Материалы для ЖБК: бетоны

Лекция № 2 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЖБК. БЕТОНЫ. 1. Классификация бетонов Бетон – композитный строительный материал, в котором крупные и мелкие заполнители, соединенные вяжущим (цемент, жидкое стекло), сопротивляются нагрузкам как одно монолитное тело. Хотя бетон представляет собой материал грубо неоднородной структуры, ему можно придавать вполне определенные заранее заданные прочностные, физические (или физико-механические) и деформативные свойства. К прочностным свойствам относятся нормативные и расчетные характеристики бетона при сжатии и растяжении, сцеплении бетона с арматурой; к физическим – водонепроницаемость, морозо-жаростойкость, коррозионная стойкость, огнестойкость; к деформативным – сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой, ползучесть и усадка, набухание и температурные деформации. Физико-механические свойства зависят от способа изготовления бетона и материалов и определяются структурой бетона и условиями твердения. Классификация бетона: Бетоны классифицируются по следующим признакам: - по основному назначению на: ▪ конструкционные – бетоны несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений, определяющими требованиями к качеству которых являются требования по физико-механическим характеристикам; специальные – бетоны, к которым предъявляются специальные ▪ требования в соответствии с их назначением. К специальным бетонам относятся жаростойкие, химические стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоляционные и др. бетоны. - по виду вяжущего на: цементные (на основе клинкерных цементах); ▪ известковые (на основе извести в сочетании с цементами, шлаками, ▪ золами, активными минеральными добавками); шлаковые (на основе молотых шлаков и зол с активизаторами твердения); ▪ гипсовые (на основе полуводного гипса или ангидрита, включая ▪ гипсоцементно-пуццолановые и т.п. вяжущие); специальные (бетонополимеры, полимербетоны, цементно-полимерные ▪ бетоны). - по виду заполнителей на: плотных заполнителях (плотные горные породы и шлаки); ▪ пористых заполнителях (искусственные и естественные минеральные ▪ пористые заполнители, а также пористые крупные и плотные мелкие заполнители); 1 ▪ специальных заполнителях (органические заполнители). - по структуре на: плотные – бетоны плотной структуры на цементном вяжущем и ▪ плотных мелких заполнителях; крупнопористые – бетоны, у которых пространство между зернами ▪ крупного и мелкого заполнителя не полностью заполнено или совсем не заполнено мелкими заполнителями и затвердевшими вяжущими, поризованными добавками, регулирующих пористость в объеме более 7 %. поризованные – бетоны, у которых пространство между зернами ▪ крупного и мелкого или только мелкого заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим и порами вовлеченного газа или воздуха, в том числе образующихся за счет применения добавок, регулирующих пористость в объеме не более 7 %; ячеистые – бетоны, у которых основную часть объема составляют ▪ равномерно распределенные поры в виде ячеек, полученных с помощью газо- или пенообразователей; - по условиям твердения на бетоны, твердевшие: в естественных условиях; ▪ в условиях тепловлажностной обработки при атмосферном давлении; ▪ в условиях тепловлажностной обработки при давлении выше ▪ атмосферного (автоклавного твердения). - по плотности на: особо тяжелые (ρ > 2500 кг/м3); ▪ тяжелые (ρ = 2200 ÷ 2500 кг/м3); ▪ мелкозернистые (ρ =1800 ÷ 2200 кг/м3); ▪ легкие (ρ = 800 ÷ 1800 кг/м3). ▪ 2. Структура бетона и его влияние на прочность и деформативность Структура бетона грубо неоднородна и зависит от многих факторов. Она формируется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими химически не связанную воду, водяные пары и воздух. С физической точки зрения бетон представляет собой капиллярно-пористое тело, в котором резко нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. При этом цементный камень, скрепляющий бетон, также неоднороден и состоит из упругого кристаллического состава и вязкой массы – геля, таким образом, это наделяет бетон упруго-пластично-ползучими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды. Во времени кристаллический состав увеличивается, а гелевая часть уменьшается. Рекомендуемое водоцементное отношение В/Ц ≈ 0,2. Однако по технологическим соображениям – для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси – количество воды берут с некоторым избытком (В/Ц = 0,5 ÷ 0,6) Если В/Ц > 0,6 , то прочность бетона уменьшается. 2 Состав бетона, различный по крупности: от микрочастиц до макрочастиц цемента, обуславливает неравномерные деформации. Рассмотрим диаграмму начала и конца трещинообразования бетона (рис. 2.1) Рис. 2.1. Диаграмма начала и конца трещинообразования начало микротрещинообразования; конец микротрещинообразования. Фактически конец микротрещинообразования является пределом длительной прочности бетона, т.е. (2.1) где предел длительной прочности бетона При достижении предела длительной прочности бетона количество трещин достигает максимального значения (насыщение). предел кратковременной прочности бетона (диапазон уплотнения бетона) (2.2) где – коэффициент упругопластичности; – упругие деформации; – неупругие (пластические) деформации; – полные деформации Если любым способом обеспечивать постоянство деформаций (т.е. обеспечивать условие = const), то на диаграмме будет ниспадающая ветвь. Вокруг пор и пустот при одноосном сжатии образуются по продольным площадкам растягивающие структурные напряжения, уравновешенные сжимающими напряжениями. Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит 3 взаимное наложение растягивающих напряжений, а это приводит к появлению и развитию микротрещин задолго до его разрушения (рис. 2.2). а) б) Рис. 2.2. Схема образования трещин а) – концентрация напряжений у микро- и макропор; б) – разрыв бетона в поперечном направлении Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, размере пор приводит к разбросу показателей прочности, что приводит к большому числу лабораторных и натурных экспериментов. На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов (рис. 2.3). 4 Рис. 2.3. Диаграмма скоростей нагружения При замедленном нагружении образцов прочность бетона на 10 ÷15% меньше, чем при кратковременном нагружении. При быстром нагружении прочность бетона возрастает до 20% по сравнению с кратковременным нагружением. Бетон имеет разную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. Различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность; прочность при срезе и скалывании; прочность при длительном, кратковременном и динамическом воздействии нагрузок, при многократных повторных нагрузках. 3. Кубиковая и призменная прочность Из всех прочностных характеристик бетона наиболее просто определяется его прочность при сжатии, а высокое сопротивление бетона сжатию является его ценным свойством, используемым в железобетонных конструкциях. Поэтому за основную характеристику прочностных и деформативных свойств бетона принята его прочность на осевое сжатие. Для оценки кубиковой прочности применяют раздавливание на прессе изготовленных в тех же условиях, что и реальные конструкции кубов бетона. За стандартные образцы принимают кубы размерами150х150х150 мм, испытание которых происходит при температуре 20 ± 2 ºC через 28 дней твердения в нормальных условиях. Опытами установлено, что прочность бетона одного и того же состава зависит от размера куба: если кубиковая прочность бетона для базового куба с ребром 150 мм равно R (рис. 2.4), то для куба с ребром 200 мм оно уменьшается до 0,93 R, а для куба с ребром 100 мм – увеличивается до 1,1 R. 5 Рис. 2.4. Стандартный бетонный образец для определения прочности на сжатие Различное временное сопротивление сжатию образцов разной формы объясняется влиянием сил трения, возникающих между гранями образца и опорными плитами пресса, а также неоднородностью структуры бетона. Вблизи опорных плит силы трения, направленные внутрь образца, создают обойму, следовательно, увеличивается прочность образцов при сжатии. Удерживающее влияние сил трения по мере удаления от торцов снижается, таким образом, бетонный куб при разрушении получает форму двух усеченных пирамид, обращенных друг к другу вершинами (рис. 2.5, а). При уменьшении сил трения посредством смазки характер разрушения меняется (рис. 2.5, б): вместо выкалывания с боков образца пирамид происходит раскалывание его по трещинам, параллельным направлению действия усилия. При этом временное сопротивление бетона сжатию уменьшается. а) б) Рис. 2.5. Схема деформирования бетона при сжатии а) – при наличии трения по опорным плоскостям; б) – при отсутствии трения; 1 – смазка 6 Поскольку железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, в расчетах их прочности не может быть непосредственно использована кубиковая прочность бетона. Основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность Rb. Опыты на бетонных призмах со стороной основания а и высотой h показали, что призменная прочность Rb меньше кубиковой R и она уменьшается с увеличением отношения . При призменная прочность становится почти стабильной и равной примерно Rb ≈ 0,75 R. Как и для кубиков, это явление объясняется различной степенью влияния сил трения по торцам образцов – чем больше размер образца и больше расстояние между его торцами, тем меньше влияние сил трения. Влияние гибкости бетонного образца становится ощутимым при . Кривая, приведенная на рис. 2.6, иллюстрирует зависимость усредненным опытным данным. от по Таким образом, призменная прочность Rb – это временное сопротивление осевому сжатию призмы Rbu с отношением сторон . Рис. 2.6. График зависимости призменной прочности бетона от отношения 7 размеров испытываемого образца 4. Прочность бетона на осевое растяжение Согласно опытным данным прочность бетона на растяжение Rbt в 10 – 20 раз меньше, чем при сжатии, причем относительная прочность на растяжение уменьшается с увеличением класса бетона. Истинное сопротивление растяжению узнать тяжело. На практике используют опытные образцы в виде восьмерок с размером поперечного сечения 100 × 100 мм (рис. 2.7). Причиной низкой растяжимости бетона является неоднородность структуры бетона, наличие внутренних напряжений, слабое сцепление между цементным камнем. Рис. 2.7. Схема испытания образца для определения прочности бетона при осевом растяжении на разрыв Временное сопротивление бетона осевому растяжению определяют по формуле 2.1: (2.1) где разрушающий момент; момент сопротивления образца прямоугольного сечения; коэффициент, учитывающий криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны вследствие упруго-пластических свойств бетона 5. Прочность бетона на срез и скалывание Чистый срез – это разделение элемента на части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы. При этом возникает напряженное состояние, когда главные напряжения , , а максимальное касательное напряжение . Существенное сопротивление срезу оказывают зерна крупных заполнителей, работающие как шпонки в плоскости среза. При срезе распределение напряжение по площади сечения считается равномерным. В железобетонных конструкциях чистый срез встречается редко; обычно он сопровождается действием нормальных сил (рис. 2.8). 8 Рис. 2.8. Схема испытания бетонного образца на срез 1 – испытуемый образец; 2 – неподвижные стальные опоры; 3 – плоскость среза Временное сопротивление бетона на срез можно определить по эмпирической зависимости (2.2): Rsh = 2×Rbt (2.2) Чистое скалывание – взаимное смещение (сдвиг) частей элемента между собой под действием скалывающих (сдвигающих) усилий. Сопротивление скалыванию возникает при изгибе железобетонных балок до появления в них наклонных трещин (рис. 2.9). Рис. 2.9. Схема испытания бетонного образца на скалывание 1 – рабочая арматура; 2 – прорези (щели); 3 – участки, где происходит скалывание бетона Скалывающие напряжения по высоте сечения изменяются по квадратной параболе. Временное сопротивление бетона скалыванию можно определить по эмпирической зависимости (2.3): Rскал ≈ (1,5÷2)×Rbt (2.3) 6. Классы и марки бетона 9 Класс – это ряд эталонных чисел на числовой оси, привязанных к прочности на сжатие и растяжение, задаваемых при проектировании с обеспеченностью 0,95 прочностных свойств. Марка оценивает основные физические свойства бетона (обеспеченность 50%). Существует класс бетона по прочности на сжатие B по прочности на растяжение Bt . Значение класса бетона по прочности на сжатие – это значение, полученное при испытании кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартами в течение 28 суток при температуре 20 ± 2 ºC с учетом 95% обеспеченности прочностных свойств. Для оценки изменчивости прочности и обеспечения гарантии для заданного значения используют кривую распределения теории вероятности. Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных образцов, определяют по зависимости (2.4): (2.4) где число случаев, в которых было установлено временное сопротивление соответственно ; общее число испытаний в партии Среднее квадратичное отклонение прочности бетона – это величина, характеризующая разброс прочности экспериментальных значений. Среднее квадратичное отклонение прочности бетона определяют по зависимости (2.5): (2.5) Коэффициент вариации прочности бетона – это отношение среднего квадратичного отклонения прочности бетона к среднему значению временного сопротивления бетона сжатию. Коэффициент вариации прочности бетона определяют по зависимости (2.6): (2.6) Чем совершеннее производство и технология приготовления бетонной смеси, тем меньше коэффициент вариации прочности и экономичнее производство. Опытные исследования для тяжёлых, мелкозернистых и легких бетонов показали, что коэффициент вариации прочности бетона при сжатии показателе надежности . При , который характерен для обеспеченности 95% 10 прочностных свойств (правило «двух сигм»), класс бетона по прочности на сжатии определяют по формуле (2.7): или (2.7) Таким образом, гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на сжатие равна: (2.7’) Коэффициент вариации прочности бетона при растяжении , тогда гарантированная прочность заданного нормами класса бетона на растяжение равна: (2.7”) На рис. 2.10 показана кривая распределения прочности. Рис. 2.10. Кривая распределения прочности Марка бетона по морозостойкости F – число выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания водонасыщенных образцов, испытанных в соответствие со стандартом, при котором прочность падает не более чем на 15% по сравнению с прочностью образца, не подвергающегося замораживанию. Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по морозостойкости от F 15 до F 500. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона по морозостойкости от F 15 до F 1000. Для каждого конкретного случая марку бетона по морозостойкости принимают в зависимости от расчетной зимней температуры наружного воздуха, условий работы и класса зданий. 11 Марка бетона по водонепроницаемости W – это наибольшее давление воды (МПа), при котором не наблюдается её просачивания через стандартный образец, изготовленный по ГОСТу. Эту марку принимают для конструкций, к которым предъявляют особые ограничения водопроницаемости (резервуары, напорные трубы, силосы). Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по водонепроницаемости от W2 доW12. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона водонепроницаемости от W2 доW20, где цифрами обозначают давление воды, при котором коэффициент фильтрации (м/с) не превышает нормативного значения. Конкретную марку бетона по водонепроницаемости принимают в зависимости от класса зданий, условий эксплуатации конструкций или максимального градиента напора, представляющего отношение напора к толщине элемента. Марка бетона по средней плотности D – это гарантированная собственная масса бетона (кг/м3), контролируемая на базовых образцах в установленные сроки согласно ГОСТу. Марку по средней плотности принимают для конструкций, к которым предъявляют требования теплоизоляции. Старые нормы СНиП 2.03.01 – 84* «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливали марки бетона по средней плотности от D 700 до D 2500. Новые нормы СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» устанавливают марки бетона по средней плотности от D 200 до D 5000, где цифры обозначают плотность бетона. Для напрягающих бетонов устанавливают марку по самонапряжению. Марка бетона по самонапряжению Sp – это гарантированное значение предварительного напряжения в бетоне (МПа), создаваемое в результате его расширения при наличии продольной арматуры в количестве 1% и контролируемое на базовых образцах в установленные сроки согласно ГОСТу. Марку бетона по самонапряжению принимают в зависимости от предъявляемых к самонапрягающимся конструкциям требований по трещиностойкости и жесткости. 7. Модуль деформации бетона и мера ползучести Начальный модуль упругости бетона при сжатии – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона касательной к функции диаграммы проходящей через начало координат (рис.2.11). или , (2.8) Модуль касательных деформаций бетона при сжатии – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона касательной к кривой деформаций в любой заданной точке (рис.2.11) . (2.9) 12 Для расчёта железобетонных конструкций используют модуль упругопластичности (секущий модуль) бетона при сжатии – это величина, соответствующая тангенсу угла наклона секущей, проходящей через начало координат и точку на диаграмме полных деформаций (рис.2.11). (2.10) Рис. 2.11. Схема для определения модулей деформаций в бетоне Если выразить одно и то же напряжение полные деформации через упругие деформации и , то получим (2.11) Коэффициент пластичности бетона равен (2.12) Коэффициент упругопластической деформации бетона равен (2.13) Используя (2.11) и (2.12) получим зависимость между секущим и начальным модулями (2.14) (2.14) Коэффициент упругопластической деформации можно выразить через коэффициент пластичности: (2.15) Для идеально упругого материала пластические деформации малы, т.е. . 13 Для идеально пластического материала упругие деформации малы, т.е. . Зависимость между напряжениями и деформациями ползучести выражаются мерой ползучести . Используя формулы (2.11), (2.12), (2.14), получим: (2.16) где . Мера ползучести зависит от класса бетона и его начального модуля деформаций. Мера ползучести – это удельная деформация ползучести. 8. Реологические свойства бетона Усадка – это уменьшение бетона в объеме при твердении в обычной (воздушной) среде (рис.2.12). Рис. 2.12. Усадка бетона 1 – фрагмент бетонной балки; 2, 3 – продольные и поперечные усадочные трещины; 4 – наружний (высохший) слой; 5 – внутренний слой; 6 – растягивающие напряжения Образование усадочных трещин обуславливается интенсивным уменьшением объема наружных слоев элемента, в то время как внутренний слой не успевает сократиться в объеме. Это вызывает в еще неокрепшем наружном слое собственные растягивающие напряжения, вследствие чего на поверхности бетона могут появиться многочисленные усадочные трещины. Отрицательное влияние усадочных напряжений учитывают косвенно конструктивной арматурой и устройством усадочных швов. Размеры усадки бетона и изменение ее во времени зависят от многих факторов: - с увеличением цемента на единицу объема возрастает усадка; 14 - с увеличением водоцементного отношения (В/Ц) усадка увеличивается; - чем выше влажность при твердении бетона, тем больше усадка и т.д. Набольшее влияние усадка оказывает в начальный период твердения, т.к. с течением времени уменьшается влажностный градиент по мере высыхания бетона, и растут кристаллические сростки, оказывающие сопротивление усадочным напряжениям. Набухание – это увеличение бетона в объеме при твердении его в воде. Процесс набухания бетона намного быстрее усадки. При набухании проникновение воды начинается с поверхности бетона, поэтому объем наружных слоев увеличивается, в то время как объем внутренних слоев увеличиться не успевает. Это вызывает в наружном слое бетона неопасные сжимающие напряжения, которые не учитываются при расчете железобетонных конструкций. Ползучесть – это свойство бетона, характеризующее нарастание неупругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях. Деформации ползучести бетона обусловлены его структурными несовершенствами. Абсолютная величина деформаций ползучести зависит от возраста, прочности бетона и его составляющих компонентов, влажности среды. Ползучесть уменьшается по мере старения бетона, увеличения его прочности, уменьшения водоцементного отношения (В/Ц), увеличения влажности окружающей среды. Скорость деформаций ползучести бетона со временем затухает, асимптотически приближаясь к нулевому значению. Если бетонному образцу задать некоторую деформацию обусловливающую соответствующее напряжение , а затем устранить возможность дальнейшего деформирования наложением связей, то с течением времени напряжения в бетоне будут уменьшаться, стремясь асимптотически к некоторой конечной величине. Опыты с бетонными призмами показывают, что независимо от того, с какой скоростью загружения было получено напряжение , конечные деформации ползучести, соответствующие этому напряжению, будут одинаковыми (рис.2.13). Рис. 2.13. Деформации ползучести бетона в зависимости от скорости начального загружения Если испытываемый образец загрузить по этапам и замерять деформации на каждой ступени дважды (сразу после приложения нагрузки и через некоторое время), то получится ступенчатая линия. Деформации, измеренные сразу, являются упругими. При 15 достаточно большом числе ступеней загружения зависимость плавной кривой (рис.2.14). становится Рис. 2.14. Диаграмма в сжатом бетоне при различных этапах загружения 1 – прямая упругих деформаций; 2 – кривая полных деформаций Релаксация – это уменьшение с течением времени напряжений при постоянной деформации (рис.2.15). Рис. 2.15. Снижение напряжений с течением времени Многократное повторение циклов загрузки - разгрузки приводит к постепенному накапливанию пластических деформаций (рис. 2.16). После достаточно большого числа циклов неупругие деформации, соответствующие данному уровню напряжений, выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения, бетон начинает деформироваться упруго ( ). 16 Рис. 2.16. Диаграмма при многократном повторном загружении бетонного образца 1 – первичная кривая деформаций; 2 – конечная кривая деформаций При больших напряжениях неупругие деформации неограниченно растут, напряжения достигают предела выносливости и бетон разрушается. 9. Предельные деформации бетона Предельные деформации бетона при сжатии (растяжении) – это относительные средние укорочения (удлинения) в момент разрушения центрально сжатых (центрально растянутых) образцов, испытанных по ГОСТу. Предельная сжимаемость бетона при длительном действии нагрузки , предельная растяжимость . При кратковременном действии нагрузки . C увеличением класса бетона предельные деформации падают, с увеличением длительности приложения нагрузки – возрастают. 17