Прочность бетона и методы её определения¶

Прочность бетона — способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих от внешних нагрузок или других воздействий. Является ключевой характеристикой, определяющей несущую способность бетонных и железобетонных конструкций, и служит основным критерием при проектировании зданий, сооружений и инженерных объектов. В строительной практике под прочностью обычно понимают сопротивление сжатию, поскольку бетон хорошо работает именно на сжатие и значительно хуже — на растяжение и изгиб.

¶Физическая природа

Бетон представляет собой искусственный композитный камень, состоящий из цементного камня (вяжущее), заполнителей (песок, щебень, гравий) и воды, а также добавок. Прочность формируется за счёт гидратации цемента: продукты реакции заполняют пространство между зёрнами заполнителя и связывают их в единый монолит.

Разрушение бетона происходит по наиболее слабым зонам — контактной зоне между цементным камнем и заполнителем, а также по порам и микротрещинам. Поэтому прочность зависит не только от марки цемента, но и от плотности, водоцементного отношения, качества заполнителей и условий твердения.

¶Факторы, влияющие на прочность

Водоцементное отношение (В/Ц) — главный технологический фактор. С ростом В/Ц увеличивается пористость, и прочность падает. Зависимость описывается законом, установленным советским учёным Н. Н. Ляшенко и уточнённым Б. Г. Скрамтаевым.
Активность (марка) цемента — чем выше активность вяжущего, тем выше прочность при прочих равных условиях.
Качество и соотношение заполнителей — прочный, чистый щебень с шероховатой поверхностью улучшает сцепление.
Условия твердения — нормально-влажностные условия (температура около 20 °C, высокая влажность) обеспечивают полную гидратацию; пропаривание ускоряет набор прочности.
Возраст бетона — прочность растёт во времени, наиболее интенсивно в первые 28 суток.
Уплотнение и добавки — вибрирование снижает пористость, пластификаторы и ускорители корректируют свойства.

¶Классы и марки

В России прочность нормируется классами по ГОСТ 25192 и ГОСТ 26633. Класс обозначается буквой B и числом, показывающим гарантированную прочность на сжатие в МПа с обеспеченностью 95 %. Например, класс B25 означает прочность 25 МПа.

Ранее применялась марка M — среднее значение прочности без учёта статистической обеспеченности. Соотношение приблизительное: классу B25 соответствует марка M350. Основные классы: B7,5; B12,5; B15; B20; B22,5; B25; B30; B35; B40 и выше — для особо ответственных конструкций.

Помимо прочности на сжатие, нормируются прочность на растяжение при изгибе (для дорожных покрытий), на осевое растяжение и призменная прочность.

¶Методы определения

Прочность определяют двумя группами методов.

Разрушающие (прямые) методы основаны на испытании образцов:

Образцы-кубы размером 100, 150 или 200 мм испытывают на сжатие на гидравлическом прессе.
Образцы-призмы и цилиндры применяют для определения призменной прочности.
Балочки испытывают на изгиб.

Образцы твердеют 28 суток в нормальных условиях, затем разрушаются с фиксацией максимальной нагрузки. Метод даёт наиболее достоверный результат, но требует изготовления образцов и не позволяет оценить прочность готовой конструкции.

Неразрушающие методы позволяют контролировать прочность непосредственно в конструкции:

Ультразвуковой — по скорости прохождения ультразвука через бетон.
Склерометрический — по величине отскока бойка (молоток Кашкарова, прибор Шмидта).
Метод отрыва со скалыванием — оценивает усилие вырыва анкера.
Метод упругого отскока и пластической деформации.

Неразрушающие методы градуируются по предварительно построенным зависимостям «косвенный показатель — прочность».

¶Влияние условий эксплуатации

На прочность готовых конструкций влияют температура, влажность, агрессивные среды, циклы замораживания-оттаивания. При нагреве выше 200–300 °C прочность снижается из-за дегидратации цементного камня. Попеременное замораживание и оттаивание вызывает трещинообразование, что нормируется маркой по морозостойкости (F). Агрессивные среды (кислоты, сульфаты, морская вода) разрушают структуру, поэтому применяют сульфатостойкие и коррозионностойкие цементы.

¶Значение в строительстве

Прочность бетона — основа расчёта железобетонных конструкций по предельным состояниям. Именно она определяет несущую способность фундаментов, колонн, балок, плит перекрытий, мостов, гидротехнических сооружений. От класса бетона зависят расход арматуры, геометрия сечений и стоимость объекта. Контроль прочности на всех этапах — от подбора состава до приёмки готовой конструкции — обязательное требование нормативных документов, в том числе СП 63.13330.

¶Контроль качества

На производстве прочность контролируют по результатам испытаний контрольных образцов и статистической обработке. Для монолитного строительства широко применяют неразрушающий контроль. Существуют также методы оценки прочности по времени твердения с учётом температурной истории (метод зрелости бетона).

¶Источники

ГОСТ 25192-2012 «Бетоны. Классификация и общие технические требования»
ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжёлые и мелкозернистые. Технические условия»
ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам»
СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции»
Скрамтаев Б. Г., Шубенкин П. Ф., Баженов Ю. М. «Строительные материалы»