Бетоны. Бетоноведение

Технология бетона

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Физические основы прочности бетона

Затвердевший бетон представляет собой неоднородный капиллярно-пористый материал дискретной структуры, состоящий из твердой фазы, воды и воздуха. В этом материале до приложения внешних нагрузок уже действуют значительвые и разнообразные «собственные» внутренние напряжения, вызванные процессами химической и физической усадки цементного камня, кристаллизацией новообразований, капиллярным давлением воды, неравномерным температурным расширением компонентов. Все это вызывает большую неоднородность полей напряжений в бетоне, находящемся под нагрузкой. Некоторые структурные элементы оказываются перенапряженными, некоторые малонапряженными.

Теоретически учесть распределение .напряжений в бетоне нельзя, можно лишь, применяя принцип континуумизации (непрерывности) к реальному материалу, рассуждать об их усредненных значениях, причем реальность этих усредненных напряжений тем больше, чем большую однородность имеет структура бетона.

Рассмотрим одноосное сжатие бетонного образца.

Под действием сжимающей нагрузки бетон претерпевает упругие .и остаточные деформации сжатия. Первые из них вызваны упругими свойствами твердой фазы и упругим сплющиванием пустот в цементном камне. Следующие за ними необратимые деформации возникают в результате излома структурных элементов вокруг пустот и разрыва микрообъемов твердой фазы. Необратимые деформации излома и разрыва в микрообъемах -наступают при средних напряжениях, которые гораздо меньше предельных ввиду концентрации напряжений на этих участках. Внешне эти деформации проявляются в уменьшении объема образца.

Вследствие сплющивания пустот в бетоне происходит перераспределение поля напряжений и увеличивается его однородность. Образовавшиеся в микрообъемах цементного камня разрывы твердой фазы не нарушают сплошности бетона и могут быть залечены в дальнейшем за счет продолжающихся процессов гидратации цемента и перекристаллизации новообразований.

Повышение однородности поля напряжений даже несколько упрочняет бетон на этой стадии напряженного состояния.

Начиная с определенного значения напряжений (предела трещинообразования RT), объем бетонного образца возрастает :а счет развития поперечной деформации, вызванной образованием несмыкающихся микротрещин в направлении действия нагрузки. Это состояние характеризуется увеличенными значениями коэффициента Пуассона. При прослушивании бетона наблюдаются вместо равномерных шумов оезкие потрескивания. С указанного значения напряжений тактически и-начинается снижение прочности и разрушение жетона. При дальнейшем повышении .напряжений от RT доИп развитие трещин приобретает лавтшый характер, микротрелины переходят в сплошные, макроразрывы и образец разрушается.

Образование и развитие продольных трещин, разрушающих образец, вызвано растягивающими напряжениями в направлении, перпендикулярном к действию сжимающих сил, возникающими из-за неоднородности силовых полей и поперечного распора заполнителями цементного камня.

При центральном растяжении бетонных образцов вследствие развития пустот и разрыва структурных элементов резко повышается неоднородность полей напряжений, появляющиеся трещины быстро соединяются в сквозную поверхность разрушения. Поэтому значения предела прочности бетона на растяжение примерно в 10 раз меньше предела прочности на сжатие.

Детально исследовавший причины разрушения бетонных образцов О. Я. Берг пришел к выводам, что разрушение может быть только от разрыва, каково бы ни было напряженное состояние бетона; процесс разрушения динамичен и начинается при достижении напряжений в бетоне величины RT, которая наряду с пределом прочности является важнейшей физической характеристикой напряженного состояния бетона.

В структуре бетона можно выделить три главнейших элемента, от механических свойств которых зависит прочность бетона: раствор, заполнитель и контактную зону между ними.

А. С. Дмитриев исследовал прочностныечи деформативные свойства растворных образцов .и бетонных, состоящих из того же раствора, в который введено различное количество щебня разного качества. Предел трещинообразования растворных образцов RT имел более высокое значение, нежели бетонных что объясняется большей неоднородностью и большей концентрацией напряжений в бетонных образцах, что связано с присутствием щебня.

Однако при применении црочных крупных заполнителей (R3= 1,5—2,5 Re), имеющих хорошее механическое и хемо-сорбционное сцепление с цементным камнем, предел прочности бетонных образцов был выше, чем растворных. Объясняется это тем, что .щебень, занимая в бетоне значительный объем> тормозит развитие трещин, которым по растворным прослойкам бетона предстоит проделать гораздо больший путь, чем в образцах чистого раствора. Увеличение содержания щебня в бетоне удлиняет путь развития трещин и, следовательно, увеличивает прочность образцов. Такая картина наблюдалась при введении в растворы щебня из прочных известковых пород. При введении в бетон прочного гранитного щебня, имеющего только механическое сцепление  с  цементным   камнем эффект упрочнения бетона был несколько ниже, чем раствора. Наконец, при введении в бетон как слабого крупного заполнителя, имеющего хорошее сцепление с цементным камнем, так и прочного заполнителя, не обладающего сцеплением^ прочность бетонных образцов была значительно ниже, чем растворных.

Зная физическую картину разрушения бетона, можно наметить пути повышения прочности бетонов, которые в основном связаны с улучшением его структуры (глава V) и однородности: повышение гомогенности бетонной смеси, применение повторного вибрирования и обжатия свежеуложенного бетона (в оптимальное время) для уменьшения его микропористости, применение прочных, однородных по свойствам заполнителей, имеющих хорошее сцепление с цементным камнем и др.

Прочность бетона в конструкциях

Как известно, прочность бетона при сжатии определяется испытанием образцов размером 20X20X20 см. Необходимо выяснить, характеризует ли значение прочности бетона, полученное при испытании таких образцов, фактическую прочность бетона в конструкциях.

При стандартном испытании кубического образца бетона npи сжатии на прессе разрушение имеет вид, свидетельствующий о существовании опорного трения между плитами пресса и горизонтальными гранями образца. Предел прочности, образца характеризуется значением Ro.

При испытании такого же образца в тех же стандартных условиях, но при смазке плит пресса, устраняющей опорное трение, разрушение имеет вид, представленный на  39, а значение предела прочности Re меньше, чем Ro.

В первом случае развитию деформаций по объему образца мешали силы трения образца у плит пресса, во втором разрушение произошло в результате превышения предельных деформаций в перпендикулярном к оси сжатия направлении.

При массовом приготовлении бетонных конструкций и изделий на заводах ЖБИ или крупных стройках технология приготовления, укладки» и твердения бетона в среднем обеспечивает проектную марку (нормативноe сопротивление). Но можно ли использовать это значение как расчетную величину?

Фактически прочность бетона в изделиях за период работ отклоняется от нормативного сопротивления в ту и другую сторону, что можно установить испытанием контрольных образцов. Очевидно, в качестве расчетного нужно брать не нормативное сопротивление, а наименьшее, обеспечив конструкции надлежащий запас прочности.

В настоящее время расчетное сопротивление вычисляют умножением нормативного сопротивления на коэффициент однородности бетона

Минимально вероятным в технике считают событие, которое повторяется не более чем три раза из тысячи. Для расчета достаточно иметь 160—200 значений прочности бетона, например испытаний контрольных образцов на сжатие. При этом нужно брать данные испытаний всех образцов, без осреднения значений прочности в сериях образцов одного состава.

Накапливая данные о значениях показателей однородности по заводам ЖБИ и стройкам ЦСУ, устанавливают единый 'коэффициент однородности, обязательный при расчете бетонных и железобетонных конструкций.

Современные «Строительные нормы исправила» нормируют коэффициент однородности бетона на «сжатие в пределах 0,55—0,60. Значение его еще «низко (коэффициент однородности для металлов имеет значения 0,85—0,90). Дальнейшее развитие технологии и культуры производства бетонных работ позволит увеличить коэффициентчоднородности, что будет способствовать снижению себестоимости  бетонных изделий.

Нарастание прочности бетона во времени

Как известно, марочная порочность бетона определяется н< 28-е сутки твердения образцов в нормальных температурно-влажностных условиях. Твердение бетона продолжается еще на протяжении длительного времени, но прирост прочности идет крайне медленно. Только за два-три года последующего твердения прирост прочности бетонов на портландцементе может достичь значений, набранных за первые 28 дней. Прч длительных сроках ввода сооружений в эксплуатацию необходимо учитывать дополнительное к марочной нарастание прочности бетона во времени, что может дать ощутимую экономию цемента

Как видно, значения коэффициентов нарастания прочности бетона имеют значительные колебания.

Рост прочности бетонов во времени зависит от многих факторов, главным образом от качества цементов, характеристик заполнителей, содержания воды в бетоне и условий его твердения. На характер нарастания прочности значительно влияет минералогический состав цемента. Алитовые портлаадцемен-ты быстро набирают прочность в первые сроки твердения (до 28 суток), в дальнейшем нарастание прочности идет весьма медленно. Белитовые цементы, наоборот, медленно набирают прочность в первые сроки, зато после 28 суток прирост прочности у них идет значительно интенсивнее, нежели у алитовых. Еще медленнее твердеют в первые сроки пуццолановые порт-ландцементы и шлакопортландцементы, но интенсивность набора прочности бетонов с их применением в более поздние сроки (три месяца — один год) значительно выше, чем бетонов на обычных портландцементах.

Как правило, с повышением активности цементов рост прочности бетона увеличивается в первые сроки твердения и уменьшается в отдаленные.

Для бетонов с высокими значениями В/Ц (от 0,6 до 0,8) оптимальными для набора прочности во времени являются условия воздушно-влажностной среды при относительной влажности около 90%, обеспечивающие медленное испарение воды из бетона. Для бетонов с низкими iB/Ц (от 0,3 до 0,5) оптимальными для твердения являются условия стопроцентной влажности, обеспечивающие поглощение влаги из окружающей среды.

От времени твердения зависит и отношение прочности бетона на растяжение к его прочности на сжатие; как правило, это соотношение понижается в первые три месяца твердения, а затем стабилизируется.

Усреднив данные нарастания прочности для бетонов на-наиболее часто применяемых цементах и заполнителях, с подвижностью смесей 3—6 см и водоцементными отношениями-0,4—0,6, твердеющих в нормальных воздушно-влажностных условиях, можно построить график зависимости прочности бетона от времени твердения ().

Зависимость между напряжениями и деформациями

Увеличение вязкости гелеобразной части цементного камня в бетоне и кристаллизация новообразований во времени характеризуются нарастанием его упругих и уменьшением вязкопластичных свойств.

В нормах за характеристику упругости бетона принимается начальный модуль упругости, который представляет собой отношение величины .напряжения к величине" деформации, причем величина напряжений должна быть менее 20% призменной прочности. Условно считается, что при. таких напряжениях и кратковременной нагрузке пластические деформа-цитцНэетоне еще очень малы и между напряжением и деформацией существует линейная зависимость.

Начальный модуль упругости бетона увеличивается с увеличением его прочности и при изменении марки бетона от 100 до. 400 меняет соответственно значения примерно от 190 000 до 350 000 кГ/см2.

Модуль полных деформаций бетона — величина переменная, зависящая от напряжения, .и может быть выражен тангенсом угла наклона касательной, проведенной в точке с рассматриваемым напряжением

Другие виды деформации бетона

Предельные деформации бетона, при которых начинается разрушение, зависят от его марки и длительности приложения нагрузки. Обычно предельная сжимаемость тяжелых бетонов колеблется в пределах от 0,8 до 3 мм/я, в среднем ее принимают равной 2 мм/м. Предельная растяжимость бетона в 10-20 раз меньше, в среднем ее значение равно 0,1 мм/м.

Коэффициент Пуассона, коэффициент поперечной деформации бетона v, при нагружении бетона до предела трещино образования колеблется от 0Л до 0,3; по нормам его принимают 0,15.

Коэффициент линейного расширения 'бетона <р при охлаждении и нагреве в среднем принимают равным 10- Ю-6 Пград. что почти соответствует коэффициенту линейного расширении стали (р=12-10_6 Пград). Это обстоятельство чрезвычайно важно для совместной работы стальной арматуры и бетонного камня в железобетоне.

Указанное положение нарушается при замораживании насыщенного водой железобетона, в котором деформации арматуры и бетона не совпадают не только по величине, но и по знаку, что приводит к развитию значительных внутренних напряжений, могущих вызвать разрушение конструкций.

Усадка и набухание

При твердении бетонных изделий на воздухе они постепенно уменьшаются в объеме — происходит усадка, при твердении в воде несколько увеличиваются в объеме — происходит набухание.

В первые один-два дня твердения, когда цементный камень не обладает еще достаточной прочностью, усадка связана с контракцией и усилением действия капиллярных сил вследствие испарения воды; при этом бетон сравнительно легко необратимо деформируется без развития существенных внутренних напряжений. При дальнейшем твердении усадка продолжается; она, как и раньше, связана с удалением воды из цементного камня; ее интенсивность зависит от относительной влажности воздуха и может быть качественно представлена графиком

Большинство   ученых считают,   что причиной усадки в высыхающем бетоне является испарение воды из микрокапилляров и удаление адсорбционной и цеолитной воды из слоистых новообразований. При (последующем увлажнении высохшего бетона наблюдается некоторое увеличение объема, но необратимая часть усадки достигает 30—50%. Необратимость усадки вызвана усилением сцепления новообразований под действием Ван-дер-Ваальсовых и химически сил, а также необратимыми разрушениями структуры.

Усадка выражается тем сильнее, чем больше в бетоне цементного камня, больше исходное В/Ц, ъ в цементном камне больше гелевой составляющей. Полное значение усадки для цементного .камня составляет 9—'15 мм3/м3, или при линейном выражении 3—5 мм/м.

Наличие в растворе и бетоне, помимо цементного камня, скелета заполнителей уменьшает усадку: так, для дементно-песчаных растворов ее значения составляют 0,6—1 мм/м, для бетонов 0,2—Х),5 Мм/м. Уменьшение усадки в бетоне, с одной стороны, улучшает условия работы колструкций, с другой. вызывает увеличение в них внутренних напряжений.

Неравномерность усадки внешних и внутренних - слоев в массивных бетонных сооружениях вызывает появление усадочных трещин. Для их предотвращения необходимо увлажнять поверхности конструкций до набора бетоном 40—60% марочной прочности.

Бетонные изделия, /подвергнутые тепловой обработке, имеют пониженное значение усадки; особенно эффективна автоклавная обработка, понижающая усадку бетонных изделий в 2 3 раза. Указанные явления связаны с «огрублением» геля, т. е. увеличением размеров его частиц и кристаллической части цементного камня.

При длительном .нахождении цементного камня в воде осмотическое давление в гелевых оболочках вызывает их набухание, разрывы и в связи с этим усиление гидратации час-тиц цемента, что вместе взятое и вызывает объемное увеличение цементного камня и бетона — их набухание. Деформации набухания положительно влияют на качество бетона, вызывая его самоуплотнение; внешне эти деформации проявляются в 5—10 раз слабее, чем деформации усадки.

Эластические деформации, ползучесть и релаксация напряжений в бетоне

Рассмотрим поведение бетона как упруго-вязко-пластичко го тела во времени при постоянном напряжении и затем при постоянной деформации.

Согласно гипотезе, развиваемой А.Е. Шейниным и др. под длительным действием нагрузки происходит вязкое тече ние гелевой составляющей цементного камня с перераспределением напряжений на кристаллическую фазу, что вызываем развитие в ней микротрещин

При длительных нагрузках, величина которых вызывает Напряжения менее 50—60% предела прочности бетона при Сжатии, развитие деформации ползучести носит линейный характер без видимого нарушения микроструктуры бетона. При увеличении нагрузки наблюдается значительное увеличение деформаций ползучести #и развитие микротрещин, а при значении .напряжений, равном 0,8—0,9 предела прочности бетона» он может постепенно разрушиться.

Затухание ползучести во времени связано с увеличением вязкости гелевой составляющей цементного камня, ее уплотнением, развитием кристаллических образований и перераспределением напряжений на них.

Величина ползучести возрастает с увеличением количества цементного камня в бетоне, при -повышенном содержании гелевидной составляющей в цементном камне, повышенных значениях водоцементного отношения, работе затвердевшего бетона в водонасыщенном состоянии.

Ползучесть уменьшается у бетонов после тепловлажностной и особенно после автоклавной обра-ботки. Влияние этих факторов на структуру бетона было объяснено при рассмотрении усадки бетона.

Ползучесть бетона имеет большое практическое значение для работы конструкций. В массивном бетоне она снижает напряжения от усадки и,температурных градиентов, в железобетонных конструкциях уменьшает напряжения в бетоне и передает их на арматуру, но в то же время увеличивает прогиб изгибаемых элементов, в напряженно-армированных конструкциях вследствие ползучести могут происходить значительные потери предварительного напряжения арматуры.