Прочность и деформативность бетона

Обновлено: 04.05.2024

Бетон должен обладать заданными физико-механическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью (непроницаемостью) для защиты арматуры от коррозии.

Бетоны подразделяют по ряду признаков:

а) структуре— плотной структуры, у которых пространство между зернами заполнителя полностью занято затвердевшим вяжущим; крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; поризованные, т. е. с заполнителями и искусственной пористостью затвердевшего вяжущего; ячеистые с искусственно созданными замкнутыми порами;

б) средней плотности— особо тяжелые со средней плотностью более 2500 кг/м 3 ; тяжелые — со средней плотностью более 2200 и до 2500 кг/м 3 ; облегченные со средней плотностью более 1800 и до 2200 кг/м 3 ; легкие со средней плотностью более 500 и до 1800 кг/м 3 ;

в) виду заполнителей– на плотных заполнителях (песчаника, гранита, диабаза и др); пористых заполнителях (перлит, пемза, ракушечник и керамзит, шлак др), специальных заполнителях, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости .

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.

Факторы, влияющие на прочность бетона: зерновой состав(его подбирают так, чтобы объем пустот в смеси заполнителей был наименьшим),прочность заполнителейи характер их поверхности,марка цемента и его количество,количество водыи др.

2. Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Схема 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/С (отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси). Для химического соединения с цементом необходимо, чтобы W/С≈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 под влиянием текучести, имеют W/С=0,5. 0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют WС=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/С пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/С. 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 и

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 большом числе экспериментов, выполненных в лабораторных и натурных условиях.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий их эксплуатации нормы проектирования СП 52-101-2003 устанавливают показатели качества бетона (их несколько). Важнейшим из них является класс бетона по прочности на осевое сжатие В. Он указывается в проектах во всех случаях как основная характеристика бетона.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В называется наименьшее контролируемое значение временного сопротивления сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных после 28 суток твердения при температуре t = 20 ± 2°С и относительном влажности воздуха более 60% с соблюдением всех требований стандарта, которое принимается с доверительной вероятностью 0,95.

Для бетонных и железобетонных конструкций нормами проектирования СНиП 52-01-2003 по прочности на сжатие предусмотрены следующие классы тяжёлого бетона: В3,5; В5; В7,5; B10; B15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В65; В70; В75; В80; В85; В90; В95; В100; В105; В110; В115; В120.

Число, стоящее после буквы «В» в обозначении класса бетона, соответствует гарантированной прочности бетона на осевое сжатие, выраженной в МПа, с обеспеченностью 95%. Например, классу бетона В20 соответствует гарантированная прочность бетона 20 MПa.

Чтобы оценить количественно изменчивость прочности бетона и обеспечить её гарантированное для заданного класса бетона значение используют методы теории вероятностей.

Классы бетона по прочности на осевое растяжение (В_t0,4; В_t0,8; В_t1,2; В_t1,6; В_t2; В_t2,4; В_t2,8; В_t3,2; В_t3,6; В_t4; В_t4,4; В_t4,8; В_t5,2; В_t5,6; В_t6) устанавливаются для конструкций, работающих преимущественно на растяжение (например, стенок резервуаров и водонапорных труб).

Кроме того, при необходимости для более полной характеристики качеств бетона могут устанавливаться марки бетона по морозостойкости F, по водонепроницаемости W и по средней плотности D.

В п. 5.1.3. СНиП 52-01-2003 предусмотрены бетоны следующих марок:

- по морозостойкости F15, F20, F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500, F600, F700, F800, F900, F1000, они характеризуются числом циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, которые выдерживает бетон без снижения прочности более чем на 15%;

- по водонепроницаемости W2, W4, W6, W8, W10, W12, W14, W16, W18, W20;

число — величина давления воды в кгс/см 2 , при котором еще не наблюдается просачивания ее через испытуемый стандартный образец толщиной 15 см;

- по средней плотности от D 200 до D 5000, соответствует среднему значению объемной массы бетона в кг/м 3 .

Для напрягающих бетонов устанавливают марку по самонапряжению.

При необходимости устанавливают дополнительные показатели качества бетона, связанные с теплопроводностью, температуростойкостью, огнестойкостью, коррозионной стойкостью (как самого бетона, так и находящейся в нем арматуры), биологической защитой и с другими требованиями, предъявляемыми к конструкции.

Виды деформаций. Под деформативностью бетона понимается изменение его формы и размеров под влиянием различных воздействий (в том числе в результате взаимодействия бетона с внешней средой).

Бетон является упруго-пластическим материалом, в котором, начиная с малых напряжений, помимо упругих деформаций, появляются и неупругие остаточные или пластические, т. е. полная деформация без учёта усадки равна:

В бетоне различают деформации двух основных видов: объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки или изменения температуры, и силовые, развивающиеся главным образом в направлении действия сил. Силовым продольным деформациям также соответствуют некоторые поперечные деформации бетона; начальный коэффициент поперечной деформации бетона v равен 0,2 (коэффициент Пуассона). Причём v остаётся практически постоянным вплоть до напряжений . При этом относительная продольная деформация будет , апоперечная деформация .

Силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности её действия подразделяются на следующие три вида:

- при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой;

- при длительном действии нагрузки;

- при многократном повторном действии нагрузки.

Наибольший практический интерес представляют продольные деформации бетона при осевом сжатии. Для изучения деформативности бетона при сжатии используют бетонные призмы с h/a = 4, чтобы исключить влияние на получаемые результаты сил трения, возникающих между опорными гранями образца и плитами пресса. На боковые грани призм в средней их части по высоте устанавливают приборы для замера деформаций (рис. 2.4а) или наклеивают электротензодатчики.

Нагрузка к призме прикладывается постепенно по этапам или ступеням (ступень обычно составляет 1/10. 1/20 от ожидаемой разрушающей нагрузки). Если деформации на каждой ступени приложения нагрузки замерять дважды: первый раз сразу после приложения нагрузки и второй раз через некоторое время после выдержки под нагрузкой (обычно около 5 минут), то на диаграмме получим ступенчатую линию, изображенную на рис. 1.7б. Деформации, измеренные сразу после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, неупругие и на диаграмме имеют вид горизонтальных площадок. При достаточно большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может изображаться плавной кривой (рис. 2.4б).

Рисунок 2.4 – К определению продольных деформаций бетона при сжатии: а - опытный образец (призма) с наклеенными на боковых поверхностях электротензодатчиками; б - диаграмма при приложении нагрузки ступенями; 1 - прямая упругих деформаций, 2 - кривая полных деформаций

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Его длительность обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 2.5. Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня
напряжений и класса бетона, т. е. .

Полная относительная деформация при однократном загружении бетонной призмы кратковременно приложенной нагрузкой без учёта усадки бетона равна:

Рисунок 2.5 – Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями бетона при сжатии и растяжении: I – область упругих деформаций; II – область пластических деформаций; 1 – нагрузка; 2 – разгрузка; – предельная сжимаемость; – предельная растяжимость; – максимальная сжимаемость при нисходящей ветви диаграммы

т. е. она состоит из упругой части, равной и неупругой , которая после снятия нагрузки практически не исчезает. Точнее небольшая доля неупругих деформаций (около 10%) в течение некоторого времени после разгрузки исчезает. Эта часть пластической деформации называется деформацией упругого последействия ε_ер. Кроме того, исчезает упругая составляющая пластической деформации ε_е1 характеризующая обратимое сплющивание пустот цементного камня. Таким образом, после разгрузки бетона окончательно остается остаточная деформация, возникающая из-за необратимого сплющивания пустот цементного камня и излома их стенок ε_р_l₁ (рис. 2.5). R2- напряжение в момент, предшествующий началу интенсивного разрушения бетона (условная величина).

При невысоких напряжениях () превалируют упругие деформации (), а при бетон можно рассматривать как упругий материал. При осевом растяжении диаграмма имеет тот же характер что и при сжатии.

Деформации бетона при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки (t > 60 минут), даже постоянной, неупругие деформации с течением времени значительно увеличиваются. В реальных же условиях в процессе строительства зданий и сооружений идёт постепенное ступенчатое нагружение элементов.

Нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки называется ползучестью бетона. Деформации ползучести состоят из двух частей: пластической, протекающей почти одновременно с упругой, и вязкой, для развития которой требуется определённое время. Деформации ползучести развиваются, главным образом, в направлении действия усилий и могут превышать упругие в 3. 4 раза.

Загруженный в раннем возрасте бетон (при прочих равных условиях) обладает большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влажной. Технологические факторы также влияют на ползучесть бетона: с увеличением W/C и расхода цемента на единицу объёма бетонной смеси ползучесть возрастает; с повышением прочности зёрен заполнителя ползучесть уменьшается; с повышением класса бетона ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают несколько большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны. Ползучесть зависит от вида цемента.

Бетон искусственный камневидный материал получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего, воды и заполнителей.

Бетон как материал для железобетонных конструкций должен обладать определёнными, наперёд заданными физико-механическими свойствами: прочностными, деформативными и физическими свойствами.

хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью (непроницаемостью) для защиты арматуры от коррозии и др. Деформативность бетона не должна быть слишком большой.

Под прочностными свойствами бетона понимают нормативные и расчетные характеристики при сжатии и растяжении, сцепление бетона с арматурой.

Под деформативными свойствами понимают сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой, ползучесть и усадку, набухание и температурные деформации.

К физическим свойствам относят водонепроницаемость, морозо- и жаростойкость, коррозионную стойкость, огнестойкость, тепло- и звукопроводность и т.п.

Для изготовления бетонных и железобетонных конструкций предусмотрены следующие виды бетонов:

- тяжёлый средней плотности свыше 2200 до 2500 кг/м 3 (на плотных заполнителях);

- мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м 3 (на мелких заполнителях);

- лёгкий плотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях);

- ячеистый автоклавного и неавтоклавного твердения и др.

В качестве плотных заполнителей применяют щебень из дроблёных горных пород (песчаника, гранита, диабаза и др.) и кварцевый песок. Пористые заполнители могут быть естественными (перлит, пемза, ракушечник) или искусственными (керамзит, шлак и т. п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон и т. д.

В настоящее время в строительстве применяется много различных видов бетонов. Но для выполнения несущих конструкций зданий и сооружений наиболее широко используется тяжёлый бетон на цементном вяжущем и крупном плотном заполнителе из песчаника, гранита, диабаза и т. п. материалов со средней плотностью в пределах 2200 < ρ ≤ 2500кг/м 3 . Его свойства и рассматриваются ниже.

Структура бетона оказывает большое влияние на его прочность и деформативность. Чтобы уяснить это, вспомним схему физико-химического процесса получения бетона.

Для приготовления бетона берут в определённых пропорциях заполнители (песок, щебень или гравий), вяжущее (цемент) и воду. Кроме того, для придания бетону различных свойств (например, морозостойкости) дополнительно в небольших количествах могут вводиться различные добавки. Смесь заполнителей и вяжущего заливают водой. После затворения этой смеси начинается химическое взаимодействие между частицами цемента и водой (гидратация) в результате чего образуется цементное тесто. При перемешивании такой смеси цементное тесто обволакивает зёрна заполнителей и, постепенно затвердевая, превращает всю массу в монолитное твёрдое тело, способное нести нагрузку.

Следовательно, бетон представляет собой неоднородный искусственный каменный материал. Следует обратить внимание на то, что даже сам затвердевший цементный раствор (цементный камень) имеет также неоднородную структуру и состоит из упругого кристаллического сростка, растущего с течением времени, и наполняющей его вязкой студенистой массы (геля), количество которой постепенно уменьшается.

Таким образом, структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня (включающего кристаллический сросток, гель и большое количество пор и капилляров, содержащих воздух, водяной пар и воду), в котором хаотично расположены зёрна песка и щебня (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Структура бетона: 1 — цементный камень; 2 — щебень; 3 — песок; 4 — поры, заполненные воздухом и водой

Процесс твердения бетона при благоприятных температурно-влажностных условиях может длиться годами и носит затухающий характер. Этот процесс является экзотермическим, т. е. он идёт с выделением большого количества тепла.

Существенно важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является водоцементное отношение W/С — отношение веса воды к весу цемента в единице объёма бетонной смеси. Для успешного протекания реакции схватывания цемента и твердения цементного камня необходимо, чтобы W/C ≥ 0,2. Однако для достижения хорошей удобоукладываемости бетонной смеси приходится принимать W/C = 0,35. 0,7, т. е. вводить воду с избытком. Излишек воды в дальнейшем постепенно испаряется, и в цементном камне образуются многочисленные каналы (называемыми ещё порами или капиллярами), заполненные химически несвязанной водой, водяным паром и воздухом, которые оказывают давление на стенки. Это снижает прочность бетона и увеличивает его деформативность.

Общий объём пор в затвердевшем цементном камне достаточно велик и составляет при обычных условиях твердения бетона примерно 25. 40% от его видимого объёма. Причём, размеры поперечного сечения пор весьма малы: 60. 80% от общего количества всех пор имеют размеры поперечного сечения, не превышающие 0,001 мм. С уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона повышается. Кроме того, бетоны из жёстких смесей (W/C = 0,3. 0,4) при прочих равных условиях обладают меньшей деформативностью, требуют меньшего расхода цемента.

Процессы постепенного уменьшения объёма геля, кристаллообразования, испарения избыточной воды, происходящие в бетоне в течение длительного времени, обусловливают ряд его специфических свойств: изменение его прочности во времени, усадку, ползучесть.

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.

Обычный тяжелый бетон состоит из крупного и мелкого заполнителей, соединенных между собой с помощью цементного камня, а также воды и пор.

В нагруженном бетонном образце напряжения концентрируются на частицах с большим модулем упругости, а также в местах расположения пустот. При этом в сжатом образце вокруг пустоты или частицы заполнителя образуется поля как сжимающих, так и растягивающих напряжений. Разрушение бетонных образцов (кубов или призм) под действием продольной нагрузки происходит из-за разрыва бетона в поперечном направлении (вторичного поля напряжений).

R – кубиковая прочность бетона на сжатие. Определяется на образцах кубов с ребром 10, 15и 20 см. За эталон, в настоящее время, приняты кубы с ребром 15 см. Если принять прочность бетона эталонных кубов R, то прочность кубов с ребром 10 см составит 1,1R, апрочность кубов с ребром 20 см – 0,9R. Разрешается прочность бетона определяется на цилиндрах с высотой Н = 2Ø, Ø = 15,92см, А ≈ 200см 2 .

R_в – призменная прочность бетона. Определяется на образцах-призмах, с соотношением высоты к основанию h / a = 4.

Зависимость прочности бетона от высоты призмы

В общем случае зависимость между кубиковой и призменной прочностью выражается формулой

Rв = R(0,77 – 0,00125R) (МПа)

Rв = (0,8 – 0,75)R(МПа)

Изменение прочности бетона во времени

Прочность изменяется с течением времени и при изменении условий твердения. При благоприятных условиях прочность с течением времени возрастает, при неблагоприятных рост замедляется или полностью приостанавливается. Ростпрочности бетона со временем может определяться по формуле.

R₂₈ -прочность бетона после 28 суток твердения,

t – время, в сутках.

КЛАССЫ БЕТОНА

Нормами (СП 52-101-2003) установлены следующие классы для тяжелого бетона

от B10 через 5 до В6О.

на осевое растяжение «В_t».

КЛАССОМ БЕТОНА НА СЖАТИЕ «В» НАЗЫВАЕТСЯ ВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОСЕВОМУ СЖАТИЮ БЕТОННЫХ КУБОВ С РЕБРОМ 15 СМ., ИСПЫТАННЫХ ЧЕРЕЗ 28 СУТОК ТВЕРДЕНИЯ ПРИ t = 20 ± 2°C ПО ГОСТ С УЧЁТОМ С УЧЁТОМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

МАРКИ БЕТОНА

По морозостойкостиF от 50 до F500. Цифра определяет число циклов попеременного замораживания и оттаивания, образцов в водонасыщенном состоянии без снижения веса или прочности (до 20%).

По водонепроницаемости W в пределах W2 - W12.

Цифра показывает предельное давление воды в кг/см 2 , при котором ещё не наблюдается просачивания воды на поверхности образца.

По средней плотности D. Для тяжелого бетона D800-D2400.

Цифра означает среднюю плотность в кг/м 3 .

По самонапряжению Sр от Sp0,6 до Sp4.

Марка определяется значением преднапряжения в бетоне в МПа, создаваемого за счёт его расширения при наличии продольной арматуры в количестве 1%.(для бетонов на расширяющемся цементе).

Определение класса бетона по результатам
испытаний стандартных кубов

Класс бетона устанавливается при гарантированном значении прочности (95%).

• устанавливается среднее значение временного сопротивления при испытании серии бетонных кубов.

n - число испытанных кубов в серии,

R_i - частное значение прочности,

• находят среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии.

• Вычисляется коэффициент вариации

υ = S/R_m

υ зависит от технологии. Чем меньше значение υ, тем совершеннее производство. В настоящее время в нормах принят коэффициент вариации 0,135, (13,5%), который и является основным показателем однородности бетона.

• Определяется класс бетона.

k - статистический коэффициент, зависящий от числа кубов и требуемой степени надежности (обеспеченности) результатов. При n ≥ 30, k=1,64.

Деформативность – это свойство тела изменять размеры и форму под воздействием различных факторов.

Различают силовые и объемные деформации.

Объемные деформации – происходят вследствие физико-химических процессов при твердении бетона, испарения или поглощения воды, а также в результате изменений температуры. К ним относятся:

• деформации усадки, набухания, температурные.

Силовые деформации – это деформации под воздействием силовых факторов (М,N,Q), приложенных однократно или в течение времени.

Предельные деформации в сжатой арматуре не могут превысить предельных деформаций бетона при разрушении. Приравняв деформации в арматуры и бетона при разрушении, определяют максимально напряжения в сжатых стержнях.

s_sc = E_se_b,lim s_sc = 2·10 6 ·200·10 -5 = 4000 кгс/см 2 = = 400 МПа. (500 МПа).

Ползучесть бетона

Прочность и деформативность бетона

Прочностные свойства бетона

Читайте также: