5.2 Бетон і його властивості

Бетони – штучні кам'яні матеріали, які одержують в результаті твердіння раціонально складеної суміші з в'яжучого, води, крупного і дрібного заповнювача та необхідних додатків. За цим визначенням будівельні розчини можна розглядати як дрібнозернисті бетони, в яких відсутній крупний заповнювач.

За видом в‘яжучої речовини бетони поділяють на цементні, гіпсові, асфальтові, полімерні. Найбільш поширені цементні бетони.

Заповнювачами можуть служити щебінь, гравій, пісок з природних матеріалів (граніт, вапняк, туф, опока) і штучних (керамзит, шлак, перліт, зола). Крупним заповнювачем для бетонів звичайно буває гравій або щебінь з природного каменя або відходів гірничозбагачувальних підприємств і шлаків ТЕЦ. Крупний заповнювач, у залежності від вимог до бетону, вибирають за такими показниками: зерновим складом та найбільшою крупністю, вмістом пилоподібних та глинистих часток, шкідливих домішок, формою зерен, міцністю, петрографічним складом.

В якості дрібного заповнювача для бетонів застосовують природний пісок, пісок з відсівів подрібнення вивержених гірських порід або їх сумішей.

Крім заповнювачів у бетоні часто використовуються додатки, які покращують його властивості та зручноукладальність. Такими додатками можуть бути дисперсні дрібномелені речовини (трепел, доменні шлаки, золи та ін.) і поверхнево-актівні речовини (милонафт).

Широке розповсюдження бетону у будівництві пояснюється можливістю порівняно легко змінювати його властивості (міцність, щільність, теплопровідність, об'ємну вагу) і виготовляти з нього різноманітні за формою і розміром будівельні конструкції.

За величиною середньої густини (_о) бетони розподіляють на:

- особливо важкі , ₀ > 2500 кг/м³ – для фортифікаційних споруджень;

- важкі (звичайні), ₀ = 1800...2500 кг/м³ – для фундаментів, несучих конструкцій каркаса;

- легкі, ₀ = 500...1800 кг/м³ – для зовнішніх стін, конструкцій перекриттів та покриттів;

- особливо легкі (ніздрюваті), ₀ < 500 кг/м³; – для зовнішніх стін, перегородок, покриттів, теплоізоляяціййних виробів.

В залежності від призначення, розрізняють звичайні бетони – для несучих елементів конструкцій (колони, балки, плити), гідротехнічні бетони - для гідротехнічних споруд (греблі, шлюзи), бетони для водопровідно-каналізаційних споруд (труби, резервуари), бетони для стін і легких перекриттів, дорожні бетони (для підлог, дорожніх і аеродромних покриттів); теплоізоляційні бетони (ячеїсті), бетони спеціального призначення (жаростійкі, кислототривкі).

Призначення бетону визначає основні вимоги до нього. Так, для звичайних бетонів найбільш важливо гарантувати призначену міцність на стиск та морозостійкість, для гідротехнічних – водонепроникність, стійкість проти вимивання та вилужування, для стінових та теплоізоляційних – малі теплопровідність та об'ємну вагу, для спеціальних – вогнестійкість, хімічну стійкість та ін.

Усі загальні та спеціальні властивості бетону забезпечує його склад – раціональне співвідношення компонентів, яке забезпечує одержання суміші з необхідними показниками якості при мінімальних матеріальних і енергетичних витратах. Він встановлюється за розрахунком. При підборі складу бетону враховують середню густину, пористість, водопоглинення заповнювачів.

При змішуванні розрахованих компонентів бетону у залежності від призначення утворюється речовина за консистенцією від рідкої сметаноподібної до густої тістоподібної і, навіть, жорсткої ледь вологої. Цю речовину називають бетонною сумішшю. Бетонна суміш займає проміжне положення між рідинами і твердими тілами. До певної напруги вона має пружність і міцність структури як тверде тіло, а коли міцність структури переборена, система уподібнюється до в’язкої рідини.

Так само, як і будівельні розчини, бетонні суміші характеризуються зручноукладальністю – здатністю заповнювати задану форму і утворювати щільну однорідну масу. Для оцінки зручноукладальності бетонної суміші використовують три показники: рухливість, жорсткість і зв‘язність.

Рухливість визначається за осіданням стандартного конусу. Різниця висот (в сантиметрах) конусної металевої форми і бетонної суміші, що була сформована у цьому конусі та осіла, характеризує рухливість суміші і зветься осадкою конусу (ОК). За цим показником зручноукладальність маркується літерою "П" і умовною цифрою.

Жорсткість визначається часом віброущільнення бетонної суміші (в секундах) у спеціальному приборі і зветься показником жорсткості бетонної суміші (маркується літерою "Ж"). В залежності від зручноукладальності бетонні суміші поділяють на марки (див. табл. 5.1).

Таблиця 5.1 – Класифікація бетонних сумішей

Марка зручноукла-дальності за жорсткістю	Норма зручноукладальності за показником		Марка зручноукла-дальності за рухливістю	Норма зручноукладальності за показником
	жорсткості, с	рухливості, см		жорсткості, с	рухливості, см
Ж4	31 і більше	-	П1	1...4	4 і менше
Ж3	21...30	-	П2	-	5...9
Ж2	11...20	-	П3	-	10...15
Ж1	5...10	-	П4	-	16 і більше

Зв'язність визначають за водоокремленням бетонної суміші після відстоювання. У процесі транспортування, укладки і ущільнення бетонної суміші не повинно мати місце її розшарування.

Приготування бетонної суміші включає операції дозування і змішування складових матеріалів. Для змішування компонентів використовують змішувачі безперервної або періодичної дії (рис. 5.2).

Час змішування сумішей об‘ємом 500 л у гравітаційних змішувачах складає від 60 до 90 сек, у залежності від рухомості сумішей.

Бетонна суміш, покладена у форму (опалубку), завдяки взаємодії цементу з водою самовільно твердіє, створюючи каменеподібне тіло – бетон. Бетонні суміші, укладені у форми, ущільнюють вібруванням, термін якого залежить від інтенсивності застосованого ущільнення і зручноукладальності суміші.

Основною характеристикою бетону як конструкційного матеріалу є його міцність (яка, в основному, залежить від якості застосованих мінеральних матеріалів) і пористість бетону. Визначають міцність бетону за емпірічною формулою (5.1).

На рис. 5.3 показано, що за однакової якості мінеральних матеріалів міцність бетону прямо пропорційна до активності цементу. Вид і марку цементу вибирають у відповідності до призначення та умов експлуатації, прийнятої технології виготовлення. Марка цементу повинна бути вище заданої марки бетону.

Найважливішими факторами, що впливають на набування міцності бетоном, є тривалість твердіння і температурно-вологісні умови. Нормативну міцність бетон набирає через 28 діб твердіння у нормальних умовах.

Прискорити процес твердіння бетону можна за допомогою теплової обробки, яка полягає у підвищенні температури бетону при обов‘язковому його зволоженні. Теплоносієм вибирають водяну пару або пароповітряну суміш з температурою 60...90 ^оС. На рис. 5.4 показана кінетика зростання міцності бетону, який твердіє у різних умовах.

Основними показниками фізичних властивостей бетонів є середня густина, пористість, водонепроникність, морозостійкість. Механічні властивості бетону характеризуються показниками міцності на стиск і розтягнення. Найбільш простим і надійним способом оцінки міцності бетону в конструкціях є руйнування на пресі зразків, виготовлених у тих же умовах, що й самі конструкції.

При оцінці міцності на стиск за стандартні лабораторні зразки приймають куби розміром 150150150 мм (а також куби з ребром 70, 100 або 200 мм), міцність яких випробовують при температурі 20 ^оС через 28 діб твердіння в нормальних умовах. Границя міцності при стиску таких стандартних кубів визначає марку бетону. У визначенні марки використовують літеру "М" та число, що дорівнює границі міцності у кг/см².

Для важкого бетону, який найбільш розповсюджений у виробництві збірного і монолітного залізобетону, встановлені такі марки: М50, М75, М100, М150, М200, М250, М300, М350, М400, М450, М500, М550, М600, М700, М800.

При оцінці міцності на осьове розтягнення та вигин за стандартні лабораторні зразки приймають призми розміром 150150600 мм, міцність яких випробовують при температурі 20^оС через 28 діб твердіння в нормальних умовах. У визначенні марки за міцністю на розтягнення використовують літери "Р_t". Наприклад, для важкого бетону встановлені марки за міцністю на розтягнення: Р_t5, Р_t10, Р_t15, Р_t20, Р_t25, Р_t30, Р_t35, Р_t40, Р_t45, Р_t50.

Технологія виробництва бетонів у значній мірі випадковий процес, тому показники міцності бетону мають статистичний розкид або статистичну неоднорідність. Тому було введено поняття "клас міцності бетону" – середньостатистичне значення тимчасового опору еталонних зразків (куб 150150150 мм), виготовлених і випробуваних за стандартною методикою. Клас бетону пов‘язаний з маркою (середньою міцністю бетону) таким співвідношенням:

В = R_ср(1 + t) ,

де В – клас міцності бетону, МПа;

R_ср – середня міцність бетону, МПа;

t – коефіцієнт прийнятої забезпеченості класу бетону;

 – коефіцієнт варіації міцності бетону,  = 13.5 %.

На практиці користуються менш складною формулою: В = 0.778R_ср.

Відповідно до ДСТУ Б В.2.7-43-96 встановлені класи бетону, де цифрами визначені величини міцності у мегаПаскалях або в інших одиницях:

– за міцністю на стиск: B 3.5, B5, B7.5, B10, В12.5, В15, В20, В25...B80.

– за міцністю на розтяг: B_t0.4, B_t0.8, B_t1.2, B_t1.6, B_t2, B_t2.4, B_t2.8, B_t3.2, B_t4.

– за міцністю на вигин: B_tb0.4... B_tb8.

– за вологонепроникністю: W2, ... W20.

– за морозостійкістю: F50, F75, F100, F150, F200, F1000.

Границя міцності на осьове розтягнення для важких бетонів у 8...20 разів менше за міцність при стиску. Співвідношення цих величин R_ст/R_р може служити показником якості (або дефектності) структури бетону.