БЕТОН ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Классификация бетонов по

БЕТОН ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Классификация бетонов по назначению конструкционные; конструкционно-теплоизоляционные; специальные (химически стойкие, жаростойкие и пр. ); по прочности низкомарочные, классов В 12, 5 и ниже; рядовые, классов В 15 – В 35; повышенной прочности, классов В 40 – В 55; высокопрочные, классов В 60 – В 100; особовысокопрочные, классов В 110 и выше.

по структуре плотные – пространство между зернами заполнено затвердевшим вяжущим (межзерновая пустотность менее 7%); крупнозернистые – малопесчаный или беспесчаный с частично заполненным пространством между зернами; поризованные – вяжущее между зернами поризовано с помощью специальных добавок; ячеистые – с искусственно созданными замкнутыми порами;

по структуре плотные – пространство между зернами заполнено затвердевшим вяжущим (межзерновая пустотность менее 7%); крупнозернистые – малопесчаный или беспесчаный с частично заполненным пространством между зернами; поризованные – вяжущее между зернами поризовано с помощью специальных добавок; ячеистые – с искусственно созданными замкнутыми порами; по средней плотности (кг/м 3): особо тяжелые с плотностью более ρ >2500; тяжелые – ρ = 2201. . . 2500; облегченные – ρ = 2001. . . 2200; легкие – ρ = 501. . . 1200; особо легкие - ρ ≤ 500. по средней плотности в Европе (кг/м 3): тяжелые (heavy concrete) – ρ > 2601; обычные (ordinary concrete) – ρ = 2001. . . 2600; легкие (lightweight concrete) – ρ ≤ 2000 (классы от D 1, 0 800 ˂ ρ ≤ 1000 до D 2, 0 1800 ˂ ρ ≤ 2000)

по структуре плотные – пространство между зернами заполнено затвердевшим вяжущим (межзерновая пустотность менее 7%); крупнозернистые – малопесчаный или беспесчаный с частично заполненным пространством между зернами; поризованные – вяжущее между зернами поризовано с помощью специальных добавок; ячеистые – с искусственно созданными замкнутыми порами; по средней плотности (кг/м 3): В России • особо тяжелые ρ >2500; • тяжелые – ρ = 2201. . . 2500; • облегченные – ρ = 2001. . . 2200; • легкие – ρ = 501. . . 1200; • особо легкие - ρ ≤ 500. в Европе • тяжелые (heavy concrete) – ρ > 2601; • обычные (ordinary concrete) – ρ = 2001. . . 2600; • легкие (lightweight concrete) – ρ ≤ 2000 (классы от D 1, 0 800 ˂ ρ ≤ 1000 до D 2, 0 1800 ˂ ρ ≤ 2000)

по виду заполнителей на плотных естественных заполнителях, плотностью ρ ≥ 2 г/см 3 (силикатных - граниты, сиениты, диориты, карбонатных –известняки); на пористых естественных, ρ ˂ 2 г/см 3 (перлит, пемза, ракушечник) - перлитобетон, пемзобетон ; искусственных заполнителях (керамзит, шлак) керамзитобетон, шлакобетон; на специальных заполнителях, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости, химической стойкости. по размеру заполнителя обычные, содержат КЗ (более 5 мм) и МЗ (менее 5 мм), в Европе граница КЗ и МЗ – 4 мм; мелкозернистые, содержат КЗ только фракции 5 – 10 мм; песчаные, содержат только МЗ (песок).

по виду вяжущего цементные; известковые; силикатные; гипсовые; шлаковые; полимерные; на смешанных вяжущих (напр. , полимерцементные); на любых вяжущих (в принципе) – жидкое стекло, магнезиальный цемент, глина, битум, сера, металлы, каучуковые соединения.

по условиям твердения естественного твердения; подвергаемые тепловлажностной обработке при атмосферном давлении; подвергаемые тепловлажностной обработке при высоком давлении (автоклавные), t = 1800 С и давлении 10 ат. . по деформации при твердении обычные, при твердении уменьшаются в объеме, усадка превышает 0, 2 мм/м; безусадочные, расширяются при твердении, в результате усадки принимают первоначальный объем; расширяющиеся, расширяются при твердении, после усадки остаточное расширение превышает 0, 1 мм/м.

Свойства бетона Бетон для железобетонных конструкций должен удовлетворять определенным требованиям по механическим и физическим характеристикам. В расчетах несущих железобетонных конструкций используются механические свойства бетона – прочность и деформативность. Физические свойства - водонепроницаемость, морозостойкость, огнестойкость, коррозионная стойкость - опосредованно влияют на несущую способность и поэтому должны учитываться при проектировании в зависимости от условий эксплуатации конструкций: низкие или высокие температуры, агрессивная среда, подводная среда и пр. Свойства бетона предопределяются его структурой

Физические свойства бетона Огнестойкость - способность бетона сохранять прочность при пожаре (1000. . . 1100 °С). Т. к. бетон является более огнестойким материалом, чем сталь, то повышение огнестойкости железобетонных конструкций достигают увеличением защитного слоя бетона до 3. . . 4 см. Коррозионная стойкость -- способность бетона не вступать в химическую реакцию с окружающей средой. В эксплуатационных условиях большинства зданий и сооружений в бетоне коррозионные процессы не происходят. Морозостойкость - способность бетона сохранять физикомеханические свойства при многократном переменном замораживании и оттаивании, регламентируется маркой по морозостойкости. Проницаемость - свойство бетона пропускать через себя газы или жидкости при наличии градиента давления, регламентируется маркой по водонепроницаемости.

Механические свойства бетона Под прочностными свойствами бетона понимают прочность: при сжатии; при растяжении; при срезе; при скалывании; а также сцепление бетона с арматурой. Под деформативными свойствами бетона понимают сжимаемость под нагрузкой; растяжимость под нагрузкой, ползучесть; усадку, набухание; температурные деформации.

Классы и марки бетона Строительные нормы устанавливают следующие показатели качества бетона: класс бетона по прочности на осевое сжатие B; класс бетона по прочности на осевое растяжение B t; марка по морозостойкости F; марка по водонепроницаемости W; марка по средней плотности D; марка по самонапряжению Sp.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие B (МПа) называется минимальное временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20± 2 о. С установленное с доверительной вероятностью 0, 95. B 10 ÷ B 60. Назначают для всех видов бетонов и конструкций. Класс бетона по прочности на осевое растяжение: Bt также устанавливают с доверительной вероятностью 0, 95. Bt 0, 8 ÷ Bt 3, 2 Назначают в случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение в работе конструкции и ее контролируют на производстве.

Марка бетона по средней плотности D – гарантированная собственная масса бетона (кг/м 3) D 200 ÷ D 5000. Имеет решающее значение для конструкций, рассчитываемых по требованиям теплозащиты. Марка бетона по самонапряжению Sp - значение предварительного напряжения в бетоне, МПа, создаваемого в результате его расширения при коэффициенте продольного армирования μ = 0, 01, и контролируется на образцах-призмах размером 10× 40 см. Sp 0, 6 ÷ Sp 4. Назначают для самонапряженных конструкций, когда эту характеристику учитывают в расчете и контролируют на производстве.

Марка бетона по морозостойкости F – Установленное нормами минимальное число циклов замораживания и оттаивания образцов бетона, испытанных по стандартным базовым методам, при которых сохраняются их первоначальные физико-механические свойства в нормируемых пределах. В нормах принято: число циклов, при котором кубиковая прочность снижается не более чем на 15 %. F 15 ÷ F 1500. Назначение марки по морозостойкости для надземных конструкций Расчетная отрицательная температура наружного воздуха Марка по морозостойкости t > - 5 °С не нормируют - 5 °С ≥ t ≥ - 40 °С не ниже F 75 Принимают по специальным указаниям (СП 28. 13330) Для подземных конструкций - принимают по специальным указаниям t < - 40 °С (СП 28. 13330)

Марка бетона по водонепроницаемости W –Показатель проницаемости бетона, характеризующийся максимальным давлением воды, при котором в условиях стандартных испытаний вода не проникает через бетонный образец. В нормах принято: предельное давление воды (кг/см 2), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый стандартный образец толщиной 15 см. W 2 ÷ W 20. Назначение марки по водонепроницаемости • Надземные конструкции, подвергаемые атмосферным воздействиям при t > 40 °С • Наружные стены отапливаемых зданий Не нормируют • Конструкции, эксплуатируемые при Нормируют по t ≤ 40 °С специальным указаниям • Подземные конструкции (СП 28. 13330)

ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА

Структура бетона При затворении бетонной смеси водой начинается химическая реакция гидратации, образуется студенистое вещество – гель. С течением времени гель кристаллизуется твердеет, скрепляет зерна заполнителей. Структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня, включающего кристаллический сросток, гель и большое количество пор и капилляров, содержащих воздух и воду, в котором хаотично расположены зерна песка и щебня. Механические свойства цементного камня и заполнителей существенно отличаются друг от друга. 1 – цементный камень; 2 – щебень; 3 – песок; 4 – поры, заполненные воздухом и водой.

Таким образом, структура бетона грубо неоднородна и зависит от многих факторов. Присутствуют все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. При этом цементный камень, скрепляющий бетон, также неоднороден и состоит из кристаллического состава и вязкой массы – геля. Во времени кристаллический состав увеличивается, а гелевая часть уменьшается. Эти особенности структуры проявляются в свойствах бетона во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды, наделяя его упруго-пластично-ползучими свойствами.

(-) – продольные сжимающие напряжения; (+) – поперечные растягивающие напряжения Неоднородность структуры бетона при нагружении обуславливаетвесьма неоднородное распределение напряжений. Наибольшие напряжения концентрируются у пор и в твердых частицах. Продольные сжимающие напряжения (-) обуславливают возникновение растягивающих напряжений в поперечном направлении образца (+)

Схема работы бетона при сжатии Т. к. бетон имеет малую прочность на растяжение, то происходит разрыв бетона от поперечных растягивающих напряжений трещинообразование

Кубиковая прочность (R) Для оценки прочности бетона за стандартные лабораторные образцы принимают кубы размером 15 х 15 см; испытывают их при температуре 20 °С через 28 дней твердения в нормальных условиях (температуре воздуха 15. . . 20°С и относительной влажности 90 -100%). Временное сопротивление эталонных кубов принимают за кубиковую прочность бетона.

При испытании бетонных кубиков края пресса препятствуют поперечным деформациям опорных граней кубиков создавая эффект обоймы. В результате кубики показывают повышенную прочность, по сравнению с реальной прочностью бетона. Если смазать поверхности контакта кубика с гранями пресса, то силы трения не препятствуют работе образца, разрушение происходит от раскалывания образца при меньших напряжениях, соответствующих реальной прочности бетона.

Призменная прочность (Rb) В реальных условиях поверхности пресса не смазываются, а увеличивается длина образца. При увеличении длины образца отношение прочности образца к прочности кубика уменьшается и при соотношении h/a ≥ 4 устанавливается. Под призменной прочностью понимают временное сопротивление осевому сжатию призмы с отношением высоты призмы к размеру стороны квадрата, равном 4. Т. о. призменная прочность показывает реальную прочность бетона.

По кубиковой прочности устанавливают класс прочности бетона По призменной прочности устанавливают нормативное сопротивление бетона для расчетов Связь между призменной и кубиковой прочностью записывается: Rb = 0, 77 – 0, 001 R ≈ 0, 75 R

Временное сопротивление бетона осевому растяжению Rbt определяют испытаниями: на разрыв – образцов в виде восьмерки (рис. а). на раскалывание – образцов в виде цилиндров (рис. б). на изгиб – бетонных балок (рис. в).

Прочность бетона на срез и скалывание Срез – разделение элемента на 2 части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. а). Временное сопротивление бетона на срез: Rsh = 2 Rbt. Скалывание (рис. б) возникает при изгибе балок до появления в них наклонных трещин: Rs = (1, 5 – 2)Rbt. а) б) Рис. Схемы испытания образцов на срез (а) и скалывание (б).

ДЕФОРМАТИВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕТОНА

Диаграмма работы бетона под нагрузкой Полные деформации бетона складываются из упругих и пластических деформаций: εb = εe + εpl По мере возрастания напряжений доля последней возрастает, поэтому диаграмма зависимости σ – ε имеет криволинейный характер. Бетон является неупругим материалом, εe – доля упругих деформаций; εpl доля пластических деформаций; εbu - предельные деформации сжатия; εbtu - предельные деформации растяжения

Диаграмма работы бетона при медленном (I) и быстром (II) нагружении. При быстром нагружении бетон показывает повышенную прочность, при медленном нагружении – пониженную прочность Пониженную прочность бетона при длительном действии нагрузок учитывают коэффициентом условий работы бетона, который практически во всех случаях расчета железобетонных конструкций, если не оговорены другие условия нагружения, принимается равным γb 1= 0, 9.

Ползучесть бетона Диаграмма работы бетона при одинаковом уровне нагружения с различными скоростями Диаграмма работы бетона при ступенчатом нагружении Под ползучестью называют свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии нагрузки. Величина деформаций ползучести не зависит от скорости нагружения, а увеличивается с ростом напряжений.

Значения предельных относительных деформаций бетона Это предельная сжимаемость εbu и предельная растяжимость εbtu. Зависят от: прочности бетона; класса бетона; состава бетона; длительности приложения нагрузки. Принимаются при непродолжительном нагружении: При сжатии в среднем εbu = 0, 002. При растяжении в среднем εbtu = 0, 0001. При продолжительном нагружении в зависимости от влажности среды в пределах: При сжатии в среднем εbu = 0, 0042 – 0, 0056. При растяжении в среднем εbtu = 0, 00027 – 0, 00036

Усадка бетона Усадкой называется свойство бетона уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде. Она связана с уменьшением объема цементного геля, потерей избыточной воды в результате испарения и гидратации с непрореагировавшими частицами цемента. Усадка идет неравномерно, т. к. : препятствуют заполнители, которые становятся внутренними связями, вызывающими в цементном камне начальные растягивающие напряжения; высыхание бетона, снаружи больше, а внутри меньше, открытые, быстро высыхающие слои бетона испытывают растяжение, т. к. внутренние более влажные слои препятствуют укорочению всего сечения. В бетоне появляются усадочные трещины. Уменьшить начальные усадочные напряжения можно: конструктивными мерами (армирование, устройство усадочных швов); технологическими мерами (подбор состава, увлажнение среды, увлажнение поверхности бетона).

Модуль деформации. , Модуль деформаций бетона при сжатии является величиной переменной и соответствует тангенсу угла наклона касательной к кривой σb – εb в точке с заданным напряжением α В нормах приведен начальный модуль упругости бетона при сжатии Еb соответствующий упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении На практике применяется средний модуль деформаций, представляющим собой тангенс угла наклона секущей в точке на кривой σb – εb с заданным напряжением

В расчетах применяется длительный модуль деформаций бетона, который определяется по формуле где Е – начальный модуль упругости бетона; φb, cr- коэффициент ползучести бетона, по нормам принимается в зависимости от условий окружающей среды (относительной влажности воздуха) и класса бетона. W, % Коэффициенты ползучести бетона φb, cr, при классе прочности бетона B 10 B 15 B 20 B 25 B 30 B 35 B 40 > 75 2, 8 2, 4 2, 0 1, 8 1, 6 1, 5 1, 4 40 -75 3, 9 3, 4 2, 8 2, 5 2, 3 2, 1 1, 9 < 40 5, 6 4, 8 4, 0 3, 6 3, 2 3, 0 2, 8 B 45 B 50 B 55 B 60 1, 2 1. 1 1, 0 1, 8 1, 6 1, 5 1, 4 2, 6 2, 4 2, 2 2, 0 1, 3

Условные диаграммы состояния сжатого бетона, принимаемые в расчетах а - трехлинейная диаграмма состояния сжатого бетона; б - двухлинейная диаграмма состояния сжатого бетона

Основными деформационными характеристиками бетона, принятыми в нормах являются значения: предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и растяжении εbu и εbtu; начального модуля упругости Еb; модуля сдвига G, принимают равным G = 0, 4 Еb; коэффициента (характеристики) ползучести φb, cr; коэффициента поперечной деформации бетона (коэффициента Пуассона) vb, P; принимают vb, P = 0, 2. коэффициента линейной температурной деформации бетона αbt. Для тяжелого, мелкозернистого, напрягающего бетонов и легкого бетона при мелком плотном заполнителе принимают αbt = 1 × 10 -5 °С-1;

Для несущих железобетонных конструкций применяют класс бетона по прочности на сжатие не ниже В 15. Для предварительно напряженных железобетонных конструкций класс бетона по прочности на сжатие принимают в зависимости от вида и класса напрягаемой арматуры, но не ниже В 20. Передаточную прочность бетона Rbр (прочность бетона к моменту его обжатия, контролируемая аналогично классу бетона по прочности на сжатие) назначают не менее 15 МПа и не менее 50 % класса бетона по прочности на сжатие. Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям окружающей среды при расчетной отрицательной температуре наружного воздуха в холодный период от минус 5 °С до минус 40 °С, принимают марку бетона по морозостойкости не ниже F 75. При расчетной температуре наружного воздуха выше минус 5 °С для надземных конструкций марку бетона по морозостойкости не нормируют. Для надземных конструкций, подвергаемых атмосферным воздействиям при расчетной отрицательной температуре наружного воздуха выше минус 40 °С, а также для наружных стен отапливаемых зданий марку бетона по водонепроницаемости не нормируют.