Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Основы теории сопротивления бетона

20.12.2018

Бетон хорошо сопротивляется сжатию и плохо — растяжению и изгибу, а железобетон хорошо работает и на сжатие, и на изгиб, и на растяжение. Интересна особенность разрушения сжимаемого бетонного образца: при его сжатии между плитами пресса он разрушается от поперечного растяжения, тогда как никакие внешние силы в поперечном направлении к нему не прикладываются. Поперечные растягивающие напряжения, разрушающие бетон, возникают вследствие неоднородности (гетерогенности) структуры бетона. Бетон представляет собой сложный и неоднородный материал, в котором представлены: цементная матрица (камень), состоящая из упругого кристаллического сростка и пластичного геля, соотношение между которыми во времени постоянно меняется в пользу кристаллического сростка; крупный и мелкий заполнитель; множество пустот и капилляров в цементном камне, заполненных непрореагировавшей водой или воздухом.

Согласно решениям теории упругости, выше и ниже пустоты в упругом сжимаемом образце действуют местные поперечные растягивающие напряжения. Таких пустот в бетоне очень много — около 30% объема (они практически не устраняются путем уплотнения бетонной смеси). Такие же напряжения действуют выше и ниже каждого зерна заполнителя. Накладываясь друг на друга, эти миллионы местных напряжений образуют вторичное поле поперечных растягивающих напряжений, разрывающее бетонный образец (рис. 3.1). Разрушение сжимаемого бетонного образца наступает вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Сначала по всему объему возникают микроскопические трещины отрыва, которые с ростом нагрузки соединяются, образуя видимые трещины, параллельные (или слабо наклоненные) по отношению к направлению сжимающих сил (см. рис. 3.1).

Далее трещины раскрываются, что сопровождается кажущимся увеличением объема, и наступает разрушение бетона. Границу образования этих микроразрушений можно определить ультразвуковыми измерениями. Началу уменьшения скорости ультразвука соответствует сжимающее напряжение в бетоне R°crc (сопротивление сжатию, при котором начинается образование микротрещин). По значению напряжения R°crc судят о прочностных и деформативных свойствах бетона. Структура бетона, обусловленная неоднородностью состава и различием способов приготовления, приводит к тому, что при испытании образцов, изготовленных из одной и той же бетонной смеси, получают неодинаковые показатели прочности. Прочность бетона зависит от множества факторов — возраста и условий твердения; формы и размеров образца; вида напряженного состояния и длительности действия нагрузки. Бетон — материал с ярко выраженной анизотропией, он имеет разное сопротивление при сжатии, растяжении и срезе.

Для строительных конструкций основной интерес представляет высокая прочность бетона на осевое сжатие, определяемая при испытаниях кубов (кубиковая прочность), и призм (призменная прочность) (рис. 3.2).

При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении (поэтому для коротких элементов целесообразно поперечное армирование). Наклон трещин отрыва вызван силами трения, действующими на контакте между плитами пресса и гранями куба, и ведущими к наклону изостат. Если при испытаниях кубов на сжатие снизить силы трения смазкой, трещины отрыва становятся почти вертикальными, параллельными действию сил сжатия, а временное сопротивление снижается почти вдвое (стандартные кубы испытывают без смазки контактных поверхностей).

Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если временное сопротивление сжатию бетона для куба с гранью 150 мм равно R, то для куба с гранью 200 мм оно уменьшается приблизительно до 0,93R, а для куба с гранью 100 мм увеличивается до 1,1R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба и расстояния между его торцами. Ho кубиковая прочность не является характеристикой прочности, вводимой в расчеты, так как реальные железобетонные конструкции вытянуты в одном или двух направлениях, и не похожи на кубы. Поэтому главной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb — временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность бетона меньше кубиковой, она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на торцах призмы уменьшается с увеличением ее высоты; при отношении h/a = 4 значение Rb становится почти постоянным и равным примерно 0.75R. Влияние гибкости бетонного образца при этом не сказывается; оно ощутимо лишь при h/a = 8. В качестве расчетной характеристики прочности бетона сжатой зоны изгибаемых элементов принимают Rb; вместо реальной криволинейной эпюры напряжений бетона сжатой зоны в предельном состоянии принимают условную прямоугольную эпюру напряжения.

Прочность бетона на осевое растяжение зависит от прочности цементного камня на растяжение и сцепления его с зернами заполнителями. Бетон имеет не только низкую прочность на растяжение (согласно опытам, прочность бетона на растяжение в 10...20 раз меньше, чем при сжатии), но его относительная прочность на растяжение уменьшается с увеличением класса бетона. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением W/C, применением щебня с шероховатой поверхностью, использованием другого вяжущего. Временное сопротивление бетона осевому растяжению (МПа) можно определить по эмпирической формуле

Влияние неоднородности структуры бетона не позволяет получить по этой формуле приемлемые значения Rbt. Поэтому значение Rbt определяют испытаниями. По разрушающему моменту бетонной балки определяют

где W = bh2/6 — момент сопротивления прямоугольного сечения; x = 1,7 — множитель, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны сечения вследствие развития неупругих деформаций. При срезе как разделении элемента на две части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы, прочность бетона зависит от зерен крупных заполнителей, играющих роль шпонок в сечении среза. При срезе распределение напряжений по площади сечения считается равномерным. Временное сопротивление бетона на срез можно определить по эмпирической зависимости Rsh = 2Rbt. Скалывание проявляется в балках при изгибе, при этом скалывающие напряжения распределены по высоте балок по квадратной параболе, они в 1,5...2 раза больше Rbt.

Структура бетона оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона. При затворении водой смеси из цемента и крупного и мелкого заполнителей начинается химическая реакции соединения минералов цемента с водой, в результате которой образуется гель — пористая студенистая масса с взвешенными в воде и не вступившими в химическую реакцию частицами цемента, и небольшим объемом соединений в виде кристаллов. В процессе перемешивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей и постепенно твердеет; кристаллы с течением времени соединяются в кристаллические сростки. Твердеющий гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупного и мелкого заполнителя в монолитный бетон.

Важнейшим фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, используемое при затворении бетонной смеси и оцениваемое водоцементным отношением W/C (отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси). Для химического соединения воды с цементом необходимо, чтобы W/C = 0,3. Ho для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси количество воды принимают с небольшим избытком: подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют W/C = 0,5...0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму при механической вибрации, имеют W/C= 0,3...0,4. По данным исследований, поры занимают около трети объема цементного камня; с уменьшением водоцементного отношения пористость цементного камня уменьшается, а прочность бетона растет. На заводах ЖБИ применяют жесткие бетонные смеси с минимальным значением W/C; они требуют меньших затрат цемента и меньших сроков выдержки изделий.

Структура бетона неоднородна; в цементном камне неравномерно распределены миллионы частиц песка и щебня различной формы, множество пор с водой, водяным паром и воздухом. Цементный камень имеет неоднородную структуру, он состоит из упругого кристаллического сростка и пластичного геля. В бетоне происходят длительные процессы изменения водного баланса, уменьшения объема твердеющего геля (и снижения пластических свойств), роста упругих кристаллических сростков (и нарастания упругих свойств); к ним добавляется проявление ползучести под нагрузкой.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: