Прочностные характеристики бетона

Под прочностью строительного  материала подразумевают его  способность противиться разрушению от действия внутренних напряжений, вызываемых внешними нагрузками.

Во время эксплуатации практически все строительные  материалы подвергаются воздействию разных сил и испытывают при этом различные внутренние напряжения.  Чаще всего нагрузками на них являются: изгиб, сжатие, растяжение, удар. Некоторые строительные материалы прекрасно сопротивляются сжатию (речь идёт в первую очередь о природных и искусственных каменных материалах), другие же неплохо реагируют на сжатие и растяжение (например, древесина и сталь).

Прочность строительного  материала оценивается с помощью  предела прочности — некоего критического напряжения, при котором возникает разрушение вещества, лежащего в основе материала.

Определение предела прочности производят путём испытания стандартных образцов материала на специальных устройствах — разрывных машинах или прессах.  Образцы для данных экспериментов либо готовятся отдельно, либо вырезаются из проверяемых конструкций. Испытание и исследование на прочность материалов проводят вплоть до разрушения последних.

Правда, стоит сказать, что для получения точных результатов  необходимо провести не одно испытание:дело в том, что расчёт предела прочности, сделанный лишь один раз, не сможет являться отражением полностью достоверной информации по данной характеристике, ибо строительные материалы, как правило, неоднородны по своему строению. Поэтому определение предела прочности происходит на основании нескольких опытов со стандартными образцами.

Остановимся более подробно на некоторых видах пределов прочности.

Расчёт предела прочности при сжатии происходит на основании следующей формулы:

Rсж = Pраз/S;

где Rсж — предел прочности при сжатии, МПа, а Pраз — разрушающая сила, действующая на площадь поперечного сечения испытываемого образца S (образец представляет собой обычно цилиндр, куб или призму).

Расчёт предела прочности при изгибе производится  по одной из ниже приведённых формул:

• если на образец действует одна сосредоточенная изгибающая сила:

Rизг = 3Pl/(2bh2);

где l — расстояние между опорами, h и b — соответственно высота и ширина поперечного сечения испытываемого образца.

• если на образец действует две силы:

Rизг = Pl/(bh2).

Определение предела прочности при растяжении производится в том случае, если необходимо оценить прочностные характеристики бетона, стали, волокнистых материалов. Используются же для этих целей специальные прессы, оснащённые захватывающими устройствами, которые растягивают испытываемые образцы строительного материала в разные стороны.

Марка строительного материала  зависит от его предела прочности (обычно при сжатии), причём, чем выше марка, тем о более качественном и прочном продукте идёт речь.

Прочностные характеристики бетона

Под бетоном понимают комплексный строительный материал, в котором крупные и мелкие каменные заполнители, соединенные вяжущим (цемент, жидкое стекло, полимерцемент), сопротивляются нагрузкам как одно монолитное тело. Хотя бетон представляет собой материал грубо неоднородной структуры, ему можно придавать вполне определенные наперед заданные прочностные, деформативные и физические свойства.

Под прочностными свойствами бетона принято понимать нормативные и расчетные характеристики бетона при сжатии и растяжении, сцепление бетона с арматурой.

Под деформативными свойствами бетона понимают сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой, ползучесть и усадку, набухание и температурные деформации.

К физическим свойствам бетона относят водонепроницаемость, морозожаростойкость, коррозионную стойкость, огнестойкость, тепло- и звукопроводность, кислотостойкость и др.

Физико-механические свойства бетона зависят от способа его изготовления и материалов: вяжущего, крупного и мелкого заполнителя и воды. Они определяются структурой бетона и условиями его твердения.

В зависимости от требований морозостойкости, водонепроницаемости, огнестойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды бетоны классифицируют по:

структуре - плотный бетон, в котором пространство между зернами заполнителя полностью занято затвердевшим вяжущим; крупнопористый (малопесчаный и беспесчаный) - с частично заполненным пространством между зернами заполнителя; поризованный, в котором вяжущее между зернами заполнителя поризовано с помощью специальных добавок; ячеистый - с искусственно созданными замкнутыми порами; повышение плотности структуры бетона ведет к повышению его прочности. Необходимую плотность бетона достигают посредством подбора зернового состава, механического уплотнения бетонной смеси при формировании, применение достаточного количества цемента, снижения водно-цементного отношения. Чем выше марка цемента по отношению к требуемой прочности бетона, тем меньше требуется цемента; 
средней плотности (кг/м3): особо тяжелые со средней плотностью более 2500; тяжелые - 2200...2500; облегченные - 1800...2200; легкие - 500...1800; 
виду вяжущего - цементные, полимерцементные, на известковом вяжущем (селикатные), гипсовом вяжущем, смешанных и специальных вяжущих; 
виду заполнителей - на плотных естественных заполнителях (гравий или щебень горных пород, кварцевый песок); на пористых естественных (перлит, пемза, ракушечник) или искусственных (керамзит, шлак) заполнителях; на специальных заполнителях, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости, химической стойкости. Обычно щебень предпочитают гравию, так как он позволяет дешевле и быстрее обеспечивать оптимальный зерновой состав бетона заданной плотности и прочности. В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон, пемзобетон и т. д.;  
зерновому составу - крупнозернистый с крупными и мелкими заполнителями; мелкозернистый с мелкими заполнителями; 
условиям твердения - бетон естественного твердения; бетон, подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении или автоклавной обработке при высоком давлении.

Бетоны, применяемые для  несущих железобетонных конструкций, сокращенно называют:

тяжелый бетон - бетон плотной структуры, на плотных заполнителях, крупнозернистый на цементном вяжущем, при любых условиях твердения; средней плотностью 2200...2500 кг/м3;

мелкозернистый бетон - бетон плотной структуры, тяжелый, на мелких заполнителях, на цементном вяжущем, при любых условиях твердения; средней плотностью более 1800 кг/м3;

легкий бетон - бетон плотной и поризованной структуры, на пористых заполнителях, крупнозернистый, на цементном вяжущем, при любых условиях твердения; при равной прочности, морозостойкости и водонепроницаемости применяют в конструкциях наравне с тяжелым бетоном;

ячеистый бетон автоклавного и неавтоклавного твердения;

специальный напрягающий бетон.

Основные преимущества облегченных и особенно легких бетонов (включаются в возможности понизить (до 25% и более) массу железобетонных конструкций, а следовательно, уменьшить  их стоимость, улучшить звукоизолирующие и теплозащитные свойства, повысить сейсмостойкость и огнестойкость. Бетоны легкие, ячеистые и поризованные со средней плотностью 1400 кг/м3 и менее применяют преимущественно для ограждающих конструкций. Плотные мелкозернистые бетоны используют наравне с тяжелыми и для заполнения швов сборных конструкций. При строительстве атомных реакторов (для биологической защиты от излучений) применяют специальные особо тяжелые бетоны со средней плотностью более 2500 кг/м3.

Под морозостойкостью бетона понимают способность материала в увлажненном состоянии сопротивляться разрушающему воздействию попеременного замораживания и оттаивания. Бетон является морозостойким, если он выдерживает 50...500 и более циклов попеременного замораживания и оттаивания. Решающее влияние на морозостойкость бетона оказывают водоцементное отношение и структура.

Под водонепроницаемостью бетона понимают способность материала не пропускать воду. Тяжелый бетон и бетон на пористых заполнителях фильтруют воду. Это обусловлено тем, что при водоцементном отношении В/Ц > 0,2 свободная вода, не связанная химически с цементом, при испарении образует в бетоне поры. Значение коэффициента фильтрации возрастает с увеличением градиента напора. Поэтому в напорных сооружениях применяют плотные бетоны с ограниченным коэффициентом фильтрации. Плотность бетона повышают посредством разнообразных добавок. Водопроницаемость железобетона существенно может увеличиться в результате дефектов его структуры под горизонтально расположенными стержнями, образуя там сквозные каналы.

Под огнестойкостью бетона понимают способность материала сохранять прочность при пожаре (1000...1100 °С). Бетон является более огнестойким материалом, чем сталь, так как при температурах пожара он практически сохраняет свои прочностные и деформативные свойства. Конструкции из стали обрушиваются уже при температуре 600...700°С. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций достш ают увеличением защитного слоя бетона до 3...4 см.

Под жаростойкостью бетона понимают способность бетона сохранять прочность при длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С). Длительное воздействие высоких температур разрушает обычный тяжелый бетон и бетон на пористых заполнителях вследствие обезвоживания цементного камня, деформаций цементного камня и заполнителей. Поэтому нормы запрещают применять обычный бетон при длительном воздействии температур свыше 50° С. В целях увеличения жаростойкости бетона применяют специальные заполнители: базальт, хромит, шамот, доменные шлаки и вяжущее: глиноземистый цемент, портландцемент с добавками, жидкое стекло. В охлажденном состоянии сцепление бетона с арматурой периодического профиля сохраняется. Жаростойкий бетон применяют для фундаментов доменных печей и разнообразных тепловых агрегатов, туннельных печей.

Под коррозионной стойкостью бетона понимают способность материала не вступать в химическую реакцию с окружающей средой. Эксплуатационные условия большинства зданий и сооружений являются нормальными для бетона, поэтому в нем не происходит никаких коррозионных процессов. В агрессивных средах (жидких или газообразных) коррозионная стойкость бетонов снижается.