Бетон – достаточно прочный и износостойкий материал. Он имеет относительно высокую прочность при воздействии сжатия (не трескается под весом), но значительно более низкий предел прочности при растяжении. Что же касается состава, то бетон состоит из песка (который является мелким заполнителем), балласта (крупного заполнителя), цемента и воды (которая является добавкой).

Преимущества бетона.

Бетон – самый широко используемый строительный материал в мире. Например, в США используется почти вдвое больше бетона, чем всех других строительных материалов вместе взятых. Такая популярность обусловлена тем, что бетон – это универсальный строительный материал, который можно использовать в различных сельскохозяйственных и жилых помещениях, так как он:

• не имеет токсических свойств;
• обладает прочностью и долговечностью;
• универсален (можно придать практически любую форму и воспроизвести любую текстуру поверхности);
• экономичен.

Особенности бетона.

Специалисты знают, что усилить свойства бетона и его прочность можно с помощью соотношения воды к цементу при замешивании, а также за счет добавок, обычно стали, для создания армированного бетона. Поэтому при проектировании сооружений нужно учитывать эти особенности и возможные деструктивные процессы, которые будут иметь место во время эксплуатации.

Свойства бетона в двух состояниях – пластическом и затвердевшем – жизненно важны для конструктора. Процесс дозирования, смешивания, транспортировки, укладки, создания раствора серьезно влияют на свойства уже затвердевшего бетона. Хотя важно понимать, что все бетонные конструкции в той или иной степени потрескаются из-за усадки и растяжения с течением времени.

Поскольку бетон используется в строительстве домов, его желательным свойством является прочность. Она зависит от относительного количества и свойств отдельных компонентов. Идеальная смесь может привести к получению бетона низкого качества, если не учитываются правильные методы укладки, отделки и отвердения в надлежащих условиях влажности и температуры. Кроме того, прочность – переменный показатель, так как обычный раствор цемента набирает от 70 до 75% своей окончательной прочности в течение 28 дней и примерно от 90 до 95% в течение одного года. Для укрепления бетонной конструкции используют арматурные стержни и сетки, что значительно продлевает срок службы.

Влияние влажности на бетон.

Предел прочности бетона зависит от водоцементного соотношения, компонентов конструкции, а также используемых методов смешивания, укладки и отвердения. Оптимальными условиями, при которых затвердение будет проходить наилучшим образом – 100% влажность при температуре 18 –20°C. При прочих равных условиях бетон с более низким водоцементным (вяжущим) соотношением прочнее, чем бетон с более высоким соотношением. Общее количество вяжущих материалов (портландцемент, шлаковый цемент, пуццоланы) в составе может влиять на прочность, водопотребность, усадку, сопротивление изнашиваемости и плотность. В любом случае бетонная конструкция будет давать трещины со временем.

Воздействие температуры на бетон.

Когда бетон переходит из пластичного состояния, гидратируясь, в твердое состояние, материал подвергается усадке. Трещины могут возникнуть вскоре после укладки, но, если скорость испарения высока, они часто появляются еще на этапе время отделочных работ, например, в жаркую погоду или в ветреный день, что дает еще одну переменную в уравнении на прочность бетона – температуру.

Это происходит из-за определенных химических свойств материала. При повышении температуры бетон теряет способность гидратации из-за испарения воды. Следовательно, его сопротивление уменьшается, а количество не гидратированных зерен цемента увеличивается с потерей химически связанной воды, что приводит к снижению прочности на сжатие Кроме того, при разложении гидроксида кальция в бетоне образуется известь и вода. При понижении температуры известь вступает в реакцию с водой и расширяется, вызывая снижение прочности.

Аналогичным образом, когда вода испаряется из бетона, это препятствует расширению цементной матрицы за счет усадки. Более того, когда температура достигает более 500°C, кремнеземистые агрегаты трансформируются из α-фазы, гексагональной кристаллической системы, в β-фазу, вызывая расширение бетона и снижая прочность материала.

Комплексное влияние воды и температуры на бетонные конструкции.

Деформация при воздействии высоких температур дает о себе знать также из-за давления пара и термического напряжения. Когда бетонная поверхность подвергается нагреванию на достаточно высоких градусах, вода вблизи поверхности начинает выходить из бетона в атмосферу. Однако из-за высокой температурной разницы между поверхностью и внутренним пространством пар может также проникать внутрь, где он может конденсируется, превращаясь в воду. Водонасыщение, как барьер, препятствует дальнейшему проникновению пара в массу бетона. Если скорость конденсации пара намного выше скорости его выхода из бетона (из-за достаточно быстрого нагрева или плотной пористой структуры материала), большое давление может вызвать растрескивание. В то же время тепловое расширение на поверхности создает перпендикулярное сжимающее напряжение, противодействующее растягивающему напряжению внутри бетона. Деформация происходит тогда, когда сжимающее напряжение превышает растягивающее.

Экспериментальные данные.

Чтобы проверить, каким образом меняется износостойкость бетона в зависимости от влияния влажности и температуры, проводились исследования. В полевых условиях, так сказать, анализировали состояние бетонных конструкций на объектах черной металлургии, где высокие температуры (до 180°С) и влажность фактически воздействуют постоянно. В процессе анализа данных высчитывали глубину проникновения влаги и определяли прочность верхних слоев бетона. Было доказано, что при влиянии только высокой температуры или только увлажнения материал изнашивается значительно быстрее и капитальный ремонт может понадобится в два, а то и в четыре раза быстрее. Естественно, необходимо учитывать и состав бетона, его водонепроницаемость и вид крупного заполнителя.

Было проведено 200 циклов испытаний с увлажнением и высушиванием разных видов бетона (более двух тысяч образцов). Наиболее уязвимыми свойствами материала стали мера ползучести, модуль упругости бетона, и прочность при растяжении. Большую стабильность показал бетон с гранитным заполнителем.

Кроме того, фактически все виды бетона проявляли тенденцию к минимизации деформаций после высушивания при температуре 90°С. Если же цикличность нарушалась, и увлажнение не сменялось нагревом, либо производили только нагрев без предварительного воздействия воды, то деформации становились более заметными.

Таким образом, еще на этапе конструирования того или иного сооружения, необходимо учитывать влаго-температурный режим, в котором будет эксплуатироваться бетонная конструкция. Это позволит избежать быстрой деформации и разрушения здания.