Основные физико-механические свойства бетона

Общая теория железобетона

Известные с каменного века природные камни (известняк, базальт, мрамор и др.) образованы из частиц обломочных горных пород, связанных минеральным склеивающим веществом (кремнезёмом, кальцитом).

Но человек всегда стремился получить материал, не уступающий по прочности и долговечности природным камням. Бетон - искусственный камень, но в отличие от природного камня, он может принимать различные конструктивные формы, застывать в самых необычных, нестандартных положениях, что делает его идеальным материалом для архитектурно-строительного творчества.

Простейший вид бетона - смесь глины с соломой и песком (глинобетон, саман). Если вместо глины применить гипс, то получится гипсобетон, если известь - известковый бетон. Эти бетоны не получили широкого распространения, так как разрушались из-за воздействия воды.

Необходимо было новое вяжущее, не боящееся воды. Уже в Древнем Риме было замечено, что если известь смешать с тонкомолотой обожжённой глиной или пуццоланой (вулканической породой, взятой из местечка Поццуоли близ Неаполя, у Везувия), то она не разрушается от воды и, более того, твердеет в ней. Долгие годы это вяжущее называли «цементом». Известно, например, что Пётр I для постройки верфей в Лодейном Поле (на р. Свирь близ Петербурга) требовал не извести, а именно «цемента».

В разных странах вёлся поиск «каменного клея». В начале XIX века русский инж. Е. Челиев наконец получил настоящий цемент, обжигая смесь глины и извести до спекания, а затем её размолов. Одновременно получил цемент и Аспдин (Англ.), он назвал его портландцементом, так как был похож в застывшем виде на известняк из каменоломни близ г. Портланда. Во второй половине XIX века проф. Петербургской ВИА А.Р. Шуляченко усовершенствовал способ получения цемента, он считается отцом русского цементного производства.

В результате химической реакции при затворении цемента водой возникают растворимые продукты этой реакции. Вода, обнажив один слой зёрен цемента, проникает к следующему и обнажает его, и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока жидкость, насыщаясь, не превратится в студнеобразную массу - гель, густой, вязкий и клейковидный. Растворение продуктов реакции прекращается. Гель обволакивает при перемешивании зёрна заполнителя, постепенно теряет подвижность или, как говорят строители, схватывается, начинается кристаллизация. Кристаллы соединяются, образуются их сростки, растущие со временем. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зёрна крупного и мелкого заполнителей. Так цементный клей превращается вместе с заполнителем в прочный монолитный камень - бетон.

Бетон - самое неоднородное тело, созданное человеком. Разные по величине зёрна песка, щебня или гравия, связанные в произвольную структуру цементным камнем, расположены совершенно хаотично. Кроме твёрдой составляющей в бетоне имеются и столь же хаотично расположенные микропоры и капилляры, заполненные химически несвязанной водой, водяными парами и воздухом (жидкая и газообразная фазы). Таким образом, бетон - истинный апокалипсис случайности и хаоса, он необычайно далёк от однородного, изотропного и идеально упругого тела - любимца сопротивления материалов и строительной механики.

Неоднородность структуры, изменение свойств во времени (не весь гель затвердевает сразу - в цементном камне между кристаллическими сростками остаётся вязкая часть, которая твердеет постепенно) являются причиной того, что под воздействием нагрузки в бетоне наряду с упругими развиваются и значительные неупругие (пластические) деформации, т.н. ползучесть бетона. Ползучесть бетона - свойство деформироваться во времени даже при неизменной нагрузке.

Именно фактор времени в проявлении ползучести имеет решающее значение: при «мгновенном» нагружении бетона его деформации подчиняются закону Гука; если же образец (призму) загружать ступенями, причём после каждой ступени нагрузки выдерживать его при неизменном напряжении, то диаграмма примет ступенчатый характер (рис. 1). Наклонные линии будут выражать развитие упругих (мгновенных) деформаций, а горизонтальные площадки - пластические деформации, увеличивающиеся с ростом напряжений. Полная деформация в любой момент времени представляет собой сумму упругих и пластических деформаций. Деформации ползучести могут в 3...4 раза превышать упругие деформации.

Рис. 1 - Диаграмма зависимости между напряжениями и деформациями в бетоне при сжатии

Тангенс угла наклона к оси абсцисс касательной к диаграмме в начале координат называется начальным модулем упругости бетона, в любой другой точке кривой - модулем полных деформаций. Он является величиной переменной: в каждой точке диаграммы он свой, индивидуальный. Тангенс угла наклона секущей к кривой деформаций в любой её точке называют средним модулем или модулем упруго-пластичности бетона. Это тоже переменная величина. Пользоваться переменными модулями в расчётах конструкций практически невозможно, поэтому в нормах условно в качестве постоянного начального модуля упругости бетона приведено значение модуля упругости Е_b (индекс b заменяет слово «бетон») при напряжении, составляющем 20 % призменной прочности бетона (о призменной прочности см. на с. 7). Значения Е_b различны для разных классов бетона (о классе бетона на сжатие см. на с. 7). По сравнению с бетоном естественного твердения бетон, подвергнутый тепловой обработке при атмосферном давлении или автоклавной обработке, согласно старому СНиП, имел значение Е_b несколько ниже; в обоих СП значения не зависят от условий его твердения и принимаются равными:

Значение , МПа×10^-3 при классе бетона по прочности на сжатие
В10	В15	В20	В25	В30	В35	В40	В45	В50	В55	В60
		27,5		32,5	34,5					39,5

Говоря о деформациях бетона, коснусь здесь таких понятий как ползучесть и усадка бетона. Ползучесть - деформация бетона, вызванная силовым воздействием на него. И развивается она главным образом в направлении этого воздействия. Однако в бетоне происходят и объёмные деформации, причём несилового происхождения, это - усадка и набухание. Усадка – свойство бетона уменьшаться в объёме при твердении в обычной воздушной среде, набухание – свойство, наоборот, увеличиваться в объёме при твердении в воде.

Усадка вызвана уменьшением объёма геля при твердении, потерей избыточной воды на испарение и гидратацию с ещё не прореагировавшими частицами цемента. Поэтому усадка наиболее интенсивно происходит в начальный период твердения (в течение первого года), затем постепенно затухает. Заполнители бетона в процессе его твердения становятся внутренними связями, препятствующими усадке. Это вызывает в цементном камне растягивающие напряжения. Открытые, быстро высыхающие поверхности бетона испытывают настолько значительное растяжение, что в них могут возникнуть усадочные трещины. Уменьшить начальные усадочные напряжения можно подбором состава (усадка тем меньше, чем меньше в единице объёма бетона цемента, мелких заполнителей и чем меньше водоцементное отношение (В/Ц)), увлажнением среды при тепловой обработке, увлажнением поверхности бетона в начальный период эксплуатации, устройством усадочных швов.

Наиболее широкое применение в строительстве получили тяжёлые бетоны с объёмной массой 1800...2500 кг/м³, приготовляемые на обычных плотных заполнителях. Если заполнитель крупнозернистый, то бетон называют обычным тяжёлым. Если заполнитель мелкий (только песок), то такой тяжёлый бетон называют мелкозернистым. От раствора он отличается гораздо большим количеством цемента и более низким В/Ц.

Бетоны с объёмной массой более 2500 кг/м³ (достигаемой применением барита, чугунной дроби и др. особых видов заполнителей) относятся к особо тяжёлым и используются для защиты от радиации.

Лёгкие бетоны с объёмной массой 500...1800 кг/м³ изготовляются с применением естественных (туф, пемза, ракушечник и др.) или искусственных (керамзит, аглопорит, перлит и др.) пористых заполнителей. К легким бетонам относят и ячеистый бетон, кроме тонкомолотого заполнителя он содержит порообразующие вещества. Лёгкие бетоны применяются в ограждающих конструкциях, например, в наружных стеновых панелях крупнопанельных зданий и зданий из объёмных блоков. Оба СП, как уже отмечалось, распространяются только на тяжёлые бетоны, следовательно, не распространяются на лёгкие бетоны. Для таких бетонов готовится СП «Бетонные и железобетонные конструкции на пористых заполнителях и пористой структуры».

Бетон для сооружений, работающих в особых условиях (в гидротехнических сооружениях, при длительном воздействии высоких температур, в агрессивной среде) должен обладать соответствующими свойствами. Для повышения огнестойкости, например, применяют специальные заполнители (базальт, диабаз, шамот, доменные шлаки и др.). На такие бетоны оба СП также не распространяются.

Показателем прочности бетона является класс по прочности на сжатие В. Это сопротивление сжатию бетонных кубов с ребром 15 см, испытанных в возрасте 28 сут. после хранения при t = 20±2° и относительной влажности 90...100 % с учётом статистической изменчивости результатов. Опуская выкладки математической статистики, заметим, что в качестве класса принимают наименьшее вероятное (при обеспеченности 0,95) значение сопротивления бетона, равное

B» 0,7786 R,

где R - среднее значение сопротивления сжатию испытанных кубов (кубиковая прочность), МПа.

Имеются бетоны классов В10...60 с градацией через 5.

Для каждого класса бетона в обоих СП приведены соответствующие нормативные R_b,n и расчётные R_b значения сопротивлений сжатию призм с отношением высоты к размеру стороны квадрата, равным 4 (призменная прочность), нормативные R_bt,n и расчётные R_bt значения сопротивлений растяжению (индекс b заменяет слово «бетон», индекс n – «нормативное», индекс t – «растяжению»):

, , МПа при классе бетона по прочности на сжатие
В10	В15	В20	В25	В30	В35	В40	В45	В50	В55	В60
7,5	11,0	15,0	18,5	22,0	25,5	29,0	32,0	36,0	39,5	43,0

, , МПа при классе бетона по прочности на сжатие
В10	В15	В20	В25	В30	В35	В40	В45	В50	В55	В60
0,85	1,1	1,35	1,55	1,75	1,95	2,1	2,25	2,45	2,6	2,75

, МПа при классе бетона по прочности на сжатие
В10	В15	В20	В25	В30	В35	В40	В45	В50	В55	В60
6,0	8,5	11,5	14,5	17,0	19,5	22,0	25,0	27,5	30,0	33,0

, МПа при классе бетона по прочности на сжатие
В10	В15	В20	В25	В30	В35	В40	В45	В50	В55	В60
0,56	0,75	0,9	1,05	1,15	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8

Расчётные значения сопротивлений получены делением нормативных значений на коэффициенты надёжности по бетону: при сжатии = 1,3, при растяжении = 1,5 (о коэффициентах надёжности по материалу см. в п. 1.5). Расчётные значения сопротивлений для предельных состояний второй группы R_b,ser и R_bt,ser численно равны, соответственно, R_b,n и R_bt,n (о предельных состояниях конструкций см. в п. 1.5). Значения призменной прочности равняются приблизительно 0,75 кубиковой прочности для классов В25 и выше и 0,8 - для классов менее В25.

Дата добавления: 2014-01-05