Теплофизическая характеристика бетона при высоких температурах
Обновлено: 13.05.2024
Термостойкость бетона
Температурный фактор оказывает существенное влияние на формирование и изменение свойств бетона. Повышение температуры при твердении ускоряет химические реакции гидратации, что положительно влияет на рост прочности бетона. Резкое ускорение процессов твердения бетонов наступает при температурах 70-95С, и особенно при 170-20С. Однако при недостатке воды в бетоне воздействие повышенных температур замедляет процесс гидратации, снижает прочность бетонов. При полном испарении воды процесс твердения прекращается. Положительное влияние повышенных температур на скорость твердения бетонов послужило основой разработки и широкого применения в технологии железобетонных конструкций тепловлажностной обработки. Бетон нагревают с помощью пара, электроэнергии, инфракрасных лучей и др. При температурах более 100С тепловлажностную обработку ведут в автоклавах и специальных герметичных формах.
Для получения долговечного бетона важно свести к минимуму его деформации при температурном воздействии.
Остаточные деформации имеют место при недостаточном предварительном выдерживании бетона до тепловой обработки, повышенной скорости подъема температуры и ее снижения после отключения подачи пара.
Опасность возникновения трещин при развитии температурных напряжений повышается при обработке изделий большой толщины сплошного сечения или из ячеистых бетонов с повышенным водосодержанием.
Возникновение термических напряжений в бетоне возможно не только при его нагреве от внешних источников тепла, но и в результате саморазогрева за счет экзотермии при твердении. Трещинообразование в массивном бетоне носит обычно термический характер.
Тепловыделение, или экзотермия, бетона является следствием гидратации цемента и структурообразования цементного камня. Анализ тепловыделения (калориметрический анализ бетона) является одним из наиболее объективных высокоинформативных методов исследования, широко используемый при исследовании кинетики процессов твердения цемента, оценке влияния его химико-минералогических и структурных особенностей, эффекта химических добавок, параметров порообразования, льдообразования и др. Обстоятельные исследования применения калориметрического анализа (в различных направлениях) выполнены О.П. Мчедло-вым-Петросяном и А.В. Ушеровым-Маршаком.
Имеется положительный опыт использования калориметрических данных в компьютерных системах и информационных технологиях бетона.
Экспериментальное определение тепловыделения бетонов производится в калориметрах термосного, адиабатического или изотермического типов. Наиболее широкое распространение получили простые по устройству термосные калориметры, недостатком которых является переменный и по существу случайный температурный режим твердения образцов бетона. Для пересчета получаемых данных на изотермический режим твердения разработана расчетная методика установления т.н. эквивалентных сроков, т.е. таких сроков, в которые бетон при постоянной температуре твердения 20°С будет показывать те же величины тепловыделения, какие наблюдаются при проведении опыта в термосном калориметре. Установленная таким путем зависимость изотермического тепловыделения от времени твердения является основной характеристикой бетона для расчета температурных полей в массивных бетонных конструкциях.
В адиабатических калориметрах повышение температуры адекватно температуре в средней части крупных бетонных массивов, однако они сложны по устройству и редко используются на практике. Наиболее предпочтительными являются калориметры изотермического типа, позволяющие поддерживать температуру бетона в процессе измерения тепловыделения на постоянном уровне.
Для приближенной расчетной оценки тепловыделения бетона предложены зависимости, учитывающие удельное тепловыделение цемента, параметры состава бетона, температуру и длительность твердения.
Наиболее удобна для расчетного определения тепловыделения бетона зависимость, учитывающая удельное тепловыделение цемента.
Интенсивные деструктивные процессы при нагревании бетона идут при температуре более 200°С .
Нагрев в интервале 200-400°С приводит к постепенному снижению прочности цементного камня и бетона из-за дегидратации в основном гидроалюминатов, а также распада и перекристаллизации гидросульфоалюминатов кальция. При нагревании свыше 300°С нарушается структура цементного камня и бетона в результате различия деформаций гид-ратных продуктов цементного камня и непрогидратированых зерен цемента.
При 500-600°С идёт разложение гидратных новообразований и дегидратация Са(ОН)2 - продукта гидролиза клинкерных минералов, преимущественно трехкальциевого силиката, что способствует дальнейшему снижению прочности цементного камня.
В интервале 600-700°С возможно модификационное превращение р - 2СаО*SiO2 в у - 2СаО*SiO2, сопровождаемое некоторым увеличением объёма. Портландцементные образцы, прогретые до температуры 600-800°С, полностью разрушаются после выдерживания их в воздушно-сухих условиях в основном в результате вторичной гидратации оксида кальция. При непрерывном нагревании ДО 1200°С прочность цементного камня составляет 35-40% прочности контрольных образцов. При этом развивается значительная усадка - до 1 % и более.
Установление основной причины разрушения цементного камня - гидратации, образующегося при нагреве оксида кальция -позволило разработать основной способ придания ему жароупорных свойств. Этот способ заключается во введении в цемент или бетонные смеси тонкомолотых минеральных добавок, которые химически связывают СаО, не образуют с минералами цемента легкоплавких веществ, являются устойчивыми к воздействию высоких температур и уменьшают усадку цементного камня при нагревании.
Портландцемент по жаростойкости значительно уступает шлакопортландцементу, образующему при гидратации значительно меньшее количество Са(ОН)2. При достаточной величине остаточной прочности на сжатие бетона после нагревания до 800°С и использовании шлакопортландцемента отпадает необходимость введения тонкомолотых добавок.
Специфическим видом разрушения бетона при тепловом воздействии является разрушение под воздействием огня в условиях пожара. Под влиянием высокотемпературного пламени снижается несущая способность бетонных и железобетонных конструкций, а через определённое время под действием огня возможно их разрушение. Снижение прочности бетона в условиях пожара происходит в результате развития внутренних напряжений вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения цементного камня и заполнителей. При температуре выше 500°С снижение прочности бетона под воздействием огня усиливается разложением гидроксида кальция и полиморфным превращением b-кварца в а-кварц.
Огнестойкость бетона, также, как и огнестойкость других строи-тельныхматериалов, характеризуется пределом огнестойкости - продолжительностью сопротивления воздействию огня до потери им прочности. Пределом огнестойкости строительных конструкций называется время, в течение которого они сохраняют несущие и ограждающие функции в условиях пожара. Потеря конструкцией несущей способности сопровождается ее внезапным либо очень быстрым обрушением. Ограждающая способность конструкций теряется, когда температура необогреваемой поверхности в среднем возрастает на 160°С и в смежных помещениях возможно самовоспламенение материалов. При этом в конструкциях образуются сквозные трещины, через которые проникают продукты горения и пламя.
Предел огнестойкости определяется испытанием образцов в специальной камере, где тепловой режим поддерживают по стандартной кривой температура-время.
Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций составляет 2-5 ч. Его повышают, увеличивая толщину бетонного слоя и подбирая соответствующий состав бетона.
Способность бетона противостоять, не разрушаясь, совместному действию напряжений от механической эксплуатационной нагрузки и термических напряжений при определенном числе циклов нагрева и охлаждения либо при температурном градиенте называют термостойкостью. Требования к термостойкости бетона и железобетонных конструкций зависят от их назначения, конкретных условий эксплуатации. Так, термостойкие агрегаты должны сохранять проектную прочность в течение всего нормативного срока эксплуатации, железобетонные колонны в зданиях 1-ой степени огнестойкости при пожаре не должны разрушаться ранее 2,5 ч, покрытие пола горячих цехов должно выдерживать попеременный нагрев и остывание при действии ударных нагрузок.
Существенное значение имеет вид заполнителя. Одним из важнейших факторов, влияющих на термическое расширение и термостойкость бетона, является его влажность. Равновесная влажность тяжелого бетона зависит от проницаемости бетона, степени гидратации и вида вяжущего, относительной влажности и температуры окружающей среды. Например, для тяжелого бетона на портландцементе с В/Ц=0,5 при 1=20°С равновесная влажность колеблется от 0,5 до 6,8% при изменении относительной влажности от 0,15 до 0,95. При интенсивном тепловом воздействии разрушению в большей степени подвергаются поверхностные слои бетона в изделиях и конструкциях с наибольшим градиентом влажности. Давление пара в бетоне в значительной степени зависит от скорости нагрева, проницаемости и начальной влажности. Наибольшее давление пара от теплового воздействия наблюдается при заполнении водой 70-80% порового пространства. Термостойкость бетона увеличивается с уменьшением размера крупного заполнителя, при тщательном приготовлении бетонной смеси и уходе за бетоном при его твердении с целью получения структуры с наименьшим количеством и минимальными по длине трещинами.
Величина коэффициента расширения и термостойкость уменьшаются с возрастом бетона. Большей термостойкостью будет обладать бетон с меньшими значениями модуля упругости, большей теплопроводностью. Важное значение имеет также различие температурных деформаций крупного заполнителя и растворной части. Термостойкость бетона можно увеличить дисперсным армированием температуростойкими волокнами из асбеста, базальта или стальных фибр, конструктивным армированием, применением заполнителей из андезита, базальта, диабаза и других материалов, обеспечивающих минимальное различие температурных деформаций отдельных компонентов.
Теплофизические свойства строительных материалов
Это группа свойств, которые характеризуют отношение материала к постоянному или периодическому тепловому воздействию.
Теплоемкость – свойство материала аккумулировать теплоту при нагревании и отдавать при охлаждении. Удельная теплоемкость с (кДж/(кг·°С)) характеризуется количеством тепла, кДж, необходимым для нагревания 1 кг материала на 1°С:
Вода имеет высокую теплоемкость (4,2 кДж/(кг·°С)), строительные материалы более низкие величины: лесные материалы 2,39…2,72 кДж/(кг·°С), каменные 0,75…0,92 кДж/(кг·°С), сталь 0,48 кДж/(кг·°С), поэтому с увлажнением материалов их теплоемкость увеличивается.
Теплопроводность – свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой при перепаде температур на противоположных поверхностях материала.
Теплопроводность материала зависит от его химического состава, строения и структуры, степени влажности, характера и размера пор, а также температуры, при которой происходит передача тепла.
Рис. 1.22. Прибор ИТП-МГ4 для определения коэффициента теплопроводности
Тепловой поток проходит через «каркас» материала и поры. Каркас материала кристаллического строения более теплопроводен, чем каркас материала из того же состава, но аморфного строения.
В сухом состоянии поры материала заполнены воздухом, теплопроводность которого составляет 0,0232 Вт/(м·°С). Поэтому малотеплопроводные материалы имеют большую (до 90…95%) пористость. При одинаковой величине пористости, мелкопористые материалы и материалы с замкнутыми порами имеют меньшую теплопроводность, чем крупнопористые и материалы с сообщающимися порами. Это связано с тем, что в крупных и сообщающихся порах усиливается перенос тепла конвекцией.
Теплопроводность является функцией средней плотности строительного материала:
Приближенно коэффициент теплопроводности таких материалов как бетон, природный камень, полнотелый кирпич, можно определить по формуле В.П. Некрасова:
Теплопроводность некоторых строительных материалов: пенопласт – 0,03…0,05 Вт/(м·°С); минеральная вата – 0,06…0,09 Вт/(м·°С); древесина – 0,18…0,36 Вт/(м·°С); кирпич керамический полнотелый – 0,8…0,9 Вт/(м·°С); кирпич керамический пустотелый – 0,3…0,5 Вт/(м·°С); бетон тяжелый – 1,3…1,5 Вт/(м·°С); ячеистый бетон – 0,1…0,3 Вт/(м·°С); сталь – 58 Вт/(м·°С).
С увеличением влажности материала теплопроводность возрастает, т.к. вода, заполняющая поры, имеет теплопроводность 0,58 Вт/(м·°С), что в 25 раз выше теплопроводности воздуха. Еще в большей степени возрастает теплопроводность при замерзании воды в порах, т.к. теплопроводность льда составляет 2,32 Вт/(м·°С), что в 100 раз больше теплопроводности воздуха.
Сопротивление теплопередаче (термическое сопротивление) – свойство строительной конструкции сопротивляться проникновению сквозь свою толщу теплового потока.
Условное приведенное сопротивление теплопередаче однородного фрагмента ограждающей конструкции:
Расчет выполняется из условия:
Тепловое расширение – свойство материала изменять линейные размеры при нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного температурного расширения:
Термическая стойкость – способность материала выдерживать чередование резких тепловых изменений. Зависит от однородности материала и коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР). Чем меньше КЛТР и выше однородность материала, тем выше его термическая стойкость.
Огнеупорность – способность материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не деформируясь и не расплавляясь. Материалы, которые выдерживают температуру свыше 1580°С называют огнеупорными, от 1350°С до 1580°С – тугоплавкими, ниже 1350°С – легкоплавкими, до 1000°С – жаропрочными.
Показатели пожарной опасности строительных материалов нормируются в соответствии с Федеральным законом от 22 июля 2008 г. N 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями на 13.07.2014 г.).
Пожарная опасность строительных материалов характеризуется следующими свойствами:
Горючесть – определяется экспериментально по показателям: температура дымовых газов; продолжительность самостоятельного горения; степень повреждения образца по длине и по массе (табл. 1.2):
Материал относится к негорючим, если при стандартном испытании прирост температуры в установке не превышает 50°С, образец не воспламеняется в течение 10 с, а потеря массы образца не превышает 5%. Для негорючих строительных материалов другие показатели пожарной опасности не определяются и не нормируются. Если эти условия не выполняются, материал считают горючим и подвергают испытанию для определения группы горючести (табл. 1.2).
Группы горючести строительных материалов
Воспламеняемость(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м 2 ):
· В1 – трудновоспламеняемые (>35);
· В2 – умеренновоспламеняемые (20…35);
· В3 – легковоспламеняемые (<20).
Способность распространения пламени по поверхности(определяется экспериментально по величине критической поверхностной плотности теплового потока, кВт/м 2 ):
· РП1 – нераспространяющие (>11);
· РП2 – слабораспространяющие (8…11);
· РП3 – умереннораспространяющие (5…8);
· РП 4 – сильнораспространяющие (<5).
Дымообразующая способность(определяется экспериментально по значению коэффициента дымообразования, характеризующего оптическую плотность дыма, образующегося при горении или тлении определенного количества материала в условиях специальных испытаний, м 2 /кг):
· Д1 – с малой дымообразующей способностью (<50);
· Д2 – с умеренной дымообразующей способностью (50…500);
· Д3 – с высокой дымообразующей способностью (>500).
Токсичность продуктов горения(определяется экспериментально по значению показателя токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объема замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных, г/м 3 ):
Классификация строительных материалов по токсичности продуктов горения
Показатель токсичности продуктов горения в зависимости от времени экспозиции
На основании приведенных показателей пожарной опасности строительных материалов устанавливается интегральный показатель – класс пожарной опасности строительного материала (таблица 1.4).
Классы пожарной опасности строительных материалов
Свойства пожарной опасности строительных материалов
Классы пожарной опасности строительных материалов в зависимости от групп
Строительные конструкции классифицируются по огнестойкости и пожарной опасности.
Огнестойкость – свойство строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре до наступления одного или нескольких предельных состояний.
Численной характеристикой огнестойкости является предел огнестойкости (мин, не менее):15; 30; 45; 60; 90; 120; 150; 180; 240; 360, который характеризует время с момента начала теплового воздействия на конструкцию до наступления одного или нескольких предельных состояний:
R – по потере несущей способности (обрушение несущей конструкции);
E – по потере целостности конструкции (появление в ограждающей конструкции трещин, через которые дымовые газы могут проникнуть на пути эвакуации или в помещение, где находятся люди);
I – по потере теплоизолирующей способности (нагрев поверхности конструкции свыше установленных пределов).
По сути, предел огнестойкости характеризует время, доступное для безопасной эвакуации людей из здания в случае пожара.
Пожарная опасность строительной конструкции характеризует степень участия строительных конструкций в развитии пожара и их способность к образованию опасных факторов пожара (таблица 1.5):
8.4.5.Теплофизические свойства.
Для эксплуатационной надежности конструкций и сооружений важное значение имеют его теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, и температурные деформации (последние рассмотрены ниже). Теплофизические свойства материала ограждающих конструкций определяют тепловую защиту зданий, теплофизические свойства несущих конструкций - их поведение при пожаре и при воздействии других факторов. Эти свойства учитываются при проектировании производства изделий и конструкций на заводах сборного железобетона, при зимнем бетонировании и при ряде других технологических расчетов.
Теплопроводностьюназывают свойство материала передавать тепло от одной поверхности к другой. Теплопроводность материала характеризуется количеством теплоты (в джоулях), которое способен передать материал через 1поверхности при разности температур в 1°С в течение 1 с.
Структура бетона включает твердую фазу и систему воздушных или водяных пор. Теплопроводность воздуха = 0,023 Вт/(м • °С), что во много раз меньше теплопроводности твердой фазы, поэтому, чем больше воздушная пористость бетона или ниже его плотность, тем меньше его теплопроводность (табл.7.1). При заполнении пор влагой теплопроводность бетона возрастает, так как теплопроводность воды= 0,58 Вт/( м • °С), т.е. в 25 раз выше теплопроводности воздуха. При замораживании бетона его теплопроводность возрастает еще в большей степени, так как теплопроводность льда= 2,3 Вт/(м • °С) в четыре раза выше теплопроводности воды. Теплопроводность бетона несколько увеличивается с повышением его температуры. Бетон с очень мелкими закрытыми порами имеет более низкую теплопроводность за счет уменьшения количества тепла, передаваемого излучением и массопереносом в теле бетона. Степень изменения теплопроводности бетона при его увлажнении и замерзании будет зависеть от его плотности: с понижением плотности влияние этих факторов возрастает.
