CEMMIX

Прочность бетона: от чего она зависит

Минимальный расход - максимальный эффект

Прочность бетона: от чего она зависит

28 февраля 2020, пятница

Более 6000 лет бетон используется человеком для возведения монолитных конструкций и строительства дорог.

Основное качество бетона, которое широко используется в строительстве — его прочность. Бетон по прочности сравним с камнем, но он значительно удобнее в работе: ему можно придать любую форму. Именно сочетание прочности и удобства обработки сделало его настолько популярным.

Но, если прочность камня очевидна изначально, прочность бетона зависит от многих факторов.

Технологические факторы, которые влияют на прочность бетона

Бетон начинается с цемента — порошкового вещества водного твердения, которое смешивают с водой и заполнителями. Затем полученную смесь укладывают в опалубку, после чего начинается длительный процесс отвердевания. Каждый из этих этапов влияет на прочность материала.

Активность цемента

От активности цемента зависит, насколько прочным получится бетон.

Справка

Активностью цемента называют предел прочности на сжатие цементных образцов в возрасте 28 суток. Этот параметр лежит в основе классификации цементов на марки.

Активность цемента связана со следующими факторами:

  1. Тонкость помола и гранулометрия, которые влияют на плотность цементного камня. Высокое содержание тонких фракций обеспечивает быстрое нарастание прочности, а повышенное содержание частиц средних фракций способствует высокой прочности на 28-й день. Обычно портландцемент имеет тонкость помола, обеспечивающую удельную поверхность 300—350 м2/кг; при увеличении тонкости помола это показатель возрастает до 400—450 м2/кг, что приводит к более быстрому набору прочности. Крупно смолотый цемент не вовлекается в реакции гидратации полностью; даже через несколько лет в бетоне, изготовленном из цемента крупного помола, находят зерна непрореагировавшего цемента, что, безусловно, сказывается на прочности бетона отрицательно.
  2. Химический состав клинкера (например, если в составе клинкера есть негашеная известь, цемент дольше сохраняет активность).
  3. Примеси. Например, окись магния в глиноземистом цементе в количестве до 2% ускоряет набор прочности, а в более высоких концентрациях снижает активность цемента.
  4. Свежесть цемента. К примеру, через 3 месяца хранения в условиях высокой влажности воздуха прочность снижается на 62% для суточных образцов и на 23% для образцов в возрасте 28 дней. Это происходит из-за того, что под влиянием атмосферной влаги и углекислого газа на поверхности частиц цемента появляется слой новообразований, снижающих его активность. Быстротвердеющие виды цемента уже через месяц хранения становятся обычными.

Таким образом, основа прочного бетона — свежий качественный, правильно смолотый цемент.

Водоцементное соотношение

Одним из важнейших параметров бетонной смеси является соотношение в ней воды и цемента.

В зависимости от количества воды и полученной консистенции, смеси подразделяются на жесткие и подвижные. Подвижные смеси делятся на 5 типов:

  1. П1 — малоподвижные;
  2. П2—П3 — универсальные;
  3. П4 — подвижные смеси, не требующие уплотнения;
  4. П5 — литьевые.

Подвижность смеси измеряется конусом Абрамса; в зависимости от осадки бетонного конуса по сравнению с первоначальным размером назначается класс по подвижности.

Конус Абрамса

Чем меньше в смеси воды, тем, теоретически, более высокую прочность можно ожидать от бетона.

Реакции гидратации полностью обеспечиваются при в/ц = 0,3. Но при таком количестве воды получается очень жесткая смесь, которая требует серьезной обработки. В противном случае она не уплотнится, в бетоне останутся полости и крупные поры, которые снизят его прочность.

Подвижность бетонных смесей

Добавление воды в бетонную смесь увеличивает ее подвижность; бетонная смесь становится более пластичной, самоуплотняющейся и укладывается без пустот, но излишняя вода отрицательно влияет на прочность, что можно видеть в таблице.

