Бетон при всем многообразии его применения служит прежде всего материалом для несущих конструкций. Основным требованием, предъявляемым к такому материалу, является его прочность, т. е. способность сопротивляться действию напряжений, возникающих в конструкции ил-и в ее элементе в процессе монтажа и эксплуатации.
Бетон относится к группе хрупких материалов, которые значительно лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. Поэтому его используют в таких конструкциях или их элементах, которые работают преимущественно на сжатие. Естественно, что основной характеристикой качества бетона должна быть его прочность при сжатии. Вместе с тем имеется ряд конструкций, в которых бетон испытывает растягивающие напряжения. К ним относятся резервуары и напорные трубы с внутренним гидростатическим давлением, покрытия аэродромов, дороги и т. д. К бетону таких конструкций предъявляют требования прочности не только при сжатии, но и при растяжении (осевом или при изгибе).
Бетоны, применяемые в гидротехническом строительстве и в ряде специальных сооружений (градирни и др.), должны быть не только прочными, но морозостойкими и водонепроницаемыми, а используемые при строительстве тепловых агрегатов – жаростойкими. Бетоны для ограждающих конструкций жилых и общественных зданий, кроме требуемой прочности, должны иметь наименьшую теплопроводность и наилучшие звукоизоляционные свойства. Ниже приводятся основные свойства бетонов, причем за основу принят обычный (тяжелый) бетон как наиболее распространенный.
Физические свойства бетона
Плотность и пористость. Под плотностью обычно понимают отношение массы тела к его объему. При этом для капиллярно-пористых тел различают плотность истинную и кажущуюся.
Истинная плотность р представляет собой отношение массы тела m к его абсолютному объему Va, т. е. к объему твердой фазы без учета объема, занимаемого порами и пустотами, имеющимися в теле Кажущаяся плотность mv – это отношение массы тела т к геометрическому объему V, занимаемому телом в пространстве (объем твердой фазы плюс объем пор и пустот)
Кажущуюся плотность чаще называют объемной массой*. Как истинная плотность, так и объемная масса имеют размерность кг/м3, г/см3 или т/ж3. Экспериментальное определение истинной плотности и объемной массы бетона следует производить в соответствии с правилами, изложенными в ГОСТ 12730-67 «Бетон тяжелый. Методы определения объемной массы, плотности, пористости и водопоглощения».
При изучении структуры бетона нас чаще интересует не истинная плотность этого материала, а относительная, т. е. степень заполнения его объема твердой фазой. Относительная плотность, которую в дальнейшем изложении мы будем называть просто плотностью, характеризуется показателем плотности Р, представляющим собой отношение объемной массы бетона mv к его истинной плотности р
Правомерность этого выражения будет ясной, если заменить в выражении tnv и р их значениями в выражениях и. Показатель плотности Р тогда будет равен отношению абсолютного объема Va к геометрическому объему бетона V
Пористость бетона, т. е. степень заполнения его объема порами, можно охарактеризовать показателем пористости Я, вычисляемым по формуле.
Плотность и пористость бетонов можно выражать в процентах, тогда соответствующие показатели Я и Я надо умножить на 100%. В технологии бетона для оценки плотности подобранного состава бетонной смеси пользуются показателем межзерновой плотности А, представляющим сумму абсолютных объемов составляющих бетон материалов (в долях целого) в 1 ж3 затвердевшего бетона:
где Ц, Я, К – расход цемента, песка и крупного заполнителя в г на 1 м3 уложенного бетона; гпуц, W-VTH MVK-объемные массы (в куске) тех же материалов, г/и*3; 0,2Д – количество воды, химически связанное цементом. Пористость бетона зависит от вида и назначения бетона. Обычные бетоны на плотных природных заполнителях имеют объем пор порядка 8-10% от общего объема бетона. Эта величина складывается из пористости цементного камня, пористости крупного заполнителя, обычно небольшой (например, у гранита П = 0,2-0,8%) и пористости, которая иногда возникает в зоне контакта цементного раствора с крупным заполнителем.
Легкие плотные бетоны на пористых заполнителях имеют более значительную пористость за счет пористости крупного заполнителя, которая бывает обычно довольно высокой. Общая пористость керамзитобетонов колеблется в пределах 35-62%, а ячеистых еще выше и достигает 75-85% от общего объема бетона. Объемный вес бетона колеблется в довольно широких пределах и зависит от состава бетона, рода примененных заполнителей и технологии изготовления. Объемный вес тесно связан с пористостью; чем выше пористость, тем ниже объемный вес.
Водопоглощение и водонепроницаемость. Способность бетона поглощать воду из окружающей среды зависит от количества открытых пор, их размеров и характера увлажнения.
Так, при капиллярном подсосе поглощается больше воды, чем при погружении изделия в воду. При сорбционном увлажнении (когда относительная влажность и температура окружающей среды выше относительной влажности и температуры бетона) бетоны с развитой открытой поверхностью (ячеистые) поглощают больше влаги, чем бетоны с относительно плотной структурой (тяжелые на плотных заполнителях). Бетоны с гидрофобизующими добавками при капиллярном подсосе поглощают меньше воды, чем без добавок, и т. п.
Степень водопоглощения, определяемая экспериментальным путем, зависит от метода испытания. Так, при кипячении и под вакуумом бетон поглощает больше влаги, чем при погружении в воду. Для сравнимости результатов испытания водопоглощения различных бетонов проводят по единой методике (ГОСТ 12730-67). Водопоглощение тяжелого и большинства легких бетонов невелико и всегда ниже их пористости (так как в закрытые поры вода не проникает). Водопоглощение легких бетонов на пористых заполнителях выше, чем тяжелых, у ячеистых бетонов оно может достигать 35-40% по объему.
Водопроницаемость бетона зависит от количества и размеров открытых и сообщающихся друг с другом пор. Бетоны, имеющие в основном только тонкие капиллярные поры, практически водонепроницаемы. По степени водонепроницаемости бетоны делят на марки В-2, В-4, В-б и В-8, обозначающие максимальное давление воды в кГ/см2, выдерживаемое бетонными образцами при испытании. Водонепроницаемость бетона можно повысить введением в бетонную смесь специальных добавок.
Поверхностно-активные добавки гидрофобизующего действия, закупоривая отдельные капилляры, несколько понижают проницаемость бетонов. Эффективными добавками являются алюминат натрия (1,5% от веса цемента), хлорное железо (1,5-2,5% от веса цемента), гидроокись железа (0,5-2,0%), хлориды кальция и натрия совместно с добавками поверхностно-активных веществ и др., а также добавки, набухающие в воде. Например, затворение бетонной смеси на бентонитовой суспензии 1,5-2,5%-ной концентрации делает бетон практически водонепроницаемым.
Теплофизические характеристики бетонов. Важнейшими тепло-физическими характеристиками бетонов являются их теплопроводность, теплоемкость и коэффициент температурного расширения.
Теплопроводность бетона зависит от его структуры, плотности, влажности и оценивается величиной коэффициента теплопроводности, имеющего размерность ккал/м град ч.
