Прочностные характеристики бетона

Бетон – это искусственный строительный материал, получаемый в результате смешивания и затвердевания специально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, заполнителей различного размера и воды. Зачастую может содержать в своём составе специальные добавки.

Вяжущим элементом могут выступать:

  • цемент;
  • полимерцемент;
  • жидкое стекло.

Свойства бетона

Изначально это материал, обладающий грубой и неоднородной структурой. Однако производители по желанию заказчиков могут в процессе его изготовления задать необходимые свойства:

  • прочностные;
  • деформационные;
  • физические.

Свойства по прочности подразумевают нормативные или необходимые расчетные характеристики при:

  • сжатии;
  • растяжении;
  • сцеплении с арматурой.

Свойства по деформативности подразумевают происходящие изменения в процессе различного внешнего воздействия:

  • сжимаемость или растяжимость под нагрузкой;
  • ползучесть;
  • усадка;
  • набухание;
  • температурные деформации.

Основные физические свойства бетона включают параметры по:

  • водонепроницаемости;
  • устойчивости к воздействию различных температур, коррозии, кислот и иных агрессивных сред;
  • огнестойкости;
  • теплопроводности;
  • звукопроводности и прочие.

Классифицирующие характеристики

На физико-механические характеристики бетона оказывают непосредственное влияние:

  • способ изготовления;
  • вид вяжущего элемента;
  • вид крупного заполнителя;
  • вид мелкого заполнителя;
  • вода.

Данные характеристики определяются структурой материала, которые создают определенные условия для его затвердевания.

С учетом требований по основным физическим свойствам бетон классифицируется по следующим направлениям:

I. Структура

Подразделяется на:

  • плотный бетон – все свободное пространство между веществами заполнителя занимает затвердевшее вяжущее вещество;
  • крупнопористый – свободное пространство между веществами заполнителя не полностью занято затвердевшим вяжущим веществом (обычно в нем мало песка или совсем нет его);
  • поризованный – в свободном пространстве между веществами заполнителя находится затвердевшее вяжущее вещество со специальными добавками, в результате чего образуются специфические поры;
  • ячеистый – в свободном пространстве между веществами заполнителя создаются искусственные замкнутые поры.

Прочность бетона напрямую зависит от повышения плотности его структуры. Подобрать требуемую заказчику плотность производитель может при помощи:

  • выбора оптимального зернового состава;
  • механического дополнительного уплотнения бетонной смеси во время изготовления;
  • использования большего количества цемента;
  • изменения в бетоне соотношения вода/цемент.

Более высокая марка цемента требует меньшего его количества для достижения необходимой прочности бетона.

II. Плотность

Измеряется соотношением массы материала на единицу объема. По степени средней плотности подразделяется на следующие категории:

  • особо тяжелые – более 2500 кг/куб.м;
  • тяжелые – 2200-2500 кг/куб.м;
  • облегченные – 1800-2200 кг/куб.м;
  • легкие – 500-1800 кг/куб.м.

III. Вид вяжущего элемента в бетоне

В качестве вяжущего элемента современные производители используют различные вещества, в соответствии с которыми он подразделяется на следующие виды:

  • цементный;
  • полимерцементный;
  • силикатный на извести;
  • гипсовый;
  • смешанный;
  • специальный с использованием разнообразных добавок.

IV. Вид заполнителя

В качестве заполнителя при изготовлении применяются:

  • плотный естественный материал (гравий или щебень горных пород, кварцевый песок);
  • пористый естественный материал (перлит, пемза, ракушечник);
  • искусственный материал (керамзит, шлак);
  • специальный материал, обеспечивающий стойкость бетона к различным термическим и химическим воздействиям.

Щебень является более дешевым материалом, способным быстрее обеспечивать заданную прочность.

Бетон подразделяется также на виды, исходя из применяемого в нем пористого заполнителя:

  • керамзитобетон;
  • шлакобетон;
  • перлитобетон;
  • пемзобетон и прочие.

V. Зерновой состав

Подразделяется на следующие виды:

  • крупнозернистый, в котором применяются крупные и мелкие заполнители;
  • мелкозернистый, в котором применяются только мелкие заполнители.

VI. Условия твердения

Подразделяется на следующие категории:

  • естественного твердения;
  • подвергнутый обработке в условиях атмосферного давления теплом и влагой;
  • подвергнутый автоклавной обработке в условиях повышенного давления.

Бетон для железобетонных конструкций

В железобетонных конструкциях (ЖБК), применяемых в современном строительстве, бетоны подразделяются на следующие виды:

  • Тяжелый. Данный вид бетона с плотной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и крупнозернистых плотных заполнителей. Он затвердевает при любых условиях и имеет среднюю плотность 2200-2500 кг/куб.м;
  • Мелкозернистый. Данный вид тяжелого бетона с плотной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и мелких заполнителей. Он затвердевает при любых условиях и имеет среднюю плотность более 1800 кг/куб.м;
  • Легкий. Данный вид крупнозернистого бетона с плотной поризованной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и пористых заполнителей. Он затвердевает при любых условиях. При совпадении его основных физических свойств с тяжелым бетоном он применяется вместе с ним.
  • Ячеистый. Данный вид бетона затвердевает при применении специальной обработки.
  • Специальный напрягающий бетон.

По какой причине при создании железобетонных конструкций используют легкие и облегченные виды бетонов? Среди основных преимуществ их применения современные строители называют следующие возможности:

  • уменьшение на 25-40% массы ЖБК;
  • снижение стоимости ЖБК;
  • улучшение звукоизолирующих характеристик ЖБК;
  • повышение теплозащитных характеристик ЖБК;
  • повышение сейсмологической устойчивости ЖБК;
  • повышение огнестойкости ЖБК.

Легкие, ячеистые и поризованные виды бетона со средней плотностью менее 1400 кг/куб.м используют при создании железобетонных ограждений. Плотные мелкозернистые могут применяться вместе с тяжелыми видами, в качестве заполнения стыков и швов ЖБК. Особо тяжелые используют при строительстве специальных объектов, включая военные бункеры и атомные станции. Средняя плотность применяемого на таких объектах бетона составляет более 2500 кг/куб.м.

Основные физические свойства бетона

Водонепроницаемость материала характеризует возможности по защите от проникновения воды. Вода фильтруется в тяжелом бетоне и бетоне с пористыми заполнителями, поскольку у них соотношение вода/цемент > 0.2, и вся свободная вода при испарении создает поры в материале. Коэффициент фильтрации повышается при увеличении градиента напора. По этой причине при возведении напорных сооружений используют плотный бетон, в которых небольшой коэффициент фильтрации. Повысить плотность можно за счет использования специальных добавок. В ЖБК из-за дефектов структуры водонепроницаемость может значительно увеличиться.

Устойчивость к воздействию холодных температур (морозостойкость) заключается в возможности бетона в увлажненном состоянии не подвергаться разрушительному воздействию при его поочередном замораживании и оттаивании. Морозостойкий бетон способен выдержать от 50 таких меняющихся циклов. Основными факторами, оказывающими влияние на показатель морозостойкости, являются:

  • соотношение вода/цемент;
  • структура.

Устойчивость к воздействию высоких температур более 200°С (жаростойкость) заключается в способности бетона сохранять свою прочность в таких условиях. Под воздействием высоких температур происходит:

  • обезвоживание цементного камня;
  • деформация цементного камня;
  • деформация заполнителей.

Таким способом термическое воздействие приведет к разрушению тяжелого бетона и использующего пористые заполнители. Именно по этой причине обычный бетон запрещается использовать в южных регионах с температурой более 50°С.

Повысить жаростойкость материала позволяет использование специальных заполнителей:

  • базальт;
  • хромит;
  • шамот;
  • доменные шлаки.

Использование в качестве вяжущего элемента следующих веществ может также повысить жаростойкость:

  • глиноземистый цемент;
  • портландцемент с добавками;
  • жидкое стекло.

При охлаждении бетона его сцепление с металлическими элементами сохраняется, обеспечивая жаропрочность ЖБК.

На объектах, где планируется установка печей или тепловых агрегатов, рекомендуют использовать жаростойкий бетон.

Устойчивость к воздействию коррозии подразумевает способность бетона в процессе соприкосновения с внешней средой не вступать в химические реакции. Обычно для большинства бетонных конструкций не присущи экстремальные условия эксплуатации, поэтому коррозионные процессы не происходят. Появление жидкой или газообразной агрессивной среды может существенно снизить коррозионную стойкость материала.

Устойчивость к воздействию сверхвысоких температур более 1000°С (огнестойкость) означает способность бетона сохранять свои свойства в таких условиях. В ЖБК наиболее уязвимыми для пожара являются именно стальные элементы, поэтому для повышения их огнестойкости увеличивают на 3-4 см защитный слой бетона.