Основной закон прочности бетона

Обновлено: 30.04.2024

Закон прочности бетона устанавливает зависимость прочности от качества применяемых материалов и пористости бетона. Прочность вяжущего характеризуется его маркой (Rn), качество заполнителя коэффициентом А, а пористость косвенно определяется величиной водоцементного отношения В/Ц. Зависимость прочности от В/Ц является в сущности зависимостью прочности от объема пор, образованных водой, не вступающей в химическое взаимодействие с цементом.

Исследованиями И. Г. Малюги и Н. М. Беляева было установлено, что прочность плотно уложенного бетона прямо пропорциональна прочности цемента и обратно пропорциональна водоцементному отношению. Теория прочности бетона обоснована в трудах Б. Г. Скрамтаева и Н. А. Попова и получила развитие в работах И. Н. Ахвердова, Ю. М. Баженова, О. Я. Берга, И. А. Рыбьева и других советских ученых.

Кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при постоянном расходе цемента и способе уплотнения), приведенная на рис. 65, характеризует физический смысл закона прочности.

Рис. 65. Общая кривая зависимости прочности бетона от количества воды затворения (при определенном расходе цемента и способе уплотнения) : а — область недоуплотненных жестких бетонных смесей; б — то же, наибольшей прочности и плотности бетона; в — то же, подвижных бетонных смесей; г — то же, литых смесей оптимальное значение

Левая ветвь кривой принадлежит недоуплотненным бетонным смесям, слишком жестким для данного способа уплотнения. При возрастании количества воды затворения, т. е. В/Ц, эти смеси укладываются плотнее, и прочность бетона повышается. Наконец, при оптимальном (для данного способа уплотнения) количестве воды бетон имеет наибольшую плотность и прочность, что соответствует максимуму на кривой прочности. Дальнейшее увеличение количества воды разжижает бетонную смесь, повышает ее подвижность. Однако добавляемая вода лишь частично связывается вяжущим и поэтому образует в бетоне водяные полости: объем пор в бетоне возрастает, а прочность бетона понижается соответственно правой ветви кривой. Таким образом, для каждой смеси имеется

количества воды, которое позволяет получить при данном способе уплотнения бетон слитного строения с минимальной пористостью, а следовательно, с наибольшей прочностью.

§ 1. Физический смысл закона прочности бетона
Copyright © "Строим Домик" 2007 — 2022

Прочность бетона зависит от прочности составляющих его материалов и от прочности сцепления их друг с другом. Прочность заполнителя (песка, щебня, гравия) в тяжелом бетоне, как правило, выше заданной прочности бетона, поэтому мало влияет на последнюю. Таким образом, прочность бетона определяется в основном двумя факторами:

• прочностью затвердевшего цементного камня;

• прочностью его сцепления с заполнителем.

З-н прочности бетона устанавливает зав-ть прочности от кач применяемых мат и пористости бетона. Прочность вяж хар его маркой( Rц), кач зап-теля к-нтом А, а пористость косвенно опред велич водо-цем отн В/Ц. Зав-ть прочности от В/ц явл в сущности зав-тью прочности от объема пор, образов водой, не вступ в хим вз с цем.

Пористость бетона плотной ст-ры:

В, Ц расх воды и цем, w-кол-во хим связ воды

Рис. 66. Обобщенный график изменения прочности бетона: тяжелый бетон; б — легкий бетон (заполнитель — керамзит); Уц т — объемная концентрация цементного камня

Кривая объединяющая точки с оптимальными частными значениями В/Ц, выражает общую зависимость прочности бетона слитного строения от В/Ц. Она представляет гиперболу, отвечающую формуле Н. М. Беляева

Гиперболическую формулу прочности бетона можно преобразовать в более простую формулу

Рис. 67. Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента

Скрамтаева — Боломея, если выразить Re в зависимости от цементноводного отношения. Зависимость прочности бетона от величины Ц/В в общем виде выражается довольно сложной кривой. Для практических целей эту кривую заменяют двумя прямыми и соответственно получают две формулы: для бетона с Ц/В =1,4 — 2,5 и высокопрочных бетонов с Ц/В> >2,5 (рис. 67).

Формулой прочности бетона можно пользоваться только применительно к плотно уложенным бетонам, которые изготовляют из портландцемента, воды и заполнителей, удовлетворяющих требованиям стандартов.

Для обычных бетонов с Ц/В=1,4 — 2,5 формула прочности принимает вид

При высококачественных заполнителях (щебень из плотных изверженных горных пород, крупный песок с минимальным содержанием вредных примесей) Л = 0,65; для рядовых заполнителей Л = 0,6; при применении заполнителей пониженного качества Л = 0,55.

Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В>2,5, применяется формула

В этой формуле для высококачественных заполнителей A = 0,43, для рядовых Л-= 0,4.

Цемент при твердении химически связывает не более 20-25% воды от своей массы. Фактически же для обеспечения необходимой подвижности бетонной смеси берут 40-80% воды. Вода необходима также для смачивания поверхности песка и крупного заполнителя. Свободная, химически не связанная вода образует в бетоне поры. Чем больше пор, тем ниже будет прочность бетона.

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

R_б = А R_ц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),

где: R_б - прочность бетона, R_{ц -} марка (активность) цемента, В/Ц - водоцементное отношение,

где А - коэффициент, учитывающий качество заполнителей (0,65; 0,6 и 0,55), b - постоянный коэффициент (для Ц/В =1,4-2,5 b=-0,5, а для Ц/В=2,5-3,3 b=+0,5). Бетоны с высоким цементно-водным отношением относятся к высокопрочным бетонам.

При расчете состава бетона используют также:

- уравнение абсолютных объемов:

Ц/ _ц+ В/ _в+ П/ _п+ К / _к = 1000 л, где Ц, В, П, К - расходы на 1м 3 бетона соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг;

_ц, _в, _п, _к - истинная плотность зерен этих материалов, кг/дм 3 и

- уравнение, показывающее, что в плотно уложенном бетоне пустоты между зернами крупного заполнителя должны быть заполнены цементно-песчаным раствором с учетом некоторой раздвижки зерен:

Ц/ _ц+ В/ _в+ П/ _п= К / _нк. a_к .к_{разд ,} где _нк – насыпная плотность крупного заполнителя, кг/дм 3 ; a_к – пустотность крупного заполнителя; к_разд - коэффициент раздвижки зерен заполнителя.

Маркабетона по прочности - числовая характеристика, определяемая испытанием на одноосное сжатие стандартных образцов-кубов с ребром 150 мм, изготовленных из бетонной смеси рабочего состава и испытанных в возрасте 28 сут. после твердения в нормальных условиях. (М100, М150 . М800, кгс/см 2 - для тяжелых бетонов).

Классбетона (В) - числовая характеристика, определяемая величиной гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Это значит, что заданная прочность достигается в 95 случаях из 100.

Стандарт устанавливает следующие классы тяжелого бетона по прочности на сжатие (МПа): В3,5; В5; В7,5; . В60. Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона - марке (при нормативном коэффициенте вариации 13,5%) следует применять формулу:

= В/0,778.

Деформативные свойства. Под нагрузкой бетон ведет себя как упруго-вязко-пластичное тело. При небольших напряжениях бетон деформируется как упругий материал, а при больших напряжениях начинает проявляться пластическая (остаточная) деформация. Ползучесть - способность бетона к увеличению деформаций под действием постоянной нагрузки какого-либо вида сжатия, растяжения, изгиба. Деформации ползучести затухают через несколько лет эксплуатации конструкции.

Усадка и набухание связаны с физико-химическими процессами, происходящими в бетоне при твердении, и изменением его влажности. Усадка у бетонов колеблется в основном от 0,2 до 0,4 мм/м в годичном возрастн; величина набухания значительно меньше.

Сцепление с арматурой для тяжелого бетона на портландцементе составляет примерно 15-20% предела прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут.

Водонепроницаемостьбетона зависит от проницаемости цементного камня, заполнителя и контактной зоны. Характеризуется маркой по водонепроницаемости (МПа): W0,2; W0,4; W0,6; W0,8; W1,2.

► Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75. F500, обозначается цифрами 50-1000, означающими количество циклов замерзания-оттаивания, которые способен выдержать бетон.

Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м. 0 С) для тяжелых бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м. 0 С) для легких бетонов.

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) тяжелого бетона (10-12) . 10 -6 0 С -1 близок к КЛТР стали, что обеспечивает совместимость термических деформаций бетона и арматуры.

► Огнестойкость.Бетон - это материал с высокой огнестойкостью и низкой теплопроводностью. Он особенно подходит для защиты стальных конструкций, поскольку его коэффициент теплового расширения (около 0,00001 на 1° C для обычных смесей) почти такой же, как и у стали.

Исследованиями была установлена следующая зависимость:

где: R_б - прочность бетона, R_{ц -} марка (активность) цемента, В/Ц - водоцементное отношение, к и n - коэффициенты, зависящие от вида бетона и качества заполнителей (к=3,5 для щебня и 4 для гравия, n=1,5 для тяжелого бетона).

На практике при подборе состава бетона пользуются линейной зависимостью:

R_б = А R_ц (Ц/В b) (формула И.Боломея-Б.Г.Скрамтаева),

При расчете состава бетона используют также:

- уравнение абсолютных объемов:

Ц/ _ц+ В/ _в+ П/ _п+ К / _к = 1000 дм 3 , где Ц, В, П, К - расходы на 1м 3 бетона соответственно цемента, воды, песка и крупного заполнителя, кг; _ц, _в, _п, _к - истинная плотность зерен этих материалов, кг/дм 3 и

Морозостойкость определяет долговечность бетона и зависит от качества использованных материалов и капиллярно-пористой структуры бетона. Марки по морозостойкости: F50, F75. F500.

Теплопроводность изменяется от 1,3-1,7 Вт/(м. 0 С) для тяжелых бетонов до 0,2-0,7 Вт/(м. 0 С) для легких бетонов.

Для бетонов, различающихся по расходу цемента, получают ряд кривых, подобных приведенным на рис. 66.

где Re — прочность бетона при сжатии; Rn — активность цемента; k и п — параметры, зависящие от вида и качества заполнителей; для тяжелого бетона п=1,5, при щебне &=3,5, гравии k=4.

В действительности, как видно из рис. 66, имеется не одна кривая, выражающая зависимость Яб=/(В/Ц), а некоторая полоса, объединяющая опытные данные с учетом колебания прочности бетона вследствие влияния других факторов (содержания цементного теста, качества сцепления его с заполнителем, вида и прочности заполнителя и др.). Обычно цементное тесто заполняет пустоты между зернами заполнителя и лишь немного их раздвигает (на величину двух-трех средних диаметров цементных зерен). При таком сближенном («контактном») расположении зерен заполнителя его свойства будут оказывать заметное влияние на прочность бетона. Поэтому рекомендуется применять для тяжелых бетонов заполнитель с прочностью в 1,5 — 2 раза больше заданной марки бетона. При большом содержании цементного теста зерна заполнителя раздвинуты на значительные расстояния, они почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому решающее значение будет иметь прочность цементного камня и прочность сцепления его с заполнителем. Гиперболическую формулу прочности бетона можно преобразовать в более простую формулу

Рис. 67. Зависимость прочности тяжелого бетона от Ц/В при разных марках цемента

Для обычных бетонов с Ц/В=1,4 — 2,5 формула прочности принимает вид

Для высокопрочных бетонов, изготовляемых с Ц/В>2,5, применяется формула

В этой формуле для высококачественных заполнителей A = 0,43, для рядовых Л-= 0,4.

Можно получить график прочности бетона применительно к тому цементу и тем заполнителям, которые идут на приготовление бетона. Для этого нужно провести несложный опыт. Поскольку зависимость марки бетона от Ц/В (в пределах Ц/В=1,4 — 2,5) изображена отрезком прямой, то для получения графика требуется иметь две точки, а для этого нужно приготовить и испытать два состава бетона (например, с Ц/В =1,4 и Ц/В = 2,5). Полученный график дает возможность определить величину Ц/В, необходимую для любой заданной марки бетона, при этом определение Ц/В производится более точно, чем по формуле, в особенности, когда применяются методы ускорения твердения бетона (пропаривание и др.).

Формулы и графики используют в расчете состава бетона, который проверяют и уточняют с помощью пробного замеса.

Основной закон прочности является общим для материалов с конгломератной структурой, он распространяется на тяжелые и легкие бетоны, мелкозернистые бетоны и строительные растворы. Только параметры А и Ь, входящие в формулу прочности, будут иметь различные численные значения, зависящие от вида материала и заполнителя.

Читайте также: