Характеристики прочности бетона

Структура бетона

Структура оказывает большое влияние на прочность и деформативность бетона.

Рассмотрим схему физико-химического процесса образования бетона:

1) При затворении водой смеси из заполнителей и цемента начинается химическая реакция соединения цемента с водой.

2) В результате образуется гель (студнеобразная масса со взвешенными в воде, еще не вступившими в химическую реакцию, частицами цемента и незначительными соединениями в виде кристаллов).

3) В процессе перемешивания бетонной смеси гель обволакивает отдельные зерна заполнителей, постепенно твердеет, а кристаллы постепенно соединяются в кристаллические сростки, растущие с течением времени. Твердый гель превращается в цементный камень, скрепляющий зерна крупных и мелких заполнителей в монолитный твердый материал – бетон.

Важным фактором, влияющим на структуру и прочность бетона, является количество воды, применяемое для приготовления бетонной смеси, оцениваемое водоцементным отношением.

Для химического соединения с цементом необходимо W/C ≈ 0,2. Однако по технологическим соображениям – для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси – воду берут с избытком.

Подвижные бетонные смеси W/C ≈ 0,5-0,6

Жесткие W/C ≈ 0,3-0,4

Избыточная вода заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя и арматурой, испаряясь, освобождает их.

Таким образом, с уменьшением W/C пористость цементного камня уменьшается и прочность увеличивается.

Таким образом, структура бетона является весьма неоднородной:

1) она образуется в виде кристалической решетки из цементного камня;

2) заполненной зернами песка и щебня различной крупности формы;

3) пронизанной большим числом микропор и капилляров, содержащих химически несвязанную воду, водяные пары и воздух.

Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы – твердая, жидкая, газообразная. Цементный камень также обладает неоднородной структурой и состоит из укрупненного кристаллического сростка и наполняющей его вязкой массы – геля.

Длительные процессы, происходящие в таком материале, – изменение водного баланса, уменьшение объема твердеющего вязкого геля, рост упругих кристаллических сростков – наделяют бетон своеобразными упругопластическими свойствами.

Усадка бетона

Усадка – свойство уменьшаться в объеме при твердении в обычной воздушной среде.

Набухание – свойство увеличиваться в объеме при твердении в воде.

Усадка зависит:

1. количества воды и вида цемента – чем больше цемента на 1 единицу объема бетона, тем больше усадка.

2. количества воды – чем больше W/C – тем больше усадка.

3. крупности заполнителей – при мелкозернистых песках и пористом щебне – усадка больше.

Усадка бетона наиболее интенсивно происходит в начальный период твердения и в течение первого года, в дальнейшем она постепенно затухает. Чем меньше влажность, тем больше усадочные деформации. Усадка связана с физико-химическими процессами твердения и уменьшения объема цементного геля, потерей избыточной воды на испарение и на гидратацию еще не прореагировавших частиц цемента.

Неравномерное высыхание бетона приводит к неравномерной его усадке, что ведет к возникновению начальных усадочных напряжений.

Начальные напряжения, возникающие под влиянием усадки бетона, не учитываются непосредственно в расчетах прочности железобетонных конструкций, их учитывают расчетом коэффициентов, охватывающих совокупность характеристик прочности, а также конструктивными мерами – армированием элементов.

Характеристики прочности бетона

Нормативные документы определяют прочность бетона на сжатие как максимальное сжимающее напряжение в бетоне при одноосном напряженном состоянии.

Среднее значение прочности, получаемое по результатам испытаний серии опытных образцов, обозначают :

Гарантированная прочность бетона – это прочность бетона на осевое сжатие, установленная с учетом статистической изменчивости в соответствии с требованиями действующих стандартов на кубах со стороной 15 см, гарантируемая предприятием производителем и обозначаемая .

Класс по прочности на сжатие – мера качества бетона, соответствующая его гарантированной прочности С. Числа выражают значения нормативного сопротивления и гарантированной прочности в Н/мм² (МПа). Например, С¹²/₁₅ (над чертой – значение нормативного сопротивления / под чертой – гарантированная прочность бетона ).

Нормативное сопротивление бетона сжатию ( ) – контролируемая прочностная характеристика бетона, определяемая с учетом статистической изменчивости. Обеспеченность нормативных значений прочностных характеристик бетона устанавливается соответствующими нормативными документами. Базовое значение обеспеченности – 0,95.

Расчетное сопротивление (расчетная прочность) – величина, получаемая в результате деления нормативного сопротивления на коэффициент безопасности для бетона :

Однако испытание кубов остается в ближайшем будущем основным способом контроля прочности бетона на производстве.

Обозначение класса бетона по прочности в нормах содержит 2 числа: одно (над чертой) – обозначает нормативное сопротивление бетона (определяемое на цилиндрах или призмах), второе (под чертой) – его гарантированная прочность, устанавливаемая на кубических образцах.

При этом гарантированная прочность бетона, установленная при испытании стандартных кубов, характеризующая его качество, и необходимая для производственного контроля не применяется при проектировании бетонных и железобетонных конструкций.

Для перехода от гарантированной прочности к нормативному сопротивлению бетона служит коэффициент призматической прочности или цилиндрической прочности, характеризующий отношение прочности, установленной на призмах ил цилиндрах к кубической прочности.

,

где – нормативное сопротивление бетона (соответствующее призм или цилиндров);

– гарантированная прочность бетона, установленная при испытании кубов.

Средняя прочность бетона:

,

где – среднеквадратическое отклонение с некоторым запасом можно определить (МПа).

Устанавливают следующие классы конструктивных бетонов по прочности на осевое сжатие:

Для тяжелых бетонов – С⁸/₁₀ , С¹²/₁₅ , С¹⁶/₂₀ , С²⁰/₂₅ , С²⁵/₃₀ , С³⁰/₃₇ , С³⁵/₄₅ , … , С⁹⁰/₁₀₅

Для легких бетонов ( ) – LС⁸/₁₀ , LС¹²/₁₅ , LС¹⁶/₂₀ , LС²⁰/₂₅ , … , LС⁴⁵/₅₀

Для мелкозернистых группы А – С⁸/₁₀ , С¹²/₁₅ , С¹⁶/₂₀ , С²⁰/₂₅ , …, С³⁵/₄₅

Для мелкозернистых группы Б – С⁸/₁₀ , …, С²⁵/₃₀

Высокопрочные бетоны, те которые имеют цилиндрическую прочность на сжатие не менее 60 МПа и не более 130 МПа.

Например: при заданном классе бетона С³⁰/₃₇. Нормативное сопротивление бетона = 30 МПа. При нормируемом коэффициенте безопасности по бетону = 1,5. Расчетное сопротивление сжатию составит:

= 30/1,5 = 20 МПа

В таблице СНБ помимо прочностных характеристик бетона на сжатие содержится нормативное и среднее сопротивление бетона растяжению.

Взаимосвязь между средней прочностью бетона на растяжение и его средней прочностью на сжатие принимают:

,

где – опытный коэффициент.

При определении и = 0,3. Тогда нормативное сопротивление бетона растяжению составит:

Учитывая сложности, возникающие при испытании образцов прямым растяжением, нормативные документы допускают контролировать прочность бетона на растяжение косвенными методами, как

– прочность бетона на растяжение при изгибе ( )

– скалыванием ( )

,

,

где – прочность бетона на осевое растяжение;

– прочность бетона на растяжение при скалывании;

– прочность бетона на растяжение при изгибе.