Железобетонные перекрытия

     Прочность бетона.

     Наиболее  существенной характеристикой прочности  бетона является сопротивление сжатию, предопределяющее ряд других его  механических свойств — сопротивление  растягивающим, изгибающим и сдвигающим усилиям, сопротивление истиранию, износу и т. п. Прочность бетона при  растяжении как у хрупкого материала  с конгломератной структурой значительно  меньше прочности при сжатии. Предел прочности бетона при сжатии в 8—20 раз больше, чем при растяжении.

     Для определения прочности бетона при  сжатии испытывают образцы-кубы с длиной ребра 30, 20, 15, 10 и 7,07 см (возможно также  испытание образцов-цилиндров разной величины). При этом за эталон при  определении кубиковой прочности  принимают куб размером 20x20X20 см. Кубиковая прочность представляет собой предел прочности при сжатии эталонного образца-куба 20Х20Х Х20 см или образца иных размеров, приведенная  к прочности эталонного куба путем  умножения на соответствующий коэффициент.

     Прочность бетона характеризуется его маркой, т. е. пределом прочности при сжатии бетонных образцов-кубов ребром 20 см, изготовленных из бетонной смеси  рабочего состава (по стандарту) и испытанных после 28-суточного твердения в  нормальных условиях (температура воздуха 20±2°СГи относительная влажность  воздуха не ниже 90%)- В соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП) для тяжелых бетонов имеются  следующие марки: 100, 150, 200, 250; 300, 400, 500, 600 {кГ/см2).

     Прочность бетона оказывает существенное влияние  на его модуль упругости, который  значительно возрастает при повышении  прочности. Модуль упругости, т. е. коэффициент  пропорциональности, связывающий нормальные напряжения при растяжении или сжатии и деформации материала, характеризует  сопротивляемость бетона упругим деформациям. Поскольку диаграмма зависимости  напряжений и относительных деформаций для бетона непрямолинейна, можно  полагать, что для каждого напряженного состояния бетона существует свой модуль упругости. Обычно для бетона определяют начальный модуль упругости, т. е. отношение  нормального напряжения при сжатии или растяжении к относительной  деформации при величине напряжений в бетоне не более 0,2 от предела прочности. Кроме прочности бетона, на модуль упругости оказывают влияние  и разновидности заполнителей. Так, например, при замене пористых заполнителей в бетоне плотными материалами (гранит) модуль упругости бетона повышается в 1,5—2,5 раза.

     Во  время эксплуатации цементный бетон  может подвергаться не только статическим  нагрузкам, но и ударным механическим воздействиям (дорожные покрытия, сваи и т. п.). В таких случаях определяют динамическую прочность бетона (ударную  вязкость), т. е. способность его сопротивляться ударным воздействиям. Прочность  бетона зависит, главным образом, от активности цемента и водоцементного отношения (отношения массы воды к массе цемента в бетонной смеси), а также от качества заполнителей, сроков и условий твердения бетона, его структуры и др.

     Еще в конце прошлого столетия (1891 г.) русский ученый проф. И. Г. Малюга показал, что прочность бетона зависит  от начального содержания воды в бетонной смеси. При этом им было также установлено, что максимальная прочность бетона данного состава может быть получена лишь при определенном количестве воды, зависящем от интенсивности уплотнения смеси. Последующие углубленные  исследования советских ученых позволили  развить эти выводы и впервые  экспериментально получить математическое выражение для правой ветви в  виде формулы проф. Н. М. Беляева (1926 г.), связывающей прочность бетона с активностью цемента и водоцементным  отношением (В/Ц).

     ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА

     Важнейшим свойством бетона является прочность. Лучше всего бетон сопротивляется сжатию. Поэтому конструкции проектируют  таким образом, чтобы бетон воспринимал  сжимающие нагрузки. И только в  некоторых конструкциях учитывается  прочность на растяжение или на растяжение при изгибе.

     Прочность при сжатии. Прочность бетона при  сжатии характеризуется классом  или маркой (которые определяют в  возрасте 28 суток). В зависимости  от времени нагружения конструкций  прочность бетона может определяться и в другом возрасте, например 3; 7; 60; 90; 180 суток.

     В целях экономии цемента, полученные значения предела прочности не должны превышать предел прочности, соответствующей  классу или марке, более чем на 15%.

     Класс представляет собой гарантированную  прочность бетона в МПа с обеспеченностью 0,95 и имеет следующие значения: Вb1; Вb1,5; Вb2; Вb2,5; Вb3,5; Вb5; Bb7,5; Вb10; Вb12,5; Вb15; Вb20; Вb25; Вb30; Вb35; Вb40; Вb50; Вb55; Вb60. Маркой называется нормируемое значение средней  прочности бетона в кгс/см2 (МПах10).

     Тяжелый бетон имеет следующие марки  при сжатии: Мb50; Мb75; Мb100; Мb150; Мb200; Мb250; Мb300; Мb350; Мb400; Мb450; Мb500; Мb600; Мb700; Мb800.

     Между классом бетона и его средней  прочностью при коэффициенте вариации прочности бетона n = 0,135 и коэффициенте обеспеченности t = 0,95 существуют зависимости:

     Вb = Rb х0,778, или Rb = Вb / 0,778.

     При проектировании конструкций обычно назначают класс бетона, в отдельных  случаях — марку. Соотношение  классов и марок для тяжелого бетона по прочности на сжатие приведены  в табл. 1.

     Прочность при растяжении. С прочностью бетона на растяжение приходится иметь дело при проектировании конструкций  и сооружений, в которых не допускается  образование трещин. В качестве примера  можно привести резервуары для воды, плотины гидротехнических сооружений и др. Бетон на растяжение подразделяют на классы: Вt0,8; Bt1,2; Bt1,6; Вt2; Bt2,4; Вt2,8; Вt3,2 или марки: Рt10; Bt15; Bt20; Bt25; Bt30; Bt35; Вt40.

     Прочность на растяжение при изгибе. При устройстве бетонных покрытий дорог, аэродромов назначают  классы или марки бетонов на растяжение при изгибе.

     Технологические факторы, влияющие на прочность бетона. На прочность бетона влияет ряд факторов: активность цемента, содержание цемента, отношение воды к цементу по массе (В/Ц), качество заполнителей, качество перемешивания и степень уплотнения, возраст и условия твердения  бетона, повторное вибрирование.

     Активность  цемента. Между прочностью бетона и  активностью цемента существует линейная зависимость Rb = f(RЦ). Более  прочные бетоны получаются на цементах повышенной активности.

     Содержание  цемента. С повышением содержания цемента  в бетоне его прочность растет до определенного предела. Затем  она растет незначительно, другие же свойства бетона ухудшаются. Увеличивается  усадка, ползучесть. Поэтому не рекомендуется  вводить на 1 м3 бетона более 600 кг цемента.

     Водоцементное отношение. Прочность бетона зависит  от В/Ц. С уменьшением В/Ц она  повышается, с увеличением — уменьшается. Это определяется физической сущностью  формирования структуры бетона. При  твердении бетона с цементом взаимодействует 15-25% воды. Для получения же удобоукладываемой  бетонной смеси вводится обычно 40-70% воды (В/Ц = - 0,4...0,7). Избыточная вода образует поры в бетоне, которые снижают  его прочность.

     При В/Ц от 0,4 до 0,7 (Ц/В = 2,5... 1,43) между прочностью бетона Rв , МПа, активностью цемента Rц, МПа, и Ц/В существует линейная зависимость, выражаемая формулой:

     Rb = A Rц (Ц/В – 0,5).

     При В/Ц < 0,4 (Ц/В > 2,5) линейная зависимость  нарушается. Однако в практических расчетах пользуются другой линейной зависимостью:

     Rb = A1 Rц (Ц/В + 0,5).

     Ошибка  в расчетах в этом случае не превышает 2-4 % вышеприведенных формулах: А  и А1 — коэффициенты, учитывающие  качество материалов. Для высококачественных материалов А = 0,65, А1 = 0,43, для рядовых  — А = 0,50, А1 = 0,4; пониженного качества — А = 0,55, А1 = 0,37.

     Прочность бетона при изгибе Rbt, МПа, определяется по формуле:

     Rbt =A` R` ц (Ц/В - 0,2),

     где Rц — активность цемента при  изгибе, МПа;

     А' — коэффициент, учитывающий качество материалов.

     Для высококачественных материалов А' = 0,42, для рядовых - А' = 0,4, материалов пониженного  качества — А' = 0,37.

     Качество  заполнителей. Не оптимальность зернового  состава заполнителей, применение мелких заполнителей, наличие глины и  мелких пылевидных фракций, органических примесей уменьшает прочность бетона. Прочность крупных заполнителей, сила их сцепления с цементным  камнем влияет на прочность бетона.

     Качество  перемешивания и степень уплотнения бетонной смеси существенно влияют на прочность бетона. Прочность бетона, приготовленного в бетоносмесителях принудительного смешивания, вибро - и турбосмесителях выше прочности  бетона, приготовленного в гравитационных смесителях на 20-30%. Качественное уплотнение бетонной смеси повышает прочность  бетона, так как изменение средней  плотности тонной смеси на 1% изменяет прочность на 3-5%.

     Влияние возраста и условий твердения. При  благоприятных температурных условиях прочность бетона растет длительное время и изменяется по логарифмической  зависимости:

     Rb(n) = Rb(28) lgn / lg28,

     где Rb(n) и Rb(28) — предел прочности бетона через n и 28 суток, МПа; lgn и lg28 — десятичные логарифмы возраста бетона.

     Эта формула осредненная. Она дает удовлетворительные результаты для бетонов, твердеющих при температуре 15-20 °С на рядовых  среднеалюминатных цементах в возрасте от 3 до 300 суток. Фактически же прочность  на разных цементах нарастает поразному.

     Рост  прочности бетона во времени зависит, в основном, от минерального и вещественного  составов цемента. По интенсивности  твердения портландцементы подразделяют на четыре типа (табл. 2).

     Интенсивность твердения бетона зависит от В/Ц. Как видно из данных, приведенных  в табл. 3, более быстро набирают прочность  бетоны с меньшим В/Ц.

     На  скорость твердения бетона большое  влияние оказывает температура  и влажность среды. Условно-нормальной считается среда с температурой 15-20 °С и влажностью воздуха 90-100%.

     Прочность бетона 

     Так как бетон представляет собой  неоднородный материал, внешняя нагрузка создает в нем сложное напряженное  состояние. В бетонном образце, подвергнутом сжатию, напряжения концентрируются  на более жестких частицах, обладающих большим модулем упругости, вследствие чего по плоскостям соединения этих частиц возникают усилия, стремящиеся нарушить связь между частицами. В то же время в местах, ослабленных порами и пустотами, происходит концентрация напряжений. Из теории упругости известно, что вокруг отверстий в материале, подвергнутом сжатию, наблюдается концентрадия сжимающих и растягивающих напряжений; последние действуют по площадкам, параллельным сжимающей силе. Поскольку в бетоне много пор и пустот, растягивающие напряжения у одного отверстия или поры накладываются на соседние. В результате в бетонном образце, подвергнутом осевому сжатию, возникают продольные сжимающие и поперечные растягивающие напряжения (вторичное поле напряжений).

     Разрушение  сжимаемого образца, как показывают рпыты, возникает вследствие разрыва  бетона в поперечном направлении. Сначала  по всему объему возникают микроскопические трещинки отрыва. С ростом нагрузки трещинки отрыва соединяются, образуя  видимые трещины, направленные параллельно  или с небольшим наклоном к  направлению действия сжимающих  сил. Затем трещины раскрываются, что сопровождается кажущимся увеличением  объема. Наконец, наступает полное разрушение.

     Разрушение  сжимаемых образцов из различных  материалов, обладающих высокой сплошностью  структуры, наблюдается вследствие разрыва в поперечном направлении. В бетонных же образцах это явление  развивается еще и под влиянием вторичного поля напряжений. Граница  образования структурных микроразрушений  бетона под нагрузкой может определяться по результатам ультразвуковых измерений. Скорость ультразвуковых колебаний v, распространяющихся поперек линий  действия сжимающих напряжений, уменьшается  с развитием микротрещин в  бетоне. Сжимающее напряжение в бетоне, при котором начинается образование  микротрещин, соответствует началу уменьшения скорости ультразвука на кривой. По значению напряжения судят  о прочностных и деформативных  свойствах бетона.