Влияние в/ц на прочность бетона

Оптимальное решение этого противоречия — добавление пластификатора в бетонную смесь:

  1. Пластификатор увеличивает подвижность смеси на 1—2 пункта без добавления лишней воды и, соответственно, без снижения прочности.
  2. Добавление пластификатора повышает прочность бетона, поэтому, используя заданную марку цемента, для получения бетона расчетной прочности можно снизить количество цемента, как минимум, на 10% (до 20%), что, учитывая цены на цемент, обеспечит существенную экономию.
  3. Смеси с добавлением пластификаторов, благодаря своей подвижности, легко укладываются и уплотняются, в некоторых случаях не требуя обработки вибрацией (литые смеси).
  4. Пластификатор препятствует расслаиванию и увеличивает срок жизни бетонной смеси, что важно в том случае, если ее необходимо транспортировать к месту строительства.
  5. Если в конструкции используется арматура, добавление пластификатора улучшает адгезию бетона к арматуре.

Суперпластификаторы сочетают пластифицирующее воздействие с другими свойствами: водоредуцирующим, противоморозным и другими.

Советуем изучить: Пластификатор

Заполнители

В состав бетонной смеси, помимо цемента и воды, входят заполнители:

  1. крупные (щебень, гравий);
  2. мелкие (песок).

Зерно крупного заполнителя может иметь различные размеры (от 20 мм и менее - до 100 мм). В зависимости от используемого заполнителя бетоны делятся на:

  1. тяжелые (на плотном крупном и мелком заполнителе);
  2. мелкозернистые (на плотном мелком заполнителе).

Их состав регулируется ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия».

Методы замеса

Повышение прочности обеспечивают такие методы обработки цемента, как:

  1. мокрая активация цемента;
  2. виброактивация цемента.

Суть мокрой активации цемента в том, что в бетономешалку загружают все компоненты смеси, кроме песка, а воду заливают частично. Во время работы бетономешалки частицы крупного заполнителя растирают цемент в течение 5 минут, затем загружаются остальные компоненты. В результате этой процедуры цемент, особенно лежалый, активируется.

Виброактивация заключается в перемешивании и одновременной вибрации цемента с песком, в результате чего степень гидратации цемента повышается, а его активность увеличивается на 30–40%.

Важно!

Добавление в бетонную смесь пластификатора позволяет повысить активность даже лежалого цемента.

Армирование

Бетонные сооружения, укрепленные арматурой, показывают более высокую прочность, чем не армированные изделия. Заменой или дополнением к арматуре выступает объемное армирование с помощью различных видов фибры. Бетон с добавлением фибры более прочный и устойчивый к образованию трещин, также он дает меньше усадки.

Советуем изучить: Полипропиленовая фибра

Обработка при укладке

Прочность бетона напрямую зависит от его плотности, то есть, отсутствия полостей и крупных пор.

Чтобы обеспечить высокую плотность, используется обработка свежеуложенного бетона вибрацией. Это дорогостоящее мероприятие, которое требует больших затрат труда и электроэнергии. Смеси, содержащие пластификатор, отличаются удобоукладываемостью и могут обойтись без обработки, что сэкономит немало средств и времени.

Уход за бетоном и оптимальные условия твердения

Как уже упоминалось, цемент — это вяжущее водного твердения, а это значит, что для образования кристаллической структуры плотного бетонного камня необходимо, чтобы высокая влажность поддерживалась, как минимум, до достижения критической прочности бетона.

Справка!

Критической называют прочность бетона, по достижении которой неблагоприятные условия окружающей среды уже не оказывают на него существенного отрицательного влияния. Она указывается в проектной документации, обычно это 30–50%, иногда до 70% от расчетной прочности бетона. Как правило, критическая прочность бетона достигается на 7-е сутки.

Пока бетонная смесь сохраняет влажность, реакции гидратации продолжаются с образованием прочного материала.

Прочность бетона нарастает неравномерно: в первые сутки процессы идут наиболее быстро, затем их скорость постепенно снижается, что можно видеть на графике.

График твердения бетона

Расчетной прочности бетон достигает по истечении 28 суток. Медленный набор прочности продолжается многие месяцы после этого.

Чтобы бетон набрал расчетную прочность, необходимо обеспечить оптимальные условия твердения:

  1. влажность воздуха, близкая к 100%;
  2. температура воздуха 18–20 °С.

