Общие закономерности, определяющие структуру и технические свойства бетонов, целесообразно рассмотреть на примере тяжелого бетона, применяемого наиболее часто для изготовления монолитных сооружений и сборных конструкций.

Затвердевший бетон относится к материалам конгломератного типа, так как состоит из заведомо разнородных зерен заполнителя, скрепленных цементным камнем.

В структуре бетона выделяют три элемента: цементный камень, заполнитель и зону контакта между ними. Количественные соотношения и качественное различие этих элементов предопределяют характер структуры и свойства бетона. Различают макро- и микроструктуру бетона.

Макроструктура характеризует строение бетона как искусственного конгломерата и зависит от соотношения между компонентами бетона, а также однородности их распределения. Учитывают и воздушные пустоты, возникающие вследствие недоуплотнения бетонной смеси. Большое влияние на свойства бетона оказывают также усадочные трещины, образующиеся в процессе твердения в цементном камне и контактной зоне и нарушающие монолитность бетона.

Микроструктура затвердевшего бетона характеризуется составом и строением твердого вещества, размером и характером пор, а также строением контактной зоны между заполнителем и цементным камнем. Цементный камень скрепляет все компоненты бетона в единое целое. Поэтому к важнейшим свойствам, определяющим качество цементного камня, относятся прочность и адгезия, т.е. способность к сцеплению с зернами заполнителя. В состав цементного камня входят продукты гидратации цемента и многочисленные включения в виде негидра-тированных зерен клинкера и минеральных добавок.

Продукты гидратации представлены в основном мельчайшими кристаллами гидросиликатов кальция и, кроме того, более крупными кристаллами гидроксида кальция.

Основными показателями качества тяжелого бетона являются прочность на сжатие и растяжение, морозостойкость, водонепроницаемость.

Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют классами прочности на сжатие и осевое растяжение. Отличительная особенность бетонных работ — значительная неоднородность получаемого бетона. Чем выше культура строительства, лучше качество приготовления и укладки бетона в конструкции, тем меньше будут возможные колебания прочности. Следовательно, важно не только получить бетон с заданной средней прочностью, но и обеспечить ее во всем объеме изготовляемых конструкций. 78

 Показателем, который учитывает возможные колебания качества, является класс бетона. Класс бетона — зто численная характеристика какого-либо его свойства, принимаемая с гарантированной обеспеченностью (обычно 0,95). Это значит, что установленное классом свойство, например прочность бетона, достигается хотя бы в 95 случаях из 100. Понятие "класс бетона" позволяет назначать прочность с учетом ее фактической или возможной вариации. Чем меньше изменчивость прочности, тем выше класс бетона при одной и той же его средней прочности. ГОСТ 26633—85 устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие: 3,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55 и 60. Класс по прочности на сжатие обозначают латинской буквой В, справа от которой приписывают его прочность в МПа. Так, у бетона класса В15 предел прочности при сжатии не ниже 15 МПа с гарантированной обеспеченностью 0,95.

В необходимых случаях устанавливают также класс бетона по прочности на осевое растяжение, обозначаемый индексом Вг. Для тяжелого бетона приняты следующие классы: Bf0,8; Bfl,2; Bfl,6; Bf2; Bf2,4; Bf2,8 и Bf3,2. Цифра обозначает выраженный в МПа предел прочности при осевом растяжении.

На растяжение бетон работает намного хуже, чем на сжатие: предел прочности при растяжении в 10...20 раз меньше предела прочности при сжатии. Для повышения несущей способности, в особенности при изгибе и растяжении, бетон сочетают со стальной арматурой, изготовляя железобетонные конструкции.

В соответствии со стандартом СЭВ 1406—78 класс является основным показателем прочности бетона. Для изделий и конструкций, запроектированных без учета требований этого стандарта, прочность бетона характеризуют маркой. Марка бетона — зто численная характеристика какого-либо его свойства, рассчитываемая как среднее значение результатов испытания образцов. При определении марок по прочности, морозостойкости, водонепроницаемости принимают нижнее предельное значение свойств, а марку по средней плотности — по верхнему предельному значению. В отличие от класса марка бетона не учитывает колебаний прочности во всем объеме бетонируемой конструкции.

Марка по прочности на сжатие — наиболее распространенная характеристика бетона. Марку определяют испытанием на осевое сжатие (см.  5) бетонных образцов-кубов размерами 15X15X15 см. Полученный при испытании предел прочности при сжатии, выраженный в кгс/см2, является численной характеристикой марки.

Установлены следующие марки тяжелого бетона по прочности на сжатие: 50; 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350,400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800. В обозначении используют индекс "М". Например, марка бетона М200 означает, что его предел прочности при сжатии не менее 200 кгс/см2. По прочности на осевое растяжение тяжелый бетон может быть следующих марок (кгс/см2): Pf 5, Р, 10, Рг 15, Pf 20, Pf 25, Pf 30, Pf 35, Pf40, P,45, Pr50.

Бетон для изготовления изгибаемых железобетонных конструкции дополнительно характеризуют марками по прочности на растяжение при изгибе: Ри5, РиЮ, Ри15, Ри20, Ри25, Ри30, Ри35, Ри40, Ри45, Ри50, Ри55,Ри60, Ри65, Ри70, Ри80, Ри90, Ри100.

Соотношение между классами и марками бетона неоднозначно и зависит от однородности бетона, оцениваемого с помощью коэффициента вариации. Чем меньше коэффициент вариации, тем однороднее бетон. Класс бетона одной и той же марки существенно увеличивается, если удается снизить коэффициент вариации. Например, при марке по прочности на сжатие МЗОО и коэффициенте вариации 18% получают бетон класса В15, а при коэффициенте вариации 5% — класса В20, т.е. на целую ступень  выше.  Это  подчеркивает необходимость тщательного выполнения всех технологических рекомендаций, повышения технического уровня и культуры производства бетонных работ.

Прочность — основная характеристика бетона как конструкционного материала. Численное значение прочности определяется действием многих факторов. К важнейшим из них относятся качество примененных материалов и пористость бетона.

Исследованиями проф. И.Г. Малюги в 1895 г. была установлено, что прочность плотноуложенного бетона понижается по мере увеличения количества воды в бетонной смеси. Зависимость прочности затвердевшего бетона от количества воды затворения в бетонной смеси условно показана на  20. При изготовлении бетона из одних и тех же материалов, постоянном расходе цемента и одинаковой затрате энергии на уплотнение бетонной смеси зависимость изображена кривой с двумя ветвями. Левая ветвь соответствует неудобоукладываемым смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. Низкая прочность бетона в этой части кривой объясняется многочисленными крупными воздушными пустотами, кавернами, неплотностями, которые возникают вследствие чрезмерно высокой (для данного способа уплотнения) вязкости цементного теста и недостаточного его объема. По мере увеличения расхода воды объем теста возрастает, а его вязкость снижается, так что возможно уложить смесь весьма плотно, с наименьшим числом дефектов. Максимум на кривой прочности соответствует оптимальному для данного способа уплотнения расходу воды, при котором смесь укладывается наиболее плотно. При большем расходе воды бетонная смесь укладывается так же плотно, однако прочность бетона уменьшается (см. правую ветвь кривой) вследствие того, что лишь часть добавляемой воды (15...20% от массы цемента) связывается.

В плотноуложенном бетоне возникновение пор связано с физико-

химическими процессами твердения цемента, а также с испарением

воды, которая не связывается в новообразования. Следовательно, пори

стость такого бетона обусловлена в основном пористостью цементного

камня. Избыток воды образует в бетоне множество тонких капилляр

ных пор и полостей, поэтому плотность и прочность бетона снижаются.

Марку по морозостойкости назначают и контролируют для бетона в конструкциях, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания (например, в гидротехнических сооружениях, дорожных и аэродромных покрытиях). Установлены следующие марки тяжелого бетона по морозостойкости (в циклах) : F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F800 и F1000.

Марку по водонепроницаемости назначают для бетона конструкций, которые должны обладать ограниченной проницаемостью при одностороннем давлении воды. Установлены следующие марки по водонепроницаемости (в кгс/см2): W2, W4, W6, W8, W10, W12.W16, W18 и W20.

Часто тяжелый бетон применяют для изготовления конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации агрессивному воздействию окружающей среды. К ним относят бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений, дорожные покрытия. В этих случаях устанавливают дополнительные технические требования и вводят ограничения по составу бетона с учетом условий его работы в конструкциях.

Гидротехнический бетон используют для возведения плотин, шлюзов, набережных, мелиоративных сооружений. К нему предъявляют требования по прочности, плотности, водонепроницаемости, морозостойкости. В зависимости от расположения в гидротехническом сооружении различают бетон наружной и внутренней зон.

Бетон наружной зоны, в свою очередь, подразделяют на подводный (постоянно находящийся в воде), бетон переменного уровня воды и надводный. В наиболее тяжелых условиях служат бетоны переменного уровня воды и надводный. Они многократно замерзают и оттаивают, увлажняются и высыхают, находясь в напряженном состоянии. Чтобы обеспечить надежную работу этих бетонов, устанавливают классы по прочности не ниже В20, марки по морозостойкости в пределах F100... F400, по водонепроницаемости W6...W12.

Для достижения высокого качества бетона наружных зон сооружения используют стойкие цементы (сульфатостойкий портландцемент, цементы с органическими добавками) и высококачественные морозостойкие заполнители.

Подводный бетон подвергается физико-химической коррозии под влиянием воды и растворенных в ней веществ. Для такого бетона целесообразно применять сульфатостойкий либо пуццолановый портландцемент.

Бетонное покрытие дороги работает на изгиб как плита на упругом основании. Поэтому основная характеристика дорожного бетона — прочность на растяжение при изгибе. Прочность, сопротивление истиранию и морозостойкость бетона возрастают с увеличением плотности, поэтому ограничивают верхний предел водоцементного отношения в бетоне

Бетон внутренней зоны массивных сооружений не испытывает непосредственного воздействия среды. С учетом массивности бетонируемой конструкции главное ограничение в таком бетоне — возможно меньшее тепловыделение при твердении, так как возникающий вследствие экзо-термии перепад температур может вызвать растрескивание конструкции. Поэтому для изготовления внутримассивного бетона рекомендуют цементы с умеренным тепловыделением, например шлакопортландцемент или пуццолановый портландцемент. Хорошие результаты дает замена 20...30% цемента тонкодисперсной золой ТЭС, что позволяет снизить расход цемента до 100 кг на 1 м3 бетона.

Классы по прочности такого бетона — В7.5...В10, требования к водонепроницаемости минимальные — W2...W4.

Бетон для однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных покрытий должен обладать высокой морозостойкостью: при эксплуатации в суровом климате — не ниже F200, в умеренном — F150, в мягком — F100. Высокую морозостойкость бетона обеспечивают применением высококачественных материалов, и в первую очередь цемента. Для изготовления дорожного бетона рекомендуется употреблять портландцемент марки 500 и более, в котором содержание трехкальциевого алюмината не превышает 10%, а также гидрофобный и пластифицированный порт-ландцементы без минеральных добавок.

При прочности бетона на сжатие выше 30...40 МПа зерна заполнителя почти не выкрашиваются и истираемость в основном зависит от твердости заполнителя. Поэтому для дорожного бетона применяют твердые заполнители из изверженных горных пород — диорита, гранита, диабаза. Из искусственных заполнителей используют металлургические шлаки, обладающие высокой ударной вязкостью и хорошо сопротивляющиеся износу, а также новый щебневидный материал — дорсил.