Прочность и деформативность бетона

Обновлено: 18.05.2024

Основные физико-механические свойства бетона и арматуры

Физико-механические свойства бетона зависят от его состава, технологии изготовления конструкций и вида их напряженного со­стояния. Следует учитывать и тот факт, что с увеличением загрязне­ний и крупного заполнителя прочность бетона ухудшается. При постоянном водоцементном соотношении механические свойства цементного бетона практически не зависят от соотношения между количеством вяжущего и заполнителя.

Характерной особенностью для всех видов бетона является не­однородность структуры. Повышение структурной однородности бетона существенно влияет на улучшение его физико-механичес­ких свойств, что способствует значительному росту прочности бе­тона. Так как неоднородность и дефектность структуры бетона но­сят случайный характер, то механические свойства бетона целесо­образно оценивать с точки зрения статистической механики твердого тела, т. е. с учетом вероятностного описания его напряженно-дефор­мированного состояния.

Вследствие усадки цементного камня, в его соприкосновении с заполнителем возникают микротрещины сцепления ненагруженного бетона. Размеры этих трещин и их количество зависят от микро- и макроструктуры бетона. С увеличением сжимающей нагрузки силы сцепления ослабляются и происходит развитие микротрещин, не­смотря на процесс уплотнения бетонной массы. Наряду с этим про­исходит увеличение растягивающих напряжений в направлении, перпендикулярном плоскости приложения внешней силы. При крат­ковременном однократном сжатии или растяжении уровень напря­жений R_b1 при котором образуются трещины в цементном камне, называют нижней границей микроразрушения или пределом упру­гости бетона (рис. ниже). Эта величина характеризуется максимальным уплотнением сжатого бетона образца, что подтверждается из­менением относительной скорости ультразвука.

Диаграммы деформаций бетона при кратковременном однократном действии нагрузки

R_b1 — нижняя граница микроразрушения; R_b2 — верхняя граница микроразрушения; R_bm — среднее значение прочности бетона на сжатие; R_bt,m — то же, на растяжение; ε_b,el— упругая деформация бетона при сжатии; ε_b,pl — то же, пластическая; v— относительная скорость ультразвука

В тех местах, где цементный камень ослаблен порами и дефек­тами, возникают концентрации напряжений. Это обстоятельство способствует (при увеличении нагрузки) началу разрушения цемент­ного камня и снижению его сцепления с заполнителем. В результа­те происходит разуплотнение бетона. Уровень напряжений R_b2, при котором прекращается прирост объема образца, принимают за верх­нюю границу микроразрушения. При дальнейшем увеличении на­грузки происходит интенсивное трещинообразование в бетоне и его отрыв от образца в поперечном направлении.

Уровни R_b1 и R_b2 при осевом сжатии бетона могут быть опреде­лены по зависимостям О.Я. Берга:

Физические процессы уплотнения, разуплотнения, микро- и макроразрушения бетона обусловливают характер его деформиро­вания как при сжатии, так и при растяжении. Если статическая на­грузка возрастает мгновенно, то в бетоне развиваются упругие де­формации, которые прямо пропорциональны напряжениям, т. е. подчиняются закону Гука. При напряжениях σ_b относительные ве­личины деформаций составляют ε_b,el (рис. выше). При медленном увеличении нагрузки на образцы возникают пластические дефор­мации бетона ε_b,pl, которые в теории железобетона называют дефор­мациями быстронатекающей ползучести. При замедленном (дли­тельном) увеличении нагрузки показатель прочности бетона может снизиться на 10% в сравнении с кратковременным (мгновенным) возрастанием нагрузки.

К основным физико-механическим свойствам бетона относят­ся прочность и деформативность, определяемые его структурой.

Прочность бетона. Бетон имеет капиллярно-пористую неодно­родную структуру, образованную зернами заполнителя (песок, ще­бень или гравий), скрепленными цементным камнем в монолитный твердый материал. По данным исследований, поры и капилляры занимают около трети объема цементного камня. В таком неоднородном материале внешняя нагрузка создает сложное напряженное состояние.

В сжатом бетонном образце напряжения концентрируются на более твердых частицах и около пор и пустот. При этом растягива­ющие напряжения действуют по площадкам, параллельным направ­лению силы (рис. ниже). Так как в бетоне много хаотически распо­ложенных пор и пустот, то растягивающие напряжения накладыва­ются друг на друга.

Поскольку сопротивление бетона растяжению значительно мень­ше, чем сжатию, то разрушение сжимаемого образца происходит в результате разрыва бетона в поперечном направлении (рис. ниже). Отсутствие закономерности в расположении твердых частиц и пор приводит к существенному разбросу показателей прочности при испытании образцов из одного и того же бетона.

К бетону неприменимы классические теории прочности, так как они справедливы для материалов с идеальными свойствами. Поэтому данные о его прочности и деформативности основываются на большом числе экспериментов.

Схема напряженного состояния и разрушения сжатого бетонного образца

Прочность бетона зависит от многих факторов, основными из которых являются: время и условия твердения, вид напряженного состояния, форма и размеры образцов, длительность нагружения.

Опытами установлено, что прочность бетона нарастает в тече­ние длительного времени, но наиболее интенсивный ее рост проис­ходит в начальный период твердения (28 суток при применении портландцемента, 90 суток при пуццолановом и шлаковом портланд­цементе). В дальнейшем нарастание прочности значительно замед­ляется, но при положительной температуре и влажной среде про­должается еще годами (рис. ниже).

Нарастание прочности бетона во времени при хранении во влажной (а) и сухой (б) средах

Из рисунка видно, что в бетоне, хранившемся во влажной сре­де, увеличение прочности продолжается и по истечении 10 лет. В бе­тоне же, хранившемся только 7 дней во влажной среде, а затем в сухой, нарастание прочности почти прекратилось примерно через год. Опыты над образцами, хранившимися во влажной среде в те­чение 20 лет, показали, что прочность их непрерывно растет.

На прочность бетона большое влияние оказывает скорость на­гружения образцов. При замедленном нагружении прочность бето­на оказывается меньше на 10-15%, чем при кратковременном. При быстром нагружении (0,2 с и менее) прочность бетона, наоборот, возрастает до 20%. Бетон имеет различную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. В связи с этим различают несколько характеристик прочности бетона.

Кубиковая прочность бетона при сжатии является основной механической характеристикой (эталон прочности) материала. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в по­перечном направлении. Однако силы трения, возникающие на опорных гранях, препятствуют поперечным деформациям куба вблизи торцов и создают эффект обоймы (рис. ниже). Если устра­нить влияние сил трения смазкой контактных поверхностей, то поперечные деформации проявляются свободно и куб раскалыва­ется по трещинам, параллельным направлению действия сжима­ющей силы (рис. ниже), а его прочность уменьшается примерно вдвое. По ГОСТу кубы испытывают без смазки контактных повер­хностей. Силы трения влияют на прочность кубов в зависимости от их размеров: чем меньше размер куба, тем больше его проч­ность. Так, если прочность куба с ребром 15 см равна R, то для куба с ребром 10 см она равна 1,12R, а с ребром 20 см

Кубиковая прочность бетона при сжатии необходима для произ­водственного контроля и при проектировании не применяется, так как реальные конструкции по форме отличаются от куба и при­ближаются к форме призм. Поэтому за основную характеристику прочности батона сжатых элементов принята призменная проч­ность — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.

Характер разрушения бетонных кубов при сжатии

1 — силы трения; 2 — смазка

Опыты показали, что с увеличением h/a влияние сил трения на торцах уменьшается и прочность призм снижается. Разрушение наступает от поперечного растяжения и образования продольных трещин (см. рис. выше). При h/a > 4 прочность призм становится постоянной и равной R_b

(0,7-0,8)R. Призменную прочность ис­пользуют при расчете сжатых и изгибаемых элементов.

Прочность бетона при местном сжатии (смятии) учитыва­ют при передаче давления только на часть площади (опирание ба­лок, ферм, колонн и т. д.). Как показывают опыты, в этом случае загруженная часть площади обладает большей прочностью, чем R_b, так как в работе участвует также бетон, окружающий площад­ку смятия и создающий эффект обоймы. Прочность бетона на ме­стное сжатие

где A_log1 — площадь смятия; A_log2 — расчетная площадь, включаю­щая площадку смятия и дополнительный участок, как правило, сим­метричный по отношению к площади смятия.

Прочность бетона при растяжении зависит от прочности це­ментного камня, силы его сцепления с заполнителем и значительно меньше прочности при сжатии. При осевом растяжении прочность бетона R _bt = (0,1-0,05)R.

Причем с увеличением кубиковой прочности относительная прочность бетона при растяжении уменьшается. Опытным путем R_bt определяют испытаниями на разрыв восьмерок или на раскалы­вание образцов в виде цилиндров и кубов.

Прочность бетона при срезе и скалывании в железобетон­ных конструкциях встречается редко. Обычно срез сопровождается действием нормальных сил. Под чистым срезом понимается разде­ление элемента на две части по сечению, в плоскости которого дей­ствуют перерезывающие силы. Прочность бетона при срезе можно определять по эмпирической зависимости:

Значительно чаще бетон в железобетонных конструкциях рабо­тает на скалывание, например, в балках под действием поперечных сил. Скалывающие (касательные) напряжения при изгибе изменя­ются по высоте сечения по квадратной параболе. Сопротивление бетона скалыванию, по опытным данным, в 1,5-2 раза больше прочности при осевом растяжении.

Прочность бетона при длительных, быстрых и многократ­но повторяющихся нагружениях. При длительном действии ста­тической нагрузки бетон разрушается при меньших напряжениях, чем временное сопротивление кратковременной нагрузке. Это вы­звано развитием значительных неупругих деформаций и структур­ных изменений в бетоне. Предел длительного сопротивления бето­на при осевом сжатии, по опытным данным, составляет 0,9R_b. Если конструкция эксплуатируется в благоприятных для нарастания проч­ности бетона условиях (например, гидротехнические сооружения, эксплуатируемые во влажной среде), то уровень напряжений OtJRb постепенно уменьшается в связи с ростом R_h, и отрицательное вли­яние длительного загружения будет со временем проявляться мень­ше. При нагрузках малой продолжительности (порыв ветра, транс­портные средства, краны, удар и т. д.) бетон разрушается при боль­ших напряжениях (1,1-1,2)R_b.

Многократно повторяющиеся нагрузки снижают сопротивле­ние бетона сжатию под влиянием развития микротрещин. Предел выносливости бетона зависит от числа циклов нагрузки, характе­ристики цикла ρ_b = σ_min /σ_max и принимается не менее 0,5R_b.

Его используют при расчете на выносливость железобетонных конструкций, испытывающих динамические нагрузки (подкрановые балки, пролетные строения мостов и т. д.).

Деформации бетона под нагрузкой. В бетоне различают де­формации двух основных видов: силовые, развивающиеся под дей­ствием внешних сил, и температурно-влажностные.

Бетон является материалом с ярко выраженными упругопластич­ными свойствами. Уже при небольших напряжениях в нем кроме упругих (восстанавливающихся) деформаций развиваются пластичес­кие (остаточные) деформации, которые в основном зависят от харак­тера приложения и длительности действия нагрузки. Поэтому сило­вые деформации различают при однократном кратковременном, дли­тельном и многократно повторяющихся нагружениях.

При однократном действии кратковременной нагрузки дефор­мации бетона оценивают путем испытания бетонных призм на сжа­тие. Если призму загружать ступенями и замерять деформации на каждой ступени дважды (после приложения нагрузки и через неко­торое время после выдержки под нагрузкой), то диаграмма σ-ε бу­дет ступенчатой (рис. ниже). Деформации ε_pl, замеренные сразу после приложения нагрузки, —упругие и прямо пропорциональны напря­жениям, а деформации ε_pl, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, — пластические. Упругие деформации соответствуют мгновенной скорости загружения образца.

Пластические деформации с уменьшением скорости загруже­ния или увеличением времени выдержки образца под нагрузкой возрастают, а зависимость σ-ε становится более пологой. Таким образом, полная деформация бетона ε_b = ε_el + ε_pl. При большом ко­личестве ступеней загружения график σ-ε становится криволиней­ным (пунктир на рис. ниже). В общем случае диаграмма «напряже­ния— деформации» для бетона изображена на рис. ниже. Если в какой-то момент загружения, соответствующий напряжению σ_b, нагрузку с бетонного образца быстро снять, то кривая σ-ε будет обращена выпуклостью в противоположную сторону. В процессе разгружения восстанавливается часть неупругих деформаций (рис. ниже). После полной разгрузки в образце сохраняются оста­точные деформации, которые с течением времени частично восста­навливаются (деформации упругого последействия ε_ep).

Диаграмма σ-ε при испытании бетонных призм на сжатие

1 — упругие деформации; 2 — полные деформации

Общая диаграмма «напряжения-деформации» бетона

' 1 и 2 — соответственно области упругих и пластических деформаций

Связь между напряжениями и деформациями для бетона, как упругопластичного материала, характеризуется модулем деформа­ции и является переменной величиной, определяемой как тангенс угла наклона касательной к кривой σ-ε, т. е. E_b = tga = dσ/dε. Ис­пользование такого определения модуля деформаций сложно и затруднительно.

Поэтому для практических расчетов при небольших напряже­ниях σ_b < R_b, связь σ-ε принимается линейной (соответствует за­кону Гука) и называется начальным (или мгновенным) модулем уп­ругости E_b - tga = σ_b/ε_el. При σ_b > 0,3/R_b влияние пластических деформаций становится существенным и в расчетах используют средний модуль, или модуль упругопластичности, представляющий собой тангенс угла наклона секущей E_b,_Pl = tga = σ_b/ε_el.

где v = ε_l/ε_b — коэффициент, характеризующий упругопластичное со­стояние бетона при сжатии; он изменяется от 1 (при упругой работе) до 0,1 и зависит от величины напряжений и длительности нагрузки.

При осевом растяжении диаграмма σ-ε имеет тот же характер, что и при сжатий. Начальные модули упругости бетона при растяже­нии и сжатии отличаются незначительно и могут быть приняты оди­наковыми. Тогда модуль упругопластичности бетона при растяжении

где v_t —коэффициент, характеризующий упругопластическое состо­яние бетона при растяжении. При σ_bt - R_bt по опытным данным v_t = 0,5.

При длительном действии нагрузки неупругие деформации бе­тона с течением времени увеличиваются. Эти деформации интен­сивно нарастают в первые 3—4 месяца, затем их рост постепенно замедляется и прекращается через несколько лет.

Нарастание неупругих деформаций во времени при длитель­ном действии нагрузки или напряжений (температурных, влажно­стных и т. п.) называют ползучестью бетона. Деформации ползу­чести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. Дефор­мации ползучести бетона и скорость их нарастания во времени зависят от очень многих факторов. Так, с ростом напряжений пол­зучесть бетона увеличивается; загруженный в раннем возрасте бетон характеризуется большей ползучестью, чем старый бетон. Ползучесть бетона в сухой среде значительно больше, чем во влаж­ной. На ползучесть бетона также влияют технологические факто­ры: увеличение количества цемента и В/Ц, применение цементов низких марок повышают ползучесть; хорошо фракционированный заполнитель, тщательное уплотнение бетонной смеси уменьшают деформации ползучести.

Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная пол­зучесть возможна при σ_b < 0,5R_b, когда увеличение деформаций примерно пропорционально увеличению напряжений (рис. ниже, кривая 1). При напряжениях σ_b > 0,5R_b в бетоне появляются микро­трещины, начинаются ускоренное нарастание неупругих деформа­ций и нелинейная ползучесть (рис. ниже, кривая 2). Так как граница между этими двумя видами ползучести (граница развития микро­трещин) выше напряжений при эксплуатационных нагрузках, наи­большее практическое значение имеет линейная ползучесть.

Деформации ползучести бетона

Для количественной оценки деформаций ползучести пользуются величинами: характеристика ползучести φ_t и мера ползучести С_(t);

где ε_pl(t) —деформация ползучести к моменту времени t; ε_el —упру­гая деформация в момент загружения (рис. ниже, t = 0); σ_b— дли­тельно действующие напряжения.

При многократно повторяющейся нагрузке происходит посте­пенное накопление неупругих деформаций. После определенного числа циклов загружения и разгрузки неупругие деформации вы­бираются, и бетон начинает работать упруго. Такой характер де­формирования наблюдается при напряжениях, не превышающих предела выносливости. При большем значении напряжений пос­ле некоторого числа циклов неупругие деформации начинают нео­граниченно расти и происходит разрушение образца, т. е. насту­пает усталость бетона.

Предельные деформации бетона. Предельными называют деформации бетона перед его разрушением. Различают предельную сжимаемость ε_bu и растяжимость ε_btu, которые зависят от прочнос­ти бетона, его состава и длительности приложения нагрузки.

С увеличением прочности бетона они уменьшаются, а с ростом длительности нагрузки увеличиваются. По данным опытов, предель­ная сжимаемость бетона ε_bu = (0,8—З)10 -3 . В расчетах принимают ε_bu = 2 · 10 -3 , а при длительном действии нагрузки ε_bul = 2,5 · 10 -3 .

Предельная растяжимость бетона в 10-20 раз меньше предель­ной сжимаемости и в среднем принимают ε_btu = 1,5 · 10 -3 . Величину ε_btu можно определять в зависимости от прочности бетона при растяжении с учетом модуля упругопластичности бетона (см. фор­мулу выше):

Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопро­тивление образованию трещин в растянутых зонах железобетонных конструкций.

Температурные и влажностные деформации бетона. Темпе­ратурные деформации бетона неизбежны в массивных гидротехни­ческих сооружениях при их бетонировании. Твердение бетона со­провождается выделением теплоты (экзотермический разогрев) и при последующем неравномерном остывании конструкции появля­ются значительные температурные деформации. Они возникают также в сооружениях, подверженных атмосферным воздействиям или изменениям технологических температур. Температурные де­формации при ограничении перемещений конструкций (статичес­ки неопределимые) или при неравномерном их распределении по объему (в массивных сооружениях) вызывают растягивающие на­пряжения, которые могут привести к появлению трещин. Для рас­чета температурных деформаций и напряжений пользуются коэф­фициентом линейного расширения бетона, величина которого, по опытным данным, при температуре от -50 до +50 °С в среднем со­ставляет 1-10 -5 1/град.

Влажностные деформации бетона вызваны его свойством: уменьшаться в объеме при твердении в воздушной среде (усадка) и увеличиваться в объеме при увлажнении (набухание). Усадку бето­на можно представить как сумму деформаций двух видов: собствен­но усадки и влажностной усадки.

Собственно усадка происходит в результате уменьшения истин­ного объема системы цемент — вода в процессе гидратации цемен­та и необратима. Влажностная усадка связана с испарением сво­бодной влаги в бетоне; она частично обратима: при твердении на воздухе происходит усадка бетона, а при достаточном притоке вла­ги — набухание. Деформации влажностной усадки бетона в 10-20 раз больше деформаций собственно усадки.

Усадка бетона происходит наиболее интенсивно в начальный период твердения и в течение первого года. В дальнейшем она по­степенно затухает. Величина и скорость усадки зависят от влажно­сти окружающей среды (чем меньше влажность, тем больше уса­дочные деформации и выше скорость их роста), вида цемента, со­става бетона, способов его укладки и т. д. Неравномерное высыхание бетона по объему в массивных гидротехнических сооружениях при­водит к неравномерной усадке. Открытые поверхностные слои бетона теряют влагу быстрее и усадка их больше, чем внутренних, более влажных зон. В результате такой неравномерности во внут­ренних слоях бетонного тела возникают сжимающие, а в наруж­ных — растягивающие напряжения, приводящие к образованию поверхностных трещин.

Величина усадки (набухания) зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах. По опытным данным средние де­формации могут быть приняты равными: усадки — 2 · 10 -4 , набу­хания — 1 · 10 -4 . Уменьшение усадочных деформаций и напряже­ний в бетоне достигается как технологическими (уменьшение рас­хода цемента и отношения В/Ц, повышение плотности бетона, увлажнение открытых поверхностей и т. д.), так и конструктивными мерами, например, устройством усадочных швов, постановкой противоусадочной арматуры. Наиболее радикальным средством ус­транения усадки является применение безусадочных цементов.

В строительстве наибольшее применение получили обычные тяжелые бетоны плотностью 22-25 кН/м. Прочность бетона нарас­тает с течением времени. Наиболее быстрый ее рост происходит в начальный период твердения (28 суток для портландцемента, 90 су­ток для пуццоланового и шлакового портландцемента).

В зависимости от вида действующих нагрузок (сжатие, растя­жение, изгиб, срез) бетон имеет различную прочность.

Кубиковая прочность R — это временное сопротивление сжа­тию бетонных кубов размером 150x150x150 мм.

Так как реальные конструкции но форме отличаются от куба, то при расчетах используется призменная прочность R_b, представляю­щая собой временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм с квадратным основанием а и высотой h.

При соотношении h/a > 4 призменная и кубиковая прочности связаны зависимостью

Прочность бетона при растяжении, связь призменной и кубико- вой прочности определяются эмпирической формулой

Прочность бетона на растяжение при изгибе R_btc вычисляется по обычной формуле изгиба, не учитывающей пластические деформации,

Среднее значение коэффициента изгиба

В действительности, для различных бетонов значение К_с колеб­лется в широких пределах. Прочность бетона при растяжении оп­ределяется по формуле

Деформативность бетона

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

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.

Деформативность бетона

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 (e_e), появля­ются и неупругие остаточные или пластические (e_pl), т.е. полная дефор­мация (e_b) 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 повторяющемся 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. 12, а) 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. 12, б. 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. 12, б).

Деформации бетона при однократном первичном загружении кратковременной нагрузкой. Длительность загружения обычно не превышает 60 минут. Диаграмма для этого случая показана на рис. 13.

Степень её криволинейности зависит от продолжительности действия нагрузки, уровня напряжений и класса бетона, т. е. .

В связи с этим целесообразно выделить исходные (эталонные) диаграммы, полученные на стандартных призмах, испытываемых скоростью роста деформаций 2%, а затем уже переходить к кор­ректировке (трансформированию) диаграмм. Такая скорость изме­нения деформаций позволяет достигать вершины диаграммы при­мерно за 1 час.

Если по мере падения сопротивления бетона удаётся в той же мере снижать нагрузку, то может быть получен нисходящий участок диаграммы. Знать как работает бетон на этом участке важно для ряда конструкций и видов нагружения.

Рис. 12. 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

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.

Необходимо обратить внимание на предельные деформации, при которых бетон разрушается (точнее начинает разрушаться). Неза­висимо от режима нагружения за предельное значение деформации бетона принимают величину, соответствующую максимальному на­пряжению. Считают приближенно, что средние значения предель­ных деформаций тяжёлого бетона любого класса составляют при кратковременном действии нагрузки:

- при сжатии е_иЬ = 0, 002 (2 мм на 1 м);

- при растяжении е_иbt = 0,00015 (0,15 мм на 1 м).

Знание предельных деформаций бетона необходимо, так как от их величин зависит диапазон совместной работы арматуры с бето­ном и эффективность её использования.

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 железобетонных элементов.

Рис. 14. Неупругие деформации бетона в зависимости:

а, б – от длительности действия нагрузки; в – от скорости начального загружения

Одновременно с ползучестью развиваются и деформации усадки, т. е.:

(1.13)

Природа ползучести бетона объясняется его структурой, дли­тельным процессом кристаллизации и постепенным уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит постепенное перераспределение напряжений с испыты­вающей вязкое течение гелевой структурной составляющей на кри­сталлический сросток и зёрна заполнителей. Развитию деформаций ползучести способствуют также капиллярные явления, связанные с перемещением в микропорах и капиллярах избыточной воды под нагрузкой. С течением времени процесс перераспределения напря­жений затухает и деформирование прекращается.

Ползучесть бетона условно разделяют на линейную и нелиней­ную. Считают, что линейная ползучесть имеет место при ( – напряжение, соответствующее нижней границе микрораз­рушений). В этом случае деформацию ползучести определяют по формуле:

(1.14)

где с – мера ползучести бетона при сжатии .

(1.15)

Величина деформации ползучести зависит от многих факторов.

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: наибольшей ползучестью обладают бетоны, при­готовленные на шлакопортландцементе или портландцементе. Пол­зучесть тем меньше (при прочих равных условиях), чем больше размеры поперечного сечения бетонного элемента. Максимальные деформации ползу­чести (при прочих равных условиях) достигаются при водонасыщении бетона в пределах 20. 35%. Пропаривание бетона снижает его ползучесть на 10. 20%, а автоклавная обработка – на 50. 80%. Ползучесть бетона оказывает существенное влияние на ра­боту железобетонных конструкций под нагрузкой, что учитывают, например, при расчете внецентренно сжатых элементов, при оценке деформативности конструкций и при определении внутренних уси­лий в статически неопределимых конструкциях.

Деформации бетона при многократно повторяющемся действии нагрузки. Многократное повторение циклов нагрузки и разгрузки бетонного образца приводит к постепенному накоплению неупругих деформаций. Линии нагрузки и разгрузки образуют петлю гистере­зиса, площадь которой характеризует энергию, затраченную за один цикл на преодоление внутреннего трения.

При напряжениях, не превышающих предел выносливости , после достаточно большого числа циклов неупругие дефор­мации бетона, соответствующие данному уровню напряжений, по­степенно выбираются и бетон начинает работать упруго (рис. 15).

При высоких напряжениях после некоторого числа циклов кривая достигает прямолинейного вида, а затем на­чинает искривляться снова, но уже в обратном направлении, т.е. вогнутостью в сторону оси напряжений. Искривление начинается с верхней части прямой (т.е. вблизи наивысшего напряжения) и появ­ляется точка перегиба. При продолжающемся повторении приложении нагрузки точка перегиба опускается всё ниже по кривой, пока не исчезнет. Тогда вся кривая оказывается вогнутой в сторону оси напряжений. При этом остаточные деформации после каждой разгрузки неогра­ниченно растут, а кривая всё больше наклоняется к оси абс­цисс. Петля гистерезиса всё больше увеличивается и, наконец, обра­зец хрупко разрушается.

Физические явления, происходящие в бетоне при повторных нагружениях, близки к явлениям, происходящим при действии очень длительных нагрузок, т.е. длительное нагружение можно рассмат­ривать как многократно повторное с .

При вибрационных нагрузках с большим числом повторений в минуту (200. 600) наблюдается ускоренное развитие ползучести бе­тона, называемое виброползучестью или динамической ползучестью бетона.

Прочность и деформативность бетона

Home / Бетон в Красногорске / Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Структура бетона и ее влияние на прочность и деформативность

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность 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.

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/C пористость цементного камня уменьшается и прочность бетона увеличивается. Поэтому в заводском производстве железобетонных изделий применяют преимущественно жесткие бетонные смеси с возможно меньшим значением W/C. 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.

Читайте также:

  
• Самый дешевый вариант тротуарной плитки
  
• Терка для снятия штукатурки corte 1418
  
• Как наносить декоративную штукатурку боларс
  
• Почему затирка для плитки смывается когда моешь плитку
  
• Можно ли клеить плитку на стеклохолст