Матеріали для залізобетонних конструкцій

Р о з д і л 1

Основні фізико-механічні властивості бетонів

Бетон як матеріал для залізобетонних конструкцій

Бетон як матеріал для ЗБК повинен мати такі наперед задані фізико-механічні властивості: міцність, достатню густину (непроникність) для захисту арматури від корозії, добре зчіплюватися з арматурою під час тужавлення, а також інші властивості, що відповідають особливим умовам експлуатації ЗБК (наприклад, корозійна стійкість для конструкцій, що експлуатуються в агресивному середовищі тощо).

Бетони можна класифікувати за рядом ознак:

а) за структурою — щільної структури, в яких простір між зернами заповнювача зайнятий затверділою в’яжучою; крупнопористі малопісчані та безпісчані; поризовані, тобто з заповнювачами і штучною пористою затверділою в’яжучою; ніздрюваті з штучно створеними замкнутими порами;

б) за середньою густиною — особливо важкі (g>2500 кг/м³); важкі (2200<g<2500 кг/м³); полегшені (1800<g<2200 кг/м³); легкі (500<g<1800 кг/м³);

в) за видом заповнювача — на щільних заповнювачах; на пористих заповнювачах; на спеціальних заповнювачах;

г) за зерновим складом — крупнозернисті з крупним та дрібним заповнювачами; дрібнозернисті з дрібним заповнювачем;

д) за умовами тужавлення — бетони природного тужавлення; піддані тепловологісній обробці при атмосферному тискові; піддані автоклавній обробці при підвищеному тискові.

Згідно з діючими нормами проектування усі бетони для ЗБК поділяються на три групи:

важкий бетон — бетон щільної структури, на щільних заповнювачах, крупнозернистий, на цементній в’яжучій при будь-яких умовах тужавлення;

дрібнозернистий бетон — бетон щільної структури, важкий, на дрібних заповнювачах, на цементній в’яжучій при будь-яких умовах тужавлення;

легкий бетон — бетон щільної структури, на пористих заповнювачах, крупнозернистий, на цементній в’яжучій за будь-яких умов тужавлення.

Як щільний заповнювач для бетонів використовують щебінь з дроблених гірських порід (піщаник, граніт, діабаз) та природний кварцовий пісок. Пористі заповнювачі можуть бути як природні — перліт, пемза і ін., так і штучні — керамзит, шлак тощо. Залежно від виду пористого заповнювача розрізняють керамзитобетон, шлакобетон, перлітобетон тощо.

Бетони поризовані, ніздрюваті, а також на пористих заповнювачах використовують в основному для огороджувальних конструкцій, а дуже важкі бетони — для будівництва захисних споруд від дії радіаційного опромінення. Для звичайних ЗБК використовують важкий та дрібнозернистий бетони.

 

Структура бетону

Розглянемо схему фізико-хімічного процесу утворення бетону.

При переміщуванні бетонної суміші, що складається з заповнювачів, цементу та води, починається хімічна реакція з’єднання мінералів цементу з водою. В результаті цієї реакції утворюється гель — студнеподібна пориста маса, до складу якої входять мінеральні частинки цементу, що ще не вступили в реакцію, та незначні з’єднання у вигляді кристалів. Під час перемішування бетонної суміші гель обволікає окремі зерна заповнювачів, поступово тужавіє, його кристали об’єднуються між собою і збільшуються. Твердіючий гель перетворюється в цементний камінь, що скріплює зерна крупного та дрібного заповнювачів в монолітний твердий матеріал — бетон.

На структуру та міцність бетону суттєво впливає кількість води, що оцінюється водоцементним відношенням В/Ц. Для хімічного з’єднання з цементом достатнім є відношення В/Ц = 0,2, але з технологічних міркувань В/Ц приймають 0,3...0,6. Надлишкова вода частково вступає потім в хімічну реакцію з менш активними частинками цементу, а частково заповнює численні пори та капіляри в цементному камені і щілини між зернами заповнювачів та арматурою. З пор і щілин вода поступово випаровується і в готовому бетоні за рахунок цього утворюються повітряні пори та щілини. За даними досліджень пори займають приблизно третину об’єму цементного каменю. Із зменшенням В/Ц пористість цементного каменю зменшується, а міцність бетону зростає.

Таким чином, структура бетону дуже неоднорідна і являє собою просторову гратку з цементного каменю, заповнену зернами піску та щебеню і пронизану великою кількістю мікропор та капілярів. В ній міститься також хімічно незв’язана вода, водяна пара і повітря. З фізичної точки зору бетон — це капілярно-пористий матеріал, в якому одночасно присутні три фази речовини — тверда, рідка та газоподібна. Цементний камінь в свою чергу також має неоднорідну структуру і складається з пружного кристалічного матеріалу і в’язкої маси — гелю.

З часом під впливом зовнішніх факторів водний баланс в бетоні змінюється, зменшується об’єм твердіючого гелю і збільшується кількість пружного кристалічного матеріалу, що впливає на міцність і характер деформування бетону під навантаженням.

 

Усадка бетону

Властивість бетону зменшуватися в об’ємі при тужавленні в повітряному середовищі називається усадкою.

Усадка залежить від кількості та виду цементу (чим більше цементу – тим більша усадка; високоактивні цементи дають більшу усадку), крупності заповнювача (при дрібнозернистих пісках усадка більша), водоцементного відношення В/Ц (чим більше В/Ц — тим більша усадка), хімічних добавок (прискорювачі тужавлення бетону збільшують усадку) і пористості (чим менша пористість – тим менша усадка).

Найінтенсивніше усадка бетону проходить у початковий період тужавлення і з часом припиняється.

Швидкість усадки, в першу чергу, залежить від вологості — чим менша вологість, тим більші усадочні деформації і більша швидкість їх зростання.

Усадка бетону під навантаженням при стисканні прискорюється, а при розтяганні — сповільнюється.

Усадка бетону пов’язана з фізико-хімічним процесом тужавлення та зменшенням при цьому об’єму цементного гелю. На неї впливає також надлишкова вода, яка випаровується і йде на гідратацію з малоактивними частинками цементу. З часом тужавлення гелю припиняється і припиняється усадка.

Крупний та дрібний заповнювачі, які мають більший модуль пружності, протистоять вільному зменшенню об’єму цементного каменю. Нерівномірне висихання бетону веде до нерівномірності його усадки і викликає початкові усадочні напруження. Відкриті поверхні бетону висихають швидше, а внутрішні об’єми залишаються більш вологими. Отже у поверхневих шарах бетону буде виникати розтяг, а у його внутрішніх шарах — стиск. Як наслідок такого явища — поява усадочних тріщин в бетоні.

Початкові напруження від усадки бетону безпосередньо в розрахунках ЗБК не враховують. Розтягувальні зусилля від усадки сприймає конструктивна та монтажна арматури.

Зменшити усадку можна за допомогою технологічних заходів — зволожування бетону, термообробка тощо. У великорозмірних ЗБК передбачають усадочні шви, які, як правило, співпадають з температурними.

Основи міцності бетону

Бетон — неоднорідний матеріал, тому під впливом зовнішнього навантаження в ньому виникає складний напружено-деформований стан. Розглянемо бетонну призму, що стискається силою N, і виділимо з неї нескінченно маленький об’єм (рис. 1.1).

 

Рис. 1.1. Схема напруженого стану бетонного зразка при стисканні: а — концентрація напружень біля мікропор; б — тріщини розриву бетону в поперечному напрямку при осьовому стисканні

 

У виділеному об’ємі напруження концентруються на більш жорстких частинках, що мають більший модуль пружності. На площинках, що з’єднують ці частинки, виникають зусилля зсуву. В місцях, ослаблених порами та пустотами, напруження також концентруються. З теорії пружності відомо, що в стиснутому матеріалі з отворами навколо останніх виникає плоский напружений стан і розтягувальні напруження діють на площинках, паралельних стискувальній силі. В бетоні таких пор і пустот багато. Напруження навколо них сумуються і загалом в бетонній призмі виникають поздовжні стискальні і поперечні розтягувальні напруження.

Руйнування зразка відбувається в поперечному напрямку, що підтверджується експериментально. Спочатку виникають волосяні поздовжні тріщини. З часом вони ростуть і розкриваються. Об’єм призми ніби збільшується і при навантаженні, що відповідає межі міцності, зразок розсипається на окремі вертикальні призмочки.

Бетон — матеріал неоднорідний, тому зразки, виготовлені з одного замісу бетону, будуть мати різну міцність.

Експериментально встановлено, що міцність бетону залежить від зернового складу (його підбирають так, щоб об’єм пустот в суміші заповнювачів був найменшим), міцності заповнювачів та характеру їх поверхні (при шорсткій та кутоватій поверхні заповнювачів підвищується їх зчеплення з цементним розчином, тому бетони, виготовлені на щебені, мають більшу міцність, ніж бетони виготовлені на гравії), форми та розмірів зразка, умов тужавлення, виду напруженого стану, тривалості дії навантаження, технології виготовлення тощо.

 

Класи та марки бетону

Нормами проектування встановлюються показники якості бетону — класи та марки:

1) клас бетону за міцністю на осьовий стиск В (цей показник вказують в проектах у всіх випадках);

2) клас бетону за міцністю на осьовий розтяг B_t (вказують у тих випадках, коли ця характеристика контролюється при виготовленні ЗБК);

3) марка бетону за морозостійкістю F (вказується для ЗБК, що експлуатуються в умовах підвищеної вологості при перемінному заморожуванні і відтаванні);

4) марка бетону за водонепроникністю W (вказується для конструкцій, що експлуатуються під тиском рідин);

5) марка бетону за густиною Д (вказується для теплоізоляційних ЗБК).

Задані клас та марку бетону отримують відповідним підбором бетонної суміші в лабораторних умовах з наступним випробовуванням зразків.

Найбільш цінний показник бетону — його міцність на стиск — характеризується класом бетону В (МПа): тимчасовий опір стисканню бетонних кубів 15х15х15 см, випробуваних через 28 діб зберігання при температурі 20±2⁰С і вологості 100%.

Нормами встановлені такі класи В бетону на осьовий стиск:

а) для важкого бетону — В7,5, В10, В12,5, В15, В20, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60;

б) для дрібнозернистих бетонів залежно від виду:

А (з модулем крупності піску 2,1 і більше) — до В40;

Б (з модулем крупності піску в межах 1 — 2,1) — до В30;

В (при автоклавній обробці бетону) — до В60;

в) для легкого бетону — до В40.

Класи бетону на осьовий розтяг (МПа) B_t0,8, B_t1,2, B_t1,6, B_t2, B_t2,4, B_t2,8, B_t3,2 означають тимчасовий опір розриву бетонних вісімок, витриманих 28 діб при температурі 20±2⁰С і вологості 100%.

Марки бетону за морозостійкістю бувають віл F25 до F500 і означають кількість циклів заморожування і відтавання зразка без втрати ним міцності.

Марки бетону за водонепроникністю встановлені від W2 до W12. Вони вказують на граничний тиск рідини, коли вона ще не просочується через зразок.

Марка бетону за густиною від Д800 до Д2400 характеризує середню густину бетону (кг/м³).

Оптимальний клас чи марку бетону вибирають на основі техніко-економічних міркувань залежно від виду залізобетонної конструкції, умов її експлуатації, способу виготовлення.