Міцнісні й деформативні характеристики бетонів

Міцність бетонів залежить від багатьох факторів: марки і виду цементу, водоцементного відношення, виду і міцності великих заповнювачів, структури бетону, умов зберігання та виготовлення. Міцність бетону зростає з часом. Наростання міцності найбільш інтенсивно відбувається в початковий період твердіння бетону, в перші 28 діб. Надалі воно сповільнюється, але продовжується протягом багатьох років.

Величину міцності бетону оцінюють на підставі результатів випробувань зразків спеціальної форми (кубів, циліндрів, призм) заданих розмірів, регламентованих у різних країнах своїми нормами.

Практичним і надійним способом оцінки міцності бетону в реальних конструкціях є випробування на пресі зразків кубів або циліндрів бетону, виготовлених у тих же умовах, що і реальні конструкції. Позначається міцність бетону буквою R. Розміри куба відповідно до норм України приймають рівними 15х15х15 см, циліндра 6х12'' (15х30 см). При осьовому стиску куби (як і інші стиснуті зразки) руйнуються внаслідок розриву бетону в поперечному напрямку. Наявність сил тертя, що розвиваються по опорних гранях (рис.1.1, а) перешкоджає розвитку вільних поперечних деформацій кубів поблизу їхніх торців.

Досліди показують, що зі збільшенням висоти призми h/a вплив тертя на міцність зразка зменшується (рис.1.1, б,в). При h/a = 4 воно практично зникає, а міцність стає рівною R_b = (0,75–0,8)R. Поряд з кубиковою (R) та призмовою міцністю (R_b) для бетонів важливо знати інші міцнісні характеристики й у першу чергу міцність бетону на розтяг R_bt. Дослідним шляхом R_bt визначають випробуванням на розтяг зразків у вигляді вісімок або на згин бетонних брусків, або на розколювання зразків у вигляді циліндрів. Всі отримані при випробуваннях міцнісні характеристики піддають статистичній обробці, а потім вже визначається осереджена величина міцності.

б а

в

Рис.1.1 – До визначення міцності бетону

Крім основних міцнісних параметрів R, R_b, R_bt існує ряд інших параметрів, що характеризують властивості бетону: міцність при зрізі й сколюванні, міцність при тривалій дії навантаження, міцність при багаторазово повторному навантаженні, динамічна міцність, опір проникаючій радіації та ін.

У нормативних документах України основні характеристики бетонів описуються показниками якості бетону, до яких відносяться: 1) клас бетону за міцністю на стиск В; 2) клас бетону за міцністю на розтяг В_t; 3) марка бетону за морозостійкістю F; 4) марка бетону за водонепроникністю W; 5) марка бетону за самонапруженням S_p; 6) марка бетону за середньою щільністю Д.

Для кожного з перерахованих вище видів бетонів існують усі шість значень показників якості. Виняток складає п'ятий параметр, що вводиться тільки для бетонів, які самонапружують.

Встановлені такі класи важких бетонів за міцністю на осьовий стиск: В3,5; В5; В7,5; В10; В12,5; В15; В20; В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60. При цьому під класом бетону на осьовий стиск розуміється міцнісна характеристика, одержана при стиску зразків розміром 15х15х15 см, витриманих у нормальних умовах і випробуваних у віці 28 діб з обов'язковою статистичною обробкою результатів випробувань. Ступінь надійності значень міцності повинен складати не менше 95%.

Деформативність бетонів. Бетон має властивість змінювати розмір і форму під впливом зовнішніх навантажень і температурно-вологісних факторів, що виникають у результаті взаємодії бетону із зовнішнім середовищем. Якщо випробувати призму зі співвідношенням сторін h:а = 1:4 на стиск, то можна отримати діаграму залежності деформації e цієї призми від зовнішніх напружень σ, скорочено: діаграму σ–e (рис.1.2). Ця діаграма явно має криволінійний характер і умовно характеризується двома ділянками: перша – це лінійна залежність між напруженнями і деформаціями; другий – це нелінійна ділянка, де зв'язок між σ і e не підпорядковується лінійній залежності. На підставі цього розрізняють і два модулі деформацій бетону: модуль пружності і справжній модуль деформацій у точці.

Модуль пружності можна інтерпретувати як тангенс кута α₀ нахилу лінії σ–e на початку координат (пряма ОК). Позначається модуль пружності Е_b. Модуль деформацій (Е^'_b), який у літературі називають ще модулем пружньо-пластичності, який відповідає вже не пружним, а повним деформаціям і інтерпретується як тангенс кута α нахилу січної в точці С із заданим напруженням σ_x (Е^'_b = tga). Ці модулі зв'язані між собою співвідношенням Е^'_b = νЕ_b, де ν = e_еl /e – коефіцієнт пружньо-пластичності. Він змінюється від 1 при пружних деформаціях до 0,45¸0,15 при врахуванні непружних деформацій. Дане співвідношення можна одержати з розгляду двох трикутників ΔОАВ і ΔОСД.

Рис.1.2

Слід відзначити ще дві специфічні властивості деформування бетонів – це усадка і повзучість. Під усадкою розуміють властивість бетону зменшуватися в об’ємі в часі під впливом зовнішнього температурно-вологісного середовища. Процес усадки пов'язаний з фізико-хімічними процесами, що виникають при твердінні бетону, і з випаром води, що знаходиться в порах бетону. Усадка підвищує зчеплення бетону з арматурою, викликаючи її стиск, а в бетоні – розтяг. Нерівномірність розвитку усадкових деформацій викликає появу в бетоні тріщин.

Якщо прикласти до бетону постійно діюче тривале навантаження, то в бетоні з часом деформації не залишаються однаковими, а продовжують розвиватися. Явище збільшення деформацій у часі без зміни прикладеного навантаження називається повзучістю бетону. Ця властивість особливо інтенсивно виявляється в молодому віці бетону і згасає з часом. Усі процеси, що відбуваються в бетоні з часом, звуться реологічними процесами. Деформації повзучості залежать від багатьох факторів, зокрема, від вологості навколишнього середовища, величини водоцементного відношення, кількості цементу, рівня напруженого стану та багатьох інших факторів.

Для розрахунків залізобетонних конструкцій важливо знати граничні деформації бетонів у стадії руйнування. При стиску приймають e_R=2·10^-3, при тривалому стиску e_R=2,5·10^-3, при розтягу e_Rt=1,5·10^-4, при згині e_R=3,5·10^-3, деформації усадки приймають у середньому e_sl =0,3·10^-3.