Основные физико-механические свойства бетона

2.4.1 Классификация

Бетон для ЖБК должен обладать вполне определенными, наперед заданными физико-механическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной непроницаемостью для защиты арматуры от коррозии. В состав цементного камня входит: кристаллический сросток, гель, поры и капилляры, вода, воздух, частицы цемента.

Бетоны подразделяют по ряду признаков:

· структуре – бетоны плотной структуры, у которых пространство между зернами заполнителя полностью занято затвердевшим вяжущим; крупнопористые мало- и беспесчаные; поризованные, т.е. с заполнителями и искусственной пористостью затвердевшего вяжущего; ячеистые с искусственно созданными замкнутыми порами;

· плотности – более 2500 кг/м³ (особо тяжелые); 2200 - 2500 кг/м³ (тяжелые); 1800 - 2200 кг/м³ (мелкозернистые); 500 - 2000 кг/м³ (легкие);

· виду заполнителей –на плотных заполнителях; пористых; специальных;

· зерновому составу – крупнозернистые (с крупными и мелкими заполнителями); мелкозернистые (с мелкими заполнителями);

· условиям твердения – естественного твердения; подвергнутый тепловлажностной обработке при атмосферном давлении; подвергнутый автоклавной обработке при высоком давлении.

Согласно СНиП 2.03.01 – 84* для изготовления бетонных и ЖБК предусмотрены следующие виды бетонов:

· тяжелый средней плотности 2200 -2500 кг/м³ (на плотных заполнителях);

· мелкозернистый средней плотности свыше 1800 кг/м³ (на мелких заполнителях);

· легкийплотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях);

· ячеистыйавтоклавного и неавтоклавного твердения

· специальный - напрягающий

В качестве плотных заполнителей для тяжелых бетонов применяют щебень и песок. Пористые заполнители могут быть естественными (перлит, пемза, ракушечник) или искусственными (керамзит, шлак). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон и т.д.

2.4.2 Усадка бетона

Бетон обладает свойством уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде (усадка бетона (рисунок 2.2, а)) и увеличиваться в объеме при твердении в воде (набухание бетона).

Размеры усадки бетона и изменение ее во времени зависят от многих факторов:

· количества и вида цемента – чем больше цемента на единицу объема бетона, тем больше усадка; при этом высокоактивные и глиноземистые цементы дают большую усадку; бетоны на расширяющемся и безусадочном цементе усадки не дают;

· количества воды – с увеличением В/Ц возрастает усадка;

· крупности заполнителей – при мелкозернистых песках и пористом щебне усадка больше. Чем выше способность заполнителей сопротивляться деформированию, тем усадка меньше;

· условия твердения – при влажных усадка меньше.

Усадка наиболее интенсивно происходит в начальный период твердения, в дальнейшем

она постепенно затухает (рисунок 2.2, а).

Рисунок 2.2- Усадка бетона:

а) – образование усадочных трещин; б), в) – схемы деформации

симметрично и несимметрично армированных элементов

Количество арматуры и ее распределение по сечению элемента влияют на проявление усадки бетона (рисунок 2.2 б, в). Арматура, обладающая большим модулем упругости, из-за сцепления с бетоном вовлекается в его совместную работу и тем препятствует усадочным деформациям бетона.

2.4.3 Прочность бетона

Прочность (способность сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь) бетона зависит от многих факторов: структуры, марки и вида цемента, водоцементного отношения, вида и прочности заполнителей, условий твердения, вида напряженного состояния, формы и размера образцов, длительности загружения.

Прочность бетона нарастает с течением времени. Наиболее интенсивный ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток).

Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях (сжатии, растяжении, изгибе, срезе).Кубиковая прочность R – временное сопротивление сжатию бетонных кубов. За стандартные лабораторные образцы принимают кубы 15х15х15 см. Испытывают их при температуре 20 ºС через 28 дней твердения в нормальных условиях (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3- Схема работы бетона при сжатии:

а – концентрация напряжений у микро- и макропор; б – разрыв бетона в поперечном направлении; в – при наличии трения по опорным плоскостям;

г – при отсутствии трения (1 - смазка)

Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения, развивающихся на контактных поверхностях. Силы трения, направленные внутрь, препятствуют свободным поперечным деформациям куба и создают эффект обоймы. После разрушения куб приобретает форму усеченных пирамид, т.к. удерживающее влияние сил трения уменьшается к центру. Если при осевом сжатии устранить влияние сил трения (смазка), трещины разрыва становятся вертикальными, а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое. Согласно стандарту кубы испытывают без смазки контактных поверхностей.

Чем меньше размер куба, тем больше его прочность. Кубиковая прочность служит только для контроля качества бетона, т.к. реальные конструкции по форме отличаются от кубов.

Призменная прочность R_b – временное сопротивление сжатию бетонных призм с отношением высоты призмы h к стороне a, равном 4. Опыты показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой и она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при отношении h/a=4 значение R_b становится почти стабильным и равным примерно 0,75R. В реальных расчетах принимается призменная прочность бетона.

Прочность на растяжение R_bt зависит от прочности цементного камня и сцепления его с заполнителем. При осевом растяжении

прочность бетона в 10…20 раз меньше прочности на сжатие.

Рисунок 2.4. Схемы испытания образцов

а) – на раскалывание; б) – на изгиб; в) - на срез; г) – на скалывание;

д) - зависимость предела прочности бетона от длительности загружения

Значение R_bt определяют испытаниями: на разрыв – образцов в виде восьмерки, на раскалывание – образцов в виде цилиндра, на изгиб – бетонных балок (рисунок 2.4 а, б) или по эмперическим формулам.

Прочность бетона на срез и скалывание. В чистом виде срез представляет собой разделение элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рисунок 2.4 в). В ЖБК чистый срез встречается редко, обычно он сопровождается действием продольных сил.

Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин (рисунок 2.4 г). Временное сопротивление скалыванию при изгибе в 1,5-2 раза больше R_bt.

2.4.4 Классы и марки бетона

Классамипо какому-либо признаку называют среднестатистические значения основных контрольных характеристик бетона, задаваемых при проектировании. Различают следующие классы:

· В – по прочности на сжатие (кубиковая прочность). Указывают в проекте во всех случаях как основную характеристику;

· В_t – по прочности на осевое растяжение. Назначают в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве.

Марками оценивают основные физические свойства бетона. Различают следующие марки бетона:

· F – по морозостойкости; назначают для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии замораживанию и оттаиванию (F50-F500);

· W – по водонепроницаемости; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования ограниченной проницаемости. Предельное давление воды при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец толщ. 150 мм (W2-12 кгс/см²);

· D – по плотности; назначают для конструкций, к которым предъявляются требования теплоизоляции (D 500-2000 кг/м³);

· S—по самонапряжению; характеризует величину предварительного напряжения в бетоне а уровне центра тяжести арматуры. Назначают для конструкций, изготовляемых на напрягаемом цементе (жб трубы, покрытия дорог, аэродромов). (S 0,6-4)

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартами через 28 суток хранения при температуре 20±2 ºС.

В зависимости от вида и условий работы ЖБК установлены следующие классы бетона на сжатие:

- для тяжелых бетонов на цементном вяжущем: В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В30…В60;

- для напрягающих бетонов: В20…В60;

- для легких бетонов при марке по средней плотности: D600…D900 – B1…B7 и т.д. (см. СНиП 2.03.01-84*).

Выбор оптимального класса бетона производят в каждом конкретном случае в зависимости от типа конструкции, способов ее изготовления и монтажа, условий эксплуатации.

2.4.5 Деформативность бетона

Под деформативностью твердых тел понимают их свойство изменять размер и форму под влиянием различных воздействий. Различают деформации двух основных видов:

· объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, набухания, изменения температуры и влажности;

· силовые, развивающиеся вдоль направления действия сил (сжатие, растяжение, сдвиг).

Бетону свойственно нелинейное деформирование. Начиная с малых напряжений, в нем, кроме упругих деформаций, развиваются неупругие остаточные или пластические деформации. Поэтому силовые деформации в зависимости от характера приложения нагрузки и длительности ее действия подразделяют на три вида:

- при однократном загружении кратковременной нагрузкой;

- при однократном длительном действии нагрузки;

- при многократно повторяющемся действии нагрузки.

Деформации при однократном загружении кратковременной нагрузкой складываются из упругой деформации ε_еl и неупругой пластической деформации ε_pl (рисунок 2.5).

Небольшая доля неупругих деформаций в течении некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (~10%). Эта доля называется деформацией упругости последствия ε_ер. Если испытываемый образец загружать по этапам и замерять деформации на каждой ступени сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, то получим ступенчатую линию. При большом числе ступеней загружения зависимость между напряжениями и деформациями может быть изображена плавной кривой. Также и при разгрузке полученную ступенчатую линию заменяем плавной (уже вогнутой) кривой.

Упругие деформации бетона соответствуют мгновенной скорости загружения образца, неупругие развиваются во времени. С увеличением скорости загружения при одном напряжении неупругие деформации уменьшаются.

Рисунок 2.5- Диаграмма зависимости деформаций бетона от

напряжения при сжатии и растяжении

1 – область упругих деформаций; 2 – область пластических деформаций

Участок 0-1 – прямолинейный, характеризуется упругой работой бетона; 1-2 – искривление графика, вязкое деформирование гелевой составляющей (уплотнение геля); 2-3 – интенсивное искривление, проявляются процессы микротрещинообразования; 3-4 – интенсивное трещинообразование, появившиеся трещины объединяются в макротрещины с последующим разрушением в точке 4; 4-5 – нисходящий участок графика деформации бетона.

При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности (ветровая, крановая) имеет место увеличенное временное сопротивление бетона – динамическая прочность. Это явление объясняют энергопоглощающей способностью бетона, работающего в течении короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой только упруго.

Деформации при длительном действии нагрузки. Неупругие деформации с течением времени увеличиваются. Бетон разрушается при напряжениях меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию ~0,9R_b. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается первые 3…4 месяца и может продолжаться несколько лет.

Ползучесть – это свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки. Деформации ползучести могут в 3…4 раза превышать упругие деформации. Величина деформаций ползучести зависит от возраста, прочности бетона, влажности среды и предыстории деформирования. Она уменьшается по мере старения бетона. Деформации ползучести бетона тем больше, чем выше уровень напряжений. Когда связи в бетоне (арматура или крупный заполнитель) ограничивают свободное развитие ползучести, то напряжения в бетоне уменьшаются.

Релаксация – процесс снижения напряжения при постоянной начальной деформации. Ползучесть и релаксация имеют общую природу и оказывают существенное влияние на работу ЖБК под нагрузкой.

Ползучесть разделяют на линейную (σ_b≤0,5R_b), при которой зависимость между напряжениями и деформациями приблизительно линейная, и нелинейную (σ_b>0,5R_b), которая начинается при напряжениях, превышающих границу образования структурных микротрещин. Учет нелинейной ползучести имеет существенное значение в практических расчетах предварительно напряженных изгибаемых, внецентренно сжатых и др. элементов.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой ε_еl, деформации ползучести ε_pl и усадки ε_sl.

Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов загрузки-разгрузки бетонной призмы приводит к постепенному накапливанию неупругих деформаций. После большого числа циклов ползучесть достигает своего предельного значения и бетон начинает работать упруго. Временное сопротивление бетона сжатию уменьшается. Предел прочности бетона зависит от числа циклов нагрузки-разгрузки и отношения ρ=σ_min /σ_max. Наименьшее значение R=0,5R_b