Бетон: всё об эксплуатационных характеристиках материала

Бетон – универсальный строительный материал, в состав которого входят цемент, крупные и  мелкие заполнители, а также воды. Бетон реализуется во многих формах: от сухих премиксов,  расфасованных в мешки и пакеты, до  готовых смесей, доставляемых спецтранспортом с бетонного завода.

Бетонные изделия получают заливкой на стройплощадке или доставить туда в виде  сборных железобетонных конструкций. Как конструкционный материал, бетон легко поддаётся разрезке и окраске; он обладает высокой прочностью и огнестойкостью.

Общий обзор видов бетона

Эксплуатационные параметры строительного бетона систематизированно изложены в ГОСТ 25192-2012. Основу классификационных признаков данного материала составляют:

1. Функциональность.
2. Коррозионная стойкость.
3. Вяжущие вещества.
4. Вид применяемых заполнителей.
5. Структура материала в исходном и готовом для употребления виде.
6. Характер отверждения.
7. Прочность и динамика изменения.
8. Плотность: насыпная и после окончательного отвердевания.
9. Стойкость к температурным изменениям.
10. Влагостойкость.
11. Устойчивость от абразивного износа.
12. Прочность при динамических и ударных воздействиях.

К бетонам могут предъявляться и дополнительные требования, которые согласовываются между заказчиком и производителем.

Различают конструкционные и специальные бетоны. Для  специальных бетонов могут назначаться дополнительные характеристики: стойкость в морской воде, подводная заливка (см. рис. 1), получение поверхностного рельефа и пр.

Общим классификационным признаком является оценка коррозионной стойкости бетонов:

• К группе А относят материалы для производства продукции, к которой не предъявляется особых требований. Соответственно действующему евростандарту EN-206-1 такие бетоны работают в среде класса Х0;
• Группу Б представляют материалы, которые могут периодически подвергаться риску карбонизации (среда ХС). Это касается железобетонов: карбонизация (см. рис. 2) ослабляет конструкцию и делает её склонной к коррозии арматуры. Карбонизацию вызывают частота чередования циклов «сухой-влажный», относительная влажность, температура и  концентрация двуокиси углерода в окружающей среде. Некоторые факторы связаны с микроструктурными свойствами бетона –пористостью и наличием в составе химических соединений, которые реагируют с С0₂.
• В группе В находятся бетоны, конструкции из которых подвергаются постоянному воздействию хлоридов (группы XD – среда с повышенной влажностью и XS – морская среда). Условия эксплуатации таких материалов – более жёсткие, поскольку хлоридные соединения химически более активны.
• Группу Г представляют бетоны, работающие в постоянном цикле замораживания и оттаивания (среда XF).
• К группе Д относят специальные бетоны, применяемые для изготовления установок химической промышленности и работающие в агрессивных средах (среда ХА).

Развёрнутая характеристика сред приведена в ГОСТ 31384-2017.

Состав бетона

Традиционные составляющие бетона:

1. Портландцемент— смесь карбонатов извести (известняка, мела или мергеля) и глины, считается единственным подходящим цементом для железобетона, предварительно напряжённого бетона, а также бетона для гидротехнических целей. Иногда для частичной замены цемента используются заменители.
2. Заполнители — песок, щебень или гравий при определённом соотношении фракций. Расчетная смесь заполнителей определяется условиями последующей эксплуатации (например, воздействие замерзания или морской воды) или предполагаемого применения материала (например, бордюры или плиты).
3. Вода,необходимая для химической реакции, в результате которой бетон затвердевает. С увеличением количества добавляемой воды прочность бетона падает, поэтому её используют ровно столько, чтобы обеспечивать удобство укладки. Чем меньше минерализация воды, тем лучше.
4. Добавки, улучшающие некоторые свойства материала.  Они подразделяются на химические и минеральные. Чаще всего используют воздухововлекающие добавки, которые образуют в смеси мелкие пузырьки и значительно улучшают способность бетона выдерживать циклы замораживания/оттаивания. Вторыми по значению считаются добавки, ускоряющие отверждение (например, хлорид кальция) и обеспечивающие более высокие значения конечной прочности бетона. Замедлители, наоборот, характеризуются противоположным эффектом, поэтому используются в жаркую погоду. При пониженных температурах воздуха приобретают значимость противогололедные реагенты.  Их других добавок часто применяются полимеры, позволяющие получать бетон с высокими адгезионными характеристиками и низкой воздухопроницаемостью.

Премиксы, рекомендуемые для конкретного применения, обычно уже включают все компоненты бетона.

Можно ли одновременно использовать несколько разных видов бетонных смесей от различных производителей?

Далеко не во всех случаях! Существует слишком много марок цемента/ вяжущего. Кроме того, смеси могут быть по-разному модифицированы добавками. Пока вы работаете с одной (максимум с двумя) смесями, несовместимость практически никогда не возникает, однако при расширении номенклатуры премиксов некоторые свойства бетона могут изменяться в недопустимо широких пределах.

Вторая проблема — изменение кинематики гидратации, в результате чего классическая формула отверждения бетона по времени нарушается, причём неизвестно в какую сторону (см. рис.4).

Избегайте использования двух разных марок цементов в одной и той же бетонной смеси, хотя это и технически возможно. Причин несколько:

• Соотношение смеси должно постоянно поддерживаться на протяжении всего цикла бетонирования;
• Поставки даже одного и того же бетона от партии к партии имеют небольшие изменения по реакционной способности. Если же рассмотреть эту ситуацию с двумя цементами, то проблема реакционной способности цемента, особенно при использовании химических добавок, резко усложнится;
• Станет невозможным контроль свойств возведённого объекта или конструкции. Особенно, если испытательная лаборатория недоступна, и оперативное тестирование трудноосуществимо.

Таким образом, экспериментировать с разными бетонами можно лишь тогда, когда заявленные производителями скорость и теплота гидратации, а также время схватывания не противоречат друг другу.

Характеристики бетона

Каждая марка бетонной смеси, стандартизированная ГОСТ 7473-2010, описывает её основные свойства, как эксплуатационные, так и физико-механические. К первым относят удобоукладываемость, морозостойкость, водопроницаемость (и водопоглощение), истираемость и усадку, ко вторым – плотность, пористость, прочность и теплопроводность.

Подвижность (удобоукладываемость)

Удобоукладываемость бетона обычно определяется испытанием на осадку, в котором используется коническая форма диаметром 200 мм у основания и 100 мм – в верхней части. Верхняя часть формы высотой 300 мм заливается бетоном. Последующая осадка материала характеризует расстояние, на которое бетон оседает от своей первоначальной высоты. Допустимые диапазоны зависят от дальнейшей обработки бетонной конструкции материала; для шлифованных изделий приемлемым показателем считается съём до 25…100 мм. Просадка, превышающая  170…180 мм, обычно свидетельствует о низкой прочности бетона.

Последовательность тестирования:

1. Все контактные поверхности конической формы очищаются из остатков испытывавшихся ранее материалов и увлажняются.
2. При помощи мерной воронки в форму загружаются (послойно) бетонные смеси разных марок. По ходу заливки материалы уплотняются штыкованием.
3. После заполнения воронки смесями избыток материала удаляется кельмой с поверхности. Продолжительность заливки не должна превышать 3 мин.
4. Конус осторожно снимают, перемещая его строго вертикально.
5. Сверху конуса укладывают гладкий стальной стержень или пластину так, чтобы она перекрывала весь верхний диаметр, после чего определяют смещение оси материала от первоначального значения.

Смесь считается пригодной, если осадка не превышает 10 мм на каждые 90 мм высоты испытуемого конуса.  Для смесей, рассыпающихся в ходе эксперимента, тест прекращают, и все подготовительные этапы проводят заново.

Общий вид испытательной оснастки приведен на рис. 5.

По показателю удобоукладываемости бетоны подразделяются на несколько марок. Марки от Р1 до Р6 дифференцируют отклонение формы нижнего конуса в сравнении с исходной (350…620 мм), марки от  П1 до П5 нормируют осадку конуса (100…200 мм), марки от Ж1 до Ж5  устанавливают жёсткость материала (5…50 с), марки от КУ1 до КУ5 определяют предельное значение коэффициента уплотнения (1,04…1,45 и более).

Морозостойкость

Морозостойкость бетона – способность материала без трещинообразования выдерживать заданное количество циклов «замерзание-оттаивание» — показатель, определяемый по техническим требованиям ГОСТ  10060-2012. Устанавливается  марками F₁ или F₂. К F₁ относят материалы, работоспособность которых зависит от целостности конструкции в условиях её насыщения неминерализованной водой, что характерно для материалов универсального применения. В особых случаях (дорожное покрытие аэродромов, конструкции гидроэлектростанций и пр.) используют тестирование для марок  F₂, когда целостность определяется после насыщения образца водными растворами, содержащими хлориды.

После насыщения образцы замораживаются до -18±2 ⁰С, оттаиваются до комнатной температуре и циклически нагружаются до значений, соответствующих основной марке.

К основному обозначению добавляют цифровой индекс, характеризующий прочность на сжатие в кг/см².  Таким образом, полная марка морозостойкости для бетона универсального применения с пределом прочности на сжатие 40 МПа будет выглядеть как F₁400.

Испытания могут выполняться по обычному или ускоренному методу. Современный способ — неразрушающий контроль с помощью специального оборудования (см. рис. 6).

Влагопроницаемость и водопоглощение

Характеристики связаны с пористостью бетона, а потому часто определяются совместно. При этом водопоглощение позволяет оценить количество влаги в пустотах материала, а влагопроницаемость – интенсивность заполнения пустот.

Методика определения параметров содержится в ГОСТ 12730.5-2018, применяемое лабораторное оборудование представлено на рис. 7. Цилиндрические образцы помещаются в герметизированную камеру и в их поры под давлением нагнетается вода. Показатель интенсивности водопоглощения — объём мокрого пятна  (избыточного количества влаги, которое не усваивается материалом) или коэффициент фильтрации. Менее точной, хотя и более оперативной, считается технология оценки влагопроницаемости и водопоглощения по впитыванию образцом предельного количества воздуха, что оценивается приростом массы образца.

Плотность

Бетон обычной и повышенной плотности оценивают по объёмной, а не насыпной массе материала.  Бетон высокой плотности используется в конструкциях для радиационной защиты сооружений, а также для гидротехнических проектов. Показатель, в зависимости от использованных наполнителей, может изменяться от 350 до 2500 кг/м³. Плотность увеличивают такие компоненты как магнетит, ильменит, барит, феррофосфор и гематит.  Работа с тяжёлым бетоном требует осторожности, чтобы заполнитель не расслоился и не вывел из строя оборудование. Наоборот, воздухововлекающие добавки уменьшают плотность бетона.

Марки бетона по плотности регламентированы ГОСТ 25820-83 (лёгкие бетоны) и ГОСТ 26633-91 (тяжёлые и мелкозернистые бетоны). Для оценки объёмной плотности применяют устройства разрушающего и неразрушающего (см. рис. 8) контроля, которые реализуют условия и правила ГОСТ 12730.1-78.

Истираемость

Истираемость бетона рассматривается в ГОСТ 13087-2018. Это — способность к потере конструкцией массы под действием внешних нагрузок. Пробу выполняют как для кернов/вырубок части изделия, так и специально отформованными образцами. Схема испытания представлена на рис. 9.

Эталонный образец закрепляется в зажимах и подвергается фрикционному воздействию стального индентора. В зависимости от усилия и времени испытаний судят о том, к какому виду бетона можно отнести данный материал. Нормировано три марки истираемости — G1 (низкая), G2 (средняя) и G3 (высокая).

Пористость

Методика оценки и технология испытаний аналогичны тем, что проводятся с целью определения водостойкости и влагопоглощения.

Прочность

Прочность бетона зависит от:

• Качества цемента;
• Механических характеристик заполнителей;
• Равномерности распределения заполнителей по объёму изщделия;
• Количества воды в смеси;
• Метода отверждения.

Нормируемыми показателями по ГОСТ 18105-2018 служат  прочность материала на:

• Сжатие;
• Растяжение в осевом направлении;
• Изгиб с одновременным приложением растягивающих нагрузок.

Тестирование может проводиться с разрушением и без разрушения образца. В первом случае используются лабораторные гидропрессы и испытательные машины (см. рис. 10), во втором – ультразвуковые приборы (см. рис. 11), либо более примитивные устройства типа молотка Кашкарова (см. рис. 12).

Усадка

Показатели усадки бетона при его отверждении определяются соответственно ГОСТ 24544-81.Усадка, понимаемая как необратимое линейное изменение размеров под действием внешних сил, измеряется при помощи гидравлических испытательных машин. Методика аналогична той, что используется для оценки прочности, однако измерения происходят в области упругих деформаций с двумя отверждёнными образцами – исходным и после снятия номинального усилия.

Теплопропроводность

Оценивается по значению температурного коэффициента расширения, характеризующего интенсивность энергии в объёме образца при заданном температурном градиенте. Технология тестирования теплопроводности приведена в ГОСТ 30256-94, а в качестве испытательной техники применяют цилиндрические зонды (см. рис. 13).

Сопоставительный анализ свойств бетона

Выполнен для наиболее употребительных марок: