2. Бетон. Основные физико-механические свойства: прочность, усадка, ползучесть. Классы и марки бетона. Сущность железобетона. Классификация железобетона.

Бетон – искусственный камень (строительный материал с рационально подобранным заполнителем) с гарантированными физико-механическими свойствами. Требования к бетону устанавливаются в зависимости от области применения и назначения. Основы прочности. Так как бетон представляет собой неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное состояние. Рис. 1.1.1. Схема напряженного состояния бетонного образца при сжатии.

а- концентрации самоуравновешенных напряжений вокруг микропор и полостей; б – трещины разрыва бетона в поперечном направлении при осевом сжатии призмы

Рис. 1.1.3. Характер разрушения бетонных кубов

а- при трении по опорным плоскостям; б – при отсутствии силы трения;1 – силы трения; 2 – трещины; 3 – смазка

Рис.1.1.4. График зависимости призменной прочности бетона от отношения размеров испытываемого образца.

Прочность бетона на осевое растяжение.

). По разрушающему моменту бетонной балки определяют

R_bt = M/W = 3,5М/bh² (1.2)

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.

Свойства бетона, характеризующиеся нарастанием не­упругих деформаций с течением времени при постоянных напряжениях, называют ползучестью бетона. Деформа­ции ползучести могут в 3...4 раза превышать упругие деформации.

. Свой­ство бетона, характеризующееся уменьшением с течени­ем времени напряжений при постоянной начальной деформации ε_b⁰, называют релаксацией напряжений.

Ползучесть разделяют на линейную, при которой за­висимость между напряжениями и деформациями при­близительно линейная, и нелинейную, которая начинает­ся при напряжениях R_crc, превышающих границу образо­вания структурных микротрещин.

Ползучесть и усадка бетона развиваются совместно. Поэтому полная деформация бетона представляет собой сумму деформаций: упругой ε_е, деформацией ползучести ε_pl и усадки ε_st. Однако в то время как усадка носит ха­рактер объемной деформации, ползучесть развивается главным образом в направлении действия усилия.

Модуль деформаций и мера ползучести бетона

Начальный модуль упругости бетона при сжатии Е_ь соответствует лишь упругим деформациям, возникающим при мгновенном загружении. Геометрически он определя­ется как тангенс угла наклона прямой, упругих деформа­ций (рис. 1.1.12):

(1.7)

где  — масштабно размерный коэффициент, МПа.

Модуль полных деформаций бетона при сжатии Еь соответствует полным деформациям (включая ползу­честь) и является величиной переменной; геометрически он определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой _b—_b в точке с заданным напряжением

(1.8)

Для расчета железобетонных конструкций пользуются средним модулем или модулем упругопластичности бето­на, представляющим собой тангенс угла наклона секу­щей в точке на кривой сь—и с заданным напряжением

Заданные класс и марку бетона получают соответствующим подбором состава бетонной смеси с последую­щим испытанием контрольных образцов.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие В(МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размером ребра 150 мм, испытанных в со­ответствии со стандартом через 28 суток хранения при тем­пературе 20+2 °С с учетом статистической изменчивости прочности,

Классы и марка бетона для железобетонных конструкций:

а) Классы по прочности на сжатие:

для тяжелых бетонов — В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60;

для мелкозернистых бетонов групп:

А — (на песке с модулем крупности 2,1 и более) — те же в диапазоне от В7,5 до В40;

Б — (на песке с модулем крупности 2 и менее) -— те же в диапазоне от В7,5 до В30;

В — (подвергнутого автоклавной обработке) — те же в диапазоне от В15 до В60;

б) Классы бетона по прочности на осевое растяжение: В0,8; В1,2; В1,6; В2; В2,4; В_t2,8; В3,2. Они ха­рактеризуют прочность бетона на осевое растяжение (МПа) по нормам с учетом статической изменчивости прочности:

B_t=R_btm(1-1.64VR_btm) (1.4)

При растяжении принято V_btm=0,165.

в) Марки бетона по морозостойкости.

Они характеризуются числом выдерживаемых бето­ном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. При снижении прочности не более чем на 15 %:

тяжелый и мелкозернистый бето­ны — F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500;

лег­кий бетой —F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300, F400, F500;

ячеистый и поризированный бетоны — F15, F25, F35, F50, F75, F100.

г) Марки бетона по водонепроницаемости: W2; W4;W6; W8; W10; W12. Они характеризуются предельным давлением воды (кг/см²), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый образец.

д) Марки бетона по средней плотности (кг/м³): тяжелый бетон от D2200 до D2500; легкий бетон от D800 до D2000; поризованный бетон от D800 до D1400; градация 100 для всех марок.

Железобетон – это композитный материал, включающий в себя две составляющие: бетон и стальную арматуру. Бетон, как показывают испытания, хо­рошо сопротивляется сжатию и значительно хуже растяжению, по­этому включение стальной арматуры в растянутую зону элементов существенно повышает их несущую способность. Прочность железобетонной балки по сравнению с бетонной (неармированной) балкой возрастает в 15...20 раз.

Достоинствами железобетона являются:

• высокая прочность,

• возможность изготовления изделий любой конфигурации,

• высокий предел огнестойкости (до 2,5 часов).

Недостатками является:

• большой вес,

• высокая энергоемкость при изготовлении конструкций,

• температурные ограничения (совместная работа арматуры и бетона обеспечивается в пределах температур от –50 до +100^о С).

Классификация:

1. По структуре – бетоны плотной структуры, у некоторых пространство между зернами заполнителя полностью занято затвердевшим вяжущим: крупнопористые малопесчаные и беспесчаные; поризованные,

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

3. По виду заполнителя – на плотных заполнителях; пористых специальных, удовлетворяющих требованиям биологической защиты, жаростойкости и др.

4. По зерновому составу – крупнозернистый, с крупным и мелким заполнителем; мелкозернистый, с мелким заполнителем.

5. По условиям твердения – бетон естественного твердения; бетон, подвергаемый тепловлажной обработке и атмосферным давлениям; бетон, подвергаемый автоклавной обработке.