Структура и свойства бетон

Бетон — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной и уплотнённой смеси, состоящей из вяжущего вещества, крупных и мелких заполнителей, воды. В ряде случаев может содержать специальные добавки, а также отсутствовать вода.

СТРУКТУРА БЕТОНА

Структура бетонной смеси сохраняется и при затвердевании. Поэтому структуру бетона следует классифицировать по содержанию цементного камня и его размещению в бетоне. Однако на свойства бетона определяющее влияние оказывает его плотность или пористость. При прочих равных условиях оббьем и характер пористости, а также соотношение в свойствах отдельных составляющих бетона определяют его основные технические свойства, долговечность, стойкость в различных условиях. В этой связи целесообразно классифицировать структуру бетона с учетом ее плотности.

Основные типы структур: плотная, с пористым заполнителем, ячеистая и зернистая. Плотная структура, в свою очередь, может иметь контактное расположение заполнителя, когда его зерна соприкасаются друг с другом через тонкою прослойку цементного камня, и «плавающее» расположение заполнителя, когда его зерна находятся на значительном удалении друг от друга. Плотная структура состоит из сплошной матрицы твердого материала (например, цементного камня), в которую вкраплены зерна другого твердого материала (заполнителя), достаточно прочно связанные с материалом матрицы. Ячеистая структура отличается тем, что в сплошной среде твердого материала распределены поры различных размеров в виде отдельных условно замкнутых ячеек. Зернистая структура представляет собой совокупность скрепленных между собой зерен твердого материала. Пористость зернистой структуры непрерывна и аналогична пустотности сыпучего материала.

Наибольшей прочностью обладают материалы с плотной структурой, наименьшей – с зернистой. Плотные материалы менее проницаемы, чем ячеистые, а те, в свою очередь, менее проницаемы, чем материалы зернистой структуры. Последние обладают, как правило, наибольшим водопоглощением.

  Большое влияние на свойства материала оказывает размер зерен, пор или других структурных элементов. В этой связи в бетоне различают макроструктуру и микроструктуру. Под макроструктурой понимают структуру, видимую глазом или при небольшом увеличении. В качестве структурных элементов здесь различают крупный заполнитель, песок, цементный камень, воздушные поры. Иногда для анализа и построения технологических расчетов условно принимают макроструктуру,  состоящую из двух элементов, крупного заполнителя и раствора, в котором объединяются цементный камень и песок. Микроструктурой называют структуру, видимую при большом увеличении под микроскопом. Для бетона большое значение имеет микроструктура цементного камня, которая состоит из непрореагировавших зерен цемента, новообразований и микропор различных размеров. По своему строению она напоминает бетон (если считать непрореагировавшие зерна заполнителем). Профессором В.Н.Юнгом подобная структура была образно названа «микробетоном».

Цементный камень содержит участки с различной структурой, сложенные разными минералами. Его строение отличается сложность, многообразием и неоднородностью. Неоднородность строения обусловлена тем, что цементный камень состоит из глобул цементных зерен с постепенно убывающей к их поверхности плотностью, контактной зоны между глобулами, состоящей из  различных новообразований, а также включает поры, не плотности и дефекты структуры. Необходимо учитывать и химическую неоднородность камня, т.е. то, что отдельные участки состоят из отличающихся друг от друга минералов и в некоторых местах возможно значительное увеличение содержания отдельных компонентов по сравнению с их средним значением, определяемым физико-химическим анализом. Микроструктура и неоднородность цементного камня существенно влияют на его прочность и другие свойства.

Свойства цементного камня зависят от его минералогического состава. Изменяя минералогический состав вяжущего и условия твердения, можно получать различные типы микроструктуры цементного камня: ячеистую, зернистую, волокнистую, сотовую или сложные структуры, состоящие из сочетания разных типов структуры. В технологии бетона используются различные вяжущие вещества, применяются разнообразные условия твердения бетона, что обусловливает различные типы микроструктур цементного камня.

Для различных видов бетона характерна своя структура. Для тяжелых бетонов характерна плотная структура, для легких конструктивных - плотная структура с пористыми включениями, ячеистые бетоны имеют ячеистую структуру, крупнопористые – зернистую.

Подразделение на приведенные типы структур условно, в действительности структура бетона отличается большей сложностью, например, в плотной структуре тяжелого бетона цементный камень имеет значительное количество пор, в плотной структуре легкого бетона поры наблюдаются не только у заполнителя, но и в цементном камне, отдельные ячейки в ячеистой структуре могут соединяться между собой капиллярами и т.п. Однако представление о различных типах структур позволяет более четко проектировать состав бетона, используя характерные для каждого случая зависимости.

Свойства бетона

Основные свойства бетона — прочность, пористость, морозостойкость, водонепроницаемость, огнестойкость.

Прочность. Как и у всех каменных материалов, прочность бетона при сжатии значительно (в 10…20 раз) выше, чем при растяжении .и изгибе. Поэтому в строительных конструкциях бетон, как правило, подвергается сжимаюим напряжениям. Говоря о прочности бетона, подразумевают его прочность на сжатие.

Бетон на портландцементе набирает прочность постепенно. При нормальной температуре и постоянном сохранении влажности рост прочности бетона продолжается длительное время, но скорость набора прочности со временем затухает. Прочность бетона характеризуется его маркой (рис. 1).

Марка бетона определяется по пределу прочности при сжатии образцов-кубов размером 150Х 150Х 150 мм, изготовленных из рабочей бетонной смеси и твердевших 28 сут в нормальных условиях (температура (20±2) °С и относительная влажность воздуха 95 %). Методы определения прочности бетона регламентированы ГОСТ 10180—78.

Для тяжелых бетонов были установлены следующие марки: М50, М75, М100, Ml50, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М600, М700 и М800.

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Но прочность заполнителя (песка, щебня, гравия), как правило, выше прочности самого бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется главным образом прочностью затвердевшего цементного камня и прочностью его сцепления с заполнителем.

Рис. 1. Изменение прочности бетона во времени

Прочность цементного камня зависит от двух факторов: марки цемента и соотношения воды и цемента. Чем выше марка цемента, тем при прочих равных условиях прочнее будет цементный камень. Зависимость прочности цементного камня от соотношения цемента и воды в бетонной смеси объясняется следующим. Цемент при твердении химически связывает 20…25% воды от собственной массы, а чтобы обеспечить необходимую подвижность бетонной смеси, приходится брать 40…80% воды от массы цемента. Естественно, чем больше в бетоне будет свободной, химически не связанной воды, тем больше будет пор в цементном камне и соответственно ниже его прочность.

Прочность сцепления между цементным камнем и заполнителями определяется в основном качеством поверхности заполнителя. Для обеспечения высокой прочности сцепления поверхность зерен заполнителя должна быть чистой и шероховатой, Например, бетон на щебне при прочих равных условиях прочнее бетона на гравии.

Усадка бетона. При твердении на воздухе происходит усадка бетона — сокращение линейных размеров до 0,3… 0,5 мм на 1 м длины. Большие усадочные деформации — одна из причин образования трещин в бетоне. Особенно значительна усадка в начальный период твердения: в первые сутки она достигает 70% от месячного значения. Причина усадки бетона — усадка твердеющего цементного теста, поэтому чем больше в бетоне цемента, тем больше его усадка и вероятность растрескивания.

Пористость. Для получения удобоукладываемой бетонной смеси приходится вводить в состав бетона в 2…4 раза больше воды, чем может ее связать твердеющий цемент. Избыток воды приводит к образованию пор в бетоне. Уменьшают пористость бетона уменьшением количества воды по отношению к цементу, а также снижением общего содержания цементного теста в бетоне.

В среднем пористость плотно уложенного и затвердевшего бетона 5…7%. При такой пористости бетон непроницаем для воды, но проницаем для легких нефтепродуктов (бензин, керосин) и газов.

Морозостойкость бетона зависит от количества и характера (открытые и закрытые) пор, а также от морозостойкости заполнителя.

Для получения достаточной морозостойкости бетон изготовляют из морозостойких заполнителей, снижают до минимума содержание в нем воды, при этом максимально плотно укладывают бетонную смесь с помощью вибраторов или других механизмов. Кроме того, целесообразно применять гидрофобные и пластифицированные цементы или поверхностно-активные гидрофобизирующие добавки.

Согласно СНиП 2.03.01-84, марки по морозостойкости для тяжелых бетонов F50, 75, 100, 150.

Огнестойкость. Под огнестойкостью бетона понимают его способность сохранять прочность при кратковременном воздействии высоких температур, например при пожаре. При кратковременном нагреве благодаря малой теплопроводности бетон прогревается на небольшую глубину, причем содержащаяся в нем вода (в том числе и химически связанная) испаряется, понижая температуру бетона. При длительном действии высоких температур в бетоне могут произойти необратимые химические изменения, сопровождающиеся потерей им прочности.

Для устройства конструкций топок, печей и промышленных труб применяют специальный жароупорный бетон на глиноземистом цементе и жаростойких заполнителях.

Самым важным свойством бетона является его прочность, т.е. способность сопротивляться внешним силам не разрушаясь. Как и природный камень, бетон лучше всего сопротивляется сжатию, поэтому за критерий прочности бетона строители приняли предел прочности бетона при сжатии. Чтобы определить прочность бетона, из него изготовляют эталонный кубик с ребром 200 мм. Затем на гидравлически прессе такой кубик подвергают сжатию, доводя до разрушения. По этому, зная разрушающую нагрузку и площадь поперечного сечения образца, можно определить прочность. Например, если бетонный кубик с ребром 200 мм разрушился при нагрузке 800 кН (80 тонн), то предел прочности при сжатии будет равен 20 МПа (200 кгс/см2).

В зависимости от прочности на сжатие бетон делится на марки. Марку бетона строители определяют по пределу прочности эталонного кубика с ребром 200 мм. Так, в Советском Союзе в строительстве применяют следующие марки бетона: 600,500, 400, 300, 250, 150, 100 и ниже. Выбор марки определяется условиями, в которых будет работать бетон.

Прочность бетона зависит от прочности каменного заполнителя (щебня, гравия) и от качества растворенного в воде цемента: бетон будет тем прочнее, чем прочнее каменные заполнители и чем лучше они будут скреплены цементным клеем. Прочность природных камней не изменяется со временем, а вот прочность бетона со временем даже растет.

Другим важным свойством бетона является средняя плотность -отношение массы материала ко всему его объему (выражается в кг/м3, г/см3 или процентах). Средняя плотность бетона всегда меньше 100%.

Средняя плотность сильно влияет на качество бетона, в том числе и на его прочность: чем выше средняя плотность, бетона, тем он прочнее. Поры в бетоне, как правило, появляются при его изготовлении: в результате испарения излишней воды, не вступившей в химическую реакцию с цементом при его твердении, при плохом перемешивании бетонной смеси и, наконец, при недостатке цемента.

Свойство, обратное средней плотности бетона, — пористость — есть отношение объема пор к общему объему материала, т.е. пористость “дополняет” среднюю плотность бетона до 100%. Как бы плотен ни был бетон, в нем всегда есть поры!

Водостойкость — это свойство бетона противостоять действию воды не разрушаясь. Чтобы определить водостойкость бетона, изготовляют два образца: один в сухом виде раздавливают на прессе и определяют его нормальную прочность. Другой образец предварительно погружают в воду, а после насыщения водой также разрушают на прессе. Из-за ослабления связей между частицами прочность образца уменьшается. Отношение прочности насыщенного водой образца к прочности в сухом виде называется коэффициентом размягчения материала. Для бетона он больше 0,8. Кроме того, на водостойкость бетона оказывают влияние гидратные новообразования, которые имеют очень низкую растворимость. Поэтому бетон является водостойким и может применяться для сооружений, подвергающихся действию воды — плотин, пирсов, молов.

Теплопроводность характеризует способность бетона передавать через4 свою толщину тепловой поток, возникающий из-за разности температур на поверхностях бетона. Теплопроводность бетона почти в 50 раз меньше, чем у стали, но зато выше, чем у строительного кирпича.