Факторы, влияющие на свойства затвердевшего бетона

Прочность при сжатии является одной из основных характеристик бетона и зависит от активности и содержания цемента, величины водоцементного отношения, качества заполнителей, температуры и срока твердения, влажности среды в период твердения, длительности и интенсивности перемешивания, степени уплотнения бетонной смеси.

Активность и содержание в бетоне цемента прямо сказывается на прочности бетона. Однако увеличение содержания цемента в бетоне положительно сказывается только до определённых пределов, после которых прочность мало изменяется, а другие свойства могут ухудшаться. С повышением расхода цемента увеличивается усадка и ползучесть бетона, а также его экзотермия в начальный период твердения,

В определённых условиях это может вызвать появление усадочных и температурных трещин. Повышение активности цемента позволяет сократить его расход, за исключением случая, когда содержание цемента назначается из условий плотности бетона.

Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения объясняется тем, что в цементном тесте, полученном при замешивании цемента с водой в период схватывания цемент взаимодействует лишь с частью, введённой в бетонную смесь воды. Остальная вода является избыточной и, испаряясь, обуславливает пористую структуру цементного камня. Поэтому прочность бетона во многом зависит от содержания в нём воды затворения. Зависимость прочности бетона от указанных факторов выражается уравнением:

R_в=AR_ц(Ц/В-0.5)МПа

где А-коэффициент, зависящий от качества заполнителей

Это уравнение приближённое, так как зависимость прочности бетона от В/Ц не всегда постоянна. Причины этого различны, они зависят от минералогического состава цементов, их тонкости помола, наличия минеральных тонкомолотых добавок. Качество заполнителей оказывает существенное влияние на прочность бетона. Зерновой и минералогический составы, наличие органических примесей в песке и слабых зёрен выветрелых пород могут значительно сказаться на прочности бетона. Чем мельче песок, тем большими будут его удельная поверхность, водопотребность бетонной смеси и расход цемента в бетоне. Понижение прочности бетона на мелких и очень мелких песках и связанный с этим перерасход цемента зависит от марки применяемого бетона, активности и тонкости помола цемента. Для бетонов низких марок на мелком песке расход цемента повышается в меньшей степени, чем для бетонов средних марок, В бетонах высоких марок, в связи с большим содержанием цемента, перерасход последнего при использовании мелкого песка значительно ниже, чем в бетонах средних марок, за счёт меньшего содержания песка в бетоне и повышенной активности цемента, характеризуемого более тонким помолом. Последнее способствует увеличению объёма цементного клея и уменьшению раздвижки зёрен песка, что благоприятно сказывается на расходе цемента. В результате в бетонах высоких марок на мелких песках перерасход составляет 10-15 %. Использование щебня гравия, щебня из гравия, не отвечающим нормативным рекомендациям по зерновому составу, приводит к увеличению пустотности смеси крупного заполнителя и, как следствие, к понижению прочности бетона на 5-16 %. .Крупность щебня и гравия оказывает значительное влияние на прочность бетона. Чем больше наибольшая крупность бетона, тем меньше водопотребность бетонной смеси и выше прочность бетона. Наибольшая крупность заполнителя в бетоне определяется наименьшим сечением конструкции, расположением в ней арматуры и густотой армирования. При этом предельная крупность зёрен не должна превышать 1/3 наименьшего размера конструкции и не более ¾ расстояния в свету между стержнями арматуры. Использование гравия вместо щебня снижает прочность бетонов, особенно высоких марок. Большое влияние на прочность бетонов оказывает соотношение мелкого и крупного заполнителей в бетоне. Оптимальным соотношением будет такое, при котором достигается наименьшая при заданной удобоукладываемости. Для подвижной бетонной смеси соотношение между мелким и крупным заполнителем определяют исходя из полного заполнения пустот в крупном заполнителе с некоторой раздвижкой зёрен гравия или щебня..

Влияние времени твердения и температуры окружающей среды на прочность бетона имеет решающее значение. Рост прочности при благоприятных условиях продолжается длительное время, вначале интенсивно, а затем более медленно. В естественных условиях он выражается формулой:

R_п=R_в28=lgп/lg2

Эта формула применяется только для бетонов на портландцементах средних марок при п> 3 и хорошо выражает зависимость между прочностью бетона и его возрастом после трёх суток твердения. В более раннем возрасте фактическая прочность может отличаться от расчётной. Рост прочности во времени возможен только при бетона.

Большое влияние на скорость твердения бетона оказывают водовяжущий фактор и жёсткость бетонной смеси. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с её понижением. При температуре 2-3⁰С ниже нуля твердение бетона без химических добавок практически прекращается. В горячей воде с температурой до 80 ⁰С, во влажном паре с температурой 80-90 ⁰С или автоклаве при действии насыщенного пара высокого давления и температуре до 175 ⁰С и выше твердение бетона происходит значительно быстрее, чем в нормальных условиях. Нарастание прочности бетона при тепловой обработке зависит от температуры изотермического процесса, вида применяемого цемента, его минералогического состава и удельной поверхности, значения водоцементного отношения в бетонной смеси и её жёсткости.

Химические добавки-ускорители твердения вводят в бетон для сокращения сроков тепловой обработки или продолжительности твердения в естественных условиях. Эффективной добавкой является хлористый кальций, который вводят в бетоны как армированных, так и неармированных конструкций, за исключением бетонов, предназначенных для предварительно напряжённых изделий, армированных стальной холоднотянутой проволокой диаметром 4 мм и меньше, а также изделий, находящихся в условиях эксплуатации высокой относительной влажности или в условиях, способствующих разрушению защитного слоя, обнажению и коррозии арматуры (сырые подвалы, бани, прачечные). Для защиты арматуры, особенно предварительно напряжённой и стержневой, при тепловой обработке изделий вместе с введением хлористого кальция вводят добавку нитрита натрия в количестве 1% от массы цемента. Расход цемента в бетоне железобетонных изделий при введении хлористого кальция должен быть не менее 220 кг/м³ при портландцементе и 250 кг/м³ при шлакопортландцементе и пуццолановом портландцементе. Количество вводимой в бетон добавки хлористого кальция не должно превышать 3% массы цемента для бетонных неармированных изделий на всех видах цемента, 2% для армированных изделий на портландцементе и 1.5% для армированных изделий на шлакопортландцементе. Эффективность введения добавки хлористого кальция зависит от вида, минералогического состава и тонкости помола цемента и жёсткости бетонной смеси, уменьшении сроков и температуры твердения и снижении влажности окружающей среды. Интенсивность и продолжительность перемешивания и степень уплотнения смеси оказывают существенное влияние на прочность бетона .Повышение интенсивности и продолжительности перемешивания бетонной смеси увеличивает прочность бетона. Так, прочность бетона, приготовленного из жёсткой смеси в бетоносмесителях принудительного перемешивания на 5-15 % выше прочности бетона, приготовленного в мешалках свободного падения. Эффективно также перемешивание бетонных смесей в вибромешалках. С увеличением жёсткости бетонной смеси, загрязнённости песка, лежалости песка, с уменьшением его расхода и особенно при сокращении продолжительности твердения бетона эффект виброперемешивания повышается. При тонкомолотых цементах эффект виброперемешивания снижается. Виброперемешивание может повысить прочность бетона в ранние сроки твердения на 20-30% Повторное вибрирование смеси повышает прочность бетона на 20-40 %.Частота, амплитуда, продолжительность виброуплотнения, величина пригрузки, усилия прессования влияют на прочность бетона в зависимости от того , какое воздействие оказывают они на коэффициент уплотнения бетонной смеси, так как между относительной прочностью бетона и коэффициентом уплотнения существует определённая связь, не зависящая от состава бетона, характеристики материалов, условий твердения. Недоуплотнение бетона резко снижает его прочность и сцепление с арматурой, появляется опасность коррозии арматуры и уменьшается долговечность конструкций.

Сопротивление бетона растяжению и изгибу зависит от тех же факторов, что и при сжатии. Прочность бетона при растяжении составляет 0.11 прочности при сжатии. Прочность при изгибе несколько выше, чем прочность при растяжении, и составляет 0.1-0.2 прочности при сжатии. Существенное влияние на сопротивление бетона растяжению и изгибу оказывает вид заполнителей и характер их поверхности: прочность повышается при применении заполнителей с угловатыми и шероховатыми зёрнами вследствие лучшего сцепления их с цементным камнем, чем заполнителей, имеющих гладкоокатанные поверхности ;поэтому прочность бетона при растяжении и изгибе на щебне на 15-20 % выше, чем на гравии. Прочность бетона при растяжении и изгибе повышается в случае применения пористых достаточно прочных заполнителей , что объясняется лучшим сцеплением цементного раствора с пористыми заполнителями. Прочность бетона при срезе (скалывании)составляет 12-18 % прочности бетона при сжатии. Однако чистый срез в практике не встречается , а сопровождается появлением сжимающих или растягивающих напряжений. Напряжение смятия бетон испытывает при передаче местного давления только на часть площади конструкции. Прочность бетона при смятии выше, чем при передаче нагрузки на всю площадь, и тем больше, чем меньше загружена площадь.

В процессе твердения происходят объёмные изменения бетона. Твердение на воздухе, за исключением бетонов на безусадочном и расширяющемся цементах, сопровождается уменьшением объёма, т.е.усадкой. При твердении бетона в воде вначале объём его несколько увеличивается ,но в более поздние сроки набухание прекращается и начинается усадка. Большую усадку имеют бетоны из жирных смесей, на быстротвердеющих высокомарочных цементах и с мелкими пористыми заполнителями, содержащие большое количество воды затворения. Особенно велика усадка в начальный период твердения, достигающая за первые сутки 60-70 % величины месячной усадки. В указанный период особенно интенсивно обезвоживается тесто вследствие испарения и поглощения влаги гидратирующими зёрнами цемента. В результате обезвоживания частицы сближаются между собой, и цементный камень даёт усадку. Величина усадки бетона на обычном цементе при среднем его расходе 250-300 кг/м³ колеблется в пределах 0.1-0.3мм/м. В мелкозернистом бетоне эта величина достигает 0.5мм/м и более. При неизменных температурно-влажностных условиях усадочные деформации стабилизируются в течение 1-1.5 года. Величина усадки не нормируется, но её необходимо учитывать во избежание развития в бетоне внутренних напряжений, вызывающих появление усадочных микротрещин, снижающих механические свойства бетона, ухудшающих его стойкость в агрессивной среде и увеличивающих проницаемость. Объёмные изменения в бетоне могут быть вызваны от нагревания теплом, выделяющимся при экзотермических реакциях цемента с водой. Особенно значительны температурные расширения бетона в массивных сооружениях. Коэффициент температурного расширения обычного бетона на портландцементе при нагреве от 0 до 100⁰С колеблется в пределах (8-15) 10^-6. Изменение объёма бетона может привести к значительным деформациям конструкций, включая трещины. Чтобы предотвратить их, в крупных бетонных конструкциях устраивают деформационные швы. Для уменьшения экзотермии бетона применяют цементы с малым выделением тепла при твердении.

Совместная работа бетона и стальной арматуры в железобетоне обеспечивается следующим образом: между бетоном и стальной арматурой возникают значительные силы сцепления, препятствующие скольжению арматуры в бетоне; величина этого сцепления определяется клеящей способностью цементного раствора и трением стержня о бетон, возникающим при деформациях стержня под нагрузкой; усадка бетона и неровности поверхности стержней увеличивает трение между бетоном и арматурой. Сталь и бетон в пределах изменений температуры от 0 до 70⁰С имеют почти одинаковые коэффициенты температурного расширения, и поэтому при изменениях температуры не нарушается монолитность железобетона. Бетон не обладает совершенной упругостью, и при приложении к нему внешней нагрузки за некоторое время её действия полная деформация бетона складывается из упругой и остаточной деформаций. Остаточная деформация определяется его способностью к ползучести

Ползучестью называют процесс развития деформаций во времени под действием постоянной статической нагрузки. Рост остаточных деформаций бетона под действием постоянной нагрузки продолжается весьма длительное время вначале интенсивно, затем постепенно замедляется, следуя асимптотическому закону .В зависимости от вида деформаций, вызываемых внешними силами, различают деформации ползучести бетона при сжатии, растяжении, кручении. Деформации ползучести бетона при определённых условиях могут во много раз превышать величины мгновенных деформаций, и поэтому их следует обязательно учитывать при проектировании бетонных и железобетонных конструкций и сооружений. Ползучесть бетона обусловлена ползучестью цементного камня и зависит от вида и активности цемента, состава бетона, вида заполнителя, количества воды затворения бетонной смеси, степени уплотнения бетона, возраста его к моменту приложения нагрузки и величины последней. Прекращение деформаций под нагрузкой наступает через длительный период, затухая к 1-2 годам, а величина практически полной деформации ползучести при сжатии для обычного тяжёлого бетона находится в пределах (0.2-0.5 )10^-3. Предельная сжимаемость обычного бетона , т.е.предельная величина его деформаций в момент разрушения при воздействии сжимающих нагрузок, колеблется от 0.05-0.15 мм/м.

Водонепроницаемость бетона определяется его плотностью. Плотность, а следовательно водонепроницаемость бетона повышаются с увеличением расхода цемента при постоянном расходе воды или с уменьшением расхода воды при постоянном расходе цемента,т.е. при уменьшении водоцементного отношения, при, условии, что бетонная смесь остаётся удобоукладываемой. При заданном расходе цемента плотность и водонепроницаемость тем выше, чем лучше гранулометрический состав заполнителей и чем лучше уплотнена бетонная смесь при укладке .Высокой водонепроницаемостью характеризуются бетоны на расширяющемся и глинозёмистом цементах. Водонепроницаемость бетона можно повысить введением в бетонную смесь хлорного железа , получаемого растворением пиритных огарков в технической соляной кислоте, в количестве 0.5-0.8 %массы цемента. При применении хлорного железа в сочетании с повышенным расходом цемента водонепроницаемость повышается. Плотный бетон должен быть непроницаем не только для воды , но и для других жидкостей. Проницаемость цемента по отношению к другим жидкостям зависит от их вязкости. Для тяжёлой нефти, мазута обычный бетон достаточно непроницаем. Лёгкие и средние нефтяные фракции (бензин, керосин) проникают в бетон легче, чем вода, что требует специальных защитных мер.Для защиты бетонных и железобетонных сооружений от проникновения в них лёгких и жидких нефтяных продуктов их поверхности покрывают плёнками из полимерных материалов или изготавливают бетон на непроницаемом для указанных жидкостей безусадочном или расширяющемся цементе.

При замораживании бетона в насыщенном водой состоянии в нём возникают растягивающие напряжения вследствие увеличения объёма воды при замерзании примерно на 10 %, так как плотность льда (0.917)меньше плотности воды .Величина растягивающих напряжений , возникающих в бетоне при замораживании, может превзойти собственную прочность бетона на растяжение, что приводит к нарушению его монолитного строения и образованию волосяных трещин. При последующем насыщении бетона водой и замораживании образование льда в микротрещинах приводит к дальнейшему нарушению структуры бетона и понижению его прочности . Морозостойкость бетона тем выше, чем больше его плотность При применении морозостойких заполнителей морозостойкость бетона определяется морозостойкостью цементного камня. С увеличением водоцементного отношения уменьшается плотность и прочность цементного камня, а следовательно понижается его морозостойкость.

Гидрофильные поверхностно-активные добавки повышают морозостойкость бетона, так, как, снижая расход воды, позволяют получить бетон более плотной структуры. Воздухововлекающие гидрофобные добавки также повышают морозостойкость бетона, поскольку создают оптимальную структурную пористость бетона, придавая ему одновременно гидрофобные свойства. Морозостойкость бетона зависит от вида цемента. Большую морозостойкость имеют бетоны на глинозёмистом ивысокомарочном портландцементе, которые при твердении химически связывают относительно большую часть воды затворения, а следовательно образуют более плотный цементный камень. Бетоны на пуццолановом портландцементе вследствие большой водопотребности характеризуются низкой морозостойкостью.

1.Бутт Ю.М.Технология цемента и других вяжущих материалов, М.,Стройиздат, 1984