Схема испытаний бетона

Что такое прочность бетона?

В строительстве и архитектуре бетон за свою долговечность и надёжность справедливо считают одним из наиболее универсальных материалов. Но по своей структуре он неоднороден, поэтому целесообразность его применения определяется многими показателями, главным из которых считается прочность. Именно прочностью предопределяется выбор той или иной марки при производстве разнообразных элементов и конструкций.

прочность бетона

Прочность бетона

Материал разрушается вследствие приложенных к конструкции или детали напряжений растяжения, напряжением сдвига или напряжением сжатия, а также комбинацией любых двух из вышеуказанных напряжений. Бетон, будучи хрупким материалом, гораздо слабее проявляет себя при растяжении и сдвиге, чем при сжатии, поэтому разрушение под нагрузками сжатия, по существу, вследствие сдвига смежных наклонных плоскостей. Поскольку сопротивление разрушению обусловлено как сцеплением, так и внутренним трением, угол разрыва не равен 45° (плоскость максимального напряжения сдвига), а является функцией угла внутреннего трения, который примерно равен 200.

Контрольный угол разрыва может отклоняться от теоретического значения из-за сложного напряжённого состояния, вызванного конечными условиями сжатия образцов. Это отклонение является результатом сдерживания бокового расширения под нагрузкой, вызванной трением опорных плит.

Когда поперечное расширение на торцевых опорных поверхностях не ограничено, образец может разделиться на столбчатые фрагменты (см. рис. 1) , при этом разрушение происходит из-за зависимости сдвига от расщепления.

 

Типы прочности

Для всех видов отечественных бетонов с нормируемыми механическими характеристиками действующие ГОСТ 10180-2012 и ГОСТ 18105-2018 устанавливают следующие условия прочности:

  1. По сжатию (В).
  2. По осевому растяжению (В1).
  3. По изгибу (Вtb).

При этом разделяют показатели нормируемой Внорм и фактической Вф прочности, измеряемые в МПа (Н/мм2).

типы прочности
Рисунок 1 – внешний вид столбчатых фрагментов

Определение прочности бетона на сжатие производится путём нарушения целостности подготовленных образцов, которое выполняется на специальном лабораторном оборудовании. С возрастанием значений допустимой прочности материал становится более долговечным, но и более дорогим.

Наилучшее значение В принимается в следующих пределах:

  • для изделий и оснований, устанавливаемых на грунт (см. рис. 2) — обычно 25…30 МПа;
  • относительно подвесных плит и балок, применяющиеся в конструкциях мостов или в других пролётных системах (см. рис.3) — от 28 до 35,5 МПа;
  • для обустройства стеновых конструкций или колонн — от 30 …35 МПа;
  • для тротуарного материала — не ниже 28…32 МПа.

Для конструкций, которые эксплуатируются зимой или в более холодном, чем обычно, климате (см. рис. 4) необходимы более высоких значения данного параметра, поскольку должны проявлять стойкость к значительному количеству циклов F замораживания/оттаивания – от 25 до 900и более. Прочность бетона на сжатие взаимосвязана с показателем морозостойкости.

Что такое прочность бетона?
Железобетонные кольца, монтируемые на подготовленный грунт

Прочность бетона

Определение прочности бетона на сжатие производится путём нарушения целостности подготовленных образцов, которое выполняется на специальном лабораторном оборудовании. С возрастанием значений допустимой прочности материал становится более долговечным, но и более дорогим.

Наилучшее значение В принимается в следующих пределах:

  • для изделий и оснований, устанавливаемых на грунт (см. рис. 2) — обычно 25…30 МПа;
  • относительно подвесных плит и балок, применяющиеся в конструкциях мостов или в других пролётных системах (см. рис.3) — от 28 до 35,5 МПа;
  • для обустройства стеновых конструкций или колонн — от 30 …35 МПа;
  • для тротуарного материала — не ниже 28…32 МПа.

Для конструкций, которые эксплуатируются зимой или в более холодном, чем обычно, климате (см. рис. 4) необходимы более высоких значения данного параметра, поскольку должны проявлять стойкость к значительному количеству циклов F замораживания/оттаивания – от 25 до 900и более.

Прочность бетона на сжатие взаимосвязана с показателем морозостойкости.

