Соотношение между марками и классами бетона по прочности на сжатие и растяжение

__________

** Средняя прочность бетона R рассчитана при коэффициенте вариации V, равном 13,5 %, и обеспеченности 95 % для всех видов бетонов, а для массивных гидротехниче­ских конструкций при коэффициенте вариации V, равном 17 %, и обеспеченности 90%.

Хорошо сопротивляясь сжатию, бетон значительно хуже противостоит срезу и еще хуже растяжению. В то же время прочность при растяжении и изгибе бетона находится в прямой зависимости от его прочности при сжатии: чем больше прочность при сжатии, тем больше его сопротивляемость растяжению и изгибу.

Кроме названных показателей прочности бетонные изделия характеризуют еще технологической и отпускной прочностью. Технологической прочностью бетона называют прочность, при которой можно снять изделие с поддона или формующей установки и транспортировать в пределах завода. Прочность бетона, при которой предприятие может отпускать изделия потребителю в расчете на ее дальнейшее нарастание до проектной, называется отпускной прочностью.

При благоприятных температурно-влажностных условиях твердение бетона продолжается многие годы.

Для бетонных и железобетонных конструкций следует предусматривать бетоны следующих классов и марок (СНиП 2.03.01–84):

а) классов по прочности на сжатие

тяжелый бетон – В3,5; В5; B7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

напрягающий бетон – В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

мелкозернистый бетон групп:

А – естественного твердения или подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении на песке с модулем крупности свыше 2,0 – В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40;

Б – то же, с модулем крупности 2,0 и менее – В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30;

В – подвергнутый автоклавной обработке – В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

легкий бетон при марках по средней плотности:

D800, D900 – В2,5; B3,5; В5; В7,5;

D1000, D1100 – B2,5; B3,5; В5; В7,5; В10; B12,5;

D1200, D1300 – B2,5; B3,5; B5; В7,5; В10; B12,5; B15;

D1400, D1500 – B3,5; B5; B7,5; B10; В12,5; B15; B20; B25; В30;

D1600, D1700 – B5; B7,5; B10; В12,5; В15; В20; В25; B30; B35;

D1800, D1900 – B10; В12,5; В15; В20; B25; B30; В35; В40;

D2000 – В20; В25; В30; В35; В40;

ячеистый бетон при марках по средней плотности:

автоклавный: неавтоклавный:

D500 – B1; B1,5; –

D600 – B1; B1,5; B2; В2,5; B1; B1,5;

D700 – B1,5; B2; В2,5; B3,5; B1,5; В2; B2,5;

D800 – B2,5; B3,5; В5; B2; B2,5; B3,5;

D900 – B3,5; B5 ; B7,5; B3,5; B5;

D1000 – B5; B7,5; В10; B5; B7,5;

D1100 – B7,5; B10; B12,5; B15; В7,5; В10;

D1200 – B10; B12,5; B15; B10; В12,5;

поризованный бетон при марках по средней плотности:

D800, D900, D1000 – B2,5; B3,5; B5; В7,5;

D1100, D1200, D1300 D1400 – B3,5; B5; B7,5.

Допускается применение бетона промежуточных классов по прочности на сжатие B22,5 и В27,5 при условии, что это приведет к экономии цемента по сравнению с применением бетона соответственно классов В25 и В30 и не снизит другие технико-экономические показатели конструкции;

б) классов по прочности на осевое растяжение

тяжелый, напрягающий, мелкозернистый и легкий бетоны – B_t0,8; B_t1,2; B_t1,6; B_t2; B_t2,4; B_t2,8; B_t3,2.

Плотность. Плотность бетона является его важнейшим свойством, в значительной степени определяющим прочность, непроницаемость и долговечность бетона. Обычный тяжелый бетон нельзя отнести к плотным материалам. Его пористость колеблется в пределах 5…15 %. Она складывается из пористости цементного камня, крупного заполнителя и пор, возникающих в зоне контакта цементного раствора с заполнителем. Пустоты и трещины в находящемся под нагрузкой хрупком материале действуют как концентраторы растягивающих напряжений, поэтому увеличение пористости вызывает непропорциональное снижение прочности.

