>>> Перейти на полный размер сайта >>> Бетонные работы§ 5. Механические свойства бетоновПрочность — свойство бетона сопротивляться разрушению от действия внешних нагрузок — характеризуется прочностью цементного ^амня и его сцепления с заполнителем. Как уже отмечалось, бетон относится к материалам, которые хорошо воспринимают сжимающие усилия и плохо сопротивляются растяжению. Поэтому строительные конструкции проектируют таким образом, чтобы бетон воспринимал нагрузки сжатия. Для восприятия растягивающих нагрузок конструкции армируют. Арматура обладает высоким сопротивлением растяжению.
Разрушение бетона начинается с разрушения наименее прочной составляющей — цементного камня или зоны контакта цементного камня и заполнителя. Испытания образцов под нагрузкой покалывают, что в зависимости от свойств цементного камня и наполнителя возможны следующие случаи разрушения образцов (рис. 5):
Рис. 5. Схема разрушения бетонных образцов по цементному камню (а) и с разрывом зерен заполнителя (б)
Большое влияние на прочность бетона оказывают плотность и однородность цементного камня. Вследствие неоднородности материала в бетоне появляются зоны высокой концентрации напряжений, которые приводят к образованию трещин. Процесс разрушения бетона очень сложен. Советские ученые О. Я. Берг, А. Е. Шейкин, Б. Г. Скрамтаев и другие разработали ряд рабочих гипотез, позволяющих достаточно точно описать явление разрушения бетона. Определить прочность бетона можно как на образцах, так и непосредственно в изделиях и конструкциях. Образцы для испытаний могут изготовляться из бетонной смеси, а также извлекаться сверлением и пилением из затвердевшего бетона. Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 10180- 78. Образцы изготовляют и хранят в условиях, близких к условиям твердения конструкции или сооружения. Прочность определяют, испытывая кубы с ребрами 7, 10, 15 и 20 см или цилиндры диаметром (D) 7, 10, 15 и 20 см и высотой, равной двум диаметрам (H — 2D). При определении прочности на сжатие R6 за эталон (образец базового размера) принимают куб с ребром 15 см. При испытании образцов-кубов других размеров полученный результат умножают на коэффициент а:
Прочность бетона на сжатие в 28-суточном возрасте при нормальных условиях твердения выражается в МПа. В зависимости от показателя прочности бетоны разделяются на классы (СНиП 2.03. 01—84): В1; В1,5; В2; В3,5; В5; В7.5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В35; В40; В45; В50; В55; В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (МПа) необходимо В разделить на коэффициент 0,778. Например, для класса В5 средняя прочность 5/0,778=6,43 МПа. Прочность и класс бетона находятся округленно в следующих соотношениях: В7,5 соответствует прочности 10 МПа; В10 — 15 МПа; В15 —20; В25--30; В35 — 40; В40 — 50; В45— 60 МПа. Рассмотрим факторы, влияющие на прочность бетона.
Рис. 6. Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения
Набор прочности во времени происходит за счет увеличения прочности цементного камня и сил сцепления между цементным камнем и заполнителем. После укладки бетона в конструкцию в начальный период прочность растет интенсивно, а в последующем замедляется (кривая 1, рис. 7).
Рис. 7. Влияние температуры окружающей среды на интенсивность набора прочности бетона: Влияние температуры на набор прочности бетона рассмотрим на графике: повышение температуры значительно ускоряет набор прочности (кривая 2), а понижение (кривая 3) — замедляет. Особое влияние на набор прочности оказывает раннее замораживание бетонной смеси (кривая 4). Оттаявшая бетонная смесь плохо набирает прочность, что приводит к опасным последствиям: если бетон не наберет достаточной прочности, конструкция может разрушиться. Между прочностью бетона на сжатие Rб на 28-е сутки твердения, активностью цемента Rц, цементно-водным отношением Ц/В и качеством заполнителя имеется математическая зависимость, позволяющая определить прочность: Rб=ARц(Ц/В-0,5), где А — коэффициент, зависящий от качества крупного заполнителя. Для бетона с В/Ц=0,4...0,7 коэффициент А принимают равным 0,65 при использовании высококачественных заполнителей, 0,6 — рядовых и 0,55 — пониженного качества. Для бетонов с В/Ц⇒0,4 Rб=ARцЦ/В+0,5), где A=0,43 для высококачественных заполнителей; 0,4 — для рядовых и 0,37 — для заполнителей пониженного качества. Плотность — важная физическая характеристика бетона. С повышением тпотности улучшаются такие свойства, как прочность, водонепроницаемость, морозостойкость. Повышают плотность подбором состава заполнителей, качественным уплотнением смеси и введением специальных пластифицирующих добавок. Следует различать плотность незатвердевшей бетонной смеси и плотность бетона. Плотность бетонной смеси зависит от количества вовлеченного в нее воздуха: чем больше воздуха, тем ниже плотность. При уплотнении смеси большая часть воздушных включений удаляется. Качество уплотнения оценивают коэффициентом уплотнения Kупл=Q/Qр, где Q — действительная плотность, Qр — расчетная. Обычно Купл=0,97...0,98. При твердении бетона свободная часть воды испаряется, тем самым повышается пористость и снижается плотность. Пористость бетона можно определить по значениям расхода воды и цемента. Используется следующая зависимость: П= (B—WЦ) 100/1000, где В — расход воды, л/м3; W — содержание химически связанной воды, л/м3; Ц — расход цемента, кг/м3. Определяют плотность бетонной смеси по ГОСТ 10181.2—81. Для проведения испытаний применяют цилиндрические металлические сосуды, лабораторную виброплощадку и лабораторные весы. Сосуд с бетонной смесью устанавливают на виброплощадку и после уплотнения взвешивают. Плотность смеси Qсм=(m—m1)/V, где m, m1 — массы мерного сосуда с бетонной смесью и без нее; V — объем мерного сосуда. Водонепроницаемость зависит от пористости и структуры пор (замкнутые, капиллярные или сообщающиеся) бетона. Микропоры и капилляры размером более 10-5 см доступны для фильтрации воды. Пористость бетона уменьшается при понижении В/Ц, увеличении гидратации цемента, применении вибрации при укладке смеси. Испытания на водонепроницаемость (ГОСТ 1273.5—84) проводят на образцах-цилиндрах, диаметр и высота которых равны 150 мм. Подготовленные образцы устанавливают в испытательный прибор, в котором к нижней поверхности образца подводится под заданным давлением вода. Наблюдая за верхней плоскостью, фиксируют момент начала просачивания воды через бетон. Испытания начинают при давлении 0,1 МПа, а затем его повышают по 0,1 МПа через каждые 8 ч. По давлению, при котором на поверхности образцов появляется вода, судят о водонепроницаемости бетона. По водонепроницаемости бетоны делят на шесть марок. Каждой марке соответствует определенное давление, при котором наблюдается появление воды на поверхности образцов:
В некоторых случаях к бетонам предъявляют требования но газопроницаемости, так как газы существенно влияют на протекание процессов коррозии бетона и стали. Для повышения непроницаемости бетоны пропитывают специальными составами; вводят в смеси специальные вещества in термопластичных полимеров; покрывают поверхности бетона пленкообразующими составами; пропитывают бетон мономером с последующей его полимеризацией. Все эти средства повышают непроницаемость бетонов и повышают их долговечность и эксплуатационную стойкость. Морозостойкость — способность бетона выдерживать многократное замораживание и оттаивание. Перед испытаниями бетон насыщают водой. При замерзании вода в порах бетона увеличивается в объеме на 9% и вызывает большие внутренние напряжения, которые постепенно разрушают его структуру: сначала образуются мелкие трещины и разрушаются поверхностные слои, а затем и более глубокие. Морозостойкость оценивают по числу циклов замораживания и оттаивания, при которых масса образца изменяется не более чем на 5%, а его прочность снижается не более чем на 15%.
При испытании кубы замораживают в течение 4 ч (не менее) при температуре -15° С, затем оттаивают их в ванне с водой при t= 15...20° С также не менее 4 ч. Ускоренный способ предусматривает замораживание образцов при t=-50° С. По морозостойкости тяжелые бетоны делят на следующие марки: F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500 (цифры обозначают число циклов замораживания и оттаивания). Для мелкозернистых и легких бетонов кроме указанных введены марки F25 и F35, а для ячеистых — F15. Для повышения морозостойкости в бетонную смесь вводят воздухововлекающие добавки, которые способствуют образованию в бетоне воздушных пор. В порах замерзшая вода перераспределяется и внутреннее давление снижается. Морозостойкость повышается также при увеличении плотности бетона и снижении В/Ц. В настоящее время созданы бетоны с морозостойкостью 600...800 циклов (например, уплотненные прессованием бетоны на мелкозернистых заполнителях — песках). Современная технология позволяет получать бетон высокой плотности, обеспечивающей низкую водопроницаемость и соответственно высокую морозостойкость. Такие бетоны необходимы для сооружения плотин, дорожных покрытий, резервуаров и др.
|