1.1. БЕТОН
 
Бетон для железобетонных конструкций
I Бетон как материал для железобетонных конструкций должен обладать вполне определенными, наперед |вадаинымн физнко-механнческнми свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, до-|статочной плотностью (непроницаемостью) для защиты ^арматуры от коррозии.
£ В зависимости от назначения железобетонной конструкции и условий ее эксплуатации бетон должен еще удовлетворять специальным требованиям: морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании (на-|ирнмер, в панелях наружных стен зданий, в открытых сооружениях и др.), жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости |при агрессивном воздействии среды и др. Бетоны подразделяют по ряду признаков:  а) структуре — плотной структуры, у которых пространство между зернами заполнителя полностью занято раатвердевшим вяжущим; крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; порнзованные, т. е. с заполнителями и искусственной пористостью затвердевшего вяжущего; ячеистые с искусственно созданными замкнутыми порами; | б) средней плотности — особо тяжелые со средней |йлотностью более 2500 кг/м3; тяжелые — со средней плотностью более 2200 и до 2500 кг/м3; облегченные со средней плотностью более 1800 и до 2200 кг/м3;  легкие  со средней плотностью более 500 и до 1800 кг/м3;
в) виду  заполнителей —на   плотных   заполнителях; пористых заполнителях; специальных заполнителях, удовтворяющих требованиям биологической защиты, жастойкости и др.;
г)         зерновому составу — крупнозернистые с крупными и мелкими   заполнителями;   мелкозернистые с мелкими заполнителями;
д)         условиям твердения — бетон естественного твердения; бетон, подвергнутый   тепловлажностной обработке при атмосферном давлении;   подвергнутый автоклавной обработке  при  высоком   давлении.
Сокращенное наименование бетонов, применяемых для несущих железобетонных конструкций, установлено следующее:
тяжелый бетон — бетон плотной структуры, на плотных заполнителях, крупнозернистый, на цементном вяжущем, при любых условиях твердения;
мелкозернистый бетон — бетон плотной структуры, тяжелый, на мелких заполнителях, на цементном вяжущем при любых условиях твердения;
легкий бетон —бетон плотной структуры, на пористых заполнителях, крупнозернистый, на цементном вяжущем, при любых условиях твердения.
В качестве плотных заполнителей для тяжелых бетонов применяют щебень из дробленых горных пород — песчаника, гранита, диабаза и др. — и природный кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть естественными— перлит, пемза, ракушечник и др. — или искусственными — керамзит, шлак и т. п. В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон шлакобетон, перлитобетон и т. д.
Бетоны порнзованные, ячеистые, а также на пористых заполнителях со средней плотностью 1400 кг/м3 и менее применяют преимущественно для ограждающих конструкций. Бетоны особо тяжелые применяют в конструкциях для биологической защиты от излучений. Чтобы получить бетон, обладающий заданной прочностью и удовлетворяющий перечисленным выше специальным требованиям, подбирают по количественному соотношению необходимые составляющие материалы: цементы различного вида, крупные и мелкие заполнители, добавки различного вида, обеспечивающие удобоукладываемость смеси или морозостойкость, и т. п.
На прочность бетона оказывают влияние многие факторы: зерновой состав (его подбирают так, чтобы объем пустот в смеси заполнителей был наименьшим), прочность заполнителей и характер их поверхности, марка цемента и его количество, количество воды и др. При meteррховатой и угловатой поверхности заполнителей повы-щается их сцепление с цементным раствором, поэтому батоны, приготовленные на щебне, имеют большую прочность, чем бетоны, приготовленные на гравии. Вопросы подбора состава бетона излагаются в курсах строительных  материалов.
Необходимая плотность бетона достигается подбором зернового состава, высококачественным уплотнением бетонной смеси при формовании, применением достаточного количества цемента, которое колеблется от 250 до 500 кг/м3. Повышение плотности бетона ведет и к повышению его прочности. Чтобы сократить расход цемента, марка его должна быть выше требуемой прочности бетона.
2. Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность
Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. Чтобы уяснить этот вопрос, рассмотрим схему физико-химического процесса образования бетона. При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель — студнеобразная пористая масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию, частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов. В процессе перемешивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы постепенно соединяются в кристаллические сростки, растущие с течением времени. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый материал—бетон.
Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением W/C (отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси). Для химического соединения с цементом необходимо, чтобы W/C«0,2. Однако по технологическим соображениям — для достижения достаточной   подвижности и удобоукладываемости   бетонной смеси — количество воды берут с некоторым избытком.. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму цод влиянием текучести, имеют W/C=0,5...0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют W/C—0,3...0,4.
Избыточная, химически несвязанная вода частью вступает впоследствии в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а частью заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя и стальной арматурой и, постепенно испаряясь, освобождает их. По данным исследований, поры занимают около трети объема цементного камня; с уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных нзделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C. Бетоны из жестких смесей обладают большей прочностью, требуют меньшего расхода цемента и меньших сроков выдержки изделий в формах.
Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной: она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебня различной крупности и формы, пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы — твердая, жидкая н газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из упругого кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы — геля.
Длительные процессы, происходящие в таком материале,— изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристаллических сростков — наделяют бетон своеобразными упруго-пластическими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей  среды.
Исследования показали, что теории прочности, предложенные для других материалов, к бетону неприменимы. Зависимость между составом, структурой бетона, его прочностью и деформативностью представляет собой задачу, над которой работают исследователи. Суждения о прочности и деформативности бетона основаны на бояь-ккш числе экспериментов, выполненных & лабораторных и   натурных условиях.
Усадка бетона и начальные напряжения
Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набухание бетона). Бетоны, приготовленные на специальном цементе (расширяющемся или безусадочном-), не дают усадки. Усадка бетона, как показывают опыты, зависит от ряда причин: 1) количества и вида цемента — чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка, при этом высокоактивные и глиноземистые цементы дают большую усадку: 2) количества воды — чем больше W/C, тем больше усадка; 3) крупности заполнителей — при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка   больше.
Влияние заполнителей на уменьшение усадки тем сильнее, чем выше их способность сопротивляться деформированию, т. е. чем выше нх модуль упругости. При разной крупности зерен заполнителей и меньшем объеме пустот меньше и усадка. Различные гидравлические добавки и ускорители твердения (например, хлористый кальций), как правило, увеличивают усадку.