Бетон. Виды, классы и марки, свойства

Наиболее распространенный бетон на цементном вяжущем представляет собой сложный и неоднородный материал, в котором представлены: цементная матрица (камень), состоящая из упругого кристаллического сростка и пластичного геля, соотношение между которыми меняется во времени в пользу кристаллического сростка; крупный и мелкий заполнитель; множество пустот и капилляров в цементном камне, заполненных непрореагировавшей водой или воздухом. Как конструкционный материал бетон должен иметь нужную прочность, хорошее сцепление с арматурой, плотность и водонепроницаемость, в том числе для защиты арматуры от коррозии; морозостойкость при многократном замораживании и оттаивании; жаростойкость при воздействии высоких температур; коррозионную стойкость при агрессивных воздействиях, и пр. Для получения конструкционного бетона применяют цементы, крупный и мелкий заполнитель, регулируют жесткость смеси, используют добавки, обеспечивающие удобоукладываемость, морозостойкость, и пр. По важнейшим признакам бетоны делят на виды:

1. По структуре бетоны могут быть плотной структуры, у которых пространство между зернами заполнителя полностью заполнено затвердевшим вяжущим; крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; пори-зованные (с заполнителями и искусственной пористостью затвердевшего вяжущего); ячеистые с искусственно созданными порами;

2. По плотности бетоны делят на особо тяжелые (> 2500 кг/м3); тяжелые (> 2200 ... < 2500 кг/м3); мелкозернистые (> 1800 ... < 2200 кг/м3); легкие (> 800 ... < 2000 кг/м3);

3. По заполнителям бетоны бывают на плотных заполнителях; пористых заполнителях; специальных, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости и др.;

4. По зерновому составу бетоны делят на крупнозернистые с крупными и мелкими заполнителями; мелкозернистые с мелкими заполнителями;

5. По условиям твердения бетоны могут быть естественного твердения; подвергнутые тепловлажностной обработке при атмосферном давлении; подвергнутые автоклавной обработке при высоком давлении.

6. По способности к самонапряжению известен напрягающий бетон.

7. По степени экологичности бетоны могут быть более экологическими (с малой массой, с экологическими заполнителями, с добавками отходов), и менее экологическими.

В бетонных и железобетонных конструкциях применяют конструкционный тяжелый бетон средней плотности 2200...2500 кг/м3 (на плотных заполнителях); мелкозернистый бетон средней плотности свыше 1800 кг/м3 (на мелких заполнителях); легкий бетон плотной и поризованной структуры (на пористых заполнителях); ячеистый бетон автоклавного и неавтоклавного твердения; напрягающий бетон. Плотные заполнители для тяжелых бетонов — щебень из дробленых горных пород (песчаника, гранита, диабаза и др.) и природный кварцевый песок. Пористые заполнители — естественные (перлит, пемза, ракушечник и др.) или искусственные (керамзит, шлак и т. п.). В зависимости от вида пористых заполнителей различают керамзитобетон, шлакобетон, перлитобетон и т.д.

Согласно Своду Правил, показателями качества бетона, используемыми при проектировании, являются класс бетона по прочности на сжатие В; класс по прочности на осевое растяжение Bt (назначают для конструкций, для которых Bt имеет определяющее значение при его контроле на производстве); марка по морозостойкости F (назначают для конструкций, подвергаемых действию попеременного замораживания и оттаивания); марка по водонепроницаемости W (назначают для конструкций, к которым предъявляют требования ограничения водопроницаемости); марка по средней плотности D соответствует среднему значению объемной массы бетона (кг/м3); марка напрягающего бетона по самонапряжению S представляет собой значение предварительного напряжения в бетоне, МПа, создаваемого в результате его расширения при коэффициенте продольного армирования р = 0,01.

Классы бетона по прочности на сжатие В и осевое растяжение В определяют с учетом статистической изменчивости прочности. Для оценки изменчивости прочности и обеспечения ее гарантированного значения не менее В, используют методы теории вероятности. Классы бетона должны отвечать значению гарантированной прочности бетона, МПа, с обеспеченностью 0,95 (из 100 испытанных кубов > 95 должны обладать прочностью > В).

Для железобетонных конструкций применяют тяжелые бетоны классов по прочности на сжатие (класс бетона определяют статическими испытаниями на сжатие кубов с гранью 15 см): В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; В70; В80; В90; В100; классов по прочности на осевое растяжение (класс определяют статическими испытаниями на растяжение, раскалывание, изгиб образцов в форме «восьмерок», цилиндров, балок): Вt 0,8; Вt 1,2; Вt 1,6; Вt 2,0; Вt 2,4; Вt 2,8; Вt 3,2; Вt 3,6; Вt 1,0; марок по морозостойкости (марку определяют испытаниями на попеременное замораживание и оттаивание, она соответствует числу циклов, при котором не меняются физико-механические характеристики бетона): F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500; марок по водонепроницаемости (ее определяют на цилиндрических образцах, к которым с одной стороны приложено давление воды; марка соответствует давлению в атмосферах, при котором на противоположном торце образца не наблюдается капель воды): W2; W4; W6; W8; W10; W12; W14; W16; W18; W20; марок по средней плотности D500; D600; D700; D800; D900; D1000; Dl 100; D1200; D1300; D1400; D1500; D1600; D1700; D1800; D1900; D2000; марок по самона-пряжению Sp 0,6; Sp 0,8; Sp 1; Sp 1,2; Sp 1,5; Sp 2; Sp 3; Sp 4. Классы по прочности на сжатие В2,5; В3,5; В5; В7,5; В10; В 12,5 для мелкозернистого, легкого, ячеистого и поризованного бетонов, не рекомендуются для железобетонных конструкций; для них рекомендуется класс бетона по прочности на сжатие не ниже В15, поэтому в тексте и в приведенных ниже таблицах отсутствуют показатели бетонов классов ниже В15.

При проектировании назначают проектный возраст бетона, отвечающий его классу по прочности на сжатие и осевое растяжение, исходя из предполагаемых сроков загружения конструкций проектными нагрузками. При отсутствии этих данных класс бетона устанавливают в возрасте 28 сут. Величину отпускной прочности бетона в элементах сборных конструкций назначают в соответствии с ГОСТ 13015.0 и стандартами на конструкции конкретных видов. Класс бетона по прочности на сжатие В назначают для всех видов бетонов и конструкций. Класс бетона по прочности на осевое растяжение Bt назначают в случаях, когда эта характеристика имеет основное значение в работе конструкции и ее контролируют на производстве. Марку бетона по морозостойкости F назначают для конструкций, подвергающихся воздействию переменного замораживания и оттаивания. Марку бетона по водонепроницаемости W назначают для конструкций, к которым предъявляют требования по ограничению водопроницаемости. Марку бетона по самонапряжению назначают для само-напряженных конструкций, когда эту характеристику учитывают в расчете и контролируют на производстве. Для железобетонных конструкций предусматривают бетоны классов и марок, приведенных в табл. 2.1...2.6. Значения сопротивлений приведены для ячеистого бетона средней влажностью 10%. Для мелкозернистого бетона на песке с модулем крупности 2,0 и менее, а также для легкого бетона на мелком пористом заполнителе значения расчетных сопротивлений R , Rbt,ser принимают с умножением на коэффициент 0,8. Для поризованного бетона, а также для керамзитоперлитобетона на вспученном перлитовом песке значения расчетных сопротивлений Rbt,n, Rbt,ser принимают как для легкого бетона с умножением Rbt,n, Rbt,ser на коэффициент 0,7. Для напрягающего бетона значения Rbt,n, Rbt,ser принимают с умножением на коэффициент 1,2.

Конструкции рассчитывают по двум группам (I и II) предельных состояний. Целью расчета является предохранение от наступления предельных состояний; при расчете по первой группе предельным состоянием считается разрушение или потеря устойчивости, то есть полное исключение возможности эксплуатации (недавно к I группе отнесено новое — прогрессирующее разрушение), по второй — непригодность к нормальной эксплуатации. Для двух групп предельных состояний устанавливают двойные — нормативные и расчетные — значения прочностных характеристик бетона. Нормативные значения сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность) и осевому растяжению (при назначении класса бетона по прочности на сжатие) принимают в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие В согласно табл. 2.1. При назначении класса бетона по прочности на осевое растяжение Bt нормативные значения сопротивления бетона осевому растяжению Rbt,n принимают равными числовой характеристике класса бетона на осевое растяжение. Расчетные значения сопротивления бетона осевому сжатию Rb и осевому растяжению Rbt снижают путем деления на коэффициент надежности, и определяют по формулам:

где уb — коэффициент надежности по бетону при сжатии, принимаемый 1,3 (первая группа); 1,0 — для предельных состояний по эксплуатационной пригодности (вторая группа); уbt — коэффициент надежности по бетону при растяжении, принимаемый равным 1,5 — для предельных состояний по несущей способности при назначении класса бетона по прочности на сжатие; 1,3 — для предельных состояний по несущей способности при назначении класса бетона по прочности на осевое растяжение; 1,0 — для предельных состояний по эксплуатационной пригодности.

В необходимых случаях расчетные значения прочностных характеристик бетона умножают на коэффициенты условий работы уbi, учитывающие особенности работы бетона в конструкции (характер нагрузки, условия окружающей среды и т.д.):

а) у = 0,9, вводимый для бетонных и железобетонных конструкций к расчетным значениям сопротивлений Rb, Rbt и учитывающий влияние длительности действия статической нагрузки: у =1,0 при кратковременном действии нагрузки; у = 0,9 при продолжительном (длительном) действии нагрузки;

б) уb2 = 0,9 для бетонных конструкций, вводимый к расчетным значениям сопротивления Rb и учитывающий характер разрушения таких конструкций;

в) уb3 = 0,85 для бетонных и железобетонных конструкций, бетонируемых в вертикальном положении, вводимый к расчетному значению Rb;

г) уb4 — для ячеистых бетонов, вводимый к расчетному значению сопротивления бетона Rb:

Yb4 = 1,00 — при влажности ячеистого бетона 10 % и менее;

Yb4 = 0,85 — при влажности ячеистого бетона более 25 %; по интерполяции — при влажности ячеистого бетона свыше 10 % и менее 25 %;

д) влияние попеременного замораживания и оттаивания, а также отрицательных температур учитывают коэффициентом условий работы бетона уb5 < 1,0. Для надземных конструкций с атмосферными воздействиями окружающей среды при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период минус 40°С и выше, принимают коэффициент yb5=1,0. В остальных случаях значения коэффициента yb5 принимают в зависимости от назначения конструкции и условий окружающей среды согласно специальным указаниям.)

Разработано много видов бетонов с индивидуальными свойствами — тяжелый, ячеистый, крупнопористый, поризованный, плотный силикатный, жаростойкий, кислотостойкий, полимерцементный, самонапрягающийся, полимербетон. Ячеистый бетон с искусственно созданными порами средней плотностью 600...1200 кг/м3 состоит из затвердевшей смеси вяжущего (цемента, извести или смешанного вяжущего) и кремнеземистого компонента (молотого песка или золы). Ячеистые бетоны делят на пенобетоны и газобетоны в зависимости от способа образования пор с помощью пены и газа (газообразователем чаще всего служит алюминиевая пудра). В зависимости от состава различают пеносиликаты, пенозолобетоны. Ячеистые бетоны — это бетоны автоклавного твердения, их получают при давлении пара до 1,2 МПа и температуре 174°С, при этом прочность бетонов достигает 15 МПа. Ввиду низкой плотности ячеистые бетоны не защищают арматуру от коррозии, поэтому ее покрывают цементно-водной смесью или цементно-битумной мастикой. При невысокой прочности эти бетоны применяют для снижения собственного веса в конструкциях при действии невысоких сжимающих напряжений, что повышает технико-экономические показатели. Если в регионе нет природного песка, применяют облегченный или легкий крупнопористый и поризованный бетоны с крупнопористой и поризо-ванной структурой на цементном вяжущем, плотных и пористых заполнителях. Крупнопористый и поризованный бетоны имеют невысокую прочность и малый коэффициент теплопроводности, что позволяет их применять преимущественно в ограждающих конструкциях зданий. Бес-цементным тяжелым песчаным мелкозернистым бетоном автоклавного твердения является плотный силикатный бетон, получаемый на основе известкового вяжущего. Он имеет хорошее сцепление с арматурой, надежно защищает ее от коррозии. Прочность этого бетона достигает 60 МПа; его модуль упругости и ползучесть меньше по сравнению с равнопрочным цементным бетоном. Стоимость конструкций из силикатного бетона ниже стоимости железобетонных конструкций из тяжелого бетона приблизительно на 25 %.

Тяжелые и легкие бетоны, сохраняющие длительное время в заданных пределах прочностные и деформативные свойства при температурах 200...1800°С, называются жаростойкими. При температурах до 1200°С основным вяжущим жаростойкого бетона является портландцемент, к которому добавляют тонкомолотые компоненты (до 30...100% от массы цемента — золу-унос, пемзу, молотый кварцевый песок и др.); при более высоких температурах применяют жароупорные вяжущие. Кислотостойкие бетоны на основе пуццолановых или шлаковых портландцементов и жидкого стекла сохраняют длительное время свойства в агрессивной среде с кислотой.

В полимерцементном бетоне до 20 % от массы цемента составляют добавки полимеров (дивинилстирольный латекс, поливинилацетатная эмульсия), повышающие прочность на растяжение и предельную растяжимость, плотность, водонепроницаемость, коррозионную стойкость и сцепление с арматурой, понижающие усадку и водопоглощение. Ho у полимерцементного бетона выше ползучесть. Известен полимербетон, в котором цемент полностью заменен полимерным вяжущим. Этот бетон более прочен, имеет большую растяжимость, водонепроницаемость, стойкость против коррозии, но его ползучесть в несколько раз выше ползучести тяжелого бетона.

Самонапрягающийся бетон с увеличивающимся в процессе твердения объемом изготавливают на расширяющемся цементе ВРЦ (смеси портландцемента, глиноземистого цемента и гипса). Этот бетон на заключительной стадии твердения растягивает арматуру на нужную величину и создает в ней предварительное напряжение. Самонапряжение упрощает технологию изготовления напряженно армированных конструкций, так как исключается трудоемкий процесс натяжения арматуры на упоры или на бетон.

Деформативные свойства. В бетонных и железобетонных конструкциях проявляются деформации ползучести, усадки, набухания; может происходить релаксация напряжений. Деформации бетонных и железобетонных конструкций — это изменение их размеров и формы под действием силовых и несиловых факторов; поэтому их делят на силовые и несиловые. Силовые деформации (сжатие, растяжение, сдвиг) происходят под воздействием внешних сил преимущественно вдоль направления действия внутренних усилий. Несиловые деформации (усадка, набухание, температурные воздействия) проявляются вследствие нарушения гидрометрического баланса порового давления, и изменения температур; они развиваются во всех направлениях, и поэтому являются объемными. При свободном несиловом деформировании не появляются дополнительные напряжения в бетоне, тогда как при стесненном деформировании возникают дополнительные собственные напряжения. При продольном силовом деформировании возникают и поперечные деформации. Силовые и несиловые деформации практически всегда взаимосвязаны: например, изменения влажности и температуры ведет к изменению модуля упругости и коэффициента ползучести, что в свою очередь влияет на силовые деформации. Силовые деформации условно делят на линейные (пропорциональные напряжениям мгновенные упругие деформации) и нелинейные (не пропорциональные напряжениям мгновенные пластические и запаздывающие деформации).

Основными деформационными характеристиками бетона являются значения: предельных относительных деформаций бетона при осевом сжатии и растяжении (при однородном напряженном состоянии бетона) eb0 и еbt0; начального модуля упругости Eb; модуля сдвига G; коэффициента (характеристики) ползучести фb,cr; коэффициента поперечной деформации бетона (коэффициента Пуассона) vb,p; коэффициента линейной температурной деформации бетона аb,t. Значения предельных относительных деформаций тяжелого, мелкозернистого и напрягающего бетонов принимают равными: при непродолжительном действии нагрузки: при осевом сжатии eb0 = 0,002; при осевом растяжении eb0 = 0,0001; при продолжительном действии нагрузки — по табл. 6.10 в зависимости от относительной влажности воздуха окружающей среды. Деформации при нагружении всегда больше, чем деформации при разгрузке; их разница — это остаточные деформации, доля которых возрастает с ростом уровня нагружения и снижается по мере старения материала, с увеличением его прочности, после предшествующего силового воздействия, например, после многократно переменного нагружения. Бетон является упругопластическим материалом, поэтому в нем уже при малых нагрузках наряду с восстанавливающимися упругими деформациями развиваются остаточные необратимые деформации. Для бетона силовые деформации делят на три вида: при однократном загружении кратковременной нагрузкой, при длительном действии нагрузки, при многократно повторяющейся нагрузке. Упругие и пластические мгновенные деформации бетона определяются только конечными напряжениями. Запаздывающие деформации ползучести связаны с режимом и длительностью нагружения, они уменьшаются по мере увеличения возраста бетона до начала нагружения.

Напряженно-деформированное состояние бетона обусловливается силовыми воздействиями, изменениями температуры и влажности. Механические свойства бетона меняются во времени, поэтому мгновенные деформации, как и деформации ползучести, зависят от режима нагружения. Относительные деформации — это отношение абсолютного укорочения или удлинения бетона, или поворота сечения элемента, к первоначальному размеру до деформирования. В теории железобетона, как правило, используют секущий модуль деформаций и коэффициент ползучести.

Среди всех строительных конструкций большая их часть находится в состоянии изгиба (плиты и балки перекрытий, фундаментные плиты, и пр.); меньшая часть — в состоянии внецентренного сжатия (стены, колонны, верхние пояса ферм, и пр.); бетон очень плохо работает на растяжение, поэтому гораздо меньшее количество конструкций подвержено растяжению (стенки резервуаров и пр.). Напряжения в разных сечениях элементов меняются по величине и по знаку. В равномерно нагруженной шарнирно опертой балке наибольший изгибающий момент действует посредине пролета, снижаясь до нуля на опорах, а нормальные напряжения по высоте сечения меняют знак.

Бетон характеризуется упругопластическими деформациями при действии внешней нагрузки. При однократном осевом сжатии кратковременной нагрузкой диаграмма зависимости между напряжениями о и относительными деформациями укорочения е криволинейна, ее кривизна растет при росте уровня напряжения (o/Rbn). При кратковременном нагружении ступенями с выдержкой каждой ступени в течение 5 мин (при величине нагрузки за ступень 0,05...0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки,) ступени описывают кривую при постоянном нагружении (рис. 2.1). В вначале нагружения бетон работает в основном упруго (когда напряжения не превышают 0,30...0,4Rb), и кривая деформаций близка к прямой упругих деформаций. Пластические деформации нарастают по мере приближения к призменной прочности бетона. Через некоторое время после снятия нагрузки около 10...15% остаточных деформаций восстанавливается. Восстанавливающаяся часть запаздывающих деформаций eep — это деформации упругого последействия. После нескольких повторных кратковременных нагружений структурные несовершенства бетона стабилизируются, кривая «о—e» выравнивается и приближается к прямой упругих деформаций.

Касательный модуль полных деформаций бетона Eb при однократном осевом сжатии кратковременной нагрузкой — переменная величина; он равен тангенсу угла наклона касательной к кривой «o—e» в точке с заданным напряжением. В расчетах железобетонных конструкций используют секущий модуль полных деформаций; при этом за расчетный принимают начальный модуль упругости бетона Eimp.n = у tg а (см. рис. 2.1)

и модуль упругопластичности бетона Eb' = ytga1 = оb/eb, равный тангенсу угла наклона к оси деформации в секущей хорды, проходящей через начало координат и точку К на кривой «о—в», где у = 1 МПа. Для идеально упругого материала модуль деформаций совпадает с модулем упругости. Значение модуля сдвига G бетона принимают по установленной в теории упругости зависимости G = Eb/2(1+v). Подставив значение коэффициента поперечной деформации для бетона v = 0,2, получим G = 0,42/Eb. Деформации бетонных и железобетонных конструкций при продолжительном действии постоянной нагрузки увеличиваются во времени. В результате полные деформации в течение 3...4 лет могут в несколько раз превышать мгновенные деформации.

Деформации ползучести — это нарастание неупругих деформаций при длительном действии нагрузки при постоянных напряжениях. Они обусловлены структурой бетона, нарастанием упругого кристаллического сростка и снижением количества пластичного геля. Деформации ползучести — это силовые деформации, растущие при росте уровня напряжений. Скорость деформаций ползучести бетона затухает во времени, асимптотически приближаясь к нулевому значению (см. рис. 2.1). Наибольшая интенсивность нарастания деформаций ползучести бетона наблюдается в первые 3...4 месяца после начала загружения. Ползучесть бетона растет при уменьшении размеров образца и уменьшается с понижением водоцементного отношения, увеличением влажности окружающей среды. На деформации ползучести влияет зерновой состав бетона, вид цемента, крупных и мелких заполнителей, технологические и многие другие факторы. Бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью по сравнению с тяжелыми бетонами. Ввиду нелинейной ползучести в статически неопределимых железобетонных конструкциях происходит перераспределение напряжений и моментов (оно может быть благоприятно для конструкций). При проектировании предварительно напряженных железобетонных конструкций в нормах учитывается быстронатекающая ползучесть, проявляющаяся сразу после нагружения бетона.

Основной характеристикой ползучести бетона является коэффициент (характеристика) ползучести фb,cr, получаемый при эталонном режиме нагружения. Деформации ползучести бетона, накопленные образцом за время t—to при эталонном загружении, всегда больше деформаций ползучести, замеряемых за тот же период времени при любом другом статическом режиме нагружения. Для ориентировочных количественных оценок деформаций ползучести можно величину коэффициента (характеристика) ползучести умножить на функцию напряжения. В проектировании используют величину Cb — относительную деформацию ползучести бетона при ob <0,3Rbn, накопившуюся к моменту времени t при загружении образцов в to < t и приходящуюся на 1 МПа действующего постоянного напряжения. Она равна тангенсу угла наклона к оси напряжений о секущей хорды, проходящей через начало координат и точку К на кривой «о—e» (см. рис. 2.1).

где ф = Л/v = Л/1-Л — характеристика нелинейности деформирования бетона, может меняться от 0 до бесконечности, поэтому удобнее пользоваться коэффициентами v и Л.

Зная величины коэффициента ползучести и постоянных напряжений, можно вычислить относительные деформации еcru и абсолютные укорочения или удлинения элементов Alcr моменту стабилизации деформирования.

Релаксация напряжений в бетоне — это снижение напряжений при стеснении деформаций. Если деформации бетона нарастают свободно, напряжения в сечениях элементов постоянны. В железобетоне напрягаемая арматура стесняет свободное развитие деформаций ползучести бетона, поэтому напряжения в бетоне снижаются, а в арматуре — увеличиваются по мере нарастания ползучести бетона. Это ведет к перераспределению напряжений во времени между бетоном и арматурой, заключающемуся в разгрузке бетона и небольшом нагружении арматуры. Ползучесть и релаксация напряжений в бетоне взаимосвязаны, они имеют единую физико-механическую основу, и потому оказывают влияние на работу железобетонных конструкций при длительной нагрузке. Ползучесть и релаксация как реологические свойства бетона вызывают рост прогибов железобетонных конструкций во времени, снижают предварительные напряжения в арматуре, ведут к перераспределению усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях.

Деформации при многократном повторении нагрузки. Многократно повторные нагрузки могут иметь статический, или динамический характер. Статические многократно повторные нагрузки меняются (многократно и повторно возрастают, и снижаются) настолько медленно, что силы инерции не оказывают влияния на напряженно-деформированное состояние и на расчет. Динамические многократно повторные нагрузки настолько быстро меняются во времени, что вызывают действие инерционных сил, которые влияют на напряженно-деформированное состояние конструкций.

При однократном сжатии кратковременной нагрузкой бетонной призмы происходят мгновенные пластические деформации бетона, а после разгрузке призмы они не восстанавливаются. При повторении циклов нагрузка — разгрузка неупругие деформации постепенно «выбираются»; и площадь петли гистерезиса постепенно уменьшается, достигая в итоге стабильной величины. Предельными деформациями бетона центрально сжатых или центрально растянутых образцов являются относительные средние укорочения или удлинения в момент разрушения при стандартных испытаниях (см. также табл. 2.7). Предельное относительное укорочение бетона ebu в 10...20 раз больше его предельного относительного удлинения еbtu и составляет 0,8...4 мм/м длины образца (в нормах ebu = 0,002, а при длительном действии нагрузки ebu = 0,0025). Предельная сжимаемость бетона в сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов достигает 0,003...0,005. При уменьшении ширины сечения книзу (особенно в тавровых сечениях с полкой в сжатой зоне) ebu снижается, а при уменьшении высоты сжатой зоны сечения ebu увеличивается. Предельная растяжимость бетона составляет 0,1...0,2 мм/м длины образца, еbtu = 0,0001...0,0002 (в нормах ebtu = 0,00015). Предельная растяжимость ebtu возрастает примерно вдвое в условиях повышенной влажности с увеличением длительности приложения нагрузки; ebtu уменьшается с повышением прочности и плотности бетона.

От предельной растяжимости бетона зависит сопротивляемость растянутых зон железобетонных элементов образованию трещин. У бетонов на пористых заполнителях предельная сжимаемость и растяжимость бетона примерно в 2 раза выше, чем у тяжелых бетонов тех же классов. Предельные поперечные деформации бетона ev при сжатии и растяжении определяют соответственно по предельным продольным относительным деформациям сжатия ebu и растяжения еbtu через коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) v = 0,2.

Соотношение между поперечными ev и соответствующими продольными деформациями еb и ebt остается примерно постоянным до границы образования микротрещин (предела выносливости), а затем постоянство нарушается; точных данных об этом пока нет. Рост поперечных деформаций при сжатии и при растяжении приводит к образованию микротрещин в бетоне, что снижает морозостойкость и коррозионную стойкость бетона.

Усадка — это сокращение объема бетона при твердении на воздухе. Бетоны с использованием специальных расширяющихся или безусадочных цементов не подвержены усадке. Усадку делят на автогенную, вызываемую физико-химическими процессами при твердении бетона, и влажностную (при изменении содержания воды). Автогенная усадка происходит в начальной стадии твердения, она не имеет большого значения. Влажностная усадка в 10...20 раз больше автогенной усадки, она имеет большое значение, потому что вызывает появление усадочных трещин на поверхности элементов.

Усадка бетона зависит от физико-химических процессов твердения, от уменьшения объема цементного геля, от потери избыточной воды в результате испарения, а также гидратации с частицами цемента, не вступившими в реакцию. Усадка бетона затухает по мере твердения цементного геля, уменьшения его объема и образования кристаллических сростков. Капиллярные явления в цементном камне, вызванные избыточной водой, также влияют на усадку бетона: поверхностное натяжение менисков вызывает давление на стенки капилляров, из-за чего происходят объемные деформации.

В период твердения усадке бетона препятствуют внутренние связи — заполнители, что вызывает в цементном камне начальные растягивающие напряжения. По мере твердения геля образующиеся в нем кристаллические сростки также становятся внутренними связями. Неравномерное высыхание бетона приводит к неравномерной усадке, и к возникновению начальных усадочных напряжений. Внешние и быстрее высыхающие поверхностные объемы бетона, испытывают растяжение, и потому внутренние, более влажные объемы, препятствующие усадке поверхностных объемов, оказываются сжатыми. Вследствие этого в бетоне появляются усадочные трещины.

