Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Прочностные свойства бетона

Из экспериментов известно, что процесс разрушения образца сжатого бетона начинается с момента развития так называемых контактных трещин — трещин на площадках контакта между цементным камнем и зернами заполнителя, что происходит при достижении сжимающими напряжениями нижней границы микроразрушений. В основном трещины развиваются вдоль усилий сжатия, но могут и слегка отклоняться от этого направления, особенно в тяжелых бетонах низкой и средней прочности. Расчетные схемы развития трещин в бетонной призме по мере увеличения нагрузки приведены на рис. 1.1. Схемы этапов разрушения получены путем моделирования на ЭВМ бетонов различной структуры, с использованием методов новой отрасли науки—механики разрушения материалов (см. ниже § 1.4).

Прочность бетона контролируют путем испытаний образцов специальной формы и размеров (ГОСТ 10180-78). При определении прочности на сжатие испытывают кубы, призмы, цилиндры и половинки призм, на осевое растяжение — образцы, имеющие форму цилиндров, призм или восьмерок. Допускается также определение прочности бетона косвенным путем — испытанием его при раскалывании и изгибе. В качестве основного размера образцов для всех видов бетонов принимают 15 см. При испытании на сжатие — куб с размером ребра 15 см или призма с поперечным сечением 15x15 см; на осевое растяжение — призма или восьмерка с поперечным сечением 15x15 см; на растяжение при изгибе — призма размером 15x15x60 см; на растяжение при раскалывании — куб с размером ребра 15 см или цилиндр диаметром и высотой 15 см.

При испытаниях на сжатие нагрузку прилагают со скоростью (0,6±0,2) МПа в 1 с, на растяжение — (0,05±0,02) МПа в 1 с. Допускается использование переходных коэффициентов от одного вида прочности к другому. Например, можно экспериментально определить переходный коэффициент от прочности на сжатие к прочности на растяжение при изгибе для данного вида бетона, и в дальнейшем в заводских условиях оперативно контролировать только прочность бетона на сжатие.

Классы и марки бетона. В соответствии соСНиП 2.03.01—84 «Бетонные и железобетонные конструкции» в зависимости от назначения конструкций и условий их работы устанавливаются особые показатели качества бетона, называемые классами и марками.

Класс бетона по прочности на сжатие В (от нем. франц. «Beton») определяется значением гарантированной прочности R, контролируемой на кубах 15x15x15 см в установленные сроки (с учетом статистической изменчивости) с обеспеченностью 0,95.

где v — коэффициент вариации, равный отношению стандарта (т. е. среднего квадратического отклонения) к среднему значению, зависит от постоянства качества применяемых материалов, контроля за их дозировкой (особенно за постоянством водоцементного отношения), ухода за бетоном, тщательности проводимых испытаний, в целом — от уровня бетонного хозяйства и колеблется от 1 до 20 %.

Проектировщику при проектировании типовых конструкций, как правило, неизвестны условия изготовления бетона на предприятии. Поэтому на производстве при статистическом методе контроля в соответствии с действующим ГОСТом выявляют значение коэффициента вариации, отвечающее конкретным условиям изготовления бетона, а среднюю прочность его корректируют с таким расчетом, чтобы установленное значение R имело требуемую доверительную вероятность (обеспеченность) 0,95. При этом, имея требуемое значение гарантированной прочности R, из равенства (1.1), определив на основании обработки результатов предшествующих испытаний значение коэффициента вариации v, находят соответствующее значение средней прочности бетона. Класс бетона по прочности на сжатие является важнейшим показателем и назначается в проекте железобетонной конструкции или изделия во всех случаях без исключения. Число после буквы В соответствует гарантированной прочности на сжатие (в МПа). Например, класс В20 соответствует гарантированной прочности R 20 МПа.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение В, назначается лишь в тех случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение и контролируется на производстве. Число после обозначения В соответствует гарантированной прочности на растяжение (в МПа).

Марка бетона по морозостойкости F (от англ. frost resistance — морозостойкость) назначается для конструкций, подвергающихся в увлажненном состоянии действию попеременного замораживания и оттаивания. Число после буквы F (например, F100) соответствует количеству выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии.

Марка по водонепроницаемости W (от англ. watertight — водонепроницаемый) назначается для конструкций, к которым предъявляются требования непроницаемости. Число после буквы W (например, W6) соответствует наибольшему давлению воды (в кгс/см2), при котором еще не наблюдается просачивания воды через бетон (в данном случае 0,6 МПа).

Марка по средней плотности D (от англ. densit — плотность) назначается в тех случаях, когда к бетону кроме конструктивных предъявляются требования теплоизоляции. Марка D должна контролироваться на производстве. Число после буквы D (например, D1600) соответствует средней плотности бетона (в кг/м3).

