Лекция № 6. Механические прочностные свойства бетона

План лекции:

Теоретические основы теории прочности высокопрочного бетона.
Прочность высокопрочного бетона при сжатии и растяжении. Методы оценки прочности.
Зависимость прочности бетона от его состава.
Однородность бетона по прочности

1.Теоретические основы теории прочности высокопрочного бетона.

Б.Г. Скрамтаев выдвинул три гипотезы прочности бетона.

1 – основывалась на распределении нормальных напряжений между цементным камнем и заполнителем в соответствии с их модулями упругости;

2 –разрушение бетона при сжатии происходит от среза по наклонным плоскостям;

3 – гипотеза - бетон разрушается вследствие поперечного расширения.

А.А. Гвоздев дал теоретическое обоснование образованию микротрещин разрыва на основе анализа полей напряжений в бетоне. Установил взаимосвязь напряжений, вызванных нагрузкой, и напряжениями, вызванными неоднородностью бетона.

О..Я. Берг различал 4 вида деформации в бетоне: упругую, пластическую, ползучести и псевдопластическую, вызванную образованием микротрещин.

П.А. Ребиндером было развито положение об адсорбционном понижении твердости и прочности материалов вследствие перемещения адсорбционных молекул воды или раствора в устье микротрещин, образующихся в процессе нагружения бетона.

Если обобщить результаты и выводы ряда исследователей, то современное представление о структуре и процессе разрушения бетона можно свести к нескольким основным положениям:

1. Прочность и деформативность бетона определяется главным образом структурой и свойствами цементного камня. Свойства бетона существенно зависят от вида и качества заполнителя и его состава.

2. Разрушение бетона происходит постепенно. В начале возникают напряжения, а затем микротрещины в отдельных микрообъемах. Процесс развития микротрещин определяется структурой бетона, в частности, размером и числом дефектных мест в ней, а также видом и режимом приложенной нагрузки.

3. Большое влияние на процесс разрушения оказывает жидкая фаза в бетоне, облегчая развитие пластических деформаций, деформаций ползучести и микротрещин, ослабляя структурные связи в бетоне, вода снижает его прочность.

2.Прочность высокопрочного бетона при сжатии и растяжении.

Методы оценки прочности.

В рабочих чертежах конструкций или в стандартах на изделия обычно указывают требования к прочности бетона, его класс или марку по прочности.

Класс бетона определяется величиной гарантированной прочности на сжатие с обеспеченностью 0,95. Бетоны подразделяют на классы В1; В1,5; В2; В2,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В35; В40; В50; В55; В60.

На производстве контролируют среднюю прочность или марку бетона. Между классом бетона и его средней продолжительностью имеется зависимость:

где: В – класс бетона по прочности, МПа;

– средняя прочность, которую следует обеспечить при производстве конструкций, Мпа;

t – коэффициент, характеризующий принятую при проектировании обеспеченность класса бетона, t = 1,64 при 95% обеспеченности;

– коэффициент вариации прочности бетона, = 13,5%.

Для перехода от класса бетона В к средней прочности бетона (Мпа), контролируемой на производстве для образцов 150х150х150 мм следует применять формулу

МПа или

Средняя прочность или марка тяжелого бетона определяется пределом прочности (Мпа) при сжатии стандартных бетонных кубов 150х150х150 мм , изготовленных из рабочей бетонной смеси в металлических формах и испытанных в возрасте 28 суток после твердения в нормативных условиях (температура , относительная влажность окружающего воздуха 90 - 100 %). В строительстве используют следующие марки: М50 (В3,5), М75 (В5), М100 (В7,5), М150 (В10), М200 (В15), М250 (В20), М300 (В22,5), М350 (В25), М400 (В30), М450 (В35), М500 (В37,5), М600 (В45) и выше.

Превышение заданной прочности допускается не более чем на 15 %, т.к. это ведет к перерасходу цемента.

При определении средней прочности бетона по испытанию образцов с размерами (кубы) 70х70х70 мм; 100х100х100 мм; 150х150х150 мм; 200х200х200 мм; 300х300х300 мм вводятся соответственно поправочные коэффициенты:

(70) = 0,85;

(100) = 0,95;

(150) = 1;

(200) = 1,05;

(300) = 1,1.

Цилиндры d = 70; d = 100; d = 150; d = 200; d = 300, высотой h = d = 2d.

(70) = 1,16;

(100) = 1,16;

(150) = 1,2;

(200) = 1,24;

(300) = 1,28.

Средняя прочность определяется по формуле:

где: Р – разрушающая сила, кГс;

F – площадь поперечного сечения образца, (или );

– масштабный коэффициент;

– коэффициент, учитывающий влажность бетона (для тяжелых бетонов );

– масштабный коэффициент, учитывающий отношение h/d.

Для правильного определения состава бетона важно знать, как зависит его прочность от качества цемента и заполнителя, соотношение между составляющими и прочих факторов. Прочность в определенный срок при твердении в нормальных условиях зависит главным образом от прочности (активности) цемента и водоцементного отношения:

где: – прочность бетона после 28 суток нормального давления;

- активность цемента;

А – коэффициент, учитывающий влияние других факторов;

В/Ц – водоцементное отношение.

Зависимость прочности бетона от водоцементного отношения вытекает из физической сущности формирования структуры бетона и графически изображается в виде гиперболических кривых (рис. 1)

Рис. 1. Зависимость прочности бетона от В/Ц

где: - отношение массы цемента к массе заполнителя

Цемент при твердении в зависимости от качества и срока твердения присоединяет 15 - 25 % воды от массы цемента.

Вместе с тем для придания бетонной смеси подвижности в бетоне добавляют воды значительно больше (40 - 70 %) от массы цемента В/Ц = 0,4 - 0,7

Избыточная вода, не вступившая в химические реакции с цементом, остается в бетоне в виде водяных пар и капилляров или испаряется, оставляя воздушные поры. В обоих случаях бетон будет ослаблен наличием пор, и чем больше, то есть чем больше В/Ц, тем ниже прочность бетона.

Таким образом, закон водоцементного соотношения, по существу, выражает зависимость прочности бетона от его плотности или пористости.

Зависимость прочности бетона от его В/Ц выполняется лишь в определенных пределах. При очень низких В/Ц, даже при повышенных расходах цемента и воды, не удается получить удобоукладываемые бетонные смеси и необходимую плотность бетона.

Для определения состава бетона более удобна не зависимость его прочности от В/Ц, а обратная зависимость прочности от Ц/В. При изменении Ц/В от 1,3 до 2,5 эта зависимость является прямолинейной и может быть выражена формулой:

где - прочность бетона в возрасте 28 суток;

А и С - эмпирические коэффициенты, учитывающие влияние заполнителей и других факторов на прочность бетона: А = 0,6; С = 0,5

3.Зависимость прочности бетона от его состава.

В расчетах состава бетона обычно используют среднее значение зависимости от различных факторов.

В интервале В/Ц = 0,4 – 0,7 существует прямолинейная зависимость между прочностью бетона, активностью цемента и цементно-водным отношением.

При Ц/В > 2,5 (В/Ц < 0,4)

В этом случае:

Приведенные формулы справедливы для бетонов из умеренно жестких и подвижных смесей уложенных вибрацией при коэффициенте уплотнения не ниже 0,98.

Как показывают исследования, с помощью понятия о водопотребности песка можно более точно определять не только подвижность или водопотребность бетонной смеси, но и судить о поведении бетонной смеси в процессе ее приготовления, укладки и затвердевания, уточнить зависимость прочности бетона от его состава.

Если ввести заполнитель в цементное тесто, то сроки схватывания, или период формирования структуры материала сокращаются.

Для того чтобы достигнуть тех же сроков схватывания, какие имеет цементное тесто, необходимо увеличить количество воды в растворе или бетоне.

Оказалось, что водопотребность песка или щебня, определенная из условия постоянства сроков схватывания, имеет те же значения, что и водопотребность, определенная из условия равноподвижности бетонной смеси.

Для совершенствования методов проектирования бетона вводят новое понятие – испытанное В/Ц цементного теста в бетоне, под которым подразумевается такое значение (В/Ц) и цементного теста в бетоне, при котором бетонная смесь будет иметь ту же подвижность и те же сроки схватывания, что и цементное тесто.

Истинное (В/Ц) и можно определить по формуле:

где: В – расход воды;

– водопотребность песка;

П – расход песка;

– водопотребность щебня;

Ц – расход цемента.

Если построить кривые зависимости подвижности или сроков схватывания от В/Ц отношения для данного цемента, то, определив (В/Ц) бетонной смеси, можно прогнозировать ее свойства.

Структуру бетона условно можно характеризовать объемной концентрацией цементного камня С, выраженной в долях от объема бетона, и его истинным водоцементным отношением.

Следовательно, основные свойства бетонов являются функцией структурных характеристик – концентрации цементного С камня в бетоне и его истинного водоцементного отношения.

Прочность бетона увеличивается при повышении С и уменьшении (В/Ц).

Объемная концентрация цементного теста в бетонной смеси С выражается в долях от объема смеси.

где: Ц – расход цемента, ;

– истинная плотность цемента.

Использование структурных характеристик позволяет получать уточненные зависимости подвижность – состав бетонной смеси – свойства материалов при значительных колебаниях состава смеси и свойств исходных материалов.

Прочность бетона в любом возрасте можно определять по формуле:

4. Однородность бетона по прочности

Количество бетона нельзя оценить только средней прочностью бетона. На практике всегда наблюдаются отклонения, связанные с активностью цемента, его нормальной густотой, минералогического состава, свойств заполнителей, колебаниями параметров процесса изготовления и твердения; дозировки материалов, режимов перемешивания и твердения, что приводит к определенной неоднородности структуры бетона.

Вследствие этого отдельные объемы бетона могут отличаться друг от друга в большой и малой степени, что зависит от свойств используемых материалов и отлаженности технологического процесса.

Для оценки однородности бетона используют статистические методы. Таким образом, качество бетона будет определяться его средней прочностью и его однородностью, которая оценивается по коэффициенту вариации прочности.

При проектировании бетонных и железобетонных конструкций используют не нормируемую среднюю прочность бетона (марки), а расчетные сопротивления, учитывающие возможный разброс показателей прочности бетона и включающие, кроме того, определенные коэффициенты, гарантирующие безопасность конструкции.

где: – нормативное сопротивление бетона;

– коэффициент безопасности по бетону;

– марка бетона (нормируемая средняя прочность);

– коэффициент вариации (среднее значение = 13,5%).

Серия образования - Контрольные образцы – кубы, изготовленные из бетона одной пробы бетонной смеси, твердевшие в одинаковых условиях и испытанных в одном возрасте.

Проба бетонной смеси - Порция бетонной смеси одного состава, отобранная от одного замеса или транспортной емкости, для изготовления одной или нескольких серий контрольных образцов.

Контролируемый участок конструкции - Участок поверхности конструкции S = 100 - 400 , для которого в качестве единичного значения принимается среднее значение результатов определение прочности бетона неразрушающими методами.

Партия бетона - Контролируемый объем бетона одного производственного состава, изготовленный за установленное стандартом время и относящийся к одному технологическому комплексу.

Технологический комплекс - Одна или несколько технологических линий на предприятиях по производству сборных железобетонных изделий и конструкций или одна или несколько секций по приготовлению бетонной смеси на заводе товарного бетона, для которых контроль бетона одинаковой прочности и технологии производится по общим статистическим характеристикам.

Подготовительный период - Период времени, в течение которого выполняются подготовительные работы, необходимые для перехода на контроль прочности неразрушающими методами.

Контролируемый период - Период времени, в течение которого при контроле сборных конструкций коэффициент вариации прочности бетона принимается постоянным, определенным за предшествующий анализируемый период.

Анализируемый (базисный) период - Период времени, за который при контроле сборной конструкций определяются статистические характеристики, служащие для назначения требуемой прочности на последующий контролируемый период.

Проектный возраст бетона - Возраст бетона, предусмотренный в проекте для достижения проектной мощности.

Косвенная характеристика – Характеристика прочности бетона, определенная неразрушающим методом.

Средний уровень прочности бетона - Средняя прочность бетона, для которой подбирается его состав и которая поддерживается в процессе производства.

Нормируемая прочность бетона - Прочность бетона, заданная в ГОСТах или технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Фактическая прочность бетона - Прочность бетона, определяемая по результатам испытания контрольных образцов или неразрушающими методами непосредственно в конструкциях.

Требуемая прочность бетона – Минимально допустимые значения средней прочности бетона, средней прочности бетона в возрасте 28 суток, устанавливаемые лабораториями предприятий с учетом значения коэффициента вариации и объема контроля.

Размах прочности бетона - Разность между максимальным и минимальным значениями фактической прочности отдельных серий бетона в партии.

Среднеквадратичное отклонение прочности бетона - Показатель однородности прочности бетона.

Коэффициент вариации бетона в каждой партии - Относительный показатель однородности прочности бетона, выраженный в % от среднего значения прочности.

Коэффициент вариации бетона средний по партиям за анализируемый период - Относительный показатель однородности прочности бетона, выраженный в % от среднего значения прочности.

Номер серии i - Порядковый номер серии образцов, участка конструкции или конструкции в партии.

Номер партии m - Порядковый номер партии сборных конструкций за анализируемый или контролируемый период, а также порядковый номер партии монолит бетона.

Количество серий контрольных образцов N - Количество серий контрольных образцов, характеризующих прочность бетона для сборных конструкций в возрасте 28 суток за анализируемый период.

Анализ работы технологического комплекса.

В качестве характеристики однородности бетона используют средний коэффициент вариации прочности по всем партиям за анализируемый период. Продолжительность анализируемого периода от одной недели до 2 месяцев. Число единичных значений n > 30.

Прочность бетона в партии (МПа):

где: = единичное значение прочности бетона, МПа;

n – общее число со значением прочности по всем партиям за анализируемый период.

По результатам испытания вычислим среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации:

Эта формула действует при n > 6.

Если n = 2 – 6, то определяют по формуле

где: – размах единичных значений прочности в контролируемой партии, МПа, определяемый как разность между максимальным и минимальным единичными значениями прочности;

- коэффициент, зависящий от n

При контроле неразрушающими методами вычисляют с учетом тарировочной зависимости:

где: – среднеквадратическое отклонение тарировочной зависимости;

n – число единичных значений в партии;

р – число контролируемых участков в конструкции.

Коэффициент вариации прочности бетона:

Средний коэффициент вариации прочности бетона за анализируемый период:

где: – коэффициент вариации прочности в каждой i-ой из N проконтролированных в течение анализируемого периода партий бетона;

- число единичных значений прочности в каждой i-ой из N партий бетона;

- общее число единиц значений прочности за анализируемый период (должно быть не менее 30).

Определение статистических характеристик для работы в новом контролируемом периоде.

где: – требуемая прочность бетона;

– нормируемое значение прочности бетона, Мпа;

– коэффициент требуемой прочности для всех видов бетонов, по таблице в зависимости от коэффициента вариации.

= 1,06 – 1,57, в зависимости от коэффициента вариации.

В начальный период до накопления необходимого для ведения статистического контроля числа результатов испытаний требуемую прочность бетона определяют по формуле: