2. Структура бетона и его влияние на прочность и деформативность
Структура бетона грубо неоднородна и зависит от многих факторов. Она формируется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами крупных и мелких заполнителей и пронизанной многочисленными микропорами и капиллярами, содержащими химически не связанную воду, водяные пары и воздух.
С физической точки зрения бетон представляет собой капиллярно-пористое тело, в котором резко нарушена сплошность массы и присутствуют все три фазы: твердая, жидкая и газообразная. При этом цементный камень, скрепляющий бетон, также неоднороден и состоит из упругого кристаллического состава и вязкой массы – геля, таким образом, это наделяет бетон упруго-пластично-ползучими свойствами. Эти свойства проявляются в характере деформирования бетона под нагрузкой, во взаимодействии с температурно-влажностным режимом окружающей среды. Во времени кристаллический состав увеличивается, а гелевая часть уменьшается.
Рекомендуемое водоцементное отношение В/Ц ≈ 0,2. Однако по технологическим соображениям – для достижения достаточной подвижности и удобоукладываемости бетонной смеси – количество воды берут с некоторым избытком (В/Ц = 0,5 ÷ 0,6) Если В/Ц > 0,6 , то прочность бетона уменьшается.
Состав бетона, различный по крупности: от микрочастиц до макрочастиц цемента, обуславливает неравномерные деформации.
Рассмотрим диаграмму начала и конца трещинообразования бетона (рис. 2.1)
Рис. 2.1. Диаграмма начала и конца трещинообразования
начало
микротрещинообразования;
конец
микротрещинообразования.
Фактически конец микротрещинообразования является пределом длительной прочности бетона, т.е.
(2.1)
где
предел длительной прочности бетона
При достижении предела длительной прочности бетона количество трещин достигает максимального значения (насыщение).
предел
кратковременной прочности бетона
(диапазон уплотнения бетона)
(2.2)
где
–
коэффициент упругопластичности;
– упругие деформации;
– неупругие
(пластические) деформации;
– полные деформации
Если любым способом
обеспечивать постоянство деформаций
(т.е. обеспечивать условие
= const),
то на диаграмме будет ниспадающая
ветвь.
Вокруг пор и пустот при одноосном сжатии образуются по продольным площадкам растягивающие структурные напряжения, уравновешенные сжимающими напряжениями. Вследствие частого и хаотического расположения пустот происходит взаимное наложение растягивающих напряжений, а это приводит к появлению и развитию микротрещин задолго до его разрушения (рис. 2.2).
а) б)
Рис. 2.2. Схема образования трещин
а) – концентрация напряжений у микро- и макропор;
б) – разрыв бетона в поперечном направлении
Отсутствие закономерности в расположении заполнителей в затвердевшем бетоне, размере пор приводит к разбросу показателей прочности, что приводит к большому числу лабораторных и натурных экспериментов.
На прочность бетона большое влияние оказывает скорость нагружения образцов (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Диаграмма скоростей нагружения
При замедленном нагружении образцов прочность бетона на 10 ÷15% меньше, чем при кратковременном нагружении. При быстром нагружении прочность бетона возрастает до 20% по сравнению с кратковременным нагружением.
Бетон имеет разную прочность при разных силовых воздействиях: сжатии, растяжении, изгибе, срезе. Различают несколько характеристик прочности бетона: кубиковую и призменную прочность; прочность при срезе и скалывании; прочность при длительном, кратковременном и динамическом воздействии нагрузок, при многократных повторных нагрузках.