Высокопрочный бетон

Под прочным бетоном понимается затвердевший бетон. Он должен соответствовать заранее установленным требованиям для данной конструкции (рис. 1).

Рис. 1. Примеры применения бетона

Свойства

Бетон имеет задачу нести нагрузку Поэтому требуется соответствующая нагрузке прочность на сжатие. Если бетон при изгибе работает на растяжение, он получает трещины или разрушается. Изменение формы под нагрузкой называют ползучестью, изменение формы на основе уменьшения объема бетона во время процесса гидратации называют усадкой.

Чтобы улучшить сопротивление трещинообразованию из-за изменения формы бетона, можно применять волокнистый бетон.

Здесь речь идет о бетоне, у которого кроме заполнителя подмешиваются волокна различных материалов. В качестве таких материалов применяют стальные волокна, волокна из стекловолокна, синтетические волокна или углеродистые волокна. Эти волокна не могут заменить арматуры, однако они снижают трещинообразование и повышают прочность бетона на растяжение.

Структура бетона должна быть такой плотной, чтобы была обеспечена защита от коррозии. При применении бетона для наружных деталей требуется морозостойкость бетона. При хорошем уплотнении содержание пор в теле бетона достаточно мало, однако водонепроницаемость целенаправленно может быть обеспечена только, например, за счет применения добавок и присадок, а также за счет выбора заполнителя соответствующего гранулометрического состава.

Из-за своей высокой плотности бетон имеет плохую теплоизолирующую способность, однако это же свойство придает ему высокую звукоизолирующую способность от воздушного шума. Однако его жесткая структура является причиной недостаточной звукоизоляции бетонных конструкций от корпусного шума и ударного шума по междуэтажным перекрытиям в жилищном строительстве.

Прочность на сжатие является важнейшим свойством бетона. Она зависит от прочности цемента, водоцементного отношения и гранулометрического состава заполнителя. Бетон с грубозернистым заполнителем имеет меньшую поверхность соприкосновения зерен, и в нем возникает больше пустот (поры насыпи), чем в бетоне с разноразмерным заполнителем. Эти поры должны заполняться цементным клеем. Поэтому следует стремиться к гранулометрическому составу заполнителя согласно регулярной ситовой линии области 3, так как тогда при наибольшем возможном количестве точек соприкосновения зерен заполнителя получается мало воздушных пор.

Твердение начинается через 12 часов после смешивания бетона. Через 3 дня он имеет, например, при применении цемента СЕМ 32,5 R и наружной температуре +20 °С от 50 до 60% своей прочности. После 7 дней его прочность составляет от 65 до 80%, и через 28 дней бетон достигает своей минимальной прочности на сжатие. Дальнейшее нарастание прочности возможно. Она, однако, не учитывается при расчете бетонных конструкций на допустимые нагрузки.

Бетоны с особыми свойствами

Если к конструкциям предъявляются особые требования, как, например, водонепроницаемость или сопротивление воздействию химических материалов или сильным механическим воздействиям, применяют бетон классов экспозиции XD, XF, ХА или ХМ (рис. 2).

Рис. 2. Применение бетона с особыми свойствами

Водонепроницаемый бетон (WU-бетон) для конструкций толщиной около 10 см до 40 см должен быть таким плотным, чтобы глубина проникновения воды в него не превышала 0,6, а при более толстых конструкциях — 0,7 толщины.

Бетон с высокой морозостойкостью применяется, если он во влажном состоянии подвергается резким колебаниям замораживания и оттаивания. Если конструкции подвергаются воздействию еще и солей для оттаивания, то применяют бетон с высокой морозостойкостью и сопротивлением действию оттаивающих солей. В обоих случаях водонепроницаемость бетона необходима. Заполнитель должен обладать высокой морозостойкостью (eF). Водоцементное отношение не должно превышать граничных значений, установленных нормами. Иногда требуется ограниченное применение порообразуюших добавок. Для бетона, подверженного агрессивному воздействию мороза и солей оттаивания, как, например, дорожное полотно и перекрытия парковок, следует применять виды цемента СЕМ I, СЕМ II класса прочности 32,5 N или СЕМ III класса прочности 42,5 N.

Бетон с высокой сопротивляемостью химической агрессии устанавливается по плотности и по отношению w/z бетона. При сильных воздействиях SO₄ на конструкции, например за счет дымовых газов, загрязненных вредными веществами почвы и промышленных сточных вод, требуется применение цемента с высоким сопротивлением воздействию сульфатов.

Высокотемпературный бетон до 250 °С приготавливается с использованием заполнителя, имеющего по возможности малый коэффициент температурного расширения, например известняка. За бетоном следует в два раза дольше осуществлять последующий уход, чем это требуется при самых невыгодных условиях. Перед первым нагреванием бетон должен просохнуть.

Для предотвращения трещин первое нагревание должно происходить медленно.

Бетон с высокой сопротивляемостью истиранию должен выдерживать особо высокие механические воздействия, например от сильного транспортного движения, падающего насыпного материала, от быстро текущей и содержащей твердые вещества воды, а также от частых ударов при перемещении тяжелых предметов (рис. 3).

Рис. 3. Полы на складах из износостойкого бетона

Зерна заполнителя диаметром до 4 мм должны быть преимущественно из кварца или из материалов по меньшей мере такой же твердости. Для более грубых зерен следует применять каменную породу или искусственно приготовленные материалы с высоким сопротивлением истиранию (износостойкостью). При особо высоких нагрузках подходят такие твердые материалы, как металлические шлаки или металлическая стружка. Для любого заполнителя требованием является наличие равномерно шероховатой поверхности и жатой формы зерен. Каменный заполнитель должен быть по возможности грубозернистым и по ситовой линии лежать вблизи ситовой линии А или при гранулометрическом составе с выбросами — вблизи ситовых линий В или U. Уход за бетоном после укладки должен производиться в два раза дольше обычного.

Классификация набравшего прочность бетона

Наряду с классификацией бетона по плотности и консистенции бетон подразделяется по прочности на сжатие (на классы прочности на сжатие) и по условиям окружающей среды (классы экспозиции).

Классы бетона по прочности на сжатие

Требуемая минимальная прочность на сжатие зависит от требований к бетону и к конструкциям из него. В DIN EN 206 бетон обозначается сокращенно С (Concrete) и бетоны подразделяются на классы прочности (табл. 1). Присвоение бетону того или иного класса прочности производится по результатам испытаний прочности затвердевших образцов после выдержки в течение 28 дней. По DIN 1045 прочность на сжатие проверяется на образцах в виде кубиков с длиной стороны 150 мм, если другое не оговаривается. Согласно DIN EN 206 допустимыми являются также цилиндрические образцы диаметром 150 мм и высотой 300 мм.

Полученная прочность считается характеристической прочностью образца и при цилиндрических образцах обозначается f_ck,cyt а при кубических — f_сk,сubе.

Это та прочность, которая согласно ожиданиям будет только на 5% ниже всех возможных измеренных значений.

Классы экспозиции

Бетонные конструкции подвержены внешним воздействиям. Они могут привести к повреждениям конструкций. Если, например, бетонная конструкция подвержена постоянному воздействию влажности и мороза, то плотная структура бетона разрушается и арматура больше не будет защищена от коррозии. Также и химические вещества, например соль оттаивания или морская вода, могут вызвать повреждение конструкции.

При определении состава бетона поэтому необходимо учитывать влияния, которым впоследствии будет подвергаться строительная конструкция. Различные условия окружающей среды подразделяются по виду вредных влияний на 7 классов. Их называют классами экспозиции, сокращенно X (табл. 2).

1. Нет риска коррозии и агрессивных воздействий (ХО = без агрессивных воздействий).
2. Коррозия арматуры, инициированная карбонизацией (ХС = карбонизация).
3. Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами, за исключением морской воды (XD = Deicing Salt — солевой антиобледенитель дорожных покрытий).
4. Коррозия арматуры, обусловленная хлоридами морской воды (XS = Seawater — морская вода).
5. Удар мороза без оттаиваюших средств (XF = Freesing — замораживание).
6. Химическая агрессия против бетона, например от природных грунтов или сточных вод (ХА = химическая кислота).
7. Агрессия против бетона истирающих нагрузок (ХМ = механическое истирание).

Однако бетонная конструкция может подвергаться многим влияниям. Это может быть выражено с помощью комбинации классов экспозиции.

Для того чтобы бетон для конструкции достиг желаемых свойств, DIN 1045 устанавливает граничные значения для минимального содержания цемента и наибольшего допустимого значения w/z для применяемых классов по прочности на сжатие (см. табл. 2).