Влияние температуры и влажности

На процесс твердения бетона

При возведении монолитных конструкций на строительной площадке бетон твердеет в условиях, которые зависят от времени года и климатических особенностей местности. На набор прочности бетоном большое влияние оказывают температурно-влажностные условия твердения. Снижение влажности воздуха вызывает испарение воды с поверхности отформованного бетонного изделия, что приводит к появлению усадочных трещин, обезвоживанию бетона, прекращению набора прочности в условиях дефицита воды (рис. 6.7) и формированию дефектной, водопроницаемой структуры. Поэтому бетон необходимо выдержать во влажном состоянии при нормальных условиях температура (20 ± 3) °С, влажность (95 ± 5) % не менее 7 суток после бетонирования, а при высоких температурах твердения до достижения 50 – 70 % марочной прочности [14].

Рис. 6.7. Влияние условий хранения на нарастание прочности бетона [4]:

1 – постоянно водное хранение; 2 – постоянно воздушное хранение; воздушное хранение после начального водного хранения: 3 – 3 сут; 4 – 7 сут; 5 – 14 сут; 6 – 28 сут

Снижение температуры твердения, что имеет место при производстве бетонных работ в осенне-весенний период вследствие уменьшения химической активности воды затормаживает процесс набора прочности (рис. 6.8), что в большей степени характерно для пуццоланового портландцемента и шлакопортландцемента, содержащих большое количество минеральных добавок.

Установлено, что при понижении температуры до отрицательной
(– 5 °С) твердение бетона очень замедленно продолжается за счет незамерзающей воды, которая содержится в мельчайших порах (см. рис. 6.8). Дальнейшее понижение температуры до – 10 °С и ниже прекращает процесс гидратации. Последующее нарастание прочности при оттаивании бетона и набор марочной прочности зависят от происшедших структурных изменений в бетоне. Если замораживание наступило сразу после укладки бетона в конструкцию, то дальнейшее повышение температуры приводит к оттаиванию бетона и набору им заданной марки. Если бетон замерз после набора той «критической» прочности, когда сформировавшаяся структура бетона уже способна к восприятию без разрушения давления замерзающей воды, то потери конечной прочности будут малы. Значительный недобор прочности (30 – 40 %) может иметь место только при условии замораживания бетона на стадии формирования структуры, когда напряжения, возникающие от давления льда вследствие увеличения его объема по отношению к воде на 9 % выше, чем прочность контактов между кристаллическими продуктами гидратации. Происшедшие разрушения не восстанавливаются при последующем твердении в условиях положительных температур, что и влечет за собой формирование дефектной структуры с низкой прочностью [14].

Рис. 6.8. Нарастание прочности бетона на портландцементе

в зависимости от температуры твердения [14]

Для набора «критической» прочности, которая составляет в зависимости от марки бетона 25 – 50 %, применяют комплекс мер: использование высокоэффективных быстротвердеющих портландцементов; снижение расхода воды затворения; введение специальных противоморозных добавок, обеспечивающих гидратацию вяжущего за счет понижения температуры замерзания раствора; теплоизоляцию поверхности свежеуложенного бетона, приготовленного на подогретых заполнителях и воде или с применением противоморозных добавок (метод термоса), а также тепловую обработку с использованием энергии пара, нагретого воздуха или электрического тока. Тепловую обработку применяют и при нормальных условиях твердения, когда хотят получить заданную прочность бетона в более короткий срок. Именно этот технологический прием используют при получении сборного железобетона на заводах. Наибольшее распространение получили следующие методы: термовлажностная обработка при нормальном и повышенном давлениях, электропрогрев и гелиообработка.

Термовлажностную обработку (ТВО) при обычном давлении проводят с использованием специальных герметичных камер, режим работы которых предусматривает повышение температуры до 70 – 95 °С в условиях насыщенного пара. Весь процесс можно разделить на четыре основных этапа: предварительная выдержка бетона до начала схватывания; медленный подъем температуры до максимальной заданной; выдержка при этой температуре и последующее медленное охлаждение бетонных изделий. Первый этап может составлять от 1,5 до 3,5 часов и зависит от жесткости смеси, вида применяемого цемента и добавок. Так как его продолжительность фактически определяется сроками схватывания и структурообразования, то следовательно при использовании более активных цементов, смесей с малым водосодержанием и добавками ускорителями выдержка минимальна. Применение шлако- и пуццоланового портландцемента, пластичных смесей и добавок пластификаторов, несколько замедляющих процесс гидратации цемента в первые часы контакта вяжущего с водой, требует удлинения этого периода [1].

Второй этап – подъем температуры характеризуется показателями скорости, которая может составлять от 10 до 30 ^оС/ч. Чем раньше бетон приобретет минимальную структурную прочность, способную противостоять давлению пара и газообразных продуктов, тем больше может быть скорость подъема температуры. Следовательно, продолжительность этого периода тесно связана с предыдущим. При наличии факторов, обусловливающих сокращение времени выдержки, скорость подъема температуры может составлять 30 ^оС/ч. Максимальная температура зависит от активности портландцемента (рис. 6.9) и составляет для высокоактивного быстротвердеющего портландцемента 50 – 60 ^оС, рядового – 70 – 80 ^оС, шлако- и пуццоланового – 85 – 90 ^оС. Время изотермии определяется заданной заказчиком прочностью бетона после ТВО, которая, как правило, составляет 50 – 70 % марочной. В отдельных случаях, когда строителями предусматривается нагружение конструкции расчетной проектной нагрузкой, отпускная прочность соответствует марочной – 100 % R₂₈. Большое влияние на качество пропаренного бетона оказывает перепад температуры и влажности, вызывающий перемещение воды и пара в еще непрочном бетоне, приводящее к разрыхлению структуры. Поэтому ускорение набора прочности бетоном с использованием ТВО обусловливает формирование более дефектной структуры по сравнению с бетоном, твердевшим в нормальных температурно-влажностных условиях. Как следствие, это ведет к снижению его водонепроницаемости, морозостойкости и коррозионной стойкости. Для исключения влагопотерь с поверхности бетонных изделий при ТВО необходимо использовать рулонные пароизоляционные материалы (полимерные пленки, прорезиненную ткань, рубероид и т.д.), пленкообразующие составы (латексные, водные эмульсии синтетических каучуков), наносимые распылением на поверхность свежеотформованного бетона, иди добавки депрессоры испарения (высшие жирные спирты). Их защитное использование позволяет проводить термообработку продуктами сгорания природного газа без ухудшения свойств бетона.

 

Рис. 6.9. Кривые нарастающей прочности бетона при пропаривании:

а – для портландцемента; б – для шлакопортландцемента [1]

 

Уменьшить продолжительность ТВО на 3 – 6 часов и снизить энергоемкость процесса можно путем совмещения интенсивного механического и теплового воздействия на бетон. Применение в период структурообразования механических воздействий (динамометрическая обработка) способствует ускорению набора прочности и повышению плотности бетона. Механическое давление на твердеющую смесь, составляющее 10 – 70 г/см², по рекомендации НИИЖБа может создаваться специальным пригрузом, жесткой крышкой форм, пакетированием изделий или избыточным давлением пара в камере. Один из путей снижения энергозатрат при ТО – применение комплексных добавок, состоящих из ускорителей и суперпластификаторов. Основной эффект последних связан с возможностью снижения расхода воды при сохранении заданной пластичности самого теплоемкого компонента бетонной смеси на 20 % и более. Применение этих добавок позволяет не только снизить температуру экзотермии, но и отказаться от использования бездобавочных (клинкерных) энергоемких цементов при получении бетонов марок 600 – 700, а также уменьшить в 3 – 5 раз продолжительность и интенсивность виброуплотнения.

Повышение температуры ТВО свыше 100 °С еще в большей степени ускоряет процесс твердения бетона. Так как гидратация минерального вяжущего может протекать только в присутствии воды, то с целью предупреждения ее вскипания и испарения этот вид термообработки проводят при повышенном давлении. Запаривают бетон в специальных герметичных камерах – автоклавах. Помимо ускорения твердения запаривание приводит к дополнительному образованию кристаллических соединений, повышающих прочность бетона до 50 – 100 МПа. По автоклавной технологии получают цементные изделия, а также силикатные кирпичи и бетоны, в которых в качестве вяжущего используют тонкомолотую смесь, состоящую из гашеной или негашеной извести и кремнезема. Полный цикл автоклавной обработки состоит из пяти этапов: впуск пара и постепенный нагрев до 100 °С; повышение температуры и давления пара до максимальных значений – соответственно 175 – 203 °С и 0,8 – 1,6 МПа; затем выдерживание изделий при заданных температуре и давлении; снижение давления до нормального и температуры до 100 °С и пятый – остывание изделий до температуры окружающей среды.

В качестве источника тепла при производстве сборного железобетона и при зимнем бетонировании монолитных конструкций используют также энергию электрического тока. Электропрогрев бетона может быть осуществлен или за счет прохождения электрического тока по металлической форме и арматуре и перехода электрической энергии вследствие высокого электросопротивления стали в тепловую, или через свежеуложенный бетон между двумя электродами. В этом случае разогрев бетона обусловлен высоким электросопротивлением свежеуложенной смеси, содержащей жидкую фазу, насыщенную электролитами [14].

В летний период сложность получения качественного бетона с заданными свойствами связана с тем, что, во-первых, при перевозке бетона вследствие ускорения процесса гидратации наблюдается быстрое загустевание бетонной смеси, сопровождаемое потерей ее подвижности, и, во-вторых, высокая температура и низкая влажность воздуха вызывают интенсивное испарение воды с поверхности отформованных изделий. Последнее приводит к появлению усадочных трещин и формированию непрочного поверхностного слоя. Поэтому перевоз бетонной смеси осуществляют в специально оборудованных самосвалах с укрытием бетонной поверхности пленочными материалами или в бетоновозах. Для удлинения времени схватывания вводят добавки – замедлители твердения или часть воды заменяют льдом. При приготовлении и укладке бетонной смеси на месте процесс твердения ускоряют, чтобы бетон успел набрать прочность до испарения воды путем введения добавок – ускорителей твердения или применения быстротвердеющего портландцемента. Поверхность бетона после схватывания покрывают слоем мокрого песка или опилок с последующей защитой их воздухо- и влагонепроницаемым пленочным материалом до набора бетоном 50 – 70 % марочной прочности.

В практику строительства все шире внедряют гелиотермообработку железобетонных изделий, при которой в качестве теплоносителя используют солнечную энергию. Для этого применяют или гелиоформы, фокусирующие энергию солнца, или специальные пленочные покрытия черного цвета. Интенсифицировать этот процесс можно также за счет комплексного использования энергии солнца в сочетании с быстротвердеющим цементом и добавками – ускорителями твердения.

 

Структура и свойства бетона

Условия твердения, вид и качество минерального вяжущего, заполнителей, воды и добавок предопределяют структуру и свойства бетона. Образование этого искусственного каменного монолитного материала происходит за счет сцепления цементного камня с зернами заполнителя. Прочность полученного контактного слоя зависит от пористости заполнителя и его способности к химическому взаимодействию с вяжущим веществом. Следовательно, бетон состоит из цементного камня, зерен заполнителя, контактного слоя между ними и пор: воздушно-замкнутых, образованных за счет вовлечения воздуха в бетонную смесь при перемешивании, и капиллярно-открытых, полученных в результате испарения воды, не участвующей в гидратации.

Различают макро- и микроструктуру бетона. Макроструктуру оценивают визуально или при небольшом увеличении. Элементами структуры являются крупный заполнитель, песок, цементный камень, поры различного характера.

Микроструктуру, которая включает непрореагировавшие зерна цемента, кристаллические новообразования, микропоры различного размера, изучают при большом увеличении под микроскопом (до 30000 раз). Свойства бетона в большей степени зависят от состава и микроструктуры цементного камня, а также от состава и строения контактного слоя. Свойства цементного камня определяются степенью гидратации минерального вяжущего, прочностью и долговечностью образованных кристаллических продуктов, наличием и размером микропор. Установлено, что пористость тяжелого бетона на плотном заполнителе обусловлена в основном пористостью цементного камня

П_общ = ,

где П_общ – общая пористость цементного камня, %; В – расход воды на 1 м³ бетона; а – степень гидратации цемента, определяемая химическим методом; Ц – расход цемента на 1 м³ бетона.

В зависимости от механизма образования поры цементного камня подразделяют на поры геля (0,001 – 0,001 мкм), контракционные (0,01 –
0,1 мкм) и капиллярные (более 0,1 мкм). Наиболее опасны открытые капиллярные поры, доступные для воды при обычных условиях водонасыщения и фильтрации под давлением. Наличие капиллярных пор снижает морозостойкость, водонепроницаемость, долговечность бетона.

Монолитность, проницаемость и стойкость бетона в значительной степени определяются качеством контактного слоя между заполнителем и цементным камнем. От его ширины, плотности и прочности зависит, будет ли бетон работать как единое целое. На ширину контактного слоя, которая составляет 30 – 180 мкм, влияют следующие факторы: пористость и шероховатость поверхности заполнителя, его химический состав, вид и активность цемента, водосодержание смеси и условия твердения бетона. Тепловая обработка, как правило, увеличивает в 2 – 3 раза ширину контактного слоя, который по своему составу и свойствам отличается от цементного камня в объеме. Это связано с тем, что заполнитель, как правило, не является инертным компонентом бетона, а взаимодействует с цементным камнем, образуя новые кристаллические соединения. Пористые заполнители вследствие проникновения цементного теста в поры зерен обладают большей прочностью сцепления с цементным камнем, чем плотные. Состав, структура, прочность цементного камня и контактного слоя предопределяют основные эксплуатационные свойства бетона.

К основным эксплуатационным свойствам бетона, обеспечивающим долговечность его службы в конструкции, относятся прочность, деформативность, проницаемость, морозо- и коррозионная стойкость.

Прочность – способность материала воспринимать действие нагрузок без разрушений. Бетон представляет собой хрупкий искусственный композиционный каменный материал, поэтому на сжатие он работает в
10 – 20 раз лучше, чем на изгиб. Как правило, строительные конструкции эксплуатируют в сложных условиях нагружения, когда сжимающие нагрузки сочетаются с изгибающими и растягивающими (балки, фермы), поэтому при проектировании нагрузки распределяют и рассчитывают таким образом, чтобы сжимающие воспринимал бетон, а изгибающие и растягивающие — арматура. В связи со спецификой бетона, этого прочного, относительно хрупкого конструкционного материала, его основной характеристикой является прочность на сжатие. В зависимости от конкретных условий эксплуатации конструкции дополнительно проводят испытания на осевое растяжение при изгибе и раскалывании. Контроль прочности бетона проводят разрушающими методами с использованием специально отформованных контрольных образцов или полученных выпиливанием (выбуриванием) из бетона конструкций, а также неразрушающими – непосредственно в изделиях. Контрольные образцы изготавливают из бетонной смеси формуемой конструкции и направляют вместе с ней на твердение в естественных условиях, пропарочную камеру или автоклав. Проектную марку и класс бетона определяют на образцах кубах, выдержанных 28 суток при влажности более 95 % и температуре 20 ± 5 ^оС (ГОСТ 18105-86).

Контроль прочности бетона в эксплуатируемых зданиях и сооружениях проводят на образцах правильной формы, выбуренных или выпиленныхиз конструкции (ГОСТ 28570-90). Для определения прочности на сжатие и растяжение при раскалывании используют образцы кубы и цилиндры, осевое растяжение – призмы квадратного сечения и цилиндры, а при изгибе – призмы квадратного сечения.

В зависимости от максимального размера крупного заполнителя (от 20 до 100 мм) наименьший размер образца (ребра куба, стороны сечения призмы или диаметра цилиндра) может изменяться от 100 до 300 мм. За базовый при всех видах испытаний следует принимать образец с размером рабочего сечения 150х150 мм.

Для приведения прочности бетона образцов других размеров к базовому используют масштабные коэффициенты.

Прочность бетона рассчитывают по следующим формулам (ГОСТ 10180-90):

- на сжатие ;

- на осевое растяжение ;

- на растяжение при раскалывании ;

- на растяжение при изгибе ,

где F – разрушающая нагрузка, Н (кгс); А – площадь рабочего сечения образца, мм² (см²); a, b, l – соответственно ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами при изгибе, м (см); a, b, g, d – масштабные коэффициенты; K_W – поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Методы контроля прочности путем испытания бетонных образцов, изготавливаемых отдельно от конструкции, имеют существенные недостатки. К ним, в частности, относятся:

1. Условия укладки, уплотнения и твердения бетона в образцах и сооружениях или конструкциях различны.

2. Так как объем испытываемых образцов в 1000 – 10000 раз меньше объема бетонируемой конструкции, то надежность контроля невелика.

3. Применяемые методы не позволяют оценить однородность бетона в конструкции.

4. При испытании образцов нельзя проконтролировать изменения прочности, происходящие в процессе эксплуатации конструкции.

Непосредственно в изделиях и сооружениях контроль прочности бетона проводят с использованием механических и физических неразрушающих методов испытаний.

Механические основаны на вдавливании штампа в бетонную поверхность под действием удара, который наносят либо с помощью специальной пружины, либо выстрела или вручную специальным молотком. По диаметру отпечатка на бетонной поверхности, используя тарировочные кривые, определяют прочность бетона (ГОСТ 28570-90, ГОСТ 22690-88). Этот метод целесообразно использовать при оценке качества эксплуатируемого бетона в неармированных и малоармированных конструкциях дорожных и аэродромных покрытий, фундаментах, гидротехнических сооружениях, а также при периодическом контроле прочности железобетонных конструкций на заводе-изготовителе.

К физическим методам относятся: резонансный, импульсный, радиометрический и метод волнового удара. Для контроля нарастания прочности бетона в условиях тепловой обработки используют электрический метод измерения электросопротивления. Для контроля интенсивности твердения бетона в конструкции, а также при проведении исследовательских работ по изучению морозо- и коррозионной стойкости, влияния добавок и технологии производства на прочность бетона используют импульсный ультразвуковой метод (ГОСТ 17624-87). Он основан на фиксировании скорости прохождения ультразвука с частотой более 20 кГц через бетон. По скорости ультразвука, замеряемой специальным прибором, и тарировочной кривой определяют прочность бетона. Тарировочные кривые строят на основании большого объема данных, полученных разрушающим и неразрушающим методами контроля. В зависимости от способа изготовления конструкции прочность контролируют так: для сборных – при отпуске их потребителю и марочную, монолитных – в промежуточном возрасте 1, 3, 7 суток при работе с быстротвердеющими цементами и добавками – ускорителями твердения и проектную в 28 суток естественного твердения, равную классу (В) или марке (М) (ГОСТ 10180-90, СТ СЭВ 3978-83, ГОСТ 18105-86, СТ СЭВ 2046-79).

При возведении массивных монолитных сооружений на медленно твердеющих цементах – пуццолановом и шлакопортдандцементе контроль прочности проводят в 60, 90 и 180 суток.

Класс бетона (В) отличается от марки (М) тем, что в первом случае показатель прочности принимают с гарантированной обеспеченностью 0,95, в то время как марка бетона представляет собой среднее арифметическое трех экспериментально полученных величин, имеющих определенные допустимые отклонения от среднего показателя. Между классом бетона и его средней прочностью – маркой имеется следующая зависимость

В = ,

где В – класс бетона по прочности, МПа; – средняя прочность бетона в проектном возрасте (как правило, 28 суток естественного твердения), МПа;

V_m – коэффициент вариации прочности бетона; t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона.

