ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА

К основным свойствам тяжелого бетона, кроме прочности, от­носят: пористость, деформативность (модуль упругости, ползучесть, усадку), водопроницаемость, морозостойкость, теплофизические свойства и др.

Деформативность бетона. Бетон под нагрузкой ведет себя не как идеально упругое тело (например, стекло), а как упруго-вяз­ко-пластичное тело (рис. 12.13). 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 сильнопористых ячеистых бетонов модуль уп­ругости около 1 • 10⁴ МПа).

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

Ползучесть — склонность бетона к росту пластических деформа­ций при длительном действии статической нагрузки. Ползучесть бетона также связана с пластическими свойствами цементного геля и микротрещинообразованием. Она носит затухающий во времени характер (рис. 12.14). 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.

Усадка — процесс сокращения размеров бетонных элементов при их нахождении в воздушно-сухих условиях. Основная причина усадки — сжатие гелевой составляющей цементного камня при вы­сыхании. Усадка бетона тем выше, чем больше объем цементного теста в бетоне (рис. 12.15). В среднем усадка тяжелого бетона со­ставляет 0,3...0,4 мм/м.

Вследствие усадки бетона в бетонных и железобетонных конст­рукциях могут возникнуть большие усадочные напряжения, поэто­му элементы большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. При усадке бетона 0,3 мм/м в конструкции длиной 30 м общая усадка составит 10 мм. Уса­дочные трещины в бетоне на контакте с заполнителем и в самом це­ментном камне могут снизить морозостойкость и послужить очагами коррозии бетона.

Пористость. Как это ни покажется странным, бетон — плотный на вид материал имеет заметную пористость. Причина ее возникновения,

как это уже не раз говорилось — в избыточном количестве воды затворения. Бетонная смесь после правильной укладки пред­ставляет собой плотное тело. При твердении часть воды химически связывается минералами цементного клинкера (для портландце­мента около 0,2 от массы цемента), а оставшаяся часть постепенно испаряется, оставляя после себя поры. В этом случае пористость бе­тона можно определить по формуле

П = [(В- - Ц)/1000]- 100,

где В и Ц — расходы воды и цемента в кг на 1 м³ (1000 дм³); со— ко­личество химически связанной воды в долях от массы цемента.

Так, например, в возрасте 28 сут цемент связал 17 % воды от своей массы; расход воды в этом бето­не — 180 кг, а цемента — 320 кг. Тог­да пористость бетона будет:

П = [(180 - 0,17 • 320)/1000] × 100 = 12,6 %.

Это общая пористость, включаю­щая микропоры геля и капиллярные поры (объем вовлеченного воздуха мы не рассматриваем). С точки зре­ния влияния на проницаемость и мо­розостойкость бетона важно количе­ство капиллярных пор. Относитель­ный объем таких пор можно вычис­лить по формуле, %: П_к = [(В - 2 Ц)/1000] • 100.

В рассматриваемом случае объем капиллярных пор будет 7,1 %.

Водопоглощение и проницаемость. Благодаря капиллярно-порис­тому строению бетон может поглощать влагу как при контакте с ней, так и непосредственно из воздуха. Гигроскопическое влагопоглощение у тяжелого бетона незначительно, но у легких бетонов (а в особенности у ячеистых) может достигать соответственно 7...8 и 20...25 %.

Водопоглощение характеризует способность бетона впитывать влагу в капельно-жидком состоянии; оно зависит, главным обра­зом, от характера пор. Водопоглощение тем больше, чем больше в бетоне капиллярных сообщающихся между собой пор. Максималь­ное водопоглощение тяжелых бетонов на плотных заполнителях до­стигает 4...8 % по массе (10...20 % по объему). У легких и ячеистых бетонов этот показатель значительно выше.

Большое водопоглощение отрицательно сказывается на морозо­стойкости бетона. Для уменьшения водопоглощения прибегают к гидрофобизации бетона, а также к устройству паро- и гидроизоля­ции бетонных конструкций.

Водопроницаемость бетона определяется в основном проницае­мостью цементного камня и контактной зоны «цементный ка­мень — заполнитель»; кроме того, путями фильтрации жидкости через бетон могут быть микротрещины в цементном камне и дефек­ты сцепления арматуры с бетоном. Высокая водопроницаемость бе­тона может привести его к быстрому разрушению из-за коррозии цементного камня.

