Основные физико-механические св-ва бетона

Под бетоном понимают комплексный строитель­ный материал, в котором крупные и мелкие каменные заполнители, со­единенные вяжущим (цемент, жидкое стекло, полимерцемент), сопротив­ляются нагрузкам как одно монолитное тело.

Бетоны классифицируют по следующим признакам: основному назначению — конструкционные, специаль­ные; по виду вяжущего — цементные, силикатные, шла­ковые и т.д.; по виду заполнителей — плотные, пористые, на специальных заполнителях; по структуре — плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.

Для удобства введены сокращенные наименования основных видов бетонов: тяжелый бетон — плотной структуры, на цементном вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях; легкий бетон — на цементном вя­жущем, пористом крупном и пористом или плотном мел­ком заполнителе. В качестве плотных заполнителей для тяжелого бетона применяют щебень из дробленых гор­ных пород и природный кварцевый песок. Пористые за­полнители могут быть естественные — пемза, ракушеч­ник и т. п. или искусственные — керамзит, шлак и т. п. Оба указанных вида бетона используют для несущих конструкций зданий и сооружений.

Существуют также специальные виды бетонов: жаро­стойкие — предназначенные для использования в конст­рукциях, эксплуатирующихся при t>200 °С; химически стойкие — используемые в условиях агрессивных сред; напрягающие (на основе напрягающего цемента) — предназначенные для создания предварительного напря­жения в конструкциях; радиационно-защитные большой массы — применяемые для биологической защиты от из­лучений и т. п. В последние годы распространение полу­чают бетонополимеры, представляющие собой обычные бетоны, пропитанные полимерами или мономерами с их последующим отверждением, и полимербетоны, в кото­рых в качестве вяжущего используют полимеры. Эти бе­тоны обладают повышенной прочностью, особенно на растяжение, и высокой химической стойкостью, однако имеют пока относительно высокую стоимость, низкий модуль деформаций (у полимербетонов) и не­применимы в сооружениях с повышенной темпера­турой.

Для дорожных и аэродромных покрытий, полов пром-зданий и т. п. находят применение бетоны, дисперсно ар­мированные волокнами (стальными, синтетическими и др.). Этот вид бетона, называемый фибробетоном, обладает повышенной растяжимостью и сопротивляемо­стью ударным воздействиям.

К физическим свойствам бетона относят водонепроницаемость, морозо- и жаростойкость, коррозионную стойкость, огнестойкость, Тепло- и звукопроводность, кислотостойкость и др.

Физико-механические свойства бетона зависят от способа его изго­товления и материалов: вяжущего, крупного и мелкого заполнителя и воды,. Они определяются структурой бетона и условиями его твердения.

Морозостойкость — способность материала в увлажненном состоя­нии сопротивляться разрушающему воздействию попеременного замора­живания и оттаивания. Бетон является морозостойким, если он выдержи­вает 50...500 и более циклов попеременного замораживания и оттаивания. Решающее влияние на морозостойкость бетона оказывают водоцементное отношение и структура.

Водонепроницаемость — способность материала не пропускать воду. Тяжелый бетон и бетон на пористых заполнителях фильтруют воду. Это обусловлено тем, что при водоцементном отношении В/Ц> 0,2 сво­бодная вода, не связанная химически с цементом, при испарении образу­ет в бетоне поры. Значение коэффициента фильтрации возрастает с уве­личением градиента напора. Поэтому в напорных сооружениях применя­ют плотные бетоны с ограниченным коэффициентом фильтраций. Плот­ность бетона повышают посредством разнообразных добавок. Водопроницаемость железобетона существенно может увеличиться в результа­те дефектов его структуры под горизонтально расположенными стержня­ми, образуя там сквозные каналы.

Огнестойкость — способность материала сохранять прочность при пожаре (1000...1100 °С). Бетон является более огнестойким материалом, чем сталь, так как при температурах пожара он практически сохраняет свои прочностные и деформативные свойства. Конструкции из стали об­рушиваются уже при температуре 600...700 °С. Повышение огнестойко­сти железобетонных конструкций достигается увеличением защитного слоя бетона до 3...4 см.

Жаростойкость — способность бетона сохранять прочность при длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С). Длительное воздействие высоких температур разрушает обычный тяжелый бетон и бетон на пористых заполнителях вследствие обезвоживания цементного камня, деформаций цементного камня и заполнителей. Поэтому нормы запрещают применять обычный бетон при длительном воздействии тем­ператур свыше 50 °С. В целях увеличения жаростойкости бетона приме­няют специальные заполнители: базальт, диабаз, хромит, шамот, домен­ные шлаки и вяжущее: глиноземистый цемент, портландцемент с добав­ками, жидкое стекло. В охлажденном состоянии сцепление бетона с арма­турой периодического профиля сохраняется. Жаростойкий бетон применяют для фундаментов доменных печей и разнообразных тепловых агрегатов, туннельных печей.

Коррозионная стойкость — способность материала не вступать в химическую реакцию с окружающей средой. Эксплуатационные условиябольшинства зданий и сооружений являются нормальными для бетона, поэтому в нем не происходит никаких коррозионных процессов. В агрес­сивных средах (жидких или газообразных) коррозионная стойкость бето­нов снижается.

№3 Основные деформативно-прочностные св-ва бетона. Классы и марки.

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

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

Прочность бетона. Прочность бетона зависит от ря­да факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, фор­ма и размеры образцов, длительность нагружения. Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 сут. для портландцемента). В даль­нейшем нарастание прочности замедляется, но при поло­жительной температуре и влажной среде продолжается еще годы. Твердение бетона существенно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью ЖБ изделия подвергаются тепловлажностной или автоклавной обработке.Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях.

Кубиковая прочность R. —временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Вследствие влияния сил трения прочность кубов зависит от их размеров. Чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Поскольку реальные конструкции по форме отличаются от кубов, кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется,а служит только для контроля качества бетона.

Призменная прочность — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы влияние трения на прочность образца уменьшается. При h/a>4 оно практически исчезает, а прочность становится посто­янной и равной 0,75 R (рис. 1.2, в). Значение R_b при­меняют в расчетах прочности сжатых и изгибаемых эле­ментов. Призменная прочность: R_b= φ_bR

где φ_b — экспериментальный коэффициент, φ_b = 0,77— —0,001R> 0,721.

а)хар-ер разрушения бетонных кубов

б) схема испытания призмы

1-обкладка преса;2-стандартный образец для испытаний.

Прочность при растяжении R_btзависит от прочно­сти цементного камня и сцепления его с заполнителем. При осевом растяжении прочность бетона в 10...20 раз меньше прочности на сжатие. При этом с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается. Прочность при растяже­нии: R_bt=5R(45+R)

Опытным путем R_bt определяют испытаниями на раз­рыв образцов в виде восьмерок, на раскалывание образ­цов в виде цилиндров или на изгиб бетонных балок.

Прочность при местном сжатии R_b,loc имеет место, когда нагрузка действует не на всю площадь элемента, а на ее часть. В этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем R_b, ввиду того, что в работе участвует также бетон, окружающий площад­ку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность при местном сжатии: R_b,loc=φ_bR_b,где

φ_b= ,где

A_loc1 — площадь смятия;A_loc2—расчетная площадь, включающая площадку смятия и дополнительный уча­сток

Прочность на срез. В реальных конструкциях срез в чистом виде обычно не встречается; ему сопутствуют продольные усилия. Значение временного сопротивления срезу R_b,shв нормах не приводится, однако при необхо­димости может быть определено по эмпирической фор­муле:

R_b,sh=0,7 Прочность при повторных нагрузках (несколько миллионов циклов) под влиянием структурных изменений снижается. Это обстоятельство нужно учитывать при расчете шпал, подкрановых балок, мостов. Предел вынос­ливости (временное сопротивление при многократно по­вторных нагрузках) должен быть больше напряжения, при котором в бетоне об­разуются структурные микротрещины R_b,crc

Прочность при длительных и быстрых нагружениях. При испытании бетонных образцов в лабораторных условиях нагружение осуществляют достаточно быстро [V =20...30 Н/(см²-с)]. Реальные конструкции находят­ся под действием нагрузки десятки лет. В этом случае в бетоне развиваются структурные изменения и неупру­гие деформации, приводящие к снижению его прочности. Предел длительного сопротивления бетона естественного твердения осевому сжатию принимается 0,9 R_b. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, удар взрыв) бетон разрушается при больших напряжения (1,1...1,2) R_b

Деформативность бетона, Деформации могут быть силовые, развивающиеся под действием внешних сил, и температурно-влажностные, развивающиеся, в результате взаимодействия бетона с внешней средой.

Деформации бетона под нагрузкой. Различают силовые деформации при однократном кратковременном, длительном, а также многократно-повторном нагружениях.

1.Деформации при однократном кратковременном нагружении. Наибольшее практическое значение имеют деформации при осевом сжатии. Если бетонную призму нагружать по этапам, замеряя деформации дважды: сразу после приложения нагрузки и через некоторое время; после выдержки под нагрузкой, то на диаграмме "σ-ε"получают ступенчатую линию. Полные деформации будут складываться из упругих ε _е, возникаю­щих непосредственно после приложения нагрузки, и пла­стических ε_pl, развивающихся во времени. Из диаграммы видно, что при небольших напряжениях (σ_b< 0,2R_b ) бе­тон можно рассматривать как упругий материал (уча­сток 0 —1). При 0,2R_b< σ_b<0,5R_b, возникают неупругие деформации, вызванные уплотнением геля (участок 1- 2). После образования микротрещин R_b,crcрост пласти­ческих деформаций становится более интенсивным (уча­сток 2 — 3). При дальнейшем увеличении нагрузки микротрещины объединяются и образец разрушается — точ­ка 4 соответствует предельному сопротивлению образца R_bи деформациям ε _b,c,u.Если по мере падения сопротивления бетона удается в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы (4 —5). Знать, как работает бетон на этом участке, важ­но для ряда конструкций и видов нагружения.

При разгрузке с некоторого уровня напряжений, соответствующего восходящей ветви, до нуля в образце бу­дут иметь место остаточные деформации, которые со временем несколько уменьшаются (примерно на 10%). Это явление называется упругим последействием ε _ер. Харак­тер диаграммы «σ-ε» бетона при растяжении аналоги­чен рассмотренному.

Связь между напряжениями и деформациями при небольших напряжениях (σ_b< 0,2R_b) устанавливается законом Гука ε _b = σ_b /Е_ь,где Е_ь =tga₀ — начальный модуль упругости. Модуль упругости зависит от марки бетона. При σ_b>0,2R_b зависимость "σ-ε" нелинейная, модуль в каждойточке диаграммы — переменный,и определение полных деформаций является затруднительным.

Для практических расчетов было предложено выражать.напряжения через полные деформации бетона спомощью упругопластического модуля деформаций Е_b,_р1=tga_1. Выразив одно и то же напряжение в бетоне через упругие и полные деформации, получают Е_b,_р1=ν Е_b где

ν; = ε _е / ε _b — коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние сжатого бетона; он изменяется от 1(при упругой работе) до 0,45 при кратковременном нагружении; при длительном действии нагрузки ν = 0,1....0,15

При растяжении Е_b,_р1=ν_t Е_b где

ν_t =0,5 - коэффициент, характеризующий упругопластическое состояние бетона при растяжении,

Модуль сдвига бетона: _b=0,4 Е_b

2.Деформации при длительном действии нагрузки. Придлительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая| интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3...4 мес.

Ползучестью называют свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при σ_b<0,5R_b Увеличение деформаций ползуче­сти примерно пропорционально увеличению напряжений. При σ_b<0,5R_b в бетоне возникают микротрещины, ли­нейная зависимость нарушается, наступает нели­нейная ползучесть.

Ползучесть бетона затухает во времени, так как вследствие перераспределения усилий напряжения в ге­ле снижаются, а упругость кристаллического сростка возрастает.

Опыты показывают, что независимо от того, с какой скоростью V достигнуто напряжение σ_b, конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми Деформации ползучести увеличиваются с уменьшени­ем влажности среды, увеличением В/Ц и количества це­мента. Бетон, нагруженный в более раннем возрасте, об­ладает большей ползучестью. С повышением прочности бетона и прочности заполнителя ползучесть уменьшает­ся. У малых образцов при прочих равных условиях пол­зучесть проявляется сильнее, чем у больших.

Для количественного определения деформаций ползу­чести при сжатии обычно вводят понятия меры и харак­теристики ползучести.

Мера ползучести С_t представляет собой деформацию ползучести в момент времени t, со­ответствующую приращению напряжения 0,1 МПа. При напряжениях в бетоне σ_b ε _pt(t) = σ_b С_t

Характеристика ползучести φ_t равна отношению деформаций ползучести в момент времени t к мгновенной деформации φ_t= ε _pt(t)/ ε_e

Значения φ для обычных тяжёлых бетонов изменяются в пределах 1...4.

Предельные деформации бетона, т.е. деформации перед разрушением, зависят от многих причин и изменяются в значительных пределах. Для расчетов принима­ют: при осевом кратковременном сжатии ε _bcu = 2*10^-3, длительном ε _bcu = 2,5*10^-3, при изгибе и внецентренном сжатии ε _bcu = 3,5*10 ^-3, при центральном растяжении ε _bcu = 1,5*10 ^-4.

3. Деформации при многократно-повторных нагружениях. Многократно-повторные нагружения и разгрузки бетонных образцов приводят к накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого количества циклов пластические деформации достигают предельного значения и бетон начинает работать упруго. Такой ха­рактер работы имеет место, когда напряжения в бетоне не превышают предела выносливости. При больших мно­гократных напряжениях неупругие деформации возрас­тают, вызывая разрушение образца.

Температурно-влажносгные деформации бетона:

1. Деформации бетона от действия температуры. Твердение бетона сопровождается выделением теплоты, и при последующем неравномерном остывании появля­ются значительные температурные деформации. Темпе­ратурные деформации возникают также в конструкциях, Подверженных атмосферным воздействиям или измене­ниям технологических температур. Особое значение име­ют температурные воздействия на бетон массивных конструкций (например, гидротехнических) и статически не­определимых систем большой протяженности, вызывая дополнительные усилия в элементах. Оп­ределение температурных деформаций бетона произво­дят по формулам сопротивления материалов, принимая средний коэффициент линейной температурной деформа­ции при — 50°С<t<+50°С равным 1 *10^-5 град^-1.

2. Влажностные деформации бетона. Бетон, твердея и различных средах, изменяет свой объем.

Свойство бетона уменьшаться в объеме при тверде­нии в сухой среде называют усадкой, при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объеме — происхо­дит набухание. Различают усадку обратимую — связан­ную с испарением свободной воды в цементном камне и необратимую, происходя­щую в результате потери химически связанной влаги на гидратацию цемента и, как следствие, уменьшения объ­ема геля.

Усадка тем больше, чем больше содержание в бе­тоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. При твердении в воде увеличивается количество свободной воды в цементном камне, что вызывает явле­ние, обратное усадке, — набухание.

Усадка повышает сцепление бетона с арматурой, вызывая ее обжатие, что является положительным факто­ром. Однако неравномерная усадка разных слоев бетона (у поверхности — в большей степени, во внутренних сло­ях — в меньшей) приводит к наличию «собственных» на­пряжений (внутренние слои препятствуют свободной усадке поверхностных слоев, в результате чего в послед­них возникает растяжение) и возникновение усадочных трещин, что нежелательно. Особенно существенно влия­ние усадки в массивных конструкциях.

Снижение усадки достигается подбором состава бето­на (уменьшением объема пор), увлажнением поверхно­сти в период вызревания бетона (особенно в первые дни)

Классы и марки бетона. При проектировании бетонных и железобетонных конструкций в зависимости от их назначения и условий эксплуатации нормами уста­навливаются показатели качества бетона: классы бетона по прочности на сжатие, растяжение и марки по морозо­стойкости, водонепроницаемости,плотности и самонапряжению. Классами по какому-либо признаку называют среднестатистическое значение основных контрольных характеристик бетона, задаваемых при проектировании. Класс бетона по прочности на сжатие(МПА):(для тяжелых бетонов): В3,5; В5; В7,5; В10; В12.5; В15; В20; В25;| ВЗО; В35; В40; В45; В55; В60

—основная характеристика, устанавливаемая в результате испытаний кубов с ребром 15 см после выдержки в течение 28 сут в нормаль­ных условиях (t= (20±2) °С, W=60 %).

Класс бетона по прочности на растяжение (В_t0,8; В_t1,2; В_t 1,6; В_t 12; В_t 2,4; В_t 2,8; В_t 3,2) устанавливают для конструкций, работающих преимущественно на растяже­ние (резервуары, водонапорные трубы).

Проектные марки по морозостойкости (F25...F500)устанавливают для конструкций, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию (градирни, гидротехнические сооружения). Эта марка характеризуется количеством циклов замораживания и оттаивания, которые выдерживает бетон в насыщенном водой состоянии при снижении прочности не более чем на 15 %.

Марки по водонепроницаемости (W2.....W22) назначают для конструкций, к которым предъявляются требо­вания непроницаемости, они характеризуют давление воды (в кгс/см²), при котором еще не наблюдается просачивание ее через испытываемый стандартный образец толщиной 15 см.

Марки по средней плотности (для тяжелых бетонов D2300...D2500, для мелкозернистых бетонов D1800...D2400, для легких бетонов D800...D2100) назначают для бетонов, к которым предъявляются требования теплоизоляции.

Марки по самонапряжению (S_p0,6...S_p4) назнача­ют для конструкций, изготовляемых из бетона на напрягающем цементе. К таким конструкциям относятся железобетонные трубы, покрытия дорог, аэродромов и т.п. Марки характеризуют величину предварительного на­пряжения в бетоне (МПа) на уровне центра тяжести арматуры.

Для железобетонных конструкций применяют бетоны (тяжелые и мелкозернистые) класса не ниже В7,5, для лёгкого - В3,5; В15-при воздействии многократно повторяющейся нагрузки. Оптимальные класс и марки бетона выбирают на основе технико-экономиче­ского анализа с учетом условий эксплуатации. Наиболее широко используют: для изгибаемых элементов без предварительного напряжения В15...В20, для сжатых элементов: колонн В25...В30, ферм, арок В30...В35.

Класс бетона предварительно напряженных элементов назначают в зависимости от вида и класса напрягаемой арматуры, ее диаметра и наличия анкерных устройств.