Основные прочностные характеристики бетона

Обновлено: 04.05.2024

Бетон – это искусственный строительный материал, получаемый в результате смешивания и затвердевания специально подобранной смеси, состоящей из вяжущего вещества, заполнителей различного размера и воды. Зачастую может содержать в своём составе специальные добавки.

Вяжущим элементом могут выступать:

цемент;
полимерцемент;
жидкое стекло.

Свойства бетона

Изначально это материал, обладающий грубой и неоднородной структурой. Однако производители по желанию заказчиков могут в процессе его изготовления задать необходимые свойства:

прочностные;
деформационные;
физические.

Свойства по прочности подразумевают нормативные или необходимые расчетные характеристики при:

сжатии;
растяжении;
сцеплении с арматурой.

Свойства по деформативности подразумевают происходящие изменения в процессе различного внешнего воздействия:

сжимаемость или растяжимость под нагрузкой;
ползучесть;
усадка;
набухание;
температурные деформации.

Основные физические свойства бетона включают параметры по:

водонепроницаемости;
устойчивости к воздействию различных температур, коррозии, кислот и иных агрессивных сред;
огнестойкости;
теплопроводности;
звукопроводности и прочие.

Классифицирующие характеристики

На физико-механические характеристики бетона оказывают непосредственное влияние:

способ изготовления;
вид вяжущего элемента;
вид крупного заполнителя;
вид мелкого заполнителя;
вода.

Данные характеристики определяются структурой материала, которые создают определенные условия для его затвердевания.

С учетом требований по основным физическим свойствам бетон классифицируется по следующим направлениям:

I. Структура

плотный бетон – все свободное пространство между веществами заполнителя занимает затвердевшее вяжущее вещество;
крупнопористый – свободное пространство между веществами заполнителя не полностью занято затвердевшим вяжущим веществом (обычно в нем мало песка или совсем нет его);
поризованный – в свободном пространстве между веществами заполнителя находится затвердевшее вяжущее вещество со специальными добавками, в результате чего образуются специфические поры;
ячеистый – в свободном пространстве между веществами заполнителя создаются искусственные замкнутые поры.

Прочность бетона напрямую зависит от повышения плотности его структуры. Подобрать требуемую заказчику плотность производитель может при помощи:

выбора оптимального зернового состава;
механического дополнительного уплотнения бетонной смеси во время изготовления;
использования большего количества цемента;
изменения в бетоне соотношения вода/цемент.

Более высокая марка цемента требует меньшего его количества для достижения необходимой прочности бетона.

II. Плотность

Измеряется соотношением массы материала на единицу объема. По степени средней плотности подразделяется на следующие категории:

особо тяжелые – более 2500 кг/куб.м;
тяжелые – 2200-2500 кг/куб.м;
облегченные – 1800-2200 кг/куб.м;
легкие – 500-1800 кг/куб.м.

III. Вид вяжущего элемента в бетоне

В качестве вяжущего элемента современные производители используют различные вещества, в соответствии с которыми он подразделяется на следующие виды:

цементный;
полимерцементный;
силикатный на извести;
гипсовый;
смешанный;
специальный с использованием разнообразных добавок.

IV. Вид заполнителя

В качестве заполнителя при изготовлении применяются:

плотный естественный материал (гравий или щебень горных пород, кварцевый песок);
пористый естественный материал (перлит, пемза, ракушечник);
искусственный материал (керамзит, шлак);
специальный материал, обеспечивающий стойкость бетона к различным термическим и химическим воздействиям.

Щебень является более дешевым материалом, способным быстрее обеспечивать заданную прочность.

Бетон подразделяется также на виды, исходя из применяемого в нем пористого заполнителя:

керамзитобетон;
шлакобетон;
перлитобетон;
пемзобетон и прочие.

V. Зерновой состав

Подразделяется на следующие виды:

крупнозернистый, в котором применяются крупные и мелкие заполнители;
мелкозернистый, в котором применяются только мелкие заполнители.

VI. Условия твердения

Подразделяется на следующие категории:

естественного твердения;
подвергнутый обработке в условиях атмосферного давления теплом и влагой;
подвергнутый автоклавной обработке в условиях повышенного давления.

Бетон для железобетонных конструкций

В железобетонных конструкциях (ЖБК), применяемых в современном строительстве, бетоны подразделяются на следующие виды:

Тяжелый. Данный вид бетона с плотной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и крупнозернистых плотных заполнителей. Он затвердевает при любых условиях и имеет среднюю плотность 2200-2500 кг/куб.м;
Мелкозернистый. Данный вид тяжелого бетона с плотной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и мелких заполнителей. Он затвердевает при любых условиях и имеет среднюю плотность более 1800 кг/куб.м;
Легкий. Данный вид крупнозернистого бетона с плотной поризованной структурой изготовлен с применением цемента в качестве вяжущего элемента и пористых заполнителей. Он затвердевает при любых условиях. При совпадении его основных физических свойств с тяжелым бетоном он применяется вместе с ним.
Ячеистый. Данный вид бетона затвердевает при применении специальной обработки.
Специальный напрягающий бетон.

По какой причине при создании железобетонных конструкций используют легкие и облегченные виды бетонов? Среди основных преимуществ их применения современные строители называют следующие возможности:

уменьшение на 25-40% массы ЖБК;
снижение стоимости ЖБК;
улучшение звукоизолирующих характеристик ЖБК;
повышение теплозащитных характеристик ЖБК;
повышение сейсмологической устойчивости ЖБК;
повышение огнестойкости ЖБК.

Легкие, ячеистые и поризованные виды бетона со средней плотностью менее 1400 кг/куб.м используют при создании железобетонных ограждений. Плотные мелкозернистые могут применяться вместе с тяжелыми видами, в качестве заполнения стыков и швов ЖБК. Особо тяжелые используют при строительстве специальных объектов, включая военные бункеры и атомные станции. Средняя плотность применяемого на таких объектах бетона составляет более 2500 кг/куб.м.

Основные физические свойства бетона

Водонепроницаемость материала характеризует возможности по защите от проникновения воды. Вода фильтруется в тяжелом бетоне и бетоне с пористыми заполнителями, поскольку у них соотношение вода/цемент > 0.2, и вся свободная вода при испарении создает поры в материале. Коэффициент фильтрации повышается при увеличении градиента напора. По этой причине при возведении напорных сооружений используют плотный бетон, в которых небольшой коэффициент фильтрации. Повысить плотность можно за счет использования специальных добавок. В ЖБК из-за дефектов структуры водонепроницаемость может значительно увеличиться.

Устойчивость к воздействию холодных температур (морозостойкость) заключается в возможности бетона в увлажненном состоянии не подвергаться разрушительному воздействию при его поочередном замораживании и оттаивании. Морозостойкий бетон способен выдержать от 50 таких меняющихся циклов. Основными факторами, оказывающими влияние на показатель морозостойкости, являются:

Устойчивость к воздействию высоких температур более 200°С (жаростойкость) заключается в способности бетона сохранять свою прочность в таких условиях. Под воздействием высоких температур происходит:

обезвоживание цементного камня;
деформация цементного камня;
деформация заполнителей.

Таким способом термическое воздействие приведет к разрушению тяжелого бетона и использующего пористые заполнители. Именно по этой причине обычный бетон запрещается использовать в южных регионах с температурой более 50°С.

Повысить жаростойкость материала позволяет использование специальных заполнителей:

базальт;
хромит;
шамот;
доменные шлаки.

Использование в качестве вяжущего элемента следующих веществ может также повысить жаростойкость:

глиноземистый цемент;
портландцемент с добавками;
жидкое стекло.

При охлаждении бетона его сцепление с металлическими элементами сохраняется, обеспечивая жаропрочность ЖБК.

На объектах, где планируется установка печей или тепловых агрегатов, рекомендуют использовать жаростойкий бетон.

Устойчивость к воздействию коррозии подразумевает способность бетона в процессе соприкосновения с внешней средой не вступать в химические реакции. Обычно для большинства бетонных конструкций не присущи экстремальные условия эксплуатации, поэтому коррозионные процессы не происходят. Появление жидкой или газообразной агрессивной среды может существенно снизить коррозионную стойкость материала.

Устойчивость к воздействию сверхвысоких температур более 1000°С (огнестойкость) означает способность бетона сохранять свои свойства в таких условиях. В ЖБК наиболее уязвимыми для пожара являются именно стальные элементы, поэтому для повышения их огнестойкости увеличивают на 3-4 см защитный слой бетона.

Прочность бетона зависит от многочисленных факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, вида напряженного состояния, формы и размеров образца, длительности загружения.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость загружения образцов. При замедленном их нагружении, прочность бетона оказывается на 10…15% меньше, чем при кратковременном статическом. При быстром загружении прочность бетона возрастает до 20 %.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при растяжении, срезе и скалывании; прочность при многократных повторных нагрузках, прочность при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.

Кубиковая прочность

В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику прочностных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие, устанавливаемая, как правило, путем испытания стандартных кубов размером 150×150×150 мм, испытанных при температуре (20 ± 2) °С через 28 дней твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. 20 °С и относительной влажности 90. 100%). Реже испытания проводят па цилиндрах диаметром (d) 100, 150, 200 и 300 мм с высотой h = 2d.

За кубиковую прочность бетона принимают временное сопротивление R эталонных кубов, определяемое по выражению:

где F – разрушающая нагрузка, Н;

А – средняя рабочая площадь образца, мм 2 ;

α – переводный коэффициент, зависящий от размеров образца. С уменьшением размеров поперечного сечения коэффициент а уменьшается. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров образца и расстояния между его торцами.

Различное сопротивление сжатию образцов разной величины (и формы) объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса.

Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. По мере удаления от торцов влияние сил трения уменьшается. Поэтому бетонный куб получает форму двух усеченных пирамид (рис.2, а). При отсутствии (или существенном уменьшении) сил трения характер разрушения меняется, происходит раскалывание куба по плоскостям, параллельным направлению действующей внешней нагрузки (рис.2, б).

Рис. 2. Характер разрушения бетонных кубов; а - при наличии трения по опорным плоскостям; б - при отсутствии трения по опорным плоскостям

Реальные железобетонные конструкции по своей форме значительно отличаются от кубов. Поэтому кубиковая прочность не может непосредственно характеризовать прочность сжатых участков железобетонных конструкций. Для этой цели используют другую характеристику - призменную прочность бетона.

Призменная прочность

Железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчетах прочности элементов конструкции. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность. Под призменной прочностью σ_bu понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы h к размеру а квадратного основания, равным 4.

В реальных конструкциях напряженное состояние бетона сжатой зоны приближается к напряженному состоянию призм. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. При отношении высоты призмы к стороне основания h /a > 4 влияние сил трения практически исчезает, и прочность становится постоянной и равной ≈ 0,75 R.

Прочность на осевое растяжение

Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности при растяжении цементного камня и его сцепления с зернами крупного заполнителя.

Рис.3. Схемы испытаний образцов для определения прочности бетона на растяжение

Опытным путем она определяется испытаниями на разрыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образцов в виде цилиндров, кубов или на изгиб бетонных балочек.

Прочность бетона на осевое растяжение имеет сравнительно небольшое значение.

Ориентировочное значение σ_bt можно определить по эмпирической формуле Фере:

где γ = 0,8 – коэффициент для бетонов класса В25 и ниже, γ = 0,7 – для бетонов класса В30 и ниже

Прочность бетона при срезе и скалывании

Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы.

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий.

Железобетонные конструкции редко работают на чистый срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание - действием поперечных сил.

Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию – при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.

В нормах временное сопротивление срезу и скалыванию не приводится, и его принимают приблизительно равным 2σ_btu

Прочность бетона при длительном действии нагрузки

Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения.

При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях, меньших, чем при кратковременной нагрузке. Это обусловлено влиянием развивающихся неупругих деформаций изменением структуры бетона.

При расчете прочности элементов в расчетное сопротивление бетона сжатиюR_bи растяжениюR_bt вводят коэффициент условия работы γ_b₂ , учитывающий влияние на прочность бетона вероятной длительности действии я расчетных усилий и условий возрастания прочности бетона во времени.

Прочность бетона при многократном действии нагрузки

Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках σ_f (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов нагрузки и разгрузки, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 1 000 000.

Предел выносливости бетона связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения, превышающие границы трещинообразования, то при большом количестве циклов наступает его разрушение.

Предел выносливости бетона σ_f определяют посредством умножения временных сопротивлений σ_bu иσ_btu бетона на коэффициент условий работы бетона γ_b₁.

Прочность твердого тела – способность сопротивляться внешним воздействиям не разрушаясь. Прочность на сжатие явл важнейшим классификационным показателем, характеризующим технические с-ва б-на.

В СНБ она обозначается fс и определяется как максимальное сжимающее напряжение в б-не при одноосном напряженном состоянии.

fcm-среднее значение прочности получаемое при испытании образцов.

F G _C_,_CUBE –гарантированная прочность б-на – на осевое сжатие с учетом статической изменяемости, установленное на кубах 150*150*150мм, гарантируемое предприятием изготовителем.

fck-нормативное сопротивление б-на сжатию - контролируемая прочностная х-ка б-на, определяемая с учетом статической изменчивости, нормативная обеспеченность которой -0,95.

fcd-расчетная прочность б-на-величина получаемая в результате деления fck на g_С (коэф безопасности=1,5(Б)

С –класс б-на по прочности на сжатие. Синтетическая мера качества б-на, соответствующая его гарантированной прочности.

С12/15 15 - гарантированная прочность изготовителем 12 – нормативная прочность б-на.

При контроле конкретных значений классов по прочности б-на появляется проблема выбора геометрии стандартного образца. В большинстве случаев испытаниям подвергают образцы цилиндрической и призматической формы. Исследованиями доказано, что образцы цилиндрической формы (d=150 и h=300мм) достаточно хорошо приближаются к прочности традиционных бетонов в сжатой зоне кон-ции и дают достаточно объективную оценку прочности б-на в условиях одноосного сжатия.

Однако при составлении СНБ учитывалось обстоятельство, что испытания кубов основной способ контроля б-на, поэтому в обозначении класса б-на прочность полученная в результате испытания кубов – знаменатель, числитель – нормативная прочность (испытания цилиндрических образцов).

Существует переходной коэф-т от гарантированной прочности к нормативной (Кр)-коэф-т призменной или цилиндрической прочности. (Кр=0,3-1,0 Кр=0,8 - разброс).

Поэтому нормативная прочность

Среднее значение прочности определяют с учетом гарантированной обеспеченности по ф-ле

fcm= fck+t*S fck= fck_0,05= fcm -t*S

где t- принятая обеспеченность при техническом измеринии 95% (t=1,64)

S- среднеквадратическое отклонение S≤5МПА

Для статической оценки показателей качества б-на используется з-н распределения случайных величин.

На кровай нормального распределения изменчивости прочности ось ординат с буквой n соответствует кол-ву испытаний, а ось абсцис fc – прочности образцов полученной в результате испытания.

Площадь заключенная под кривой нормального распределения есть область доверительной вероятности. Вершина этой кривой спроецированая на ось fc соответрствует средней прочности б-на (марка), а класс б-на находится в точке fck (в 5% квантили), ограничивающую площадь слева 5%.

При проектировании БК, ЖБК норм ы устанавливают следующие классы конструкционных б-нов по прочности на сжатие: С8/10, 12/15,16/20,20/25,25/30,30/37,35/45,40/50,45/55,50/60,55/67,60/75,70/85,90/105;

Легкие б-ны: LС12/15…LC45/50.

Бетонные кон-ции С8/10, ЖБК С12/15, преднапр С25/30.

Помимо прочностных х-к б-на на сжатие сущ нормативные и средние значения сопротивления и прочности б-на на растяжение.

Т.к определение прочности б-на трудоемкий процесс в расчетах допускается определение прочности на растяжение в зависимости от прочности на сжатие.

fctm =a_r*fcm 2/3

fcmk =0.7*fctm

нормативные документы допускают контроль прочности б-на на осевое растяжение косвенными методами, через прочность б-на на растяжение при изгибе f_ct_,_flи прочность б-на при скалыванииf_ct_,_sp

f_ct_,ах-прочность б-на на осевое растежение

f_ct,fl=Pn*l/b*h 2

f_ctsp=2Pn/П*а 2

помимо перечисленых х-к прочности б-на и видов б-на сущ ряд прочностей, которые определяют при расчетах кон-ций в зависимости от воздействий и условий эксплуатации:

-прочность на смятие (местное сжатие)

-просность на срез, кручение

-прочность при длительном действии нагрузки, кратковременном нагружении, циклическом нагружении.

Прочность б-на при длительном разрушении разрушается значительно быстрее со временем, чем при кратковременной нагрузке, т.к появившиеся пластические деф-ции увеличиваются, суммируются со временем и приводят к показателям качества кон-ции не соответствующим нормальной эксплуатации.

Прочность б-на не остается величиной постоянной, а нарастает с течением времени, причем наиболее интенсивно процесс протекает в течение 28 суток, а затем замедляется, но не прекращается, при условиях положительной т-ры (-5 0 С и необходимой влажности).

Средняя прочность б-на на сжатие в возрасте t сутокдля изделий подвергнутых тепловой обработке:

Структура оказывает решающее влияние на прочностные и деформативные характеристики бетона. Она грубо неоднородна и зависит от многочисленных факторов: зернового состава крупных и мелких заполнителей, объемной концентрации цементного камня, водоцементного отношения, способов уплотнения, условий твердения, степени гидратации цементного камня и др.

Структура бетона формируется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Поэтому бетон представляет собой капиллярно-пористый каменный материал, в котором нарушена сплошность и присутствуют все три фазы - твердая, жидкая и газообразная.

Структура цементного камня в бетоне также сложна и неоднородна. Цементный камень состоит из упругого кристаллического состава и наполняющей его вязкой массы - геля. Сочетание упругой и вязкой структурных составляющих цементного камня наделяет бетон свойствами упругопластично-ползучего тела. Эти свойства проявляются в поведении бетона под нагрузкой и в его взаимодействии с внешней средой. Для гидратации зерен клинкера и затвердения цементного камня в бетоне достаточно В/Ц не более 0,2. Для лучшей удобоукладываемости бетонной смесиВ/Ц увеличивают до 0,5. 0,6. Излишек воды испаряется и образует в цементном камне многочисленные поры и капилляры, что снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность. Общий объем пор в цементном камне при нормальных условиях твердения составляет 25. 40% от объема цементного камня. Размеры их весьма малы: 60. 80% объема пор приходится на долю капилляров с радиусом до 1 мкм (10 4 см). С уменьшением В/Ц пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому на предприятиях сборного железобетона применяют преимущественно жесткие бетонные смеси (В/Ц = 0,3. 0,4). Бетоны из жестких смесей обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Теории прочности (максимальных нормальных напряжений, максимальных касательных напряжений и др.), предложенные для других материалов, к бетону неприменимы. Прочностные и деформативные характеристики бетона в зависимости от его структуры устанавливают экспериментальным путем.

7.3. Основы прочности. Под прочностью твердого тела понимают его способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность бетона зависит от многочисленных факторов:

структуры, марки и вида цемента, водо-цементного отношения, вида и прочности крупных и мелких заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения. Определяющее влияние на прочность бетона оказывает взаимодействие твердой кристаллической части цементного камня с его пластичной гелевой частью. Во времени гелевая составляющая уменьшается, а кристаллическая - увеличивается. Соотношение во времени между двумя составляющими цементного камня в основном зависит от марки цемента и тонкости помола. Чем тоньше помол цемента, тем быстрее рост твердой кристаллической части.

В нашей стране в основном производится алитовый портландцемент. После твердения он обладает наибольшим отношением твердой кристаллической к пластичной гелевой составляющей цементного камня. Вследствие этого алитовый портландцемент оказывается наиболее прочным. При одноосном сжатии растягивающие напряжения в сплошной среде отсутствуют, хотя вокруг пор и пустот по продольным площадкам возникают растягивающие структурные напряжения, уравновешиваемые сжимающими напряжениями (рис. 16, а). Поэтому местные структурные напряжения в явном виде не учитывают, полагая, что влияние их сказывается при определении нормативных прочностных и деформативных характеристик бетона.

Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит взаимное наложение растягивающих напряжений (появляется вторичное поле напряжений). Концентрация местных растягивающих напряжений приводит к появлению и развитию микротрещин в бетоне еще задолго до его разрушения. При растяжении интенсивное развитие микротрещин происходит при напряжениях (временное сопротивление осевому растяжению) и непосредственно предшествует разрыву. Опыты показывают, что разрыв бетона происходит при определенном значении удлинения (продольного и поперечного) независимо от напряженного состояния, вызвавшего это удлинение.

Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, а также в размерах и расположении пор приводит к существенному разбросу показателей прочности эталонных образцов, изготовленных из одного бетона. Поэтому данные о фактической прочности и деформативности бетона основывают на большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях. На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов. При замедленном их нагружении прочность бетона оказывается на 10. 15% меньше, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 и менее) прочность бетона возрастает до 20%.

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность, прочность при срезе и скалывании, при многократно повторных нагрузках, при кратковременном, длительном и динамическом действии нагрузок.

7.4. Кубиковая прочность. В железобетонных конструкциях бетон преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную характеристику (эталон) прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Все другие прочностные характеристики (на растяжение, местное сжатие и др.) и модуль деформаций зависят от прочности бетона на осевое сжатие и определяются по эмпирическим формулам с помощью экспериментальных коэффициентов. Наиболее простым и надежным способом оценки прочности бетона в реальных конструкциях является раздавливание на прессе кубов бетона, изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции. За стандартные лабораторные образцы принимают кубы размером 15 х 15 х 15 см; испытывают их при температуре (20 4: 2) °С через 28 дн твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. 20°С и относительной влажности 90-100%).

Временное сопротивление эталонных кубов принимают за кубиковую прочность бетона.

В настоящее время широкое распространение получают экономичные неразрушающие методы оценки прочности бетона в реальных конструкциях и изделиях: ультразвуковые, просвечивание проникающими лучами.

На величину лабораторно оцениваемой прочности бетона существенно влияет форма и размеры образцов: например, чем меньше куб, тем она больше. Так, временное сопротивление сжатию бетонных кубов со стороной 10 см на 10% выше, чем прочность эталонных кубов, а прочность куба со стороной в 30 см ниже на 11. 13%.

Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, неоднородностью структуры бетона. Вблизи опорных плит пресса силы трения, направленные внутрь образца, создают как бы обойму и тем самым увеличивают прочность образцов при сжатии. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, поэтому бетонный куб при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами (рис. 16, б). При уменьшении сил трения посредством смазки (парафин, стеарин) характер разрушения меняется (рис. 16, г): вместо выкалывания с боков образца пирамид происходит раскалывание его по трещинам, параллельным направлению действия усилия. При этом временное сопротивление бетона сжатию уменьшается. Физическую сущность масштабного эффекта раскрывает статистическая теория прочности хрупких материалов.

В общем случае прочность бетона при осевом сжатии имеет три характерные границы. Первой границей является величина прочности бетона на многократно повторную нагрузку (предел выносливости бетона) (рис. 17, а), второй - предел длительного сопротивления бетона, и третий - кратковременное сопротивление бетона или призменная прочность бетона.

7.5. Призменная прочность. Под призменной прочностью понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы к размеру стороны квадрата, равном 4. Образцы призматической формы, для которых влияние сил трения меньше, чем для кубов, при одинаковом поперечном сечении показывают меньшую прочность на сжатие. В реальных конструкциях напряженное состояние бетона приближается к напряженному состоянию призм. Поэтому для расчета конструкций на осевое сжатие принята призменная прочность бетона, ее величина имеет максимальное значение при мгновенном загружении. При таком соотношении Н/b влияние опорных плит пресса в средней части призмы (участок разрушения), а также гибкости бетонного образца практически не сказывается. При этом имеется в виду, что эталонные призмы набирали прочность в нормальных условиях в течение 28 дней и что условия загружения соответствуют требованиям ГОСТа.

Призменная прочность равняется примерно 0,75 кубиковой прочности для класса бетона В25 и выше и 0,8 для класса бетона ниже В25.

7.6. Прочность при срезе и скалывании.Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы, например F/2 (рис. 18, а).

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий (рис. 18,6). Железобетонные конструкции редко работают на срез и скалывание. Обычно срез сопровождается действием продольных сил, а скалывание - действием поперечных сил. Сопротивление срезу может возникать в шпоночных соединениях и у опор балок, а сопротивление скалыванию - при изгибе преднапряженных балок до появления в них наклонных трещин, если не обеспечена надежная связь между верхней и нижней частями бетона на опорах.

7.7. Прочность при длительном действии нагрузки. Пределом длительного сопротивления бетона называют наибольшие статические неизменные во времени напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долгое время без разрушения. При длительном действии нагрузки бетонный образец разрушается при напряжениях меньших, чем при кратковременной нагрузке (рис. 18, в). Это обусловливается влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций и изменением структуры бетона и зависит от режима нагружения, начальной прочности и возраста образцов.

Длительное сопротивление (см. рис. 17, а) может составлять 90% кратковременного.

Поэтому при расчете прочности элементов в расчетное сопротивление бетона сжатию и растяжению, вводят коэффициент условия работы, учитывающий влияние на прочность бетона вероятной длительности действия расчетных усилий и условий возрастания прочности бетона во времени. Если вследствие нарастания прочности с течением времени уровень напряжений постепенно уменьшается, то фактор длительности приложения нагрузки может не оказывать влияния на несущую способность элементов.

7.8. Прочность при многократном действии нагрузки. Под прочностью бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках (предел выносливости бетона) понимают напряжение, при котором количество циклов, необходимых для разрушения образца, составляет не менее 10 6 . Установлено, что предел выносливости бетона уменьшается с уменьшением коэффициента асимметрии цикла (рис. 19, а). Предел выносливости бетона определяют посредством умножения временных сопротивлений бетона на коэффициент условий работы бетона.

Предел выносливости связан с нижней границей образования микротрещин. Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения выше границы трещинообразования, то при большом количестве циклов наступает его разрушение.

Длительное сопротивление материалов и их пределы выносливости в зависимости от режима нагружения, нелинейности деформирования, ползучести, возраста, начальной прочности могут быть рассчитаны по методике В. М. Бондаренко.

Бетоны высоких классов не дают заметного прироста прочности во времени. Твердение бетона значительно ускоряется с повышением температуры и влажности среды. Поэтому на предприятиях сборного железобетона изделия подвергают тепловлажностной обработке (температура до 90 °С и влажность до 100%) или специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170°С. Эти способы позволяют за сутки получить прочность бетона, равную 70% от проектной прочности.

При температурах ниже 4- 5 °С твердение бетонов существенно замедляется, а при температуре бетонной смеси -10 °С - практически прекращается (рис. 20, а). За 28 суток твердения при -5 °С бетон набирает не более 8% прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях, при 0°С-40. 50%, при +5°С-70. 80%. После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда оказывается ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях.

Под прочностью бетона понимают сопротивление материала разрушительным действиям внутреннего напряжения, вызванным различными факторами внешней среды. На стройматериал, находящийся в составе сооружения, оказывает влияние растяжение, сжатие, изгиб, кручения и срезы. Самые высокие показатели у прочности бетона на сжатие, а самые низкие у прочности на растяжение. Именно по этой причине сооружения в основном проектируют так, чтобы на бетонные элементы приходились по большей части сжимающие нагрузки. Если все же необходимо чтобы бетон выдерживал напряжения растяжения и среза, то конструкции усиливаются арматурой.

Классы бетона по прочности

Основная классификация бетона базируется именно на этой характеристике. Марка М15 отличается самой низкой прочностью, М800 наоборот самой высокой. Такая система дает возможность заранее спрогнозировать поведение той или иной марки, и выбрать материал, который будет полностью соответствовать расчетным нагрузкам.

Например, легкие ограждения и теплоизоляционные перегородки могут выполняться из марок М15-М50, М100-150 оптимальны для укладки монолитных оснований, а для ответственных ЖБ сооружений используют бетон не ниже М300.

Сегодня широко применяется также классификация бетона по прочности на сжатие В1 – В22. Различаются эти системы тем, что марки бетона рассчитываются по среднему, а классы по гарантированному фактическому значению прочности. Разрабатывая инженерно-проектную документацию, специалисты, как правило, оперируют понятием классов В. Среди строителей и в быту более понятной и привычной считается система марок.

Легко разобраться в соотношениях марок и классов можно, воспользовавшись следующей таблицой "Соотношение прочности бетона, соответствующих марок и классов по прочности на сжатие":

Соотношение прочности бетона, соответствующих марок и классов бетона по прочности на сжатие

Марка бетона по прочности на сжатие	Класс бетона по прочности на сжатие	Условия марка бетона*, соответствующая классу бетона по прочности на сжатие
Марка бетона по прочности на сжатие	Класс бетона по прочности на сжатие	Бетон всех видов, кроме ячеистого	Отличия от марки бетона (в %)	Ячеситый бетон	Отличие от марки бетона (в %)
М 15	В 1	-	-	14,47	-3,5
М 25	В 1,5	-	-	21,7	-13,2
М 25	В 2	-	-	28,94	15,7
М 35	В 2,5	32,74	-6,5	36,17	3,3
М 50	В 3,5	45,84	-8,1	50,64	1,3
М 75	В 5	65,48	-12,7	72,34	-3,5
М 100	В 7,5	98,23	-1,8	108,51	8,5
М 150	В 10	130,97	-12,7	72,34	-3,55
М 150	В 12,5	163,71	9,1	180,85	-
М 200	В 15	196,45	-1,8	217,02	-
М 250	В 20	261,93	4,8	-	-
М 300	В 22,5	294,68	-1,8	-	-
М 300	В 25	327,42	9,1	-	-
М 350	В 25	327,42	-6,45	-	-
М 350	В 27,5	360,18	2,9	-	-
М 400	В 30	392,9	-1,8	-	-
М 450	В 35	459,39	1,9	-	-
М 500	В 40	523,87	4,8	-	-
М 600	В 45	589,35	1,8	-	-
М 700	В 50	654,84	-6,45	-	-
М 700	В 55	720,32	2,9	-	-
М 800	В 60	785,81	-1,8	-	-
*Условная марка бетона - среднее значение прочности бетона серии образцов (кгс/см 2 ), приведенной к прочности образца базового размера куба с ребром 15 см, при номинальном значении коэффицента вариации прочности бетона.

От чего зависит прочность бетона

При выполнении любых строительно-монтажных работ очень важно соблюдать все условия, влияющие на прочность бетона в будущем сооружении. Основные факторы, задающие прочностные характеристики бетону:

Качество цемента. Из более прочного, быстро твердеющего и качественного цемента получается бетон с аналогичными показателями;
Объем цемента. Его количество на один кубометр должно быть таким, чтобы не оставалось пустот в песке, щебне или другом заполнителе. Образованию пустот способствует также и избыточное количество жидкости, которая при засыхании испаряется и понижает прочность бетона;
Заполнитель. От того, насколько качественный наполнитель напрямую зависит прочность готового материала. Однородность, чистота и правильная геометрическая форма гранул значительно упрочняют бетон;
Замешивание. Чем дольше и интенсивней замешивание, тем прочнее будет конечный результат;
Соблюдение правил и норм укладки смеси. Работая с цементным раствором, важно четко придерживаться технологии его нанесения. Использование специальных профессиональных вибраторов способно на 20-30% увеличить прочность бетона.

Методика определения прочности бетона

При промышленном производстве бетона или ЖБИ проводятся лабораторные исследования, выясняющие точную прочность бетона. Методы определения прочности регламентируются ГОСТами и СНиПами. Различают методы разрушающего и неразрушающего контроля. Первые считаются более точными, но их далеко не всегда можно применить на практике.

Связано это с тем, что разрушающие испытания требуют наличия анализируемого образца, извлечь который без нарушения целостности конструкции не представляется возможным. Поэтому чаще используют неразрушающие способы, основывающиеся на анализе показаний измерительных приборов.

Основные методы неразрушающего контроля

Анализ пластической деформации. Стальной шарик ударяется с поверхностью, оставляя на ней отпечаток. На измерении его размеров основывается вычисление прочности. Способ считается самым старым, дешевым и одновременно популярным. Зачастую испытания ведутся с помощью специального инструмента – молотка Кашкарова;
Определение упругого отскока. Определяется при помощи склерометра. При ударе рабочего тела по поверхности измеряется величина возвратного отскока;
Энергия удара. Это самый распространенный импульсный метод, использующийся в приборах, выпускаемых отечественными производителями;
Отрыв со сколом. Определяется уровень усилия, которое нужно приложить для отрыва анкера из куска бетона. Полученные показатели вписываются в паспорт на бетон.

Для готовых конструкций, которые эксплуатировались в определенный промежуток времени, используют ультразвуковой контроль прочности. Принцип измерения основан на определении скорости распространения ультразвуковой волны сквозь материал. Для этого с двух противоположных сторон устанавливают специальные преобразователи, передающие акустический контакт.

По существующим отечественным нормативам организации, изготавливающие бетон, должны использовать разрушающий контроль для проверки каждой партии на прочность. Застывший образец устанавливается под пресс и постепенно разрушается. Полученный показатель измеряется в кгс/см 2 и определяет основную марку материала.

Читайте также: