г.Харьков, Sun City  Premium 057 755 46 88, 057 755 54 80

    050 302 16 22, 093 014 32 72

міцність бетону


Наростання міцності бетону в часі. Досліди показують, що міцність бетону збільшується в часі і цей процес може тривати роками (рис. 1.3). Однак ступінь підвищення міцності пов'язана з температурно-вологісними умовами навколишнього середовища і складом бетону. Найбільш швидке зростання міцності спостерігається в початковий період.

Зростання міцності бетону безпосередньо пов'язаний з його старінням і тому залежить, по суті, від тих же факторів.

Існує цілий ряд пропозицій щодо встановлення залежності між міцністю бетону R і його віком. Для нормальних умов тверднення бетону на портландцементі найбільш простий є логарифмічна залежність, запропонована Б.Г. Скрамтаєва:

При терміни твердіння, що перевищують 7 ... 8 діб, ця формула дає задовільні результати.

Підвищення температури і вологості середовища значно прискорюють процес затвердіння бетону. З цією метою залізобетонні вироби на заводах піддають спеціальній тепловій обробці при температурі 80 ..90 ° С і вологості 90 ... 100% або автоклавної обробці при тиску пари близько 0,8 МПа і температурі 170 ° С В останньому випадку проектна міцність бетону може бути отримана вже через 12 годин.

При температурах нижче +5 ° С твердіння бетону істотно сповільнюється, а при температурі бетонної суміші -10 ° С практично припиняється. За 28 діб тверднення при температурі -5 ° С бетон набирає не більше 8% міцності бетону, що твердіє в нормальних умовах, при температурі 0 ° С - 40 ... 50%, при +5 ° С - 70 ... 80%. Після відтавання бетонної суміші твердіння бетону поновлюється, але кінцева міцність його завжди виявляється нижче міцності бетону, тверділи в нормальних умовах. Бетони міцність яких до моменту замерзання становила не менше 60% від R28, після відтавання протягом 28 діб набирають проектну міцність.

При зберіганні бетону в воді спостерігається більш інтенсивне зростання міцності. В значній мірі це пояснюється тим, що в бетоні не утворюються пори від випаровування води, в яких тиск парів води направлено з бетону назовні. При водяному зберіганні тиск направлено від зовнішнього середовища в бетон.

Міцність бетону при центральному стиску. Як випливає з дослідів, сслі бетонний кубнк з щільного бетону має досить однорідну будову і правильну геометричну форму, то руйнуючись під дією рівномірно розподіленого навантаження він набуває форму двох усічених пірамід, складених малими підставами (рис. 1.4, а). Подібний характер руйнування (руйнування від зрізу) обумовлений значним впливом сил тертя, які розвиваються між подушками преса і торцевими поверхнями зразка. Ці сили спрямовані всередину зразка і перешкоджають вільному розвитку поперечних деформацій, створюючи своєрідну обойму. Ефект обойми в міру віддалення від торців зразка зменшується.

Якщо усунути вплив сил тертя поверхонь дотику (наприклад, введенням мастила на торцевих гранях зразка), то руйнування набуває інший характер (рис. 1.4, б): в зразку виникають тріщини, паралельні напрямку стиснення. Тепер тертя вже не перешкоджає розвитку поперечних деформацій зразка і руйнування відбувається при набагато меншій (до 40%) стискає навантаженні. Зразки-куби з пористого і крупнопористого бетонів руйнуються по поздовжніх поверхонь навіть при наявності тертя по опорним гранях, оскільки зв'язку між їх структурними елементами ослаблені порожнечами і порами.

Межа міцності на стиск при випробуванні кубика підраховується діленням руйнує сили Nu на площу грані кубика А.

У ряді країн (США та ін.) Замість кубика прийнятий зразок циліндричної форми висотою 12 "(305 мм) і діаметром 6" (152 мм). Для одного і того ж бетону міцність циліндричного зразка таких розмірів становить 0,8 ... 0,9 від міцності кубика з розміром ребра 150 мм.

Міцність кубиків з бетону одного і того ж складу залежить від розмірів зразка і зменшується зі збільшенням розмірів. Так, міцність кубика з важкого бетону з ребром 300 мм становить приблизно 80% від міцності кубика з ребром 150 мм, а кубика з ребром 200 мм - 90%. Це пояснюється як зниженням ефекту обойми при збільшенні розмірів зразка і відстані між його торцями, так і впливом розмірів зразка на швидкість твердіння (чим більше зразок, тим повільніше він набирає міцність на повітрі) і на ймовірне наявність в ньому зовнішніх і внутрішніх дефектів (ніж зразок крупніше, тим, як правило, цих дефектів більше і міцність нижче).

Однак слід мати на увазі, що хоча Кубікова міцність і прийнята за еталон показника міцності бетону (тобто її необхідно мати для виробничого контролю), вона є умовною характеристикою і не може бути непосоедственно використана в розрахунках міцності залізобетонних конструкцій. Реальні конструкції (або їх зони), що працюють на стиск, за формою і розмірами відрізняються від кубика. У зв'язку з цим, на підставі численних експериментів встановлені були емпіричні залежності між кубикової міцністю (класом) бетону і його міцності в різних умовах роботи, що наближаються до роботи реальних конструкцій.

Досліди з бетонними зразками, що мають форму призми з квадратною основою а і висотою h (рис. 1 4, в), показали, що зі збільшенням відносини h / a міцність при центральному стиску Rb зменшується (рис. 1.4, г) і при h / a> 3 стає майже стабільною і рівною, в залежності від класу бетону, 0,7 ... 0,9В. Це пов'язано з тим, що відповідно до принципу Сен-Венана напруги, викликані силами тертя по опорним гранях, істотні тільки в околиці, розміри якої порівнянні з розмірами навантаженої грані. Таким чином, в призмах з висотою, що перевищує подвійний розмір перетину, середня частина вільна від впливу сил тертя. Саме в середній по висоті частини призм перед руйнуванням з'являються поздовжні тріщини, що поширюються вгору і вниз до опорних гранях. Гнучкість бетонного зразка впливає при випробуваннях тільки при h / a> 8.

Відповідно до вказівок ГОСТ 10180-78 міцність бетону при центральному стиску Rh визначають випробуваннями до руйнування бетонних зразків-призм з відношенням висоти до сторони підстави h / a = 3 ... 4. Навантаження подають ступенями по 0,1 Nu з постійною швидкістю (0,6 ± 0,2) МПа / с і з 4 ... 5 хвилинними витягами після кожного ступеня.

У більшості випадків результати таких випробувань абсолютно чітко свідчать про те, що руйнування зразків походить від подолання опору відриву (рис 1.4, г). Однак в ряді випадків (найбільш характерно для бетонів низької міцності, що відрізняються, початковими неоднородностями, що викликають розвиток мікроруйнування на ранніх стадіях завантаження) зразок руйнується по похилій поверхні без порушення цілісності матеріалу поза цією поверхні. Здавалося б, можна розглядати такі випадки як результат руйнування від зрізу, так як на будь-якому майданчику, що перетинає поздовжню вісь зразка під гострим кутом, при його навантаженні виникають як нормальні, так і дотичні напруження. Але очевидно, це, все-таки не так. І перш за все тому, що нахил поверхні руйнування до поздовжньої осі призми НЕ 45 °, що відповідало б напрямку дії максимальних дотичних напружень, а значно менше (рис. 1.5). Крім того, поверхня руйнування явно нерівна, вона проходить через численні поздовжні тріщини і часто збігається з ними.

Звичайно, після розвитку розривів в окремих зонах на ослаблений матеріал впливають касателіние напруги, але в цілому, хоча руйнування бетону тут і носить складний характер, визначальне значення знову-таки належить опору відриву.

Між кубикової і призмовою міцністю існує прямо пропорційна залежність. На підставі досвідчених даних для важких і легких бетонів призмова міцність коливається від 0,78R (для бетонів високих класів) до 0,83R (для бетонів низьких класів), для пористих бетонів - відповідно від 0,87R до 0,94R.

Величину Rh використовують при розрахунку міцності стиснутих бетонних і залізобетонних конструкцій (колон, стійок, стиснутих елементів ферм і т. Д.), Що згинаються конструкцій (балок, плит) і конструкцій, що працюють на деякі інші види впливів, наприклад, крутіння, косою вигин, косе відцентровий стиск і т. д.

Міцність бетону при стисканні при даній активності цементу залежить, в загальному випадку, від кількості цементу, фізико-механічних властивостей цементного каменю і наповнювачів, концентрації їх в одиниці об'єму матеріалу і міцності зчеплення, а також від форми і крупності зерен заповнювачів.

Збільшення кількості цементу підвищує щільність (відношення маси тіла до його об'єму) бетону, сприяючи безперервному заповнення пустот між інертними і забезпечуючи тим самим створення повного несе скелета з цементного каменю. Збільшення ж щільності бетону веде, за інших рівних умов, до підвищення його міцності. Витрата цементу в бетонах для несучих залізобетонних конструкцій коливається в залежності від класу бетону і активності (марки) цементу в межах 250 до 600 кгс / м3.

Міцність цементного каменю залежить не тільки від міцності цементу, а й від водоцементного відносини. З підвищенням В / Ц збільшується пористість цементного каменю, і, отже, падає міцність бетону.

Зазвичай міцність інертних в конструктивних важких бетонах вище міцності цементного каменю, тому на міцність таких бетонів впливає лише форма і склад зерен заповнювачів. Так, зокрема, через кращого зчеплення розчину з незграбними зернами щебеню бетон на щебені приблизно на 10 ... 15% міцніше бетону на гравії. Гірше в цьому відношенні поводяться легкі бетони. Так як міцність інертних в легких бетонах (як правило) нижче, ніж цементного каменю, на міцність таких бетонів впливають ще й властивості наповнювачів. Причому, на відміну від щільних пористі заповнювачі знижують міцність бетону і тим значніше, чим більше відрізняються Еа і Ra від Ес і Rc.

Таким чином, якщо міцність звичайних важких бетонів залежить від обмеженого числа факторів і її можна виражати (що і роблять) як функцію акти вности цементу і водоцементного відносини, то для опису міцності легких бетонів для кожного виду наповнювачів доводиться підбирати кореляційні залежності.

Міцність бетону при розтягуванні. Міцність бетону при розтягуванні залежить від міцності на розтягнення цементного каменю і його зчеплення з зернами заповнювача.

Справжня міцність бетону при розтягуванні визначається його опором осьовому розтягу. Межа міцності при осьовому розтягу порівняно невисокі становить (0,05 ... 0,1) Rb. Настільки невисока міцність пояснюється неоднорідністю структури і надмірно раннім порушенням суцільності бетону, що сприяє концентрації напружень, особливо при дії розтягуючих зусиль. Величину Rbt можна визначати за емпіричною формулою Фере, запропонованої свого часу для бетонів низької міцності. В даний час цю залежність поширюють і на бетони класу В45.

Міцність бетону при осьовому розтягу встановлюють випробуванням на розрив зразків з робочим ділянкою у вигляді призми достатньої довжини, щоб забезпечити рівномірний розподіл внутрішніх зусиль в його середній частині (рис. 1.6, а). Кінцеві ділянки таких зразків розширені для кріплення в захопленнях. Навантаження прикладають рівномірно зі швидкістю 0,05 ... 0,08 МПа / с.

Основний недолік випробувань на осьовий розтяг - труднощі, що виникають при центруванні зразка, і пов'язаний з цим великий розкид досвідчених даних. Так, наприклад, захоплення зразка в розривної машині може створювати умови, несприятливі для рівномірного розподілу зусилля по його перетину, а неоднорідність структури бетону призводить до того, що дійсна (фізична) вісь зразка не буде збігатися з геометричною. Впливає на результати випробувань і напружений стан бетону, викликане його усадкою.

Найчастіше опір бетону розтягуванню оцінюють випробуванням на вигин бетонних балочок перетином 150 х 150 мм (рис. 1.6, б). Руйнування в цьому випадку настає внаслідок вичерпання опору розтягнутої зони, причому епюра напружень в ній через непружних властивостей бетону криволінійного обрису (рис.1.7, а).

З підвищенням класу бетону зростає і його міцність при розтягуванні, однак не настільки інтенсивно, як при стисненні.

Вплив різних факторів, що залежать від складу бетону і його структури, позначається на Rht зазвичай в тому ж напрямку, що і на Rh, хоча і в неоднакових кількісних співвідношеннях. Так, наприклад, підвищення витрати цементу на приготування бетону при інших рівних умовах збільшує опір розриву в значно меншій мірі, ніж опір стисненню. Те ж можна сказати і щодо активності цементу. Зовсім інакше йде справа з гранулометричним складом наповнювачів і, зокрема, видом його зерен. Так, заміна гравію щебенем мало відбиваючись на опорі бетону стиску, помітно збільшує опір його розриву, і т.д.

Вплив масштабного фактора також виявляється при визначенні Rbt. Загальні теоретичні міркування, засновані на статистичної теорії крихкої міцності, приводять до висновку, що і в цьому випадку слід очікувати зменшення міцності зі збільшенням розмірів зразків. Однак недоліки сучасної техніки випробування бетонних зразків на розтягнення (створюють розсіювання показників тим більше, чим менше розміри перетину) нерідко спотворюють загальну закономірність.

Величину Rbt використовують, перш за все, при розрахунку конструкцій і споруд, до яких пред'являють вимоги тріщиностійкості (наприклад, водонапірні труби, резервуари для зберігання рідин, стінки автоклавів і ін.).

Міцність бетону при зрізі і сколюванні. Відповідно до теорії опору матеріалів діючі на елементарну площадку повні напруги розкладаються на нормальну складову про і дотичну складову т, яка прагне зрізати (сколоти) тіло з даного перетину або зрушити одну сторону елементарного прямокутного паралелепіпеда по відношенню до іншої. Тому напруги т і називають напруженнями зрізу, сколювання або напруженнями при зсуві.

Крім спільної дії нормальних і дотичних напруг можливий і особливий випадок, відомий в теорії опору матеріалів під назвою чистого зрізу, коли о = 0 і на майданчику діють лише сколювальні напруги т.

У залізобетонних конструкціях чистий зріз практично не зустрічається, зазвичай він супроводжується дією нормальних сил.

Для експериментального визначення міцності бетону при зрізі Rbsh, тобто його граничного опору по площині, в якій діють тільки дотичні напруження, досить довго користувалися методикою навантаження, показаної на рис. 1.8, а.

Однак рішення цього завдання методами теорії пружності показує, що в площині АВ дотичні напруження відсутні. Перетин ж виявляється розтягнутим.

Найбільша кількість дослідних даних було отримано під час випробування за схемою, запропонованою Е. Мёршем (рис. 1.8, б). Це дуже проста і тому приваблива схема, однак, як видно з характеру розподілу головних напруг, що розтягують в зразку і дотичних напружень по перерізу АВ, такий зразок, крім зрізу, відчуває вигин і місцевий стиск (зминання) під прокладками.

Найкращим чином забезпечують умови, близькі до чистого зрізу, випробування за схемою А. А. Гвоздьова (рис. 1.8, в). Однак і тут картина траєкторій головних напояженій говорить про те, що напружений стан зразка відмінно від стану, відповідного чистому зрізу. У площині зрізу діють розтягують і дотичні напруження, причому в місцях вирізів в зразку спостерігають концентрацію напружень.

Межа міцності бетону при чистому зрізі можна визначати за емпіричною формулою

де k - коефіцієнт, залежно від класу бетону рівний 0,5 ... 1,0.

Істотне значення при зрізі має опір великих зерен заповнювача, які, потрапляючи в площину зрізу, працюють як свого роду шпонки. Зменшення міцності заповнювачів в легких бетонах того ж класу призводить тому до зниження межі міцності при зрізі. Межа міцності бетону при чистому зрізі використовують в деяких сучасних методиках розрахунку міцності залізобетонних конструкцій по похилих перетинах.

З опором сколювання можна зустрітіся при вігіні залізобетонних балок до з'явиться в них Похил тріщін. Розподіл сколюють при вігіні пріймають по параболі (як для однорідного ізотропного тела). Дослідами встановлено, що межа міцності бетону па сколювання в 1,5 ... 2 рази вище, ніж при осьовому розтягу, тому для балок без попереднього напруження розрахунок на сколювання зводиться, по суті, до визначення головних напруг, що розтягують, діючих під кутом 45 ° до осі балки.

Вплив на міцність бетону тривалих і багаторазово повторних навантажень. Одним з найважливіших показників міцності бетону слід вважати його тривалий опір (тривалу міцність), яке визначається з дослідів з тривалим навантаженням, в процесі якого бетонний зразок може зруйнуватися при напружених менших, ніж його граничний опір. Межею тривалого опору бетону називають найбільші напруги, які він може витримати необмежено довгий час без руйнування (для будівельних конструкцій це десятки років і більше).

На підставі дослідів прийнято вважати, що статичні напруги, значення яких не перевищують 0,8 Rb, не викликають руйнування зразка при будь-якої тривалості дії навантаження, так як розвиток виникають в бетоні мікроруйнування згодом припиняється. Якщо ж зразок навантажений великими напруженнями, то з'явилися порушення структури будуть розвиватися, і, в залежності від рівня напруги, через певний час він зруйнується.

Таким чином, межа тривалої міцності визначається, по суті, характером структурних змін, викликаних тривало діючої навантаженням. Якщо процеси порушення структури не нейтралізуються процесами зникнення і видозміни дефектів, межа тривалої міцності перевершений, якщо нейтралізуються - зразок може необмежено довго чинити опір чинним напруженням. Орієнтовна межа, вище якої зразок руйнується, а нижче - не руйнується, відповідає напруженням Rvcrc. Аналогічна картина спостерігається і при розтягуванні.

В останні роки запропоновано ряд формул, що дозволяють більш диференційовано підходити до оцінки відносного межі тривалої міцності бетону. Так, для старих важких бетонів звичайних класів хороші результати дає формула

Якщо ж бетон тих же класів навантажувати в середньому віці, коли процеси твердіння продовжують ще впливати на параметр R, то тривалу міцність можна визначати за формулою

Оскільки параметри R залежать головним чином від класу бетону, його віку в момент навантаження, зростання міцності і умов влагообмепа з навколишнім середовищем, можна вважати, що і межа тривалої міцності залежить в основному від тих же факторів. Так, наприклад, відносне значення тривалої міцності бетону, навантаженого в досить ранньому віці, вище ніж старого або малотвердеющего (минулого тепловологу обробку), а високоміцного вище, ніж бетону низької або середньої міцності.

Ступінь зниження длітелиюй міцності залежить від тривалості і режиму попередніх силових впливів. Так, тривала міцність бетону при стисненні, якщо він раніше перебував в умовах тривалого стиснення (до напруг не більше 0,6 Rh), підвищується, а при розтягуванні - знижується.

При дії багаторазово повторних (рухомих або пульсуючих) навантажень, зокрема, при стаціонарних гармонійних зовнішніх впливах, межа тривалої міцності бетону знижується ще більше, ніж при тривалій дії статичного навантаження. Межа міцності бетону знижується в залежності від числа циклів навантаження, величини максимальних напружень та характеристики циклу.

Межа міцності бетону при дії багаторазово повторних навантажень називають межею витривалості. Найбільша напруга, яке бетон витримує за нескінченно велике число повторних навантажень без руйнування, називають абсолютним межею витривалості. Практично за межу витривалості бетону приймають максимальне напруження, яке зразок витримує при кількості циклів повторних навантажень, що дорівнює (2 ... 5) • 106 або 107. Ця напруга називають обмеженим межею витривалості. Для бетону база випробувань прийнята рівною 2 • 106 циклів. Зі збільшенням її відбувається постійне зниження межі витривалості, однак після 2 - 106 циклів зміни незначні.

Досвідчені дані свідчать про те, що якщо багаторазово повторно діючі напруги перевищують межу витривалості, хоча і не перевищують межа тривалої міцності, то при достатній повторенні циклів навантаження відбувається руйнування зразка. При цьому руйнують напруги (тривала динамічна міцність) тим нижче і ближче до межі витривалості, чим більше число циклів навантаження діяло на зразок.

Залежність відносного межі витривалості Rbj / Rb від числа циклів повторення навантаження має криволінійний характер (рис. 1.9), наближаючись асимптотично до абсолютного межі витривалості бетону, рівному нижній межі мікротрещінообразованія.

При зменшенні відносний межа витривалості бетону знижується (рис. 1.10), зі збільшенням швидкості навантаження підвищується, але незначно. Водонасичення знижує відносний межа витривалості бетону. Зі збільшенням віку бетону ставлення Rbf / Rb кілька збільшується. Практичний інтерес представляють досвідчені дані про залежність ступеня зниження міцності бетону при впливі асиметричною циклічного навантаження від нижньої межі мікротрещінообразованія в бетоні. Відповідно до цих даних значення межі витривалості пропорційні зміні і, отже, ставлення Rhj / Rh тим вище, чим вище міцність бетону.

Даними про межі витривалості необхідно розташовувати при розрахунку залізобетонних підкранових балок, шпал, станин потужних пресів і верстатів, фундаментів під неврівноважені двигуни та інше обладнання, а також при розрахунку елементів мостових конструкцій і різного типу транспортних, кранових і розвантажувальних естакад.

Вплив на міцність бетону високих і низьких температур. Різниця в коефіцієнтах лінійного розширення цементного каменю п наповнювачів при зміні температури навколишнього середовища в межах до 100 ° С (т. Е. Обмежені умови деформування бетону при темперагурних впливах) не викликає скільки-небудь помітних напруг і практично не відбивається на міцності бетону.

Вплив же на бетон підвищених температур (до 250 ... 300 ° С) призводить до помітної зміни його міцності, причому міцність залежить від ступеня водопасищенія бетону. Зі збільшенням водонаси- щення бетону при впливі підвищених температур посилюються процеси волого-і газообміну, міграції вологи, відбувається інтенсивне висихання бетону і утворення в ньому мікротріщин (головним чином внаслідок значних температурних і усадочних напруг), зростають значення температурного коефіцієнта.

При дії високих температур справи ще гірше. При температурах понад 250 ... 300 ° С об'ємні деформації цементного каменю і наповнювачів змінюються. Причому, якщо для граніту і пісковика об'ємні деформації при температурі близько 500 ° С різко зростають, то для цементного каменю вони досягають максимуму при температурі близько 300 ° С, а потім зменшуються. Така різка різниця в деформаціях викликає внутрішні напруги, що розривають цементний камінь, що тягне за собою зниження механічної міцності бетону аж до його руйнування. Тому при тривалій дії високих температур звичайні бетони не застосовуються.

Температурні напруги можна зменшити відповідним підбором цементу і заповнювачів. Для жаростійких бетонів застосовують наповнювачі з малим коефіцієнтом лінійного розширення: бій червоної цегли, доменні шлаки, діабази та ін. В якості в'яжучого використовують глиноземний цемент або портландцемент з тонкомолоті добавками з хроміту або шамоту. Для особливо високих температур (1000 ... 1300 ° С) застосовують бетони на глиноземний цемент з шамотом або хромітом як заповнювач.

При заморожуванні бетону (т. Е. При дії низьких температур) міцність його підвищується, а при відтаванні - знижується. Визначальний вплив на міцність бетону надають температура заморожування і ступінь водонасишенія бетону під час його заморожування і відтаванні. Зміна міцності пов'язано з умовами кристалізації льоду в порах бетону і виникненням в них внутрішнього надлишкового тиску при переході в лід зі збільшенням обсягу (до 10%).

Температура замерзання води залежить від розмірів пор і капілярів, в яких вона замерзає. Чим менше діаметр капілярів, тим нижче температура замерзання води. Дослідження показують, що вода, що міститься в порах, замерзає не вся одночасно, а поступово, в міру зниження температури. Зміст льоду в бетоні істотно залежить від характеру його пористості. Все це говорить про те, що з пониженням температури заморожування зростає тиск в порах бетону і прискорюється його руйнування.

Істотним чинником, що впливає на міцність бетону, є наявність дефектів в його структурі у вигляді мікро- і макротріщин. Замерзання води в тріщині і створення вже невеликого тиску на її стінки викликає концентрацію напруг в глухому куті тріщини і призводить до її подальшого проростання в матеріалі.

У процесі руйнування бетону під час його заморожування і відтаванні важливу роль відіграють верхня і нижня умовні кордони мікротрещінообразованія.

Оскільки основний шлях проникнення води в бетон залежить від системи капілярів, підвищення морозостійкості бетону слід шукати, очевидно, в поліпшенні його структури - зменшенні загальної пористості і формуванні в ньому закритою пористості замість відкритої (введення в бетон газообразующих і воздухововлекающих добавок).

Голишев А.Б., Бачинський В.Я., Поліщук В.П., Залізобетонні конструкції, Київ, 2001

 Вернуться на главную