Важно!

При влажности воздуха 40% твердение бетона практически прекращается.

Если окружающий воздух слишком сухой, применяется уход за бетоном: его поливают водой и укрывают пленкой для сохранения влажности.

Температура также является важным фактором, который влияет на прочность.

При снижении температуры окружающего воздуха процессы твердения бетона замедляются, а при температуре ниже 0°С — практически прекращаются, что видно из таблицы.

Твердение бетона при разных температурах

Поэтому основным мероприятием ухода за бетоном при зимнем бетонировании является сохранение тепла и обогрев уложенного бетона.

Для достаточно массивных, толстостенных конструкций бывает достаточно «метода термоса»: смесь замешивают из подогретых материалов (кроме цемента; его греть нельзя), прогревают теплым воздухом опалубку, а свежеуложенный бетон укрывают теплоизолирующими материалами. Поскольку реакции гидратации являются экзогенными, то есть протекают с выделением тепла, этого может быть достаточно, чтобы бетон успешно набрал критическую прочность. Технологи следят за температурным градиентом, не допуская слишком большой разницы температур у поверхности бетона и на глубине.

Если конструкция недостаточно габаритная или имеет тонкие стенки, такой метод не подходит; в этом случае применяют обогревающие мероприятия: устройство тепловых шатров, прогревание электродами, тепловыми матами и другие.

Как влияет замораживание на набор прочности бетона?

Если конструкция была залита и замерзла, не набрав критической прочности, а весной оттаяла, набор прочности продолжится, но в итоге прочность бетона будет ниже.

Важно!

Независимо от применения сохраняющих тепло или прогревающих мероприятий при бетонировании в зимнее время целесообразно использовать противоморозные добавки, которые снижают температуру замерзания воды в смеси и ускоряют процессы гидратации цемента, позволяя бетону набирать прочность даже в условиях очень низких температур.

Обратная ситуация складывается при высоких температурах. В этом случае бетон схватывается слишком быстро, но может пересыхать, а это негативно влияет на прочность готового изделия. Поэтому в жару бетон поливают водой и укрывают.

Взаимосвязь прочности бетона и его морозостойкости и водонепроницаемости

Как уже было сказано, прочность бетона напрямую зависит от его плотности. Высокая плотность, в свою очередь, влияет на другие характеристики материала.

Бетон — материал пористый. Несмотря на свою плотность и твердость, он имеет большое количество пор и капилляров, которые могут впитывать воду. Поэтому при эксплуатации в условиях высокой влажности в порах бетонных конструкций могут развиваться бактерии, грибы, плесень. Продукты жизнедеятельности этих микроорганизмов приводят к разрушению бетона.

Если конструкция эксплуатируется в условиях низких температур, влага в порах бетона при замерзании расширяется и приводит к появлению трещин. С каждым циклом «замораживание—оттаивание» размер и количество микротрещин увеличиваются, разрушая бетон.

Вот почему бетон высокой плотности показывает более высокую устойчивость к воде и низким температурам: в нем меньше пор и они имеют маленький размер.

В целях дополнительной защиты от влаги применяются специальные добавки для объемной гидрофобизации, а также мастики и пропитки для бетона.

Советуем изучить: Гидроизоляция

Классификация бетонов по прочности

Классы присваиваются бетонам по результатам испытаний, в ходе которых отливку в форме куба подвергают сжатию до разрушения.

Справка

В СССР бетоны классифицировались на марки, сейчас они подразделяются на классы.

Марка бетона обозначалась литерой «М» и числовым обозначением, которое соответствовало среднему выдерживаемому давлению, измеряемому в кг/см2.

Класс бетона обозначается литерой «В» и числовым обозначением, которое показывает предельную прочность бетона на сжатие в МПа (то есть, максимальное сжатие, которое образец выдерживает без разрушения).

Поэтому класс бетона точнее показывает его прочность, чем марка. Определить соответствие марки бетона классу можно по специальной таблице, но необходимо учитывать, что это соответствие не полное.

Соответствие классов и марок бетона

Для чего нужно знать прочность бетона

Планируя строительство, необходимо правильно выбрать бетон нужного класса прочности.

Разные конструкции предъявляют различные требования.

Например, деревянный дом не дает такую большую нагрузку на фундамент, как кирпичный, тем более, многоэтажный дом. Баня или гараж — менее ответственные постройки, чем жилой дом.

В то же время, избыточная прочность бетона тоже нежелательна, поскольку бетон высокого класса дороже.

Поэтому для каждого типа конструкций выбирается бетон подходящего класса:

  1. легкие бетоны класса В7,5 применяются для подготовительных работ;
  2. бетоны класса В12,5 — для бетонирования дорожек, стяжек, заливки фундаментов нетяжелых сооружений;
  3. В15 — при строительстве зданий до двух этажей;
  4. В20 — для ленточных фундаментов, лестниц и ненагруженных перекрытий;
  5. В22,5 — для фундаментов, дорожек, площадок, монолитных стен;
  6. В25 — для монолитных стен, бассейнов, фундаментов;
  7. В30 — для гидротехнических конструкций и мостов;
  8. В35 — для дамб, гидротехнических сооружений;
  9. В40 — для мостов, метро, плотин и других видов конструкций со специальными требованиями.

Методы определения прочности бетона

Для присвоения бетону класса прочности испытывают кубические образцы с размером ребра 150 мм. В ходе испытания образцы разрушаются.

Существуют и другие методы определения прочности бетона путем механического воздействия:

  1. Метод отрыва и скалывания. В ходе испытания из бетона выдергивается заранее заделанный стержень.
  2. Метод вдавливания. Используется специальный штамп или шариковый молоток (например, молоток системы Физделя, молоток Кашкарова).
  3. Метод упругого отскока.

Последний относится к неразрушающим методам, что очень удобно, если нужно узнать прочность готовой конструкции: метод простой, точный и оперативный в применении. Для его проведения используется молоток Шмидта (склерометр), который используется также для определения прочности других материалов (например, кирпича). Поэтому молотки выпускаются с разными вариантами энергии удара.

Молоток Шмидта и его устройство

Для испытания необходим участок конструкции площадью не менее 100 см2. Небольшие изделия должны быть закреплены. Молоток устанавливается перпендикулярно к зоне измерения. Его удар не должен приходиться на арматуру или крупные раковины.

На каждом участке производят не менее 10 замеров.

При ударе молоток замеряет значение отскока; по окончании испытаний высчитывается средняя величина с поправкой на угол, под которым молоток соприкасался с поверхностью, после чего с помощью кривых перевода высчитывается прочность материала на сжатие.

Разновидности бетона

Помимо классификации по прочности, бетоны подразделяются на группы и по другим признакам:

  1. по подвижности;
  2. по морозостойкости;
  3. по водостойкости;
  4. по плотности (легкие, особо легкие, тяжелые, особо тяжелые);
  5. по назначению;
  6. по виду вяжущего (полимерцементные, гипсовые, шлакощелочные, силикатные, цементные, специальные).

Популярные виды бетона

В современном строительстве некоторые виды бетона пользуются особым спросом:

  1. пенобетон;
  2. газобетон;
  3. фибробетон (с добавлением фибры);
  4. деревобетон (разновидность опилкобетона);
  5. полистиролбетон;
  6. кевларобетон (еще его называют ультрабетон); 

Кевларобетон имеет глянцевую поверхность, окрашивается в широкую гамму оттенков и может имитировать натуральные материалы, например, камень

Интересно!

Существует такая разновидность современного бетона, как кевларобетон, который имеет глянцевую поверхность, окрашивается в широкую гамму оттенков и может имитировать натуральные материалы, например, камень. Этот необычный материал очень популярен среди дизайнеров.

Современный бетон немыслим без высокотехнологичных химических добавок, которые помогают значительно экономить расходные материалы и затраты труда и электроэнергии и при этом получать качественный материал с нужными характеристиками.

Прочность бетона: от чего она зависит
Оставьте комментарий
Имя*:

Подписаться на комментарии (впишите e-mail):

Отправляя форму, я даю согласие на обработку персональных данных.
* — Поля, обязательные для заполнения