Для того, чтобы выявить первичное увеличение внешней силы, нужно отбирать образцы через 7 суток, а затем — вновь через 28 суток. В некоторых случаях инспекцию качества выполняют даже через три-четыре дня.

заливка бетона зимой
Процесс укладки материала в зимнее время, при отрицательной температуре воздуха

 

Как определяется прочность бетона на растяжение

Прочность на растяжение — это свойство материала успешно противостоять процессам разрушения или трещинообразования, которые проявляются в образце с приложением к нему постоянно увеличивающихся растягивающих усилий. Этот показатель  определяет наличие и частоту появления трещин в строительных конструкциях.

Обычный бетон характеризуется более низкими значениями прочности на растяжение (если сравнивать с прочностью на сжатие). Для оценки данного параметра используются косвенные, а не прямые методы, отличающиеся лучшей воспроизводимостью. Чаще всего реализуют технологию скалывания бетонных цилиндров (см. рис.5), что соответствует рекомендациям  и нормам ГОСТ 25870-2019.

Как определяется прочность бетона на изгиб

Показатель используется в качестве косвенной меры качества материала. Он определяется как степень склонности обычной бетонной плиты или балки к разрушению в результате изгибающих напряжений.  Прочность бетона на изгиб, в зависимости от вида смеси,  невысока, и превосходит 15…20 процентов от соответствующего показателя на сжатие,.

Методика проведения испытаний представлена в ГОСТ 10180-2012. Показателем качества является фактическое значение предела прочности на разрыв по наружной поверхности нагружаемого образца (см. рис.6).

Испытания на изгиб очень чувствительны к процессу подготовки образцов. В частности, тестирование ведут, используя только влажные изделия.

 

От чего зависит прочность бетона

Как и для любой гетерогенной структуры, свойства данного материала не являются постоянными, наибольшее влияние на них оказывает время и температура отвердевания, меньшим считается влияние химического состава компонентов смеси.

испытания прочности бетона
Общая схема инструмента для испытания цилиндрического на растяжение

Фактор времени

Прочность увеличивается за счет гидратации цемента. Как известно, разные виды цемента гидратируются с разной скоростью. Таким образом, набор прочности бетона со временем продолжается (см. рис. 7).

Ранее считалось, что после 28 суток скорость гидратации незначительна, но недавние исследования показали, что этот процесс сохраняется до 1 года: прочность через 1 год оказывается на 20…25% выше, чем аналогичный показатель через 1 месяц.

Фактор температуры

Прогрев (применяется электропрогрев) ускоряет химическую реакцию гидратации, поэтому также влияет на прочность бетона. По современным данным, набор бетоном прочности зависит и от времени, и от температуры, что подтверждается данными таблицы (см. рис. 8).

Состав и эксплуатационные характеристики бетона

На набор прочности бетона значительное влияние оказывает тип цемента, точнее, его химический состав  и тонкость помола (см. рис. 9). Наличие компонентов, содержащих углерод и серу, определяет развитие прочности до 28 дней, в то время, как сероуглерод C2S ответственен за интенсивность процесса и после указанного периода.

Схема испытаний бетона
Рисунок 6 – схема испытаний

В хорошо обожжённом цементном клинкере общее содержимое углерода и серы находится в пределах 44…46 %, а C2S  — 25 %. Следовательно, суммарное количество  этих компонентов может составлять от 70 до 80%. Чем мельче цемент, тем быстрее и больше нарастает прочность.

Наличие щелочей в цементе также важно. Чем больше количество присутствующих щелочей, тем ниже прирост прочности.  Влияние основных характеристик заполнителя проявляется в следующем:

  1. Форма и текстура частиц. Щебень с шероховатой поверхностью и угловатыми частицами приобретает прочность, которая примерно на 15% больше, чем у природного гравия с гладкой поверхностью. Причиной этого, при прочих равных условиях, является лучшая связь между заполнителем и цементной массой.
  2. Размер частиц. Установлено, что для конструкционных марок а максимальный размер заполнителя до 38…40 мм обеспечивает наибольшую прочность, после чего данный показатель начинает уменьшаться. Это может быть связано с тем, что чем больше размер заполнителя, тем меньше площадь смачиваемой поверхности в расчёте на единицу веса заполнителя. Если размер частиц заполнителя более 40 мм, прирост воды/цемента компенсируется эффектом меньшей площади сцепления между заполнителем и цементным тестом.
  3. Однородность фракций заполнителя. Хорошо отсортированный заполнитель будет производить материал повышенной плотности, что приведёт к возрастанию прочностных показателей. Влияние типа заполнителя на прочность варьируется по величине и зависит от водоцементного отношения смеси. Установлено, что при соотношении вода/цемент менее 0,4 использование дроблёного заполнителя дает более высокую прочность (примерно на 35…40%), чем при использовании обычного природного гравия.

