Прочностные характеристики бетона

Основными факторами, влияющими на прочность бетона, являются:

- возраст и условия твердения;

- форма и размеры образцов;

- вид напряженного состояния (сжатие, растяжение, изгиб, срез);

- длительность действия нагрузки и др.

¨ Возраст и условия твердения. Прочность бетона нарастает с течением времени, но степень повышения прочности зависит от температурно-влажностных условий окружающей среды (рис. 6). Наиболее быстрый рост прочности наблюдается в начальный период.

Рис. 6. Нарастание прочности бетона при хранении: 1 – во влажной среде; 2 – в сухой среде

Нарастание во времени прочности тяжелых бетонов на портландцементе в нормальных условиях твердения можно определить по формуле Б.Г.Скрамтаева

R_t = 0,7 R₂₈lgt, (2.1)

где R_t – кубиковая прочность бетона в возрасте t суток; R₂₈ – то же, в возрасте 28 сут.

Повышение температуры и влажности среды значительно ускоряет процесс твердения бетона. С этой целью железобетонные изделия на заводах подвергают ТВО при температуре 80…90 °С и влажности 90…100% или автоклавной обработке при давлении пара около 0,8 МПа и температуре 170 °С. В последнем случае проектная прочность бетона может быть получена уже через 12 часов.

При температурах ниже +5 °С твердение бетона существенно замедляется, а при температуре бетонной смеси -10 °С – практически прекращается. После оттаивания бетонной смеси твердение бетона возобновляется, но конечная прочность его всегда будет ниже прочности бетона, твердевшего в нормальных условиях.

¨ Прочность на осевое сжатие. Бетон в железобетонных конструкциях преимущественно используется для восприятия сжимающих напряжений. Поэтому за основную эталонную характеристику прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Все другие прочностные и деформативные характеристики зависят от прочности на сжатие и определяются по эмпирическим формулам.

Прочность на сжатие определяется в лабораторных условиях на образцах в форме кубов и призм. В соответствии с действующими ГОСТ испытывают партию образцов и определяют R_m (среднюю кубиковую прочность партии стандартных кубов с ребром 150 мм) или R_bm (среднюю призменную прочность партии стандартных приз размером 150´150´600 мм).

· К у б и к о в а я п р о ч н о с т ь – это временное сопротивление при сжатии бетонного куба с ребром 150 мм в возрасте 28 сут., хранимого в стандартных условиях.

Следует сказать, что кубы разных размеров, изготовленные из одного и того же замеса бетона, показывают разную прочность (не разрушающую нагрузку, а кубиковую прочность R = N_u / А; здесь N_u – разрушающая нагрузка по показаниям шкалы испытательного пресса, А – площадь грани куба). При этом с увеличением размеров куба прочность уменьшается:

размер стороны куба, см: 10 15 20

кубиковая прочность: ~1,12 R R ~ 0,93 R

Дело здесь в следующем. Опыты показывают, что при осевом сжатии кубы (как и другие сжатые образцы) разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении и приобретают форму, показанную на рис. 7, а.

Рис. 7. Характер разрушения бетонных кубов:

а – при наличии трения по опорным плоскостям; б – при отсутствии трения;

1 – силы трения; 2 - трещины отрыва; 3 – смазка

Такой характер разрушения (наклон трещин отрыва) обусловлен влиянием сил трения, которые развиваются на контактных поверхностях между металлическими подушками пресса и опорными гранями бетонного кубика. Силы трения направлены внутрь и препятствуют свободным поперечным деформациям бетона вблизи опорных поверхностей, создавая своеобразную обойму. Тем самым повышается прочность бетона на сжатие. По мере удаления от опорных поверхностей эффект обоймы уменьшается, поэтому после разрушения и получается форма в виде двух усеченных пирамид, сложенных малыми основаниями.

Если устранить трение (например, смазать парафином опорные грани, рис. 7, б), характер разрушения куба и прочность изменяются. Поперечные деформации бетона уже не сдерживаются и трещины отрыва становятся вертикальными, параллельными сжимающей силе, а прочность существенно уменьшается. Согласно ГОСТ кубы испытываются без смазки опорных поверхностей.

Так как форма реальных конструкций всегда отличается от куба, то кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется, а служит только для контроля качества бетона.

П р и з м е н н а я п р о ч н о с т ь R_b – временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм, имеющих отношение h / a = 4 (h – высота призмы, a – размер стороны квадратного основания). Опыты показали, что с увеличением h / a призменная прочность R_b уменьшается, а при h / a ³ 4 становится практически стабильной (рис. 8) и равной 0,7…0,9 R в зависимости от класса бетона.

Рис. 8. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров образца

Это объясняется тем, что сдерживающее влияние сил опорного трения по торцам призм сказывается только в области, размеры которой соизмеримы с размерами нагруженной грани. Таким образом, в призмах с высотой h ³ 2 a средняя часть свободна от влияния сил трения. Именно в средней по высоте части призм перед разрушением появляются продольные трещины отрыва (см. рис. 8), распространяющиеся вверх и вниз к опорным граням. Результаты испытаний таких образцов совершенно четко свидетельствуют, что при сжатии разрушение образца происходит от разрыва бетона в поперечном направлении.

Призменная прочность R_b является основной расчетной характеристикой прочности бетона на сжатие, используемой в расчетах железобетонных конструкций. Между призменной и кубиковой прочностью существует прямопропорциональная зависимость типа

R_b = (0,77 – 0,001 R) R ³ 0,72 (2.2)

П р о ч н о с т ь н а с м я т и е (местное сжатие). Местное сжатие имеет место там, где загружена только часть поперечного сечения элемента (рис. 9).

Рис. 9. К определению прочности бетона при местном сжатии:

1 – конус силового потока (напряжений); 2 – условное изображение напряжений R_b,loc

При действии сжимающей силы F поперечные деформации бетона под площадкой смятия A_loc сдерживаются «обоймой», создаваемой бетоном незагруженной части площади A. Вследствие этого прочность бетона R_{b , loc} под площадкой смятия A_loc значительно превышает призменную прочность R_b и определяется по формуле

R_{b , loc} = j_b×R_b, (2.3)

где j_b = 0,8Ö A / A_loc, но не более 2,5 и не менее 1.

Смятие в железобетонных конструкциях часто встречается под опорами балок, в стыках колонн многоэтажных зданий, под анкерами преднапряженных конструкций.

П р о ч н о с т ь н а о с е в о е р а с т я ж е н и е. Предел прочности бетона при осевом растяжении R_bt невысок и составляет 0,1…0,05 R. Величину R_bt устанавливают по разным методикам, например, испытанием на разрыв образцов по схеме рис. 10, а. В этом случае R_bt = N_u / A_b, (2.4)

где N_u – разрушающая нагрузка; A_b – площадь поперечного сечения образца.

Однако из-за трудностей центрирования образца имеет место большой разброс результатов, поэтому экспериментально величину R_bt чаще определяют косвенными методами – испытанием бетонных балочек на изгиб (рис. 10, б) или раскалыванием цилиндров (рис. 10, в).

Рис. 10. Схемы испытания образцов на растяжение:

1 – фактическое и 2 – расчетное распределение напряжений по высоте поперечного сечения бетонной балочки

Тогда предел прочности на растяжение R_bt находят:

при испытании на изгиб бетонных балочек

(2.5)

где - разрушающий момент; W = bh ²/6 – «упругий» момент сопротивления сечения;

g = 1,7 – коэффициент, учитывающий неупругие деформации бетона растянутой зоны;

при испытании на раскалывание бетонных цилиндров

(2.6)

где - соответственно диаметр и длина цилиндра.

Ориентировочное значение R_bt можно определить по формуле

(2.7)

П р о ч н о с т ь б е т о н а п р и с р е з е и с к а л ы в а н и и.

Под чистым срезом понимают разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. 11, а).

Под чистым скалыванием понимают взаимное смещение (сдвиг)частей элемента между собой под действием скалывающих усилий (рис.11, б).

В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко, обычно он сопровождается действием нормальных сил. В Нормах значение сопротивления срезу R_{b , sh} не приводится, при необходимости можно определить по формуле . (2.8)

Значительно чаще бетон в ж/б конструкциях работает на скалывание, например, при изгибе балок до появления в них наклонных трещин. Предел прочности бетона на скалывание при изгибе по данным опытов составляет R_{b , sh} = (1,5…2,0).

Рис. 11. Схемы испытания бетонных образцов на срез (а) и на скалывание (б):

1 – образец; 2 – неподвижные стальные опоры; 3 – рабочая арматура; 4 – прорези (щели);

5 – участки, на которых происходит скалывание бетона под действием напряжений скалывания t.

В л и я н и е н а п р о ч н о с т ь б е т о н а д л и т е л ь н ы х и м н о г о к р а т н о п о в т о р н ы х н а г р у з о к. Пределом длительного сопротивления бетона R_bl называют наибольшие статические напряжения, которые он может выдерживать неограниченно долго без разрушения.

Лабораторные испытания образцов бетона осуществляются достаточно быстро, тогда как реальные конструкции находятся под нагрузкой десятки лет. Опытные данные показали, что статические напряжения s_b < 0,8 R_b не вызывают разрушение бетонного образца при любой длительности нагружения, т.к. развитие возникающих в бетоне микроразрушений со временем прекращается. Если же s_b > 0,8 R_b, то в бетоне развиваются значительные неупругие деформации и происходит изменение (нарушения) структуры, что приводит к снижению его прочности. Снижение может достигать 25%, если за время выдержки под нагрузкой прочность бетона практически не нарастала (неблагоприятные температурно-влажностные условия эксплуатации). Если же эти условия благоприятны, то уровень статических напряжений s_b / R_b постепенно снижается и отрицательное влияние длительности нагружения может и не сказаться. В общем, предел длительного сопротивления бетона находится в интервале

0,9 R_b ³ R_bl ³ 0,75 R_b. (2.9)

Предел прочности бетона при многократно повторных (подвижных или пульсирующих) нагрузках называют пределом выносливости R_bf – это напряжение, при котором количество циклов нагрузки и разгрузки составляет не менее 10⁶.

Предел выносливости R_bf связан с нижней границей образования микротрещин (см. с. 8) и зависит от коэффициента асимметрии цикла нагрузка-разгрузка r_b = s_{b , min} / s_{b , max} (рис. 12, а), числа циклов нагрузки и разгрузки n (рис. 12, б) и уровня напряжений s_{b , max} / R_b.

а б

Рис. 12. Зависимость предела выносливости бетона R_bf от коэффициента асимметрии цикла r_b (а)

и от количества циклов n (б)

Если многократно повторная нагрузка вызывает в бетоне напряжения выше границы микротрещинообразования , то при большом количестве циклов (~10⁷) наступает его разрушение.

Практический предел выносливости при базовом количестве циклов 2×10⁶ имеет наименьшее значение R_bf = 0,5 R_b.

Предел выносливости бетона необходим при расчете железобетонных подкрановых балок, шпал, элементов мостовых конструкций.

Дата добавления: 2014-01-20