Деформативность бетона

Классы и марки бетона.

Прочность бетона

Основы прочности. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения концентрируются на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости, вследствие чего по плоскостям соединения этих частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между частицами. В то же время в местах, ослаб­ленных порами и пустотами, происходит концентрация напряжений. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, наблюда­ется концентрация сжимающих и растягивающих напря­жений; последние действуют по площадкам, параллельным сжимающей силе. Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у одного отверстия или поры накладываются на соседние. В ре­зультате в бетонном образце, подвергнутом осевому Сжатию, возникают продольные сжимающие и попереч­ные растягивающие напряжения (вторичное поле напря­жений).

Разрушение сжимаемого образца, как показывают опыты, возникает вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещинки отрыва. С ростом нагрузки трещинки отрыва соединяются, образуя видимые трещины, направленные параллельно или с небольшим накло­ном к направлению действия сжимающих сил. Затем трещины раскрываются, что сопровождается ка­жущимся увеличением объема. Наконец, наступает пол­ное разрушение. Разрушение сжимаемых образцов из различных материалов, обладающих сплош­ностью структуры, наблюдается вследствие разрыва в поперечном направлении.

Прочность бетона зависит от ряда факторов, основными из которых являются: 1) технологические факторы, 2) возраст и условия твердения, 3) форма и размеры образца, 4) вид напряженного состояния и длительные процессы. Бетон при разных напряжениях — сжатии, растяжении и срезе — имеет разное временное сопро­тивление.

В зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации устанавливают показатели качества бетона, основными из которых являются:

класс бетона по прочности на осевое сжатие В; Классом бетона (МПа) называется временное сопротивление сжатию бе­тонных образцов с размером ребра 15 см, испытанных через 28 дней хранения при температуре 20±2°С по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности. Классы бетона по прочности на сжатие для железобетонных конструкций нормами устанавливаются следующие: для тяжелых бе­тонов В7,5; В10; В12,5; В15; В20; ВЗ0; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

класс бетона по прочности на осевое растяжение В_t; назначается в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве; Классы бетона по прочности на осевое растяжение В_t0,8; В 1,2; В 1,6; В2; В2.4; В2,8; В,3,2 характеризуют прочность бетона на осевое растяжение (МПа) по ГОСТу с учетом статистической изменчивости прочности

марка бетона по морозостойкости F; должна назна­чаться для конструкций, подвергающихся в увлажнен­ной состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания (открытые конструкции, ограждающие конструкции и т. п.); F25 до F500 ха­рактеризуют число выдерживаемых циклов поперемен­ного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии.

марка по водонепроницаемости W; назначается для конструкций, к которым предъявляют требования непро­ницаемости (резервуары, напорные трубы и т. п.); W2 до W12 характеризуют предельное давление воды, при ко­тором не наблюдается просачивание ее через испы­тываемый образец.

марка по плотности D; назначается для конструкций, к которым кроме требований прочности предъявляются требования теплоизоляции, и контролируется на произ­водстве.

D800 до D2400 характеризуют среднюю плотность (кг/м³).

Влияние времени и условий твердения на прочность бетона. Прочность бетона нарастает в течение длительно­го времени, но наиболее интенсивный ее рост наблюда­ется в начальный период твердения. Прочность бетона, приготовленного на портландцементе, интенсивно нара­стает в первые 28 суток.

Рис. 2.Нарастание прочности Рис. 3. Характер разрушения бетонных бетона во времени кубов

а — при трении по опорным плоскостям;

б — при отсутст­вии трения

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают тепловой обработке при температуре до 90 °С и влажности до 100 % или же специальной автоклавной обработке при высоком давлении пара и температуре порядка 170 °С. Эти способы позволяют за сутки получить бетон прочностью ~70% проектной. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или пре­кращается.

Кубиковая прочность бетона при сжатии. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Наклон трещин разрыва обусловлен силами трения, которые развивают­ся на контактных поверхностях — между подушками пресса и гранями куба. Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если времен­ное сопротивление сжатию бетона для базового куба с ребром 15 см равно R, то для куба с ребром 20 см оно уменьшается и равно приблизительно 0,93R, а для куба с ребром 10 см увеличивается и равно ~1,1 R.

Рис. 4. Схемы испытания образцов для определения прочности бетона на растяжение

Призменная прочность бетона при сжатии. Железо­бетонные конструкции по форме отличаются от кубов, поэтому кубиковая прочность бетона не может быть непосредственно использована в расчетах прочности эле­ментов конструкции. Основной характеристикой прочно­сти бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм.

Прочность бетона при растяжении зависит от прочно­сти цементного камня при растяжении и сцепления его с зернами заполнителей. Согласно опытным данным, проч­ность бетона при растяжении в 10—20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность при растя­жении уменьшается с увеличением класса бетона. В опы­тах наблюдается еще больший по сравнению со сжати­ем разброс прочности.

Прочность бетона при срезе и скалывании. В чистом виде явление среза состоит в разделении элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезываю­щие силы. При этом сопротивление срезу зерен крупных заполнителей, работающих как шпонки в плоскости сре­за, оказывает существенное влияние. При срезе распре­деление напряжений по площади сечения считается рав­номерным.

Сопротивление бетона скалыванию возникает при из­гибе железобетонных балок до появления в них наклон­ных трещин. Скалывающие напряжения по высоте се­чения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление скалыванию при изгибе, согласно опыт­ным данным, в 1,5—2 раза больше R_bt

Прочность бетона при длительном действии нагрузки.Согласно опытным данным, при длительном действии нагрузки и высоких напряжениях под влиянием развива­ющихся значительных неупругих деформаций и струк­турных изменений бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем временное сопротивление осевому сжатию R_b. Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию по опытным данным может составлять R_bl = 0,90 R_b и меньше. Если при эксплуатации конструкции в благоприятных для нарастания прочности бетона усло­виях уровень напряжений σ_b/R_bl постепенно уменьшает­ся, отрицательное влияние фактора длительного загружения может и не проявляться.

Прочность бетона при многократно повторных нагруз­ках. При действии многократно повторных нагрузок с повторяемостью в несколько миллионов циклов времен­ное сопротивление бетона сжатию под влиянием разви­тия структурных микротрещин уменьшается.

Виды деформаций. В бетоне различают деформации двух основных видов: объемные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности, и силовые, развивающиеся главным образом вдоль направления действия сил. Силовым продольным деформациям соответствуют некоторые поперечные деформации, начальный коэффициент поперечной деформации бетона ν=0,2 (коэффициент Пуассона); Бетон представляет собой упругопластический материал. Начиная с малых напряжений, в нем помимо упругих восстанавливающихся 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 длительном действии нагрузки и при много кратно повторном действии нагрузки.

Объемные деформации. Деформации, вызванные усад­кой бетона, изменяются в довольно широком диапазоне: по данным опытов, для тяжелых бетонов ε_sl≈ 3-10^-4 и более, а для бетонов на пористых заполнителях ε_sl≈ 4,5*10^-4. Деформация бетона при набухании в 2—5 раз меньше, чем при усадке.

Деформации бетона, возникающие под влиянием из­менения температуры, зависят от коэффициента линей­ной температурной деформации бетона. При измене­ний температуры среды от -50 до -50⁰С для тяжелого бетона и бетона на пористых: заполнителях с кварцевым песком α_bt=1*10^-5°С^-1. Этот коэффициент зависит от вида цемента, заполнителей,, влажностного состояния бетона и может изменяться в пределах ±30 %. Так, α_bt =0,7*10^-5°С~1 для бетонов на пористых заполните­лях с пористым песком.

Деформации при однократном загружении кратковре­менной нагрузкой. При однократном загружении бетон­ной призмы, кратковременно приложенной нагрузкой де­формация бетона ε_b = ε_e+ε_pl (I.1)

т. е. она образуется из ε_е — упругой и ε_pt — неупругой пластической деформаций

(рис, 1.5). Небольшая доля неупругих деформаций в течение некоторого периода времени после разгрузки восстанавливается (около 10 %). Эта доля называется деформацией упругого пос­ледействия ε_ер. Если испытываемый образец загружать по этапам и замерять деформации на каждой ступени дважды (сразу после приложения нагрузки и через не­которое время после выдержки под нагрузкой), то на диаграмме σ_b-ε_b получим ступенчатую линию.

Рис. 5. Общая диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне

С увеличением скорости загружения при одном и том же напряжении σ_b неупругие деформации умень­шаются. Для различных скоростей загружения σb>σ2> >Vs кривые зависимости σ_b—ε_b изображены на рис. 1.10,6. При растяжении бетонного образца также возникает деформация εbt=εet+εpl,t (I.6) состоящая из ε_et - упругой и ε_pl,t-пластической частей.

Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблю­дается первые 3—4 мес. и может продолжаться несколь­ко лет. На диаграмме σ_b—ε_b участок 0—1 характеризует деформации, возникающие при загружении, кривизна этого участка зависит от скорости загружения; участок /—2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном значении напряжений.

Свойство бетона, характеризующееся нарастанием неупругих деформаций при длительном действии нагрузки, называют ползучестью бетона. Деформации ползучести могут в 3-4 раза превышать упругие деформации. При длительном действии постоянной нагрузки, если деформации ползучести нарастают свободно, напряжения бетоне остаются постоянными. Если же связи в бето­не (например, стальная арматура) стесняют свободное развитие ползучести, то ползучесть будет стесненной, при которой напряжения в бетоне уже не будут оста­ваться постоянными.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет - со­бой сумму деформаций: упругой ε_е, ползучести ε_pl и усадки ε_sl. Однако в то время как усадка носит харак­тер объемной деформации, ползучесть развивается глав­ным образом в направлении действия усилия.

Рис. 6 Диа­грамма σ_b—ε_b при многократном по­вторном загружении об­разца

.

Деформации бетона при многократно повторном дей­ствии нагрузки. Многократное повторение циклов загружения и разгрузки бетонной призмы приводит к посте­пенному накапливанию неупругих деформаций. После достаточно большого числа циклов эти неупругие де­формации, соответствующие данному уровню напряже­ний, постепенно выбираются, ползучесть достигает свое­го предельного значения, бетон начинает работать упру­го. На рис. 1.6 показано, как с каждым последующим циклом неупругие деформации накапливаются, а кривая σ_b-ε_b постепенно выпрямляясь, становится прямой, ха­рактеризующей упругую работу. Такой характер дефор­мирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих предел выносливости σb≤R_r.

При боль­ших напряжениях после некоторого числа циклов не­упругие деформации начинают неограниченно расти, что приводит к разрушению образца, при этом кривизна линии σ_b-ε_b меняет знак, а угол наклона к оси абсцисс последовательно уменьшается.

Предельные деформации бетона перед разрушением - предельная сжимаемость ε_ub и предельная растяжимость ε_ubt — зависят от прочности бетона, его класса, состава, длительности приложения нагрузки. В опытах при осевом сжатии призм наблюдается предельная сжимаемость бетона ε_ub = (0,8...3) 10^-3, в среднем ее принимают равной: ε_ubt = 2*10^-3. Сжимаемость бетона значительно возрастает, если при его загружении происходит пропорциональное воз­растание деформаций; в этом случае на диаграмме напряжения - деформации появляется ни­сходящий участок. Учет работы бетона на нисходящем участке диаграммы имеет существенно важное значение для расчета ряда конструкций.

Предельная растяжимость бетона в 10—20 раз мень­ше предельной сжимаемости, в среднем ее принимают равной: ε_ubt =1,5-10^-4; бетоны на пористых заполните­лях имеют несколько большую предельную растяжи­мость. Предельная растяжимость бетона существенно влияет на сопротивление образованию трещин в растя­нутых зонах железобетонных конструкций.

1.2. АРМАТУРА