Влажность

Бетон, как известно, получается вследствие соединения цемента с водой и необходимыми заполнителями — песком, гравием, цветообразующими добавками – в присутствии воздуха.

Смесь с избытком цемента положительно отличается лёгкостью заливки, но далее будет легко растрескиваться, поэтому долговечность готовой конструкции будет малой. Соответственно, чрезмерная вязкость теста приведёт к образованию некачественного бетона, с наличием большого количества пор.

Чем дольше материал будет оставаться влажным, тем прочнее он станет, однако недопустимо производить отверждение бетона при очень низких или, наоборот, при повышенных температурах.

график
Рисунок 7 – график набора прочности бетона от времени (сроки тестирования в сутках указаны красным цветом)
Что такое прочность бетона?
Рисунок 8 – таблица совместного влияния времени и температуры

 

Соотношение «Вода-Цемент»

Со снижением этого показателя прочность бетона повышается, но работать с таким материалом становится труднее, особенно, если укладка производится в полевых условиях.

 

Обработка при укладке

Подготовка бетона
Рисунок 9 – подготовка бетонной смеси

Для наилучшей удобоукладываемости чем выше содержание цемента, тем меньше требуется воды. Это способствует повышению прочностных характеристик материала. Равномерность смешивания является существенным лишь до определенного соотношения вода/цемент, далее значительного прироста прочности не наблюдается.

Наилучшее качество смешивания обеспечивают мобильные миксеры (см. рис. 10).

Бетонный миксер
Рисунок 10 – миксер для смешивания бетона, агрегатированный с колёсным погрузчиком

Для обеспечения прочности важно придерживаться оптимального времени смешивания. В то время как прочность имеет тенденцию увеличиваться с ростом времени перемешивания (до определённого момента), слишком длительное перемешивание может привести к избыточному испарению воды и образованию мелких частиц в смеси. Это приводит к тому, что с бетоном труднее работать, и он становится менее качественным.

Определяющего правила для оптимального времени перемешивания не существует, так как оно зависит от многих факторов, таких как тип используемого миксера, скорость вращения его лопастей, а также состава конкретных компонентов и материалов в данной партии бетона.

Армирование

Армирование – введение в бетонную массу стальной закладной арматуры (см. рис.11) — увеличивает стойкость связи между отдельными фрагментами бетонного изделия. Её можно определить как сопротивление скольжению стальных арматурных стержней, залитых в бетон. Это сопротивление обеспечивается трением и сцеплением между бетоном и сталью, а также трением между бетоном и выступами на поверхности катанки. На это также влияет усадка бетона по отношению к стали.

Связь в ходе армирования повышает не только свойства бетона, но и механические показатели стали. Сцепление до значений 18…22 МПа возрастает примерно пропорционально прочности бетона на сжатие. Для более высокостойких бетонов влияние зависимости качества сцепления от интенсивности армирования постепенно уменьшается.

армирование бетона
Рисунок 11 — внешний вид армируемой бетонной поверхности

На начальных стадиях разрушения (проскальзывания) сила связи зависит от величины и равномерности поперечного давления, которое существует (или может возникнуть) между сталью и окружающим бетоном. Сила сцепления зависит в основном от типа цемента, добавок и водоцементного соотношения и практически не связана с ростом объёма воздуха, содержащегося в бетонной смеси.

Интенсивность армирования увеличивается с замедлением частоты вибраций при уплотнении материала и уменьшается с ростом температуры. Так, при температуре от 200°C до 300°C прочность сцепления составляет всего 50% от прочности сцепления при комнатной температуре.

Прочность сцепления снижается при чередовании процедур смачивания и высыхания, замораживания и оттаивания. Её величину обычно определяют испытанием на отрыв. Эффективность армирования  возрастает,  если в составе цемента присутствует увеличенное количество C2S.

Как определяется прочность бетона

Выбор метода определяется требованиями точности и условиями его применения – в специализированной лаборатории или непосредственно на стройплощадке.

Лабораторные методы

Тестирование в лабораторных условиях предполагает применение технологий как разрушающего, так и неразрушающего контроля. Первые описаны выше и включают испытание на изгиб, разрыв и растяжение бетонных образцов, имеющих форму балочек прямоугольного поперечного сечения или цилиндров, сплошных либо полых. Для повышения точности результатов испытаний каждое из них должно быть проведено минимум трижды, в обработку поступает средний  результат измерений.

Более современными считаются неразрушающие методы, среди которых:

  1. Ударный/упругий. Соответствующее оборудование состоит из пистолета с пороховым или пневматическим приводом, зондов из закалённого сплава, заряженных картриджей и глубиномера. Зонд вбивается в бетон с помощью прецизионного порохового заряда. Глубина проникновения формулой связывается с показателем прочности бетона на сжатие. Прибор предварительно калибруется для типа бетона и используемого заполнителя.
  2. Извлечение. Метод состоит в измерении (с помощью специального домкрата) усилия, необходимого для вытягивания из бетона стального стержня особой формы, увеличенный конец которого погружён в бетон на определённую глубину. Сила, необходимая для отрыва, связывается с показателями прочности на сжатие.
  3. Динамическое испытание по методу ультразвукового импульса, при котором измеряется время прохождения ультразвука через бетон. Устройство состоит из генератора и приемника импульсов. Импульсы генерируются ударно-возбуждающими пьезоэлектрическими кристаллами, аналогичные кристаллы используются и в приёмнике. Испытания можно проводить как на лабораторных образцах, так и на готовых бетонных конструкциях.
  4. Испытание на радиоактивность. Гамма-радиографию можно использовать не только для определения прочности, но и для обнаружения расположения арматуры и измерения плотности бетонных элементов конструкций.

Результаты методов неразрушающего контроля удобно представлять в виде трёхмерных компьютерных моделей (см. рис.12), которые позволяют наглядно визуализировать распределение прочности по объёму образца или готового изделия.

оценка прочности бетонных изделий
Рисунок 11 – применение основных неразрушающих методов оценки прочности бетонных изделий
бетонная призма (балочка)
Рисунок 12 – бетонная балочка с распределением напряжений изгиба после компьютерного 3D-моделирования

Оценка прочности в полевых и домашних условиях

Используется так называемый молоток отскока Кашкарова (за рубежом более употребительно название склерометр Шмидта). Молоток Кашкарова (см. рис. 13) состоит из управляемой пружиной ударной массы, которая скользит по поршню внутри трубчатого корпуса. Инструмент прижимается к поверхности бетона, а расстояние отскока определяется по шкале и служит мерой твёрдости, а, следовательно, и прочности бетона на сжатие (см. рис. 14).

рабочий комплект молотка Кашкарова
Рисунок 13 – рабочий комплект молотка Кашкарова по ГОСТ 22690-88

Тестовая поверхность может быть горизонтальной, вертикальной или расположенной   под любым углом, но прибор перед применением нуждается в обязательной калибровке. Калибровку можно выполнить с помощью полых цилиндров 15 на 30 см, с той же маркой цемента и заполнителя, которые будут использоваться при тестировании. Цилиндры закрывают крышками и прочно фиксируют в корпусе. Снимается несколько показаний, хорошо распределённых и воспроизводимых, а среднее значение каждого из которых и является тем самым числом отскока.

применение молотка Кашкарова
Рисунок 14 – применение молотка Кашкарова

Классификация марок бетонов по прочности

Класс бетона и его марку по прочности см. таблицу. Приведены данные  ГОСТ 26633-91:

КлассВ3,5В7,5В12,5В15В20В25В30В45
Прочность на сжатие, МПа4698163196262327393590
МаркаМ50М100М150М200М250 или М300М350М400М600

 

Используя эту информацию, можно производить выбор наилучшей марки бетона, соответствующей заданным требованиям СНиП 2.01.07-85.