Прочность бетона, классы и марки бетона

Прочность бетона зависит от многих факторов, как-то:

• структура бетона;
• марка цемента;
• водоцементное отношение В/Ц;
• вид мелкого и крупного заполнителя;
• условия твердения;
• вид напряженного состояния;
• форма и размеры сечения;
• длительность действия нагрузки.

Кубиковая прочность.Для определения прочности бетона на осевое сжатие обычно испытывают в прессе бетонные кубы с размером ребра 150 мм, характер разрушения которых обусловлен наличием или отсутствием сил трения, возникающих на контактных поверхностях между подушками пресса и гранями куба.

Силы трения между подушками пресса и гранями куба препятствуют свободным поперечным деформациям куба и соответственно упрочняют бетон сверху и снизу. По мере удаления от торцевых граней куба влияние сил трения уменьшается, поэтому после разрушения куб приобретает форму 2-х пирамид сверху и снизу.

Если устранить силы трения смазкой контактных поверхностей, прочность бетонного куба будет меньше, поперечные деформации проявляются свободно, трещины разрыва становятся вертикальными. Временное сопротивление сжатию бетона для куба с ребром 150 мм равно R, с ребром 200 мм - 0,93 R, с ребром 100 мм – 1,1R. Это объясняется изменением эффекта обоймы с изменением размеров куба.

Призменная прочность.Так как железобетонные конструкции по форме отличаются от кубов, основной характеристикой прочности бетона сжатых элементов является призменная прочность R_b – временное сопротивление осевому сжатию бетонных призм. Призменная прочность меньше кубиковой, и она уменьшается с увеличением отношения h/a. Влияние сил трения на среднюю часть призмы уменьшается с увеличением ее высоты и при h/a=4 значение R_b становится стабильным и равно приблизительно 0,75R.

Прочность бетона на осевое растяжение.Прочность бетона на растяжение в 15…20 раз меньше, чем при сжатии. Повышение прочности бетона на растяжение может быть достигнуто увеличением расхода цемента, уменьшением В/Ц, применением щебня с шероховатой поверхностью. Временное сопротивление бетона осевому растяжению R_bt определяют испытаниями:

1) на разрыв – образцов в виде восьмерки;

2) на раскалывание – образцов в виде цилиндров;

3) на изгиб – бетонных балок: ,

где χ – учитывает криволинейный характер эпюры напряжений в бетоне растянутой зоны.

Прочность бетона на срез и скалывание.Срез – разделение элемента на 2 части по сечению, к которому приложены перерезывающие силы (рис. 5, а). Временное сопротивление бетона на срез: .

Сопротивление бетона скалыванию возникает при изгибе балок до появления в них наклонных трещин: .

Классы и марки бетона.Качество конструкционного бетона характеризуется классами и марками в зависимости от назначения железобетонных конструкций и условий эксплуатации. Строительные нормы устанавливают следующие показатели качества бетона:

• класс бетона по прочности на осевое сжатие B;
• класс бетона по прочности на осевое растяжение B_t;
• марка по морозостойкости F;
• марка по водонепроницаемости W;
• марка по средней плотности D;
• марка по самонапряжению S_p.

Классом бетона по прочности на осевое сжатие B (МПа) называется временное сопротивление сжатию бетонных кубов с размерами ребра 150 мм, испытанных в соответствии со стандартом через 28 суток хранения при температуре 20±2^оС с учетом статистической изменчивости прочности.

Среднее значение временного сопротивления бетона сжатию, установленное при испытании партии стандартных кубов:

,

где n₁, n₂, …, n_k – число случаев, в которых было установлено временное сопротивление соответственно R₁, R₂, …, R_k, n – общее число испытаний.

Среднее квадратичное отклонение прочности бетона в партии, характеризующее изменчивость прочности:

,

где Δ₁=R₁-R_m; Δ₂=R₂-R_m; …;Δ_k=R_k-R_m – отклонения.

Коэффициент вариации прочности бетона в партии:

.

Наименьшее контролируемое значение – временное сопротивление B – расположено на расстоянии χS_m влево от значения R_m, т.е.:

,

где χ – число, показатель надежности.

Исходя из значения χV_m оценивают обеспеченность гарантируемых значений прочности бетона не менее B. В нормах на проектирование установлена обеспеченность (доверительная вероятность) 0,95. Это имеет место при χ=1,64.

Для тяжелых бетонов установлены классы B 7,5 ÷ B 60.

Аналогичным образом определяют класс бетона по прочности на осевое растяжение.

Класс бетона по прочности на осевое растяжение: B_t 0,8 ÷ B_t 3,2

Марка бетона по морозостойкости – характеризуется числом выдерживаемых бетоном циклов попеременных замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии. После определенного числа циклов производят испытания бетонных кубов на сжатие. Снижение прочности на 15 % при таком количестве циклов определяет марку бетона по морозостойкости. F 50 ÷ F 500.

Марка бетона по водонепроницаемости – характеризуется предельным давлением воды (кг/см²), при котором еще не наблюдается ее просачивание через испытываемый стандартный образец. W 2 ÷ W 12.

Марка бетона по средней плотности – гарантированная собственная масса бетона (кг/м³): тяжелый бетон D 2200 ÷ D 2500.

Марка бетона по самонапряжению - значение предварительного напряжения в бетоне, МПа, создаваемого в результате его расширения при коэффициенте продольного армирования μ = 0,01, и контролируется на образцах-призмах размером 10×10×40см.

S_p 0,6 ÷ S_p 4.

Процесс твердения бетона значительно ускоряется при повышении температуры и влажности среды. При благоприятных условиях твердения прочность бетона может нарастать годами. Твердение бетона при отрицательной температуре резко замедляется или прекращается.

Прочность бетона при длительном действии нагрузки.Предел длительного сопротивления бетона осевому сжатию составляет R_bl ≈ 0,9R_b, т.к. при длительном действии нагрузки под влиянием развивающихся значительных неупругих деформаций бетон разрушается при напряжениях, меньших, чем R_b.

Прочность бетона при многократно повторяемых нагрузках.При действии многократно повторяемых нагрузок прочность бетона сжатию под влиянием развития структурных микротрещин уменьшается. Предел прочности бетона (предел выносливости) R_f зависит от числа циклов нагрузки – разгрузки n и отношения попеременно возникающих минимальных и максимальных напряжений .

При n ~ 10⁷ R_f ≈ 0,5÷0,7 R_b.

Динамическая прочность бетона.При динамической нагрузке большой интенсивности, но малой продолжительности, имеет место увеличенное временное сопротивление бетона – динамическая прочность. Это явление объясняется энергопоглощающей способностью бетона, работающего только упруго в течение короткого промежутка нагружения динамической нагрузкой. Чем меньше время τ нагружения, тем больше коэффициент динамической прочности бетона . При τ=0,1 сек R_d ≈ 1,2R_b.