Усадочные трещины образуются потому, что объем наружных слоев конструкций при усадке уменьшается, а внутренние объемы не уменьшаются. Это вызывает действие в наружном слое растягивающих напряжений, и появление усадочных трещин. Первые трещины возникают в местах концентрации напряжений — в защитном слое арматуры, у перепадов сечений, у ребер, и пр. Скорость развития усадки бетона во времени возрастает при увеличении содержания цемента на единицу объема бетона, при увеличении В/Ц, при снижении зернистости песка, при росте пористости щебня, при уменьшении влажности воздуха; Бетоны на щебне имеют меньшую усадку, чем бетоны на гравии; повышение содержания крупных заполнителей снижает размер усадки. Величина средней годичной линейной усадки тяжелого бетона esh = 0,0002...0,0004, а легкого бетона еsh = 0,00045. Усадка активно проявляется в начальный период твердения, и продолжается в течение первого года. Арматура препятствует усадочным деформациям бетона, поэтому продольное армирование снижает деформации усадки более чем в два раза по сравнению с конструкциями без арматуры. Вследствие усадки в бетоне возникают начальные растягивающие напряжения, а в арматуре — равные им сжимающие. Вблизи арматуры растягивающие напряжения в бетоне имеют наибольшую величину, по мере удаления от арматуры они уменьшаются. При напряжениях оbt > Rbt,ser в бетоне образуются трещины. Они могут появиться только при сравнительно высоких процентах армирования. Наибольшие напряжения от усадки возникают вблизи контакта бетона с арматурой, при этом неравномерность напряжений может привести к образованию усадочных трещин при расстоянии между арматурными стержнями более 400 мм. Для исключения этого устанавливают противоусадочную арматуру, чтобы расстояние между любыми стержнями было не более 400 мм. В статически неопределимых конструкциях (плитных фундаментах, рамах и пр.) усадка бетона может вызвать дополнительные внутренние усилия, которые в ответственных случаях определяют методами строительной механики.

Набухание — это увеличение объема бетона при сильном увлажнении (например, в воде); оно связано с проникновением воды с поверхности бетона, поэтому объем наружных слоев увеличивается, в то время как внутренний объем остается в прежнем состоянии. Набухание бетона в воде намного быстрее усадки, потому что капиллярный подсос воды идет значительно быстрее, чем диффузия влаги при высыхании бетона. Значение линейного набухания составляет не более 0,05...0,11 мм в год. Это вызывает в наружном слое бетона сжимающие напряжения, которые ввиду малой величины не учитываются при расчете конструкций. Продольное армирование железобетона влияет на деформации набухания так же, как на деформации усадки: в бетоне армированных элементов возникают начальные сжимающие напряжения, а в арматуре — растягивающие. Свободные деформации набухания бетона меньше деформаций усадки, поэтому напряжения в бетоне и арматуре железобетонных элементов от набухания намного ниже, чем от усадки.

Температурные деформации бетона связаны с коэффициентом линейной температурной деформации аbt — относительным удлинением или укорочением бетона при нагреве или охлаждении на 1°С (при изменении температуры в пределах -40...+50°С). Согласно нормам аbt = 0,00001 для тяжелого, мелкозернистого и легкого бетона при мелком плотном заполнителе; 0,000007 для легкого бетона при мелком пористом заполнителе; 0,000008 град-1 для ячеистого и поризованного бетонов. При понижении температуры бетона в процессе его твердения температурные напряжения суммируются с усадочными растягивающими напряжениями; суммарные температурно-усадочные напряжения ведут к трещинообразованию в не затвердевшем бетоне; это отрицательно влияет на прочностные характеристики бетонов, особенно при больших размерах конструкций. Для исключения этого нормами ограничиваются предельные размеры железобетонных сооружений без температурных швов. Расстояние между температурно-усадочными швами можно определить расчетом на температурно-влажностные воздействия.

При расчетах согласно СП значения начального модуля упругости бетона при сжатии и растяжении принимают по табл. 2.7. Для мелкозернистого бетона группы А, подвергнутого тепловой обработке или при атмосферном давлении, значения начальных модулей упругости бетона принимают с коэффициентом 0,89. Для легкого, ячеистого и поризованного бетонов при промежуточных значениях плотности бетона начальные модули упругости принимают по линейной интерполяции. Для ячеистого бетона неавтоклавного твердения значения Eb принимают как для бетона автоклавного твердения с умножением на коэффициент 0,8. Для напрягающего бетона значения Eb принимают как для тяжелого бетона с умножением на коэффициент а = 0,56 + 0,006 В.

При продолжительном действии нагрузки величину начального модуля деформаций бетона определяют по формуле

где фb,cr — коэффициент ползучести, принимаемый в зависимости от условий окружающей среды (относительной влажности воздуха) и класса бетона (табл. 2.8). Значение коэффициента поперечной деформации бетона допускается принимать vbP = 0,2.

Значения предельных относительных деформаций бетона принимают при непродолжительном действии нагрузки: при осевом сжатии eb0 = 0,002; при осевом растяжении ebt0 = 0,0001; при продолжительном действии нагрузки — по табл. 2.9 в зависимости от относительной влажности среды.