Лекция 6. Часть 3. Физико-механические свойства бетона

Деформативные свойства бетона учитывают при проектировании железобетонных конструкций, так как они оказывают большое влияние на качество и долговечность бетонных и железобетонных сооружений.

Условно деформации бетона можно разделить на следующие виды:

• собственные деформации бетонной смеси (первоначальная усадка) и затвердевшего бетона (усадка и расширение), возникающие под действием физико-химических процессов, протекающих в бетоне;

• деформации от действия внешних нагрузок. При этом различают деформации от кратковременного действия нагрузок, от длительного действия и деформации от многократно повторных загружении;

• температурные деформации бетона.

После укладки бетонной смеси может происходить осаждение твердых частиц с вытеснением в верхние слои более легких. Этот процесс наиболее ярко проявляется в пластичных и литых смесях. При этом на поверхности смеси может появляться вода, и происходит изменение объёма бетона.

Процесс твердения бетона также сопровождается изменением его объёма. Наиболее значительным является уменьшение объёма при твердении в атмосферных условиях или при недостаточной влажности среды, получившее название усадки бетона. При твердении в воде или во влажных условиях уменьшение объёма бетона может не происходить, а в ряде случаев наблюдается даже его незначительное расширение (набухание).

Усадка бетона возрастает с увеличением W/C, количества цемента, применения высокоалюминатных цементов, мелкозернистых и пористых заполнителей. Быстрое высыхание бетона приводит к значительной первоначальной усадке и может вызвать появление усадочных трещин. Особенно существенно влияние усадки в массивных конструкциях.

Снижение усадки достигается подбором состава бетона (уменьшением объема пор), увлажнением поверхности в период вызревания бетона и т.п.

Если образец из бетона загружать внешней нагрузкой по этапам и замерять деформации на каждой ступени загружения дважды - сразу после приложения нагрузки и через некоторое время после выдержки под нагрузкой, то на диаграмме получим ступенчатую линию. Деформации, измеренные после приложения нагрузки, упругие и связаны с напряжениями линейным законом, а деформации, развивающиеся за время выдержки под нагрузкой, - неупругие. Причем, чем выше уровень напряжений, тем больше неупругие деформации бетона.

Полные деформации (кривая I) будут складываться из упругих _е и пластических _pl.

При небольших напряжениях _b  0,2 R_b бетон можно рассматривать как упругий материал (участок 0-1).

Точка 4 соответствует предельному сопротивлению образца R_b и деформациям _bcu.

При определенных условиях испытания бетоны даже имеют нисходящую ветвь на диаграмме сжатия (участок 4-5). Однако на этом участке сплошность материала уже нарушена, в нем возникают микроскопические трещины, отслоения отдельных частей.

При разгрузке с некоторого уровня напряжений, соответствующего восходящей ветви, до нуля в образце будут иметь место остаточные деформации, которые со временем уменьшаются  на 10%. Это явление называется упругим последствием _еp.

На характер нарастания деформаций под действием нагрузки влияют также скорость её приложения (кривая II при мгновенном нагружении), размеры образца, температурно-влажностное состояние бетона и окружающей среды, а также другие факторы.

Связь между напряжениями и деформациями на участке 0-1 устанавливается законом Гука

_b = _b / E_b,

где E_b – начальный модуль упругости, E_b = tg₀ = _b / _b.

Далее (участки 1-4) зависимость нелинейная, модуль в каждой точке диаграммы переменный, E_b = tg.

Для практических расчетов был предложен упругопластический модуль деформаций

E_bpl = tg_1.

Зависимость между E_b и E_bpl определяется коэффициентом  = _e / _b , т.е. E_bpl =  E_b.

Коэффициент  изменяется от 1 при упругой работе до 0,45 при кратковременном нагружении, при длительном действии нагрузки  = 0,1…0,15.

При растяжении _t = 0,5.

При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона с течением времени увеличиваются. Наибольшая интенсивность их нарастания наблюдается в первые 3…4 месяца.

Ползучестью называют свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки.

Различают ползучесть линейную и нелинейную.

Опыты показывают, что независимо от скорости достижения напряжения _b конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковы.

Деформации ползучести увеличиваются с уменьшением влажности среды, увеличением В/Ц и количества цемента. Бетон, нагруженный в боле раннем возрасте, обладает большей ползучестью.

Важное значение для расчета конструкций и оценки их поведения под нагрузкой имеют предельные деформации, при которых начинается разрушение бетона. Для расчетов принимают: при осевом кратковременном сжатии _bcи = 210^-3, длительном _bcи = 2,510^-3, при изгибе и внецентренном сжатии _bcи = 3,510^-3, при центральном растяжении _btи = 1,510^-4.

Показатели качества бетона

По прочностным показателям качества различают следующие классы бетона:

В - по прочности на осевое сжатие;

B_t - по прочности на осевое растяжение.

Под классом бетона «В» по прочности на oceвое сжатие понимают среднестатистическое значение временного сопротивления сжатию R в МПа эталонных образцов, изготовленных и испытанных через 28 суток хранения при температуре (20 ±2) С в соответствии с государственным стандартом с обеспеченностью 0,95.

Нормами установлены следующие классы бетона по прочности на осевое сжатие:

- для тяжелых и мелкозернистых бетонов:

В7.5; В10; В12.5; В15; В20; В25; ВЗО; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

- для легких бетонов:

В7.5; В10; В12.5; В15; В20; ВЗС В35; В40.

Под классом бетона В_t по прочности на осевое растяжение понимают среднестатистическое значении временного сопротивления растяжению R в МПа эталонных образцов, испытанных через 28 суток хранения при температуре (20 ± 2) °С в соответствии с государственным стандартом с обеспеченностью 0,95.

Класс по прочности на осевое растяжение назначаю при проектировании железобетонных конструкций, для которых прочность бетона на растяжение имеет принципиальное значение (резервуары, напорные трубопроводы, бетонные покрытия дорог и т.п. сооружения).

Нормами для тяжелых, легких и мелкозернистых бетенов установлены классы бетона по прочности на осевое растяжение В_t 0,8... 3,2 с градацией через 0,4 МПа.

Под водонепроницаемостью материала понимают его способность не пропускать воду. Для напорных сооружений (резервуары, напорные трубопроводы и т.п. сооружения) в зависимости от испытываемого гидростатического давления жидкости назначается марка по водонепроницаемости в пределах от W 2 до W 12, где число характеризует давление воды в кг/см², при котором еще не наблюдается ее просачивания через испытываемый образец. Испытания выполняют на образцах из бетона диаметром и высотой 150мм.

Под морозостойкостью понимают способность материала в увлажненном состоянии сопротивляться разрушающему воздействию попеременного замораживания и оттаивания. Марка бетона по морозостойкости назначается для конструкций в пределах от F25 до F500, где число характеризует количество выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, при котором прочность бетона снижается не более чем на 15% или не наблюдается видимых его разрушений.

Под жаростойкостью понимают способность бетона сохранять прочность при длительном воздействии высоких температур (выше 200 °С).