В конструкциях зданий и сооружений бетон может находиться в различных условиях работы, испытывая сжатие, растяжение, изгиб, скалывание. Прочность бетона при сжатии зависит от активности цемента, водоцементного отношения, качества заполнителей, степени уплотнения бетонной смеси и условий твердения. Основными факторами при этом оказываются активность цемента и водоцементное отношение. Цементы высокой активности дают более прочные бетоны, однако при одной и той же активности цемента можно получить бетон различной прочности в зависимости от изменения количества воды в смеси. Эта зависимость была установлена в 1895 г. проф. И. Г. Малюгой.
Для получения удобоукладываемой бетонной смеси отношение воды к цементу обычно принимают В/Ц=0,4...0,7, в то время как для химического взаимодействия цемента с водой требуется не более 20% воды от массы цемента. Избыточная вода, не вступившая в химическое взаимодействие с цементом, испаряется из бетона, образуя в нем поры, что ведет к снижению плотности и соответственно прочности бетона. Исходя из этого, прочность бетона можно повысить путем уменьшения водоцементного отношения и усиленного уплотнения.
Рис. 1. График зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения
Всесторонние исследования советских ученых (Н. М. Беляева, Б. Г. Скрамтаева и др.) расширили и уточнили выводы И. Г. Малюги о влиянии различных факторов на свойства бетона и установили зависимости, графически изображенные на рис. 1 или представленные в виде следующих формул:
при В/Ц > 0,4 (Ц/В ≤ 2,5) Rб = ARц (Ц/В - 0,5);
при В/Ц < 0,4 (Ц/В > 2,5) Rб = A1Rц (Ц/В + 0,5),
где Rб - предел прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут нормального твердения, Па; Rц - активность цемента; Ц/В цементно-водное отношение - отношение массы цемента к массе воды в единице объема бетонной смеси за вычетом воды, поглощаемой заполнителями; А, А1 - безразмерные коэффициенты, зависящие от свойств и качества применяемых материалов (рис. 2).
Рис. 2. Значения коэффициентов А и А1
К высококачественным материалам относятся плотные горные породы высокой прочности из которых производят щебень, песок оптимальной крупности (заполнители должны быть чистые, промытые, фракционированные, с оптимальным зерновым составом смеси фракций) и портландцемент высокой активности без добавок или с минимальным количеством гидравлической добавки. К рядовым материалам относятся заполнители среднего качества, в том числе гравий, портландцемент средней активности или высокомарочный шлакопортландцемент. Материал пониженного качества - крупные заполнители низкой прочности и мелкие пески, отвечающие пониженным требованиям, и цементы низкой активности.
Приведенные выше зависимости прочности бетона от различных факторов, выраженные в виде формул и графиков, позволяют определить ориентировочную прочность бетона в 28-суточном возрасте при известном водоцементном отношении, марке цемента и виде заполнителя.
Наряду с активностью и качеством цемента, водоцементным и качеством заполнителей на прочность бетона отношением в значительной степени влияют уплотнение бетонной смеси, продолжительность и условия твердения бетона.
Прочность заполнителей не оказывает значительного влияния на прочность бетона до тех пор, пока она больше проектируемой марки бетона. Применение низкопрочных заполнителей с прочностью ниже требуемой марки бетона может существенно снизить прочность последнего или потребует высокого расхода цемента.
Шероховатость поверхности заполнителей также оказывает влияние на прочность бетона. В отличие от гравия зерна щебня имеют развитую шероховатую поверхность, чем обеспечивается лучшее сцепление с цементным камнем, а бетон, приготовленный на щебне при прочих равных условиях, имеет большую прочность, чем бетон на гравии.
На скорость твердения бетона влияют минералогический состав цемента и начальное количество воды в бетонной смеси. Последнее определяет подвижность (или жесткость) ее. Жесткие бетонные смеси (с низким содержанием воды) обеспечивают более быстрое твердение бетона, чем подвижные.
Прочность тяжелого бетона в благоприятных условиях температуры и влажности непрерывно повышается. В первые 7...14 сут прочность бетона растет быстро, затем к 28 сут рост прочности замедляется и постепенно затухает; во влажной теплой среде прочность бетона может нарастать несколько лет. При нормальных условиях хранения средняя прочность бетонных образцов в 7-суточном возрасте составляет 60...70% прочности 28-суточных образцов, в 3-месячном возрасте - на 25%, а в 12- месячном - на 75% выше, чем у образцов в 28-суточном возрасте.
Прочность бетона со временем изменяется примерно по логарифмическому закону; исходя из этого при расчетах прочности бетона для разных сроков пользуются формулой
Rn = R28 lg n/lg 28,
где Rn - прочность бетона в возрасте суток, Па; R28 - прочность бетона в возрасте 28 сут, Па.
Эта формула применима для ориентировочных расчетов прочности бетона на портландцементах средних марок в возрасте более 3 сут. Действительную прочность бетона в конструкции устанавливают только испытанием контрольных образцов, приготовленных из рабочей бетонной смеси.
Большое влияние на рост прочности бетона оказывает среда. Нормальными условиями твердения бетона считаются относительная влажность воздуха 90...100% и температура (20±2)°C. Высокая влажность воздуха необходима, чтобы избежать испарения воды из бетона, что может привести к прекращению твердения. Твердение бетона ускоряется с повышением температуры и замедляется с ее понижением.
Бетон по прочности характеризуется его классом (маркой), который определяется величиной предела прочности при сжатии образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси после твердения их в течение 28 сут в нормальных условиях (МПа). Тяжелые бетоны подразделяют на классы (марки) В7,5(100); В12,5(150); В15(200); В25(300); B30(400); B40(500); В45(600). Превышение класса (марки) бетона от заданной проектной прочности свыше 15% не допускается, так как это влечет перерасход цемента. При испытании образцов в виде кубов размером 150х150х150 мм применяют щебень наибольшей крупности зерен 40 мм.
Класс (марка) бетона определяется также по пределу прочности на растяжение при изгибе образцов-балочек.
Качество бетона нельзя достаточно полно оценить по его средней прочности или марке. На практике имеет место отклонение от этой величины. Колебания в активности свойства заполнителей, дозировка материалов и другие факторы цемента, приводят к неоднородности структуры и к колебанию свойств бетона.
Более полное представление о качестве бетона можно получить при одновременном учете средней прочности бетона и его однородности, которая определяется на основе статистического анализа коэффициентом вариации и прочности. Он равен отношению среднего квадратического отклонения отдельных результатов испытаний прочности бетона к его средней прочности. Коэффициент вариации прочности бетона колеблется от 0,05 до 0,2. При хорошо налаженной технологии на предприятиях значение v не превышает 10%.
При проведении статистического контроля качества бетона, где его прочность определяется большим количеством испытаний, расчет конструкций может проводиться не по средней, а по гарантированной прочности бетона.
Для конструкций, проектируемых с учетом требований СТ СЭВ 1406-78 и СНиП 2.03.01-84, прочность бетона характеризуется классами. Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95.
При переходе от класса бетона B к средней прочности бетона (МПа), контролируемой на производстве для образцов с ребром 150 мм (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%), можно применять формулу Rб=B/0,778. Для класса B10 средняя прочность бетона будет Rб=12,9 МПа, для класса В50 Rб=64,3 МПа.
Сумма мероприятий, обеспечивающих благоприятные условия твердения уплотненной бетонной смеси, а также способы, предохраняющие бетон от повреждения его структуры в раннем возрасте, составляют уход за бетоном. Организация ухода за бетоном должна быть проведена сразу после укладки и уплотнения бетонной смеси.
Прочность бетона нарастает в результате физико-химических процессов взаимодействия цемента с водой, которые нормально проходят в теплых и влажных условиях. Бетон при нормальных условиях постепенно набирает свою прочность и к 28 сут. приобретает марочную прочность, причем в первые 3...7 сут. прочность бетона растет более интенсивно и на 7-е сутки составляет 60... 70% марочной (проектной) прочности. Для заводской технологии такие условия твердения бетона неприемлемы.
В заводской технологии применяют ускоренные методы твердения - тепловую обработку при обязательном сохранении влажности изделий, пример - установка ускоренного твердения бетона. На заводах сборного железобетона чаще всего применяют прогрев изделий при атмосферном давлении в паровоздушной среде с температурой 80...85 °C или выдерживание в среде насыщенного пара при 100°С. Стремятся применять насыщенный пар, чтобы исключить высыхание бетона и создать хорошие условия для гидратации цемента.
На заводах производящих сборные железобетонные изделия и конструкции применяют также и другие способы тепловой обработки изделий: электропрогрев, контактный обогрев, обогрев в газовоздушной среде и др.
Правильно организованный контроль качества бетонных работ на всех стадиях технологического процесса изготовления бетонных конструкций - одно из важнейших условий получения прочного и долговечного бетона и снижения стоимости конструкций. На предприятиях сборного железобетона применяют три вида контроля: входной, пооперационный и выходной. Контроль состоит в испытании и выборе исходных материалов для бетона, в их дозировании и перемешивании, укладке, уплотнении и уходе за ним, а также в определении качества затвердевшего бетона испытанием пробных образцов.
Прочность и качество бетона в конструкции можно ориентировочно определить и без разрушения - с помощью акустических приборов. Сущность их действия основана на скорости распространения ультразвукового импульса или волны удара в материале и зависит от его плотности и прочности. Прочность бетона в конструкции без разрушения можно также определить и механическим способом, например прибором, действие которого основано на характеристике прочности, определяющейся глубиной лунки в бетоне, образованной шариком при его вдавливании, или величины отскока маятника от бетона.