Марка по самонапряжению Sp (от англ. prestress - преднапряжение) назначается в случаях, когда эта характеристика имеет главенствующее значение. Обычно используется для конструкций, выполненных на напрягающем (расширяющемся) цементе, и контролируется на производстве. Марка S определяется значением предварительного напряжения в бетоне (3 МПа), создаваемого за счет его расширения при наличии продольной арматуры в количестве 1 %. Число после обозначения S (например, S 4) соответствует указанному предварительному напряжению в бетоне.

Для железобетонных конструкций предусматриваются следующие классы и марки бетона:

1) классы по прочности на сжатие:
а) для тяжелых (обычных) бетонов — В7,5; В10; В 12,5; В15; В20; В25; ВЗО; В35, Е40; В45; В50; В55; В60;
б) для мелкозернистых бетонов: вида А (на песке с модулем крупности 2,1 и более) В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; вида Б (на песке с модулем крупности менее 2,1)- В7.5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; вида В (на песке, подвергнутые автоклавной обработке) - В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; в) для легких бетонов - В2.5; В3,5; В5; В7, 5; В10; В 12,5; В15; В20, В25; В30; В35; В40;

2) классы прочности на осевое растяжение: для всех бетонов — В,0,8; В, 1,2; В,1,6; В,2; В,2,4; В,2,8; В,3,2;

3) марки по морозостойкости:
а) для тяжелых и мелкозернистых бетонов — F50; F75; F100; F150; F200; F300; F 400; F500;
б) для легких бетонов — F25; F35; F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400; F500;

4) марки по водонепроницаемости для всех бетонов — W4; W6; W8; W10; W12;

5) марки по средней плотности для легких бетонов — D800; D900; D1000; D1100; D1200; D1300; D1400; Di500; D1600; D1700; D1800; D1900; D2000;

6) марки по самонапряжению для бетонов на напрягающем цементе — от Sp 0,6 до Sp = 4.

При проектировании обычно назначается возраст бетона, отвечающий его классу по прочности на сжатие исходя из возможных реальных сроков фактического загружения конструкции проектными нагрузками, способа возведения, условий твердения бетона. Если таких данных нет, то устанавливают класс исходя из возраста, в течение которого бетон естественного твердения набирает основную часть своей прочности, т. е. 28 сут.

Оптимальный класс бетона для конструкции выбирают на основе техникоэкономического анализа. При этом для железобетонных сжатых стержневых элементов рекомендуется класс бетона не ниже В15, а для сильно нагруженных элементов (например, колонны нижних этажей многоэтажных зданий, колонны под значительные крановые нагрузки) — не ниже В25. Необходимые марки бетона по морозостойкости и водонепроницаемости назначают в зависимости от режима эксплуатации железобетонных конструкций и значений расчетных зимних температур наружного воздуха в районе строительства. Эти марки должны приниматься не ниже указанных в СНиП 2.03.01.84. Требуемые марки бетона по водонепроницаемости зависят от градиента напора (отношения величины гидростатического напора к толщине конструкции в м); при градиенте напора до 30 принимают марку W 4, при градиентах 30...50 — марку W 6. Для сборных конструкций необходимо также назначать классы и марки бетона для замоноличивания стыков элементов. Если в процессе эксплуатации или монтажа сборные конструкции могут подвергаться воздействию отрицательных температур наружного воздуха, следует применять бетоны замоноличивания проектных марок по морозостойкости и водонепроницаемости не ниже марок, принятых для основного бетона в стыкуемых элементах.

В условиях длительного действия нагрузки (от англ. long — term — длительный) бетон за счет развивающихся в нем структурных изменений имеет меньшую прочность по сравнению с временным сопротивлением осевому сжатию Rb. Это явление учитывается в расчетах конструкций (см. ниже гл. 3). Предел длительного сопротивления зависит от различных факторов. Можно принять R1 = (0,75...0,85) Rb. Но если конструкция эксплуатируется в условиях, благоприятных для твердения бетона, и Rb растет, т. е. уровень напряжений снижается, то снижения прочности может и не происходить. В этом случае в расчет конструкции даже на длительные нагрузки вводится временное сопротивление осевому сжатию R.

В случае многократно повторных нагрузок (миллионы циклов) прочность бетона также заметно снижается и определяется пределом выносливости, зависящим от различных факторов, причем минимальное значение предела выносливости составляет <50 % от временного сопротивления осевому сжатию Rb.

Зайцев Ю. В., Строительные конструкции заводского изготовления: Учеб. для вузов по спец. «Пр-во строит. изделий и конструкций». — М., 1987

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики