На прочность бетонов влияют следующие основные факторы:
— прочность (активность) цемента (чем выше марка цемента, тем выше прочность бетона);
— количество цемента в 1 мъ бетона. Самую высокую прочность имеет бетон с таким расходом цемента, при котором цементное тесто (т. е. смесь цемента с водой) заполняет все пустоты в песке и обволакивает тонким слоем частицы песка, а цементно-песча-ный раствор заполняет все пустоты в крупном заполнителе, поверхность которого также обволакивается тонким слоем цементного теста;
— качество заполнителей — их чистота, форма и зерновой состав (чем чище заполнители, неправильней их форма и большую шероховатость имеет поверхность, чем лучше мелкие зерна заполняют пустоты между крупными и чем крупнее зерна заполнителей, тем прочнее бетон);
— водоцементное отношение (В/Ц) (чем меньше водоцементное отношение, тем прочнее бетон);
— качество перемешивания бетонной смеси при ее приготовлении (при ручном перемешивании прочность бетона будет на 20—30% ниже, чем при перемешивании в бетоносмесителе);
— интенсивность уплотнения (если его производят вручную, прочность на 10—30% меньше, чем при уплотнении вибрированием);
— состояние окружающей среды (наибольшую прочность приобретает бетон в сырой или влажной среде при температуре 15—20 °С);
— возраст бетона (с течением времени прочность бетона повышается).

Плотность бетона характеризуется степенью заполнения всего объема бетона твердым веществом (затвердевшим цементным тестом и заполнителями).

Для обычных бетонов плотность колеблется в пределах 85—95%; 5—15% объема занимают воздушные поры.

Плотность в значительной степени зависит от подбора зернового состава заполнителей, от количества цементного теста и качества уплотнения. От плотности бетонов зависят их прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, стойкость против коррозии и другие свойства. Особенно высокие требования к плотности бетонов предъявляются при возведении гидротехнических сооружений, резервуаров и т. п.

Водонепроницаемость бетонов зависит от плотности, возраста бетонов, вида цемента, условий твердения и др. Степень водонепроницаемости характеризуется величиной наименьшего давления воды, при котором она начинает просачиваться через бетонный образец.

Для повышения водонепроницаемости бетонов применяются специальные покрытия. Значительно возрастает водонепроницаемость бетона при использовании расширяющихся цементов.

Морозостойкость бетонов необходимо учитывать при строительстве сооружений, работающих в условиях многократного увлажнения и замораживания. Степень морозостойкости бетонов в различных условиях характеризуется маркой по морозостойкости. Марки бетонов по морозостойкости устанавливаются по количеству циклов замораживания и оттаивания, которые выдерживает бетон, не разрушаясь. Для тяжелых бетонов установлены марки Мрз 50, 100, 150, 200 и 300; для легких и ячеистых—Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100 и 200. Большей морозостойкостью обладают бетоны с более плотной структурой.

Расширение и усадка. Твердение бетона сопровождается изменением его объема. При твердении на воздухе он дает усадку (исключение составляет бетон на расширяющемся цементе). При усадке могут возникать трещины, которые снижают прочность бетона. Величина усадки зависит от вида цемента и условий твердения. Бетоны на пуццолановом портландцементе дают большую усадку, чем на обычном. При твердении во влажной среде и отсутствии испарения воды усадка будет минимальной. Если бетон твердеет в воде, его объем почти не изменяется.

Стойкость против коррозии. Коррозия — это разрушение структуры бетона под действием агрессивных жидкостей и газов.

С повышением степени водонепроницаемости бетона, а также при применении пуццоланового портландцемента и шлакопорт-ландцемента антикоррозионная стойкость бетона повышается.

Тепловыделение. В процессе твердения бетона при химическом взаимодействии цемента и воды выделяется тепло, которое вызывает расширение бетона. Это расширение по величине значительно больше усадки. Расширение особенно опасно в массивных конструкциях, где оно может привести к появлению трещин. Чтобы предотвратить расширение бетона, следует применять цементы с малым тепловыделением, не завышать количество цемента в 1 ж3 бетона, а также делать специальные температурные швы.

Классификация бетонов. Бетоны, применяемые в монолитных и сборных железобетонных конструкциях, разделяются по двум основным показателям: объемному весу и прочности.