Теплоемкость бетона, используемая в технических расчетах, зависит от его состава, структуры и плотности и может изменяться в пределах 0,75. 1,1 кДж/(кг•°С). Вода имеет более высокую теплоемкость 4,19 кДж/( кг•°С), поэтому с повышением содержания воды в бетонной смеси или влажности бетона их теплоемкость возрастает.
8.5.Деформативные свойства бетона.
8.5.1. Первоначальная усадка бетонной смеси
В процессе приготовления, твердения, эксплуатации в бетоне происходят объемные изменения, возникают деформации материала. Величина их зависит от структуры бетона, свойств его составляющих, особенностей технологии и ряда других факторов. Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании конструкций; они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.
Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды:
а) собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и бетона (усадка и расширение);
б) возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне; в) деформации от действия механических нагрузок, причем различают деформации от кратковременного действия нагрузок и от длительного действия - ползучесть бетона;
г) температурные деформации бетона.
После укладки бетонной смеси может происходить седиментационное осаждение твердых частиц и постепенное ее уплотнение. Этот процесс наиболее ярко проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси может выделяться вода, изменяться объем смеси. При значительной высоте изделия осадку можно наблюдать невооруженным глазом, так как деформации бетона весьма значительны и превосходят величину обычной усадка затвердевшего бетона в десятки раз.
На рис. 6.1 показан характер развития первоначальной усадка. Деформации интенсивно развиваются в первый момент после укладки и уплотнения бетонной смеси и постепенно затухают уже через 30. 90 мин. Если применяются литые смеси, то в первоначальный период на поверхности бетона может выделяться слой воды. Водоотделение достигает максимума через 10. 20 мин, а затем начинается постепенное всасывание воды в глубь бетона вследствие интенсивного протекания процесса контракции цементного теста.
Величина первоначальной усадка зависит от состава бетонной смеси и свойств использованных материалов. Жесткие бетонные смеси имеют меньшие величины первоначальной усадка, чем пластичные и тем более литые смеси. Первоначальная усадка уменьшается со снижением водосодержания бетонной смеси и уменьшения расхода цементного теста, при применении тонкомолотых добавок, хорошо удерживающих воду (трепел, диатомит, метилцеллюлоза и др.), при высоком содержании крупного заполнителя, обеспечивающего создание жесткого скелета в бетонной смеси. В табл. 6.1 приведены некоторые значения полной первоначальной усадка обычной бетонной смеси на гранитном заполнителе, полученные при испытаниях в специальных пластмассовых формах - цилиндрах высотой 300 мм и диаметром 100 мм.
Теплофизические свойства бетонов
Основные свойства бетона, связанные с воздействием на него тепловой энергии, это теплоемкость, теплопроводность и весьма важный в сфере строительства коэффициент линейного расширения. Без учета данных характеристик бетона невозможно добиться создания прочной конструкции здания, не склонной к разрушению под воздействием температурных колебаний.
Теплопроводность.
Теплопроводность бетона играет существенное значение при определении его строительно-физических качеств. Уровень теплопроводности зависит от структуры составляющих бетона и его строения в целом. Да значение данной характеристики оказывает влияние несколько факторов, среди которых наибольшее значение имеют влажность бетона и его температура. Чем большее количество влаги будет содержаться в бетоне и чем до большей температуры он будет нагрет, тем большей теплопроводностью он будет обладать. При проведении практических расчетов во внимание также принимается значение интегральной пористости. Смысл этого показателя состоит в определении объемного веса бетона при температуре +25С в высушенном до неизменяемого веса состоянии (рис. 1).
Таблица теплопроводности
Кроме того, в строительной практике также может быть использована для расчета теплопроводности формула Б. Н. Кауфмана:
где под корнем стоит фиксированный коэффициент при указанных выше условиях: +25С и полная просушка. Измеряется это значение в ккал/м-ч-град, для высушенного бетона объемный вес выражается в т/м3.
Между тем, приведенная формула не может быть признана единственно верным способом расчета теплопроводности бетона, т.к. в ней не учитываются показатели пористости бетона, т.е. данные о распределении пор по типоразмеру, о степени сообщаемости или замкнутости. Поэтому с помощью данной формулы наиболее близкие к фактической действительности данные можно получить лишь в том случае, когда на стройке используются бетоны одинакового строения и созданные на заполнителях идентичного строения. Приводить здесь и использовать на практике универсальную и наиболее точную формулу для вычисления фактического уровня теплопроводности бетона не имеет смысла, поскольку она учитывает абсолютно все характеристики бетона. Получить подобные данные в условиях индивидуального жилищного строительства весьма проблематично, да и бессмысленно, т.к. при малых масштабах стройки и небольших конструкционных нагрузках небольшая ошибка в значении теплопроводности бетона особой роли не играет.