При обеспеченности класса бетона 95 % коэффициент t = 1,64. Для бетонов согласно СТБ 1310-2002 установлены следующие классы:

- по прочности на сжатие от В0,35 до В105;

- по прочности на осевое растяжение от В_t 0,4 до В_t 4,8;

- по прочности на растяжение при изгибе от В_t 0,4 до В_t 8,0.

При значении класса по прочности В45 и выше бетоны называют высокопрочными.

На основании установленных зависимостей прочности бетона от качества применяемых материалов и пористости цементного камня выведен основной закон прочности (уравнение Скрамтаева – Баломея)

R_Б = АR_ц(Ц/В±0,5),

где R_Б – средняя прочность бетона в проектном возрасте (марка), Па (кгс/см²); качество вяжущего определяется его маркой R_ц – активностью, Па (кгс/см²), заполнителя – коэффициентом (А), изменяющимся в пределах 0,37 – 0,65 и Ц/В характеризует фактически объем открытых, капиллярных пор – структуру бетона.

Формула расчета в зависимости от Ц/В и проектируемой марки бетона приобретает следующий вид. Для бетонов низких и средник марок (М200 – М4ОО) с Ц/В = 1,4 – 2,5; R_б = А R_ц(Ц/В – 0,5) для высокомарочных бетонов с Ц/В > 2,5; R_б = А, R_ц (Ц/В + 0,5), при значении коэффициента А = 0,37 – 0,50 и А₁ = 0,51 – 0,65.

Чем выше активность цемента, тем более высокую марку (класс) бетона при равном расходе компонентов можно получить. Соотношение между классом бетона и маркой используемого цемента представлено в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Зависимость марки цемента от проектируемого класса бетона

Класс бетона по прочности	В 10	В 20	В 30	В 35	В 40	В 50
Марка цемента:
рекомендуемая
допускаемая				500-600	500-550

Применение цемента ниже рекомендуемой марки приводит к значительному перерасходу цемента. Увеличение содержания цементного камня в бетоне, обладающего такими отрицательными свойствами, как повышенная усадка, ползучесть, пониженная трещиностойкость, высокая капиллярная пористость, вызывает снижение строительно-технических свойств бетонов и конструкций из него. Поэтому максимальная норма расхода ограничена 600 кг/м³бетона.

Использование высокомарочных цементов в бетоне низких марок, с одной стороны, не позволяет полностью использовать их активность, с другой – расход цемента, рассчитанный по формуле, настолько мал, что полученного цементного теста не хватает для обволакивания и скрепления зерен заполнителя, получения однородной удобоукладываемой смеси. В связи с этим минимальный расход составляет для бетонных конструкций 180 кг/м³, железобетонных – 220 кг/м³.

Большое влияние на прочность бетона оказывает качество применяемых заполнителей. Так, недостаточная прочность заполнителя, повышенное содержание слабых включений (лещадных, игловатых), увеличение объема пылевидных и глинистых частиц, низкий модуль крупности песка приводят не только к перерасходу воды и цемента, но и к снижению прочности бетона в целом. Поэтому для получения бетонов высоких марок необходимо применять крупноразмерный многофракционный щебень, марка которого в 2 раза превышает марку проектируемого бетона, обладающего за счет шероховатости поверхности повышенной прочностью сцепления с цементным камнем. Для бетонов марки МЗОО и выше эффективно использовать средние и крупные пески с пониженной водопотребностью. Жесткие требования предъявляют по ограничению содержания пылевидных, илистых и глинистых частиц, уменьшающих прочность сцепления заполнителей с цементным камнем и требующих для получения заданной удобоукладываемости повышенного расхода воды. Высокая водопотребность приводит к формированию дефектной структуры бетона, снижению его долговечности. Таким образом, высокомарочные бетоны можно получить, используя комплекс технологических приемов. Основными из них являются следующие: максимальное снижение водоцементного отношения с одновременным введением пластификаторов и суперпластификаторов, применение эффективных способов уплотнения бетонной смеси в формах, использование высокомарочных цементов и мытых фракционированных заполнителей высоких марок.

Если рассмотреть в общем виде работу строительной конструкции, например, простейшей балки, то можно сделать вывод, что в процессе эксплуатации она воспринимает как сжимающие напряжения в верхних слоях бетона, так и растягивающие в нижних. Следовательно, выполнение этой конструкции только из высокомарочного бетона не обеспечит ее надежную работу в целом, т.к. в нижней зоне бетона начнется процесс трещинообразования. Для компенсации этих напряжений и создания условий долговременной эксплуатации конструкции в растягиваемую зону бетона при изготовлении конструкций и изделий вводят стальную или стеклопластиковую арматуру – в случае изготовления специальных кислотостойких бетонов. Бетон и арматура вследствие высокой прочности сцепления обеспечивают монолитность конструкции и ее работу как единого целостного материала. Защиту стальной арматуры от коррозии при действии окружающей среды обеспечивает защитный слой бетона, который должен быть не менее 2 – 3 см. Так как бетон является относительно пористым материалом, пропускающим влагу, то его основное защитное действие по отношению к металлу арматуры определяется не надежной изоляцией от внешних воздействий, а содержанием в порах бетона насыщенного раствора щелочи – гидроксида кальция, продукта гидратации алита, которая обеспечивает сохранность стальной арматуры. Снижение ее концентрации в результате фильтрации воды или взаимодействия с агрессивными средами приводит сталь в неустойчивое состояние, при котором возможна коррозия с накоплением объемных продуктов взаимодействия (ржавчины) на поверхности контакта сталь – бетон. Возникает отслоение защитного слоя бетона и, как следствие, разрушение конструкции в целом.

С целью повышения сопротивляемости искусственного камня растягивающим и изгибающим напряжениям применяют также дисперсное армирование, представляющее собой равномерное распределение по всему объему эластичных, коротких (10 – 50 мм), тонких (0,1 – 0,5 мм) волокон-фибр, которые могут быть стеклянными, металлическими, базальтовыми, полимерными. Фибробетон – так называют этот материал – обладает также повышенной прочностью на удар и истирание.

Деформативные свойства бетона зависят от его структуры, состава, свойств составляющих, условий твердения бетона и эксплуатации конструкций. Деформации в бетоне условно можно разделить на собственные, механические и температурные. Собственные деформации наблюдаются в бетоне при твердении и изменении его влажности. Уменьшение объема затвердевшего бетона происходит в результате испарения воды и химического взаимодействия минералов цемента с водой, т.к. кристаллические продукты гидратации занимают меньший объем, чем сумма объемов веществ, вступающих в реакцию (контракционная усадка). Вследствие взаимодействия в поверхностных слоях бетона гидроксида кальция, продукта гидратации трехкальциевого силиката, с углекислым газом воздуха в порах бетона образуется крупнокристаллический карбонат кальция, вызывающий карбонизационную усадку. Влажностные изменения могут сопровождаться расширением цементного камня при насыщении водой и усадкой – в результате ее испарения.

Контракционная и карбонизационная деформации увеличиваются с повышением содержания цемента и воды в бетонной смеси, при
применении высокоактивных цементов, гидратация которых проходит в более короткие сроки с большим тепловыделением.

Определяющее влияние на величину контракционной усадки оказывают условия твердения бетона. Снижение влажности окружающей среды менее 90 % в первые сутки твердения вызывает появление поверхностных микротрещин, ухудшающих эксплуатационные свойства бетона. Деформации можно уменьшить за счет обеспечения нормальных температурно-влажностных условий твердения бетона в первые 7 суток при получении монолитных конструкций на строительной площадке или соблюдения режимов ТВО особенно в период предварительной выдержки, подъема температуры и остывания бетона при изготовлении сборных конструкций. Влажностные деформации зависят отсодержания цементного камня в бетоне, так как именно он при насыщении водой склонен к набуханию в отличие от жесткого плотного заполнителя и последующей усадке при ее испарении. Для повышения трещиностойкости бетона в конструкциях эффективна их пропитка на определенную глубину высокомолекулярными горячими смолами в специальных герметичных камерах под давлением (получение бетонополимерных конструкций) и применение дисперсного армирования. В первом случае заполнение капиллярных пор полимерным пластичным материалом по отношению к хрупкому искусственному камню позволяет поверхностному слою бетона воспринимать собственные деформации без нарушения его целостности; во втором – изгибающие и растягивающие напряжения берет на себя равномерно распределенная по всему объему бетона эластичная дисперсная арматура.

В зависимости от длительности действия нагрузки бетон ведет себя по-разному. При небольшом кратковременном нагружении он проявляет свойства упругого тела. Если напряжение превосходит 0,2 предела прочности на сжатие, то наблюдаются остаточные пластические деформации, связанные с появлением микротрещин как в самом цементном камне, так и в контактном слое. На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют скорость ее приложения, размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды. Чем меньше скорость подачи нагрузки, тем больше деформации в бетоне, увеличение деформаций на 10 % наблюдается при испытании горячего бетона и бетона в водонасыщенном состоянии. С уменьшением размера образцов вследствие повышения их однородности снижается скорость нарастания деформаций, поэтому при испытании в этом случае вводят поправочные коэффициенты, величина которых меньше единицы.

Длительное действие нагрузки, постоянной по величине и направлению, вызывает в бетоне увеличивающиеся деформации, которые затухают только через несколько лет эксплуатации конструкции. Это явление называется ползучестью. Основная причина ползучести объясняется пластическими свойствами цементного камня в начальные сроки твердения, когда он еще не полностью закристаллизовался, не приобрел достаточной прочности и жесткости. Поэтому ползучесть увеличивается при повышении расхода цемента, водоцементного отношения, уменьшении крупности заполнителя и повышении его деформативности (легкий заполнитель). Снизить ползучесть бетона можно путем ограничения расхода цемента и увеличения объема крупного плотного заполнителя в составе бетонной смеси. С увеличением времени твердения бетона процесс этот стабилизируется.

Температурные деформации в бетоне возникают вследствие разных коэффициентов температурного расширения его составляющих. Температура от 0 до 50 °С не вызывает значительных деформаций в сухом бетоне. Колебания температуры особенно при наличии влаги в порах приводят к микроразрушениям. Рост деформаций связан при отрицательной температуре с льдообразованием, сопровождающимся увеличением объема льда по отношению к замерзающей воде, и переходом воды в пар с увеличением объема последнего при нагревании. В первом случае используют технологические приемы по повышению морозостойкости бетона: увеличение плотности, создание микропористой замкнутой структуры. Во втором, касающемся в большей степени технологии получения сборного железобетона с использованием термообработки, – применение мягких режимов с медленным нарастанием и снижением температуры. Для уменьшения температурных деформаций в бетонных конструкциях с большим модулем поверхности устраивают температурные швы, которые заполняют герметизирующими упругими прокладками или мастиками, воспринимающими и гасящими возникающие деформации.

Для таких изделий, как напорные железобетонные трубы, емкости для хранения жидких продуктов, а также гидротехнических сооружений – дамб, мостов, условия эксплуатации которых связаны с односторонним действием жидкостей под давлением, проницаемость является важнейшим свойством бетона. Основное влияние на проницаемость оказывают показатели структуры: общий объем пор, содержание замкнутых и капиллярных пор, их форма и размер. Чем больше возраст бетона, тем проницаемость ниже, так как образующиеся в процессе гидратации кристаллические продукты заполняют пустоты и поры, повышая его плотность (см. рис. 6.6). Водоотделение и недоуплотнение бетонной смеси, появление микротрещин вследствие усадки бетона при действии нагрузки, попеременного увлажнения с последующим замораживанием или высыханием могут существенно снизить непроницаемость бетона. Свойство это оценивают по коэффициенту фильтрации, который равен количеству воды, прошедшей через бетон толщиной 1 м, площадью в 1 м² в течение одного часа при постоянном перепаде давления

,

где V_B – количество прошедшей воды, м³; S – площадь поверхности, м²;
t – время, ч; (р₁ – р₂) – перепад давления, Па.