Прочность бетона

    Бетон относится к материалам, которые хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже – срезу и еще хуже – растяжению (до 50 раз по сравнению с сжатием), поэтому строительные конструкции проектируют таким образом, чтобы бетон в них воспринимал сжимающие нагрузки. При необходимости восприятия растягивающих усилий конструкции армируют. Однако имеются отдельные типы конструкций (дорожные покрытия, тротуарная плитка и др.), в которых бетон должен воспринимать напряжения растяжения при изгибе, что учитывается при проектировании бетона.

    Прочность бетона определяется главным образом структурой и свойствами цементного камня, который скрепляет зерна заполнителя в монолит. Структура и свойства цементного камня зависят от его минералогического состава, водоцементного отношения, тонкости помола цемента, его возраста, условий приготовления и твердения, и введенных добавок. Путем применения тех или иных технологических приемов, например, виброперемешивания или введения добавок, можно значительно изменить прочность бетона (в 1,5…2раза). Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя, а также от его состава. Прочность бетонов, приготовленных на цементе одинакового количества, при одном и том же водоцементном отношении, но на разных заполнителях может отличаться в 1,5…2 раза.

    На прочность бетона влияет много факторов, даже образцы одного замеса, твердевшие в одинаковых условиях и испытанные на одном прессе, показывают различные значения. Поэтому ГОСТом 18105 “Бетоны, правила контроля прочности” для учета разброса прочности бетона введен термин “требуемая прочность бетона”.

    Требуемая прочность бетона – это минимально достигнутое значение фактической прочности бетона в партии, устанавливаемое лабораториями предприятий и строек в соответствии с достигнутой ее однородностью. Однородность прочности бетона характеризуется коэффициентом вариации прочности бетона.

    Требуемую прочность бетона (отпускную, передаточную, в промежуточном или проектном возрастах) при нормировании прочности по классам (Rт),МПа, вычисляют по формуле:

Rт = Кт * В норм.,     где

В норм. – нормируемое значение прочности бетона (отпускной, передаточной, в про-

                 межуточном или проектном возрасте) для бетона данного класса по проч –

                 ности на сжатие, осевое растяжение или растяжении при изгибе, МПа;

Кт         -  коэффициент требуемой прочности для всех видов бетонов, принимаемый в   

                 соответствии с таблицей 2 (см. ГОСТ  18105) в зависимости от среднего

                 коэффициента вариации прочности бетона Vп по всем партиям за анализи-       

                 руемый период.

    Средний коэффициент вариации прочности бетона Vп для всех видов бетонов, за исключением плотных силикатных, ячеистых и для массивных гидротехнических сооружений, изменяется в интервале от 6 до 16% . В зависимости от него коэффициент требуемой прочности изменяется в пределах 1, 07…1,43.

    Требуемую прочность бетона (отпускную, передаточную, в промежуточном или проектном возрасте) при нормировании прочности по маркам (Rт)  МПа, вычисляют по формуле:

Rт = R норм. * Кт / 100, где

  R норм. – нормируемое значение прочности бетона (отпускной, передаточной, в

                   промежуточном или проектном возрасте) для бетона данной марки по 

                   прочности на сжатие, осевое растяжение или растяжение при изгибе, МПа;

 Кт         -  коэффициент требуемой прочности в %, принимаемый по таблице (см.

                  ГОСТ  18105) в зависимости от среднего партионного  коэффициента

                  вариации прочности бетона Vп за анализируемый период.

    При изменении коэффициента вариации прочности бетона Vп от 6 до 16% коэффициент требуемой прочности изменяется от 83 до 112%.

    Под маркой бетона понимается одно из нормированных значений унифицированного ряда данного показателя  качества бетона, принимаемого по его среднему значению. Средний уровень бетона определяется по формуле:

Rу = Rт * Кмп,   где

  Rт      – требуемая прочность бетона;

  Кмп  -   коэффициент, зависящий от коэффициента вариации бетонаVп, принимается

               по таблице:

Обычно марка тяжелого бетона определяется пределом прочности (в кг/см2)при сжатии стандартных бетонных кубов 15*15*15 см, изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормальных условиях (температура 15…20 С, относительная влажность 90..100%). Установлены следующие марки: М50, М75, М100…далее через50, М500, М600…далее через 100. Для легких бетонов установлены марки: М25, М35, М50, М75, М100…далее через 50…М400. При использовании быстротвердеющих цементов или различных способов ускорения твердения бетона, например, пропаривание, прочность его определяют в более короткий срок (1,3 и 7 сут.). Наоборот, бетоны на медленнотвердеющих цементах могут иметь расчетные сроки твердения, превышающие 28 суток (60,90 и 180 сут.). Увеличение расчетного срока твердения бетона ведет к экономии цемента. Усредненные данные нарастания прочности бетона с течением времени приведены в таблице:

Под классом бетона понимают одно из нормируемых значений унифицированного ряда данного показателя качества бетона, принимаемого с гарантированной обеспеченностью (0,95). Нормируются следующие классы бетона: В1, В1, 5, В2,В2, 5, В3, 5, В5, В7, 5, В10, 12, 5, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В55, В60. Числовое значение обозначает прочность в МПа. Для перехода от класса бетона к марке бетона (при нормируемом коэффициенте вариации 13,5%) используют формулу:

R ср = В / 0,778  (МПа),     где

    В – класс бетона в МПа.

    Прочность бетона главным образом зависит от активности (прочности) цемента и водоцементного отношения. Под водоцементным отношением (В/Ц) понимают отношение массы воды к массе цемента в свежеизготовленной бетонной смеси, при чем учитывается только свободная, не поглощенная заполнителем вода. Прочность бетона повышается с увеличением прочности цемента (Rц) или уменьшением В/Ц и имеет следующую зависимость:

R_б ~ R_ц /(В/Ц)^1/2

    Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры бетона. В процессе гидратации цемента (реакции с водой), цемент присоединяет всего 15…25% воды от своей массы. Для придания бетонной смеси пластичности в бетон добавляют значительно больше воды, чем необходимо (40…70% от массы цемента). Избыточная вода, не вступившая в химическую реакцию с цементом, остается в бетоне в виде водяных пор и капилляров или испаряется, оставляя воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор и чем больше В/Ц, тем больше пор и тем самым меньше прочность бетона. 

    Для тяжелых бетонов, применяемых в строительстве дорог, изготовлении тротуарных плит и т. п., устанавливают марки или классы бетона по прочности на растяжение при изгибе. Прочность бетона на изгиб в несколько раз меньше его прочности на сжатие. Марки бетона на растяжение при изгибе: М5, М10…далее через 5 до М50. Прочность бетона на изгиб зависит от тех же факторов, что и прочность бетона на сжатие. Однако с увеличением возраста бетона его прочность на изгиб и растяжение возрастает более медленно, чем прочность на сжатие, что учитывается на отпускной прочности изделий.