Коэффициент температурного расширения и теплоемкость бетона.
Под коэффициентом температурного расширения бетона в строительной практике принято понимать величину отклонения физических размеров бетона при изменении его температуры. Если упростить определение, то коэффициент расширения помогает определить, насколько увеличатся длина и ширина бетонного блока, если температура воздуха повысится на сколько-то градусов. Непринятие в расчет этого показателя моет привести к разрушениям возведенных из бетона конструкций при сезонных колебаниях температур.
Тепловое расширение способно привести к растрескиванию
Показатели коэффициентов температурного расширения бетона и стали приблизительно одинаковы, что широко используется при создании железобетонных конструкций высокой прочности.
От показателя теплоемкости бетона зависит скорость прогрева бетона до нужной температуры, а значит, и до нужных физических характеристик. Без учета теплоемкости зачастую попросту невозможно рассчитать время подачи жидкого бетона на объект строительства, особенно в холодное время года. Обычное значение этого показателя для большинства распространенных марок бетона колеблется в пределах от 0,28 до 0,33 ккал/кг .
Теплофизические свойства бетонов.
К свойствам бетона, связанным с тепловым воздействием, относятся теплопроводность, теплоемкость и коэффициент линейного (температурного) расширения.
Теплопроводность - важная характеристика строительно-физических свойств бетонов, применяемых в ограждающих конструкциях; она, тесно связана со строением бетона и структурой основных составляющих; теплопроводность зависит от влажностного состояния и температуры бетона: с повышением влажности и температуры теплопроводность бетона повышается. Для практических целей расчетная величина показателя теплопроводности или коэффициент теплопроводности определяется в зависимости от интегральной пористости или, что примерно то же, от объемного веса бетона в высушенном до постоянного веса состоянии, определенного при температуре 25 ° С (рис.1).
Теплопроводность может быть также рассчитана по формуле Б. Н. Кауфмана:
где - коэффициент теплопроводности бетона при температуре +25 ° С в ккал/м-ч-град; - объемный вес бетона в высушенном состоянии в т/м 3 .
Однако эта и подобные ей формулы не учитывают характера пористости бетона (крупность пор, их распределение по размерам, степень замкнутости или сообщаемости). Наиболее близкая сходимость расчетной величины теплопроводности бетона, определяемой по этой формуле, с фактической может быть получена для бетонов на одинаковых по структуре заполнителях и одинакового строения. Пользоваться универсальной расчетной формулой теплопроводности, учитывающей совместное действие всех перечисленных факторов, затруднительно. Для каждого нового вида легкого бетона требуется определение фактического коэффициента теплопроводности на соответствующих приборах и установках; поправки при изменении состава бетона и его объемного веса могут быть сделаны по расчетным формулам. Тяжелые бетоны на плотных заполнителях и плотного строения обладают высоким коэффициентом теплопроводности -свыше 1,5 ккал/м х ч*град . Поэтому при использовании их в ограждающих конструкциях отапливаемых помещений требуется устройство специального слоя из эффективного теплоизоляционного материала.
Коэффициент температурного расширения для большинства бетонов при нагревании в пределах до 100 ° С можно принять в среднем равным 10*10 -6 , что близко к коэффициенту температурного расширения стали (12*10 -6 ). Это обеспечивает примерно одинаковые температурные деформации бетона и стальной арматуры при нагревании железобетонного элемента.
Свойства бетонной смеси
Бетонной смесью называют рационально составленную и тщательно перемешанную смесь компонентов бетона до начала процессов схватывания и твердения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и к бетону.
Основной структурообразующей составляющей в бетонной смеси является цементное тесто.
Независимо от вида бетона бетонная смесь должна удовлетворять двум главным требованиям: обладать хорошей удобоукладываемостью, соответствующей применяемому способу уплотнения и сохранять при транспортировании и укладке однородность, достигнутую при приготовлении.
При действии возрастающего усилия бетонная смесь вначале претерпевает упругие деформации, когда же преодолена структурная прочность, она течет подобно вязкой жидкости. Поэтому бетонную смесь называют упруго-пластично-вязким телом, обладающим свойствами твердого тела и истинной жидкости.
Свойство бетонной смеси разжижаться при механических воздействиях и вновь загустевать в спокойном состоянии называется тиксотропией.
Технические свойства бетонной смеси
При изготовлении железобетонных изделий и бетонировании монолитных конструкций самым важным свойством бетонной смеси является удобоукладываемость (или удобоформуемость), т.е. способность заполнять форму при данном способе уплотнения, сохраняя свою однородность.
Для оценки удобоукладываемости используют три показателя:
подвижность бетонной смеси (П), являющуюся характеристикой структурной прочности смеси;
жесткость (Ж), являющуюся показателем динамической вязкости бетонной смеси;
связность, характеризуемую водоотделением бетонной смеси после ее отстаивания.
Подвижность бетонной смеси характеризуется измеряемой осадкой (см) конуса (ОК), отформованного из бетонной смеси, подлежащей испытанию. Подвижность бетонной смеси вычисляют как среднее двух определений, выполненных из одной пробы смеси. Если осадка конуса равна нулю, то удобоукладываемость бетонной смеси характеризуется жесткостью.
Жесткость бетонной смеси характеризуется временем (с) вибрирования, необходимым для выравнивания и уплотнения предварительно отформованного конуса бетонной смеси в приборе для определения жесткости.
Классификация бетонных смесей
Связность бетонной смеси обуславливает однородность строения и свойств бетона. Очень важно сохранить однородность бетонной смеси при перевозке, укладке в форму и уплотнении. При уплотнении подвижных бетонных смесей происходит сближение составляющих ее зерен, при этом часть воды отжимается вверх. Уменьшение количества воды затворения при применении пластифицирующих добавок и повышение водоудерживающей способности бетонной смеси путем правильного подбора зернового состава заполнителей являются главными мерами борьбы с расслоением подвижных бетонных смесей.
Удобоукладываемость бетонной смеси
Количество воды затворения является основным фактором, определяющим удобоукладываемость бетонной смеси. Вода затворения (В, кг/м3) распределяется между цементным тестом (Вц) и заполнителем (Взап): В= Вц + Взап. Количество воды в цементном тесте определяют его реологические свойства: предельное напряжение сдвига и вязкость, а следовательно, и технические свойства бетонной смеси - подвижность и жесткость.
Водопотребность заполнителя Взап является его важной технологической характеристикой; она возрастает с увеличением суммарной поверхности зерен заполнителя и поэтому велика у мелких песков.
Для обеспечения требуемой прочности бетона величина водоцементного отношения должна сохраняться постоянной, поэтому возрастание водопотребности вызывает перерасход цемента. При мелких песках он достигает 15-25%, поэтому мелкие пески следует применять после обогащения крупным природным или дробленым песком и с пластифицирующими добавками, снижающими водопотребность
Деформативные свойства бетона
Под нагрузкой бетон ведет себя иначе, чем сталь и другие упругиe материалы. Конгломератная структура бетона определяет его поведение при возрастающей нагрузке осевого сжатия.
Область условно упругой работы бетона - от начала нагружения до напряжения сжатия, при котором по поверхности сцепления цементного камня с заполнителем образуются микротрещины.
Опыты подтвердили, что при небольших напряжениях и кратковременном нагружения для бетона характерна упругая деформация, подобная деформации пружины.
Модуль упругости бетона возрастает при увеличении прочности и зависит от пористости: увеличение пористости бетона сопровождается снижением модуля упругости. При одинаковой марке по прочности модуль упругости легкого бетона на пористом заполнителе меньше в 1,7-2,5 раза тяжелого. Еще ниже модуль упругости ячеистого бетона. Таким образом, упругими свойствами бетона можно управлять, регулируя его структуру. Модуль упругости бетона при сжатии и растяжении принимают равными между собой:
Ползучестью называют явление увеличения деформаций бетона во времени при действии постоянной статической нагрузки.
Ползучесть зависит от вида цемента и заполнителей, состава бетона, его возраста, условий твердения и влажности. Меньшая ползучесть наблюдается при применении высокомарочных цементов и плотного заполнителя - щебня из изверженных горных пород. Пористый заполнитель усиливает ползучесть, поэтому легкие бетоны имеют большую ползучесть по сравнению с тяжелыми.
Преждевременное высыхание бетона ухудшает структуру и увеличивает его ползучесть. Однако насыщение водой затвердевшего бетона может вызвать рост ползучести.
Ползучесть и связанная с ней релаксация напряжений может играть отрицательную роль. Например, ползучесть бетона приводит к потере натяжения; в предварительно напряженных железобетонных конструкциях.
Усадка и набухание бетона
При твердении на воздухе происходит усадка бетона, т.е. бетон сжимается и линейные размеры бетонных элементов сокращаются. Усадка слагается из влажностной, карбонизационной и контракционной составляющих.
Вследствие усадки бетона в железобетонных и бетонных конструкциях возникают усадочные напряжения, поэтому сооружения большой протяженности разрезают усадочными швами во избежание появления трещин. Ведь при усадке бетона 0,3 мм/м в сооружении длиной 30 м общая усадка составляет около 10 мм. Массивный бетон высыхает снаружи, а внутри он еще долго остается влажным. Неравномерная усадка вызывает растягивающие напряжения в. наружных слоях конструкции и появление внутренних трещин на контакте с заполнителем и в самом цементном камне.
Для снижения усадочных напряжений и сохранения монолитности конструкций стремятся уменьшить усадку бетона. Наибольшую усадку имеет цементный камень. Введение заполнителя уменьшает количество вяжущего в единице объема материала, при этом образуется своеобразный каркас из зерен заполнителя, препятствующий усадке. Поэтому усадка цементного раствора и бетона меньше, чем цементного камня.
Бетон наружных частей гидротехнических сооружений, цементно-бетонных дорог периодически увлажняется и высыхает. Колебания влажности бетона вызывают попеременные деформации усадки и набухания, которые могут вызвать появление микротрещин и разрушение бетона.
Морозостойкость бетона
Морозостойкость бетона определяют путём попеременного замораживания в холодильной камере при температуре от 15 до 20°С и оттаивания в воде при температуре 15-20°С бетонных образцов кубов с размерами ребра 10, 15 или 20 см (в зависимости от наибольшей крупности заполнителя). Образцы испытывают после 28 сут выдерживания в камере нормального твердения или через 7 сут после тепловой обработки. Контрольные образцы, предназначенные для испытания на сжатие в эквивалентном возрасте, хранят в камере нормального твердения. Морозостойкость бетона зависит от качества примененных материалов и капиллярной, пористости бетона. Объем капиллярных пор оказывает решающее влияние на водопроницаемость и морозостойкость бетона. Морозостойкость бетона значительно возрастает, когда капиллярная пористость менее 7%.
Водонепроницаемость бетона
С уменьшением объема капиллярных макропор снижается водонепроницаемость и одновременно повышается морозостойкость бетона. Для уменьшения водонепроницаемости в бетон при его изготовлении вводят уплотняющие (алюминат натрия) и гидрофобизующие добавки. Нефтепродукты (бензин, керосин и др.) имеют меньшее, чем у воды, поверхностное натяжение, поэтому они легче проникают через обычный бетон. Для снижения фильтрации нефтепродуктов в бетонную смесь можно вводить специальные добавки (хлорное железо и др.). Проницаемость бетона по отношению к воде и нефтепродуктам резко уменьшается, если вместо обычного портландцемента применяют расширяющийся.
Теплофизические свойства бетона
Теплопроводность - наиболее важная теплофизическая характеристика бетона, в особенности применяемого в ограждающих конструкциях зданий.
Теплопроводность тяжелого бетона в воздушно-сухом состоянии 1,2 Вт/(м.°С), т.е. она в 2-4 раза больше, чем у легких бетонов (на пористых заполнителях и ячеистых). Высокая теплопроводность является недостатком тяжелого бетона. Панели наружных стен из тяжелого бетона изготавливают с внутренним слоем утеплителя.
Теплоемкость тяжелого бетона изменяется в узких пределах -0,75-0,92 Вт/(м.С°).
Линейный коэффициент температурного расширения бетона составляет около 0,00001 °С, следовательно, при увеличении температуры на 50 °С расширение достигает примерно 0,5 мм/м. Во избежание растрескивания сооружений большой, протяженности разрезают температурно-усадочными швами.
Крупный заполнитель и раствор, составляющие бетон, имеют различный коэффициент температурного расширения и будут по разному деформироваться при изменении температуры.
Большие колебания температуры (более 80°С) смогут вызвать внутреннее растрескивание бетона вследствие различного теплового расширения крупного заполнителя и раствора. Характерные трещины распространяются по поверхности заполнителя, некоторые из них образуются в растворе, а иногда и в слабых зернах заполнителя. Внутреннее растрескивание можно предотвратить, если позаботиться о подборе составляющих бетона с близкими коэффициентами температурного расширения.
Читайте также: