Классификация бетона

Общая информация

Бетон - это искусственный строительный материал, получаемый путем затвердевания оптимально подобранной и хорошо перемешанной смеси биндера, воды, песка, щебня или гравия (или без них).

В настоящее время понятие "бетон" включает в себя широкий спектр материалов, которые соответствуют данному определению, но отличаются по свойствам, используемым исходным материалам, технологическим процессам приготовления, формования и затвердевания.

Для создания бетона, применяемого в железобетонных конструкциях, необходимо обеспечить определенные физико-механические характеристики заранее заданными параметрами. Это включает в себя достижение необходимой прочности, обеспечение надежной адгезии с арматурой и создание достаточной непроницаемости, чтобы защитить арматуру от коррозии. Кроме того, в зависимости от назначения железобетонной конструкции и условий эксплуатации, могут возникнуть дополнительные требования, такие как морозостойкость (например, для наружных стен зданий или открытых конструкций), жаростойкость при высоких температурах, устойчивость к коррозии при агрессивной окружающей среде и другие.

Для получения бетона с желаемыми характеристиками и соответствием указанным выше специфическим требованиям, необходимо правильно настроить соотношение компонентов. Это включает в себя выбор подходящего вида цемента, использование различных типов заполнителей разной крупности, применение разнообразных добавок для улучшения укладываемости смеси и обеспечения морозостойкости и других необходимых свойств.

Классификация бетона.

Бетон подвергается классификации на основе нескольких характеристик:

1. Структура:

    Бетон может иметь различную структуру, включая:

• Плотная структура:

   Пространство между зернами заполнителя полностью заполняется затвердевшим вяжущим веществом.

• Крупнопористый:

   Содержит крупные поры и отсутствие песка.

• Малопесчаный:

   Содержит малое количество песка.

• Пористый:

   Содержит наполнители с искусственной пористостью в затвердевшем связующем веществе.

• Сотовый:

   Обладает искусственно созданными закрытыми порами.

1. Плотность:

    Бетон классифицируется по плотности, которая может быть следующей:

• Особо тяжелый:

   Плотность более 2500 кг/м³.

• Тяжелый:

   Плотность более 2200 и до 2500 кг/м³.

• Мелкозернистый:

   Плотность более 1800 и до 2200 кг/м³.

• Легкий:

   Плотность более 800 и до 2000 кг/м³.

1. С учетом агрегатов:

    Бетон может быть классифицирован на основе использования разных видов агрегатов, включая плотные и пористые агрегаты, которые могут соответствовать требованиям биологической защиты и термостойкости.

2. Гранулированный состав:

    Гранулированный состав бетона также различается, включая крупнозернистые и мелкозернистые варианты.

3. Условия твердения:

    Бетон может твердеть при разных условиях, включая естественное твердение, термовлагообработку при атмосферном давлении и автоклавирование при высоком давлении.

Согласно нормативным требованиям (СНиП 2.03.01-84), для изготовления бетонных и железобетонных конструкций предусмотрены следующие виды бетона:

1. Тяжелый бетон средней плотности:

    Плотность от 2200 до 2500 кг/м³, используя плотные заполнители.

2. Мелкозернистый бетон средней плотности:

    Плотность более 1800 кг/м³, используя мелкие заполнители.

3. Легкий бетон с пористой структурой:

    Использует пористые заполнители и имеет как плотную, так и пористую структуру.

4. Ячеистая автоклавная и неавтоклавная закалка:

    Эти виды бетона обладают специфическими свойствами, подчеркивающими их применение.

Для тяжелого бетона используются плотные заполнители, такие как щебень (песчаник, гранит, диабаз) и природный кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть как природными (перлит, пемза, ракушечник), так и искусственными (керамзит, шлак). В зависимости от типа пористых заполнителей можно получить различные виды бетона, такие как керамзитобетон, шлакобетон, перлитовый бетон и другие.

 

Структура бетона и ее влияние на прочность и деформируемость

 

Структура бетона играет ключевую роль в его прочности и деформируемости. Давайте рассмотрим влияние структуры на бетон более подробно, начиная с физико-химического процесса бетонирования. При смешивании воды, заполнителей и цемента начинается химическая реакция цемента с водой. В результате этой реакции образуется гелеобразная пористая масса, содержащая частицы цемента и кристаллы минорных соединений. В процессе перемешивания бетонной смеси этот гель обволакивает зерна агрегатов и постепенно затвердевает. Кристаллы со временем объединяются, образуя кристаллические агрегаты, и затвердевающий гель превращается в цементный камень, который скрепляет зерна агрегатов в твердый бетон.

Одним из ключевых факторов, влияющих на структуру и прочность бетона, является количество воды, используемое при приготовлении бетонной смеси. Это количество оценивается с помощью водоцементного соотношения (W / C), которое представляет собой отношение взвешенного количества воды к количеству цемента на единицу объема бетонной смеси. Для химической реакции между водой и цементом требуется минимальное значение W / C, равное примерно 0,2. Однако в технических целях, чтобы обеспечить подвижность и удобство укладки бетонной смеси, часто используется большее количество воды. Подвижные бетонные смеси, которые могут заполнять форму под действием текучести, могут иметь W / C в диапазоне от 0,5 до 0,6, в то время как более жесткие бетонные смеси, которые заполняют форму под воздействием механической вибрационной обработки, могут иметь W / C в диапазоне от 0,3 до 0,4.

Избыточная химически несвязанная вода может частично вступить в химическую комбинацию с менее активными частицами цемента и частично заполнить поры и капилляры в цементном камне, а затем испариться со временем. По данным исследований, поры составляют около трети объема цементного камня. Уменьшение водоцементного отношения приводит к уменьшению пористости цементного камня и увеличению прочности бетона. Именно поэтому в производстве железобетонных изделий часто используются бетонные смеси с наименьшим значением W / C, что также позволяет экономить цемент и уменьшать время выдержки изделий в формах.

Структура бетона остается неоднородной и капиллярно-пористой. Бетон представляет собой материал с многочисленными порами и капиллярами, заполненными химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом. Он имеет три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Цементный камень состоит из упругих кристаллических сростков и заполняющей их вязкой массы - геля.

Долгосрочные процессы, такие как изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего геля и рост упругих кристаллических сростков, придают бетону упруго-пластические свойства. Эти свойства проявляются в характере деформации бетона под нагрузкой и его взаимодействии с температурой и влажностью окружающей среды.

Исследования показывают, что существующие теории прочности не всегда применимы к бетону. Взаимосвязь между составом, структурой и прочностью бетона - это сложная проблема, которая требует исследований для каждого конкретного типа бетона с учетом его характеристик. Понимание прочности и деформируемости бетона базируется на обширных лабораторных исследованиях.

Усадка бетона и начальные напряжения.

Усадка бетона и начальные напряжения играют важную роль в свойствах и поведении бетонных конструкций. Давайте рассмотрим эти аспекты более подробно.

Усадка бетона — это явление, при котором бетон уменьшается в объеме при затвердевании в нормальных атмосферных условиях. Эксперименты показывают, что усадка бетона зависит от нескольких факторов:

1. 

Количество и тип цемента:

 Большее количество цемента в единице объема бетона обычно вызывает большую усадку. Высокоактивные и глиноземистые цементы также способствуют усадке. Однако существуют специальные цементы, такие как расширяющиеся или безусадочные, которые минимизируют усадку бетона.

2. 

Количество воды:

 Увеличение водоцементного соотношения (в/ц) также приводит к увеличению усадки.

3. 

Размер заполнителя:

 Бетон, содержащий мелкозернистый песок и пористый щебень, обычно имеет большую усадку. Модуль упругости агрегатов, то есть их способность сопротивляться деформации, также влияет на усадку. Бетон с разноразмерными агрегатами и меньшим количеством пустот обычно имеет меньшую усадку.

4. 

Гидравлические добавки и ускорители твердения:

 Использование различных добавок, таких как хлорид кальция, часто увеличивает усадку.

Усадка бетона обычно происходит наиболее интенсивно в начальный период затвердевания и в течение первого года, после чего она постепенно затухает. Уровень влажности окружающей среды также оказывает влияние на скорость и интенсивность усадки. В сухой среде деформации усадки могут быть более значительными.

Усадка бетона под нагрузкой может быть ускорена при длительном сжатии и замедлена при длительном растяжении. Это связано с процессами физико-химического твердения и уменьшением объема цементного геля, а также потерей избыточной воды и гидратацией частиц цемента. По мере затвердевания бетона, усадка постепенно уменьшается.

Усадка бетона также связана с капиллярными явлениями в цементном камне, вызванными избытком воды. Эти явления могут вызвать объемные деформации в результате поверхностного натяжения менисков в капиллярах.

Начальные напряжения, возникающие в бетоне из-за усадки, обычно не учитываются непосредственно при расчете прочности железобетонных конструкций. Они учитываются через расчетные коэффициенты, которые учитывают совокупность прочностных характеристик бетона. Для снижения начальных усадочных напряжений в бетоне могут применяться различные меры, такие как армирование элементов и устройство усадочных швов в конструкциях, а также технологические меры, такие как подбор состава бетонной смеси, увлажнение окружающей среды при термической обработке бетона и увлажнение поверхности бетона.

Прочность бетона

Прочность бетона является важным параметром, определяющим его способность выдерживать нагрузку. Давайте более подробно разберем факторы, влияющие на прочность бетона, а также основные характеристики прочности бетона.

Факторы, влияющие на прочность бетона:

1. 

Неоднородность материала:

 Бетон - неоднородный материал с различными компонентами, такими как цемент, заполнители и вода. Эта неоднородность может приводить к различным уровням прочности в разных частях бетона.

2. 

Напряженное состояние:

 Внешние нагрузки создают сложное напряженное состояние в бетоне. Напряжения сосредоточены на более твердых частицах с большим модулем упругости, а также в местах с порами и пустотами.

3. 

Технологические факторы:

 Прочность бетона зависит от процесса его приготовления и укладки. Неправильное смешивание, недостаточная компактация или недостаточная гидратация цемента могут снизить его прочность.

4. 

Возраст и условия застывания:

 Прочность бетона увеличивается с течением времени после застывания. Правильные условия выдерживания, такие как температура и влажность, также могут повлиять на прочность.

5. 

Форма и размеры образца:

 Прочность бетона может изменяться в зависимости от размера и формы испытуемых образцов.

6. 

Тип стрессового состояния и продолжительность нагрузки:

 Разные виды нагрузок, такие как сжатие, растяжение и сдвиг, могут влиять на прочность бетона. Также важно учитывать продолжительность нагрузки.

Основные характеристики прочности бетона:

1. 

Класс прочности на осевое сжатие (В):

 Этот параметр указывает на предел прочности бетона на сжатие и измеряется в мегапаскалях (МПа). Он определяется путем испытания бетонных кубов с размерами 150 мм в соответствии со стандартными методами через 28 дней выдерживания при определенных условиях.

2. 

Класс прочности на осевое растяжение (Bg):

 Эта характеристика назначается в случаях, когда прочность на растяжение имеет значение. Она также измеряется в МПа.

3. 

Марка морозостойкости (F):

 Этот параметр присваивается конструкциям, которые подвергаются воздействию попеременного промерзания и оттаивания во влажных условиях.

4. 

Степень водонепроницаемости (W):

Применяется для конструкций, требующих ограниченной проницаемости для воды, например, для резервуаров.

5. 

Знак на средней плотности (D):

 Этот знак указывается для конструкций, которые требуют контроля на рабочем месте.

Эти классы и марки бетона определяются путем соответствующего подбора состава бетонной смеси и последующего испытания контрольных образцов. Понимание и учет этих характеристик помогает инженерам и архитекторам создавать прочные и надежные бетонные конструкции для различных условий эксплуатации.

Деформируемость бетона. Виды деформаций.

Деформируемость бетона - это важное свойство, которое определяет способность бетона подвергаться деформациям под воздействием нагрузки. В бетоне существуют два основных типа деформаций: объемные и силовые, и они могут проявляться в различных условиях и под воздействием разных факторов. Давайте подробнее рассмотрим эти виды деформаций и связанные с ними понятия.

1. 

Объемные деформации:

 Эти деформации развиваются во всех направлениях и обычно вызываются различными факторами, такими как усадка бетона, перепады температуры и влажности. Объемные деформации включают в себя усадку бетона (при затвердевании), набухание бетона (при воздействии влаги), а также тепловые расширения и сжатия при изменении температуры.

2. 

Силовые деформации:

 Эти деформации развиваются преимущественно в направлении действия сил. Силовые деформации могут быть продольными (сжатие или растяжение) и поперечными (сдвиг). Коэффициент Пуассона (v) характеризует отношение поперечной деформации к продольной при одноосном напряженном состоянии (например, при сжатии или растяжении). Обычно коэффициент Пуассона для бетона составляет около 0,2.

Далее, важно учитывать поведение бетона при долговременных нагрузках и изменениях напряжений со временем:

· 

Ползучесть бетона:

 Ползучесть - это свойство бетона развивать неупругие деформации под действием постоянных напряжений с течением времени. Это происходит из-за структурных особенностей бетона и процесса кристаллизации цементного камня. Под воздействием нагрузки происходит перераспределение напряжений от геля к кристаллическим частицам и зернам наполнителя. Капиллярные явления, связанные с перемещением избытка воды в микропорах и капиллярах, также способствуют ползучести. Ползучесть может быть линейной (пропорциональной напряжению) и нелинейной (начинающейся с определенных напряжений).

· 

Релаксация напряжений:

 Релаксация - это свойство бетона уменьшать напряжения с течением времени при постоянной начальной деформации. Это свойство также связано с перераспределением напряжений в структуре бетона со временем и снижением количества геля при затвердевании цементного камня.

Понимание ползучести и релаксации бетона важно при проектировании и расчете бетонных конструкций, особенно при долговременных нагрузках, таких как нагрузка от собственного веса конструкции или постоянная эксплуатационная нагрузка. Учет этих явлений помогает инженерам создавать более надежные и долговечные бетонные конструкции.

Особенности физико-механических свойств некоторых видов бетона

Различные виды бетона имеют свои уникальные физико-механические свойства, которые делают их подходящими для различных условий и задач. Вот особенности физико-механических свойств некоторых видов бетона, о которых вы упомянули:

1. Плотный силикатный бетон:

• Состав:

   Этот вид бетона изготавливается на основе известкового вяжущего с использованием кварцевых песков в качестве наполнителей.

• Прочность:

   Начальный модуль упругости этого бетона обычно меньше, чем у цементобетона равной прочности.

• Ползучесть:

   Плотный силикатный бетон имеет меньшую ползучесть по сравнению с цементобетоном, что может быть важно при проектировании конструкций с требованиями к стабильности формы.

• Применение:

   Обычно используется для изготовления сборных железобетонных элементов зданий, но ограничено в неблагоприятных условиях эксплуатации.

1. Кислотостойкий бетон:

• Состав:

   Кислотостойкий бетон разрабатывается для устойчивости к агрессивным средам, содержащим кислоты. В качестве вяжущих используются различные материалы, такие как пуццолановый портландцемент, шлакопортландцемент и жидкое стекло.

• Применение:

   Используется для строительства конструкций в агрессивных средах, таких как подземные сооружения, цеха химической промышленности и другие объекты, где важна стойкость к кислотам.

1. Полимербетон:

• Состав:

   В полимербетоне в качестве связующего материала используются полимеры, такие как эмульсии и смолы, которые улучшают его прочность и стойкость к агрессивным средам.

• Прочность:

   Полимербетон имеет улучшенные физико-механические свойства, включая высокую прочность на сжатие и растяжение, а также улучшенную адгезию к арматуре.

• Применение:

   Полимербетон используется в несущих конструкциях для различных отраслей промышленности, таких как химическая, электрометаллургическая и пищевая промышленность. Он также может быть использован после пропитки полимерными материалами для улучшения свойств.

Каждый из этих видов бетона имеет свои преимущества и ограничения, и их выбор зависит от конкретных требований проекта и условий эксплуатации.