В зависимости от объемного веса различают:
— тяжелые бетоны с плотными заполнителями (песок, щебень или гравий плотных пород) и объемным весом от 1800 до 2500 кг\мъ. Обычно применяют тяжелые бетоны с объемным весом 2200—2400 кг/м3. Значительный объемный вес снижает полезную нагрузку в несущих конструкциях, так как они должны воспринимать и свой собственный вес.

Тяжелые бетоны обладают высокой теплопроводностью, поэтому при применении тяжелого бетона в теплоограждающих конструкциях требуется дополнительная изоляция их малотеплопроводными материалами. Вот почему все более широкое применение находят легкие и ячеистые бетоны, обладающие наряду с небольшим объемным весом и малой теплопроводностью также значительной прочностью;

легкие бетоны с объемным весом 500—1800 кг/м3. Легкие бетоны изготовляют на легких пористых заполнителях или в виде крупнопористых (беспесчаных) бетонов с плотным заполнителем. Поры в этих бетонах расположены между зернами заполнителя;

особо легкие (ячеистые) бетоны с объемным весом менее 500 кг/м3, применяемые для теплоизоляции строительных конструкций, паропроводов и т. д.

Ячеистые бетоны получают из смеси вяжущего, воды и порообразующих добавок. В качестве порообразующих добавок применяют специально приготовленную пену (при производстве пенобетона) или газообразующее вещество, например алюминиевую пудру (при производстве газобетона).

По прочности на сжатие бетоны разделяются на марки: обычные бетоны — 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600, легкие — 15, 25, 35, 50, 75, 100, 150, 200 и 300, особо легкие —25, 35, 50, 75, 100, 150, 200.

Рис. 1. Схемы работы железобетонных балок:
а — обычной, б — предварительно напряженной; 1 — балки лежат на ровной площадке, 2 — балки установлены на место эксплуатации и воспринимают только собственный вес, 3 — к балкам приложена -эксплуатационная нагрузка, ft, ft, fi, fi — величины прогиба балок

Напряженный железобетон. Как известно, железобетонные конструкции значительно лучше сопротивляются растягивающим напряжениям, чем бетонные. Однако в растянутых зонах железобетонных конструкций можно наблюдать те же явления, что и в неармированном бетоне.

На рис. 1 приведена сравнительная схема работы обычной и предварительно напряженной железобетонных балок.

Рассмотрим работу железобетонной балки, лежащей на двух опорах и нагруженной силой Р. Под действием нагрузки балка прогибается. В нижней зоне возникают растягивающие усилия, и арматура, связанная с бетоном силами сцепления, растягивается вместе с ним. При удлинении, равном 0,1—0,15 мм на 1 м, в бетоне появляются мелкие трещины, а напряжение в арматуре в это время составляет всего около 300 кГ/см2, т. е. примерно 25% от допускаемого.

Дальнейший рост нагрузки ведет к увеличению размеров трещин. При использовании обычной арматуры с допускаемыми напряжениями 1200—1400 кГ/см2 возникающие при этих напряжениях трещины допустимы для тех железобетонных конструкций, от которых не требуется высокой водо- или газонепроницаемости. Если же трещины недопустимы, то в конструкцию необходимо закладывать дополнительную арматуру, что увеличивает стоимость конструкций и утяжеляет их.

Применять высокопрочную арматурную сталь, особенно с допускаемыми напряжениями порядка 9000—12 000 кг/см2, в обычных железобетонных конструкциях еще более нецелесообразно.

Фактическое напряжение в стержне прямо пропорционально полученному им удлинению и обратно пропорционально длине стержня.

Если изготовить две однотипные обычные железобетонные балки, в растянутых зонах которых будут уложены: в одной — обычная, а во второй — такое же количество высокопрочной арматуры, то под равной нагрузкой в растянутых зонах балок возникнут одинаковые растягивающие усилия, арматура в обеих балках, воспринимая эти усилия, получит равные удлинения, поэтому и напряжения в ней будут равными. Степень же использования прочности обычной и высокопрочной сталей будет при этом разной.

Практически максимальные напряжения в арматуре растянутой зоны обычных железобетонных изделий не должны превышать 1200—1400 кГ/см2, так как уже при этих напряжениях в бетоне образуются трещины, допустимые только для малоответственных изделий. 1200—1400 кГ/см2— это так называемые допускаемые напряжения для обычных арматурных сталей, т. е. такие напряжения, при которых стали будут работать надежно, имея необходимый запас прочности. Поэтому для обычной арматуры степень использования ее прочности в данном случае будет равна 100%, а для высокопрочной, имеющей допускаемые напряжения 9000—12000 кГ/см2,— всего 10—15%. Уменьшить количество высокопрочной арматуры (уменьшить величину F в вышеприведенной формуле) для повышения степени использования ее прочности нельзя, так как во сколько раз уменьшится сечение арматуры и увеличится напряжение в ней, во столько же раз увеличатся удлинение и соответственно трещины в бетоне, что недопустимо.

Стремление более полно использовать прочность арматуры привело к созданию предварительно напряженного бетона.

Сущность предварительного напряжения бетона заключается в том, что еще до приложения эксплуатационных нагрузок в зонах бетона, подвергающихся при эксплуатации растяжению, создаются сжимающие напряжения.

По способу создания таких напряжений в бетоне предварительно напряженные конструкции разделяются на две группы:
а) конструкции, при изготовлении которых арматуру натягивают до бетонирования на упоры формы или стенда. В процессе твердения натянутая арматура сцепляется с бетоном. По достижении бетоном определенной прочности (не менее 70% от проектной) натяжение снимается, при этом арматура, стремясь укоротиться, сжимает бетон;
б) конструкции, в которых арматуру натягивают после твердения бетона. В этом случае в бетоне оставляют специальные каналы, в которые заводят арматуру и натягивают ее, опираясь непосредственно на торцы напрягаемого изделия. После натяжения арматуры ее концы закрепляют на торцах, а каналы заполняют раствором.

Обратимся снова к рис. 1.

Положение 1 — готовые изделия лежат на ровной площадке.

Предварительно напряженная балка имеет прогиб в обратную сторону (выгиб). В зависимости от количества и места расположения напряженной арматуры верхний пояс балки может при этом испытывать как сжимающие, так и растягивающие напряжения.

Положение 2 — балки установлены на место и воспринимают только свой собственный вес. Обычная балка прогнулась и в растянутой зоне бетона возникли растягивающие напряжения.

Предварительно напряженная балка осталась в том же положении, так как условия опирания для нее практически не изменились.

Положение 3 — к балкам приложена эксплуатационная нагрузка Р, под действием которой прогиб балок увеличился. В обычной балке в бетоне растянутой зоны растягивающие напряжения еще более увеличились и появились трещины, а в предварительно напряженной сжимающие напряжения снизились. Это снижение может не доходить до нуля — тогда в растянутой зоне изделия бетон будет испытывать сжимающие напряжения, или переходить за нуль — тогда сжимающие напряжения перейдут в растягивающие.

Таким образом, предварительно напряженные балки работают в условиях, при которых в бетоне растянутой зоны конструкции растягивающие напряжения или совсем не возникают, или они незначительны и бетон в состоянии их выдерживать, не давая значительных трещин.

При производстве предварительно напряженных конструкций применяют следующие способы натяжения арматуры:

натягивают заранее уложенную арматуру с помощью гидравлических (иногда механических) домкратов или электротермическим способом;

непрерывно навивают предварительно или окончательно натянутую арматуру (как правило, проволоку диаметром 3— 5 мм) на штыри или упоры, установленные на поддонах или стендах.

В последнее время широкое распространение получил электротермический метод напряжения арматуры. Сущность этого метода заключается в том, что мерные стержни с высаженными головками или приваренными на концах анкерами удлиняются на специальных установках за счет нагрева при пропускании через них электрического тока, затем их в нагретом состоянии укладывают в упоры форм. Остывая, стержни укорачиваются, опираются своими головками на упоры и напрягаются.

Предварительно напряженные конструкции можно получить и без механического натяжения арматуры или ее нагрева. Для этого используют так называемый самонапрягающий бетон, в котором арматура напрягается бетоном, изготовленным на расширяющемся цементе. При твердении такого бетона сначала происходит схватывание и сцепление бетона с арматурой, а затем уже расширение. Так как арматура к этому времени прочно сцеплена с бетоном, она сопротивляется расширению и таким образом напрягается сама и обжимает бетон.