§ 30. Свойства бетона

Основные свойства бетона - прочность, пористость, морозостойкость, водонепроницаемость, огнестойкость.

Прочность. Как и у всех каменных материалов, прочность бетона при сжатии значительно (в 10...20 раз) выше, чем при растяжении и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, подвергается сжимающим напряжениям. Говоря о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажности рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость набора прочности со временем затухает. Прочность бетона характеризуется его маркой (рис. 20).

Рис. 20. Изменение прочности бетона во времени (R₂₈ - марочная прочность бетона, n - время твердения в сутках)

Марка бетона определяется по пределу прочности при сжатии образцов-кубов размером 150х150х150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси и твердевших 28 сут. в нормальных условиях (температура (20 ± 2)°С и относительная влажность воздуха 95%). Методы определения прочности бетона регламентированы ГОСТ 10180 - 78.

Для тяжелых бетонов были установлены следующие марки: М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600, М700 и М800^*.

^*(В соответствии с СТ СЭВ 1406 - 78 с декабря 1982 г. вместо марок бетона устанавливаются классы бетона по прочности на сжатие (В1, В1,5, В2, В60 - см. приложение 2).)

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Но прочность заполнителя (песка, щебня, гравия), как правило, выше прочности самого бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется главным образом прочностью затвердевшего цементного камня и прочностью его сцепления с заполнителем.

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: марки цемента и соотношения воды и цемента. Чем выше марка цемента, тем при прочих равных условиях прочнее будет цементный камень. Зависимость прочности цементного камня от соотношения цемента и воды (Ц/В) в бетонной смеси объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает 20...25% воды от собственной массы, а чтобы обеспечить необходимую подвижность бетонной смеси, приходится брать 40...80 % воды от массы цемента. Естественно, чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше будет пор в цементном камне и соответственно ниже его прочность.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителями определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой (см. § 25). Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.

В общем виде прочность бетона на сжатие

где R_ц - марка цемента; Ц/В - цементно-водное отношение; А - коэффициент, зависящий от качества заполнителя и значения Ц/В.

При Ц/В от 1,4 до 2,5 коэффициент А для заполнителей высокого качества (щебень из плотных изверженных пород, крупный песок) - 0,65; для щебня и песка среднего качества - 0,6; гравия или щебня из карбонатных пород, мелких песков - 0,5...0,55.

Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит усадка бетона - сокращение линейных размеров до 0,3...0,5 мм на 1 м длины. Большие усадочные деформации - одна из причин образования трещин в бетоне. Особенно значительна усадка в начальный период твердения: в первые сутки она достигает 70 % от месячного значения. Причина усадки бетона - усадка твердеющего цементного теста, поэтому чем больше в бетоне цемента, тем больше его усадка и вероятность растрескивания.

Пористость. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси приходится вводить в состав бетона в 2...4 раза больше воды, чем может ее связать твердеющий цемент. Избыток воды приводит к образованию пор в бетоне. Уменьшают пористость бетона уменьшением количества воды по отношению к цементу, а также снижением общего содержания цементного теста в бетоне.

В среднем пористость плотно уложенного и затвердевшего бетона 5...7%. При такой пористости бетон непроницаем для воды, но проницаем для легких нефтепродуктов (бензин, керосин) и газов.

Морозостойкость бетона зависит от количества и характера (открытые и закрытые) пор, а также от морозостойкости заполнителя.

Для получения достаточной морозостойкости бетон изготовляют из морозостойких заполнителей, снижают до минимума содержание в нем воды, при этом максимально плотно укладывают бетонную смесь с помощью вибраторов или других механизмов. Кроме того, целесообразно применять гидрофобные и пластифицированные цементы или поверхностно-активные гидрофобизирующие добавки.

Согласно СНиП 2.03.01 - 84, марки по морозостойкости для тяжелых бетонов F50, 75, 100, 150.

Огнестойкость. Под огнестойкостью бетона понимают его способность сохранять прочность при кратковременном воздействии высоких температур, например при пожаре. При кратковременном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в нем вода (в том числе и химически связанная) испаряется, понижая температуру бетона. При длительном действии высоких температур в бетоне могут произойти необратимые химические изменения, сопровождающиеся потерей им прочности.

Для устройства конструкций топок, печей и промышленных труб применяют специальный жароупорный бетон на глиноземистом цементе и жаростойких заполнителях.