Плотность тяжелых бетонов повышают тщательным подбором гранулометрического состава заполнителей, снижением количества воды и интенсивным уплотнением бетонной смеси. С повышением плотности бетона растет не только его прочность, но и водонепроницаемость, морозостойкость и другие свойства. В то же время при получении бетонов с улучшенными теплозащитными свойствами необходимо стремиться к снижению плотности. Общая пористость керамзитобетонов составляет 35…65 %, а ячеистых – 75…85 %.

Деформативность. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях (не более 0,2 от предела прочности) бетон деформируется как упругий материал. При этом его начальный модуль упругости зависит от пористости и прочности и составляет для тяжелых бетонов (2,2…3,5)·10⁴ МПа (у высокопористых ячеистых бетонов модуль упругости около 1·10⁴МПа).

При больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация, развивающаяся в результате роста микротрещин и пластических деформаций гелевой составляющей цементного камня.

Ползучесть – склонность бетона к росту пластических деформаций при длительном воздействии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микротрещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер. Абсолютные значения ползучести зависят от многих факторов. Особенно активно ползучесть развивается, если бетон нагружается в раннем возрасте. Ползучесть можно оценивать двояко: как положительный процесс, помогающий снижать напряжения, возникающие от термических и усадочных процессов, и как отрицательное явление, например, снижающее эффект от предварительного напряжения арматуры.

Влагоемкость бетона является как положительным, так и отрицательным его свойством. Небольшое количество воды, присутствующее в порах цементного камня (и пористого заполнителя) благоприятствует более полной гидратации цемента, успешному протеканию процесса самозалечивания микротрещин. Однако сильное увлажнение уменьшает прочность и способствует быстрому разрушению бетона при попеременном замораживании и оттаивании.

Действенными средствами уменьшения влагоемкости является объемная и поверхностная гидрофобизация бетона. В необходимых случаях устраивают паро- и гидроизоляцию, препятствующую проникновению влаги в пористый материал.

Паро- и газопроницаемость является важной характеристикой стеновых материалов. Стеновой материал должен обладать определенной величиной проницаемости. Тогда стена будет «дышать», т.е. через наружные стены будет происходить естественная вентиляция, что особенно важно для жилых зданий, в которых отсутствует кондиционирование воздуха.

Следует отметить, что тяжелый бетон обладает низкой паро- и воздухопроницаемостью. Если сравнить эти показатели для керамического кирпича с плотностью 1800 кг/м³ и бетона с плотностью 2200 кг/м³, то у последнего они будут 2,5 раза меньше.

Газопроницаемость уменьшается при повышении плотности за счет снижения капиллярной пористости. Важное значение имеет получение бездефектной структуры бетона, в которой отсутствуют неплотности, вызванные расслоением бетонной смеси. Необходимо соблюдать хорошие условия твердения бетона, помогающие предотвратить образование микротрещин, в особенности при тепловой обработке.

Водопроницаемость, т.е. способность материала пропускать воду под давлением, имеет большое практическое значение, в особенности для бетонов, применяемых в гидротехнических сооружениях, а также для напорных железобетонных труб. Такие материалы и изделия должны обладать минимальной водопроницаемостью.

На величину водопроницаемости оказывает влияние неоднородность структуры бетона, в частности, наличие капиллярных пор и микротрещин, пронизывающих цементный камень. Водопроницаемость зависит, главным образом, от количества и размеров открытых и сообщающихся друг с другом пор. Бетоны, имеющие в основном тонкие капиллярные поры, практически водонепроницаемы. На водопроницаемость бетона влияют также напор воды, возраст бетона и условия твердения. Плотный бетон при достаточной его толщине практически непроницаем для воды и густых жидкостей (масел, нефти).

Для снижения водопроницаемости необходимо применять заполнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлористое железо). Снижению водопроницаемости способствуют применение расширяющегося цемента (при твердении он залечивает микротрещины), использование поверхностно-активных добавок, добавок-электролитов (хлорида алюминия, алюмината натрия).

Водопоглощение бетона, погруженного в воду, зависит, главным образом, от характера пор – открытые они или условно замкнутые. Уменьшение объема открытых пор, а также предотвращение растрескивания позволяет существенно уменьшить водопоглощение бетона. Для снижения водопоглощения прибегают к гидрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоляции бетонных конструкций. Уменьшение водопоглощения, а также наличие замкнутых воздушных пор способствуют увеличению морозостойкости бетона.

Морозостойкость оценивают числом циклов попеременного замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии, которое выдерживают бетонные образцы в возрасте 28 сут, без снижения прочности при сжатии более, чем на 15 %. Для бетонов установлены марки по морозостойкости: от F50 до F1000. Многократное замораживание и оттаивание приводит к разрушению структуры бетона, появлению трещин и снижению прочности.

Морозостойкость зависит от качества вяжущего и заполнителей и от состава бетона. Большое влияние оказывает характер пористости (чем поры мельче, тем выше морозостойкость), а также величина В/Ц (для морозостойких бетонов она должна быть не более 0,4…0,5).

Морозостойкость бетона может быть повышена введением в бетонную смесь поверхностно-активных веществ, которые уменьшают количество воды затворения и, следовательно, объем открытых пор в затвердевшем бетоне. Одновременно они вовлекают в бетонную смесь воздух, образуя сферические поры, сообщающиеся с капиллярами. Эти поры выполняют роль запасных емкостей, в которые при превращении в лед и расширении выдавливается из капилляров вода. В некоторых случаях производят гидрофобизацию поверхности бетона.

Усадка и набухание. При хранении на воздухе бетоны уменьшаются в объеме, а при хранении в воде набухают. Причина усадки – испарение воды, продолжающееся, пока не установится равновесие между содержанием влаги в бетоне и в окружающей среде. По мере высыхания бетона в его теле возникают значительные силы сжатия, обусловливающие уменьшение его объема. Чем больше воды испаряется, тем больше усадочные деформации. Поскольку заполнитель практически усадке не подвергается, она происходит за счет объемных изменений цементного камня. Усадка цементного камня в бетоне вызывает появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне, снижающих прочность и морозостойкость бетона.

Для снижения усадочных напряжений, сохранения монолитности и долговечности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Поскольку наибольшую усадку имеет цементный камень, то введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Таким образом, рациональное снижение удельного расхода цемента повышает усадочную трещиностойкость бетона. Сооружения большой протяженности разрезаются усадочными швами во избежании появления трещин.

Усадка бетонов различного вида неодинакова. Усадка легких бетонов на пористых заполнителях в среднем на 15…25 % превышает усадку тяжелых бетонов. Еще больше усадка ячеистых бетонов.

При постоянном хранении во влажной среде водосодержание бетона увеличивается, что вызывает набухание цементного камня. При этом также возникают напряжения, но меньшие по значению, чем усадочные.

Теплофизические свойства. Из них важнейшими являются теплопроводность, удельная теплоемкость и температурные деформации.

Удельная теплоемкость бетона изменяется в узких пределах – 0,75…0,92 Дж/(кг∙К) и в среднем равна 0,84 Дж/(кг∙К). Теплопроводность тяжелого бетона даже в воздушно-сухом состоянии велика – около 1,2…1,5 Вт/(м∙К), т.е. в 1,5…2 раза выше, чем у кирпича. Поэтому использовать тяжелые бетоны в ограждающих конструкциях можно только совместно с эффективной теплоизоляцией. Легкие бетоны, в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность – 0,1…0,5 Вт/(м∙К) и их применение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплопроводность напрямую зависит от пористости, с ростом которой она снижается. Характер пор также оказывает влияние на теплопроводность, и для ее снижения в бетоне стремятся создать мелкие поры, применяя пористые заполнители вместо плотных, или используют метод поризации теста вяжущего. Иногда в бетонных камнях, применяемых для кладки наружных стен, устраивают узкие щелевые пустоты. Замена тяжелого бетона легким на пористых заполнителях или ячеистым резко снижает теплопроводность наружных стен и покрытий зданий. Ячеистый бетон с плотностью 250…500 кг/м³ применяют в качестве теплоизоляционного материала.

Еще большее снижение теплопроводности легких бетонов можно получить, применяя стеклообразные пористые заполнители (природную или искусственную пемзу и т.п.). Стеклообразные вещества, как известно, хуже проводят тепло, чем кристаллические.

Теплопроводность бетона резко возрастает при увлажнении (теплопроводность воды в 25 раз больше теплопроводности воздуха), а также с повышением температуры, так как усиливается теплопередача путем лучеиспускания и конвекции. В особенности это заметно при наличии крупных пор, пустот или воздушных прослоек.

Температурные деформации. Температурный коэффициент линейного расширения бетона составляет около 10·10^–6К^–1, т.е. при увеличении температуры на 50° расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружения большой протяженности разрезают температурно-усадочными швами [16].

Большие колебания температуры (более 80°С) могут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.

Огнестойкость и жаростойкость. Под огнестойкостью бетонов понимают их стойкость против кратковременного действия огня (например, при пожаре), а под жаростойкостью – стойкость материала при эксплуатации в условиях систематического воздействия повышенных температур.

Бетон – огнестойкий материал. Кратковременное действие огня не снижает прочности конструкции, так как бетон не успевает прогреться. Опасны для бетона термические удары (например, при тушении пожара водой). Вследствие различий коэффициентов термического расширения компонентов бетона разрушается его структура и снижается прочность. Обычные бетоны пригодны для эксплуатации при систематическом нагреве до температуры не более 200°С. Однако при специальном подборе состава бетона его жаростойкость можно повысить.

Трещиностойкость. Трещины различного происхождения портят внешний вид зданий и сооружений, являются очагами коррозии материала, снижают долговечность изделий и конструкций. Трещины в бетоне могут возникнуть еще в процессе начального твердения. В дальнейшем при эксплуатации под воздействием окружающей среды происходит развитие технологических трещин и возникают новые дефекты.

Для предупреждения технологических трещин необходимо проводить пооперационный контроль за изделиями по стадиям производства. Бороться с трещинами помогает определение рационального состава бетона, соблюдение технологического процесса его изготовления, создание оптимальных условий тепловлажностной обработки, обеспечение правильного монтажа изделий, надлежащий уход за бетоном.

Разрушение ограждающих конструкций зданий, например, панелей и блоков наружных стен, обычно начинается с облицовочного слоя. Он растрескивается и может отслаиваться из-за значительных температурных и влажностных градиентов. Природе цементных материалов свойственны значительные деформации, происходящие при твердении. Процесс твердения цементной составляющей длится, при благоприятных условиях, многие годы, поэтому и деформации, сопровождающие этот процесс, проходят долго.

Наиболее часто бетонные конструкции подвержены влажностным деформациям. В процессе эксплуатации влажностные деформации цементных бетонов изменяются многократно не только в течение годовых сезонов, но иногда и в течение суток: увлажнение бетона дождем, туманом многократно чередуется с процессами высыхания. Это приводит к значительным деформациям (усадка-набухание), расшатывающим структуру материала.

Особенно неблагоприятно влажностные деформации сказываются на материалах, изготовленных на цементе высокой тонкости помола (на основе высокопрочного и быстротвердеющего цементов). Кроме того, повышенные расходы цемента и воды затворения также способствуют увеличению деформаций твердеющей бетонной системы.

Причиной появления трещин могут явиться и температурные деформации, о которых было сказано выше. Архитектор, конструктор и технолог обязаны учесть разнородность деформаций материалов, обеспечить рациональные условия их службы в зданиях и сооружениях и предусмотреть мероприятия, регулирующие их совместную работу. Одним из важнейших условий, повышающих трещиностойкость бетона как на стадии изготовления, так и его последующей эксплуатации, является повышение прочности при растяжении бетона, в первую очередь, его предельной растяжимости – ε_пред. Трещин не произойдет, если ε_пред ≥ R_раст/Е, где Е – модуль упругости бетона [15].

Установлено, что легкие бетоны на пористых заполнителях, имеющие повышенную предельную растяжимость, лучше противостоят растрескиванию, чем тяжелые бетоны. Помимо растрескивания цементных бетонов под действием описанных причин происходит нарушение их монолитности из-за конгломератного строения самого бетона.

Кроме того, на монолитность конгломератного строения оказывает влияние качество контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Оно весьма благоприятно проявляется при пористом легком заполнителе. Это объясняется специфическими свойствами пористого заполнителя в бетоне: повышенным сцеплением зерен с цементным камнем, наличием упрочненных контактных слоев, обеспечивающих повышенную прочность цементного камня при растяжении и изгибе. Поэтому возможность внутреннего растрескивания легких бетонов меньше, чем обычных тяжелых бетонов.

Таким образом, только в совокупности, начиная с процесса изготовления бетона и учитывая условия рациональной его эксплуатации, возможно уменьшение растрескивания и повышение трещиностойкости бетонных и железобетонных изделий и монолитных конструкций.