Для снижения водопроницаемости необходимо применять за­полнители надлежащего качества (с чистой поверхностью), а также использовать специальные уплотняющие добавки (жидкое стекло, хлорное железо) или расширяющиеся цементы. Последние использу­ются для устройства бетонной гидроизоляции.

По водонепроницаемости бетон делят на марки W0,2; W0,4; W0,6; WO,8 и W l,2. Марка обозначает давление воды (МПа), при котором образец-цилиндр высотой 15 см не пропускает воду при стандартных испытаниях.

Морозостойкость — главный показатель, определяющий долго­вечность бетонных конструкций в нашем климате. Морозостой­кость бетона оценивается путем попеременного замораживания при минус (18±2)°С и оттаивания в воде при (18 ±2) °С предварительно насыщенных водой образцов испытуемого бетона. Продол­жительность одного цикла — 5...10 ч в зависимости от разме­ра образцов.

За марку по морозостойко­сти принимают наибольшее число циклов «заморажива­ния — оттаивания», которое об­разцы выдерживают без сниже­ния прочности на сжатие более 5 % по сравнению с прочностью контрольных образцов в начале испытаний. Установлены следую­щие марки бетона по морозостойкости: F25; F35; F50; F75; F100...F1000. Стандартом предусмотрены и ускоренные методы ис­пытаний в растворе соли или глубоким замораживанием до ми­нус (50±5)°С.

Причиной разрушения бетона в рассматриваемых условиях яв­ляется капиллярная пористость (рис. 12.16). Вода по капиллярам попадает внутрь бетона и, замерзая там, постепенно разрушает его структуру. Так, бетон, пористость которого мы рассчитывали выше, в соответствии с рис. 12.16 должен иметь

морозостойкость F150...F200.

Для получения бетонов высокой морозостойкости необходимо

добиваться минимальной капиллярной пористости

(не выше 6,5...6 %). Это возможно путем снижения

содержания воды в бетон­ной смеси, что, в свою очередь, достигается путем использования:

• жестких бетонных смесей, интенсивно-уплотняемых при ук­ладке;

• пластифицирующих добавок, повышающих удобоукладываемость бетонных смесей без добавления воды.

Есть еще один путь повышения морозостойкости бетона — гидрофобизация (объемная или поверхностная); в этом случае снижа­ется водопоглощение бетона и соответственно повышается его морозостойкость.

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

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 тяжелый бетон в ограждаю­щих конструкциях можно только совместно с эффективной тепло­изоляцией. Легкие бетоны (см. п. 12.7), в особенности ячеистые, имеют невысокую теплопроводность 0,1...0,5 Вт/(м • К), и их при­менение в ограждающих конструкциях предпочтительнее.

Теплоемкость тяжелого бетона, как и других каменных материа­лов, находится в пределах 0,75...0,92 ДжДкг • К); в среднем — 0,84 ДжДкг- К).

Температурные деформации. Температурный коэффициент ли­нейного расширения ТКЛР тяжелого бетона (10... 12) • 10"⁶ К"¹. Это значит, что при увеличении температуры бетона на 50° (например, от —20° до +30 ° С) расширение составит примерно 0,5 мм/м. Поэ­тому во избежание растрескивания сооружения большой протяжен­ности разрезают температурными швами.

Большие колебания температуры могут вызвать внутреннее рас­трескивание бетона из-за различного теплового расширения круп­ного заполнителя и цементного камня.

ЛЕГКИЕ БЕТОНЫ

Существенный недостаток обычно тяжелого бетона — большая плотность (2400...2500 кг/м³). Снижая плотность бетона, строители достигают как минимум двух положительных результатов:

• уменьшается масса строительных конструкций;

• повышаются их теплоизоляционные свойства.

Легкие бетоны (в начале XX в. их называли «теплые бетоны») — бетоны с плотностью менее 1800 кг/м³ — универсальный материал для ограждающих и несущих конструкций жилых и промышленных зданий. Из них изготовляют большинство стеновых панелей и бло­ков, плит кровельных покрытий и камней для кладки стен. Термин «легкие бетоны» объединяет большую группу различных по составу, структуре и свойствам бетонов.

По назначению легкие бетоны подразделяют на:

• конструктивные (класс прочности — В7,5...В35; плотность —1400...1800 кг/м³);

• конструктивно-теплоизоляционные (класс прочности не ме­нее В3,5, плотность — 600...1400 кг/м³);

• теплоизоляционные — особо легкие (плотность < 600 кг/м³).

По строению и способу получения пористой структуры легкие бе­тоны подразделяют на следующие виды:

• бетоны слитного строения на пористых заполнителях;

• ячеистые бетоны, в составе которых нет ни крупного, ни мел­кого заполнителя, а их роль выполняют мелкие сферические поры (ячейки);

• крупнопористые, в которых отсутствует мелкий заполнитель, в результате чего между частицами крупного заполнителя образуются пустоты.

Легкие бетоны на пористых заполнителях — наиболее распрост­раненный вид легких бетонов. Свидетельства их применения изве­стны еще в Древнем Риме. Для получения легких бетонов тогда использовали природный заполнитель — пемзу и туф, а также бой керамики и даже пустые глиняные сосуды. В настоящее время эти заполнители также используют как местный материал.

Широкое развитие легкие бетоны получили во второй половине XX в., когда началось массовое производство искусственных порис­тых заполнителей: керамзита, аглопорита, шлаковой пемзы и др. (подробнее см. п. 10.3).

Теория легких бетонов. Легкие бетоны существенно отличаются от тяжелых тем, что пористые заполнители при приготовлении бе­тонной смеси активно поглощают воду. Связь прочности и В/Ц у легких бетонов носит более сложный характер, чем у тяжелых.

Теория легких бетонов была разработана Н. А. Поповым в 30-х годах. Суть ее сводится к следующему. Наивыгоднейшее сочетание показателей плотности, теплопроводности, прочности и расхода це­мента для легких бетонов достигается при наибольшем насыщении бетона пористым заполнителем, что требует максимально сближен­ного размещения зерен заполнителя в объеме бетона. В этом случае будет достигнуто минимальное содержание цементного камня, яв­ляющегося самой тяжелой частью легкого бетона.

Наибольшее насыщение объема бетона пористым заполнителем возможно только при правильном подборе зернового состава круп­ного и мелкого заполнителей с одновременным использованием технологических факторов (пластификаторов и интенсивного уп­лотнения), обеспечивающих плотную упаковку зерен.

Показателем плотности упаковки зерен в бетонной смеси слу­жит коэффициент выхода р, определяемый как отношение объема бетонной смеси F_{6 c} к сумме объемов (в рыхло-насыпном состоя­нии) цемента V_u, мелкого V_M и крупного V_K заполнителей

Коэффициент выхода всегда меньше единицы и составляет 0,6...0,8.

Для определения оптимального для данных конкретных условий количества воды затворения определяют расход воды, при котором коэффициент выхода будет минимальным. Этому количеству воды соответствует максимальная прочность бетона при минимальной плотности и теплопроводности (см. рис. 12.17).

Для такого оптимального количества воды прочность легкого бетона зависит от марки цемента R_u и его расхода Ц:

где к и Ц_о — параметры, определяемые опытным путем и зависящие от качества применяемого заполнителя.

Особенности технологии легких бетонов связаны со спецификой пористых заполнителей: их плотность меньше плотности воды, по­верхность частиц шероховатая и они активно поглощают воду (см. п. 10.3).

Низкая плотность не позволяет эффективно использовать тра­диционные бетоносмесители «свободного падения» (см. рис. 12.8), в которых перемешивание интенсифицируется за счет падения тя­желых зерен заполнителя. Шероховатая поверхность также затруд­няет перемешивание. Поэтому для приготовления легкобетонных смесей желательно использовать смесители принудительного пере­мешивания.

При вибрировании легких бетонов расслоение смеси имеет об­ратный характер в сравнении с тяжелым. Вверх всплывают легкие зерна заполнителя, а вниз опускается цементное тесто.

Твердение цемента в легких бетонах происходит в более благо­приятных условиях, чем в тяжелом бетоне, так как заполнитель, по­глотивший воду во время приготовления смеси, служит аккумулятором воды, обеспечивающим влажное твердение бетона в длительные сроки.

Структура и свойства легких бетонов. Пористые заполнители имеют шероховатую поверхность, поэтому сцепление цементного камня с заполнителем не является слабым звеном легких бетонов. Этому способствует также химическая активность веществ, из кото­рых состоят заполнители. Содержащийся в них аморфный SiO₂ спо­собен взаимодействовать с Са(ОН)₂ цементного камня. Плотность и прочность контактной зоны «цементный камень — пористый за­полнитель» объясняют парадоксально высокую водонепроницае­мость и прочность легких бетонов на пористых заполнителях.

Для легких бетонов установлены следующие классы по прочно­сти (МПа) от В2 до В40. Прочность легких бетонов зависит от ка­чества заполнителей, марки и количества использованного цемента. При этом, естественно, изменяется и плотность бетона.

По плотности (кг/м³) для легкого бетона установлено 19 марок — от D200 до D2000 (с интервалом 100 кг/м³). Пониженная плотность легких бетонов может быть достигнута поризацией цементного кам­ня.

Теплопроводность легкого бетона зависит от его плотности и влажности (табл. 12.3). Увеличение объемной влажности на 1 % по­вышает теплопроводность бетона на 0,015...0,035 Вт/(м • К).

Таблица 12.3. Средние значения теплопроводности легких бетонов

Морозостойкость легких бетонов при их пористой структуре до­вольно высокая. Рядовые легкие бетоны имеют морозостойкость в пределах F25...F100. Для специальных целей могут быть получены легкие бетоны с морозостойкостью F200, F300 и F400.

Водонепроницаемость у легких бетонов высокая и увеличиваю­щаяся по мере твердения бетона за счет уплотнения контактной зо­ны «цементный камень — заполнитель», являющейся самым уязвимым местом для проникновения воды в обычном бетоне. Ус­тановлены следующие марки легких бетонов по водонепроницаемо­сти: W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; Wl; Wl,2 (давление воды, МПа, не вызывающее фильтрации при стандартных испытаниях).

Ячеистые бетоны на 60...85 % по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при за­твердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнеземистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невели­ка — 300... 1200 кг/м³; он имеет низкую теплопроводность при дос­таточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно лег­ко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовле­ния.

Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземи­стым компонентом. При применении известково-кремнеземистых вяжущих получаемые бетоны называют газо- и пеносиликаты.

Кремнеземистый компонент — молотый кварцевый песок, грану­лированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целе­сообразно.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.

Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропаривания (/= 85...90 °С) и автоклавной обработки (?=175°С). Лучшее качество имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработ­ку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.

По способу образования пористой структуры (методу вспучива­ния вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.

Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород

ЗСа(ОН)₂ + 2А1 + 6Н₂О -> ЗСаО • А1₂О₃ • 6Н₂О + Н₂ Т

Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой пудры выделит до 1,25 м³ водорода, т. е. для получения 1 м³ газобе­тона требуется 0,5...0,7 кг пудры.

Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжуще­го с заранее приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и синте­зируемые специально (сульфанол и т. п.).

Свойства ячеистых бетонов определяются их пористостью, ви­дом вяжущего и условиями твердения.

Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов — 60...85 %. Характер пор — замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевше­го цементного камня, который сам пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне зам­кнуты, а для проникновения воды — открыты. Поэтому водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое (табл. 12.4) и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бето­нами слитной структуры.

Гидрофильность цементного камня и большая пористость обус­ловливают высокую сорбционную влажность. Это сказывается на теплоизоляционных показателях ячеистого бетона (табл. 12.4). Поэ­тому при использовании ячеистого бетона в ограждающих конст­рукциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой или гидрофобизировать.

Таблица 12.4. Зависимость свойств ячеистых бетонов от плотности (средние показатели)

Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в пределах 1,5... 15 МПа. Модуль упругости ячеистых бе­тонов ниже, чем у обычных бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона повышенная ползучесть.

Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звуко­изоляционными свойствами, они огнестойки и легко поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).

Наиболее рациональная область применения ячеистых бето­нов — изготовление камней и блоков для ограждающих конструк­ций (стен) жилых и промышленных зданий: несущих — для малоэтажных зданий и ненесущих — для многоэтажных, имеющих несущий каркас.

Крупнопористый бетон получают при затвердевании бетонной смеси, состоящей из вяжущего (обычно портландцемента), крупно­го заполнителя и воды. Благодаря отсутствию песка и пониженному расходу цемента (70...150 кг/м³), используемого лишь для склеива­ния зерен крупного заполнителя, плотность крупнопористого бето­на на 600...700 кг/м³ ниже, чем у аналогичного бетона слитного строения.

Крупнопористый бетон целесообразно изготовлять на основе пористых заполнителей (керамзитового гравия, шлаковой пемзы и др.). В этом случае средняя плотность бетона составляет 500... 700 кг/м³ и плиты из такого бетона эффективны для теплоизоляции стен и покрытий зданий. Объемы использования крупнопористого бетона незначительны.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: