень склеивает зерна заполнителей. При недоуплотнении бетонной смеси создаются воздушные пустоты. В цементном камне и контактной зоне могут образовываться трещины (рисунок 4.8). Соотношение между компонентами и однородностью смеси характеризует макроструктуру бетона. Она видна невооруженным глазом или при небольшом увеличении.

Микроструктурой называют компоненты бетона, видимые при значительном увеличении под микроскопом. Это цементный камень, контактный слой и поры.

Основным компонентом бетона является цементный камень, который состоит в основном из продуктов гидратации цемента, негидротированнных зерен клинкера и добавок.

Контактный слой обычно составляет 30–60 мкм. Он отличается от цементного камня. При гидролизе 3CaO∙SiO₂ на поверхности заполнителя располагаются Ca(OH)₂ и CaCO₃.

На поверхности известнякового заполнителя образуются карбоалю-минаты. Отдельные заполнители, такие как пемза, керамзит содержат аморфный кремнезем, взаимодействующий с Ca(OH)₂ с образованием гидросиликатов. При автоклавной обработке кварцевый песок взаимодействует с Ca(OH)₂. Все эти факторы влияют на величину сцепления заполнителей с цементным камнем. У бетонов на плотных заполнителях оно меньше прочности цементного камня на растяжение. Лучшее сцепление у пористых заполнителей.

Бетон – пористый материал. Пористость П_б включает пористость цементного камня П_ц._к, заполнителей; П_з, межзерновую пустотность П_м._з и объем вовлеченного воздуха П_в

П_б = П_ц._к + П_з + П_м.з + П_в.

Пористость плотных заполнителей обычно не более 1 %, межзерновые пустоты бетона плотной структуры составляют чаще всего 2–3 %, объем вовлеченного воздуха – 2–6 % при коэффициенте уплотнения К_у = 0,94–0,98. Поэтому пористость тяжелого бетона плотной структуры это в основном пористость цементного камня.

Поры образовались в результате физико-химических процессов твердения цемента и испарения не связанной в новообразования воды.

Цементный камень включает поры геля и капиллярные поры.

Поры геля расположены между частицами геля. Размер их не более 0,004 мкм, количество составляет 28 %. Они заполнены адсорбционно связанной водой, которая не замерзает при температуре минус 78 °С. Морозостойкость цементного бетона не уменьшается.

Капиллярные поры имеют размеры более 0,1 мкм. При твердении бетона физически и химически связанная вода составляет 50 % от массы цемента. Если нет доступа воды извне, в бетоне с В/Ц > 0,5 всегда будут капиллярные поры, образовавшиеся несвязанной водой затворения. Объем капиллярных пор уменьшается с понижением водоцементного отношения и с повышением степени гидратации цемента.

При водонасыщении бетона капиллярные поры заполняются водой, которая замерзает при температуре ниже 0 °С. При большом количестве капиллярных пор морозостойкость и водонепроницаемость бетона понижается, бетон плохо сопротивляется химической коррозии.

Общую пористость тяжелого бетона без учета объема вовлеченного воздуха П_о, %, можно вычислить по формуле

где В – расход воды, кг/м³; В_х.с – количество химически связанной воды, кг/м³, определяемой по формуле

В_х.с = 0,84wЦ

где w – количество химически связанной воды в процентах от массы цемента, принимается 15–20 % через 28 суток твердения бетона, в формулу подставляется в виде коэффициента, равного 0,15–0,20; ц – расход цемента, кг/м³.

Плотность химически связанной воды больше единицы, поэтому ее объем принят 0,84 л/кг.

Прочность бетона

Важнейшим свойством бетона является прочность. Лучше всего он сопротивляется сжатию. Поэтому конструкции проектируются таким образом, чтобы бетон воспринимал сжимающие нагрузки. В отдельных конструкциях учитывается прочность на растяжение или на растяжение при изгибе.

Прочность бетона характеризуется классом или маркой. Класс представляет собой нормируемое значение гарантированной прочности бетона, МПа, с доверительной вероятностью 0,95 с учетом однородности бетона. Маркой называется нормируемое значение средней прочности бетона, кгс/см² (10^-1МПа), без учета однородности бетона.

Прочность бетона назначается чаще всего в возрасте 28 суток. В зависимости от времени нагружения конструкций может назначаться и в другом возрасте. Например, 4; 7; 60; 90; 180 суток. Так, для бетона гидротехнических речных сооружений прочность назначается в возрасте 180 суток.

В целях экономии цемента полученные значения прочности бетона не должны превышать предел прочности, соответствующий классу или марке более чем на 15 %.

Прочность бетона определяется по результатам испытания контрольных образцов, форма и размеры которых приведены в таблице 4.20.

Метод	Форма образца	Формулы для определения предела прочности	Размеры образца, мм
Определение прочности на сжатие и на растяжение при раскалывании	Куб   Цилиндр	где R – предел прочности бетона на сжатие, МПа; Р – разрушающее усилие, Н; F – площадь рабочего сечения образца, мм2; a – масштабный коэффициент	Длина ребра: 70; 100; 150; 200; 300;   Диаметр d: 70; 100; 150; 200; 300;
Определение прочности на осевое растяжение	Призма квадратного сечения   Цилиндр   Восьмерка	где R t – предел прочности бетона на растяжение, МПа; P – разрушающее усилие, Н; F – площадь рабочего сечения образца, мм2; b – масштабный коэффициент	70х70х280; 100х100х400; 150х150х600; 200х200х800; Диаметр d: 70; 100; 150; 200; 300; Высота h = 2 d Поперечное сечение восьмерок: 70х70; 100х100; 150х150; 200х200
Определение прочности на растяжение при изгибе и при раскалывании	Призма квадратного сечения	Растяжение при изгибе Растяжение при раскалывании где R tb и R tt – пределы прочности на растяжение при изгибе и растяжении при раскалывании, МПа; P – разрушающее усилие, Н; F – площадь рабочего сечения образца, мм2; a, b, – ширина, высота и расстояние между опорами, мм; d и g – масштабные коэффициенты	70х70х280; 100х100х400; 150х150х600; 200х200х800;

Таблица 4.20 – Форма и размеры контрольных образцов. Формулы для определения прочности бетона

Наименьший размер образца примерно в три раза должен превышать наибольшую крупность заполнителя.

Образцы изготавливаются и испытываются сериями. Количество образцов в серии зависит от внутрисерийного коэффициента вариации V _s и принимается 2 при V _s 5 % и менее, 3 или 4 при V _s более 5 до 8 % и 6 при V s более 8 %. Если коэффициент вариации не определялся, его принимают 13,5 %, и прочность бетона устанавливается испытанием 6 образцов.

За базовый образец при всех видах испытаний принимается образец с размером рабочего сечения 150х150 мм. При испытании образцов с другим рабочим сечением в формулы для определения прочности бетона, приведенные в таблице 4.20, вводятся масштабные коэффициенты по таблице 4.21.

Таблица 4.21 – Масштабные коэффициенты

Прочность на сжатие. По прочности на сжатие тяжелые бетоны подразделяются на классы: B3,5; B5; B7,5; B10; B12,5; B15; B20; B20,5; B25; B27,5; B30; B35; B40; B50; B55; B60; B70; B75; B80; B85; B90; B95; B100; B105; и марки: M50; M75; M100; M150; M200; M250; M300; M350; M400; M450; M500; M600; M700; M800; M900; M1000.

Между классом бетона и его средней прочностью при коэффициенте вариации прочности бетона n = 13,5 % (0,135) и коэффициенте доверительной вероятности t = 0,95 существуют зависимости

B = R × 0,778 или R = B /0,778.

Например, для бетона класса В20 среднее значение предела прочности контрольных образцов R = 20/0,778 = 25,71 МПа.

При проектировании конструкций чаще всего назначается класс бетона, в отдельных случаях – марка. Соотношение классов и марок для тяжелого бетона по прочности на сжатие приведены в таблице 4.22.

Таблица 4.22 – Соотношение классов и марок при сжатии для тяжелого бетона

Согласно СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетонные конструкции» тяжелые бетоны подразделяются на классы, значения которых приведены в таблице 4.23.

Прочность на растяжение. С прочностью бетона на растяжение приходится иметь дело при проектировании конструкций и сооружений, в которых не допускается образование трещин. В качестве примера можно привести резервуары для воды, плотины гидротехнических сооружений. Бетон на растяжение подразделяется на классы: B_t0,4; B_t0,8; B_t1,2; B_t1,6; B_t2; B_t2,4; B_t2,8; B_t3,2; B_t3,6; B_t4,0; B_t4,4; B_t4,8.

Таблица 4.23 – Прочностные характеристики бетонов (СНБ 5.03.01-02)

Прочность на растяжение при изгибе. При устройстве бетонных покрытий дорог и аэродромов назначается прочность бетона на растяжение при изгибе. Бетон на растяжение при изгибе подразделяется на классы: B_tb0,4; B_tb0,8; B_tb1,2; B_tb1,6; B_tb2,0; B_tb2,4; B_tb2,8; B_tb3,2; B_tb3,6; B_tb4,0; B_tb4,4; B_tb4,8; B_tb5,2; B_tb5,6; B_tb6,0; B_tb6,4; B_tb6,8; B_tb7,2; B_tb8.

Технологические факторы, влияющие на прочность бетона. На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения бетона, повторное вибрирование, минеральные и химические добавки.

Активность цемента. Между прочностью бетона и активностью цемента существует линейная зависимость R = f (R _ц). Более прочные бетоны получаются на цементах повышенной активности.

Содержание цемента. С повышением содержания цемента в бетоне его прочность растет до определенного предела. Затем она возрастает незначительно, другие же свойства бетона ухудшаются. Увеличивается усадка, ползучесть. Поэтому не рекомендуется вводить на 1 м³ бетона более 600 кг цемента.

Водоцементное отношение. Прочность бетона зависит от В/Ц. С уменьшением В/Ц она повышается, с увеличением – уменьшается. Это определяется физической сущностью формирования структуры бетона. При твердении бетона с цементом взаимодействует 15–25 % воды. Для получения же удобоукладываемой бетонной смеси вводится обычно 40–70 % воды (В/Ц = 0,4…0,7). Избыточная вода образует поры в бетоне, которые снижают его прочность.

Прочность бетона R, Мпа, при твердении в нормально-влажностных условиях выражается формулой

где R _ц – активность цемента, МПа; К – коэффициент, принимаемый для бетона на щебне 3,5; на гравии – 4; В/Ц – водоцементное отношение: n – коэффициент, принимаемый для тяжелого бетона;

Зависимость между прочностью бетона при сжатии R и цементно-водным соотношением Ц/В = R (Ц/В) графически выражается S -образной кривой (рисунок 4.9).

Заменяя ее двумя прямыми, получим следующее уравнение:

R = AR _ц(Ц/В ± b),

где R – прочность бетона при сжатии, МПа; А – коэффициент, учитывающий качество материалов; R _ц – активность цемента, МПа; Ц и В – расходы цемента и воды, кг; b – постоянный коэффициент, определяемый опытным путем.

Рисунок 4.9 – Фактическая зависимость прочности бетона от Ц/В

Эта формула выражает основной закон прочности бетона, в которой учитываются качества материалов (А), активность цемента (R _ц) и пористость цементного камня (Ц/В).

При Ц/В от 1,43 до 2,5 (В/Ц = 0,4...0,7) между прочностью бетона R, МПа, активностью цемента R _ц, МПа, и Ц/В существует линейная зависимость, выражаемая формулой

R = AR _ц(Ц/В – 0,5).

При Ц/В > 2,5 линейная зависимость нарушается. Однако в практических расчетах пользуются другой линейной зависимостью:

R = A ₁ R _ц(Ц/В + 0,5).

Ошибка в расчетах в этом случае не превышает 2–4 %.

В вышеприведенных формулах: А и А ₁ – коэффициенты, учитывающие качество материалов. Для высококачественных материалов A = 0,65, А ₁ = 0,43; для рядовых A = 0,50, А ₁ = 0,40; для пониженного качества A = 0,55, А ₁ = 0,37.

Прочность бетона при изгибе R _tb, МПа, определяется по формуле

R _tb = A′ R _ц ′(Ц/В – 0,2),

где R '_ц – активность цемента при изгибе, МПа; A ' – коэффициент, учитывающий качество материалов. Для высококачественных материалов A ' = 0,42, для рядовых – A ' = 0,4, материалов пониженного качества – A ' = 0,37.

По вышеприведенным формулам при известной активности цемента и цементно-водного (водоцементного) отношения можно определить прочность бетона в 28-суточном возрасте. По ней же, если задана прочность бетона, можно вычислить активность цемента.

Качество заполнителей. Неоптимальность зернового состава заполнителей, применение мелких заполнителей, наличие глины и мелких пылевидных фракций, органических и других вредных примесей уменьшает прочность бетона. Прочность крупных заполнителей, сила их сцепления с цементным камнем влияет на прочность бетона.

Качество перемешивания и степень уплотнения бетонной смеси существенно влияют на прочность бетона (см. 4.2.3). Прочность бетона, приготовленного в бетоносмесителях принудительного смешивания, вибро- и турбосмесителях, выше прочности бетона, приготовленного в гравитационных смесителях, на 20–30 %. Качественное уплотнение бетонной смеси повышает прочность бетона, так как изменение средней плотности бетонной смеси на 1 % изменяет прочность на 3–5 %.

Влияние возраста и условий твердения. При благоприятных температурных условиях прочность бетона растет длительное время и изменяется по логарифмической зависимости

где R _n и R ₂₈ – предел прочности бетона через n и 28 суток, МПа; lgn и lg28 –

десятичные логарифмы возраста бетона.

Эта формула осредненная. Она дает удовлетворительные результаты для бетонов, твердеющих при температуре 15–20 °С на среднеалюминатных цементах в возрасте от 3 до 300 суток. Фактически же прочность на разных цементах нарастает по-разному.

Интенсивность твердения бетона зависит от В/Ц. Как видно из данных, приведенных в таблице 4.24, более быстро набирают прочность бетоны с меньшим В/Ц.

Таблица 4.24 – Влияние В/Ц и возраста на скорость твердения бетона на цементе

III типа

На скорость твердения бетона большое влияние оказывает температура и влажность среды. Условно нормальной считается среда с температурой 15–20 °С и относительной влажностью воздуха 90–100 %.

Как видно из графика, приведенного на рисунке 4.10, прочность бетона в 28-суточном возрасте, твердевшего при 5 °С, составила 68 %, при 10 °С – 85 %, при 30 °С – 115 % от предела прочности бетона, твердевшего при температуре 20 °С. Те же зависимости наблюдаются и в более раннем возрасте. То есть интенсивнее набирает прочность бетон при более высокой температуре и, напротив, медленнее – при ее понижении (рисунок 4.10).

При отрицательной температуре твердение практически прекращается, если не снизить температуру замерзания воды введением химических добавок. Твердение ускоряется при температуре 70–100 °С при нормальном давлении или при температуре около 200 °С и давлении 0,6–0,8 МПа (рисунок 4.11). Для твердения бетона требуется среда с высокой влажностью Для этого бетон укрывают водонепроницаемыми пленочными материалами, покрывают влажными опилками или песком, пропаривают в среде насыщенного водяного пара.

Повторное вибрирование увеличивает прочность бетона до 20 %. Оно должно выполняться до конца схватывания цемента. Повышается плотность. Механические воздействия срывают пленку гидратных новообразований и ускоряют процессы гидратации цемента.

Минеральные добавки. Из минеральных добавок наибольшую эффективность дает применение золы-уноса горючих сланцев. За счет создания микрокристаллической структуры цементного камня уменьшается водопотребность цемента и прочность цементного камня и бетона повышается.

Химические добавки. Введение поверхностно-активных добавок в бетонные смеси повышает удобоукладываемость и положительно влияет на формирование структуры бетона. Особенно эффективно применение суперпластификаторов. Они позволят уменьшить расход воды на 20–30 % при сохранении заданной удобоукладываемости бетонной смеси, увеличивать прочность бетона на 125–140 %. Ускорители твердения повышают темп роста прочности бетона. Так, введение хлорида кальция повышает прочность бетона через одни сутки на 150–190 % и через 28 суток на 110–120 %.

Пористость бетона

Затвердевший бетон – пористый материал. Поры образует вода, не вступившая в гидратацию с цементом и введенная для получения удобоукладываемой бетонной смеси. Пористость П, %, определяется по формуле

,

где В и Ц – содержание воды и цемента, кг/м³; w – количество химически связанной воды, принимается 0,15 от массы цемента через 28 суток твердения.

Дополнительная пористость в бетоне создается вследствие воздухововлечения при приготовлении бетонной смеси и при нарушении сплошности на границе раздела между цементным камнем и заполнителями.