Тема занятия 2. Физико-механические свойства бетона и арматуры.
Сущность железобетона. Бетон, как показывают опыты, хорошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, поэтому включение стальной арматуры в растянутую зону элементов существенно повышает их несущую способность. Например, прочность железобетонной балки по сравнению бетонной (неармированной) балкой возрастают в 15-20 раз. Сталь имеет высокие сопротивление не только растяжению, но и сжатию и включение ее в бетон в виде арматуры сжатого элемента заметно повышает его несущую способность.
Совместная работа бетона и арматуры. Совместное сопротивление бетона и стальной арматуры внешним нагрузкам обусловливаются выгодным сочетанием физико-механических свойств этих материалов, а именно:
при твердении бетона между ним и стальной арматурой возникают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах оба материала деформируется под нагрузкой совместно;
плотный бетон защищает включенную в нем стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет ее от непосредственного действия огня;
сталь и бетон обладают близкими по значению коэффициентами линейного расширения, поэтому при изменениях температуры в пределах до 1000 С в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения и скольжения арматуры не наблюдается.
Железобетону присуще образование трещин в бетоне в растянутых зонах конструкций даже при эксплуатационных нагрузках небольшой интенсивности. Раскрытие этих трещин во многих случаях невелико и не мешает нормальной эксплуатации конструкций. Однако в определенных условиях необходимо предотвратить образование таких трещин или ограничить ширину их раскрытия. Для этого до приложения нагрузки бетон растянутых зон подвергают предварительному интенсивному обжатию посредством растяжения рабочей арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным.
Достоинства и недостатки железобетона.
К основным преимуществом железобетона относятся: огнестойкость, долговечность, высокая механическая прочность, хорошая сопротивляемость сейсмическим и другим динамическим воздействиям, малые эксплуатационные расходы, хорошая сопротивляемость атмосферным воздействиям, возможность использования местных материалов. Недостатки железобетона: большая плотность, высокая тепло- и звукопроводность, трудоемкость переделок и усилений; необходимость выдержки до приобретения прочности, появление трещин вследствие усадки и силовых воздействий.
Области применения и способы возведения железобетонных конструкций.
Железобетон применяют в самых разнообразных отраслях строительства: промышленное, гражданское и сельскохозяйственное строительства; транспортное, энергетическое и гидромелиоративное строительство, а также горная промышленность.
По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные,изготовляемые преимущественно на заводах и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные,полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитных частей конструкций. В последние время монолитный бетон с каждым годом получает все большее признание и производства конструкций и сооружений из такого бетона в значительной степени индустриализовано.
Бетон для железобетонных конструкции.
Классификация бетонов. Бетон для железобетонных конструкций должен обладать необходимой прочностью, хорошим сцеплением с арматурой, достаточной плотностью для защиты арматуры от коррозии. В зависимости от назначения сооружения бетон также должен удовлетворять специальным требованиям: морозостойкости, жаростойкости при длительном воздействии высоких температур, коррозионной стойкости при агрессивном воздействии среды, водонепроницаемости и др.
Бетоны классифицируют по следующим признакам: основному назначению — конструкционные,специальные;по виду вяжущего – цементные, силикатные, шлаковыеи т.д.; по виду заполнителей – плотные, пористые, на специальных заполнителях;по структуре – плотные, поризованные, ячеистые, крупнопористые.
Структура бетона. Прочность и деформативность бетона в значительной степени зависят от его структуры. Как известно из курса строительных материалов, бетон является весьма неоднородным. Он представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность и присутствует все три фазы- твердая, жидкая и газообразная. Структуру бетона можно представить в виде пространственной решетки из цементного камня, состоящего из геля и кристаллических сростков, заполненных зернами песка и щебня, пронизанной большим количеством микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.
Неоднородность и дефективность бетона носит случайный характер. Поэтому механические свойства бетона целесообразно оценивать с точки зрения вероятностного подхода и описания его напряженно-деформированного состояния.
В сжатом неоднородном теле нагрузка создает сложное напряженное состояние. Напряжение концентрируется на более жестких частицах. В этом случае происходит концентрация напряжений в местах, ослабленных пустотами и порами. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, возникают не только напряжения сжатия, но и напряжения растяжения, действующие по площадкам, параллельным сжимающей силе.
Растягивающие напряжения, суммируясь, достигают значительных величин, вызывая разрушение сжимаемого образца вследствие разрыва бетона в поперечном направлении.
Прочность бетона: кубиковая и призменная прочность.
Кубиковой прочностью бетона
называют временное сопротивление сжатию бетонных кубов. При осевом сжатии кубы разрушаются вследствие разрыва бетона в поперечном направлении. Силы трения, возникающие по опертым граням, оказывают ощутимое влияние на кубиковую прочность вследствие того, что они препятствуют развитию свободных поперечных деформаций. Влияние сил трения по мере удаления от этих граней уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму четырех усеченных пирамид. Если устранить влияние сил трения (смазкой контактных поверхностей), трещины разрыва становятся вертикальными, параллельными действию сжимающей силы и сопротивление куба значительно уменьшится. Согласно стандарту, кубы испытывают без смазки поверхностей, вследствие чего их прочность зависит от размеров кубов. Так, если прочность куба с ребром 15 см принять за
, то кубы с ребром 10 см покажут прочность 1,12
, а с ребром 20 см- 0,93
.
Кубиковая прочность непосредственно в расчетах не используется, а служат только для контроля качества бетона.
Призменной прочностью
называют временное сопротивление сжатию бетонных призм. Она является основной расчетной характеристикой прочности бетона сжатых элементов. Призменная прочность меньше кубиковой. Опыты показывают, что с увеличением высоты призмы
влияние сил трения на прочность уменьшается и при отношении
оно практически становится равным нулю, а значение
становится постоянным и равным примерно 0,75
.
Прочность бетона на растяжение.
Прочность бетона на растяжение
зависит от прочности цементного камня. При растяжении прочность бетона в 10-20 раз меньше прочности на сжатие. Связь между временным сопротивлением бетона на сжатие и растяжение может быть выражена формулами:
.
Опытным путем
определяют испытаниями на разрыв образцов в виде восмерок, на раскалывание цилиндрических образцов или на изгиб бетонных балок.
Прочность бетона на срез.
В реальных конструкциях срез в чистом виде не встречается. Прочность бетона на срез в 1,5-2 раза больше, чем его прочность на растяжение. Объясняется это сопротивлением зерен крупного заполнителя срезывающим усилиям.
Значения временного сопротивления не нормируется, однако при необходимости оно может быть определено по эмпирической формуле:
.
Деформативность бетона.
При проектировании железобетонных конструкций помимо прочностных свойств необходимо учитывать и деформативные. Деформации бетона бывают двух видов.Объёмные, развивающиеся во всех направлениях под влиянием усадки, изменения температуры и влажности и силовые, развивающиеся вдоль направления действия сил. В свою очередь силовые деформации подразделяются на три вида: при однократном кратковременном нагружении; длительном нагружении многократно-повторном действии нагрузки. Объёмные деформации. Различают деформации от изменения температуры и усадки бетона. Повышение или понижение температуры вызывает изменение объёма бетона. Деформации усадки и набухания. Свойство бетона уменьшаться в объёме при твердении в сухой среде называют усадкой, а при твердении во влажной среде бетон увеличивается в объёме – происходит набухание. Деформация усадки связана с потерей воды на испарение и на гидратацию цемента. Усадка тем больше, чем больше содержание в бетоне цемента, воды и чем ниже влажность окружающей среды. Деформация бетона при набухании значительно меньше, чем при усадке. Из-за неравномерного высыхания внутренние слои бетона препятствуют свободной усадке поверхностных слоёв, в результате чего поверхностные слои оказываются растянутыми, что может привести к возникновению усадочных трещин.
Силовые деформации. 1. Деформации при однократном кратковременном нагружении. При непрерывном нагружении испытываемого образца зависимость
может быть представлена в виде плавной кривой (Рис 2.1.). Полная деформация бетона равна сумме деформаций, состоящей из упругой части
и пластической
т.е.
. Упругие деформации бетона
соответствуют мгновенной скорости нагружения образца, деформации неупругие развиваются во времени. При растяжении бетонного образца также возникает деформация
складывающаяся из упругой
и пластической
деформации. При разгрузке в образце возникают остаточные деформации, которые со временем уменьшаются. Это явление называется упругим последствием. 2. Деформации при длительном действии нагрузки. При длительном действии нагрузки неупругие деформации бетона увеличиваются. Наибольшая интенсивность нарастания неупругих деформаций наблюдается в первые 3 – 4 месяца и может продолжаться несколько лет (Рис. 1.1.). На диаграмме рис.1.1. участок 0–1 характеризует деформации, возникающие при загружении; участок 1 – 2 характеризует нарастание неупругих деформаций при постоянном напряжении. Свойство бетона увеличивать неупругие деформации при длительном действии постоянной нагрузки называют ползучестью бетона. Различают ползучесть линейную и нелинейную. Линейная ползучесть имеет место при малых напряжениях и связана с перераспределением напряжений с гелевой составляющей цементного камня на заполнители. При
в бетоне возникают микротрещины, линейная зависимость нарушается и наступает нелинейная ползучесть. С течением времени процесс перераспределения напряжений затухает и деформации ползучести прекращаются. Деформация ползучести увеличивается с уменьшением влажности среды, увеличением водоцементного отношения и количества цемента. Загруженный в раннем возрасте бетон обладает большей ползучестью, чем старый. С повышением прочности бетона и прочности заполнителей ползучесть уменьшается. Бетоны на пористых заполнителях обладают большей ползучестью, чем тяжёлые бетоны.
Рис. 2.1. Диаграмма зависимости s-e при сжатии и растяжении бетона
1 Область упругих деформаций;
2 Область пластических деформаций.
